NL1008087C2

NL1008087C2 - Dopplerradar-verkeersmeetsysteem.

Info

Publication number: NL1008087C2
Application number: NL1008087A
Authority: NL
Inventors: Cornelis Nicolaas Willemse
Original assignee: Chl Netherlands Bv
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-07-26
Also published as: EP0933648A1

Description

Dopplerradar-verkeersmee tsys teem.

De uitvinding heeft betrekking op een dopplerradar-verkeersmeetsysteem voor het meten en bewaken van verkeer op verkeerswegen en dergelijke, voorzien van een 5 radarzender/ontvangerinrichting, waarmee een vastgesteld meetgebied onder een vaste hoek bestreken wordt met een golfbundel van vaste frequentie, waarvan de door verkeer, dat het meetgebied passeert, gereflecteerde straling wordt opgevangen, en voorzien van middelen om uit de 10 dopplerverschuiving van de gereflecteerde straling de snelheid van het verkeer te bepalen en in afhankelijkheid van gekozen drempelwaarden alarmeringssignalen en/of activeringssignalen voor een fotocamera te geven.

Dopplerradar-verkeersmeetsystemen zijn bekend en vinden 15 in het bijzonder toepassing voor de bewaking van autosnelwegen voor het automatisch registreren van de snelheid van passerende voertuigen. Een dergelijk systeem wordt bijvoorbeeld beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 93 00672. Bij dit bekende systeem wordt 20 gewerkt met een golfbundel van enkelvoudige frequentie, en uit de terugontvangen dopplerfrequentie, veroorzaakt door de dopplerverschuiving ten gevolge van de snelheid van het voertuig, kan de snelheid van het voertuig worden afgeleid.

De betrouwbaarheid van deze snelheidsmetingen is onder 25 andere afhankelijk van de verkeersintensiteit. Verstoring treedt onder andere op doordat meerdere voertuigen zich tegelijk in de radarbundel bevinden en door reflecties tussen voertuigen. Momenteel worden metingen, die op statistische gronden als onbetrouwbaar worden geacht, 30 verworpen.

Het is nu het doel van de uitvinding een dergelijk meetsysteem uit te breiden en te verbeteren doordat, behalve de snelheid, ook de afstand van het voertuig tot het meetsysteem gemeten wordt, en deze afstand kan worden 35 omgezet in een indicatie van de rijbaan waarin het voertuig zich bevindt.

Daartoe voorziet de uitvinding in een dopplerradar-verkeersmeetsysteem zoals omschreven in de aanhef, met het kenmerk, dat de radarzender/ontvangerinrichting is 1*1 0 08 0 8 7 2 uitgevoerd voor het continu zenden van afwisselend eerste radarsignalen van een eerste frequentie en tweede radarsignalen van een tweede frequentie, welke tweede frequentie dicht gelegen is bij de eerste frequentie, en 5 voorzien is van middelen om uit het faseverschil tussen terugontvangen eerste en tweede signalen, die door een het meetgebied passerende verkeersdeelnemer worden gereflecteerd, de afstand tot deze verkeersdeelnemer te bepalen, en deze afstand om te zetten in de baan (rijbaan, 10 vaarstrook, enz.), waarin de verkeersdeelnemer zich bevindt.

In principe zou het mogelijk zijn om een afstand te bepalen met een enkelvoudig dopplersignaal. Immers, de fase van het teruggereflecteerde signaal is evenredig aan de dubbele afstand en omgekeerd evenredig aan de golflengte van 15 het uitgezonden signaal. Aangezien de meetfrequentie evenwel tamelijk hoog is, bijvoorbeeld 24 GHz, is de golflengte klein, en dit betekent dat bij een frequentie van 24 GHz slechts een afstand gemeten zou kunnen worden van 0,6 cm.

Volgens de uitvinding wordt nu gebruik gemaakt van twee 20 meetfrequenties die zeer dicht bij elkaar gelegen zijn, en uit het verschil tussen de twee uitgezonden frequenties kan een afstandsbereik worden bepaald, dat bij een frequentieverschil van 1 MHz ongeveer 150 meter bedraagt. Wanneer dit wordt omgerekend tot de totale wegbreedte betekent dit een 25 wegbreedte van 50 meter, ruim voldoende voor het bewaken van een autorijweg met verschillende banen.

