? ? ? ? 1 概述

　　射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification， RFID）是一項(xiàng)非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，具有信息量大、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。特別是RFID 技術(shù)在高速運(yùn)動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等方面的優(yōu)勢(shì)，使其在很多領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。

　　高速公路作為國(guó)家的重要戰(zhàn)略資源，不僅提高運(yùn)輸效率，而且還能減少車輛損耗，其優(yōu)越性十分突出。但在安全方面，我國(guó)的高速公路卻表現(xiàn)出了較高的事故率和傷亡率。相關(guān)研究表明，通過合理控制機(jī)動(dòng)車輛的車速及安全車距，可以有效保障高速公路的交通安全和暢通，預(yù)防和減少交通事故。

　　但我國(guó)高速公路管理系統(tǒng)中現(xiàn)有的一些交通檢測(cè)技術(shù)，其主要作用是檢測(cè)道路流量以及為超速罰款提供參考依據(jù)，而目前被推廣的GPS 定位系統(tǒng)，無法對(duì)速度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，且其定位精度有限，亦不能實(shí)時(shí)跟蹤車輛。因此，我國(guó)在高速公路安全管理及監(jiān)控這一領(lǐng)域還存在較大的空白。多普勒效應(yīng)在近代科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。它可用于測(cè)量飛機(jī)時(shí)速、觀測(cè)人造衛(wèi)星運(yùn)行情況、確定星體運(yùn)行速度、測(cè)量視網(wǎng)膜血管內(nèi)血流速度等。最大多普勒頻移還是無線通信中用于優(yōu)化自適應(yīng)接收機(jī)的重要參數(shù)，導(dǎo)頻信道測(cè)量、切換判決和功率控制等自適應(yīng)優(yōu)化算法都依賴于對(duì)它的有效估計(jì)。

　　本文基于RFID 技術(shù)，通過對(duì)由車輛移動(dòng)所產(chǎn)生的多普勒頻移進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，提出一種高速公路車輛實(shí)時(shí)測(cè)速及定位方法。

　　2 算法模型

　　結(jié)合高速公路的實(shí)際情況，本模型采用無源、只讀射頻卡，由于本身不需要電源和電池，解決了高速公路無電源問題。同時(shí)，無源射頻卡不需要維護(hù)，且使用壽命很長(zhǎng)，節(jié)省了大量的人力資源。車載閱讀器通過發(fā)射激活信號(hào)并從無源應(yīng)答器中接收射頻信息來確定當(dāng)前位置。為取得較遠(yuǎn)的感應(yīng)距離，車載閱讀器應(yīng)工作在UHF 頻段內(nèi)，其識(shí)別距離可以達(dá)到十幾米，足以滿足當(dāng)前高速公路的設(shè)計(jì)要求。

　　2.1 射頻卡識(shí)別碼設(shè)置

　　將射頻卡等距設(shè)置在高速公路的隔離帶或左、右路肩處。每個(gè)無源射頻卡應(yīng)具有唯一的射頻識(shí)別碼，該射頻識(shí)別碼包括高速公路的識(shí)別號(hào)碼、車道數(shù)目以及路帶標(biāo)識(shí)（即表明所處位置為左右路肩或隔離帶），并依次設(shè)置順序號(hào)碼，以便能夠表征其地理位置及相應(yīng)順序。此外，在ID 號(hào)碼中還可以包含高速公路的相應(yīng)標(biāo)號(hào)、高速公路的車道數(shù)目等編碼。具體設(shè)置如圖1 所示。

　　圖1 射頻標(biāo)識(shí)碼設(shè)置

　　2.2 數(shù)學(xué)模型

　　由于定向天線通信距離遠(yuǎn)，覆蓋范圍小，目標(biāo)密度大，頻率利用率高且所受干擾小，因此將閱讀器天線設(shè)定為定向天線，只能接收來自路肩或隔離帶一側(cè)的射頻信號(hào)。圖2 給出了閱讀器接收來自路肩一側(cè)射頻卡信息的模型。車道及路肩之間用實(shí)線隔開，圓形代表車載閱讀器，矩形代表在路肩等距鋪設(shè)的射頻卡。設(shè)一車載閱讀器正沿著車道2 正向行駛。

　　某一時(shí)刻，接收到來自射頻卡1，2，…，N 的信號(hào)。圖中v 表示車輛行駛速度， 1 2 ， ， ， N θ θ ？？θ 為車輛相對(duì)射頻卡1，2，…，N 的徑向方向與車輛行駛方向的夾角，m 為兩射頻卡間的距離，m1，m2，…，mN 為射頻卡1，2，…，N 同車輛行駛方向法線間的距離，d 為車輛到射頻卡垂直距離，dr 為車道寬度，dl 為路肩寬度， 1 2 d ， d ， ， dN f f ？？ f 為車輛相對(duì)射頻卡1，2，…，N 的多普勒頻移。

　　圖2 數(shù)學(xué)模型

　　根據(jù)幾何關(guān)系，可以得到：

　　同時(shí)，在RFID 系統(tǒng)中，射頻卡本身不發(fā)射電磁波，只對(duì)來自閱讀器的電磁波進(jìn)行反射。因此，根據(jù)接收信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的多普勒頻偏fd 關(guān)系，還可得到：

　　聯(lián)立式（1）、式（2），可以得到2N 個(gè)方程，而未知數(shù)個(gè)數(shù)為2N+2 個(gè)。實(shí)際上，當(dāng)2 個(gè)射頻卡位于車輛行駛方向法線兩側(cè)時(shí)，其頻偏值必然為一正一負(fù)，因此，當(dāng)檢測(cè)到2 個(gè)標(biāo)識(shí)碼相鄰的射頻卡p 和射頻卡p+1、fdp 和fd（p+1）符號(hào)相反時(shí)，可知有：

　　此外，若設(shè)在閱讀器接收到第N 個(gè)射頻卡時(shí)開始執(zhí)行定位算法，則可近似認(rèn)為閱讀器與射頻卡N 之間的距離為最大通信距離R，有：

　　聯(lián)立式（1）、式（2），則可求得車輛行駛速度以及與N 個(gè)射頻卡的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛當(dāng)前位置的測(cè)定。在已知量中，m、R 是系統(tǒng)設(shè)定的，而N 個(gè)fd 值則需要進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)。因此，對(duì)fd 估計(jì)的準(zhǔn)確程度是實(shí)現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵。