楊 磊，楊東凱，朱云龍，高超群

1. 中國(guó)人民解放軍95927部隊(duì)，河北 滄州 061736； 2. 北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100191

隨著城市的快速發(fā)展，汽車數(shù)量越來越多，交通擁堵給生活帶來極大不便。及時(shí)發(fā)現(xiàn)擁堵路段，合理安排行駛路線是現(xiàn)代智能交通所面臨的問題。而車流檢測(cè)在城市交通管理中起關(guān)鍵作用。

目前對(duì)車流檢測(cè)的方法主要有兩種：一種是使用攝像頭[1]，一種是安裝感應(yīng)探測(cè)器。其中，基于攝像頭視頻的方法屬于光學(xué)探測(cè)，對(duì)攝像頭拍攝的視頻，使用圖像處理識(shí)別算法檢測(cè)圖像中的車輛，進(jìn)而對(duì)車流進(jìn)行判斷。光學(xué)探測(cè)方式易受外界環(huán)境影響，例如夜晚、陰雨天氣、攝像頭污損等情況都會(huì)影響視頻圖像質(zhì)量，從而影響檢測(cè)結(jié)果。安裝環(huán)形線圈[2]進(jìn)行車輛檢測(cè)，具有檢測(cè)精度高，不受天氣影響的特點(diǎn)。但在地面安裝設(shè)備時(shí)需要破壞路面，施工難度大，且后期不易維護(hù)。還有其他如安裝熱釋電傳感器[3]、磁阻傳感器[4]等專用檢測(cè)設(shè)備的方式，但都存在檢測(cè)精度和環(huán)境適應(yīng)性的問題。

微波探測(cè)是一種無線電探測(cè)方法，可以克服光學(xué)探測(cè)的不足，具有不受時(shí)間、天氣限制，工作時(shí)間長(zhǎng)，探測(cè)范圍大的特點(diǎn)，可用于目標(biāo)探測(cè)，氣象探測(cè)等。

GNSS-R是20世紀(jì)90年代以來發(fā)展的新型微波遙感探測(cè)技術(shù)，并得到廣泛的關(guān)注和研究。文獻(xiàn)[6]提出了利用GPS海面散射信號(hào)進(jìn)行海面測(cè)高的設(shè)想，文獻(xiàn)[7]在機(jī)載試驗(yàn)中探測(cè)到GPS信號(hào)，目前GNSS-R已經(jīng)在土壤濕度反演[8]、海面風(fēng)場(chǎng)反演[9]、海冰探測(cè)[10]、海面溢油探測(cè)[11]、目標(biāo)探測(cè)[12]等領(lǐng)域取得了大量的研究成果。NASA在2013年公布了CYGNSS項(xiàng)目[13]，使用星載GNSS-R進(jìn)行全球颶風(fēng)探測(cè)，并于2017年開始科學(xué)試運(yùn)行。

使用GNSS-R進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)是一種新的應(yīng)用。這一種無源雷達(dá)探測(cè)模式，由于不需要發(fā)射機(jī)，因此具有設(shè)備小、功耗低、成本低、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。除了具備傳統(tǒng)無源雷達(dá)的特點(diǎn)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)作為機(jī)會(huì)信號(hào)源還具有以下優(yōu)勢(shì)：①導(dǎo)航衛(wèi)星工作于L波段，受大氣影響小，可以全天候、全時(shí)段工作；②當(dāng)前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的GALILEO和中國(guó)的北斗。在未來將會(huì)有超過100顆導(dǎo)航衛(wèi)星在太空中運(yùn)行，提供了全球的覆蓋能力，使得在任何地方都可以利用GNSS-R信號(hào)進(jìn)行有效探測(cè)。

文獻(xiàn)[14]建立了單源多宿的雙基無源雷達(dá)探測(cè)模式，并在2011年通過試驗(yàn)接收到了車輛反射的GPS信號(hào)，證明使用GNSS-R進(jìn)行車輛檢測(cè)的可行性，但由于積分時(shí)間長(zhǎng)，因而實(shí)時(shí)性較差。文獻(xiàn)[15]通過試驗(yàn)對(duì)沙土、金屬、積雪等不同材質(zhì)反射信號(hào)的SNR進(jìn)行對(duì)比，成功區(qū)分出了不同材質(zhì)，并檢測(cè)出了掩埋在沙土中的金屬。證明了金屬能夠有效地反射導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，并且和地面的反射特性不同。因此，使用GNSS-R對(duì)路面進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)有車輛經(jīng)過探測(cè)區(qū)域時(shí)，通過反射信號(hào)的變化就可以檢測(cè)出車輛。然后統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)出車輛的時(shí)間，就可以對(duì)當(dāng)前交通車流作出判斷。

