Понимание того, как работает радиолокационный датчик, может стать ключом к пониманию его силы в обнаружении транспорта и его превосходства над конкурентными технологиями.
Если Вы хотите понять, как работает радар, хорошим началом может стать наблюдение за криком мальчика в туннеле.
В моем городе есть детская площадка, куда я люблю водить своего четырехлетнего сына. Чтобы попасть на детскую площадку, нужно пройти немного вдоль ручья, а затем через длинный туннель, который проходит под шоссе. Мой сын любит этот туннель. Каждый раз, когда мы проходим через него, он издает серию коротких, звонких криков, которые эхом возвращаются к нему через мгновение. Эхо всегда вызывает у него смех, который, так же, возвращается к нему, что заставляет его смеяться еще больше. Иногда он экспериментирует с различными звуками, изменяя высоту и длину своих криков, чтобы услышать, как реагирует эхо.
Урок, который он должен усвоить, играя с эхом: звук отражается. Это потому, что звук, подобно электромагнетизму, представляет собой серию волн и отраженных от объектов волн.
Этот простой факт произвел революцию почти во всех аспектах жизни на Земле. Потому что мы, понимая как работают электромагнитные волны, использовали радиоволны для связи и Wi-Fi; видимый свет для освещения наших домов и просмотра фильмов; инфракрасные волны для управления нашими телевизорами; гамма-лучи для борьбы с раком; микроволны для того, чтобы, помимо всего прочего, преобразовать нашу транспортную инфраструктуру.
Использование микроволн позволяет радару видеть транспортные средства, которые в противном случае не были бы видны из-за плохого освещения, погодных условий, пыли и других препятствий, не дающих видимым световым волнам проникнуть внутрь. Понимание электромагнитного спектра закладывает основу для понимания того, как радарные датчики используется в транспортной отрасли, а также причин, по которым для систем обнаружения дорожных происшествий требуется усовершенствованный тип радара, чтобы преодолеть проблемы, присущие этой технологии.
Электромагнитный спектр
Жизнь полна электромагнитных волн. Прогуляйтесь по улице в солнечный день и почувствуйте тепло солнца, насладитесь видом — все это благодаря электромагнитному спектру.
Все электромагнитные волны движутся со скоростью света, и все они обладают двумя свойствами, определяющими их происхождение и уровень энергии, которую они содержат: длина волны, или физическое расстояние между гребнями волн; и частота, или количество волн, проходящих заданную точку в секунду. Чем выше частота, тем короче длина волны и тем больше энергии содержится в волне. Длина волны измеряется с помощью метрической системы, а частота измеряется в Герцах (Гц) — по имени Генриха Герца, физика, доказавшего существование электромагнитных волн.
На одном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, самые длинные в спектре. Радиоволны могут варьироваться в размерах от примерно размером с бутылку воды до размеров, превышающих планету Земля. Как правило, мы используем эти волны для связи, как для радио- и телевизионных станций.
Далее в спектре находятся микроволны с длиной волны от около 30 см до 1 мм. Мы используем микроволны для различных применений, включая нагрев пищи в микроволновых печах, мониторинг погоды, мобильные телефоны и GPS. Поскольку микроволны способны распространяться через пыль, облака, снег и дождь, это очень полезно для того, чтобы увидеть мир за типичными препятствиями. Микроволны также являются основой радаров, которые используются в транспортной отрасли для обнаружения транспортных средств.
Дальше по спектру находятся инфракрасные волны. Эти волны, примерно размером с наконечник булавки, могут быть почувствованы человеком как тепло. Далее идет видимый спектр света, который позволяет людям видеть. Эти длины волн, примерно размером с бактерии, отражаются от объектов и воспринимаются нашими глазами, чтобы сформировать свет и цвет. Далее идут ультрафиолетовые волны — от 400 до 10 нанометров в длину. Эти волны содержат достаточно энергии, чтобы вызывать ожоги у человека и являются причиной солнечных ожогов. Далее следуют рентгеновские лучи, используемые, прежде всего, в медицинской сфере, чтобы увидеть кости и зубы и не могут быть больше, чем отдельные атомы.
