CN105372199A - 一种基于红外漫反射的酒驾遥测系统及遥测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于红外漫反射的酒驾遥测系统及遥测方法，通过安装在道路上的红外漫反射传感器对路面通行车辆进行扫描，车室内部存在的酒精气体，会对入射的红外光线选择吸收，被吸收后的激光在反射面发生反射。接收并分析漫反射红外光线信号，判断汽车驾驶室内的酒精气体浓度，及时远程传输上报，便于对酒驾进行排查等。远程非接触式酒驾检测能够实时判断车内驾驶人员是否存在疑似酒后驾驶行为。在智能交通中的危险驾驶检测领域，该系统能够很大程度上帮助交通执法部门掌握车辆内驾驶人员的个人状态，使执法人员有针对性的对醉酒驾车司机进行排查；同时能够明显提高对酒后驾车行为的震慑力，有效减少因酒驾导致的道路交通事故发生。
Description
技术领域
本发明涉及智能交通技术领域，特别是涉及一种基于调制光谱的酒驾红外漫反射遥测系统及酒驾遥测方法。
背景技术
各国交通事故结果显示，酒后驾车引起的交通事故数量是未饮酒情况下的16倍。按车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阈值与检验标准GB19522-2004规定，血液酒精浓度大于等于20mg/100mL，小于80mg/100mL视为饮酒驾车；血液酒精浓度大于等于80mg/100mL视为醉酒驾车。同时，有研究数据表明，在醉酒驾车事故发生前，肇事司机已经平均进行了500多次酒后驾车行为。为了有效的减少饮酒驾车的车祸事故数量，需要加大对饮酒驾车违规行为的检查和监控。对车辆驾驶人员是否饮酒的判断，传统的方法有血液化验、呼吸检测、酒精试纸、红外血液检测等方法。
但是，传统酒精检测方法耗时耗力且需要破坏原有的交通秩序，不可能大量推行；另一方面，传统酒精检测方法一般用于肇事后的酒驾判定检测，对于汽车车室内的酒精浓度实时预检，目前还没有一种确定可行的方案。单靠执法人员对汽车一一拦下检查耗资巨大，显然也不可能完成，这给酒驾检测，排查酒驾司机造成很大困难，不能全面排查酒驾，使得众多酒驾人员存在很大的侥幸心理。即使从法律行政手段进行规范，但是酒驾事故仍然不断。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于调制光谱技术，能够全面有效检查道路车内的酒精气体，从而全面有效排查酒驾的酒驾红外漫反射遥测系统及酒驾遥测方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于红外漫反射的酒驾遥测系统，其特征在于，包括：
红外漫反射传感器，用于扫描路段，接收路面车内的漫反射红外光强信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器；
光谱分析器，用于接收所述红外漫反射传感器输出的电信号，提取该电信号的有效二次谐波信号；
终端控制器，用于分析光谱分析器提取的有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器输出酒精浓度数值至网络服务器保存；
图像采集系统，用于提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器；
网络服务器，用于在车内酒精气体浓度达到阈值时，存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度值，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；
执法电脑，用于接收网络服务器输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。
本发明的有益效果是：通过安装在道路上的红外漫反射传感器对路面通行车辆进行扫描，车室内部存在的酒精气体，会对入射的红外光线选择吸收，被吸收后的激光在反射面发生反射。接收并分析漫反射红外光线信号，判断汽车驾驶室内的酒精气体浓度数值，及时远程传输上报，便于对酒驾进行排查等。
远程非接触式酒驾检测能够实时判断车内驾驶人员是否存在疑似酒后驾驶行为。在智能交通中的危险驾驶检测领域，该系统能够很大程度上帮助交通执法部门掌握车辆内驾驶人员的个人状态，使执法人员有针对性的对醉酒驾车司机进行排查；同时能够明显提高对酒后驾车行为的震慑力，有效减少因酒驾导致的道路交通事故发生。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下的改进。
进一步特征，红外漫反射传感器包括：
电源调制电路，用于驱动两个分布式反馈激光器交替发射中心波长为1.3966um和1.4144um的两束激光；
准直镜，用于减小激光束的发散角；
分光镜，用于将激光分成两束，其中一束激光经反光镜反射后进入第一探测器，另一束激光摄入车内发生漫反射；
