摘要：目前，雷达测速仪的测试精度仍然不够高，作用距离也有限，因此对于测速雷达的误差分析和角度修正有着现实的意义。
关键词：机动车,测速雷达,误差,修正
1.1 机动车测速雷达误差分析与改进
交通雷达测速仪目前广泛应用于道路交通巡逻、车流速度检测等方面,特别是在交通管制方面起着重要的作用。但是交通雷达测速仪普遍存在的测试精度不高,准确性较差,测量功能单一等不足,限制了其进一步的推广应用。采取一些有效措施改善其性能,提高其测量精度并增加其测量功能具有重要的现实意义。
1.1.1 交通雷达测速仪误差构成
目前应用的交通雷达测速仪普遍为连续波多谱勒体制,且工作于3厘米波段,其微波发射频率在GHz左右,采用圆极化形式发射,发射功率在几十毫瓦左右。
根据多谱勒效应,当发射波的波速遇到运动物体返回时,其回波有下面的关系成立:
式中：
——反射信号的频率
——微波源产生的发射频率
——运动物体的径向速度分量
从(1-1)式中可以看出,接收到的反射信号频率 是由两项组成的。第一项是由微波源产生的发射频率,第二项是由物体运动引起反射信号的多谱勒频移。当运动物体驶近微波源时, 为正,当运动物体远离微波源时, 为负,C为电磁波在空间的传播速度,可将(1-1)式表示成如下形式:
将 称为多谱勒频移又叫多谱勒频率,由(1-2)可求得:
由于C和 是已知量,显然运动物体的径向速度 与 成正比,即测得 就可求得目标运动物体的径向速度 [1]。
对于多谱勒频率 的测量,一般采用测频法,即给定一段时间T作为标准时基,测在标准时基T内通过的多谱勒信号的脉冲个数,其示意图如图1-1所示。
若在标准时基T内测得有N个脉冲,则多谱勒频率 为: =N/T(图1-1中 的信号为经整形后的多谱勒信号)。将 =N/T代入(1-3)式得:
C为电磁波在空间的传播速度,可视为常数,因此它不会产生误差,故误差来源有如下关系式构成:
对于计数器在标准时基T内记录的脉冲个数N来说,它是离散变化的,因此,它的最大误差为±1个周期,即N的误差为绝对误差,测量值与实际标准值之差ΔN可能相差±1个脉冲周期。对于标准时基T来说,ΔT/T相当于产生标准时基T的时钟频率稳定度,该频率由石英晶体振荡器产生,稳定度一般大于 ,因此(1-5)式可简化为:
根据上述分析,可以看出它的主要误差构成分为两个部分,即1/N和 / 。
1.1.2 交通雷达测速仪误差分析与改进措施
针对测量误差来源的构成及测试精度要求,式(1-6)中的10-7项可以忽略不考虑。因此,主要误差来源为1/N和 / 两部分。
1.1.2.1 测量误差Δf0/f0的来源分析与减小措施
首先讨论 / , 为微波发射源的频率,通常采用的发射频率 在10000MHz左右;由于发射源本身频率是一个点频(即为单一的频率),可认为是不随时间变化的频率,它的稳定度较高,可以不考虑它的误差影响。误差主要在于发射时的频率之差 所引起, 是实际频率与所要求的频率不一致造成的误差。调试时一般能保证 在-25MHz到+25MHz之间变化,那么 / 一般在 ~ 左右,它的影响是不能忽略的[2]。
雷达测速仪的微波振荡源采用体效应管来实现,具有结构简单,调整方便的特点。它的振荡频率由腔体尺寸来决定,并可由腔体上的微调螺钉来调整频率。同时振荡频率还受其上所加电压以及工作环境的温度变化等因素的影响。因此,要保证微波源频率的准确性和稳定性,首先要求微波源发射的频率应以将其安装到测量系统上以后所测得的频率为准。由于发射源的频率测量是在没有安装到测量系统上之前进行测试与调整的,当将其组装到测量系统上之后,由于组装前后系统阻抗发生了变化,频率就会相应发生变化,因此产生了前述的实际频率与所要求的频率不一致所造成的误差 。鉴此,建议在实际工作中,事先调整微波源发射频率可适当的调偏一些,如原来发射源的发射频率为10.525GHz,可将其先调偏到10.555GHz,这样,将其组装到测量系统上之后,由于组装前后测量系统产生的偏差和事先调整微波源发射频率的预留偏差刚好大致抵削掉,从而使得 的误差大大减小,亦使得整个系统测量误差减小。其次,尽可能使体效应管上所加
电压保持稳定,也就是说应采取比较稳定的电压源来给体效应管供电。另外,如果条件允许的话,可适当采用一些恒温措施来减少外界温度变化对它的影响;同时,在挑选体效应管的时候,也应依照其对温度的敏感性来选择。尽可能选择对温度变化不太敏感的体效应管。
根据上述原则,一般能够把 / 误差降低到 以下,在这种情况下,误差就由它的另一部分1/N来确定了。
1.1.2.2 测量误差1/N的来源分析与减小措施
如果遵循上述原则,采取相应措施将 / 引起的测量误差控制在 以下,那么误差来源就主要是由1/N来决定了。
