CN101290221A - 脉冲式线激光道路断面车辙测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，包括具有投射光学系统和接收光学系统的激光三角测距结构，其特征在于：所述投射光学系统与脉冲式线激光器相连接，所述接收光学系统与面阵CCD相机连接。所述脉冲式线激光器为纳秒级脉冲绿光激光器。该测试仪器能够提高测量精度，并能够进行全天候测试，通过全新的实时处理软件系统，可以实时采集、处理、显示和存储测点位置、车速、车辙深度，为公路验收、养护提供准确的判断数据。

Description

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪

技术领域

本发明涉及道路检测仪器，特别是一种脉冲式线激光道路断面车辙测试仪。

背景技术

车辙是由于路面经汽车反复行驶产生流动变形、磨损、沉陷后，在车行道车轨迹上产生的纵向带状辙槽，车辙的出现不仅影响了路面的平整度、舒适度，而且危及行车安全。车辆在有车辙的路面上行驶，会降低行车舒适性和行车速度，在车辙超过10～13mm的情况下，高速行驶的车辆会因车辙积水而出现侧滑发生交通事故。因此沥青路面的车辙问题成为世界各国普遍关注的路面破损形式之一。据发达国家的资料，在高速公路上，车辙是路面实用性能降低、导致损坏进行维修的最主要原因，在日本等国，高速公路路面维修、罩面的原因中，车辙的比率高达80％以上。我国原来的养护规范并没有提出车辙的养护技术标准，由于车辙的问题日益突出，各级政府和公路管理部门现在越来越认识到对路面车辙的大小、分布情况进行快速准确检测的重要性。

当今路面车辙检测设备，多为共横梁快速横断面车辙仪，其大多采用非接触式高程计，以激光位移传感器和超声波位移传感器为主，数量由3个到30多个不等，通过横向分离多点测量路面高程形成断面曲线的方式测量路面最大车辙深度值，位移传感器数量越多，横向测点越密集，车辙检测可信度就越高，目前共横梁多高程计横断面车辙仪，技术发展比较成熟，为各国公路管理部门普遍采用，但仍然存在两方面的困惑，一是为了增加横向断面的连续测量，提高车辙测试的可信度，需要不断增大高程计的数量，那么价格也就倍增；二是为了实现横向全车道测量，高程计的安装横梁不得不向车体两侧伸出，在高速公路上严重影响正常交通，南京比奇公司研制的激光片光车辙断面检测技术，吸收了国外最新路面车辙测试技术经验，能够进行横向连续断面的测量，但由于在关键硬件技术方面未能突破，目前尚存在两方面的瓶颈，采用连续激光片光源，如果进行动态快速测量就会存在光学领域的模糊效应，遏制了测量的精度，连续发射式的激光源功率严重不足且难以提高，除了夜晚可以进行测试以外，白天几乎不能正常测试，另外整体设计方面，测试过程中不能对数据适时处理、计算和显示，只能是测试完毕之后用后处理软件进行分析计算，因此其实用性尚不能满足高效测试的需求。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷或不足，提供一种脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，该测试仪能够提高测量的精度，并能够进行全天候测试，通过全新的实时处理软件系统，可以实时采集、处理、显示和存储测点位置、车速、车辙深度，为公路验收、养护提供准确的判断数据。

本发明的技术构思为，通过在激光三角测距结构中设置脉冲式线激光器、面阵CCD相机，能够对道路断面车辙进行准确测量，并能够进行全天候测试，从而为公路验收、养护随时提供准确的判断数据。

本发明的技术方案如下：

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，包括具有投射光学系统和接收光学系统的激光三角测距结构，其特征在于：所述投射光学系统与脉冲式线激光器相连接，所述接受光学系统与面阵CCD相机相连接。

