基于多目標(biāo)三維跟蹤雷達的移動式機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置

杜 磊， 孫 橋， 白 杰， 徐天琪， 何國權(quán)

(1.中國計量科學(xué)研究院，北京 100029；2.業(yè)納(上海)精密儀器設(shè)備有限公司，上海 201315)

1 引 言

機動車測速儀是用于測定道路上機動車行駛速度的計量器具,是交通管理部門處罰超速違法行為的主要執(zhí)法計量器具。機動車測速儀被列入到國家市場監(jiān)管總局于2019年10月發(fā)布的實施強制管理的計量器具目錄,且監(jiān)管方式為“型式批準(zhǔn)、強制檢定”,在使用前應(yīng)辦理型式批準(zhǔn)或進口計量器具型式批準(zhǔn),使用中應(yīng)接受強制檢定。

按照工作原理,機動車測速儀可分為3類:機動車?yán)走_測速儀[1，2]、機動車激光測速儀[3]和機動車地感線圈測速系統(tǒng)[4]。

按照檢定規(guī)程,機動車測速儀的檢定項目主要包括2部分:實驗室模擬檢定和現(xiàn)場實車檢定。傳統(tǒng)的現(xiàn)場實車檢定方法(以下簡稱傳統(tǒng)方法)[1～4]是在封閉道路的前提條件下,裝有車載標(biāo)準(zhǔn)測速儀[5～11]的試驗車以指定的速度點(限速值的50%和100%左右)勻速通過待檢機動車測速儀的測量區(qū)域,將待檢機動車測速儀的速度測量值與車載標(biāo)準(zhǔn)測速儀的速度參考值進行比對,以對待檢機動車測速儀的現(xiàn)場測速誤差進行檢定。傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢在于試驗車的行駛速度和狀態(tài)可控,但劣勢主要有以下4點:一是需要封閉道路,但近年來隨著車流量迅速增大,封路越來越難以實現(xiàn);二是沒有考慮真實交通流量狀況中的不同車型、旁車道干擾等多種因素對待檢機動車測速儀測量結(jié)果的影響;三是現(xiàn)場檢定速度點有限;四是檢定人員危險程度較高。

為此,2015年實施的機動車?yán)走_測速儀檢定規(guī)程[1，2]中,提出了在真實交通流量狀況下的機動車測速儀在線檢定方法(以下簡稱在線方法)。但因為缺少能夠滿足在線方法要求且性價比高的在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置,在線方法一直沒在現(xiàn)場實車檢定中得到大范圍應(yīng)用。基于壓電傳感器的機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置[12，13]是固定安裝的,不能按照待檢機動車測速儀安裝位置的不同而置于相應(yīng)的現(xiàn)場檢定位置,因此僅適用于機動車測速儀型式評價現(xiàn)場試驗。

本文研制了一套基于多目標(biāo)三維跟蹤雷達的移動式機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置,分析了該套移動式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置的設(shè)計要求、工作原理、溯源方法和不確定度評定,并通過與基于壓電傳感器的固定式機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置)[13]在真實交通流量狀況下的大樣本現(xiàn)場比對試驗數(shù)據(jù),驗證了在線方法的可行性以及該套移動式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置的實際測速性能。

2 設(shè)計要求與工作原理

2.1 設(shè)計要求

如圖1所示,在線方法以真實交通狀況下正常行駛的社會車輛為測量目標(biāo),在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置(圖1中A)與待檢機動車測速儀(圖1中B)在同一時刻對同一測量區(qū)域內(nèi)的同一測量目標(biāo)車輛(圖1中C)的行駛速度進行測量,將在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置所測得的標(biāo)準(zhǔn)速度值與待檢機動車測速儀的測得的速度測量值進行比對,以對待檢機動車測速儀的現(xiàn)場測速誤差進行檢定。

圖1 在線方法示意圖

與傳統(tǒng)方法相比,在線方法的優(yōu)勢主要有:不需要封閉道路,不會影響正常的交通秩序;由于是在復(fù)雜真實交通狀況下進行在線檢定,能夠更全面地評價機動車測速儀的實際測速性能;以大量的社會車輛作為測量目標(biāo),易于開展各種速度點的大樣本現(xiàn)場檢定;不需要配備專門的檢定試驗車,現(xiàn)場檢定的工作量和檢定人員危險程度均大為降低等等。在線方法的劣勢在于測量目標(biāo)為非合作的社會車輛,在測量區(qū)域內(nèi)的行駛速度值和運動狀態(tài)均不可控,并且在復(fù)雜真實交通狀況中測量目標(biāo)難以確定。

