CN111007030B

CN111007030B - 一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置

Info

Publication number: CN111007030B
Application number: CN201911269463.7A
Authority: CN
Inventors: 周学鹏; 徐峰巍; 刘力瑞; 陈堃; 唐霞辉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-11
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-10-16
Anticipated expiration: 2039-12-11
Also published as: CN111007030A

Abstract

本发明属于半导体激光雷达领域，公开了一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，主要包括依次沿光路设置的半导体激光器(8)、偏振分光镜(11)和用于雷达二维扫描的MEMS振镜(13)，激光束能够经过位于待测车辆内反射膜或反射镜的反射得到反射光线；该反射光线能够沿原光路返回，将能够在偏振分光镜(11)处发生偏折以与入射光路相区别；通过读取经过偏振分光镜(11)后的反射光线的强弱，即可判断待测车辆驾驶室中的空气是否存在酒精蒸汽，从而用于初步判断待测车辆的驾驶员是否酒驾。本发明通过激光雷达判断酒精蒸气的浓度，与现有技术相比能够有效解决现有的测酒驾系统对交警的主观判断要求过高、遗漏率较高、威慑力不够等问题。

Description

一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置

技术领域

本发明属于半导体激光雷达领域，更具体地，涉及一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，该装置是一种小型的能够二维扫描的收发同光路的半导体激光雷达装置，与电子眼相集成，能够拓展电子眼的功能，使其具备酒驾检测以及实时通报的功能。

背景技术

目前，我国汽车数量正在迅猛发展，在汽车带来方便的同时，道路交通事故带来的人员财产损失也与日俱增，这其中由酒后驾驶带来的交通事故占了很大一部分，由酒后驾驶带来的悲剧每天都在发生。在酒精的作用下，人的感觉、知觉灵敏度下降，判断力和控制力减弱，无法对快速变化的环境做出反应，失去有效控制的快速运动车辆给驾驶员自身和其它交通参与者带来巨大风险。

目前针对酒驾检测的主要方法如下：

血液化验法：血液化验法利用气相色谱技术直接测量血液中酒精的浓度，精度高，误差小，但是这种方法设备昂贵，需要良好的实验环境，检测时间长并且需要抽取血液样本，使得其效率太低。

呼吸检测法：呼吸检测法检测快速，使用灵活，但会使多人用同一呼吸嘴，带来卫生问题。

酒精试纸法：虽然不存在卫生问题，但是需要进行人工比色以得出检测结果，测量误差较大。

红外检测法：人饮酒后，酒精会进入人体的各个组织，与正常状态相比，含有酒精的组织吸收光的能力更强，但是一般检测的对象为耳垂和手指，不便于自动检测。

上述的几种方法虽然原理不同，但是都有一个共同的缺点，即需要交警事先通过自己的判断来确认驾驶员是否喝酒然后才能检测，不仅使得交警的工作量大，而且存在较大的人为误差，同时，也会降低汽车的通行效率，不适用于现在愈来愈大的车流量，并且这种抽查的检测方式对酒驾的威慑力也非常有限，但是本设计可以有效的解决这些问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其中通过对装置关键组件的结构及其设置方式等进行改进，通过激光雷达判断酒精蒸气的浓度，与现有技术相比能够有效解决现有的测酒驾系统对交警的主观判断要求过高、遗漏率较高、威慑力不够等问题，本发明采用非接触的方式测量车内的酒精浓度，能够快速检测，避免停车；采用收发共口径结构，精致小巧；MEMS 振镜极大程度地减小了集成于电子眼的酒驾检测拍照报警装置的体积，大幅度地提高了该装置的实用性。基于本发明利用路口电子眼可进一步实现酒驾检测报警并备案，基于激光雷达得到集成于电子眼的近红外光酒精检测的酒驾检测拍照报警装置，并且能与交通指挥控制中心互联，实时发送酒驾报警。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，包括依次沿光路设置的半导体激光器、准直透镜组、起偏器、偏振分光镜、1/4波片、反射镜场和用于雷达二维扫描的MEMS振镜，经由所述半导体激光器出射的激光束能够与位于目标监测区域的待测车辆相互作用，并经过位于待测车辆内且设置在车辆挡风玻璃后方、且位于驾驶员前方的反射膜或反射镜的反射，得到反射光线；该反射光线能够沿原光路返回，经所述MEMS振镜、所述反射镜场及所述1/4波片，将能够在所述偏振分光镜处发生偏折以与入射光路相区别；通过读取经过所述偏振分光镜后的反射光线的强弱，即可判断待测车辆驾驶室中的空气是否存在酒精蒸汽，从而用于初步判断待测车辆的驾驶员是否酒驾。

作为本发明的进一步优选，该装置还包括滤波片检偏器、聚焦透镜组和红外探测器，所述反射光线经过所述偏振分光镜发生偏折后，依次经过所述滤波片检偏器、所述聚焦透镜组，最后被传输至所述红外探测器，所述该红外探测器用于检测反射光线的强弱。

作为本发明的进一步优选，所述激光器用于发射波长为1392.8nm的激光。

作为本发明的进一步优选，所述MEMS振镜用于以李萨如图的轨迹进行二维振动扫描。

作为本发明的进一步优选，所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置与道路交通监控摄像头一同置于壳体中。

作为本发明的进一步优选，当所述反射光线的强弱满足预先设定的要求时，所述道路交通监控摄像头将进行拍照，拍得的照片将通过网络即时传输至交通指挥中心，便于交通指挥中心对驾驶员是否酒驾进行人工核实。

作为本发明的进一步优选，所述起偏器用1/2波片来代替。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，利用包括偏振开关控制的收发系统及MEMS振镜等组件在内的装置结构设置，当路面预先设定的目标监测区域内有车辆经过(例如，有车辆经过路口停止线感应线圈)时，驱动源开始驱动半导体激光器通电工作，发出脉冲光束，光束经过准直透镜组准直后，通过起偏器(如竖直偏振方向的起偏器)，改变偏振方向，入射到1/4波片(如光轴与竖直方向夹角为45°的1/4波片)，然后照射到MEMS振镜上输出激光对车扫描。本发明通过MEMS振镜以李萨如图的轨迹进行二维振动扫描一个扫描周期，光束照射向路面行车，由于 MEMS的二维振动，总有一个位置，光束能垂直照射到路面行车车内仪表盘外壳的反射薄膜上，经反射薄膜反射后，光束沿原路返回，通过MEMS振镜反射后经过1/4波片，此时光束已经两次经过1/4波片，相当于经过一个 1/2玻片，偏振方向发生90°偏转，因而光束再入射到偏振分束棱镜后不再透射，将被全部反射，提高了反射效率，同时也做到了收发同光路，减小了体积。

进一步的，本发明可得到激光雷达与电子眼一体化的自动测酒驾系统，雷达检测结果控制电子眼拍照，反射后的光束通过滤波片检偏器和聚焦透镜组聚焦后，被红外接收器的光敏端接收，此时接收的光束为带有目标行车内气体酒精浓度信息的回波光束；进一步的，将红外接收器的检测结果交给信号采集与处理单元进行处理，若检测结果超过实验测定的酒精浓度的阈值或者未检测到回波信号，则给道路交通监控摄像头发出指令，拍照上传给交通指挥中心进行报警处理，并迅速派出交警对该车辆进行拦截，若未超过酒精浓度的阈值(具体阈值要求可预先设定)，则无需进行额外处理，电子眼进行正常的闯红灯判断拍照上传工作。

具体说来，本发明能够取得以下有益效果：

(1)采用非接触的方式测量车内的酒精浓度，快速检测，避免停车。激光在固定位线对该道路方向的所有车道快速来回扫描，检测灵敏，毋需拦车吹气测试，避免了酒驾测试时产生的交通拥堵，大大提高了交通运行效率。

本发明中车内反射膜或车内反射镜设置在车辆挡风玻璃后方、且位于驾驶员前方，由于激光扫描的区域为驾驶员的正前方，即其呼吸的正前方，喝酒驾驶员以及乘客对该处酒精浓度的影响有极大的差距，通过选取合适的信号处理判断系统阈值的精度，因此本发明中的初步判断仍能取得较好的检测效果。

(2)本装置采用收发共口径结构，精致小巧。本发明采用半导体激光雷达进行近程酒精检测，利用MEMS振镜以李萨如图轨迹进行扫描，能够实现道路全覆盖同时体积更小。发射光学系统和接收光学系统采用共口径结构，光路设计精致，便于和摄像头集成于一体。

(3)与道路交通电子监控高度一体化，安装灵活。本发明与交通监控摄像头集成在同一结构内，使摄像头在车辆闯红灯拍照的同时可以进行酒驾违法拍照，记录驾驶员信息以及车牌号。如此以达到电子监控的多功能化。