Volgens de uitvinding wordt de afstand gekoppeld aan de opgemeten snelheid en wordt deze afstand omgezet in de rijbaan, waarin een voertuig zich bevindt. Hierdoor worden 30 plaats en beweging van het voertuig eenduidig vastgelegd, hetgeen zeer betrouwbare controles oplevert.

Bovendien wordt bij de uitvinding uit de al dan niet negatieve of positieve verschuiving van het dopplereffekt onafhankelijk van de rijbaan de rijrichting bepaald.

35 Hierdoor is het mogelijk om met een enkel systeem alle banen van een verkeersweg, zowel in heengaande als in teruggaande richting, op doeltreffende wijze te meten en te bewaken.

De uitvinding is niet beperkt tot in het bijzonder 2*1 D PR οχ* -* θ ! ü 08 0 8 7 3 autosnelwegen. Onder verkeerswegen wordt in het kader van de uitvinding mede verstaan spoorbanen, vaarwegen, bijvoorbeeld verkeer in sluizen, landingsbanen op vliegvelden, en dergelijke. Het dopplerradar-verkeersmeetsysteem is een 5 universeel systeem, en kan op al deze terreinen worden toegepast. Het systeem kan werken vanuit een vaste opstelling. Verder is het mogelijk dat het systeem transporteerbaar is. Een andere mogelijkheid is dat het systeem zich op of in een zich verplaatsend voertuig of 10 vaartuig bevindt.

De uitvinding zal nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekeningen. In de tekeningen toont:

Fig. 1 een schematische opstelling van een dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens de uitvinding, dat een 15 autosnelweg met vier rijbanen bewaakt,

Fig. 2 een blokschema van de signaalverwerkings-componenten van dit systeem, en

Fig. 3 een golfschema van de uitgezonden en ontvangen signalen.

20 1. Principe afstandsmeting

Het principe van de afstandsmeting bij de uitvinding is gebaseerd op het meten van het faseverschil tussen twee dopplersignalen. Deze twee dopplersignalen worden verkregen 25 door afwisselend met twee frequenties, fl en f2 uit te zenden. Er wordt uigezonden met een frequentie van ca.

24.125 GHz, en het omschakelen tussen de twee frequenties vindt plaats met een frequentie van 31.25 KHz. De omschakel frequentie van 31,25 KHz is gekozen in verband met 30 de hoogst optredende dopplerfrequenties en de praktische realisatie van het systeem. Deze omschakelfrequentie moet in verband met het nyquist theorema, minimaal het dubbele van de hoogst optredende dopplerfrequentie bedragen. Daar er continu uitgezonden wordt, is er sprake van een FMCW radar. 35 2. Opstelling

Voor het detecteren van voertuigen wordt een hoogfrequent signaal in een smalle bundel schuin over de weg uitgezonden (zie fig. 1). Aan dezelfde antenne is ook de 1 008087 4 ontvanger gekoppeld zodat gereflecteerde signalen ontvangen kunnen worden. De bundel heeft een breedte van 5° en maakt een hoek met de rijbaan van β = 20°.

5 3. Werking

Indien zich een voertuig in deze bundel bevindt, zal het uitgezonden signaal gereflecteerd en door de ontvanger ontvangen worden. Door het dopplereffekt zal de frequentie van dit ontvangen signaal, afhankelijk van de rijrichting, 10 iets hoger of lager zijn (dopplerverschuiving). Door dit ontvangen signaal te mengen (vermenigvuldigen) met een signaal dat in frequentie en fase overeenkomt met het uitgezonden signaal, ontstaat een signaal met een frequentie i gelijk aan de dopplerverschuiving, hier verder de doppler-15 frequentie genoemd. Het ontvangen signaal wordt niet direkt . aan de mixer toegevoegd, maar eerst in twee kanalen gesplitst, I en Q genoemd. Het faseverschil tussen deze twee kanalen bedraagt 90°. Uit het faseverschil van het doppler- ï ; signaal van deze twee kanalen kan de rijrichting berekend 20 worden, zie 3.2.

3.1 Bepalen van de afstand

Het faseverschil Φ tussen uitgezonden en ontvangen ;! signaal wordt bij enkelvoudige, uitgezonden frequentie 25 bepaald door:

2 * S

(1) Φ = ....... * 2n [rad] λ , waarbij S de afstand en λ de golflengte van het signaal 30 is. Hieruit kan in principe de afstand bepaald worden.