在線方法對所使用的在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置提出了極高的要求。除了需要滿足參考文獻[13]中提到的固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置所要求的同一時刻、同一位置和同一測量目標(biāo)的三“同”設(shè)計外,用于檢定的在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置還需要設(shè)計成便攜移動式,以滿足能夠根據(jù)待檢機動車測速儀的安裝位置而置于相應(yīng)的現(xiàn)場檢定位置,并且還需要考慮安裝簡便快捷且安裝偏差對測量結(jié)果的影響可以修正。

2.2 工作原理

根據(jù)要求,研制的移動式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置(以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)裝置)如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)裝置可以根據(jù)待檢機動車測速儀的安裝位置而放置于相應(yīng)的現(xiàn)場檢定位置,以確保標(biāo)準(zhǔn)裝置和待檢機動車測速儀的速度測量區(qū)域保持一致。標(biāo)準(zhǔn)裝置采用頻移鍵控(FSK)調(diào)制發(fā)射信號和單發(fā)多收天線結(jié)構(gòu)的多目標(biāo)三維跟蹤雷達工作原理,配有高清相機以對測量目標(biāo)進行拍照取證并對其號牌進行識別,以確保標(biāo)準(zhǔn)裝置和待檢機動車測速儀測量目標(biāo)的同一性。

如圖2所示,標(biāo)準(zhǔn)裝置通過發(fā)射FSK調(diào)制信號以計算回波多普勒信號的相位差來測量目標(biāo)車輛的距離R,并通過多接收天線干涉原理來測量目標(biāo)車輛的角度γ,以此來計算并確定目標(biāo)車輛的位置。此外,標(biāo)準(zhǔn)裝置通過多普勒頻移原理來測量目標(biāo)車輛的徑向速度,并通過所測量的目標(biāo)車輛角度值γ自動修正余弦效應(yīng)補償角度,以此來計算目標(biāo)車輛的行駛速度v。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)裝置工作圖

2.2.1 速度測量原理

為了跟蹤目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)的速度值以判斷其運動狀態(tài),同時提高距離測量精度和避免距離模糊問題,標(biāo)準(zhǔn)裝置采用4FSK調(diào)制方式,依次發(fā)射頻率值分別為f0,f1,f2和f3的微波信號sT(t):

(1)

式中：β0,β1,β2和β3分別為對應(yīng)頻率發(fā)射信號的初始相位;Ta為脈沖重復(fù)周期;n為自然數(shù)。經(jīng)目標(biāo)車輛反射后,收到的回波信號sR(t)與發(fā)射信號sT(t)進行混頻和濾波,得到多普勒頻移信號sd(t):

sd(t)=

(2)

式中:R0(t),R1(t),R2(t)和R3(t)分別為對應(yīng)頻率發(fā)射信號時標(biāo)準(zhǔn)裝置與目標(biāo)車輛之間的距離;C為電磁波在空氣中的傳播速度。

對多普勒頻移信號sd(t)的相位求導(dǎo)后,可以求得多普勒頻率fd0,fd1,fd2和fd3分別為:

(3)

式中:γ0,γ1,γ2和γ3分別為對應(yīng)頻率發(fā)射信號時標(biāo)準(zhǔn)裝置與目標(biāo)車輛在距離方向上的角度,可通過后面介紹的多接收天線干涉原理進行實時測量。

根據(jù)式(4)可以分別計算出不同發(fā)射頻率時的目標(biāo)車輛行駛速度測量值vm0,vm1,vm2和vm3:

(4)

由式(4)可以看出,標(biāo)準(zhǔn)裝置可以對進入其測量區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)車輛的行駛速度進行實時跟蹤測量,因此可以對目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)的運動狀態(tài)進行判斷。如果速度測量值vm0,vm1,vm2和vm3之間的差值大于預(yù)先設(shè)置的最大允許偏差時,表明該目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)可能出現(xiàn)加速、減速或變道等非理想測量運動狀態(tài),意味著該目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)的行駛速度值不是均勻分布的[13],此時該目標(biāo)車輛不能作為有效的測量目標(biāo)。只有當(dāng)目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)的多次速度測量值之間的差值小于最大允許偏差時,該目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)的行駛速度值被認(rèn)為是均勻分布的,此時該目標(biāo)車輛才能作為在線檢定有效的測量目標(biāo)。

