摘要：目前，雷達測速儀的測試精度仍然不夠高，作用距離也有限，因此對于測速雷達的誤差分析和角度修正有著現實的意義。

　　關鍵詞：機動車,測速雷達,誤差,修正

　　1.1 機動車測速雷達誤差分析與改進

　　交通雷達測速儀目前廣泛應用于道路交通巡邏、車流速度檢測等方面,特別是在交通管制方面起著重要的作用。但是交通雷達測速儀普遍存在的測試精度不高,準確性較差,測量功能單一等不足,限制了其進一步的推廣應用。采取一些有效措施改善其性能,提高其測量精度并增加其測量功能具有重要的現實意義。

　　1.1.1 交通雷達測速儀誤差構成

　　目前應用的交通雷達測速儀普遍為連續波多譜勒體制,且工作于3厘米波段,其微波發射頻率在GHz左右,采用圓極化形式發射,發射功率在幾十毫瓦左右。

　　根據多譜勒效應,當發射波的波速遇到運動物體返回時,其回波有下面的關系成立:

　　式中：

　　——反射信號的頻率

　　——微波源產生的發射頻率

　　——運動物體的徑向速度分量

　　從(1-1)式中可以看出,接收到的反射信號頻率 是由兩項組成的。第一項是由微波源產生的發射頻率,第二項是由物體運動引起反射信號的多譜勒頻移。當運動物體駛近微波源時, 為正,當運動物體遠離微波源時, 為負,C為電磁波在空間的傳播速度,可將(1-1)式表示成如下形式:

　　將 稱為多譜勒頻移又叫多譜勒頻率,由(1-2)可求得:

　　由于C和 是已知量,顯然運動物體的徑向速度 與 成正比,即測得 就可求得目標運動物體的徑向速度 [1]。

　　對于多譜勒頻率 的測量,一般采用測頻法,即給定一段時間T作為標準時基,測在標準時基T內通過的多譜勒信號的脈沖個數,其示意圖如圖1-1所示。

　　若在標準時基T內測得有N個脈沖,則多譜勒頻率 為: =N/T(圖1-1中 的信號為經整形后的多譜勒信號)。將 =N/T代入(1-3)式得:

　　C為電磁波在空間的傳播速度,可視為常數,因此它不會產生誤差,故誤差來源有如下關系式構成:

　　對于計數器在標準時基T內記錄的脈沖個數N來說,它是離散變化的,因此,它的最大誤差為±1個周期,即N的誤差為絕對誤差,測量值與實際標準值之差ΔN可能相差±1個脈沖周期。對于標準時基T來說,ΔT/T相當于產生標準時基T的時鐘頻率穩定度,該頻率由石英晶體振蕩器產生,穩定度一般大于 ,因此(1-5)式可簡化為:

　　根據上述分析,可以看出它的主要誤差構成分為兩個部分,即1/N和 / 。

　　1.1.2 交通雷達測速儀誤差分析與改進措施

　　針對測量誤差來源的構成及測試精度要求,式(1-6)中的10-7項可以忽略不考慮。因此,主要誤差來源為1/N和 / 兩部分。

　　1.1.2.1 測量誤差Δf0/f0的來源分析與減小措施

　　首先討論 / , 為微波發射源的頻率,通常采用的發射頻率 在10000MHz左右;由于發射源本身頻率是一個點頻(即為單一的頻率),可認為是不隨時間變化的頻率,它的穩定度較高,可以不考慮它的誤差影響。誤差主要在于發射時的頻率之差 所引起, 是實際頻率與所要求的頻率不一致造成的誤差。調試時一般能保證 在-25MHz到+25MHz之間變化,那么 / 一般在 ~ 左右,它的影響是不能忽略的[2]。

　　雷達測速儀的微波振蕩源采用體效應管來實現,具有結構簡單,調整方便的特點。它的振蕩頻率由腔體尺寸來決定,并可由腔體上的微調螺釘來調整頻率。同時振蕩頻率還受其上所加電壓以及工作環境的溫度變化等因素的影響。因此,要保證微波源頻率的準確性和穩定性,首先要求微波源發射的頻率應以將其安裝到測量系統上以后所測得的頻率為準。由于發射源的頻率測量是在沒有安裝到測量系統上之前進行測試與調整的,當將其組裝到測量系統上之后,由于組裝前后系統阻抗發生了變化,頻率就會相應發生變化,因此產生了前述的實際頻率與所要求的頻率不一致所造成的誤差 。鑒此,建議在實際工作中,事先調整微波源發射頻率可適當的調偏一些,如原來發射源的發射頻率為10.525GHz,可將其先調偏到10.555GHz,這樣,將其組裝到測量系統上之后,由于組裝前后測量系統產生的偏差和事先調整微波源發射頻率的預留偏差剛好大致抵削掉,從而使得 的誤差大大減小,亦使得整個系統測量誤差減小。其次,盡可能使體效應管上所加

　　電壓保持穩定,也就是說應采取比較穩定的電壓源來給體效應管供電。另外,如果條件允許的話,可適當采用一些恒溫措施來減少外界溫度變化對它的影響;同時,在挑選體效應管的時候,也應依照其對溫度的敏感性來選擇。盡可能選擇對溫度變化不太敏感的體效應管。