本文提出了一種交通車流檢測(cè)方法，以車輛和地面介電常數(shù)的差異作為依據(jù)，通過反演探測(cè)區(qū)域介電常數(shù)的方法進(jìn)行車輛檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)交通車流作出判斷。本文首先給出了探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；根據(jù)電磁波的反射特性，提出了利用反演介電常數(shù)進(jìn)行車輛檢測(cè)的方法和信號(hào)處理流程；試驗(yàn)通過采集不同交通車流情況下的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了提出的理論和方法。

1 GNSS-R交通車流檢測(cè)

1.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)組成如圖1所示，包括發(fā)射平臺(tái)和接收平臺(tái)兩個(gè)部分。

圖1 GNSS-R交通車流檢測(cè)系統(tǒng)組成圖Fig.1 GNSS-R traffic flow detection system composition diagram

發(fā)射平臺(tái)為運(yùn)行在太空中的導(dǎo)航衛(wèi)星，θ為衛(wèi)星高度角。本文使用GPS衛(wèi)星進(jìn)行分析，分析結(jié)果同樣適用于其他系統(tǒng)的衛(wèi)星。接收平臺(tái)包括一個(gè)通用信號(hào)接收機(jī)和兩個(gè)接收天線。其中RHCP天線作為直射天線朝上放置，接收衛(wèi)星發(fā)射的右旋極化直射信號(hào)。LHCP天線作為反射天線向下放置，接收反射區(qū)域所反射的左旋極化信號(hào)。因?yàn)樾l(wèi)星信號(hào)經(jīng)過遠(yuǎn)距離的傳播，信號(hào)較弱，經(jīng)過反射后更加微弱，所以LHCP使用高增益，窄波束天線。探測(cè)區(qū)域?yàn)榻邮仗炀€波束在地面的覆蓋區(qū)域。

1.2 電磁反射特性

當(dāng)電磁波入射到介質(zhì)表面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。反射信號(hào)的大小、相位和電磁波頻率、極化方式、入射角以及介質(zhì)的介電常數(shù)都有關(guān)系。電磁波的反射和入射的能量關(guān)系由菲涅爾反射系數(shù)決定[17]，表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

式中，下標(biāo)R表示右旋圓極化；下標(biāo)L表示左旋圓極化；下標(biāo)V表示垂直極化；下標(biāo)H表示水平極化；θ為衛(wèi)星高度角；ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。

分別對(duì)不同的介電常數(shù)和衛(wèi)星高度角取值，對(duì)反射系數(shù)RRL進(jìn)行仿真，可以得到反射系數(shù)和介電常數(shù)以及衛(wèi)星高度角的關(guān)系如圖2所示。

在圖2(a)中，介電常數(shù)ε分別取10、20、30、…、100，可以看出，反射系數(shù)和衛(wèi)星高度角以及介電常數(shù)都對(duì)應(yīng)呈單調(diào)遞增關(guān)系。并且在衛(wèi)星高度角0～40°范圍內(nèi)變化較大，而在40°～90°范圍內(nèi)，曲線趨于平緩。

圖2 菲涅爾反射系數(shù)和介電常數(shù)、高度角的關(guān)系Fig.2 Relationship of Fresnel reflection coefficient between dielectric constant and height angle

GPS信號(hào)L1波段的頻率為1 575.42 MHz，在該頻率下金屬為導(dǎo)體，其介電常數(shù)為2.01×108j，是復(fù)數(shù)并且非常大[16]。混凝土的介電常數(shù)和濕度有關(guān)，通常在10～50范圍內(nèi)。取50作為地面的介電常數(shù)。對(duì)金屬和地面在不同高度角下的反射系數(shù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖2(b)所示。