2.2.2 距離測量原理

標(biāo)準(zhǔn)裝置通過發(fā)射4FSK調(diào)制信號sT(t)以計算回波多普勒信號sd(t)的相位差來測量目標(biāo)車輛的距離R。根據(jù)式(2)可以分別計算出不同發(fā)射頻率時的多普勒頻移信號的相位差Δφd01,Δφd02和Δφd03:

(5)

根據(jù)圖2以及式(1)和式(3),式(5)可表示為:

(6)

根據(jù)式(6)可計算出目標(biāo)車輛初始距離R0的3個測量值R01,R02和R03:

(7)

由式(5)和式(6)可以看出,相位差Δφd01,Δφd02和Δφd03均為周期為2π的周期性函數(shù)。這意味著式(7)中的目標(biāo)車輛初始距離的3個測量值R01,R02和R03均不是唯一確定的,而存在著距離模糊問題,其中不模糊的目標(biāo)車輛初始距離測量范圍R01amb,R02amb和R03amb分別為:

(8)

因此,為了得到唯一確定的目標(biāo)車輛初始距離R0的測量值,標(biāo)準(zhǔn)裝置采用4FSK調(diào)制方式,通過式(7)中的3個測量值R01,R02和R03來計算目標(biāo)車輛初始距離測量平均值Rm:

(9)

需要說明的是:除了標(biāo)準(zhǔn)裝置采用相位差Δφd01,Δφd02和Δφd03來計算目標(biāo)車輛初始距離測量值R01,R02和R03之外,還可利用式(2)中的相位差Δφd12,Δφd13或Δφd23來計算初始距離測量值R12,R13或R23。由式(7)和式(8)可以看出:發(fā)射頻率值之間的差值越大,距離測量精度就會越高,但不模糊的距離測量范圍會越小。因此,需要根據(jù)所調(diào)制的發(fā)射頻率值、所要求的距離測量精度與范圍等多種因素來選擇式(2)中相位差組合,以測量目標(biāo)車輛的距離R。

2.2.3 角度測量原理

標(biāo)準(zhǔn)裝置通過多接收天線干涉原理來測量目標(biāo)車輛的角度γ。如圖3所示,標(biāo)準(zhǔn)裝置采用單天線發(fā)射(圖3中TT)、雙天線接收(圖3中TR1和TR2)的收發(fā)分置天線結(jié)構(gòu),通過計算2個接收天線TR1和TR2所接收到的回波信號相位差,來測量目標(biāo)車輛在距離方向上的角度γ。

圖3 雙接收天線干涉角度測量原理圖

如圖3所示,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的2個接收天線的間距d滿足遠遠小于其到目標(biāo)車輛的距離R時,2個接收天線TR1和TR2到目標(biāo)車輛的距離R1和R2可分別表示為：

(10)

則2個接收天線到目標(biāo)車輛的距離差為:

R1-R2=dcosγ

(11)

當(dāng)2個接收天線到目標(biāo)車輛的距離差R1-R2小于波長λ的1/2時，R1-R2還可以通過2個接收天線的信號相位差Δθ表示:

(12)

根據(jù)式(11)和式(12),可測量出目標(biāo)車輛在距離方向上的角度γ:

(13)

由于標(biāo)準(zhǔn)裝置采用4FSK調(diào)制方式,依次發(fā)射頻率值分別為f0,f1,f2和f3的微波信號,因此根據(jù)式(13),對應(yīng)頻率發(fā)射信號時標(biāo)準(zhǔn)裝置與目標(biāo)車輛在距離方向上的角度γ0,γ1,γ2和γ3為:

(14)

式中:Δθ0,Δθ1,Δθ2和Δθ3分別為對應(yīng)頻率發(fā)射信號時標(biāo)準(zhǔn)裝置2個接收天線的信號相位差。

將式(14)中的角度γ0,γ1,γ2和γ3測量結(jié)果分別代入到式(4)中的對應(yīng)位置處,則可計算出不同發(fā)射頻率時的目標(biāo)車輛行駛速度測量值vm0,vm1,vm2和vm3。