　　根據上述原則,一般能夠把 / 誤差降低到 以下,在這種情況下,誤差就由它的另一部分1/N來確定了。

　　1.1.2.2 測量誤差1/N的來源分析與減小措施

　　如果遵循上述原則,采取相應措施將 / 引起的測量誤差控制在 以下,那么誤差來源就主要是由1/N來決定了。

　　對應不同的測量速度,在標準時基T內所記錄的脈沖個數N有不同的取值,同時,它也與定時時間T有關,由(1-4)式可知:當 一定時,T越大,則記錄的脈沖個數N越多,1/N就越小,誤差也就越小。因此,適當增加標準時基產生的定時時間T是減少誤差的一種方法。但是增加T,亦增加了速度的測量時間,從而使系統的速度測量無法跟蹤上快速變化的汽車速度的測量要求。另外,為了減少1/N誤差,在低速測量時可以將測頻方式改為測周期方式進行測速[3]。

　　為了進一步減少1/N誤差,除了適當增加T和在低速測量時可將測頻方式測速改為測周期方式測速以外,還可以從其測量方法方面來考慮改進。由圖1-1可看出,由于 的第一個進入定時區T內的脈沖與定時起始沿是不同步的,同時,最后一個脈沖能否計入也是隨機的。因此,在定時區T的上升沿或下降沿處會產生丟失輸入脈沖或增加輸入脈沖的情況。若使輸入脈沖與標準時基定時起始沿同步,則可減少計數產生的±1個脈沖周期誤差的一半。

　　如果以第一個多譜勒脈沖信號(輸入脈沖)上升沿作為標準時基定時區間T的起始(點)觸發信號,保證由標準時基產生定時T的上升沿與第一個多譜勒脈沖信號上升沿同步,可以避免在記錄多譜勒脈沖周期起始點處產生的±1誤差,從而保證了在起始點處記錄的多譜勒脈沖周期的準確性。經這種處理后,±1誤差只有在定時區間T結束端出現,比原來誤差減少了一半。

　　當標準時基產生的定時區間T的下降沿到來之前(可以認為是在定時區間T的結束端),如果再判斷最后記錄的一個多譜勒脈沖周期信號此時是高電平還是低電平;若為低電平,說明在T內實際記錄的最后一個脈沖周期已經超過了半個周期,這時最后一個脈沖周期可按0.5個周期計算,若為高電平,說明在T內實際記錄的最后一個脈沖不到半個周期,此時計數器可以不計入該脈沖。

　　經這種處理后可看出其最大絕對誤差由±1個脈沖周期變為小于0.5個脈沖周期,從而減少了計數誤差。

　　采用該方法已在新型交通雷達測速儀上做過室內實驗,同時也取得了較好的野外實際路況測量結果。這里給出對CS-9型雷達測速儀改進前后測試數據的記錄結果對比表。

　　從表1中可以看出改進后速度測試結果比改進前的測試結果誤差約減小了一半。由于采用該改進方法對原系統結構不需作較大的改動,仍保持其原有系統的體積小,重量輕,測量簡單、方便等優點,可減少不必要的開支,同時亦提高了系統的測量精度。

　　上述根據交通雷達測速儀工作原理提出的改進方法,是在對原系統結構不作改動條件下實現的改進方法,還可以對系統測量的信號處理方法作一些適當改進,更進一步減少測量誤差,提高測量系統的準確度。

　　1.2 機動車雷達測速儀角度修正分析

　　雷達的實際測量誤差與它的測量角度有關，當角度掌握不當時，測量值與真實速度偏離。雷達在理論設計時要求測量角度為0°，既要求雷達實測位置軸線與目標車軸線重疊。不過在實際使用中，為了安全等因素，這一點很難做到。為滿足角度的問題我們便要對雷達測速儀進行角度修正。

　　1.2.1 測量角度對雷達實測值的影響

　　多普勒效應是由奧地利物理學家多普勒(J.C. Doppler)在1842年發現的,該效應引起的頻率變化量稱為多普勒頻率( ), 與其他變量之間存在如下數學關系(如圖1-2所示):

　　V——目標速度與巡邏速度的合成速度,m/s;

　　θ——合成速度矢量與雷達發射波束電軸之間的夾角(取銳角),稱為測量角,度;

　　λ——發射信號的波長,m;

　　當發射信號的波長和測量的角度固定時,多普勒頻率 與合成速度成正比線性關系。因此,只要測量出多普勒頻率 ,雷達就可以計算出相應的被測目標的運動速度。

　　雷達的實際測量誤差與它的測量角度有關,當角度掌握不當時,測量值會與真實速度偏離。雷達在理論設計時要求測量角度為0°,即要求雷達實測位置軸線與目標車行車軸線重疊,雷達的軸線向車頭或車尾瞄準后進行測量[4]。