所述脉冲式线激光器为纳秒级脉冲滤光激光器。

所述接收光学系统为畸变、变F值的广角镜头，并在接收镜头中加入了窄带干涉滤光片。

所述面阵CCD相机通过图像采集卡连接数据处理上位机，该图像采集卡连接激光器驱动器。

所述图像采集卡是具有Cmeralink接口的PCI卡。

所述数据处理上位机PC机或工业控制计算机。

所述激光器驱动器具有脉冲半导体激光器驱动、温度控制、电光调制、以及系统监控装置。

所述面阵CCD相机是一种用于摄取运动物体图像的逐行扫描黑白相机。

所述投射光学系统具有超短焦距柱面镜。

本发明的技术效果如下：

由于本发明的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，根据三角测距的原理，采用脉冲激光线型投射、面阵CCD相机成像的方式，从而能够实现对公路剖面(车辙、凹坑、凸起等)进行实时、在线测量，为公路验收、养护提供准确的判断数据。

常规的CCD三角测量方法一般采用连续激光器投射，但由于受激光器功率的限制，即使在接受系统中加入窄带滤光片也无法保证野外阳光照射下进行测量；另外CCD是电荷积分器件，对高速运动目标拍摄必然会产生图像拖尾模糊。因此，常规的CCD三角测量方法无法适应车辙测量的实际工程要求。与现有技术想比，本发明脉冲式线激光道路断面车辙测试仪创新性地采用了纳秒级(ns级)脉冲滤光激光器作为线投射光源，配合同步超短快门CCD相机，从而通过时域滤波，将投射光源功率等效提高到几十W，极大地抑制了强阳光背景噪声，解决了全天候测量问题。同时，由于采用ns级脉冲绿光激光器作为线投射光源从根本上避免了CCD图像拖尾模糊问题，从而实现了高、低车速同样的测量的精度。

本发明脉冲式线激光道路断面车辙测试仪能够使横断面测试宽度达3.6米，横断面测试点数为1100点，其测试点数远远大于共横梁快速横断面测试宽度达3.6米，横断面测试点数为1100点，其测试点数远远大于共衡梁快速横断面车辙仪的3-30个点，从横向采样密集程度来说足够路面最大车辙深度的准确测量；全新的背景噪声抑制技术极大地抑制了强阳光背景噪声，解决了全天候测量问题。实时处理软件系统，实时采集、处理、显示和存储测点位置、车速、车辙深度。

附图说明

图1为激光三角测量(测距)结构原理示意图。

图2为本发明脉冲式线激光道路断面车辙测试仪结构示意图。

图3为脉冲绿光固定激光器的光路结构是示意图。

图4为触发扫描方式的触发脉冲和曝光时间时序图。

图5为京石高速公路(河北段)车辙深度值分布曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步的详细说明。

一、激光三角测量(测距)原理

激光三角测量，它是一种非接触测量位移的重要方法，广泛应用于三维轮廓、厚度、宽度及振动测量。如图1所示，激光器将激光束通过聚光透镜投射到被测物面(图中用a、o、b表示了三个高度点)形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像原理(图中表明了成像透镜L的位置)将收集到的漫反射光汇集到光接收器(图中表示的是线阵CCD)上形成像点(图中用对应的a′、o′、b′表示)。图中还表示了角度、距离等参数的符合。该接收器可为线阵CCD或面阵CCD。当入射光斑随被测物面移动时，成像点在光接收器上作相应移动，所以通过其三角关系，根据象移大小和传感器的结构参数可以确定被测物面的位移量。入射光斑如同接触测量的机械探针，可直观显示被测物面的实时位置。其结构如图1所示。

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪根据三角测距的原理，采用高亮度脉冲激光线型投射、高速高分辨率的面阵CCD相机成像的方式实现对公路剖面(车辙、凹坑、凸起等)进行实时、在线测量，为公路验收、养护提供准确的判断数据。

二、本发明脉冲式线激光道路断面车辙测试仪的结构功能描述

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪由脉冲式高能量线激光发生器，告诉CCD数字图像采集单元与数据处理上位机等部分组成。