对应不同的测量速度,在标准时基T内所记录的脉冲个数N有不同的取值,同时,它也与定时时间T有关,由(1-4)式可知:当 一定时,T越大,则记录的脉冲个数N越多,1/N就越小,误差也就越小。因此,适当增加标准时基产生的定时时间T是减少误差的一种方法。但是增加T,亦增加了速度的测量时间,从而使系统的速度测量无法跟踪上快速变化的汽车速度的测量要求。另外,为了减少1/N误差,在低速测量时可以将测频方式改为测周期方式进行测速[3]。
为了进一步减少1/N误差,除了适当增加T和在低速测量时可将测频方式测速改为测周期方式测速以外,还可以从其测量方法方面来考虑改进。由图1-1可看出,由于 的第一个进入定时区T内的脉冲与定时起始沿是不同步的,同时,最后一个脉冲能否计入也是随机的。因此,在定时区T的上升沿或下降沿处会产生丢失输入脉冲或增加输入脉冲的情况。若使输入脉冲与标准时基定时起始沿同步,则可减少计数产生的±1个脉冲周期误差的一半。
如果以第一个多谱勒脉冲信号(输入脉冲)上升沿作为标准时基定时区间T的起始(点)触发信号,保证由标准时基产生定时T的上升沿与第一个多谱勒脉冲信号上升沿同步,可以避免在记录多谱勒脉冲周期起始点处产生的±1误差,从而保证了在起始点处记录的多谱勒脉冲周期的准确性。经这种处理后,±1误差只有在定时区间T结束端出现,比原来误差减少了一半。
当标准时基产生的定时区间T的下降沿到来之前(可以认为是在定时区间T的结束端),如果再判断最后记录的一个多谱勒脉冲周期信号此时是高电平还是低电平;若为低电平,说明在T内实际记录的最后一个脉冲周期已经超过了半个周期,这时最后一个脉冲周期可按0.5个周期计算,若为高电平,说明在T内实际记录的最后一个脉冲不到半个周期,此时计数器可以不计入该脉冲。
经这种处理后可看出其最大绝对误差由±1个脉冲周期变为小于0.5个脉冲周期,从而减少了计数误差。
采用该方法已在新型交通雷达测速仪上做过室内实验,同时也取得了较好的野外实际路况测量结果。这里给出对CS-9型雷达测速仪改进前后测试数据的记录结果对比表。
从表1中可以看出改进后速度测试结果比改进前的测试结果误差约减小了一半。由于采用该改进方法对原系统结构不需作较大的改动,仍保持其原有系统的体积小,重量轻,测量简单、方便等优点,可减少不必要的开支,同时亦提高了系统的测量精度。
上述根据交通雷达测速仪工作原理提出的改进方法,是在对原系统结构不作改动条件下实现的改进方法,还可以对系统测量的信号处理方法作一些适当改进,更进一步减少测量误差,提高测量系统的准确度。
1.2 机动车雷达测速仪角度修正分析
雷达的实际测量误差与它的测量角度有关，当角度掌握不当时，测量值与真实速度偏离。雷达在理论设计时要求测量角度为0°，既要求雷达实测位置轴线与目标车轴线重叠。不过在实际使用中，为了安全等因素，这一点很难做到。为满足角度的问题我们便要对雷达测速仪进行角度修正。
1.2.1 测量角度对雷达实测值的影响
多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒(J.C. Doppler)在1842年发现的,该效应引起的频率变化量称为多普勒频率( ), 与其他变量之间存在如下数学关系(如图1-2所示):
V——目标速度与巡逻速度的合成速度,m/s;
θ——合成速度矢量与雷达发射波束电轴之间的夹角(取锐角),称为测量角,度;
λ——发射信号的波长,m;
当发射信号的波长和测量的角度固定时,多普勒频率 与合成速度成正比线性关系。因此,只要测量出多普勒频率 ,雷达就可以计算出相应的被测目标的运动速度。
雷达的实际测量误差与它的测量角度有关,当角度掌握不当时,测量值会与真实速度偏离。雷达在理论设计时要求测量角度为0°,即要求雷达实测位置轴线与目标车行车轴线重叠,雷达的轴线向车头或车尾瞄准后进行测量[4]。
但在实际使用中,为了安全等因素,这一点很难做到。不过当存在一个小的测量角度时,其影响是很小的。假设雷达与行车线的距离为H,雷达到目标的斜线距离为S,测量角度为θ,经计算可得到距离雷达10倍H的目标(即S=10H)测量角为6°,测量误差为-0.55%,可以满足实际使用的要求,雷达、行车路线与被测目标车关系图如图1-3所示。
1.2.2 雷达的角度修正
雷达的使用形式一般分为手持式、车载式和固定式三种。手持式的雷达机动灵活、结构简单,一般只对目标车速进行测量和记录。按规程要求,使用手持式雷达能够测量距离(S)10倍于雷达到行车线的距离(H)的目标车,该种雷达在工作中一般不需要角度修正。
车载式和固定式雷达都配套装有摄像或拍照设备。为了取得较好的影像记录,这两种雷达与测量目标车的距离一般不能太远。通常雷达距目标车的距离(S)约在(10～20)m左右,雷达安置点相对于目标车行车轴线的垂直距离约为(4～5)m,测量角大约在10°~30°左右。在实际使用中,需要对该雷达的计量数量进行横向和纵向角度修正,使雷达的显示速度等于目标的实际速度。
对雷达进行角度修正可以有三种方法，一是由外配计算机用数学模型和程序软件进行调整的,这些调整必将影响仪器的原始测量准确度。二是对测速雷达本身程序进行调整，以OWL-H型测速雷达为例：