由圖2(b)可知，金屬的反射系數(shù)接近于1，對(duì)于右旋圓極化波表現(xiàn)出了極強(qiáng)的反射特性，幾乎沒有損失的將能量全部反射，并且極化方式改變?yōu)樽笮龍A極化。而地面的反射系數(shù)隨著衛(wèi)星高度角的增大逐漸增大，并在40°時(shí)趨于穩(wěn)定，接近于0.73，左旋圓極化為主要成分。金屬和地面由于介電常數(shù)的不同，表現(xiàn)出了不同的電磁反射特性。因此可以通過對(duì)反演介電常數(shù)的方法，對(duì)地面和金屬兩種介質(zhì)進(jìn)行區(qū)分，從而實(shí)現(xiàn)車輛的探測(cè)。

1.3 檢測(cè)方法

本文提出的GNSS-R交通車流檢測(cè)方法，基于以下假設(shè)：①GPS衛(wèi)星軌道高度約為20 200 km，接收機(jī)和探測(cè)區(qū)域之間的距離相對(duì)于衛(wèi)星到地面的距離可以忽略不計(jì)，因此可以假設(shè)GPS信號(hào)在接收機(jī)和探測(cè)區(qū)域處的功率是相同的；②當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)無車輛時(shí)，反射信號(hào)主要由地面反射產(chǎn)生，當(dāng)探測(cè)區(qū)域內(nèi)有車輛時(shí)，反射信號(hào)主要由車輛產(chǎn)生；③反射界面光滑分布，不考慮車輛幾何外形造成的影響；④交通狀況正常，不存在某個(gè)車輛因故障或其他原因長(zhǎng)時(shí)間停留在探測(cè)區(qū)域的情形。

該方法的基本思路是：首先通過接收機(jī)接收到的直射天線和反射天線的信號(hào)計(jì)算反射系數(shù)，結(jié)合解調(diào)出來的衛(wèi)星星歷，計(jì)算衛(wèi)星位置、接收機(jī)位置和衛(wèi)星高度角。然后反演介電常數(shù)，根據(jù)車輛和地面兩種不同介質(zhì)的介電常數(shù)的差異，對(duì)探測(cè)區(qū)域內(nèi)的車輛進(jìn)行檢測(cè)。最后通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)，探測(cè)區(qū)域內(nèi)檢測(cè)出車輛的時(shí)間，對(duì)車流進(jìn)行分析，作出交通狀況判斷。

該方法的詳細(xì)步驟是：

1.3.1 計(jì)算反射系數(shù)

GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)是載波頻率為1 575.42 MHz的電磁波，上面調(diào)制了PRN碼和導(dǎo)航電文?？梢员硎緸?/p>

sd(t)=Ad(t-τd)D(t-τd)C(t-τd)cos(φd)

(4)

式中，sd(t)表示衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，其中下標(biāo)d表示直射信號(hào)；Ad表示接收到該衛(wèi)星的信號(hào)幅度；D表示導(dǎo)航電文；C表示PRN碼，GPS的信號(hào)中有P(Y)碼和C/A碼兩種PRN碼，其中P(Y)碼是加密的，只能由美國(guó)軍方或授權(quán)機(jī)構(gòu)解密使用，C/A碼開放給民用；τd為信號(hào)從導(dǎo)航衛(wèi)星到接收機(jī)之間的傳播路徑延遲；φd為接收到的載波相位。

直射信號(hào)經(jīng)探測(cè)區(qū)域反射后，被反射天線接收，反射信號(hào)表示為

sr(t)=Ar(t-τr)D(t-τr)C(t-τr)cos(φr)

(5)

式中，sr(t)表示經(jīng)過反射的衛(wèi)星信號(hào)，其中下標(biāo)R表示反射信號(hào)。同式(4)類似，Ar表示信號(hào)的幅度，D表示導(dǎo)航電文；C表示PRN碼，φr表示信號(hào)的相位。

式(5)與式(4)類似，下標(biāo)r表示反射波信號(hào)。

根據(jù)假設(shè)條件，接收機(jī)和反射區(qū)域可以認(rèn)為處于同一位置，因此，τd=τr，φd=φr。反射系數(shù)可以由兩個(gè)信號(hào)的功率比值得到。

分別對(duì)直射和反射通道進(jìn)行跟蹤，得到兩個(gè)通道的相關(guān)功率為

(6)

(7)

