CN102221631B - 一种激光测速仪及激光测速方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光测速仪及激光测速方法，激光测速仪包括微处理单元，显示测速结果的显示单元、由微处理单元触发工作的激光发射单元，接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元，还包括由激光发射单元在发出信号的同时触发计时的计时单元以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元；所述计时单元的信号触发端与激光发射单元连接，计时单元的信号输出端连接微处理单元；所述回波边沿转换单元的信号输入端与激光接收单元连接，回波边沿转换单元的信号输出端连接计时单元的信号输入端。仪器结构简单、操作方便、成本低的，通过激光回波信号的处理结合高精度距离修正，实现激光测速的高精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于移动式或固定式车辆交通管理系统中的脉冲式激光测速仪及其激光测速方法，属于速度测量技术领域。
背景技术
在交通工程上，速度是计量与评估道路绩效和交通状况的基本重要数据之一。速度数据的搜集方法有许多种，包括人工测量固定距离行驶时间、压力皮管法、线圈法、影像处理法、雷达测速法与激光测速法等，其中后两者属于携带容易而且精确度高的方法，因此我国交通部门普遍使用微波雷达测速方法和激光测速法对车辆进行测速，但这种两种测速方法目前还存在诸多缺陷；雷达的发散角很大，在测量范围内有多辆车的情况下容易出现误判，而且近年来市场上出现了探测雷达微波的“电子狗”反侦测装置，它能提前提醒车主电子眼或测速雷达的存在，那么微波雷达测速就起不到应有的作用；中国国家知识产权局于1999-3-10公开了名为“一种斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪”的专利，利用斜波辅助测时方法提高测时和测距的精度，最终实现测速精度的提高；但由于斜波辅助测时通过模拟电路对电容充电实现，而模拟电路易受外界环境影响，故其稳定性欠佳；且由于激光回波信号会根据不同反射率目标而变化由此而产生测距误差，这一误差会严重影响测速精度，现有技术并未对其进行处理因而不能达到所谓的高精度测速。
发明内容
本发明所要解决的问题就是针对现有技术所存在的缺陷提供一种激光测速仪及激光测速方法，仪器结构简单、操作方便、成本低的，通过激光回波信号的处理结合高精度距离修正，实现激光测速的高精度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种激光测速仪，包括微处理单元、显示测速结果的显示单元、由微处理单元触发工作的激光发射单元、接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元，其特征在于：还包括由激光发射单元在发出信号的同时触发计时的计时单元以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元；所述计时单元的信号触发端与激光发射单元连接，计时单元的信号输出端连接微处理单元；所述回波边沿转换单元的信号输入端与激光接收单元连接，回波边沿转换单元的信号输出端连接计时单元的信号输入端。
进一步的，所述计时单元包括第一计时电路与第二计时电路，计时单元中设有信号输入端T1、信号输入端T2、信号触发端T3、信号输出端O1及信号输出端O2，其中信号输入端T1与信号输出端O1连接第一计时电路，信号输出端O2连接第二计时电路，信号输入端T2与信号触发端T3由第一计时电路与第二计时电路共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元，所述的信号输出端O1与信号输出端O2连接微处理单元。
进一步的，所述信号输出端O1与信号输出端O2均为四线制SPI接口。
进一步的，所述回波边沿转换单元包括第一比较电路、第二比较电路以及为第一比较电路、第二比较电路提供不同门限电压的门限电路；回波边沿转换单元中设有信号输入端T0、信号输出端O3、信号输出端O4，其中信号输入端T0通过门限电路分别连接第一比较电路与第二比较电路，信号输出端O3连接第一比较电路，信号输出端O4连接第二比较电路；所述信号输入端T0连接激光接收单元，所述信号输出端O3与计时单元中的信号输入端T1相连，信号输出端O4与计时单元中的信号输入端T2相连。
为解决上述技术问题，本发明还提出了一种激光测速方法，其特征在于包括如下步骤：
1）微处理单元输出信号触发激光发射单元发出激光脉冲信号；激光发射单元在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元开始计时；
2）激光接收单元接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元；
3）回波边沿转换单元将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元；
4）计时单元接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；
5）微处理单元从计时单元中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。
进一步的，所述回波边沿转换单元将激光回波信号进行处理的步骤包括：
1）设定n个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；n个目标物的标准距离设定为D01～D0n；回波边沿转换单元中设定门限电压V1与门限电压V2，且V2>V1；
2）向具有标准距离D0n标定的第n个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为V1时的目标距离D1n以及门限电压为V2时的目标距离D2n；D1n与D2n即为两个时间间隔所对应的两个距离值；
