交通管理用多普勒雷达角度修正原理与方法

　　目前，在我国的道路交通管理中，多普勒雷达因其体积较小、携带方便、操作简单、测速精度较高而得到了广泛的使用。但是，随着我国交通事业的迅速发展以及加入世贸组织后对现代交通实行法制化管理的要求，对雷达的测速准确性也提出了更高的要求。因此，本文对交通管理用多普勒雷达关于角度修正的原理与方法进行了探讨，供大家参考。

　　1 多普勒雷达原理

　　
　　摘 要：

　　交通管理用多普勒雷达在使用时往往需要雷达轴线与车辆行驶方向有一个夹角，本文重点讨论了雷达角度修正的原理与方法，以期得到科学的测量结果。

　　　0 引言
　　雷达（Radar）原是"无线电探测与定位"的英文缩写，其基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。

　　多普勒效应是澳大利亚物理学家J.Doppler 1842年从运动着的发声源中发现的现象。当目标和发声源之间存在着相对位置运动时，回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，与目标的相对径向速度分量成正比，如下式（1）。

　　多普勒雷达就是利用多普勒效应探测运动物体的距离、方向和速度等参数的设备，主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线；天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播；电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取；天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号；经过信号处理机放大微弱的回波信号，提取出包含在回波中的信息，并送显示器，显示出目标的距离、方向和速度等。

　　2 多普勒雷达在我国交通管理中的使用现状

　　雷达波段是雷达发射电波的频率范围，单位是赫兹(Hz)或周/秒(C／S)。大多数雷达工作在超短波及微波波段，频率范围在30-300000兆赫。对于交通管理用雷达，主要有以下几个波段：8.0-12.5 GHz称为X波段、12.5-18.0 GHz称为Ku波段、18.0-26.5 GHz称为K波段、26.5-40.0 GHz称为Ka波段。随着超视距雷达和激光雷达（波长800-1100nm的Laser雷射）的出现和新波段的开辟，雷达采用的工作波长已扩展到大于166米的短波和小于7-10米的紫外线光谱。

　　目前，我国交通管理上采用测速雷达其波段是很全的，例如有：加拿大制X波段10.525GHz雷达、美国制K波段24.150GHz雷达、荷兰制Ku波段13.450GHz雷达、瑞典制Ka波段34.300GHz雷达等。

　　从多普勒雷达在交通管理中的使用方式来看，有作为单个雷达测速用的、有作为测速系统一个组成部分使用的（以下简称系统用测速雷达）；有固定点测速方式、流动式测速方式、拦截式测速方式；有车内一体化安装方式、有车辆外挂安装方式等。

　　3 角度修正原理与方法

　　3.2 角度修正的原理

　　根据速度矢量图分解原理，可以把 看作是 在径向面上的投影，即：

　
　　表1：以夹角α的余弦修正方法可能引起的最大测速误差百分比

　　（注：θ取常见雷达半波角度6°。）

　　3.3角度的修正方法

　　根据表1，可以看出：简单的以夹角α的余弦作为修正因子的方法引起的测速误差往往不容忽视，甚至比较大。采用合理的角度修正方法可以得出相对符合实际的车辆行驶速度，具体的，分别从系统的设计、雷达的调整和使用方法三个角度介绍了角度修正的方法。

　　（1）多次测量取平均值的方法

　　根据公共安全行业标准GA 297-2001《机动车测速仪通用技术条件》的要求，雷达的反应时间应不超过0.5s。目前国内使用的多普勒雷达响应时间普遍在0.1s左右，甚至更小。因此，当车辆行驶通过雷达监测区域时，雷达往往可以测得几组数值，采用求平均值的方法，并且利用夹角α的余弦作为修正因子，可以有效的减少测速误差值。

　　（2）调整合适的雷达灵敏度

　　雷达灵敏度反映的是雷达对径向运动最小目标的检测能力。对于交通管理用多普勒雷达，灵敏度越大，对车辆的检测率（捕获率）越高，同时抗干扰性相对较差；反之，灵敏度越小，对车辆的检测率（捕获率）相对较低，而抗干扰性相对较强。因此，这就要求我们对交通管理用多普勒雷达的灵敏度调整适宜，特别是系统用测速多普勒雷达，尽量将雷达对行驶车辆的检测位置调整在雷达波束的轴线附近，减少以夹角α的余弦作为修正因子的方法引起的测速误差。

　　通常情况下，调整雷达灵敏度的方法可以采用：

　　第一，调整雷达回波信号经过FFT（快速傅立叶变换）后的阈值。

　　第二，调整放大电路的参数以改变雷达回波信号的增益。

　　（3）选择合适的修正角度

　　使用时，一般来说，测速雷达监测的车辆类型、车辆行驶速度范围等相对比较一致，也就是说，雷达波束轴线方向与实际车辆位置的夹角β往往相差不大。因此，可以根据夹角β的余弦作为修正因子，以减少测速误差值。

　　4 结论

　　系统用测速雷达进行速度误差修正时，不应简单的以夹角α的余弦作为修正因子。可以在系统设计时，采用多次测量取平均值的方法；在雷达的调整方面，调整合适的雷达灵敏度；在具体的使用中，选择合适的修正角度，以减少测速误差值。同时，可以得出以下结论：

　　（1）以雷达波束轴线方向与车辆行驶方向夹角α的修正方法可能引起的最大测速误差百分比η，随着夹角α的增大而增大。

　　（2）如果忽略雷达和系统的响应时间，应该以测速系统所拍摄的车辆位置与雷达的夹角β作为修正因子。

　　（3）通常情况下，在雷达工作模式为"测量前方来车"时，如果夹角α小于25°，一般可以不做角度修正，测速误差往往在0～-5%；如果夹角α为25°～45°，应该做适当的角度修正。

　　（4）同样的，在雷达工作模式为"测量后方去车"时，往往需要进行角度修正，否则会引起较大的测速误差值。

　　5 结束语

　　随着多普勒雷达在交通管理中广泛的应用以及人们法制意识的逐步提升，雷达的测速精度以及引起测速误差的主要因素受到了大家的关注。本文就雷达角度修正的原理与方法进行了分析，并借此机会提出一些相关的个人观点供相关职能部门、生产企业及用户参考：

　　（1）一般来说，对雷达角度修正时，可以调整测速结果，使之产生负误差，以确保执法的需要。

　　（2）对于系统用测速雷达，仅标定雷达是不够的，其测速精度受夹角大小及角度修正方法的影响很大，应加强对系统测速精度的测定。

　　（3）固定点的雷达测速系统，工程验收合格后一般不得调整雷达波束轴线与车辆行驶方向的夹角；流动型雷达测速系统，使用时应该严格按照产品说明的要求调试系统。

　　（4）建议应由公安交通管理权威部门制定并执行《雷达测速系统安装检验及监督检验项目与方法》，加强对测速精度的控制。

　　参考文献：

　　[1] 金同明等，GA 297-2001《机动车测速仪通用技术条件》[S]，2001年。

　　[2] 孙朝云等，交通雷达测速仪误差分析与改进[J]，仪器仪表学报，2003年8月。

　　[3] 杨粤湘，雷达测速在公安交通管理中的应用[J]，广东公安科技，2005年第1期。

　　[4] 孙巍等，关于机动车超速监测系统"监测唯一性"指标的探讨[J]，中国公共安全，2006年4月。

　　附：第一作者简介

　　孙巍，男，1977年5月出生，籍贯：江苏无锡，公安部交通管理科学研究所工作，助理研究员，硕士研究生。从事交通安全产品技术检测和相关检测技术的研究等工作。