CN104751643B - 一种激光大光斑的精确测速方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光大光斑的精确测速方法和系统，用于车辆测速，该方法包括以下步骤：控制激光传感器往车辆运动路线上发出脉冲激光，使脉冲激光在无车辆时的运动路线上形成直径1米以上的光斑；监测车头驶入光斑和在光斑中移动情况，使脉冲激光斜打在车头上，测出车头在光斑中移动的时间段内每个时间点的激光返回距离值Ln，形成车头距离‑时间脉冲波形图；根据所述车头距离‑时间脉冲波形图以及激光传感器位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。上述方法采用大光斑激光测速，可确保激光打到车辆上是同一个位置，算出的行车距离更精准，测速值更准确，测速操作简单快捷，测试结果准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及激光测控技术领域，具体涉及一种激光大光斑的精确测速方法和系统。
背景技术
超速行驶被称之为道路交通的第一杀手，其危害远远超过其他交通违法行为。由于超速行驶的严重危害性，世界各国都通过不同形式的立法严禁超速行驶，采取各种有效手段努力控制超速行驶，并对其施以重罚，以期减少因超速而引发的交通事故。但由于车辆行驶的不规则性，测量方式方法的局限性导致测量精度不够准确，执法部门需要根据各自的实际情况，选择合适测速设备，以达到最好的测速效果。
车辆测速方式目前有地感线圈测速、雷达测速、视频测速、激光测速四种测速方法。
地感线圈测速：线圈施工的过程对可靠性和寿命影响很大，需要对路面进行切割，影响路面寿命。在线圈安装和修复时需要中断交通，地感线圈易被重型车辆、路面修理等损坏。另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作量比较大的，一般使用2-3年就需要更换线圈，实际维修养护费用高于其它测速设备。
雷达测速：系统不能同时检测多个车道的多个车辆，和车牌识别的配合较为困难，系统捕获率较低。由于夹角问题，系统安装要求较高。两辆车并行时，无法判断是哪辆车超速。
视频测速：测速精度误差比较大，测速本身容易受到车辆遮挡、树荫、车辆自身的阴影、散落物以及各种不良天气的影响。测速的稳定性需要进一步加强，同时夜晚需要强光补光，否则测速精度差距就会更大。
激光测速：检测精度高、测量范围大、检测时间短：车辆捕获率达到99%以上，车辆触发位置精度可达±0.25m，测速误差±3Km/h；非机械接触测量，避免了车辆轮轴挤压而造成的线材损伤，也保证了传感器的精度。
相比其他测速方式，激光测速最大的特点是精确度非常高，同时能够在恶劣天气条件下工作。现在国外交通部门已经开始大规模采用激光测速系统，但在国内各单位采用的激光测速系统都是通过国外进口，高昂的价格成为大批量使用激光测速系统的一个瓶颈，如果能研制出价格适中的激光测速传感器，将会对各个行业的测距测速工作提供有力保证。而且，传统的脉冲激光由于无法确保两次激光光束打到车上的位置相同，所以存在一定误差。
发明内容
有鉴于此，提供一种激光大光斑的精确测速方法和系统，其采用大光斑激光测速，可确保激光打到车辆上是同一个位置，算出的行车距离更精准，测速值更准确。
一种激光大光斑的精确测速方法，用于给车辆测速，该方法包括以下步骤：
控制激光传感器往车辆运动路线上发出脉冲激光，使脉冲激光在无车辆时的运动路线上形成直径1米以上的光斑，所述光斑尺寸和位置设定为车头在所述光斑范围内移动时，根据光斑能量返回定律，所述激光传感器在车头驶入光斑后测出的车辆最近距离值位置为车头上一固定点；
监测车头驶入光斑和在光斑中移动情况，使脉冲激光斜打在车头上，测出车头在光斑中移动的时间段内每个时间点的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图；
根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。