標(biāo)準(zhǔn)裝置沒有采用常規(guī)機動車?yán)走_測速儀中的角度近似方式[14],而是通過干涉原理實時測量,故標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量值中不存在由于角度近似所引入誤差分量[14],因此標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量值更為精確,并且可以對現(xiàn)場安裝偏差對速度測量值的影響進行修正。根據(jù)機動車?yán)走_測速儀檢定規(guī)程[1，2]中的要求,標(biāo)準(zhǔn)裝置所設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)裝置通過配備的高清相機對每次在線測量結(jié)果進行拍照取證,同時將測量結(jié)果中的關(guān)鍵測量信息標(biāo)記在取證照片中并進行存儲。圖4中所示的是典型的在線測量結(jié)果取證照片。在所示的取證照片中有多輛社會車輛,標(biāo)準(zhǔn)裝置會在其所測量的目標(biāo)車輛位置處做標(biāo)記,并在標(biāo)記下方注明其所測量的標(biāo)準(zhǔn)速度值。同時在照片上方的測量結(jié)果匯總中注明本次測量的時間、地點以及目標(biāo)車輛的標(biāo)準(zhǔn)速度值、所在車道和車牌號碼等關(guān)鍵測量信息,用于與待檢機動車測速儀的測量結(jié)果進行匹配和對比,以評價待檢機動車測速儀的在線測量性能。

圖4 在線測量結(jié)果示例

3 溯源方法與不確定度評定

3.1 溯源方法

由第2.2.1節(jié)的速度測量原理可知,標(biāo)準(zhǔn)裝置是通過測量發(fā)射信號頻率與回波信號頻率之間的差值,即多普勒頻率,來計算目標(biāo)車輛的行駛速度值,因此標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量值可直接溯源到多普勒頻率,通過多目標(biāo)運動速度模擬器(以下簡稱模擬器)產(chǎn)生對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)多普勒頻率值來評價其速度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量值的溯源方法如圖5所示。首先,調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)裝置(圖5中A)與模擬器(圖5中B)之間的相對位置,確保二者的收發(fā)天線處于同一軸線。然后,模擬器接收標(biāo)準(zhǔn)裝置所發(fā)射的微波信號,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)速度值所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)多普勒頻率值和目標(biāo)車輛的運動方向?qū)ζ溥M行調(diào)制。最后,模擬器產(chǎn)生包含了標(biāo)準(zhǔn)多普勒頻率信息的回波信號,并將其發(fā)射給標(biāo)準(zhǔn)裝置,以評價標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量值的準(zhǔn)確性和一致性。

圖5 溯源方法示意圖

在標(biāo)準(zhǔn)裝置速度量值溯源中,模擬器起到了關(guān)鍵作用,因此必須確保模擬器的技術(shù)性能能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度量值溯源要求。參照文獻[15]中的評價方法和文獻[16]中的詳細(xì)評價過程,模擬器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示,能夠滿足表1中所示的標(biāo)準(zhǔn)裝置速度量值溯源的要求。

表2 模擬器的主要技術(shù)參數(shù)

3.2 校準(zhǔn)結(jié)果與不確定度評定

按照第3.1節(jié)提出的溯源方法,本節(jié)使用模擬器對標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量值進行校準(zhǔn),并對校準(zhǔn)結(jié)果進行不確定度評定,以評價標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和一致性。

根據(jù)表1中所示的標(biāo)準(zhǔn)裝置速度量值溯源要求,選擇在10,50,100,150,200,250,300 km/h等7個典型的速度校準(zhǔn)點進行校準(zhǔn),每個速度校準(zhǔn)點進行10次重復(fù)測量,速度校準(zhǔn)結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出,在10～300 km/h的速度測量范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量誤差均在-0.20～0.10 km/h范圍內(nèi)。

表3 標(biāo)準(zhǔn)裝置速度校準(zhǔn)結(jié)果

參照參考文獻[17]中所采用的機動車?yán)走_測速儀模擬速度測量誤差不確定度評定方法,主要從10次速度測量結(jié)果的重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量值的分辨力以及模擬器的模擬速度最大允許誤差等3個方面對標(biāo)準(zhǔn)裝置速度測量誤差進行不確定度評定,評定結(jié)果如表4所示。