雷达倾角校正=100÷cos(实际安装角度)然后转换为16进制。实际安装角度就是雷达下倾的角度：
雷达倾角为0度时从计算机送数据：88 4F 64 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为24度时从计算机送数据：88 4F 6D 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为25度时从计算机送数据：88 4F 6E 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为26度时从计算机送数据：88 4F 6F 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为27度时从计算机送数据：88 4F 70 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为28度时从计算机送数据：88 4F 71 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为29度时从计算机送数据：88 4F 72 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为30度时从计算机送数据：88 4F 73 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为31度时从计算机送数据：88 4F 74 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为32度时从计算机送数据：88 4F 75 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为33度时从计算机送数据：88 4F 77 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为34度时从计算机送数据：88 4F 78 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
雷达倾角为35度时从计算机送数据：88 4F 7A 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D
三是当雷达下倾一定角度后，未从计算机串口向雷达发送角度修正因子时，可对测出数据做如下处理得到实际车速：
雷达倾角为0度 雷达测出值*1.00=实际车速
雷达倾角为24度 雷达测出值*1.09=实际车速
雷达倾角为25度 雷达测出值*1.10=实际车速
雷达倾角为26度 雷达测出值*1.11=实际车速
雷达倾角为27度 雷达测出值*1.12=实际车速
雷达倾角为28度 雷达测出值*1.13=实际车速
雷达倾角为29度 雷达测出值*1.14=实际车速
雷达倾角为30度 雷达测出值*1.15=实际车速
雷达倾角为31度 雷达测出值*1.16=实际车速
雷达倾角为32度 雷达测出值*1.17=实际车速
雷达倾角为33度 雷达测出数*1.19=实际车速
雷达倾角为34度 雷达测出数*1.20=实际车速
雷达倾角为35度 雷达测出数*1.22=实际车速
因此得出，当目标形式方向与雷达所指方向有夹角，雷达现实车速与实际速度的误差为：
在实际使用中，由于现有雷达大都没有标注调整角度的刻度,在其安装和使用中基本上是依靠人为估计,再进行角度修正的。也就是说,雷达架设位置的实际角度与该雷达配置的计算机软件修正的角度不一定是对应无误的。这样一来,雷达配置的计算机角度修正及显示数值的意义就会大打折扣。因此建议:
(1)生产厂家在生产车载式或固定式雷达时,对角度调整部位进行横向和纵向的角度标注。
(2)公安交通部门在使用雷达的过程中,应严格按其架设角度进行角度修正,以保证雷达测量数据的准确性。
1.3 小结
本文针对交通雷达测速仪的误差来源进行了讨论，并且对测速误差进行了分析并提出了有效的改善方法，提高了雷达测速仪的测量精度。另外，在实际测量中，角度问题是雷达测速仪安装与使用中避不可免的问题，因此针对此问题本文提出了三种解决方法，针对不同使用情况应用不同解决方案。
参考文献
[1] 陈世忠，熊鹏飞，李宏一. 对雷达测速不准的原因分析及改进. 铁道通信信号. 2002，38(11)：6-7
[2] 吴卫玲，宋喜报. 多普勒测速雷达测速误差分析. 计量测试技术. 2000，31-32
[3] 孙朝云，阳红，高怀刚. 交通测速雷达性能分析与改善. 长安大学学报，2003，23(4)，418-420
[4] 王泽民，赵志军，张世涛. 机动车雷达测速仪角度修正正值实测分析. 中国计量. 2007，52-53