Наконец, существуют гамма-лучи, смертельные для людей, но используемые для разрушения раковых клеток. Гамма-лучи не больше, чем отдельное ядро атома и обладают большой проникающей способностью. Они проплывают сквозь атомы так же легко, как комета путешествует по Солнечной системе. Гамма-лучи создаются с помощью сверхновых звезд, ядерных взрывов и корональных извержений из нашего Солнца, а также стандартного ядерного распада некоторых типов материалов.
Ранние эксперименты с электромагнитными волнами доказали, что эти волны не только отражаются от определенных объектов, но природа этих объектов может быть идентифицирована по характеру отражения, особенно когда речь идет о микроволнах, составляющих основу радиолокационных систем.
Во время Второй мировой войны были достигнуты большие успехи в развитии радиолокационных систем для обнаружения самолетов и подводных лодок.
Проблемы обнаружения транспорта
Когда примерно 20 лет назад возникла концепция создания интеллектуальных транспортных систем, стандартным методом обнаружения транспортных средств стали индуктивные петли — петли провода с электрическим током, создающие магнитное поле, которое нарушается металлом в проезжающем автомобиле. Хотя этот метод обнаружения является точным, у него есть несколько недостатков — он установлен на дороге и склонен к частым поломкам, так как любое изменение дорожного покрытия может нарушить работу проводов. Устанавливать и заменять петли также сложно, дорого и опасно.
В поисках лучшего обнаружения автомобилей было предложено видеообнаружение. Видеодетектор устанавливается вне дороги, обеспечивая более высокий уровень надежности, чем петли, но природа видео, технология, зависящая от видимой световой части электромагнитного спектра, оказалась проблематичной.
Видеосистемы не справляются с задачей, когда видимого света мало, например, ночью; они также не справляются с задачей, когда света слишком много, например, когда солнце смотрит прямо в камеру на восходе или закате солнца. Поскольку волны видимого света достаточно малы, их могут блокировать крошечные объекты — капли воды в виде дождя или тумана, пыль, снег, смог — все это может ограничить видимость, и, соответственно, эффективность обнаружения видеодетектора. Даже грязные объективы камер могут привести к остановке эффективного обнаружения транспортных средств.
Дорожные радары
Осознавая проблемы, связанные с видеонаблюдением, транспортная отрасль искала альтернативы, которые все еще обеспечивали бы преимущества неинтрузивного обнаружения. Микроволны радара не зависят от освещения, а длина волны микроволн намного больше, чем у видимого света, поэтому они легко распространяются сквозь частицы окружающей среды, которые мешают видимым световым волнам (пыль, дождь, снег, паутина).
Но были некоторые проблемы с системами раннего радиолокационного обнаружения из-за того, что эти ранние датчики не могли поддерживать постоянную полосу пропускания и стабильную частоту. Изменения температуры влияли на надежность различных компонентов излучателя. Это вызывало колебания в полосе пропускания, которые со временем становились более выраженными.
Неспособность поддерживать постоянную частоту означала, во-первых, что способность датчиков работать точно уменьшалась, а во-вторых, они были склонны к дрейфу частоты, которую они по законам должны были поддерживать. Производители транспортных радаров должны использовать определенную частоту и оставаться в разрешенной полосе частот. Первые радарные датчики с трудом поддерживали постоянную частоту, потому что изменения во времени и температуре изменяли частоту датчиков настолько, что требовали постоянной переконфигурации и калибровки.
Конечно, были и другие проблемы, когда речь заходила об использовании радаров для обнаружения трафика. Большинство первых радарных датчиков работали в низкой полосе частот 45 МГц, которая не могла обеспечить надежное обнаружение. При 45 МГц полосе частот, возвращаемый эхо-сигнал на радар не фокусируется, а это означает, что невозможно точно определить, где находится обнаруженный объект по отношению к устройству. При обнаружении движения, это затрудняет привязку транспортного средства к определенной полосе движения, что приводит к неточным данным по каждой полосе движения; два близко расположенных транспортные средства также могут сливаться в одно обнаружение, что делает неточными данные по подсчету. Кроме того, первые радарные датчики не смогли обнаружить остановившиеся транспортные средства, что затрудняло их использование на перекрестках, где обнаружение остановившихся транспортных средств имеет важное значение. Наконец, ранние радарные датчики не могли получать информацию о скорости и направлении движения, для чего нужно было использовать несколько датчиков.