式(6)和式(7)中，下標(biāo)d和下標(biāo)r分別為直射通道和反射通道，I和Q分別為對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)獲得的同相分量和正交分量，P表示中間碼，在軟件接收機(jī)中，可以通過將采樣的中頻數(shù)字信號(hào)和本地載波的sin和cos分量相乘得到。將兩個(gè)相關(guān)功率相比就可以獲得反射系數(shù)。在實(shí)際中，為了提高信噪比，可以對(duì)相關(guān)功率進(jìn)行多次非相干累加

(8)

1.3.2 計(jì)算介電常數(shù)

將式(1)—(3)代入式(8)可得反射系數(shù)和介電常數(shù)以及衛(wèi)星高度角的關(guān)系

Γ(ε,θ)=

(9)

反射系數(shù)雖然反映了介質(zhì)的電磁反射特性，但還和衛(wèi)星高度角相關(guān)。因此，不同的衛(wèi)星所獲得的反射系數(shù)不能直接比較。結(jié)合接收機(jī)定位解算后獲得的衛(wèi)星高度角，利用式(9)就可以對(duì)介電常數(shù)進(jìn)行解算。介電常數(shù)去除了高度角的影響，直接反映了探測(cè)區(qū)域的特性，可以對(duì)車輛和地面兩種不同介質(zhì)進(jìn)行區(qū)分。

式(9)是一個(gè)高次方程，直接對(duì)介電常數(shù)求解比較困難。根據(jù)圖2可知，當(dāng)衛(wèi)星高度角一定時(shí)，反射系數(shù)和介電常數(shù)之間呈單調(diào)遞增關(guān)系。因此可以用搜索的方法求解，金屬的介電常數(shù)非常大，而地面的介電常數(shù)則相對(duì)較小，可以將介電常數(shù)做限幅處理，搜索范圍限制到(0～1000)范圍內(nèi)，當(dāng)介電常數(shù)大于1000時(shí)，固定為1000。這樣既不會(huì)影響最終的結(jié)果，又大大加快了運(yùn)算速度。

1.3.3 交通車流檢測(cè)

由于金屬對(duì)電磁波的強(qiáng)反射特性，其介電常數(shù)的反演結(jié)果非常大，而地面的反演結(jié)果則相對(duì)小。通過設(shè)定閾值就可以對(duì)探測(cè)區(qū)域中的車輛進(jìn)行檢測(cè)。統(tǒng)計(jì)在一段時(shí)間內(nèi)，車輛出現(xiàn)在探測(cè)區(qū)域中的時(shí)間，就可以對(duì)交通車流進(jìn)行分析。

1.4 接收機(jī)信號(hào)處理

在本文中，使用Matlab版本的GPS軟件接收機(jī)[17]，用離線的方式進(jìn)行信號(hào)處理[18-20]。信號(hào)處理流程如圖3所示。

圖3 接收機(jī)信號(hào)處理流程框圖Fig.3 Signal processing diagram of software defined receiver

直射通道和反射通道的信號(hào)，由對(duì)應(yīng)的天線接收后在通用接收機(jī)中進(jìn)行下變頻處理，然后對(duì)中頻信號(hào)采樣并量化后輸出數(shù)字中頻信號(hào)。使用Matlab軟件接收機(jī)對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲并跟蹤處理，獲取跟蹤結(jié)果。兩個(gè)通道的處理方法相同。同時(shí)，還可以利用直射通道的捕獲結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)航定位解算，獲取衛(wèi)星和接收機(jī)的位置，以及在接收機(jī)處的衛(wèi)星分布。利用衛(wèi)星高度角和相關(guān)功率就可以進(jìn)行介電常數(shù)的反演。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)介紹

為了驗(yàn)證本文所提出的理論和方法，在2016年6月17日進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)選擇北京航空航天大學(xué)東南門外天橋，在天橋上對(duì)地面車道交通情況進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)定位解算獲得的接收機(jī)位置為：39.980 4°N、116.347 6°E、高度50.131 7 m。直射天線朝上放置，反射天線朝下放置，探測(cè)區(qū)域?yàn)樘鞓蛳旅娴能嚨?，該車道方向?yàn)槟媳狈较?，試?yàn)場(chǎng)景如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)場(chǎng)景及探測(cè)區(qū)域示意圖Fig.4 Experimental scene and detection area

