一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统的制作方法

1.本发明属于雷达传感器信号处理领域，尤其涉及毫米波雷达信号处理系统用于城市交通缓解，实现对红绿灯系统的指挥调度，有效缓解交通拥堵。


背景技术：

2.目前大部分交通灯系统采用固定时间信号来控制道路车辆的行驶状态，造成了道路利用率低、道路拥堵等问题。因此根据道路交通信息改变信号灯状态，提高交通运输效率，减少道路拥堵具有重要意义。
3.目前许多传感器已被用于智能交通系统提供真实的道路信号数据。常用于城市交通场景中的传感器包括侵入式传感器(包括感应环路)、非侵入式(包括摄像头、雷达)和非道路传感器等(包括gps、飞机或卫星)。摄像头可以获取丰富的图像信息，但距离信息在数据采集过程中丢失，容易受到天气和光线(如夜晚、雨、雪、霾)的影响；感应回路传感器在安装过程中对路面的损伤很大，容易受损坏，成本较高；gps作为一种非道路传感器，虽能很好地统计城市车辆，但能提供的交通信息有限，无法及时作出反应。雷达传感器雷达具有全天候工作、高探测精度、高识别能力，广泛用于城市交通监测中，但其价格昂贵，且易收受天气影响。毫米波雷达具有高的距离和速度分辨率、高多目标分辨能力，优异的慢速和小目标探测能力，故适用于城市交通场景中。
4.因此，为解决上述问题本系统将采用毫米波雷达传感器并以特定布局安装在道路交通灯架上，实现道路车辆信息的探测，采用具有特定波束形状的天线阵列来发射接收回波信号；通过雷达信号处理单元对回波信号进行处理，获取探测道路区域中的车辆的四维信息；将获取的信息通过交通状态判别单元以实现当前道路车辆的拥堵状态；最终，由拥堵状态来调整交通灯信号时长，指挥车辆行驶，实现道路拥堵的缓解。
5.解决以上问题及缺陷的意义为：
6.本系统将弥补现有的固定红绿灯系统导致拥堵且无法根据实际情况调整的问题和不足，实现对城市交叉路口车辆实时监测与及时拥堵程度的实时判别，保证城市路口畅通和交通安全。同时，也为日后毫米波雷达在城市交通指挥中的应用提供了一定的基础参考。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，通过特有的天线阵列、雷达物理平台、雷达信号处理单元、雷达布局架构单元、交通状态判别单元、信号灯控制单元，以实现符合理念的红绿灯指挥系统，有效降低道路拥堵率。
8.为实现上述目的，本发明系统包括：
9.雷达天线阵列单元，用于将电磁波以特定的波束形状发射以及接收目标回波信号，接收到的模拟信号传入雷达基带单元。
10.雷达物理平台单元，用于为雷达信号处理程序运行提供物理平台，同时将天线接收到的目标回波信号转换成数字信号输送给雷达信息处理单元。
11.雷达信号处理单元，用于雷达基带系统中的信号的处理，通过处理数字化后的回波信号，获得探测道路区域中车辆四维信息(包括距离、角度、高度、速度)，并将这些信息通过无线网络输入到交通状态判别单元。
12.雷达布局架构单元，用于将毫米波雷达以特定布局安装在道路中央的交通灯架上，实现十字路口或三岔路口道路所有车辆信息的探测。
13.交通状态判别单元，用于处理由雷达信号处理单元传输来的目标信息数据(距离、速度、角度)，获得当前道路车辆的拥堵状态()，并输出至信号灯控制单元。
14.信号灯控制单元，用于根据交通状态判别单元传送来的道路拥堵状态调整交通灯信号时长，指挥车辆行驶，从而实现道路拥堵缓解。
15.所述的雷达天线阵列单元，包括发射天线单元与接收天线单元。发射天线单元由8个天线阵列组成，每个天线8个阵元，用于确保足够的天线发射功率的远程检测。天线增益为21db，12度3db波束宽度，和20度8db的波束宽度。接收天线单元由16个方向天线阵列组成，其中每个天线包含8俯仰维阵元，用于确保足够的空间角分辨率。