Осознание потенциала радара
Концепция радарного обнаружения вышла на новый уровень после появления технологии цифрового процесса генерации сигнала, радаров высокой четкости и многолучевых радаров. Это позволило преодолеть ограничения существующих тогда радиолокационных датчиков.
Пожалуй, самым большим изменением, является создание цифрового волнового радара. В отличие от аналоговых радаров, в цифровом используются цифровые часы с кварцевым управлением для поддержания непрерывной и постоянной длины и частоты волн. Благодаря постоянному мониторингу цифрового сигнала, поступающего от генератора, он способен поддерживать такое постоянство, в результате которого получается постоянный, точный сигнал, который остается в пределах заданной частоты длительное время.
В дополнение к работе на нужной частоте, цифровой волновой радар сделал возможным второе новшество — радар высокой четкости с пятикратным разрешением по сравнению с предыдущими датчиками. Датчики высокого разрешения работают на частоте 245 МГц по сравнению со старыми устройствами на частоте 45 МГц. Такая более высокая частота обеспечивает более высокое разрешение, так как микроволны могут перемещаться дальше и возвращать более четкие эхо-сигналы. Более высокая полоса пропускания более узко сфокусирована и может четко определять автомобильный трафик по всей дороге; более низкая полоса пропускания возвращает затуманенные результаты всего через несколько полос. С помощью радара высокой четкости датчики способны обеспечить более четкое обнаружение каждого транспортного средства для получения более точных данных.
Были решены и другие проблемы, применяя в датчиках массивы радаров. В датчиках бокового действия, используемых для шоссейного и артериального обнаружения, используются два луча для создания ловушки скорости. По времени, которое требуется транспортному средству для перемещения от одного луча к другому, можно определить скорость и направление движения.
Для обнаружения транспортных средств на перекрестках разработали многолучевые детекторы. Они используют 16 лучей для создания поля зрения в 90 градусов на СТОП-линии. При использовании нескольких лучей, детектор может создать двумерное изображение подхода к перекрестку и обнаруживать все транспортные средства, как движущиеся, так и остановившиеся. Такое истинное обнаружение присутствия помогает сделать работу перекрестков более эффективной.
Будущее радаров
В конце концов, радар прост для понимания. Вы посылаете микроволны, они отражаются от объектов, и вы подхватываете отражение, чтобы увидеть, что там. Принятие радиолокационного обнаружения в большей части дорожной индустрии является доказательством того, что они являются золотым стандартом для обнаружения транспортных средств и являются лучшим выбором для использования в различных приложениях интеллектуальных транспортных систем.
Интрузивные детекторы Один интрузивный детектор (устанавливаемый в дорожное полотно) отвечает только за одну зону. Их устанавливают по несколько штук на каждой полосе движения. Общее количество детекторов на перекресток может доходить до 25 и более. Чем больше оборудования, тем дольше и дороже проектирование. Так же нужно учитывать проектирование кабельной канализации (для индуктивных петель и проводных магниторезистивных [...]
Аркен-Кросс успешно обнаруживает автомобильный трафик на перекрестках, а дополнительные исследования показали, что он также эффективен в обнаружении присутствия велосипедистов как на выделенных велосипедных дорожках, так и на полосах для смешанного движения велосипедов и автомобилей. В данном документе представлены сценарии, в которых Аркен-Кросс эффективно обнаруживает велосипеды, а также ограничения, связанные с их обнаружением. Обнаружение велосипедистов на [...]
Разрешающая способность в радиолокации — это минимально возможное смещение цели относительно другой цели по соответствующей координате (при одинаковых значениях всех других координат), при котором возможно раздельное их наблюдение и измерение координат и параметров движения.
На видео, в правой части кадра сравниваются два радиолокационных датчика: с SD-разрешением (с шириной полосы 50 МГц) и HD-разрешением (с шириной полосы 250 МГц).