(4)与交通指挥控制中心互联，实时发送酒驾报警。在本发明检测到酒驾时，触发摄像头拍照，立即将车辆信息发送至就近交通指挥中心备案，同时派出交警追至酒驾车辆进行执法。若有车辆经过却未接收到信号，则控制摄像头对相应位置拍照发送到指挥中心，最终实现低虚警率的疑似酒驾报警装置。

附图说明

图1是整个系统的光路走向和电路信号的走向图。

图2是雷达测酒驾系统的安装示意以及检测环境示意图。

图3中的(a)、(b)、(c)分别是整个发射系统和摄像头结构的监控器整体图、前视图、以及A-A剖视图。结合图3整体，图3中的(c)中监控器上沿的长度为280.00mm，下沿的长度为250.00mm，高为82.73mm。

图4中的(a)、(b)、(c)分别是半导体激光酒驾检测雷达结构图、后视图、以及B-B剖视图。结合图4整体，图4中的(c)中，上沿的长度为71.76 mm，下沿未突出部分的长度为42.00mm；后端高为44.00mm(其中，上部和下部的高均为22.00mm)，前端高为66.8mm(其中，上部高为22.00mm，下部高为44.80mm)。

图5中的(a)、(b)、(c)分别是激光雷达对目标车辆扫描检测时的摄像头视角的车辆示意图、雷达与车辆的交互图、以及车内激光扫描轨迹的李萨如图；其中，图5中的(c)仅为方便观看而降低了X，Y的扫描频率，在用于实际的情形时，可调大频率和频率的比值。

图6是整个逻辑控制流程图。

图7是实现整个系统控制和信号处理等的电路图。

图中各附图标记的含义如下：1为上部遮雨外壳，2为内壳上部，3为电路模块及其他，4为内壳下部，5为激光测酒驾系统，6为监控抓拍摄像机，7为前部封口玻璃，8为半导体激光器，9为准直透镜组，10为起偏器， 11为偏振分束镜，12为1/4波片，13为MEMS振镜及其固定面，14为反射镜场，15为45度反射棱镜，16为偏振片检偏器，17为聚焦透镜组，18为红外接收器(即红外探测器)，19为雷达外壳。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

可包括以下部分：

1、激光雷达扫描路面固定位线，光束从待测车辆挡风玻璃直接照射进车内，如附图5中的(a)、(b)所示，在激光雷达的二维扫描过程中必会有光束垂直照射于车内反射薄膜上，光束沿原路返回，经反射传输，照射至光谱检测器光敏端面上；激光雷达的扫描路径为附图5中的(c)所示的李萨如图，按该路径扫描能完整地扫描整个路面；激光经过一段距离传输，强度会有一定的损耗，若车内存在酒精蒸汽，则酒精分子会吸收该激光使其强度降低更大；此光信号被光谱检测器转换为电信号，经过信号放大电路处理后，通过信号传输线传递给数据处理器，最终输出驾驶员是否酒驾的结论，并决定是否控制道路交通摄像头进行拍照。

在此不得不提到本发明的检测手段，为近红外光谱分析法：红外光谱法主要适用于对含有C-H,N-H,O-H和S-H等化学键，在振动中伴随有偶极矩变化的化合物作组份分析。红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析。若红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱，使光强线性减弱。

乙醇气体的吸收峰的选择在本实施方案中至关重要，选择一个合适的与其他的干扰物质的吸收峰不重叠的吸收峰对酒精浓度的检测精度有着重大意义。一般来说，峰位的选取有三个波段，紫外、红外和可见光波段。紫外波段由于会对人体造成危害故不作考虑，而可见光波段的吸收效果没有红外光波段吸收效果明显，故在进行了多次实验后，根据实验数据，决定在本实施方案中，采用红外光波段；且采用1392.8nm作为酒精气体的探测波长。在此波段，酒精对其有很好的吸收作用，同时能够有效的避免其它诸如碳氢化合物、水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等气体的干扰，且此波段在空气中转播的能量损失较小。