Aangezien het echter alleen mogelijk is de fase over een hoek van 0 .. 2n te bepalen, is het afstandsbereik beperkt tot λ/2. Bij een frequentie van 24 GHz is dit slechts 0,6 cm.

35 Door echter tussen twee frequenties te schakelen, worden twee verschillende fasen gemeten:

2 * S 2 * S

a 40 (2) Φ1 =....... * 2n [rad] (3) Φ2 =......- * 2n [rad] λΐ λ2 ’ »1 0 08 0 8? 5

Voor het faseverschil hiertussen geldt:

λΐ - λ2 2 * S

(4) άΦ = Φ2 - Φ1 = 2 * S * .......... *2π =------- * 2π 5 λΐ * λ2 Ad

Hierin is Ad de golflengte die overeenkomt met een frequentie van f2 - fl. immers λ = c / f zodat: 10 c/f1 - c/f2 f2 - fl df (5) ........... = ....... = c/fl * c/f2 c c

Het maximale afstandsbereik is dus vergroot tot Ad/2. Voor 15 een frequentiezwaai van 1 MHz komt dit overeen met 150 m. Voor de afstand geldt derhalve:

Ad (6) S =..... *άΦ 4n 20 Deze afstand kan op eenvoudige wijze worden onderverdeeld in de diverse rijbanen.

3.2 Bewegend doel

Indien een reflectie ontvangen wordt van een bewegend 25 doel met snelheid v geldt voor de afstand S(t) = S + v * t. Dit, met λ = c/f, ingevuld in (2) en (3), geeft: 2 * (S + v * t) * fl (7) Φ1 = ........-.............. * 2n [rad] 30 c 2 * (S + v * t) * f2 (8) Φ2 = ....................... * 2n [rad] c 35

Na menging met het uitgezonden signaal en het onderdrukken van de somfrequentie ontstaat een signaal dat evenredig is met de COS van het faseverschil Φ: 40 (9) Dl = Al * cos (wdl * t + Θ1) (10) D2 = A2 * cos (wd2 * t + Θ2) wdl = dopplerhoekfrequentie = v * 4n * fl / c wd2 = dopplerhoekfrequentie = v * 4n * f2 / c »1008087 6 Θ1 = fase-1 = S * 4π * fl / c Θ2 = fase-2 = S * 4π * f2 / c

Daar fl en f2 zeer weinig van elkaar verschillen, ca. 1 MHz 5 ten opzichte van 24.000 MHz, zullen wdl en wd2 vrijwel gelijk zijn en vallen binnen de resolutie van de frequentie- meting (11) d© = Θ2 - Θ1 = S * 4n * (f2 -f1) / c 10

Daar er voor de dopplerfrequentie geldt fd = wd / 2n, kunnen snelheid en afstand als volgt berekend worden: c c 15 (12) S = ......... * d0 (13) vd...... * fd 4n * df 2 * f

Dit is niet de werkelijke snelheid maar de snelheids-component in de richting van de antenne. Voor de werkelijke 20 snelheid moet een correctie toegepast worden afhankelijk van de hoek β tussen radarbundel en rijbaan, er geldt nu:

Vd c (14) Vw = ........ = ................ * fd 25 COS(6) 2 * f * COS(B) 3.3 Bepalen van de rijrichting 30 Door het splitsen van het ontvangen signaal in twee kanalen met een faseverschil van 90°, ontstaan na menging I twee dopplersignalen die 90° verschoven zijn dus: (15) Di = Ai * COS (±wd * t + 0) 35 (16) Dq = Aq * COS (±wd * t + Θ + n2) (16a) Dq = -Aq * SIN (±wd * t + 0)

Het ± teken is afhankelijk of de ontvangen frequentie hoger (tegemoetkomend verkeer) dan wel lager (afgaand verkeer) 40 ligt dan de uitgezonden frequentie.