如图2所示，其包含激光器驱动器、脉冲绿光固体激光器及其投射光学系统、接收光学系统、高速面阵CCD相机、PCI图像采集卡以及上位PC机等部分组成。

首先，激光器驱动器按照系统给定的同步信号以及设定的激光器泵浦参数驱动脉冲固体激光器使其输出符合系统要求的绿色激光脉冲，然后经投射光学系统后由高速面阵CCD相机成像，其中就携带公路表面起伏的信息。最后，经量化的原始数据由CCD相机传送给PCI图像采集卡由PC机进行数据分析处理，提取出公路起伏的数据，从而完成一次采用。随着脉冲式线激光道路断面车辙测试仪沿公路不断移动、采样，从而完成对整条公路的测量。

以下对构成部件进行描述：

1)、脉冲绿光固体激光器及其投射光学系统

采用二极管侧面泵浦、主动Q开关、腔外倍频技术将Nd:YAG激光器产生的1.064μm激光调谐到532nm波段，具有全固态、同步精度高、高效率、长寿命、体积小、高可靠性等特点，具体光路结构如图3所示：其中，M1是1064nm全反镜；M2是1.064μm高透输出镜；主动Q开关为KD^*P晶体。倍频为非临界相位匹配的KTP晶体。

本设备采用的二极管泵浦Nd:YAG源为多层叠的准连续LDbar，用半导体制冷器对LD和YAG棒实行温度控制，调整LD的发射波长位于Nd:YAG激光介质的最强吸收带(～808nm)。Nd:YAG晶体采用侧面抛光，使LD的发射光束经Nd:YAG聚焦后在棒截面内形成相对集中的分布，从而实现低阈值和高效的基摸运转，有利于倍频效率的提高。

为与高速相机曝光时间的严格同步，本系统采用了主动Q开关技术以精确控制激光脉冲输出的时间。另外采用主动Q开关技术可以进一步提高激光器输出光斑模式，从而提高倍频效率和阔束效果。在线激光投射方面，本系统采用光束压缩技术，同时选择超短焦距柱面镜实现了大于90度的大角度绿光投射。

激光器主要技术指标

项目	指标
		波长	532nm
脉冲能量	＞0.5mJ
		脉冲宽度	7～10ns
正常工作重频	＜30pps
		投射角度	＞90

2)、激光器驱动器

激光器驱动器具有脉冲半导体激光器驱动、TEC温度控制、电光调节以及系统监控等功能。在该系统中，分别采用了闭环恒流脉冲激光器驱动、高效PWM驱动的TEC恒温控制、高集成度的高压电光Q开关调制以及智能化的MCU中央控制系统，从而为激光器提供紧凑、高效、可靠的驱动。

MCU系统由MCU最小系统、RS232接口、时同接口以及AD、DA转换等几部分组成，通过嵌入软件可根据外部命令或内部存储参数对LD的电流、脉宽、温度、Q开关频率等进行控制，从而实现所需要重频激光脉冲输出。另外，MCU系统还对系统的关键参数进行实时检测，防止越限造成器件损坏。

LD温控部分包括温度检测、恒温控制以及TEC驱动几部分，通过热敏电阻监测LD的温度并与MCU设定温度进行比对，其误差信号经比例、积分、微分电路组成的恒温控制电路处理后送给PWM脉宽调制器，PWM脉宽调制器输出信号的占空比将随温度差值变化，该信号功率驱动后送给TEC半导体致冷器，从而实现LD的温度控制调节。同时，TEC的温度、电压等参数也送MCU系统，如果越限将关闭LD驱动，防止LD和TEC损坏。

LD脉冲驱动部分包括电流检测、恒流控制以及LD驱动几部分，其通过串接电流传感器监测LD的电流并与MCU设定的脉冲电压进行比对，其误差信号经电压，从而实现LD的脉冲电流闭环控制。同时，LD的电流、电压等参数也送给MCU系统，如果越限将关闭LD驱动，防止LD损坏。