Термин микроволновое излучение относится к длине волны передаваемой энергии, обычно от 1-30 сантиметров. Это соответствует диапазону частот от 1 ГГц до 30 ГГц.
Радиолокационный датчик
Понимание того, как работает радиолокационный датчик, может стать ключом к пониманию его силы в обнаружении транспорта и его превосходства над конкурентными технологиями.
Если Вы хотите понять, как работает радар, хорошим началом может стать наблюдение за криком мальчика в туннеле.
В моем городе есть детская площадка, куда я люблю водить своего четырехлетнего сына. Чтобы попасть на детскую площадку, нужно пройти немного вдоль ручья, а затем через длинный туннель, который проходит под шоссе. Мой сын любит этот туннель. Каждый раз, когда мы проходим через него, он издает серию коротких, звонких криков, которые эхом возвращаются к нему через мгновение. Эхо всегда вызывает у него смех, который, так же, возвращается к нему, что заставляет его смеяться еще больше. Иногда он экспериментирует с различными звуками, изменяя высоту и длину своих криков, чтобы услышать, как реагирует эхо.
Урок, который он должен усвоить, играя с эхом: звук отражается. Это потому, что звук, подобно электромагнетизму, представляет собой серию волн и отраженных от объектов волн.
Этот простой факт произвел революцию почти во всех аспектах жизни на Земле. Потому что мы, понимая как работают электромагнитные волны, использовали радиоволны для связи и Wi-Fi; видимый свет для освещения наших домов и просмотра фильмов; инфракрасные волны для управления нашими телевизорами; гамма-лучи для борьбы с раком; микроволны для того, чтобы, помимо всего прочего, преобразовать нашу транспортную инфраструктуру.
Использование микроволн позволяет радару видеть транспортные средства, которые в противном случае не были бы видны из-за плохого освещения, погодных условий, пыли и других препятствий, не дающих видимым световым волнам проникнуть внутрь. Понимание электромагнитного спектра закладывает основу для понимания того, как радарные датчики используется в транспортной отрасли, а также причин, по которым для систем обнаружения дорожных происшествий требуется усовершенствованный тип радара, чтобы преодолеть проблемы, присущие этой технологии.
Электромагнитный спектр
Жизнь полна электромагнитных волн. Прогуляйтесь по улице в солнечный день и почувствуйте тепло солнца, насладитесь видом — все это благодаря электромагнитному спектру.
Все электромагнитные волны движутся со скоростью света, и все они обладают двумя свойствами, определяющими их происхождение и уровень энергии, которую они содержат: длина волны, или физическое расстояние между гребнями волн; и частота, или количество волн, проходящих заданную точку в секунду. Чем выше частота, тем короче длина волны и тем больше энергии содержится в волне. Длина волны измеряется с помощью метрической системы, а частота измеряется в Герцах (Гц) — по имени Генриха Герца, физика, доказавшего существование электромагнитных волн.
На одном конце электромагнитного спектра находятся радиоволны, самые длинные в спектре. Радиоволны могут варьироваться в размерах от примерно размером с бутылку воды до размеров, превышающих планету Земля. Как правило, мы используем эти волны для связи, как для радио- и телевизионных станций.
Далее в спектре находятся микроволны с длиной волны от около 30 см до 1 мм. Мы используем микроволны для различных применений, включая нагрев пищи в микроволновых печах, мониторинг погоды, мобильные телефоны и GPS. Поскольку микроволны способны распространяться через пыль, облака, снег и дождь, это очень полезно для того, чтобы увидеть мир за типичными препятствиями. Микроволны также являются основой радаров, которые используются в транспортной отрасли для обнаружения транспортных средств.
Дальше по спектру находятся инфракрасные волны. Эти волны, примерно размером с наконечник булавки, могут быть почувствованы человеком как тепло. Далее идет видимый спектр света, который позволяет людям видеть. Эти длины волн, примерно размером с бактерии, отражаются от объектов и воспринимаются нашими глазами, чтобы сформировать свет и цвет. Далее идут ультрафиолетовые волны — от 400 до 10 нанометров в длину. Эти волны содержат достаточно энергии, чтобы вызывать ожоги у человека и являются причиной солнечных ожогов. Далее следуют рентгеновские лучи, используемые, прежде всего, в медицинской сфере, чтобы увидеть кости и зубы и не могут быть больше, чем отдельные атомы.
