基于星載合成孔徑雷達的交通流量檢測

石臣鵬，鄧 歡，歐居尚，高 陽

（1.四川警察學院 四川瀘州 646000；2.瀘州醫學院 四川瀘州 646000；3.中國科學院 北京100190）

基于星載合成孔徑雷達的交通流量檢測

石臣鵬1，鄧 歡2，歐居尚1，高 陽3

（1.四川警察學院 四川瀘州 646000；2.瀘州醫學院 四川瀘州 646000；3.中國科學院 北京100190）

交通流量檢測是道路交通管理的重要環節，傳統的檢測手段易受周圍環境等諸多限制，而星載合成孔徑雷達可在惡劣氣候環境中全天時、全天侯工作。根據星載合成孔徑雷達的基本原理和動目標檢測技術，采用順軌干涉和相位中心偏置天線相結合的方法及流程進行檢測，通過對兩組檢測結果比較分析可得到較精確交通流量檢測數據。結合對國內外應用該交通流量檢測技術的分析，可以提出其在大范圍交通流量的監控、交通優化和預測等方面的發展趨勢。

星載合成孔徑雷達；交通流量檢測；檢測方法；發展趨勢

交通流量檢測是交通監控系統的重要組成部分，可為管理者在交通控制、交通管理、交通規劃、路網建設等方面提供及時有效的數據[1]。目前交通流量檢測技術主要有：感應線圈車流量檢測、超聲波檢測技術、紅外檢測技術、激光雷達檢測法和視頻檢測技術等。合成孔徑雷達（synthetic aperture radar，SAR）是一種主動式微波成像傳感器，它通過發射大帶寬信號，利用合成孔徑技術，實現對地表的高分辨率成像[2]。作為一種主動的航天、航空遙感手段，合成孔徑雷達具有全天時、全天候的工作能力，不受天氣情況和光照的影響。自從該技術出現以來已經在軍事偵察，環境監測，災害評估，地質測繪等領域獲得了廣泛的應用，已成為高分辨率對地觀測的重要手段之一[3][4]。其中星載SAR更以其對全球數據的快速獲得能力和在各種惡劣環境下監測的方便性等優勢獲得了各國的廣泛重視，并成為遙感領域未來的重要發展方向[5]。

近些年來，借助SAR在運動目標檢測方面的能力，利用星載SAR對交通流量進行檢測得到了越來越多的關注。傳統檢測設備受到分布區域，測量方式，周圍環境等諸多限制，如光學傳感器就對光照和大氣能見度有著較高的依賴等。而星載SAR則不受這些條件的約束，相對于傳統交通檢測傳感器而言，其觀測能力不受光照和天氣的影響。沙塵暴，霧霾和雨雪天氣下，它均可以正常工作[6]。另外星載SAR較短的數據獲取時間，較廣的區域覆蓋能力等優勢，也使其成為交通流量檢測的一個重要補充方法。國際上首個利用星載SAR進行交通流量監測的處理系統，已由德國宇航中心實現，并成功進行了多次試驗[7][8]。該系統利用2007年發射的TerraSAR-X衛星來獲取對地面的觀測數據。TerraSAR-X衛星具有300MHz的發射帶寬，能夠得到地面1m*1m分辨率的圖像，可以實現對卡車和家用轎車的檢測。

一、星載合成孔徑雷達檢測

（一）基本原理。

星載SAR的工作原理為：裝載在衛星上的合成孔徑雷達對地面發射雷達信號、接收地面目標散射回來的回波信號，經放大、變換后變成數字信號，該數字信號由數據傳輸設備傳送到地面；地面接收數據后、經預處理和成像處理得到雷達圖像[9]。

SAR衛星在發射場由運載工具送入太空后，經軌道調整、調姿、在軌測試后投入運行。在軌運行的星載SAR系統按其工作期間所處的位置可分為：衛星系統、地面數據接收及處理系統、地面測控系統，圖1所示為星載SAR系統組成示意圖[10]。

