運(yùn)輸系統(tǒng)對(duì)于在全球范圍內(nèi)快速、高效和安全地運(yùn)送個(gè)人和貨物至關(guān)重要。因此，交通系統(tǒng)和相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施必須通過(guò)收集數(shù)據(jù)和感知交通區(qū)域周?chē)臓顩r來(lái)應(yīng)對(duì)長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)的變化。交通工程師使用這些數(shù)據(jù)來(lái)構(gòu)建統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并幫助確定未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施投資，而駕駛員則使用這些數(shù)據(jù)來(lái)幫助管理他們的路線。

到 2022 年，智能交通系統(tǒng)市場(chǎng)預(yù)計(jì)將超過(guò) 636 億美元，這些信息的價(jià)值是顯而易見(jiàn)的。然而，雖然交通監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種條件下提高運(yùn)輸效率和安全性，但設(shè)計(jì)人員面臨著各種傳感挑戰(zhàn)，包括：

位置和速度測(cè)量： 為了有用，交通數(shù)據(jù)需要提供交通位置（位置）和流量（速度）的知識(shí)。它可能包括與交叉路口的停止條的距離或接近的車(chē)輛速度。

全天候運(yùn)行： 由于交通基礎(chǔ)設(shè)施傳感器往往位于室外，因此無(wú)論天氣如何，它們都必須能夠工作。它包括白天和夜晚的燈光場(chǎng)景，以及在雨、雪、霧和灰塵等惡劣天氣下的一致功能。

擴(kuò)展范圍內(nèi)的高速物體檢測(cè)： 傳感器必須能夠檢測(cè)和測(cè)量更遠(yuǎn)距離的快速移動(dòng)交通。例如，如果系統(tǒng)能夠感知距離交叉路口較遠(yuǎn)的車(chē)輛，則它可以更好地控制綠色和黃色持續(xù)時(shí)間以預(yù)測(cè)進(jìn)入的交通。

準(zhǔn)確性和性能測(cè)量： 準(zhǔn)確了解車(chē)道位置、車(chē)輛與傳感器的距離以及車(chē)速對(duì)于交通監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施的有效運(yùn)行至關(guān)重要。

當(dāng)今的交通監(jiān)控技術(shù) 目前有多種傳感技術(shù)用于交通監(jiān)控應(yīng)用。它們服務(wù)于不同的市場(chǎng)功能，每一種都具有獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)：

感應(yīng)回路傳感器： 在這些解決方案中，絕緣的導(dǎo)電線穿過(guò)道路上的切口。一個(gè)電脈沖通過(guò)該導(dǎo)線，并且由于汽車(chē)經(jīng)過(guò)而引起的電感變化表明車(chē)輛何時(shí)占用空間或經(jīng)過(guò)。雖然很常見(jiàn)且易于理解，但感應(yīng)回路傳感有幾個(gè)缺點(diǎn)。

首先，檢測(cè)僅限于安裝環(huán)路的“存在”，因此很難預(yù)測(cè)迎面而來(lái)的交通。其次，系統(tǒng)的規(guī)模要求每個(gè)區(qū)域和車(chē)道在交叉路口都有自己的環(huán)路，這使其成為一個(gè)成本高昂且實(shí)施復(fù)雜的系統(tǒng)。

但也許最大的缺點(diǎn)是安裝或維修這些系統(tǒng)需要挖掘路面。再加上這些系統(tǒng)的維護(hù)周期通常很短（一到兩年），感應(yīng)回路系統(tǒng)的總成本會(huì)迅速增加。

相機(jī)和基于視覺(jué)的傳感器： 使用視頻圖像處理器，相機(jī)和基于視覺(jué)的傳感器從 CMOS 相機(jī)傳感器捕獲圖像數(shù)據(jù)。接下來(lái)，分析此圖像以確定交通行為。

這些系統(tǒng)可以成為強(qiáng)大的工具，不僅可以測(cè)量十字路口和高速公路的交通行為，還可以將實(shí)時(shí)視頻傳輸給運(yùn)營(yíng)商。

然而，不斷變化的環(huán)境條件——晝夜循環(huán)、陰影和惡劣天氣——直接影響這些系統(tǒng)“看”的能力。此外，這些視覺(jué)挑戰(zhàn)需要先進(jìn)的信號(hào)處理和算法，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

基于毫米波雷達(dá)的交通監(jiān)控 在交通監(jiān)控市場(chǎng)中獲得牽引力的一項(xiàng)技術(shù)是雷達(dá)，尤其是基于毫米波 （mmWave） 技術(shù)的解決方案。毫米波的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)——包括對(duì)光線或天氣不敏感、與基于視覺(jué)的技術(shù)相比范圍更廣以及精度更高——在交通監(jiān)控應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