2、电子眼酒驾检测一体化结构

电子眼酒驾检测一体化装置的安装如附图3所示。该装置的制作工艺可以参见附图4所示的装置内部结构图。

参见附图4所示，本发明包括由半导体激光器8，准直透镜组9，起偏器10(该起偏器也可以用1/2波片来代替)，偏振分束镜11，1/4波片12， MEMS振镜及其固定面13，反射镜场14，45度反射棱镜15，滤波片检偏器 16，聚焦透镜组17，红外接收器18和附图5所示车内反射膜(或反射镜) 组成的收发共口径酒精检测激光雷达系统；由如附图7所示总控制器，激光发射驱动器，振镜驱动器组成的控制电路，以及数据处理器和道路交通摄像头，与指挥中心互联构成整个系统。

车内反射膜或车内反射镜，可以是球面型反射镜、车内置球面反射膜、球形反射面等，优选使用反射膜，更加的节省体积，以及更加美观、实用，例如可在仪表盘外壳上设置反射薄膜。

所述半导体激光器8出射激光，射入驾驶室检测携带信息返回，通过收发共口径系统照射至红外接收器18的光敏端面(红外接收器18前端可设置滤波片检偏器作为检测器预处理系统，反射光线依次经过滤波片检偏器和聚焦透镜组后再传输至红外接收器18)，红外接收器18的输出通过滤波电路、放大电路后经过信号传输线与数据处理器输入相连，数据处理器输出与道路交通摄像头相连，控制拍照。

同时，激光器周期性产生脉冲，在一个脉冲周期内，通过振镜驱动器控制振镜停止二维振动，以保证光束可以沿原路返回被红外接收器接收。本实施例中红外接收器收集回波信息，经过放大电路放大后由数据处理器处理并最终给出是否酒驾的信息及相应处理。

3、具体的酒驾检测执法判定过程

电子眼的触发可参考现有技术，如图2所示，可在路面停止线附近设置感应线圈，能够检测经过路口的车辆；当目标监测区域出现车辆时，能够触发启动装置。

出射激光在固定位置对全车道进行来回扫描。正常无酒驾车辆通过时，激光光束没有酒精吸收，此时检测器的输出值可以记为一标准基准值1；当车辆为酒驾异常车辆时，激光光束被明显吸收，此时检测器的输出值可以为一异常基准值2，然后将两个基准值储存在数据处理器中。当车辆通过时，通过将红外接收器的输出值与上述两个基准值比较，若输出值低于基准值 2，接近于基准值1，则该车辆无酒驾行为，进行正常的闯红灯判断拍照上传工作；若输出值远低于基准值1或高于基准值2，则该车辆存在遮挡车内反射膜(或车内反射镜)或是酒驾的异常行为，数据处理器控制道路交通摄像头进行拍照上传给相关部门，派出交警进行拦截罚款执法等处理。为方便直观理解，逻辑控制流程图如附图6所示。

4、半导体激光器作为激光发射源

由于本发明的目的在于实现电子眼酒驾检测的一体化，需要实现车内酒精含量的中远程监测，所以激光器需要一定的功率，以保证能有较强的回波信号。而一体化装置的体积不能太大,激光的可靠性要高，能长时间稳定工作，且对电源要求也尽可能低。而在常用的三种激光器(固体激光器、气体激光器、半导体激光器)中，半导体激光器兼具以上优点，而且其价格低廉，因此本实施方案优选核心波长为1392.8nm的半导体激光器，该激光器为脉冲激光器。

5、光电二极管检测器FD05D作为接收端

本发明实施例中红外接收器可以为市售InGaAs光电二极管检测器 FD05D,其检测的波长范围为900-2600nm，感光介质面积为0.2mm²,能够适应较大的光斑,响应时间较短，符合检测高频调制信号的要求。

6、作为示例，本发明实施例中，由总控制器，激光发射驱动器，振镜驱动器组成的控制电路及数据处理器电路如附图7所示。

由于本发明对控制逻辑的要求不高，因此采用单片机MCU-51来作为核心控制器，使得脉冲发射和振镜扫描之完成一个扫描周期，并且使得各组件之间有正确的时序关系，能够有效节约成本。如图7所示，其中电容C10、 C11和晶振组成24MHz的时钟电路，R13、C7、继电器开关QS2组成由电磁继电器控制的复位电路，从而实现车辆经过地面线圈才开始扫描的功能， D6、D7构成单片机输出脉冲的双缓冲结构，确保能够与DAC的双缓冲连接相配合，使得激光发射脉能够与振镜的扫描同时开始，同时停止。