第一探测器，用于接收分光后的一束激光，并对接收到的激光进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器；
滤光片，用于对车内射出的漫反射光线进行滤光；
聚光元件，用于对滤光后的漫反射光线进行聚光；
第二探测器，用于接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器。
采用进一步技术方案的有益效果：红外漫反射传感器由光学元件和两个探测器组成，探测器对光学元件处理后的光信号进行光电转换，并去除电信号中的噪声同时对信号放大。结构简单，数据处理迅速，适于安装在道路上进行酒驾检测。
一种酒驾检测方法，其特征在于，基于调制光谱的酒驾红外漫反射遥测系统，按照如下步骤进行：
S1：采用红外漫反射传感器扫描路段上的车辆，接收路面车内的漫反射红外信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器；
S2：光谱分析器对接收到的电信号进行处理，提取出该电信号的有效二次谐波信号；
S3：终端控制器分析有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断出酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统进行图像采集；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器输出酒精浓度数值至网络服务器保存；
S4：图像采集系统提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器；
S5：在车内酒精气体浓度达到阈值时，网络服务器存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度值，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；
S6：执法电脑接收网络服务器输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。
进一步，步骤S1的具体为：
S11：电源调制电路分别驱动两个分布式反馈激光器交替发出中心波长分别为1.3966um和1.4144um的两束激光；
S12：采用准直镜对输出的激光进行准直，减小激光束的发散角；
S13：准直后的激光束经分光镜分光成两束，其中一束激光经反光镜反射后进入第一探测器，另一束激光摄入车内发生漫反射；
S14：反射进入第一探测器的激光，经过光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器；
S15；采用滤光片对车内射出的漫反射光线进行滤光；
S16：对滤光后的漫反射光线进行聚光；
S17：接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器。
进一步，所述S11的具体为：所述电源调制电路在输出的激光控制电流中叠加1-50Hz锯齿波低频信号；把一个分布式反馈激光器输出的激光中心波长控制在1.3966um，另一个分布式反馈激光器输出的激光中心波长控制在1.4144um。
采用进一步技术方案的有益效果：在近红外波长1.3966um的地方酒精具有较强吸收，但酒精蒸汽吸收峰和水蒸汽吸收峰相隔较近，测量过程中需要避开水蒸气的吸收峰，把激光中心波长控制在1.3966um。考虑到光线在传播过程中需要穿过空气，汽车隔热膜和前档玻璃，然后在反射面发生部分漫反射，这几个部分影响都会叠加在酒精气体吸收漫反射信号中，单一波段的光谱吸收信号无法测量得到有效的酒精浓度信号。需要额外选择对比波段去除这部分影响，因此选择对比探测波长1.4144um的激光，本发明是采用两束不同波长的激光，用以去除环境影响，使得探测结果准确。
进一步，在激光控制电流中叠加10k-20kHz的正弦波高频信号。
用进一步技术方案的有益效果是：激光控制电流中叠加10k-20kHz的正弦波高频信号，能够极大的提高信号的信噪比。
附图说明
图1为酒驾红外漫反射遥测系统的结构示意图；
图2为红外漫反射传感器的结构示意图；
图3为红外漫反射传感器的工作原理示意图；
图4为酒精和水的混合气体、水蒸汽两者的红外吸收光谱图。
其中，各标号所代表的部件名称如下：
1、红外漫反射传感器，2、光谱分析器，3、图像采集系统，4、网络服务器，5、执法电脑，6、终端控制器，11、分布式反馈激光器，12、准直镜，13、分光镜，14、反光镜，15、第一探测器，16、滤光片，17、聚光元件，18、第二探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种基于红外漫反射的酒驾遥测系统，包括红外漫反射传感器，用于扫描路段，接收路面车内的漫反射红外光线信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器；