試驗(yàn)時(shí)間為北京時(shí)間17:00—18：00之間，根據(jù)北京市的實(shí)際交通情況，這個(gè)時(shí)間段是下班時(shí)間，東側(cè)車道出城車輛較多，呈現(xiàn)高密度車流狀態(tài)，如圖4(a)所示；而西側(cè)車道的進(jìn)城車輛則相對(duì)稀少，呈現(xiàn)低密度車流狀態(tài)，如圖4(b)所示。同時(shí)，為了驗(yàn)證不同高度角衛(wèi)星的檢測(cè)結(jié)果，分別選取北向和南向的衛(wèi)星進(jìn)行試驗(yàn)?？偣策M(jìn)行了4組試驗(yàn)，分別對(duì)應(yīng)北向高密度車流、北向低密度車流、南向高密度車流、南向低密度車流情況。每組試驗(yàn)的信號(hào)采集時(shí)間為150 s。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用導(dǎo)航定位解算過程中獲得的星歷，可以計(jì)算接收機(jī)位置處的衛(wèi)星分布如圖5所示。

圖5 GPS衛(wèi)星分布星空?qǐng)DFig.5 GPS satellites’ sky map

在采集到的接收數(shù)據(jù)中，反射通道在北向試驗(yàn)中對(duì)PRN17衛(wèi)星進(jìn)行有效跟蹤，在南向試驗(yàn)中，對(duì)PRN28衛(wèi)星進(jìn)行有效跟蹤。因此在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理時(shí)，分別使用PRN17和PRN28對(duì)北向和南向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中非相干累加次數(shù)為1000次，即1 s。

圖6為試驗(yàn)結(jié)果，圖中的橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為反演得到的介電常數(shù)。

對(duì)圖6中的試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

(1) 在圖6中，圖6(a)和圖6(c)對(duì)應(yīng)的是高密度車流狀態(tài)，在圖形中表現(xiàn)為連續(xù)的峰值，但是在南向高密度車流探測(cè)時(shí)，由于紅燈的影響，造成了車流出現(xiàn)了一段時(shí)間的“中斷”，對(duì)應(yīng)圖6(c)中50～150 s之間的部分，與實(shí)際情況吻合。圖6(b)和圖6(d)對(duì)應(yīng)的是低密度車流狀態(tài)，中間出現(xiàn)的尖峰突起，則對(duì)應(yīng)的是零星經(jīng)過的車輛，與實(shí)際情況吻合。

(2) 利用GNSS-R信號(hào)進(jìn)行介電常數(shù)反演，從結(jié)果中可以看出金屬的反演結(jié)果非常大，可達(dá)104，遠(yuǎn)大于地面，為了方便試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，使用閾值1000進(jìn)行了限幅處理。而沒有車輛的地面，其反演結(jié)果在100以內(nèi)，與理論分析的結(jié)果相符。

(3) 本文提出的方法所利用的GNSS-R信號(hào)，從本質(zhì)上說，是一種多徑信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，兩側(cè)的建筑以及其他物體的反射，都有可能對(duì)探測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，選擇反射天線時(shí)，應(yīng)選擇高增益、窄波束角的天線。另外，對(duì)車輛進(jìn)行探測(cè)，主要利用了金屬和地面對(duì)GNSS信號(hào)的不同反射特性進(jìn)行區(qū)分。因此，在選擇應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，探測(cè)區(qū)域附近應(yīng)沒有大型金屬物體。

圖6 介電常數(shù)反演結(jié)果Fig.6 Results of dielectric constant retrieved by GNSS-R signals

3 結(jié)束語

本文提出了一種使用GNSS-R信號(hào)進(jìn)行交通車流檢測(cè)的方法，通過試驗(yàn)驗(yàn)證：

(1) 利用GNSS-R信號(hào)，通過反演介電常數(shù)的方法，對(duì)探測(cè)區(qū)域中的車輛進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而得到交通車流情況，這種方法是可行并且有效的。

(2) 該方法使用GNSS-R信號(hào)，屬于微波探測(cè)技術(shù)手段，彌補(bǔ)了光學(xué)探測(cè)易受環(huán)境的影響和地感探測(cè)器不易安裝維護(hù)的不足，同時(shí)擴(kuò)展了GNSS-R技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

(3) 該方法在進(jìn)行探測(cè)時(shí)，只需要接收信號(hào)，不發(fā)射電磁波，屬于無源雷達(dá)應(yīng)用，可以對(duì)車輛、裝備等進(jìn)行隱蔽探測(cè)而不被發(fā)現(xiàn)，軍事應(yīng)用前景廣闊。

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