- Aangezien: »1 008087 7 (17) SIN (-wd * t) = ·SIN(wd * t), en (18) COS (-wd * t) = COS(wd * t) geldt er voor tegemoetkomend verkeer: 5 (19) Di = Ai * COS(wd * t + Θ) (20) Dq = Aq * SIN(wd * t + Θ) dus een faseverschil tussen Vi en Vq van +90°, 10 en voor afgaand verkeer: (21) Di = Ai * COS (wd * t) (22) Dq = -Aq * SIN(wd * t) 15 dus een faseverschil van tussen Di en Dq van -90°, ofwel 270°.

Door het faseverschil tussen Di en Dq te meten kan dus de rijrichting bepaald worden volgens:

Fase ca. 90° : tegemoetkomend verkeer; 20 Fase ca. 270° : afgaand verkeer.

De fase kan worden toegekend aan de bijbehorende rijbaan.

4. Signaalverwerking 25 Het blokschema van de signaalverwerking is weergegeven in fig. 2.

De oscillator genereert, gestuurd door de modulator, een microgolfsignaal met de frequentie van bijvoorbeeld fl = 24,125 GHz en f2 = 24,126 GHz.

30 Het uitgezonden vermogen bedraagt ca. +10dBm.

In hetzelfde blok wordt het ontvangen signaal gesplitst in twee kanalen met een faseverschil van 90°. Vervolgens worden deze signalen gemengd met een gedeelte van het signaal dat van de gunn-oscillator afkomstig is.

35 Bij dit mengproces ontstaat een som- en verschil- frequentie, het signaal met de somfrequentie wordt onderdrukt en de verschilfrequentie is gelijk aan de dopplerverschuiving. Dit is dus een laagfrequent signaal met een frequentie van ca. 0 ... 10.000 Hz, overeenkomend met «et 0 08 0 87 8 een snelheid van O ... 240 Km/h.

Voor de signaalverwerking worden, in het signaalconstructieblok de twee kanalen CH-I en CH-Q nogmaals gesplitst in de kanalen, I en Q voor de uitgezonden 5 frequentie fl en I' resp. Q' voor de frequentie f2.

Door het omschakelen van de zendfrequentie met 32 KHz, werken er eigenlijk twee systemen door elkaar, ieder met een samplefrequentie van 32 KHz.

De maximale, te verwerken dopplerfrequentie bedraagt 10 hierdoor 16 KHz.

Vervolgens worden deze vier signalen door de AGC (Automatic Gain Control) circuits tot een vast niveau versterkt zodat het bereik van de A/D converter maximaal benut wordt.

15 Door de multiplexer kan gebruik gemaakt worden van twee in plaats van vier A/D converters.

Het gedigitaliseerde signaal van de vier kanalen wordt vervolgens toegevoerd aan de DSP (Digital Signal Processor). Deze DSP maakt het mogelijk om in "realtime" het frequentie-20 spectrum en onderling faseverband van deze vier kanalen te berekenen. Deze berekening vindt plaats door middel van FFT's.

Uit het frequentiespectrum wordt bepaald of er iets gedetecteerd wordt en met welke snelheid, waarna vervolgens 25 uit de faserelaties afstand en richting bepaald kunnen worden.

5. Afkortingen

Al = amplitude dopplersignaal bij fl.

30 A2 = amplitude dopplersignaal bij f2.

j Ai = amplitude dopplersignaal I-kanaal.

Aq = amplitude dopplersignaal Q-kanaal.

Dl = dopplersignaal bij fl.

35 D2 = dopplersignaal bij f2.

Di = dopplersignaal I-kanaal.

Dq = dopplersignaal Q-kanaal.

Vd = gemeten snelheid uit dopplerfrequentie.

Vw = werkelijke snelheid.

l j' pi 0080 87 9 fd = dopplerfrequentie [Hz].

wd = dopplerhoekfrequentie [rad/s].

fl = frequentie uitgezonden signaal, 5 lage frequentie [Hz].

f2 = frequentie uitgezonden signaal, hoge frequentie [Hz]. df = frequentieverschil f2 - fl.

10 λ = golflengte [m].

Al = golflengte uitgezonden signaal bij fl [m].

A2 = golflengte uitgezonden signaal bij f2 [m].

Ad = golflengte bij f = f2 - fl.

15 Φ = faseverschil uitgezonden en ontvangen signaal [rad] Φ1 = idem bij fl [rad] Φ2 = idem bij f2 [rad] d® = veschil in fase Φ2 - Φ1 [rad] 20 Θ1 = fase van het dopplersignaal bij fl [rad] ©2 = fase van het dopplersignaal bij f2 [rad] d© = verschil in fase ©2 - ©1 [rad] 25 S = afstand [m] S(t) = afstand als funktie van de tijd [m] v = snelheid [m/s] c = lichtsnelheid 3*10‘8 [m/s].