因此，當(dāng)談到交通管理系統(tǒng)面臨的傳感挑戰(zhàn)時(shí)，毫米波雷達(dá)可以通過(guò)多種方式提高交通效率和安全性。

在全天候條件下運(yùn)行： 熟悉雷達(dá)應(yīng)用和射頻信號(hào)傳播的人可能知道雷達(dá)對(duì)不斷變化的環(huán)境條件不敏感。然而，毫米波具有穿透和感知惡劣天氣條件的能力，例如夜間、煙霧、霧和雨。這種能力使毫米波傳感器成為在不受控制和多變的環(huán)境中進(jìn)行戶(hù)外傳感的強(qiáng)大且一致的解決方案。

在擴(kuò)展范圍內(nèi)檢測(cè)高速物體： 毫米波傳感器使用 77 GHz 范圍內(nèi)的快速調(diào)頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達(dá)，與傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)相比，它具有多個(gè)優(yōu)勢(shì)。天線設(shè)計(jì)和射頻啁啾配置相結(jié)合，使 77-GHz 雷達(dá)系統(tǒng)能夠輕松檢測(cè) 150 m 或更大范圍內(nèi)、速度超過(guò) 100 km/h 的目標(biāo)，包括車(chē)輛。

目標(biāo)測(cè)量的準(zhǔn)確性： 具有集成處理功能的快速 FMCW 雷達(dá)能夠在一秒鐘內(nèi)多次測(cè)量場(chǎng)景中多個(gè)目標(biāo)反射體的距離、徑向速度和角度。它允許使用毫米波解決方案的交通監(jiān)控系統(tǒng)以高度的范圍和速度分辨率輕松地實(shí)時(shí)識(shí)別和跟蹤多輛車(chē)輛。

克服雷達(dá)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) 然而，實(shí)施雷達(dá)解決方案存在一定的挑戰(zhàn)。當(dāng)今的雷達(dá)解決方案需要多個(gè)分立元件來(lái)創(chuàng)建完整的解決方案。這包括一個(gè)射頻前端和一個(gè)數(shù)字處理后端（圖 3）。

圖 3：分立毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)視圖，該設(shè)計(jì)使用單獨(dú)的芯片用于射頻前端和數(shù)字處理后端。

分立雷達(dá)系統(tǒng)需要像 MCU 這樣的中央控制器將控制信號(hào)路由到所有分立組件。這可能會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 （EMI） 效應(yīng)，最終導(dǎo)致“嘈雜”系統(tǒng)。

這種缺乏集成增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并以系統(tǒng)尺寸、成本和功耗為代價(jià)。此外，離散雷達(dá)系統(tǒng)在不斷變化的條件和應(yīng)用需求中帶來(lái)了軟件挑戰(zhàn)。

在 76-GHz 至 81-GHz 頻段運(yùn)行的新型毫米波解決方案通過(guò)將 DSP 與基于 ARM 內(nèi)核的強(qiáng)大 MCU 集成克服了這些缺點(diǎn)（圖 4）。單芯片解決方案無(wú)需在分立前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理部件之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

圖 4：?jiǎn)涡酒鉀Q方案簡(jiǎn)化了毫米波雷達(dá)傳感器的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

處理鏈僅在 DSP 上實(shí)現(xiàn)，而 ARM 處理器可用于其他更高級(jí)別的處理和管理功能，例如跟蹤邏輯、對(duì)象分類(lèi)、流量統(tǒng)計(jì)報(bào)告、I/O 功能和傳感器管理。

值得注意的是，目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤是理解和分析交通環(huán)境的關(guān)鍵步驟。并且單芯片解決方案可以適應(yīng)高級(jí)算法，提供實(shí)時(shí)智能來(lái)檢測(cè)、跟蹤和分類(lèi)對(duì)象。

DSP 執(zhí)行對(duì)象聚類(lèi)和跟蹤算法來(lái)處理有關(guān)車(chē)輛移動(dòng)方式的數(shù)據(jù)，然后 MCU 可以智能地實(shí)時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)交通做出反應(yīng)。單芯片解決方案還有助于小尺寸應(yīng)用，從而準(zhǔn)確測(cè)量視野中物體的范圍、速度和角度。

結(jié)論

毫米波傳感器的獨(dú)特特性和功能可在傳感器邊緣實(shí)現(xiàn)高性能檢測(cè)和分析，使其非常適合智能交通監(jiān)控應(yīng)用。單芯片解決方案降低了進(jìn)入毫米波傳感設(shè)計(jì)的門(mén)檻。

審核編輯：郭婷