3）目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差设为ΔD，那么第n个目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差：ΔDn=D2n-D1n；
4）按照步骤2）、3）测量得出n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n；n个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21～D2n；n个目标物的目标距离差ΔD1～ΔDn；
其中，所述微处理单元对两个距离值进行修正的步骤为：以标准距离D01～D0n作为应变量，n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n作为自变量1，n个目标物的距离差ΔD1-ΔDn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0＇=m1×D1＇+m2×ΔD＇+b，并求出参数自变量1的修正系数m1，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值D0＇，D0＇即为修正距离值。
进一步的，微处理单元通过计时单元获得两个时间间隔后，利用公式S=Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值；其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元所记录的时间间隔。
本发明的有益效果：回波边沿转换单元对激光回波信号的处理、计时单元的高精度时间间隔测量结合微处理单元对数据信号的修正，最终通过微处理单元的计算可得到高精度的速度值，有效的提高了激光测速的精度与稳定性，而且结构简单，操作简便，符合产业的发展趋势，在车辆交通管理中具有广阔应用前景。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明激光测速仪的结构原理框图；
图2为计时单元的结构示意图；
图3为回波边沿转换单元的结构示意图；
图4为本发明激光测速仪对激光回波信号的处理与修正的流程图；
图5为本发明激光测速仪的测速流程图。
具体实施方式
参照图1-3，一种激光测速仪，包括微处理单元1，显示测速结果的显示单元2、由微处理单元1触发工作的激光发射单元3，接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元4，还包括由激光发射单元3在发出信号的同时触发计时的计时单元5以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元6；所述计时单元5的信号触发端与激光发射单元3连接，计时单元5的信号输出端连接微处理单元1；所述回波边沿转换单元6的信号输入端与激光接收单元4连接，回波边沿转换单元6的信号输出端连接计时单元5的信号输入端。
优选实施方案：计时单元5包括第一计时电路51与第二计时电路52，计时单元5中设有信号输入端T1、信号输入端T2、信号触发端T3、信号输出端O1及信号输出端O2，其中信号输入端T1与信号输出端O1连接第一计时电路51，信号输出端O2连接第二计时电路52，信号输入端T2与信号触发端T3由第一计时电路51与第二计时电路52共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元3，所述的信号输出端O1与信号输出端O2连接微处理单元1。其中的信号输出端O1与信号输出端O2均为四线制SPI接口。第一计时电路51与第二计时电路52中采用电路采用德国ACAM公司的TDC系列高精度时间间隔测量芯片作为计时元件。回波边沿转换单元6包括第一比较电路61、第二比较电路62以及为第一比较电路61、第二比较电路62提供不同门限电压的门限电路63；回波边沿转换单元6中设有信号输入端T0、信号输出端O3、信号输出端O4，其中信号输入端T0通过门限电路63分别连接第一比较电路61与第二比较电路62，信号输出端O3连接第一比较电路61，信号输出端O4连接第二比较电路62；所述信号输入端T0连接激光接收单元4，所述信号输出端O3与计时单元5中的信号输入端T1相连，信号输出端O4与计时单元5中的信号输入端T2相连。
参照图5，一种激光测速方法，包括如下步骤：
1）微处理单元1输出信号触发激光发射单元发出激光脉冲信号；激光发射单元3在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元5开始计时；
2）激光接收单元4接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元6；
3）回波边沿转换单元6将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元5；
4）计时单元5接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；
5）微处理单元1从计时单元5中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。
上述测速方法的一个具体操作实施例：
1）先设定激光发射单元3发出测速激光脉冲组数为n，脉冲发射频率为f，设定其中一组脉冲的粗略脉冲个数为a；利用回波边沿转换单元对激光回波信号的处理与微处理单元对距离值的修正方法测得a个脉冲所对应的修正值，设为S1～Sa；n取值范围为15～30，频率f≥200Hz，a的取值范围为5～10；
2）由公式V0=f×(Sa-S1)÷a计算目标速度V0；
3）根据目标速度V0确定其中一组脉冲的精确脉冲个数a1；
4）按脉冲发射频率f发射出一组测速激光脉冲，精确脉冲个数为a1，利用回波边沿转换单元对激光回波信号的处理与微处理单元对距离值的修正方法测得a1个脉冲所对应的修正值，设为S1＇～Sa1＇；
