運輸系統(tǒng)對于在全球范圍內快速、高效和安全地運送個人和貨物至關重要。因此，交通系統(tǒng)和相關基礎設施必須通過收集數據和感知交通區(qū)域周圍的狀況來應對長期和實時的變化。交通工程師使用這些數據來構建統(tǒng)計數據并幫助確定未來的基礎設施投資，而駕駛員則使用這些數據來幫助管理他們的路線。

到 2022 年，智能交通系統(tǒng)市場預計將超過 636 億美元，這些信息的價值是顯而易見的。然而，雖然交通監(jiān)控系統(tǒng)能夠在各種條件下提高運輸效率和安全性，但設計人員面臨著各種傳感挑戰(zhàn)，包括：

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

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

擴展范圍內的高速物體檢測： 傳感器必須能夠檢測和測量更遠距離的快速移動交通。例如，如果系統(tǒng)能夠感知距離交叉路口較遠的車輛，則它可以更好地控制綠色和黃色持續(xù)時間以預測進入的交通。

準確性和性能測量： 準確了解車道位置、車輛與傳感器的距離以及車速對于交通監(jiān)控基礎設施的有效運行至關重要。

當今的交通監(jiān)控技術 目前有多種傳感技術用于交通監(jiān)控應用。它們服務于不同的市場功能，每一種都具有獨特的優(yōu)缺點：

感應回路傳感器： 在這些解決方案中，絕緣的導電線穿過道路上的切口。一個電脈沖通過該導線，并且由于汽車經過而引起的電感變化表明車輛何時占用空間或經過。雖然很常見且易于理解，但感應回路傳感有幾個缺點。

首先，檢測僅限于安裝環(huán)路的“存在”，因此很難預測迎面而來的交通。其次，系統(tǒng)的規(guī)模要求每個區(qū)域和車道在交叉路口都有自己的環(huán)路，這使其成為一個成本高昂且實施復雜的系統(tǒng)。

但也許最大的缺點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)的維護周期通常很短（一到兩年），感應回路系統(tǒng)的總成本會迅速增加。

相機和基于視覺的傳感器： 使用視頻圖像處理器，相機和基于視覺的傳感器從 CMOS 相機傳感器捕獲圖像數據。接下來，分析此圖像以確定交通行為。

這些系統(tǒng)可以成為強大的工具，不僅可以測量十字路口和高速公路的交通行為，還可以將實時視頻傳輸給運營商。

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，這些視覺挑戰(zhàn)需要先進的信號處理和算法，這大大增加了系統(tǒng)的復雜性。

基于毫米波雷達的交通監(jiān)控 在交通監(jiān)控市場中獲得牽引力的一項技術是雷達，尤其是基于毫米波 （mmWave） 技術的解決方案。毫米波的獨特優(yōu)勢——包括對光線或天氣不敏感、與基于視覺的技術相比范圍更廣以及精度更高——在交通監(jiān)控應用中表現出色。

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

在全天候條件下運行： 熟悉雷達應用和射頻信號傳播的人可能知道雷達對不斷變化的環(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)境中進行戶外傳感的強大且一致的解決方案。

在擴展范圍內檢測高速物體： 毫米波傳感器使用 77 GHz 范圍內的快速調頻連續(xù)波 （FMCW） 雷達，與傳統(tǒng)雷達系統(tǒng)相比，它具有多個優(yōu)勢。天線設計和射頻啁啾配置相結合，使 77-GHz 雷達系統(tǒng)能夠輕松檢測 150 m 或更大范圍內、速度超過 100 km/h 的目標，包括車輛。

目標測量的準確性： 具有集成處理功能的快速 FMCW 雷達能夠在一秒鐘內多次測量場景中多個目標反射體的距離、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時識別和跟蹤多輛車輛。

克服雷達設計挑戰(zhàn) 然而，實施雷達解決方案存在一定的挑戰(zhàn)。當今的雷達解決方案需要多個分立元件來創(chuàng)建完整的解決方案。這包括一個射頻前端和一個數字處理后端（圖 3）。

圖 3：分立毫米波雷達設計視圖，該設計使用單獨的芯片用于射頻前端和數字處理后端。

分立雷達系統(tǒng)需要像 MCU 這樣的中央控制器將控制信號路由到所有分立組件。這可能會產生電磁干擾 （EMI） 效應，最終導致“嘈雜”系統(tǒng)。

這種缺乏集成增加了設計復雜性，并以系統(tǒng)尺寸、成本和功耗為代價。此外，離散雷達系統(tǒng)在不斷變化的條件和應用需求中帶來了軟件挑戰(zhàn)。

在 76-GHz 至 81-GHz 頻段運行的新型毫米波解決方案通過將 DSP 與基于 ARM 內核的強大 MCU 集成克服了這些缺點（圖 4）。單芯片解決方案無需在分立前端、模數轉換器和處理部件之間進行高速數據傳輸。

圖 4：單芯片解決方案簡化了毫米波雷達傳感器的硬件和軟件設計。

處理鏈僅在 DSP 上實現，而 ARM 處理器可用于其他更高級別的處理和管理功能，例如跟蹤邏輯、對象分類、流量統(tǒng)計報告、I/O 功能和傳感器管理。

值得注意的是，目標檢測和跟蹤是理解和分析交通環(huán)境的關鍵步驟。并且單芯片解決方案可以適應高級算法，提供實時智能來檢測、跟蹤和分類對象。

DSP 執(zhí)行對象聚類和跟蹤算法來處理有關車輛移動方式的數據，然后 MCU 可以智能地實時對動態(tài)交通做出反應。單芯片解決方案還有助于小尺寸應用，從而準確測量視野中物體的范圍、速度和角度。

結論

毫米波傳感器的獨特特性和功能可在傳感器邊緣實現高性能檢測和分析，使其非常適合智能交通監(jiān)控應用。單芯片解決方案降低了進入毫米波傳感設計的門檻。

審核編輯：郭婷