以及，一种激光大光斑的精确测速系统，用于给车辆测速，其包括激光传感器和数据处理模块，所述激光传感器置于车辆运动路线斜上方或斜侧方，用于斜打出脉冲激光于车头，斜打出的脉冲激光在无车辆时的运动路线上形成1米以上的光斑，所述光斑尺寸和位置设定为车头在所述光斑范围内移动时，根据光斑能量返回定律，所述激光传感器在车头驶入光斑后测出的车辆最近距离值位置为车头上一固定点，所述激光传感器通过脉冲激光测出车头于光斑中移动的时间段内每个时间点相对激光传感器的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图，所述数据处理模块用于根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。
上述激光大光斑的精确测速方法采用大光斑激光测速，可确保激光打到车辆上是同一个位置，算出的行车距离更精准，测速值更准确。而且，通过数据处理分析，使车辆测速操作简单快捷，测试结果准确可靠。该系统通过激光传感器和数据处理模块即可对行驶的车辆进行精确测速，结构简单，使用方便快捷。
附图说明
图1为本发明实施例的激光大光斑的精确测速系统模块示意图。
图2本发明实施例的激光大光斑的精确测速系统的激光传感器安装侧视结构示意图。
图3为图2的系统中激光传感器和扩束镜分解结构示意图。
图4为本发明实施例的激光大光斑的精确测速方法中测得的车头距离-时间脉冲波形图。
具体实施方式
以下将结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明。
请参阅图1-2，显示本发明实施例提供的激光大光斑的精确测速系统10。该系统10包括激光传感器11和数据处理模块12。具体地，数据处理模块12包括数据去毛刺模块121、平均计算模块122和分能量等级模块123。
如图2所示，激光传感器11置于车辆运动路线斜上方或斜侧方，用于斜打出脉冲激光113于车头，斜打出的脉冲激光113在无车辆时的运动路线上形成1米以上的光斑112。本实施例中，以高速公路上对来往车辆测速为例，因而运动路线即路面。具体地，测速区域上方设置有一个高脚架，高脚架比所有机动车的车顶高一定距离，激光传感器11安装于高脚架上，高脚架具有顶梁，激光传感器11优选为可滑动地安装于高脚架的顶梁，可根据需要调整位置。本实施例以应用于高速公路上为例，运动路线可以是高速公路任意路段，优选为高速公路的出入口。激光传感器11通过发出脉冲激光113打在车头上，测出车头于光斑112中移动的时间段内每个时间点车辆相对激光传感器11的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图，即用激光传感器11对车头进行测距。所述数据处理模块用于根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器11位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。
其中，数据去毛刺模块121用于去除车头距离-时间脉冲波形图数据中的毛刺，即去掉明显的干扰数据，以便于后续分析计算。平均计算模块122用于根据车头距离-时间脉冲波形图计算平均车头行驶距离以及平均速度。本实施例的激光传感器11的频率是14KHz，每采集一次数据的时间为0.07ms，在车辆经过光斑112的期间，可测出大量的数据，平均计算模块122通过对这些大量数据做多次平均，根据取平均后数据用来计算车速测量值更准确。考虑到测量的环境因素影响，测量环境不同时，能量处于不同的等级，因此，本实施例通过分能量等级模块123用于判断实际测量环境中激光的能量级别，并根据能量级别对测量数据进行修正，以去除污染环境如雨雾等明显干扰，通过分能量等级模块123可去除这些干扰，还可去除噪声。