a1的取值范围为2～10，V0与a1关系如下：当V0≤25Km/h时，a1=10；当25Km/h<V0≤60Km/h时，a1＝5；当60Km/h<V0≤100Km/h时，a1＝3；当V0＞100Km/h，a1=2；
5）对S1′～Sa1′进行升序排列，取第（a1+1）/2整数个作为最终的距离值SL；
如a1=4，则取S1＇～S4＇中的第2个作为最终的距离值SL；若a1=7，则取S1＇～S7＇中的第4个作为最终的距离值SL；
6）按照步骤4）、步骤5）计算得出n组激光脉冲的距离值SL1～SLn；距离值SL1～SLn作为应变量，时间t1～tn为自变量（tn=n/f），进行一元线性回归建模：SL＇=Vt+B，求出初始距离参数B与斜率参数V，其中斜率参数V即为最终速度值，初始距离参数B不影响测速值，因此在实际的操作中可不做计算。
参照图4，本发明激光测速仪对激光回波信号的处理与修正的流程图：
1）设定n个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；n个目标物的标准距离设定为D01～D0n；设定第一比较电路61的门限电压为V1，第二比较电路62的门限电压为V2，V2>V1；
2）向具有标准距离D0n标定的第n个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为V1时的目标距离D1n以及门限电压为V2时的目标距离D2n；微处理单元1通过计时单元5获得两个时间间隔后，利用公式S=Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值，其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元5所记录的时间间隔；
3）目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差设为ΔD，那么第n个目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差：ΔDn=D2n-D1n；
4）按照步骤2）、3）测量得出n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n；n个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21～D2n；n个目标物的目标距离差ΔD1～ΔDn；
5）以标准距离D01～D0n作为应变量，n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n作为自变量1，n个目标物的距离差ΔD1-ΔDn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0＇=m1×D1＇+m2×ΔD＇+b，并求出参数自变量1的修正系数m1，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值D0＇，至于m1、m2、b系数的计算属于本领域技术人员的公知技术，因此不作详述。
参照表1（单位：米）为上述距离修正方法实施例的数据分析图：
表中选取了具有不同标准距离D0标定的16个目标物；其中标准距离为上述D01～D0n中的16个，实测距离为上述D11～D1n中对应的16个，距离差值为上述ΔD1～ΔDn中相应的16个。
修正1结果为不带距离差值的修正值，表中修正1误差最大为0.543米；
修正2结果为经本发明回波边沿转换单元6回波处理、微处理单元1修正后带距离差值的修正值D0＇，修正2误差最大仅为-0.085米，修正2结果与修正2误差之差为标准距离，修正2结果与修正1结果相比测距精度有了大幅提高，相应的测速精度也应此而提高。
表1
| 标准距离 | 实测距离 | 距离差值 | 修正1结果 | 修正1误差 | 修正2结果 | 修正2误差 |
| 28.273 | 29.22 | 0.42 | 28.529 | 0.256 | 28.336 | 0.063 |
| 28.275 | 28.73 | 0.17 | 28.042 | -0.233 | 28.190 | -0.085 |
| 28.275 | 29.1 | 0.36 | 28.410 | 0.135 | 28.299 | 0.024 |
| 28.275 | 28.88 | 0.22 | 28.191 | -0.084 | 28.271 | -0.004 |
| 33.349 | 34.39 | 0.48 | 33.667 | 0.318 | 33.419 | 0.070 |
| 33.327 | 33.83 | 0.2 | 33.110 | -0.217 | 33.244 | -0.083 |
| 33.327 | 34.02 | 0.26 | 33.299 | -0.028 | 33.352 | 0.025 |
| 33.327 | 33.94 | 0.24 | 33.220 | -0.107 | 33.299 | -0.028 |
| 111.942 | 113.7 | 1.05 | 112.485 | 0.543 | 111.873 | -0.069 |
| 111.942 | 113.54 | 0.88 | 112.326 | 0.384 | 111.947 | 0.005 |
| 111.915 | 112.69 | 0.3 | 111.481 | -0.434 | 111.896 | -0.019 |
| 111.915 | 112.86 | 0.36 | 111.650 | -0.265 | 111.983 | 0.068 |
| 115.516 | 117.01 | 0.76 | 115.775 | 0.259 | 115.579 | 0.063 |
| 115.516 | 117.13 | 0.92 | 115.894 | 0.378 | 115.479 | -0.037 |
| 115.501 | 116.32 | 0.3 | 115.089 | -0.412 | 115.523 | 0.022 |