Наконец, существуют гамма-лучи, смертельные для людей, но используемые для разрушения раковых клеток. Гамма-лучи не больше, чем отдельное ядро атома и обладают большой проникающей способностью. Они проплывают сквозь атомы так же легко, как комета путешествует по Солнечной системе. Гамма-лучи создаются с помощью сверхновых звезд, ядерных взрывов и корональных извержений из нашего Солнца, а также стандартного ядерного распада некоторых типов материалов.
Ранние эксперименты с электромагнитными волнами доказали, что эти волны не только отражаются от определенных объектов, но природа этих объектов может быть идентифицирована по характеру отражения, особенно когда речь идет о микроволнах, составляющих основу радиолокационных систем.
Во время Второй мировой войны были достигнуты большие успехи в развитии радиолокационных систем для обнаружения самолетов и подводных лодок.
Проблемы обнаружения транспорта
Когда примерно 20 лет назад возникла концепция создания интеллектуальных транспортных систем, стандартным методом обнаружения транспортных средств стали индуктивные петли — петли провода с электрическим током, создающие магнитное поле, которое нарушается металлом в проезжающем автомобиле. Хотя этот метод обнаружения является точным, у него есть несколько недостатков — он установлен на дороге и склонен к частым поломкам, так как любое изменение дорожного покрытия может нарушить работу проводов. Устанавливать и заменять петли также сложно, дорого и опасно.
В поисках лучшего обнаружения автомобилей было предложено видеообнаружение. Видеодетектор устанавливается вне дороги, обеспечивая более высокий уровень надежности, чем петли, но природа видео, технология, зависящая от видимой световой части электромагнитного спектра, оказалась проблематичной.
Видеосистемы не справляются с задачей, когда видимого света мало, например, ночью; они также не справляются с задачей, когда света слишком много, например, когда солнце смотрит прямо в камеру на восходе или закате солнца. Поскольку волны видимого света достаточно малы, их могут блокировать крошечные объекты — капли воды в виде дождя или тумана, пыль, снег, смог — все это может ограничить видимость, и, соответственно, эффективность обнаружения видеодетектора. Даже грязные объективы камер могут привести к остановке эффективного обнаружения транспортных средств.
Дорожные радары
Осознавая проблемы, связанные с видеонаблюдением, транспортная отрасль искала альтернативы, которые все еще обеспечивали бы преимущества неинтрузивного обнаружения. Микроволны радара не зависят от освещения, а длина волны микроволн намного больше, чем у видимого света, поэтому они легко распространяются сквозь частицы окружающей среды, которые мешают видимым световым волнам (пыль, дождь, снег, паутина).
Но были некоторые проблемы с системами раннего радиолокационного обнаружения из-за того, что эти ранние датчики не могли поддерживать постоянную полосу пропускания и стабильную частоту. Изменения температуры влияли на надежность различных компонентов излучателя. Это вызывало колебания в полосе пропускания, которые со временем становились более выраженными.
Неспособность поддерживать постоянную частоту означала, во-первых, что способность датчиков работать точно уменьшалась, а во-вторых, они были склонны к дрейфу частоты, которую они по законам должны были поддерживать. Производители транспортных радаров должны использовать определенную частоту и оставаться в разрешенной полосе частот. Первые радарные датчики с трудом поддерживали постоянную частоту, потому что изменения во времени и температуре изменяли частоту датчиков настолько, что требовали постоянной переконфигурации и калибровки.