光斑112经过扩束后，光斑112的尺寸和位置设定为在所述光斑112范围内，根据光斑能量返回定律，所述激光传感器11在车头驶入光斑112后测出的车头最近距离值位置为车头上一固定点。所述数据处理模块用于车头在光斑112中移动的时间段内，根据四次回波技术和能量等级技术，计算出车头相对激光传感器11的平均最近点，车头在所述光斑112范围内移动的时间段内平均最近点为该固定点，从而使光斑112打到车辆上的位置判定为车辆同一点上。
本实施例中，激光传感器11的激光收发端安装有扩束镜，通过扩束镜来控制光斑尺寸，所述激光传感器11发出的激光波长为905nm，所述扩束镜采用K9材质并进行增加905nm增透处理，即通过增强接收905nm波长的光，而抑制其他波长的杂散光，以有效的弥补扩散所造成的光能量损耗。扩束后光斑112直径为1-3米，优选为1-1.5米。本实施例中，优选地，斜打在无车辆时的运动路线上的光斑112距离激光传感器11的水平位移为22米至24.5米，无物体进入时，光斑112返回距离值（即基准值）的位置在水平距离24米处，所述激光传感器11相对车辆运动路线的距离H为6-8米（垂直距离），激光斜打的角度θ符合tanθ=1/4-1/3，也就是说，激光传感器11的高度H和光斑返回基准点处与激光传感器11的距离值L0之比为1/4-1/3。图示的实施例中，扩束光斑112的直径D为1.5米，光斑112远点距离激光传感器11的水平位移D2为24.5米，光斑112近点距离激光传感器11的水平位移D1为23米，高度H为6米，tanθ=1/4。
如图3所示，显示激光传感器11和扩束镜13的结构，激光传感器11收发端包括激光发射端124和激光接收端115，扩束镜13对应具有发射扩束器134和接收扩束器135。激光传感器11在收发端设有多个固定螺孔116，扩束镜13的周边也具有多个固定螺孔136，通过紧固件贯穿固定螺孔116和136将扩束镜13安装于激光传感器11的前面收发端。本发明实施例的大光斑扩束是通过调光轴使发射端的光斑发出，光斑112是竖直椭圆光斑，且光斑112上下直径长于左右直径。每个发射扩束器134、接收扩束器135分别可以是一体合成，也可以是多层透镜组合而成，安装方法类似。当然扩束镜的结构并不限于此。能将激光传感器11发出的光扩束以进行机动车速度测量的扩束镜，均属于本发明保护范围。
下面结合图1和2，详细描述本发明实施例的激光大光斑的精确测速方法，该方法包括以下步骤：
S10：控制激光传感器11往车辆运动路线上发出脉冲激光113，使脉冲激光113在无车辆时的运动路线上形成直径1米以上的光斑112；
S20：监测车头驶入光斑112和在光斑112中的移动情况，使脉冲激光113斜打在车头上测出车头在光斑112中的移动的时间段内每个时间点的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图；
S30：根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器11的位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。。
步骤10中，如图2所示，激光传感器11固定于车辆前侧上方或斜侧方，发射的脉冲激光113斜打在无车辆时的运动路线上，形成光斑112，如前所述，光斑112的直径优选为1-1.5米，本实施例为1.5米。
步骤20中，监测车头驶入光斑112时，激光传感器11上会有信号显示，具体为波形变化，从车头驶入光斑112和在光斑112中移动的整个过程，都体现在波形图上。当没有物体进入光斑112内时，即光斑112直接打到地面，根据光斑的能量返回定律，返回距离值为24米处（即水平距离24米处），为一个恒定值，波形图无变化。在车头进入光斑112时，测出车头相对激光传感器11的平均最近点，之后车头在光斑112内移动期间，监测平均最近点，也就是使车头测量点为同一点，根据该同一点在两个时间点的位移，测算出车辆平均速度。所述选取的两个时间点处于激光光斑打到车头同一点的时间段内。