L3、EL7140、D5、D8、L4、R29、构成半导体激光脉冲发射的驱动电路，驱动SPL_LL90_3发射脉冲激光。

DAC3、DAC4、LM11、LM14构成双缓冲的波形发生器，DAC3和LM11产生MEMS的X方向的控制波形，DAC4和LM14产生MEMS的Y方向的控制波形 LM9、LM10和LM12、LM13分别构成MEMS的X方向和Y方向上驱动电路，使得MEMS能够正确的工作、稳定的进行二维扫描。

LED1、LM15与LM16等构成激光回波信号的接收、滤波、放大电路。放大信号经过ADC3采样之后输入到单片机，然后由单片机进行阈值控制，按照就收光强的不同，决定线圈QS3是否通电，从而控制拍照电路通电是否进行拍照并上传控制中心。

在上述的所有控制情况当中，可将0DFFFH为振镜X方向控制电路波形数据写入的地址，0EFFFH为振镜Y方向控制电路波形数据写入的地址， 0BFFFH为半导体雷达脉冲发射频率控制的地址，07FFFH为总的开始二维扫描和开始激光脉冲发射的地址，0F7FFH为接收提取回波信号的地址。控制照相机拍照是通过p1.0输出地电平来实现的。

本发明能够达到自动测量酒驾并报警备案的目的。

本发明基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置可实现自动检测，结合具体要求，驱动源、总体时序以及逻辑控制单元等元器件，这些元器件的设置及具体时序控制，本领域技术人员可灵活调整。本发明可以以 MCU-51、DAC、ADC为核心的控制器(控制器可采用双缓冲控制结构)，同时还包括MEMS振镜的驱动电路(用于驱动MEMS扫描系统)，半导体激光发射的调制电路(用于控制激光器发射激光脉冲)，用于控制摄像头拍照的继电器控制电路。

电子眼的拍照功能，也可同样在本发明基于激光雷达的电子眼中发挥作用；当然，其他相关现有技术(如车牌号识别等)只要不与本发明发生冲突，本发明均可以配合应用。

本发明中激光雷达与道路监控电子眼一体化自动酒驾检测系统，其发射部分可以由半导体激光器、准直偏振分光透镜组、MEMS二维扫描芯片组成；接收部分可以包括接收聚焦透镜组、红外接收器、信号的积分滤波电路、信号的放大电路、ADC采样以及数字信号处理电路；信号处理部分可以为MCU－51；控制部分可以为以单片机、DAC、触发器等构成的双缓冲输出控制电路；抓拍部分为电子眼原装摄像头。本发明电子眼一体化酒驾检测装置中电路所采用的各个组件均可采用市售组件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，包括依次沿光路设置的半导体激光器（8）、准直透镜组（9）、起偏器（10）、偏振分光镜（11）、1/4波片（12）、反射镜场和用于雷达二维扫描的MEMS振镜（13），经由所述半导体激光器（8）出射的激光束能够与位于目标监测区域的待测车辆相互作用，并经过位于待测车辆内且设置在车辆挡风玻璃后方、且位于驾驶员前方的反射膜或反射镜的反射，得到反射光线；该反射光线能够沿原光路返回，经所述MEMS振镜（13）、所述反射镜场及所述1/4波片（12），将能够在所述偏振分光镜（11）处发生偏折以与入射光路相区别；通过读取经过所述偏振分光镜（11）后的反射光线的强弱，即可判断待测车辆驾驶室中的空气是否存在酒精蒸汽，从而用于初步判断待测车辆的驾驶员是否酒驾。

2.如权利要求1所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，该装置还包括滤波片检偏器、聚焦透镜组和红外探测器（18），所述反射光线经过所述偏振分光镜（11）发生偏折后，依次经过所述滤波片检偏器、所述聚焦透镜组，最后被传输至所述红外探测器（18），所述红外探测器（18）用于检测反射光线的强弱。

3.如权利要求1所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，所述激光器用于发射波长为1392.8nm的激光。

4.如权利要求1所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，所述MEMS振镜（13）用于以李萨如图的轨迹进行二维振动扫描。

5.如权利要求1所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置与道路交通监控摄像头一同置于壳体中。

6.如权利要求5所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，当所述反射光线的强弱满足预先设定的要求时，所述道路交通监控摄像头将进行拍照，拍得的照片将通过网络即时传输至交通指挥中心，便于交通指挥中心对驾驶员是否酒驾进行人工核实。

7.如权利要求1－6任意一项所述基于激光雷达的电子眼一体化酒驾检测装置，其特征在于，所述起偏器（10）用1/2波片来代替。