光谱分析器2，用于接收所述红外漫反射传感器1输出的电信号，提取该电信号的有效二次谐波信号；
终端控制器6，用于分析光谱分析器提取的有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统3提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器4；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器6输出酒精浓度数值至网络服务器4保存。在酒精气体浓度不超过阈值时，只是启动图像采集系统3提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器4保存。
在车内酒精气体浓度达到阈值时，网络服务器4存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度值，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑5；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；执法电脑5接收网络服务器4输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。执法电脑5数目较多，网络服务器4会根据酒驾车辆的位置，发送酒驾车辆要经过的地点的执法电脑5，这便于执法人员查处。
如图2和图3所示，红外漫反射传感器1包括：
电源调制电路，安装在红外漫反射传感器1内，其为现有的激光驱动器，用于驱动两个分布式反馈激光器11分别发射中心波长为1.3966um和1.4144um的两束激光，两束激光输出是在同一条直线上。
准直镜12，用于减小激光束的发散角；
分光镜13，用于将激光分成两束，其中一束激光经反光镜14反射后进入第一探测器15，另一束激光摄入车内发生漫反射；
第一探测器15，用于接收分光后的一束激光，并对接收到的激光进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器2；
滤光片16，用于对车内射出的漫反射光线进行滤光；
聚光元件17，用于对滤光后的漫反射光线进行聚光；
第二探测器18，用于接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并通过后端电路对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器2。
工作原理：
红外漫反射传感器1安装在道路中间上方大约6米高的地方，红外漫反射传感器1设置的分布式反馈激光器11发射两束经过调制后的红外激光。如图2所示，反射激光经过第一探测器的光电转换输入到光谱分析器中的电信号作为对比信号。射入汽车车室内的激光，在驾驶室内部存在的酒精气体，会对入射的红外光线选择吸收，被吸收后的激光在反射面发生反射。第二探测器18接收反射光中的部分漫反射光线，经过去噪和锁相放大后，信号进入光谱分析器2。两路经过光电转换后的电信号在光谱分析器2中进行比对和计算，判断出漫反射信号中酒精气体的吸收光谱，分析光谱图，区别环境影响和酒精吸收信号，得到有效的二次谐波信号。通过光谱分析，去掉环境中如隔热玻璃、反射面入射角度变化以及反射材料的影响，从而得到车内酒精的定性结果。终端控制器6根据光谱分析结果，判定车内是否有酒精蒸汽，如果存在酒精蒸汽，进一步判断酒精浓度是否达到阈值，如果酒精浓度低于阈值，输出控制信号启动图像采集系统3进行图像采集，将图像信息传输至网络服务器备案。如果酒精蒸汽浓度达到阈值或大于阈值，则发出控制信号启动图像采集系统3进行图像采集，将图像信息传输至网络服务器备案，同时将酒精浓度信息传输至网络服务器与图像进行进行匹配；还将图像采集系统采集到的车辆图像信息和驾驶员图像传输到车辆下一站经过的检查站的执法电脑，执法人员调看执法电脑收到的车辆图像信息和驾驶员图像对过往车辆进行截停检查，从而实现远程非接触式酒驾预检，实时判断车内驾驶人员是否存在疑似酒后驾驶行为。在智能交通中的危险驾驶预检领域，该系统能够很大程度上帮助交通执法部门掌握车辆内驾驶人员的个人状态，使执法人员有针对性的对醉酒驾车司机进行排查；同时能够明显提高对酒后驾车行为的震慑力，有效减少因酒驾导致的道路交通事故发生。
一种基于红外漫反射的酒驾遥测方法，基于上述调制光谱的酒驾红外漫反射遥测系统，按照如下步骤进行：
S1：采用红外漫反射传感器1扫描路段上的车辆，接收路面车内的漫反射红外信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器2；
S2：光谱分析器2对接收到的电信号进行处理，提取出该电信号的有效二次谐波信号；