圖1 星載SAR系統組成示意圖

（二）動目標信號特性。

相對于地面靜止場景來說，車輛的運動會造成多普勒中心和多普勒調頻率的偏移，在圖像中表現為方位向位置的偏移和散焦的現象。在實踐中，可利用GIS數據獲得道路的分布和走向等信息。根據道路走向，可確定車輛運動方向，進而完成交通流檢測。假設道路方向矢量為G，斜距矢量為R，車輛速度為υ，方位向采樣率為prf，雷達波長為γ，地面波束速度為υγ，則：

對于利用雙天線結構獲取的數據來說，由于兩幅數據獲取存在短暫的時間差，在此時間中，目標點的運動會引入額外的干涉相位分量。假設兩個通道之間的基線長度為，則：

在實際應用中，將衛星的相控陣天線沿著軌道方向分為兩個子天線（即兩個通道）來進行接收，這樣就可以獲得同一區域的兩組回波數據。由于獲得這兩組數據存在一定的時間間隔，目標在距離向的運動短時間內就會使其在兩個通道的圖像中形成相位差，這樣利用動目標檢測技術就可以實現對車輛的監測和速度估計。

二、星載合成孔徑雷達交通流量檢測分析

（一）運動車輛檢測方法。

對運動車輛檢測可以采取順軌干涉方法和相位中心偏置天線方法。

1．順軌干涉方法。該方法利用兩個通道數據產生的干涉相位來進行處理。具體處理方法為：對經過配準的兩幅圖像進行差分相位求解，這可以通過共軛相乘來實現，即：。由于對靜止地面的干涉相位來說，其值近似為0，而含有動目標的區域由于運動會帶來額外干涉相位。所以通過對干涉相位的檢測，就可以對動目標數量和所在區域進行確定。

需要說明的是，由于目標具有一定的體積以及運動會引起散焦現象，動目標在圖像中將會表現為一定的區域而不是單個獨立點。檢測出動目標后，選取目標最強點來進行動目標的參數分析，聯立（2）式和（4）式，可以通過 來求出該車輛的方位向偏移量。另外通過求解（4）式和（1）式，可得到對該目標速度的估計值。

2．相位中心偏置天線方法。該方法利用得到的兩幅復數數據圖像進行差分來進行目標檢測。對于靜止目標來說，兩個通道獲取的數據值基本一致，其差分結果將近似為0。而在含有動目標的區域，由于目標移動會帶來相位偏移，所以其差分值為：。由于靜止目標經過差分計算后剩余量主要表現為噪聲，所以利用基于高斯噪聲模型下的目標檢測理論，就可以對動目標進行檢測。檢測出動目標后，同樣選取目標最強點來進行動目標的參數分析，由于道路位置已知，所以根據目標被檢測出來的位置，就可以得到該車輛出現位置的偏移。進而通過對（2）式和（1）式求解便可以得到對該目標的運動速度的估計值 。

（二）檢測流程。

考慮到實際數據中存在噪聲的影響，利用順軌干涉方法和相位中心偏置天線方法求解出的運動參數均存在一定的誤差，所以可把兩者求解出來的數據進行對比分析，選取估計值較為相近的目標作為有效檢測目標。結合兩種方法的估計值，確定一個較為精確的結果，使之能有效地進行車輛速度估計和實際位置定位。通過兩種方法的結合使用，不僅可以有效降低由于地面噪聲引起的虛警的出現，而且也大大提高了對目標速度的估計精度。綜上，檢測流程如圖2所示。

圖2 交通流量檢測流程圖

三、基于星載孔徑雷達的交通流量檢測應用及發展趨勢

（一）國內外應用情況。

SAR已被廣泛應用于軍事和民生領域，是實現空間軍事偵察、自然資源普查、自然災害監測等的重要技術手段。由于星載SAR具有全球高分辨率成像的能力，因此從1978年美國發射第1顆合成孔徑雷達衛星SEASAT開始，很多國家都陸續開展星載SAR研究。雖然我國在星載SAR技術領域起步較晚，但是經過 20多年的努力，在該領域也取得了重大技術突破，縮短了與世界先進國家的差距。在“十二五”期間，星載SAR技術的研究與應用是我國對地觀測領域重點發展的方向，我國的第一顆民用星載SAR對地觀測系統HJ-1-C已于2012年發射，并已成功在軌運行。

