基于星载合成孔径雷达的交通流量检测

石臣鹏，邓 欢，欧居尚，高 阳

（1.四川警察学院 四川泸州 646000；2.泸州医学院 四川泸州 646000；3.中国科学院 北京100190）

基于星载合成孔径雷达的交通流量检测

石臣鹏1，邓 欢2，欧居尚1，高 阳3

（1.四川警察学院 四川泸州 646000；2.泸州医学院 四川泸州 646000；3.中国科学院 北京100190）

交通流量检测是道路交通管理的重要环节，传统的检测手段易受周围环境等诸多限制，而星载合成孔径雷达可在恶劣气候环境中全天时、全天侯工作。根据星载合成孔径雷达的基本原理和动目标检测技术，采用顺轨干涉和相位中心偏置天线相结合的方法及流程进行检测，通过对两组检测结果比较分析可得到较精确交通流量检测数据。结合对国内外应用该交通流量检测技术的分析，可以提出其在大范围交通流量的监控、交通优化和预测等方面的发展趋势。

星载合成孔径雷达；交通流量检测；检测方法；发展趋势

交通流量检测是交通监控系统的重要组成部分，可为管理者在交通控制、交通管理、交通规划、路网建设等方面提供及时有效的数据[1]。目前交通流量检测技术主要有：感应线圈车流量检测、超声波检测技术、红外检测技术、激光雷达检测法和视频检测技术等。合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR）是一种主动式微波成像传感器，它通过发射大带宽信号，利用合成孔径技术，实现对地表的高分辨率成像[2]。作为一种主动的航天、航空遥感手段，合成孔径雷达具有全天时、全天候的工作能力，不受天气情况和光照的影响。自从该技术出现以来已经在军事侦察，环境监测，灾害评估，地质测绘等领域获得了广泛的应用，已成为高分辨率对地观测的重要手段之一[3][4]。其中星载SAR更以其对全球数据的快速获得能力和在各种恶劣环境下监测的方便性等优势获得了各国的广泛重视，并成为遥感领域未来的重要发展方向[5]。

近些年来，借助SAR在运动目标检测方面的能力，利用星载SAR对交通流量进行检测得到了越来越多的关注。传统检测设备受到分布区域，测量方式，周围环境等诸多限制，如光学传感器就对光照和大气能见度有着较高的依赖等。而星载SAR则不受这些条件的约束，相对于传统交通检测传感器而言，其观测能力不受光照和天气的影响。沙尘暴，雾霾和雨雪天气下，它均可以正常工作[6]。另外星载SAR较短的数据获取时间，较广的区域覆盖能力等优势，也使其成为交通流量检测的一个重要补充方法。国际上首个利用星载SAR进行交通流量监测的处理系统，已由德国宇航中心实现，并成功进行了多次试验[7][8]。该系统利用2007年发射的TerraSAR-X卫星来获取对地面的观测数据。TerraSAR-X卫星具有300MHz的发射带宽，能够得到地面1m*1m分辨率的图像，可以实现对卡车和家用轿车的检测。

一、星载合成孔径雷达检测

（一）基本原理。

星载SAR的工作原理为：装载在卫星上的合成孔径雷达对地面发射雷达信号、接收地面目标散射回来的回波信号，经放大、变换后变成数字信号，该数字信号由数据传输设备传送到地面；地面接收数据后、经预处理和成像处理得到雷达图像[9]。

SAR卫星在发射场由运载工具送入太空后，经轨道调整、调姿、在轨测试后投入运行。在轨运行的星载SAR系统按其工作期间所处的位置可分为：卫星系统、地面数据接收及处理系统、地面测控系统，图1所示为星载SAR系统组成示意图[10]。

图1 星载SAR系统组成示意图

（二）动目标信号特性。

相对于地面静止场景来说，车辆的运动会造成多普勒中心和多普勒调频率的偏移，在图像中表现为方位向位置的偏移和散焦的现象。在实践中，可利用GIS数据获得道路的分布和走向等信息。根据道路走向，可确定车辆运动方向，进而完成交通流检测。假设道路方向矢量为G，斜距矢量为R，车辆速度为υ，方位向采样率为prf，雷达波长为γ，地面波束速度为υγ，则：