S3：终端控制器6分析有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断出酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统3进行图像采集；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器6输出酒精浓度数值至网络服务器4保存；
S4：图像采集系统3提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器4；图像采集系统选用目前广泛使用的道路交通摄像器材。
S5：在车内酒精气体浓度达到阈值时，网络服务器4存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度值，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑5；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；
S6：执法电脑5接收网络服务器4输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。
图4中，上方曲线为酒精和水的混合气体，下方曲线为水蒸气。由图可见，在近红外波长1.3966um的地方酒精具有较强吸收，但酒精蒸汽吸收峰和水蒸汽吸收峰(1.3922um)相隔较近，测量过程中需要避开水蒸气的吸收峰，把一束激光中心波长控制在1.3966um左右。同时考虑到光线在传播过程中需要穿过空气，汽车隔热膜和前档玻璃，然后在反射面发生部分漫反射，这几个部分影响都会叠加在酒精气体吸收漫反射信号中，单一波段的光谱吸收信号无法测量得到有效的酒精浓度信号。需要额外选择对比波段去除这部分影响，因此选择对比探测的激光的中心波长为1.4144um。从酒精吸收光谱图可知，在酒精吸收峰两边，吸收强度明显下降。对于一般的隔热玻璃，其对红外波段的阻挡效率是一个比较平滑的曲线，可以近似认为隔热玻璃在红外波段相邻两个波长上的红外阻挡率一致。即可以避开酒精吸收峰值，因此对比探测的激光中心波长选择为1.4144um。采用双波长探测的探测信号能够通过光谱分析得到酒精浓度信息。为提高信号的灵敏度，在激光控制电流中叠加10k-20kHz的正弦波高频信号。
光谱分析器2对接收到的电信号进行处理，具体为采用可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS，TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy)提取出该电信号的有效二次谐波信号。一般情况下，气体吸收到的信号极其微弱，很难通过直接测量吸收能量的方法提取到有效信号。TDLAS主要利用对波长进行高频调制，然后利用谐波技术通过锁相放大器获取吸收光谱的谐波信号，用以确定吸收气体的浓度信息。即通过温度和电流调谐DFB的输出波长，然后通过谐波技术提取有效信号。
采用红外漫反射传感器1扫描路段上的车辆，具体步骤为：
S11：电源调制电路分别驱动两个分布式反馈激光器11发射中心波长为1.3966um和1.4144um的两束激光；选择分布式反馈激光器(DFB，DistributedFeedbackLaser)，分布式反馈激光器是半导体激光器中的一员，其通过温度选择中心波长，电流变化控制波长微调，使得输出波长在1nm左右的范围内变化，其电流调谐频率可达10MHz，输出能量比较稳定，能够满足设计要求。
S12：采用准直镜12对输出的激光进行准直，减小激光束的发散角；
S13：准直后的激光束经分光镜13分光成两束，其中一束激光经反光镜14反射后进入第一探测器15，另一束激光摄入车内发生漫反射；
S14：反射进入第一探测器15的激光，经过光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器2；
S15；采用滤光片16对车内射出的漫反射光线进行滤光；
S16：对滤光后的漫反射光线进行聚光；
S17：接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器2。
以上所述实施步骤和方法仅仅表达了本发明的一种实施方式，针脚的数目和功能可以根据需求进行设置和定义。上述描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。
在不脱离本发明专利构思的前提下，所作的变形和改进应当都属于本发明专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于红外漫反射的酒驾遥测系统，其特征在于，包括：
红外漫反射传感器(1)，用于扫描路段，接收路面车内的漫反射红外光强信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器(2)；