高压电光Q开关驱动包括高压发生器以及脉冲调制器，其根据系统给定的同步信号产生一高压脉冲信号施加到KD^*P晶体，从而使激光器输出一个激光脉冲。

3)、接收光学系统

为了保证系统所需的检测路面宽度，必须采用广角接收镜头。但广角镜头一般存在较大的桶型失真，采用后续数字补偿和校正非常复杂和困难。经过多种方案对比试验，最后选择了低畸变、边F值的广角镜头。这样虽然造成了图像明暗差异，但很好地保证了图像的集合失真度，从而保证了全视场的测量精度。

另外为了抑制强阳光背景干扰，在接收镜头中加入了窄带干涉滤光片，很好地在频域抑制了背景噪声干扰。

4)、高速面阵CCD相机

本系统采用的CCD相机是一种为摄取运动物体图像而设计的高精度逐行扫描黑/白相机。CCD芯片为1/2英寸，具有方形排列像元，能获取高精度图像的光电传感器。严密设计的外触发CCD扫描方式和告诉可控曝光时间的结合，提供了可靠而稳定地获取精确时间段运动图像的方式。可以通过RS232C串行接口，由微机软件设定相机的工作模式、主时钟、亮度、对比度、r校正、曝光时间等参数。

本系统的相机工作在随机外触发扫描方式。在某一特定时刻，相机获得一外触发脉冲，表示电子曝光开始工作，曝光时间可以按需要设定，曝光结束后，输出端输出一完整帧图像，除了PLCK像元主时钟脉冲和行同步脉冲连续不断地产生外，相机又进入下一个外触发到来的等待。通过一系列的外触发脉冲，相机就能获得一系列特定时刻的视频图像。

外触发式扫描的行、场、曝光时序如图4所示：外触发脉冲经主时钟PLCK采样后形成与PLCK同步的内部触发信号，从外触发脉冲下降沿开始共50个主时钟脉冲，其中相机设置2个PLCK和像元清空时间48个PLCK。清空时间结束后像元开始曝光，曝光时间以行周期为单位，按设置值N行周期曝光，误差为负一行。曝光时间结束时，一场扫描开始，完整的一场视频信号包括1060行视频，其中1024行为有效视频输出行，帧同步头含三个行周期。

从上述相机在外触发状态下的工作过程可以看出，获取图像的开始时间，即电子曝光开始时间误差为1个PLCK像元主时钟的周期，在十秒之内。图4表示了触发扫描方式的触发脉冲和曝光时间时序。

CCD相机主要技术指标

黑白或彩色	黑/白
		扫描格式	逐行扫描
帧频范围	8～24Hz
		像元时钟范围	14～40MHz
CCD传感器	1/2
		CCD尺寸	7.6×6.2mm
像元大小	4.65×4.65μm
		有效视频像元数	1300×1024
灵敏度	0.201ux
		信噪比	＞50db
最大曝光时间	在外触发工作模式下＝3秒
		Gamma校正	0.45-1.0
同步方式	连续扫描/外触发扫描
		外触发输入	TTL
控制接口	RS232C串行接口
		由RS232控制的功能	扫描方式，曝光时间，帧频率，黑电平、增益、Gamma正等
镜头接口	“C”安装

5)PCI图像采集卡及PC机

本系统采用的图像采集卡是具有Gameralink接口的PCI卡，是严格安装PCI规范2.2(向下兼容)而设计的，能适应各种规格的Pentium主机系统。由于通过告诉PCI总线可以实现直接采集图像到主机系统内存，实现序列图像逐帧连续采集，进行序列图像处理的速度随CPU速度的不断提高而得到提高，使得对主机内存的图像进行并行实时处理成为可能。因此具有高精度、高速度、使用灵活等特点，非常适用于本项目的应用。