16.所述的雷达物理平台单元，包括收发装置单元、基带处理单元、信号与数据处理单元、及输出单元。收发装置单元，用于发射电磁波和接收目标回波信号，从而为雷达提供数据源；基带处理单元，用于将所获得的目标模拟信号转化成数字信号；信号与数据处理单元，用于存放相关信号，并执行数字信号处理程序，对数据进行处理，以获取有用信息；输出单元，用于将数字信号处理后获得的各类有用信息进行输出。
17.所述的雷达信号处理单元，包括信号预处理单元、恒虚警检测单元、角度求解单元与数据传输单元。信号预处理单元，用于以帧持续时间为单位处理和整合多根天线的原始数据，并通过二维fft形成距离-多普勒矩阵(rdm矩阵)组。rdm矩阵将被送入恒虚警检测单元用于目标距离、速度检测，以及送入角度求解单元用于目标角度检测。恒虚警检测单元，用于雷达恒虚警检测单元接收rdm数据，根据不同的杂波环境设置检测阈值，将目标与rdm矩阵中的背景噪声分离，从而获得目标的距离和速度信息和索引。其中索引信息将送入角度求解单元。角度求解单元，用于雷达角度求解单元接收rdm组和恒虚警检测单元的目标位置、角度索引信息。角度求解单元依据恒虚警检测单元的目标索引信息从rdm组中筛选包含目标角度信息的数据，通过角度求解算法获得目标角度。数据传输单元，用于将车辆的距离、速度、角度通过网口输送至交通状态判别系统。
18.所述的雷达布局架构单元，用于将雷达安装在道路中央的交通灯上，且面向对向车道。根据不同路口数量安装与路口数量相同的雷达系统，实现城市路口的全面监测。
19.所述的交通状态判别系统，包括交通参数提取单元与道路拥堵判别单元。交通参数提取单元，用于交通参数提取单元接收雷达传输的车辆信息，并转换成用来衡量拥堵程度的指标(排队长度、车流量和道路平均速度)，这些指标将送入道路拥堵状态判别单元。道路拥堵判别单元，用于接收衡量拥堵程度的指标信息，通过处理获得每个车道的拥堵程度(非常畅通无阻、畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵)。同时，将拥堵程度输出至交通灯控制系统。
20.所述的交通灯控制系统，包括接收该道路的拥堵程度信息，并调整红绿灯时长，实
现车辆行驶、停止的指挥。
21.本发明具有如下优点：
22.1)特定的天线阵列，确保足够的天线发射功率以实现远程检测，并达到足够的空间角分辨率；
23.2)通过控制交通信号灯，实现对城市道路拥堵的缓解；
24.3)已应用于实际的城市交叉口，有效降低20％的道路拥堵率；
25.4)使用成本低、操作性强。
附图说明
26.图1：本发明的系统架构图；
27.图2：发明系统应用示意图；
28.图3：本发明的天线阵列单元示意图；
29.图4：本发明的雷达物理平台单元图；
30.图5：本发明的信号处理单元中的数据预处理流程图；
31.图6：本发明的信号处理单元中的恒虚警检测流程图；
32.图7：本发明的信号处理单元中的角度估计流程图；
33.图8：本发明的交通状态判别示意图；
34.图9：信号灯控制示意图；
具体实施方式
35.参照图1，本发明是一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统包括雷达天线阵列单元、雷达物理平台单元、雷达信号处理单元、雷达布局架构单元、交通状态判别单元、信号灯控制单元。前后雷达系统实现对道路车辆的监控，为交通监控数据处理系统提供车辆信息。雷达天线收集车辆回波信号，并通过诸如二维fft、目标检测和目标跟踪等信号处理程序进行处理，以提取车辆信息(例如，车辆行驶速度、车辆位置和角度信息)，这些信息被发送到后端数据处理系统。后端交通状态判别系统通过处理来自雷达系统的车辆信息获得道路交通状态，并给出交通灯控制决策。对来自雷达的车辆行驶信息数据进行数据预处理和特征提取，得到交通流、队列长度、道路平均速度等道路特征信息，交通状态判别算法根据特征信息给出道路交通状态。