Конечно, были и другие проблемы, когда речь заходила об использовании радаров для обнаружения трафика. Большинство первых радарных датчиков работали в низкой полосе частот 45 МГц, которая не могла обеспечить надежное обнаружение. При 45 МГц полосе частот, возвращаемый эхо-сигнал на радар не фокусируется, а это означает, что невозможно точно определить, где находится обнаруженный объект по отношению к устройству. При обнаружении движения, это затрудняет привязку транспортного средства к определенной полосе движения, что приводит к неточным данным по каждой полосе движения; два близко расположенных транспортные средства также могут сливаться в одно обнаружение, что делает неточными данные по подсчету. Кроме того, первые радарные датчики не смогли обнаружить остановившиеся транспортные средства, что затрудняло их использование на перекрестках, где обнаружение остановившихся транспортных средств имеет важное значение. Наконец, ранние радарные датчики не могли получать информацию о скорости и направлении движения, для чего нужно было использовать несколько датчиков.
Осознание потенциала радара
Концепция радарного обнаружения вышла на новый уровень после появления технологии цифрового процесса генерации сигнала, радаров высокой четкости и многолучевых радаров. Это позволило преодолеть ограничения существующих тогда радиолокационных датчиков.
Пожалуй, самым большим изменением, является создание цифрового волнового радара. В отличие от аналоговых радаров, в цифровом используются цифровые часы с кварцевым управлением для поддержания непрерывной и постоянной длины и частоты волн. Благодаря постоянному мониторингу цифрового сигнала, поступающего от генератора, он способен поддерживать такое постоянство, в результате которого получается постоянный, точный сигнал, который остается в пределах заданной частоты длительное время.
В дополнение к работе на нужной частоте, цифровой волновой радар сделал возможным второе новшество — радар высокой четкости с пятикратным разрешением по сравнению с предыдущими датчиками. Датчики высокого разрешения работают на частоте 245 МГц по сравнению со старыми устройствами на частоте 45 МГц. Такая более высокая частота обеспечивает более высокое разрешение, так как микроволны могут перемещаться дальше и возвращать более четкие эхо-сигналы. Более высокая полоса пропускания более узко сфокусирована и может четко определять автомобильный трафик по всей дороге; более низкая полоса пропускания возвращает затуманенные результаты всего через несколько полос. С помощью радара высокой четкости датчики способны обеспечить более четкое обнаружение каждого транспортного средства для получения более точных данных.
Были решены и другие проблемы, применяя в датчиках массивы радаров. В датчиках бокового действия, используемых для шоссейного и артериального обнаружения, используются два луча для создания ловушки скорости. По времени, которое требуется транспортному средству для перемещения от одного луча к другому, можно определить скорость и направление движения.
Для обнаружения транспортных средств на перекрестках разработали многолучевые детекторы. Они используют 16 лучей для создания поля зрения в 90 градусов на СТОП-линии. При использовании нескольких лучей, детектор может создать двумерное изображение подхода к перекрестку и обнаруживать все транспортные средства, как движущиеся, так и остановившиеся. Такое истинное обнаружение присутствия помогает сделать работу перекрестков более эффективной.
Будущее радаров
В конце концов, радар прост для понимания. Вы посылаете микроволны, они отражаются от объектов, и вы подхватываете отражение, чтобы увидеть, что там. Принятие радиолокационного обнаружения в большей части дорожной индустрии является доказательством того, что они являются золотым стандартом для обнаружения транспортных средств и являются лучшим выбором для использования в различных приложениях интеллектуальных транспортных систем.
Похожие записи
Особенности использования интрузивных и неинтрузивных детекторов транспорта
Использование Аркен Кросс для обнаружения велосипедного движения
Разрешающая способность радарных детекторов транспорта
Разрешающая способность в радиолокации — это минимально возможное смещение цели относительно другой цели по соответствующей координате (при одинаковых значениях всех других координат), при котором возможно раздельное их наблюдение и измерение координат и параметров движения.
Сравнение радарных датчиков с различной разрешающей способностью
На видео, в правой части кадра сравниваются два радиолокационных датчика: с SD-разрешением (с шириной полосы 50 МГц) и HD-разрешением (с шириной полосы 250 МГц).
Частота излучения радарных датчиков
Термин микроволновое излучение относится к длине волны передаваемой энергии, обычно от 1-30 сантиметров. Это соответствует диапазону частот от 1 ГГц до 30 ГГц.