经CCD相机和采集卡获得的量化图像后，进行数值分析，特征提取，从而获得车辙的起伏分布信息进行存储、显示、统计分析等。

三、本发明脉冲式线激光道路断面车辙测试仪的技术特点

1)背景噪声控制

常规的CCD三角测量方法一般采用连续激光器投射，但由于受激光器功率的限制，即使在接收系统中加入窄带滤光片也无法保证野外阳光照射下进行测量；另外CCD是电荷积分器件，对高速运动目标拍摄必然会产生图像拖尾模糊。因此，常规的CCD三角测量方法无法适应车辙测量的实际工程要求。为了克服上述弊端，本系统创新性地采用了ns级脉冲绿光激光器作为线投射光源，配合同步超短快门CCD相机，从而通过时域滤波，将投射光源功率等效提高到几十W，极大地抑制了强阳光背景噪声，解决了全天候测量问题。同时，由于采用ns级绿光激光器作为线投射光源从根本上避免了CCD图像拖尾模糊问题，从而实现了高、低车素同样的测量的精度。

2)、大角度投射与接收

面阵CCD三角测量方案已经比单点线阵CCD测量方案有显著的技术优势。但为了更好地适应工程需要，进一步降低系统成本，本系统通过采用高功率、高光束质量的脉冲激光器实现了大角度线光源投射，通过采用变F值失真广角镜头实现了大角度接收，从而使一套设备具有了以往两套设备的测量能力。

3)、长寿命、免维护高重频激光器

半导体侧面泵浦脉冲激光器具有高效率、长寿命、全固态、免维护的特点，适应野外工程测量的实际需要。采用主动调Q技术，具有同步精确度高，光束质量好的特点，很好地满足了本系统的技术要求。

4)内存共享技术传递数据

从采集卡采集到的原始数据通过内存共享技术映射到计算机的一段连续的内存中，车辙计算程序运行后根据距离实时的从这段内存中读取数据，首先对数据进行了一次中值滤波，减小了噪声对信号的影响，然后根据ASTM测量车辙深度的标准，实时地计算并显示出最大车辙深度。

5)、采用数字信号滤波技术减小噪声的影响

在对激光信号进行标定的时候，对采集到的激光原始信号进行了两次中值滤波，减小了噪声对信号的影响，使参数标定的精度更高，测量得到的值更为准确。

四、优点或积极效果

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪运用上述新技术后，横断面测试宽度达3.6米，横断面测试点数达到1100点，完全抑制了强阳光背景噪声，实现全天候测量。功能齐全的实时处理软件系统，以等距离方式实时采集、处理、显示和存储测点位置、车速、车辙深度，完全满足高效测试的需要。

五、实验例

脉冲式线激光道路断面车辙测试仪在总装调试后，于2006年9月分别到内蒙、青海、甘肃及京石、机场高速公路等地进行实际道路测试，测试里程达四千公里，绝大部分测试数据已提交生产单位使用，效果良好。在整个试验过程中，仪器未出现较大鼓掌，因此设备的整机故障率是非常小的，设备的研制是成功的，运行是稳定的。

图5表示了京石告诉公路(河北段)车辙深度值分布曲线(mm)，具有一定的代表性。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，例如面阵CCD相机和激光器的选型，还可以有多种选择；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵概在本发明专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，包括具有投射光学系统和接收光学系统的激光三角测距结构，其特征在于：所述投射光学系统与脉冲式线激光器相连接，所述接收光学系统与面阵CCD相机相连接。

2.根据权利要求1所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述脉冲式线激光器为纳秒级脉冲绿光激光器。

3.根据权利要求1所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述接收光学系统为低畸变、变F值的广角镜头，并在接收镜头中加入了窄带干涉滤光片。

4.根据权利要求1所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述面阵CCD相机通过图像采集卡连接数据处理上位机，该图像采集卡连接激光器驱动器。

5.根据权利要求4所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述图像采集卡是具有Cameralink接口的PCI卡。

6.根据权利要求4所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述数据处理上位机为PC机或工业控制计算机。

7.根据权利要求4所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述激光器驱动器具有脉冲半导体激光器驱动、温度控制、电光调制、以及系统监控装置。

8.根据权利要求1所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述面阵CCD相机是一种用于摄取运动物体图像的逐行扫描黑白相机。

9.根据权利要求1所述的脉冲式线激光道路断面车辙测试仪，其特征在于：所述投射光学系统具有超短焦距柱面镜。

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