　　但在實際使用中,為了安全等因素,這一點很難做到。不過當存在一個小的測量角度時,其影響是很小的。假設雷達與行車線的距離為H,雷達到目標的斜線距離為S,測量角度為θ,經計算可得到距離雷達10倍H的目標(即S=10H)測量角為6°,測量誤差為-0.55%,可以滿足實際使用的要求,雷達、行車路線與被測目標車關系圖如圖1-3所示。

　　1.2.2 雷達的角度修正

　　雷達的使用形式一般分為手持式、車載式和固定式三種。手持式的雷達機動靈活、結構簡單,一般只對目標車速進行測量和記錄。按規程要求,使用手持式雷達能夠測量距離(S)10倍于雷達到行車線的距離(H)的目標車,該種雷達在工作中一般不需要角度修正。

　　車載式和固定式雷達都配套裝有攝像或拍照設備。為了取得較好的影像記錄,這兩種雷達與測量目標車的距離一般不能太遠。通常雷達距目標車的距離(S)約在(10～20)m左右,雷達安置點相對于目標車行車軸線的垂直距離約為(4～5)m,測量角大約在10°~30°左右。在實際使用中,需要對該雷達的計量數量進行橫向和縱向角度修正,使雷達的顯示速度等于目標的實際速度。

　　對雷達進行角度修正可以有三種方法，一是由外配計算機用數學模型和程序軟件進行調整的,這些調整必將影響儀器的原始測量準確度。二是對測速雷達本身程序進行調整，以OWL-H型測速雷達為例：

　　雷達傾角校正=100÷cos(實際安裝角度)然后轉換為16進制。實際安裝角度就是雷達下傾的角度：

　　雷達傾角為0度時從計算機送數據：88 4F 64 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為24度時從計算機送數據：88 4F 6D 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為25度時從計算機送數據：88 4F 6E 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為26度時從計算機送數據：88 4F 6F 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為27度時從計算機送數據：88 4F 70 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為28度時從計算機送數據：88 4F 71 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為29度時從計算機送數據：88 4F 72 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為30度時從計算機送數據：88 4F 73 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為31度時從計算機送數據：88 4F 74 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為32度時從計算機送數據：88 4F 75 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為33度時從計算機送數據：88 4F 77 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為34度時從計算機送數據：88 4F 78 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　雷達傾角為35度時從計算機送數據：88 4F 7A 0D 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 8A 0D

　　三是當雷達下傾一定角度后，未從計算機串口向雷達發送角度修正因子時，可對測出數據做如下處理得到實際車速：

　　雷達傾角為0度 雷達測出值*1.00=實際車速

　　雷達傾角為24度 雷達測出值*1.09=實際車速

　　雷達傾角為25度 雷達測出值*1.10=實際車速

　　雷達傾角為26度 雷達測出值*1.11=實際車速

　　雷達傾角為27度 雷達測出值*1.12=實際車速

　　雷達傾角為28度 雷達測出值*1.13=實際車速

　　雷達傾角為29度 雷達測出值*1.14=實際車速

　　雷達傾角為30度 雷達測出值*1.15=實際車速

　　雷達傾角為31度 雷達測出值*1.16=實際車速

　　雷達傾角為32度 雷達測出值*1.17=實際車速

　　雷達傾角為33度 雷達測出數*1.19=實際車速

　　雷達傾角為34度 雷達測出數*1.20=實際車速

　　雷達傾角為35度 雷達測出數*1.22=實際車速

　　因此得出，當目標形式方向與雷達所指方向有夾角，雷達現實車速與實際速度的誤差為：

　　在實際使用中，由于現有雷達大都沒有標注調整角度的刻度,在其安裝和使用中基本上是依靠人為估計,再進行角度修正的。也就是說,雷達架設位置的實際角度與該雷達配置的計算機軟件修正的角度不一定是對應無誤的。這樣一來,雷達配置的計算機角度修正及顯示數值的意義就會大打折扣。因此建議:

　　(1)生產廠家在生產車載式或固定式雷達時,對角度調整部位進行橫向和縱向的角度標注。

　　(2)公安交通部門在使用雷達的過程中,應嚴格按其架設角度進行角度修正,以保證雷達測量數據的準確性。

　　1.3 小結

　　本文針對交通雷達測速儀的誤差來源進行了討論，并且對測速誤差進行了分析并提出了有效的改善方法，提高了雷達測速儀的測量精度。另外，在實際測量中，角度問題是雷達測速儀安裝與使用中避不可免的問題，因此針對此問題本文提出了三種解決方法，針對不同使用情況應用不同解決方案。

　　參考文獻

　　[1] 陳世忠，熊鵬飛，李宏一. 對雷達測速不準的原因分析及改進. 鐵道通信信號. 2002，38(11)：6-7

　　[2] 吳衛玲，宋喜報. 多普勒測速雷達測速誤差分析. 計量測試技術. 2000，31-32

　　[3] 孫朝云，陽紅，高懷剛. 交通測速雷達性能分析與改善. 長安大學學報，2003，23(4)，418-420

　　[4] 王澤民，趙志軍，張世濤. 機動車雷達測速儀角度修正正值實測分析. 中國計量. 2007，52-53