圖3 德國某高速公路交通流量檢測結果

圖3所示為2007年7月13日在德國的一條高速公路上的交通流量檢測結果，右下角圖像展示通過地面攝像頭記錄下的車流量信息。圖中，基于星載SAR數據的交通檢測共檢出了110輛車輛。在該高速公路上，卡車和小型貨車占了絕大多數。通過對比可以發現雷達檢測結果雖然有些漏檢，但是仍可以很好地對實際交通狀況進行充分的反應。在一系列的測試實驗中，該系統對卡車達到了約85%的檢測，速度檢測值的均方誤差為3km/h[11]。

絕大多數的交通數據獲取要求在幾十分鐘之內完成，以用來進行交通的實時監控和管理。為了在可接受的時間內完成對路況足夠精度的估計，對SAR數據的高效處理和估計是一個重大的挑戰。雖然SAR信號處理具有數據量大，運算時間長等劣勢，但由于選用了較為簡單的動目標檢測和估計方法，所以該檢測仍可以較快地實現。在德國宇航中心DLR的處理實驗中，其在20分鐘內完成了對雙通道條帶模式下約17Km*30Km的場景的車流量檢測（包含數據下傳、成像處理、車輛監測和運動參數估計等步驟），從而基本可以實現準實時的數據獲取和分析。

（二）發展趨勢。

星載SAR可全天時、全天侯工作，它在不同頻段、不同極化下可以得到高分辨率圖像，為人們提供非常有用的信息。發展基于星載SAR的交通流量檢測主要體現在以下幾個方面：第一，對地面迅速實現大范圍交通流量的監控，同時對于沒有安裝傳統交通流量檢測系統的道路或者在無法獲得當地地面流量監測數據的情況下，依然可以獲得實時的路況信息。第二，由于該技術擁有對地面的成像能力，所以也可以對地面道路的災害損毀進行有效地檢測。例如汶川地震中在人員無法進入的情況下，利用該系統就可以對當地的道路狀況進行一個有效地評估。第三，利用該檢測數據進行常年的積累，可以對道路交通的優化和交通預測起到重要的指導性作用。對于非實時的數據分析來說，由于處理時間不再是一個關鍵要求，可以利用更高精度的車輛提取和估計方法，以達到更高的處理精度。第四，實現對道路交通狀況的實時監控，這可以利用多顆衛星形成衛星星座來縮短對地面的重訪時間來實現。

隨著星載SAR技術的不斷進步和各國更多的SAR衛星的投入使用，基于星載SAR系統的道路交通流量檢測必將獲得廣泛的應用。

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On Traffic Flow Detection Basing on Satellite-borne Synthetic Aperture Radar

SHIChen-Peng,DENG Huan,OU Jun-Sang,GAO Yang

The traf fic flow detection is important in the road traffic management.The traditional detection methods are restricted easily by the surrounding environment,but the detection through the satellite-borne synthetic aperture radar can be made in bad weather conditions and in 24 hours a day. According to its basic principle and the targeted detection technology,we can adopt the method and testing process using the suitable track interference and DPCA so as to obtain more accurate traffic flow detection data by analyzing the comparison between two groups of testing.This paper puts forward its trend of development in monitoring a wide range of traffic flow,traffic optimization and forecasting basing on the application of the traffic flow detection technology athome and abroad.

Satellite-borne Synthetic Aperture Radar;Traffic Flow Detection;Detection Method; Development Trend

U11

：A

：1674-5612（2015）01-0070-05

（責任編輯：賴方中）

四川省科技計劃支撐項目（2013GZ0001）；四川警察學院科研項目（SCJYGH0014）；四川省公安廳科研項目（公科信發[2013]141號）

2014-09-28

石臣鵬（1980- ），男，河北保定人，四川警察學院副教授，研究方向：交通安全、駕駛行為。鄧 歡（1982- ），女，四川瀘州人，瀘州醫學院講師，研究方向：計算機應用。