表4 速度測量誤差的不確定度評定

由表4可以看出,在10～100 km/h的速度測量范圍內(nèi)擴展不確定度均不超過0.1 km/h(k=2),在100～300 km/h的速度測量范圍內(nèi)相對擴展不確定度均不超過0.1%(k=2),均未超過表1中標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量最大允許誤差區(qū)間半寬的1/3。因此,在10～300 km/h的速度測量范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量誤差均在-0.20～0.10 km/h范圍內(nèi),能夠滿足表1中的速度測量最大允許誤差的設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場比對驗證與數(shù)據(jù)分析

為了驗證標(biāo)準(zhǔn)裝置在真實交通流量狀況下的在線測速性能,將其與固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置[13]進行大樣本社會車輛的現(xiàn)場比對試驗。

如圖6所示,調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)裝置的安裝位置和安裝角度,使其測量區(qū)域與固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置中編號為1,2和3的3套現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)測速儀[13]的測量區(qū)域保持一致。

圖6 現(xiàn)場比對試驗示意圖

以固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量值和車道位置測量結(jié)果為參考值,將標(biāo)準(zhǔn)裝置的測量結(jié)果與參考值進行對比,以計算標(biāo)準(zhǔn)裝置在真實交通流量狀況下的現(xiàn)場測速偏差和車道測量準(zhǔn)確率。

為了減小由于目標(biāo)車輛在測量區(qū)域內(nèi)行駛速度值不均勻造成的偏差,本次現(xiàn)場比對試驗僅選取在測量區(qū)域內(nèi)行駛速度變化量不超過±0.3 km/h的目標(biāo)車輛?，F(xiàn)場比對試驗結(jié)果如圖7所示,匯總統(tǒng)計如表5所示。在本次現(xiàn)場比對試驗中,3條車道共獲得了702輛目標(biāo)車輛的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù),最低速度值為61.29 km/h,最高速度值為129.26 km/h,平均速度值為93.40 km/h,各車道的詳細(xì)數(shù)據(jù)如表5所示。

圖7 現(xiàn)場比對試驗結(jié)果

由表5可以看出,標(biāo)準(zhǔn)裝置能夠?qū)?條車道上的目標(biāo)車輛進行測量,并且車道測量準(zhǔn)確率為100%,因此標(biāo)準(zhǔn)裝置在真實交通流量狀況下的車道測量范圍和準(zhǔn)確率能夠滿足表1中的設(shè)計要求。

表5 現(xiàn)場比對試驗結(jié)果匯總統(tǒng)計

由圖7和表5可以看出,標(biāo)準(zhǔn)裝置與固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置對702輛目標(biāo)車輛的現(xiàn)場測速偏差分布在-0.6～0.6 km/h的范圍內(nèi),其中:最大偏差值為0.52 km/h,最小偏差值為-0.57 km/h,平均偏差值為-0.13 km/h,各車道的詳細(xì)偏差數(shù)據(jù)如表5所示?？紤]到固定式在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置的相對擴展不確定度[13]以及目標(biāo)車輛速度變化量的影響,標(biāo)準(zhǔn)裝置在真實交通流量狀況下的現(xiàn)場測速誤差能夠滿足表1中的速度測量最大允許誤差的設(shè)計要求。

5 結(jié) 論

本文研制了一套基于多目標(biāo)三維跟蹤雷達的移動式機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置,為基于真實交通流量狀況的在線檢定方法在機動車測速儀現(xiàn)場實車檢定中的大范圍推廣與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過實驗室全量程模擬校準(zhǔn)試驗結(jié)果及與固定式機動車在線測速標(biāo)準(zhǔn)裝置在真實交通流量狀況下的大樣本現(xiàn)場比對試驗結(jié)果,驗證了標(biāo)準(zhǔn)裝置的速度測量誤差在10～100 km/h測量范圍內(nèi)為±0.5 km/h,在100～300 km/h測量范圍內(nèi)為±0.5%,車道測量準(zhǔn)確率可達到100%,能夠滿足檢定規(guī)程中對現(xiàn)場測速標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)要求[1，2]。