实际测量过程中，当有物体即车头进入光斑112内时，返回距离值将先偏大，大到临界值时，会开始变小。这是由于大光斑返回的数据是根据能量大小决定的，某一时刻返回的数据是大光斑所覆盖点中能量最大的点。当没有物体进入光斑时，能量最大的地点位于光斑中心位置附近，当有物体进入时，由于大光斑打到物体上的反射角比没有物体进入时小，所以返回能量更大，因此，能量最大的点是物体上的平均最近点。大光斑返回激光器的数据就是取能量最大的部位，这也是分能量等级模块123进行数据选取的作用之一。所以，在车辆刚刚进入光斑时，通过返回距离值数据可算出打到物体上的平均最近点，由于数据测量显示界面的算法是基准值减掉测试返回值，故波形变低，距离值反而是增大。当测距值又变为基准值时，根据四次回波技术和能量等级技术，可以计算出车辆的平均最近点。各种车型在临界点返回到基准值的1米范围均测到车辆同一点，该临界点为刚测出车头平均最近点时的点。当然只要是小于光斑112直径的范围内均可以这样判定为同一点，因此，在车头于光斑112中移动过程中，车头经过光斑的设定位移不限于1米，只要是小于光斑112直径均可。
如图4所示，为本实施例一个具体的测试实例，测试结果如图中所示：软件显示值=基准值-测试距离值，所以距离越大显示波形越低，故线框L所示为刚刚有车辆进入光斑时，测距先变大后变小，根据四次波形技术和能量等级技术，可测算出平均最近点，为车头一固定点，即同一位置，故测速非常精准。
因此，在整个光斑112打在车辆上的时间段内，根据四次回波技术和能量等级技术，计算出车辆相对激光传感器11的平均最近点，在车头于光斑中移动的时间段内平均最近点为车头固定点，使光斑打到车头判定为车辆同一点上，在这个时间段内进行数据测量和分析。
具体地，以车头位移1米为例，由于车头在临界点返回到基准值后的1米范围均测到车头同一点，此时可视为脉冲激光113是在车辆同一点上进行测速。车头刚进入同一点位置，记下此时车头的距离L1和时间T1。车辆走到大约一米处，即车头走到后一个时间点位置，即走出S距离时，记下此刻的距离L2和时间T2，那么，车辆在行驶大约1米内的平均速度V的计算方法如下：
V=S/(T2-T1)，S= (L1 2-H2)0.5-(L2 2- H2) 0.5。
其中S为这两个时间点间的车头行驶距离值，并控制S≤光斑直径，本实施例为S≤1米。
进一步地，为获得更加准确可靠的数据，上述分析计算包括在车头距离-时间脉冲波形图上获取多组两个时间点的车头距离值，求取多组车头行驶距离值的平均值，将所述平均值和时间代入于上述公式中，计算各组两点间的车辆平均速度，即为车辆速度。由于本实施例的激光传感器11的频率是14KHz，每采集一次数据的时间为0.07ms，在车头经过整个光斑112的期间，可测出大量的数据，使得上述平均计算得以实现，最终测得的车辆速度非常准确可靠。
可以理解的是，激光传感器11可以侧装，也可以顶装。安装距离可远可近，打出激光返回基准值和光斑大小均可调整，本实施例所列数据均是常用数据，如有特殊高度及光斑扩散大小，均可调整到位。
因此，上述激光大光斑的精确测速方法采用大光斑（直径1米以上）激光测速，可确保激光打到车辆上是同一个位置，算出的行车距离更精准，测速值更准确。而且，通过数据处理分析，使车辆测速操作简单快捷，测试结果准确可靠。该系统通过激光传感器11和数据处理模块12即可对行驶的车辆进行精确测速，结构简单，使用方便快捷。
需要说明的是，本发明并不局限于上述实施方式，根据本发明的创造精神，本领域技术人员还可以做出其他变化，这些依据本发明的创造精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (9)
1.一种激光大光斑的精确测速方法，用于给车辆测速，该方法包括以下步骤：
控制激光传感器往车辆运动路线上发出脉冲激光，使脉冲激光在无车辆时的运动路线上形成直径1米以上的光斑，所述光斑尺寸和位置设定为车头在所述光斑范围内移动时，根据光斑能量返回定律，所述激光传感器在车头驶入光斑后测出的车头最近距离值位置为车头上一固定点；
