机动车测速雷达的误差分析与角度修正
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
Abstract: At present, radar speed measuring device still isn’t precise enough, and its operating distance is limited, so an error analysis and angular correction of speed measuring radar is of practical significance.
Key words: motor vehicle; speed measuring radar; error; correction
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
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:
（1-1）
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:
(1-2)
将称为多谱勒频移又叫多谱勒频率,由(1-2)可求得:
(1-3)
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。
图1-1 采用测频法测速示意图
汽车测速器若在标准时基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:
(1-4)
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:
(1-5)
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:
(1-6)
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。
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