| 115.501 | 116.31 | 0.32 | 115.079 | -0.422 | 115.485 | -0.016 |
上述实施例仅为本发明的优选实施方案，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (7)
1.一种激光测速仪，包括微处理单元（1）、显示测速结果的显示单元（2）、由微处理单元（1）触发工作的激光发射单元（3）、接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元（4），其特征在于：还包括由激光发射单元（3）在发出信号的同时触发计时的计时单元（5）以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元（6）；所述计时单元（5）的信号触发端与激光发射单元（3）连接，计时单元（5）的信号输出端连接微处理单元（1）；所述回波边沿转换单元（6）的信号输入端与激光接收单元（4）连接，回波边沿转换单元（6）的信号输出端连接计时单元（5）的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种激光测速仪，其特征在于：所述计时单元（5）包括第一计时电路（51）与第二计时电路（52），计时单元（5）中设有信号输入端T1、信号输入端T2、信号触发端T3、信号输出端O1及信号输出端O2，其中信号输入端T1与信号输出端O1连接第一计时电路（51），信号输出端O2连接第二计时电路（52），信号输入端T2与信号触发端T3由第一计时电路（51）与第二计时电路（52）共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元（3），所述的信号输出端O1与信号输出端O2连接微处理单元（1）。
3.根据权利要求2所述的一种激光测速仪，其特征在于：所述信号输出端O1与信号输出端O2均为四线制SPI接口。
4.根据权利要求2所述的一种激光测速仪，其特征在于：所述回波边沿转换单元（6）包括第一比较电路（61）、第二比较电路（62）以及为第一比较电路（61）、第二比较电路（62）提供不同门限电压的门限电路（63）；回波边沿转换单元（6）中设有信号输入端T0、信号输出端O3、信号输出端O4，其中信号输入端T0通过门限电路（63）分别连接第一比较电路（61）与第二比较电路（62），信号输出端O3连接第一比较电路（61），信号输出端O4连接第二比较电路（62）；所述信号输入端T0连接激光接收单元（4），所述信号输出端O3与计时单元（5）中的信号输入端T1相连，信号输出端O4与计时单元（5）中的信号输入端T2相连。
5.一种激光测速方法，其特征在于包括如下步骤：
1）微处理单元（1）输出信号触发激光发射单元（3）发出激光脉冲信号；激光发射单元（3）在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元（5）开始计时；
2）激光接收单元（4）接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元（6）；
3）回波边沿转换单元（6）将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元（5）；
4）计时单元（5）接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；
5）微处理单元（1）从计时单元（5）中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。
6.根据权利要求5所述的一种激光测速方法，其特征在于：所述回波边沿转换单元（6）将激光回波信号进行处理的步骤包括：
1）设定n个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；n个目标物的标准距离设定为D01～D0n；回波边沿转换单元（6）中设定门限电压V1与门限电压V2，V2>V1；
2）向具有标准距离D0n标定的第n个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为V1时的目标距离D1n以及门限电压为V2时的目标距离D2n；D1n与D2n即为两个时间间隔所对应的两个距离值；
3）目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差设为ΔD，那么第n个目标物在门限电压V1与门限电压V2时的目标距离差：ΔDn=D2n-D1n；
4）按照步骤2）、3）测量得出n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n；n个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21～D2n；n个目标物的目标距离差ΔD1～ΔDn；
其中，所述微处理单元（1）对两个距离值进行修正的步骤为：以标准距离D01～D0n作为应变量，n个目标物在门限电压为V1时的目标距离D11～D1n作为自变量1，n个目标物的距离差ΔD1-ΔDn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0＇=m1×D1＇+m2×ΔD＇+b，并求出参数自变量1的修正系数m1，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值D0＇，D0＇即为修正距离值。
7.根据权利要求6所述的一种激光测速方法，其特征在于：微处理单元（1）通过计时单元（5）获得两个时间间隔后，利用公式S=Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值；其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元（5）所记录的时间间隔。
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