监测车头驶入光斑和在光斑中移动情况，使脉冲激光斜打在车头上，测出车头在光斑中移动的时间段内每个时间点的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图；
根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。
2.如权利要求1所述的激光大光斑的精确测速方法，其特征在于，在车头于光斑中移动的时间段内，根据四次回波技术和能量等级技术，计算出车头相对激光传感器的平均最近点，在车头于光斑中移动的时间段内平均最近点为固定点，使光斑在该时间段内打到车头上的位置判定为车头同一点。
3.如权利要求1所述的激光大光斑的精确测速方法，其特征在于，所述激光传感器发出的激光先经过竖直扩束再斜打于车辆及车辆运动路线上，扩束后光斑直径为1-1.5米，所述激光斜打的角度θ符合tanθ=1/4-1/3，所述激光传感器经扩束后直接打在车辆运动路线上的光斑距离激光传感器的水平位移为22米至24.5米，所述激光传感器相对车辆运动路线的距离为6米-8米。
4.如权利要求1所述的激光大光斑的精确测速方法，其特征在于，所述激光传感器的位置参数包括激光传感器相对车辆运动路线的距离H，设定脉冲激光测出前后两个车头距离值L1和L2，相应的时间为T1和T2，这两点间的车辆平均速度计算如下：V=S/(T2-T1)，S= (L1 2-H2)0.5-(L2 2- H2) 0.5，其中S为这两点间的车头行驶距离值，并控制S≤光斑直径，所述分析计算包括在车头距离-时间脉冲波形图上获取多组两个时间点的车头距离值，求取多组车头行驶距离值的平均值，将所述平均值和时间代入上述公式中，计算各组两点间的车辆平均速度，即为车辆速度，所述选取的两个时间点处于激光光斑打到车头同一点的时间段内。
5.如权利要求1所述的激光大光斑的精确测速方法，其特征在于，所述激光传感器激光出射前经过扩束镜扩束，所述激光传感器发出的激光波长为905nm，所述扩束镜采用K9材质并进行增加905nm增透处理。
6.一种激光大光斑的精确测速系统，用于给车辆测速，其特征在于，包括激光传感器和数据处理模块，所述激光传感器置于车辆运动路线斜上方或斜侧方，用于斜打出脉冲激光于车头，斜打出的脉冲激光在无车辆时的运动路线上形成1米以上的光斑，所述光斑尺寸和位置设定为车头在所述光斑范围内移动时，根据光斑能量返回定律，所述激光传感器在车头驶入光斑后测出的车辆最近距离值位置为车头上一固定点，所述激光传感器通过脉冲激光测出车头于光斑中移动的时间段内每个时间点相对激光传感器的激光返回距离值Ln，形成车头距离-时间脉冲波形图，所述数据处理模块用于根据所述车头距离-时间脉冲波形图以及激光传感器位置参数、光斑尺寸参数进行分析计算，得出车辆经过光斑时速度。
7.如权利要求6所述的激光大光斑的精确测速系统，其特征在于，所述数据处理模块用于车头在光斑中移动的时间段内，根据四次回波技术和能量等级技术，计算出车头相对激光传感器的平均最近点，车头于光斑中移动的时间段内平均最近点为车头上的所述固定点，使该时间段内光斑打到车头上的位置判定为车头同一点。
8.如权利要求6所述的激光大光斑的精确测速系统，其特征在于，所述激光传感器激光收发端安装有扩束镜，所述激光传感器发出的激光波长为905nm，所述扩束镜采用K9材质并进行增加905nm增透处理，扩束后光斑直径为1-1.5米，所述斜打在无车辆时的运动路线上的光斑距离激光传感器的水平位移为23米至24.5米，光斑的返回距离值为24米，所述激光传感器相对车辆运动路线的距离为6米-8米。
9.如权利要求6所述的激光大光斑的精确测速系统，其特征在于，所述数据处理模块包括数据去毛刺模块、平均计算模块和分能量等级模块，所述数据去毛刺模块用于去除车头距离-时间脉冲波形图数据中的毛刺，平均计算模块用于根据车头距离-时间脉冲波形图计算平均车头行驶距离以及平均速度，所述分能量等级模块用于判断实际测量环境中激光的能量级别，并根据能量级别对测量数据进行修正。
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