光谱分析器(2)，用于接收所述红外漫反射传感器(1)输出的电信号，提取电信号的有效二次谐波信号；
终端控制器(6)，用于分析光谱分析器提取的有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统(3)；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器(6)输出酒精浓度数值至网络服务器(4)保存；
图像采集系统(3)，用于提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器(4)；
网络服务器(4)，用于在车内酒精气体浓度达到阈值时，存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度值，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑(5)；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；
执法电脑(5)，用于接收网络服务器(4)输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。
2.如权利要求1所述基于红外漫反射的酒驾遥测系统，其特征在于，所述红外漫反射传感器(1)包括：
电源调制电路，用于驱动两个分布式反馈激光器(11)交替发射中心波长为1.3966um和1.4144um的两束激光；
准直镜(12)，用于减小激光束的发散角；
分光镜(13)，用于将激光分成两束，其中一束激光经反光镜(14)反射后进入第一探测器(15)，另一束激光摄入车内发生漫反射；
第一探测器(15)，用于接收分光后的一束激光，并对接收到的激光进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器(2)；
滤光片(16)，用于对车内射出的漫反射光线进行滤光；
聚光元件(17)，用于对滤光后的漫反射光线进行聚光；
第二探测器(18)，用于接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器(2)。
3.一种基于红外漫反射的酒驾遥测方法，其特征在于，按照如下步骤进行：
S1：采用红外漫反射传感器(1)扫描路段上的车辆，接收路面车内的漫反射红外信号，并将漫反射红外光线信号转换成电信号输出至光谱分析器(2)；
S2：光谱分析器(2)对接收到的电信号进行处理，提取出该电信号的有效二次谐波信号；
S3：终端控制器(6)分析有效二次谐波信号，判断车内是否有酒精气体，如果有酒精气体，判断出酒精气体的浓度值，同时输出控制信号启动图像采集系统(3)进行图像采集；在酒精气体浓度值达到阈值时，终端控制器(6)输出酒精浓度数值至网络服务器(4)保存；
S4：图像采集系统(3)提取对应的车辆和驾驶员图像信息并传出至网络服务器(4)；
S5：在车内酒精气体浓度达到阈值时，网络服务器(4)存储车辆和驾驶员图像信息，以及对应的车内的酒精浓度信号，并发送车辆和驾驶员图像信息至执法电脑(5)；在车内酒精气体浓度小于阈值时，仅存储车辆和驾驶员图像信息；
S6：执法电脑(5)接收网络服务器(4)输出的车辆和驾驶员图像信息，并显示车辆和驾驶员图像信息，由执法人员进行查处。
4.根据权利要求3所述的基于红外漫反射的酒驾遥测方法，其特征在于，所述S1的具体步骤为：
S11：电源调制电路分别驱动两个分布式反馈激光器(11)交替发出中心波长分别为1.3966um和1.4144um的两束激光；
S12：采用准直镜(12)对输出的激光进行准直，减小激光束的发散角；
S13：准直后的激光束经分光镜(13)分光成两束，其中一束激光经反光镜(14)反射后进入第一探测器(15)，另一束激光摄入车内发生漫反射；
S14：反射进入第一探测器(15)的激光，经过光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至所述光谱分析器(2)；
S15；采用滤光片(16)对车内射出的漫反射光线进行滤光；
S16：对滤光后的漫反射光线进行聚光；
S17：接收经聚光元件汇聚后输出的光线，对接收到的光线进行光电转换，并对转换后的电信号进行去噪和锁相放大后输出至光谱分析器(2)。
5.根据权利要求4所述的基于红外漫反射的酒驾遥测方法，其特征在于，所述S11的具体为：所述电源调制电路在输出的激光控制电流中叠加1-50Hz锯齿波低频信号；把一个分布式反馈激光器(11)输出的激光中心波长控制在1.3966um，另一个分布式反馈激光器(11)输出的激光中心波长控制在1.4144um。
6.根据权利要求5所述的基于红外漫反射的酒驾遥测方法，其特征在于，所述电源调制电路在输出的激光控制电流中叠加10k-20kHz的正弦波高频信号。
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