30 In het bovenstaande is de uitvinding specifiek toegelicht aan de hand van dopplerradar-verkeersmeet-systemen volgens de uitvinding, specifiek bedoeld voor het bewaken van een tweerichtingsautosnelweg. Het zal evenwel duidelijk zijn, dat de uitvinding niet beperkt is tot deze 35 uitvoeringsvorm, maar dat tal van varianten mogelijk zijn zowel qua uitvoering als qua toepassing.

Qua uitvoering zullen diverse varianten de vakman na lezing van het bovenstaande duidelijk zijn.

Qua toepassing zijn er tal van mogelijkheden. Het

Bi 0 08 0 87 10 systeem van de uitvinding kan bijvoorbeeld gekoppeld worden met filebewakings- en snelheidsindicatiesystemen op autosnelwegen. Verder kan het worden toegepast bij spoorwegen voor treinbewaking, op vliegvelden voor het 5 bewaken van start- en landingsbanen, alsook aanrijbanen, en voor scheepvaartdetectie. Een bijzondere toepassing is daarbij de bewaking van tweerichtingsscheepsverkeer in sluizen en dergelijke. Verdere modificaties en varianten zullen de vakman duidelijk zijn.

10 15 20 25 !! l i 30 35 - conclusies - :11 006087

Claims

1. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem voor het meten en bewaken van verkeer op verkeerswegen en dergelijke, 5 voorzien van een radarzender/ontvangerinrichting, waarmee een vastgesteld meetgebied onder een vaste hoek bestreken wordt met een golfbundel van vaste frequentie, waarvan de door verkeer, dat het meetgebied passeert, gereflecteerde straling wordt opgevangen, 10 en voorzien van middelen om uit de dopplerverschuiving van de gereflecteerde straling de snelheid van het verkeer te bepalen en in afhankelijkheid van gekozen drempelwaarden alarmeringssignalen en/of activeringssignalen voor een fotocamera te geven, 15 met het kenmerk, dat de radarzender/-ontvangerinrichting is uitgevoerd voor het continu zenden van afwisselend eerste radarsignalen van een eerste frequentie en tweede radarsignalen van een tweede frequentie, welke tweede 20 frequentie dicht gelegen is bij de eerste frequentie, en voorzien is van middelen om uit het faseverschil tussen terugontvangen eerste en tweede signalen, die door een het meetgebied passerende verkeersdeelnemer worden gereflecteerd, de afstand tot deze verkeersdeelnemer te 25 bepalen, en deze afstand om te zetten in de baan (rijbaan, vaarstrook, enz.), waarin de verkeersdeelnemer zich bevindt.

2. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 1, voor het meten en bewaken van een autosnelweg met meerdere 30 rijbanen, met het kenmerk, dat het systeem is opgesteld langs een zijkant van de snelweg en met zijn golfbundel onder een vaste invalshoek de totale rijbreedte bestrijkt, en van de, de golfbundel passerende motorvoertuigen, zowel snelheid als rijbaan 35 bepaalt.

3. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het systeem voorzien is van middelen voor het «i 0 08 0 87 bepalen van de rijrichting voor elke rijbaan uit het gegeven of de frequenties van de ontvangen gereflecteerde signalen hoger of lager zijn dan de frequenties van de uitgezonden signalen. 5

4. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat het systeem vast is opgesteld.

5. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 2 of 3, met het kenmerk, dat het systeem transporteerbaar is.

6. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 2 15 of 3, met het kenmerk, dat het systeem een bewegend systeem is, ingebouwd in een voertuig.

7. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 2 20 of 3, met het kenmerk, dat het systeem koppelbaar is aan andere systemen zoals snelheidsaanwijzingssystemen en filevorming-‘ preventiesystemen.

8. Dopplerradar-verkeersmeetsysteem volgens conclusie 1, methetkenmerk, dat de zenderinrichting een frequentiemodulator bevat • voor het afwisselend moduleren van de zenderfrequentie in de 30 eerste en de tweede frequentie. 35 »10 08 0 8 7