对于利用双天线结构获取的数据来说，由于两幅数据获取存在短暂的时间差，在此时间中，目标点的运动会引入额外的干涉相位分量。假设两个通道之间的基线长度为，则：

在实际应用中，将卫星的相控阵天线沿着轨道方向分为两个子天线（即两个通道）来进行接收，这样就可以获得同一区域的两组回波数据。由于获得这两组数据存在一定的时间间隔，目标在距离向的运动短时间内就会使其在两个通道的图像中形成相位差，这样利用动目标检测技术就可以实现对车辆的监测和速度估计。

二、星载合成孔径雷达交通流量检测分析

（一）运动车辆检测方法。

对运动车辆检测可以采取顺轨干涉方法和相位中心偏置天线方法。

1．顺轨干涉方法。该方法利用两个通道数据产生的干涉相位来进行处理。具体处理方法为：对经过配准的两幅图像进行差分相位求解，这可以通过共轭相乘来实现，即：。由于对静止地面的干涉相位来说，其值近似为0，而含有动目标的区域由于运动会带来额外干涉相位。所以通过对干涉相位的检测，就可以对动目标数量和所在区域进行确定。

需要说明的是，由于目标具有一定的体积以及运动会引起散焦现象，动目标在图像中将会表现为一定的区域而不是单个独立点。检测出动目标后，选取目标最强点来进行动目标的参数分析，联立（2）式和（4）式，可以通过 来求出该车辆的方位向偏移量。另外通过求解（4）式和（1）式，可得到对该目标速度的估计值。

2．相位中心偏置天线方法。该方法利用得到的两幅复数数据图像进行差分来进行目标检测。对于静止目标来说，两个通道获取的数据值基本一致，其差分结果将近似为0。而在含有动目标的区域，由于目标移动会带来相位偏移，所以其差分值为：。由于静止目标经过差分计算后剩余量主要表现为噪声，所以利用基于高斯噪声模型下的目标检测理论，就可以对动目标进行检测。检测出动目标后，同样选取目标最强点来进行动目标的参数分析，由于道路位置已知，所以根据目标被检测出来的位置，就可以得到该车辆出现位置的偏移。进而通过对（2）式和（1）式求解便可以得到对该目标的运动速度的估计值 。

（二）检测流程。

考虑到实际数据中存在噪声的影响，利用顺轨干涉方法和相位中心偏置天线方法求解出的运动参数均存在一定的误差，所以可把两者求解出来的数据进行对比分析，选取估计值较为相近的目标作为有效检测目标。结合两种方法的估计值，确定一个较为精确的结果，使之能有效地进行车辆速度估计和实际位置定位。通过两种方法的结合使用，不仅可以有效降低由于地面噪声引起的虚警的出现，而且也大大提高了对目标速度的估计精度。综上，检测流程如图2所示。

图2 交通流量检测流程图

三、基于星载孔径雷达的交通流量检测应用及发展趋势

（一）国内外应用情况。

SAR已被广泛应用于军事和民生领域，是实现空间军事侦察、自然资源普查、自然灾害监测等的重要技术手段。由于星载SAR具有全球高分辨率成像的能力，因此从1978年美国发射第1颗合成孔径雷达卫星SEASAT开始，很多国家都陆续开展星载SAR研究。虽然我国在星载SAR技术领域起步较晚，但是经过 20多年的努力，在该领域也取得了重大技术突破，缩短了与世界先进国家的差距。在“十二五”期间，星载SAR技术的研究与应用是我国对地观测领域重点发展的方向，我国的第一颗民用星载SAR对地观测系统HJ-1-C已于2012年发射，并已成功在轨运行。

