一種雷達測速設備準確度評估方法

張博君 李偉

摘? 要：該文介紹了連續波多普勒雷達測速照相系統的構成，并對其進行了誤差測試與分析。對影響雷達測速設備測速準確度的因素進行了分析，并提出了一種利用采集的雷達測速數據與影像位移換算速度數據進行對比的方法，來評估雷達測速的準確度。希望可以為相關人員提供參考。

關鍵詞：雷達測速;測速照相設備;多普勒效應

中圖分類號： TN95? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

無線電技術發展于20世紀初期，隨著人們對電磁波認識的不斷深化，電磁波技術得到迅速發展，它幫助人類將通信聯系的距離延展幾千公里，卻只要短短幾秒就可完成[1]。近30年來人類將電磁波技術應用在交通執法上，利用雷達多普勒效應原理計算出車輛速度，進而判斷該車輛是否超速行駛。雷達測速照相設備不論是傳統或數字式，都發生過測速不準確的問題，因此本文主要探討雷達測量結果對雷達測速照相設備本身的影響。

雷達發射電磁波到物體，經由物體反射后，再得到該物體速度的過程稱為多普勒效應原理，也就是應用雷達所發射的電磁波頻率與接收電磁波頻率之差，來推算目標物移動的速度[2]。雷達按照波形可分為脈沖雷達、連續波雷達2種。在無能量產生的情況下，經過一段靜止時間，隨之產生一極短時間的發射能量，該種能量波形被稱為脈沖波[3]。連續波雷達與脈沖波雷達最大的不同處在于，連續波雷達是持續且連續不斷地發射能量的，按發射信號的形式又可分為固定頻率及調頻連續波雷達[4]。根據多普勒效應原理，當信號從一個移動目標物反射時，信號的頻率會發生偏移。一個移動目標物的回波頻率的偏移將決定目標物與雷達的相對速度[5]。目前應用于交通執法系統中的測速雷達大多為固定頻率的連續波雷達。

1 連續波多普勒雷達測速照相系統構成及操作原理

1.1 系統構成

連續波多普勒雷達測速照相系統可分成硬件及軟件2個部分，硬件部分主要包含雷達系統、控制主機系統、照相機等模塊。軟件部分負責對各硬件間的信息流進行溝通與整理。

1.2 操作原理

雷達測速照相系統操作步驟如圖1所示。

2 雷達測速照相系統設備誤差測試與分析

2.1 雷達測速照相設備誤差分析

該文對交通測速雷達進行了分析，根據多普勒效應，當雷達波遇到汽車返回時，有下面的關系成立：

式中：f 0'為雷達監測到物體后反射的頻率，f 0為雷達波發射頻率，VR為汽車的速度。從式（1）中可以看出，接收到的反射信號頻率f 0'是由兩項相加而成的，第一項是由雷達波產生的發射頻率即公式中的f 0，第二項是由物體運動引起反射信號的多普勒頻移，當汽車駛近雷達波時，VR為正，當汽車駛離雷達波時，VR為負，C為電磁波在空間的傳播速度，可將公式（1）表示成如下形式：

2.1.1 針對的來源分析與減小措施

一般交通用測速雷達本身為單一連續頻率，因此確認f 0是不隨時間變化的頻率，它的穩定度高，可以不考慮它的誤差影響，誤差主要由發射時的頻率之差Δf 0所引起。Δf 0就是實際頻率與所要求的頻率不一致造成的誤差，所以相關技術規范規定都要求誤差必須<±0.2%，以求取最準確的頻率范圍。同時Δf 0還受雷達本身所加電壓以及工作環境的溫度變化等因素影響。因此，必須確認整體電壓的穩定性與采用恒溫措施保持溫度的穩定，避免變化過大造成影響。

2.1.2 針對1/N的來源分析與減少措施

如果將引起的測量誤差控制在±0.2%內，那么誤差來源就主要由1/N來決定。對應不同的測量速度，在速度測量時間T內所記錄的變化周期個數N有不同的取值，由公式3可知：當VR一定時，T越大，則記錄的變化周期個數N越多，則1/N就越小，誤差也就越小。因此，適當增加標準間隔時間T是減少誤差的一種方法。另一方面來說，如果增加了T，也增加了速度的測量時間。

2.1.3 實際應用中對于雷達測速照相設備誤差改善措施

從公式（1）中可以了解到，實際應用過程中的頻率誤差經過國家標準化委員會處理后，可以獲得比較可靠的準確度。但對于1/N的來源控制則是一項非常困難的挑戰，因為當雷達測速照相設備在戶外進行違規車輛監測時，會因為現場實際環境產生無法預測的狀況。為了增加雷達速度數據的可驗證性，可以增加監測時間以獲取較多的速度數據進行比對，從而篩選出不正確的速度數據。

2.2 雷達測速準確性測試方法

為了有效確認雷達架設于戶外環境時，測量速度是否有不確定度情況發生，必須進行戶外實際測試。測試車道上需要標示有距離線，可用于后期圖像數據處理時提取距離信息。測試環境同時應具備開放的車輛行駛環境。

每當車輛通過時，受檢驗的雷達測速照相設備必須在一固定時間（一般設定為1 s）內拍攝2張以上照片，這樣便可利用“速度=距離/時間”的公式推斷正確的速度，將雷達所測得的速度與影像所計算到的速度互相比對。

通過測試現場資料的搜集，確認雷達不確定度發生的概率與速度誤差。并利用Pearson積差相關系數來檢驗雷達監測器與影像位移差所取的數據相關程度，其公式為：

（7）

式中：-1≤r≤1，r為Pearson積差相關系數，S（X，Y）為雷達檢測器速度值誤差率與影像位移速度值誤差率的乘積和，為雷達檢測器速度值誤差率的標準偏差和，為影像位移速度值誤差率的標準偏差和，X為雷達監測器速度值，為雷達監測器速度值的平均值，Y為影像位移速度值，為影像位移速度值的平均值。

3 雷達測速照相系統測試數據分析方法

3.1 速度準確率分析

準確率為衡量雷達監測速度與影像位移速度間的差異，其計算公式如公式（9）所示，其中X為雷達監測器速度值，Y為影像位移速度值。

3.2 監測效果分析方法

雷達監測器的監測效果，可利用影像位移速度結果與真值間的平均誤差率或誤差率標準偏差來評估。

3.3 積差相關系數

Pearson積差相關系數是檢核雷達監測器與影像位移速度數據間的相關程度，其公式如公式（7）所示。由系數r可判斷雷達監測器的準確度，即當相關系數r越接近1，表示雷達監測器所監測到的速度數據越接近影像位移差所測得的速度數據。

4 結語

該文介紹了連續多普勒雷達測速照相系統的構成，對雷達測速過程產生誤差的因素進行了分析，并提出了對測速數據準確率及監測效果的評估方法。為雷達測速類產品的測速準確度評估提供了較好的方法依據。

參考文獻

[1]杜軍，程婭，張曉曉，等.提高相位調制多普勒激光雷達頻移測量范圍的方法[J].光學學報，2019（12）：43.

[2]張龍，王興理，馬婧，等.脈沖雷達測速方法的改進研究[J].現代雷達，2019（10）：115.

[3]Li XL.A Novel Signal Separation and De-Noising Technique for Doppler Radar Vital Signal Detection[J].Sensors，2019（11）：234.

[4]章薇.機動車雷達測速儀在道路交通應用中存在的問題及改進方法[J].中阿科技論壇，2019（6）：76.

[5]彭華海.機動車雷達測速儀檢定裝置在服務公安交通執法中的應用探究[J].中國標準化，2019（2）：80.