36.参照图2，在交通交叉口环境中。四个前端雷达系统分别安装在交通交叉口和车道对面的四个交通灯托架上，以实现对整个交通交叉口区域的全面覆盖。交通状态识别系统接收所有雷达系统数据，执行数据处理和状态判断，并将决策信息发送到交通灯所在的边缘计算机，以控制交通灯的状态。
37.参照图3，本发明天线阵列单元波束图。一个8根天线的发射天线阵列，每个天线8个单元，以确保足够的天线发射功率的远程检测。发射天线阵列的波束方向图红色波束图案是天线方位波束图案与21分贝天线增益，12度3db波束宽度，和20度8db的波束宽度。绿色波束方向图是与天线方位波束参数相同的天线方位方向图。
38.参照图4，本发明雷达物理平台单元图。由收发装置单元(包括天线阵列部分和基带处理部分)、基带处理单元(包含滤波部分和信号转换)、信号与数据处理单元与输出单元
组成，实现道路车辆检测和车辆信息(如速度、位置和角度)提取。四个完全相同的雷达系统(除了中心频率点)，实现对交通路口的全面监控。
39.参照图5，本发明中信号处理单元中的数据预处理流程图。每个天线在一帧时间内接收l啁啾信息，每个啁啾上n个采样点。然后对数据进行二维fft处理，得到由n
×
l的点，并有k的rdm矩阵的总数，因为雷达系统包含k根接收天线(k＝16)。主要实现多根天线在帧持续时间的单位的原始数据处理和整合，形成一个rdm矩阵组。信号处理部分将使用检测算法从rdm矩阵组中提取包含目标距离、速度和角度信息的目标信息。
40.参照图6，本发明的信号处理单元中的恒虚警检测流程图。首先，取rdm中各元素的振幅平方，进行非相干积累得到新的rdm(即组合rdm矩阵)。然后，结合rdm矩阵执行改进的cfar算法，实现目标坐标提取。
41.参照图7，本发明的信号处理单元中的角度估计流程图。首先根据cfar检测结果，从rdm组中提取包含目标角度信息的数据，并形成为角度观测信号向量y；再如果当前迭代次数p大于最大迭代次数tc,，则停止迭代并输出θ,，否则继续下一步；接下来初始化残差信号((r＝y或r＝y
′
))得出值p；由r和φ的相关关系求目标的角度值；然后计算投影系数ζc和更新观察向量y
′
，走出循环的决策，确定新观测向量y
′
与噪声强度||||.的关系；最终结束循环并输出角度值θ.，通过对角度估计模块的处理，可以获得目标的角度信息。
42.参照图8，交通状态判别单元，交通状态判别单元接收雷达系统传送来的目标车辆信息(速度、距离、角度)，通过数据修复、剔除干扰和交通参数估计操作获得交通流参数(交通流量、排队长度、道路平均速度)。接着交通流参数送入谱聚类算法模型中进行训练，并赋予每个交通流参数拥堵程度标签，并送入pnn网络算法模型中进行交通拥堵状态划分。最终获得当前道路的拥堵程度(非常畅通无阻、畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵)。
43.参照图9，信号灯控制单元，信号灯控制单元存在于该信号灯控制端的边缘计算机中，并接收交通状态判别单元传输来的道路拥堵结果。根据不通的拥堵状态(非常畅通无阻、畅通、轻度拥堵、中度拥堵和严重拥堵)向信号灯发出时长调节指令，改变交通灯当前信号时长，从而实现道路车辆指挥，实现拥堵缓解。

技术特征：
1.一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：包括：雷达天线阵列单元，用于将电磁波以特定的波束形状发射以及接收目标回波信号，接收到的模拟信号传入雷达基带单元；雷达物理平台单元，为雷达信号处理程序运行提供物理平台，同时将天线接收到的目标回波信号转换成数字信号输送给雷达信息处理单元；雷达信号处理单元，雷达信号处理单元是雷达基带系统中的信号处理程序，通过处理数字化后的回波信号，获得探测道路区域中车辆四维信息，并将这些信息通过无线网络输入到交通状态判别单元；雷达布局架构单元，将毫米波雷达以特定布局安装在道路中央的交通灯架上，实现十字路口或三岔路口道路所有车辆信息的探测；交通状态判别单元，通过处理由雷达信号处理单元传输来的目标信息数据，获得当前道路车辆的拥堵状态，并输出至信号灯控制单元；信号灯控制单元，根据交通状态判别单元传送来的道路拥堵状态调整交通灯信号时长，指挥车辆行驶，从而实现道路拥堵缓解。