图3 德国某高速公路交通流量检测结果

图3所示为2007年7月13日在德国的一条高速公路上的交通流量检测结果，右下角图像展示通过地面摄像头记录下的车流量信息。图中，基于星载SAR数据的交通检测共检出了110辆车辆。在该高速公路上，卡车和小型货车占了绝大多数。通过对比可以发现雷达检测结果虽然有些漏检，但是仍可以很好地对实际交通状况进行充分的反应。在一系列的测试实验中，该系统对卡车达到了约85%的检测，速度检测值的均方误差为3km/h[11]。

绝大多数的交通数据获取要求在几十分钟之内完成，以用来进行交通的实时监控和管理。为了在可接受的时间内完成对路况足够精度的估计，对SAR数据的高效处理和估计是一个重大的挑战。虽然SAR信号处理具有数据量大，运算时间长等劣势，但由于选用了较为简单的动目标检测和估计方法，所以该检测仍可以较快地实现。在德国宇航中心DLR的处理实验中，其在20分钟内完成了对双通道条带模式下约17Km*30Km的场景的车流量检测（包含数据下传、成像处理、车辆监测和运动参数估计等步骤），从而基本可以实现准实时的数据获取和分析。

（二）发展趋势。

星载SAR可全天时、全天侯工作，它在不同频段、不同极化下可以得到高分辨率图像，为人们提供非常有用的信息。发展基于星载SAR的交通流量检测主要体现在以下几个方面：第一，对地面迅速实现大范围交通流量的监控，同时对于没有安装传统交通流量检测系统的道路或者在无法获得当地地面流量监测数据的情况下，依然可以获得实时的路况信息。第二，由于该技术拥有对地面的成像能力，所以也可以对地面道路的灾害损毁进行有效地检测。例如汶川地震中在人员无法进入的情况下，利用该系统就可以对当地的道路状况进行一个有效地评估。第三，利用该检测数据进行常年的积累，可以对道路交通的优化和交通预测起到重要的指导性作用。对于非实时的数据分析来说，由于处理时间不再是一个关键要求，可以利用更高精度的车辆提取和估计方法，以达到更高的处理精度。第四，实现对道路交通状况的实时监控，这可以利用多颗卫星形成卫星星座来缩短对地面的重访时间来实现。

随着星载SAR技术的不断进步和各国更多的SAR卫星的投入使用，基于星载SAR系统的道路交通流量检测必将获得广泛的应用。

[1]崔士奎,高雪峰,等.ARM与Linux在交通流量检测中的应用[J].机械设计与制造,2012（4）:94-96.

[2]Curlander J.C.,and Rober N.M cDonough.Synthetic Aperture Radar Systems and Signal Processing[M].John W iley&Sons1991.

[3]Cumm ing I.G.,and W ong F.H.Digital Processing of Synthetic Apterture Radar Data:Algorithms and Implementation[M].Norwood,MA:Artech House,2005.

[4]Margarita G,Malloriqui J.J,,and Pipia L.Polarimetric characterization and temporal stability analysis of urban target scattering[J]IEEE transactionson Geoscience and Remote Sensing2010,48(4):2038-2048.

[5]邓云凯，赵凤军，王 宇.星载SAR技术的发展趋势及应用浅析[J].雷达学报，2012，1（1）∶1-10.

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[7]Franz Meyer,and Stefan Hinz,the Feasibility of Traffic Monitoring w ith TerraSAR-X ╞ Analyses and Consequences,,2004:1502-1505.

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[9]魏钟铨.合成孔径雷达卫星[M].北京∶科学出版社,2001.

[10]周志鑫.星载合成孔径雷达的应用及发展研究[C].中国电子学会第七届学术年会论文集，2001.

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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

（责任编辑：赖方中）

四川省科技计划支撑项目（2013GZ0001）；四川警察学院科研项目（SCJYGH0014）；四川省公安厅科研项目（公科信发[2013]141号）

2014-09-28

石臣鹏（1980- ），男，河北保定人，四川警察学院副教授，研究方向：交通安全、驾驶行为。邓 欢（1982- ），女，四川泸州人，泸州医学院讲师，研究方向：计算机应用。