2.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：所述的雷达天线阵列单元，包括：发射天线单元：由8个天线阵列组成，，每个天线8个阵元，以确保足够的天线发射功率的远程检测，天线增益为21db，12度3db波束宽度，和20度8db的波束宽度；接收天线单元，由16个方向天线阵列组成，其中每个天线包含8俯仰维阵元，以确保足够的空间角分辨率。3.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：雷达物理平台单元，包括：收发装置单元，用于发射电磁波和接收目标回波信号，从而为雷达提供数据源；基带处理单元，用于将所获得的目标模拟信号转化成数字信号；信号与数据处理单元，用于存放相关信号，并执行数字信号处理程序，对数据进行处理，以获取有用信息；输出单元，用于将数字信号处理后获得的各类有用信息进行输出。4.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：所述的雷达信号处理单元，包括：信号预处理单元：信号预处理部分的主要工作是以帧持续时间为单位处理和整合多根天线的原始数据，并通过二维fft形成距离-多普勒矩阵组，rdm矩阵将被送入恒虚警检测单元用于目标距离、速度检测，以及送入角度求解单元用于目标角度检测；恒虚警检测单元：雷达恒虚警检测单元接收rdm数据，根据不同的杂波环境设置检测阈值，将目标与rdm矩阵中的背景噪声分离，从而获得目标的距离和速度信息和索引。其中索引信息将送入角度求解单元；角度求解单元：雷达角度求解单元接收rdm组和恒虚警检测单元的目标位置、角度索引信息，角度求解单元依据恒虚警检测单元的目标索引信息从rdm组中筛选包含目标角度信息的数据，通过角度求解算法获得目标角度；数据传输单元：将车辆的距离、速度、角度通过网口输送至交通状态判别系统。
5.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：所述的雷达布局架构单元：雷达安装在道路中央的交通灯上，且面向对向车道。根据不同路口数量安装与路口数量相同的雷达系统，实现城市路口的全面监测。6.根据权利要求1所述的一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，其特征在于：所述的交通状态判别系统，包括：交通参数提取单元：交通参数提取单元接收雷达传输的车辆信息，并转换成用来衡量拥堵程度的指标，这些指标将送入道路拥堵状态判别单元；道路拥堵判别单元：接收衡量拥堵程度的指标信息，通过处理获得每个车道的拥堵程度，同时，将拥堵程度输出至交通灯控制系统。7.根据权利要求1所述的交通拥堵缓解系统，其特征在于：所述的交通灯控制系统，包括：接收该道路的拥堵程度信息，并调整红绿灯时长，实现车辆行驶、停止的指挥。

技术总结
本发明提出了一种基于毫米波雷达的城市交通拥堵缓解系统，雷达通过天线发射特定的波束实现道路覆盖，并接收车辆回波。雷达物理平台将车辆回波转化成数字信号传送至内部的雷达信号处理单元。雷达信号处理单元通过信号预处理、目标恒虚警检测和角度估计算法获得车辆的距离、速度、角度信息，并通过网口传送至交通状态判别单元。交通状态判别将车辆信息转化为交通特征参数以及依据交通特征参数实现道路拥堵程度判断，并将道路拥堵程度信息发送给信号灯控制单元。信号灯控制单元根据拥堵程度实现控制交通灯信号时长从而实现交通拥堵的缓解。解。解。


技术研发人员：裴春红 冯强
受保护的技术使用者：山西西电信息技术研究院有限公司
技术研发日：2022.12.27
技术公布日：2023/5/26