CN202282073U - 基于激光和雷达的双模测速取证系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于激光和雷达的双模测速取证系统，该系统包括激光测速模块、雷达测速模块以及主控电路，所述主控电路控制连接激光测速模块和雷达测速模块。该系统利用激光和雷达两种测速方式的原理互相弥补各自的缺点，其可根据路况特点全天候全距离监测车辆超速行为。

Description

基于激光和雷达的双模测速取证系统

技术领域

本实用新型涉及一种测速技术，具体涉及一种基于激光和雷达的双模测速取证系统。

背景技术

随着现代智能交通的日益发展，超速取证设备已经成为交通管理的必备设施，其市场经过前几年的快速发展，已相对成熟。现今专用测速设备主要有视频检测、线圈、雷达和激光等几种，视频检测精度低，使用范围最小；线圈式安装时需要开挖路面，不便于迁移，现在也正趋于萎缩。因此，现在及将来可预见的很长一段时间内，测速市场主要以雷达测速和激光测速为主。雷达式的优点是便于操作，使用范围广，可移动式使用，现在占有最大的市场份额，但其主要应用于几十米左右的短距离测速，百米以上的长距离测速将导致精度大幅降低，且易受干扰；激光式的优点是精度高，抗干扰，但主要是测量百米以上长距离目标，不能测量短距离目标且使用相对复杂。

所有利用雷达波来检测移动物体速度的原理，其理论基础皆源自于[多普勒效应]。当无线电波在行进的过程中，碰到物体时会被反射，而且其反射回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反射回来的无线电波其频率是不会改变的。然而，若物体是朝着无线电波发射的方向前进时，此时所反射回来的无线电波会被压缩，因此该电波的率频会随之增加；反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反射回来的无线电波，其频率则会随之减小。

测速雷达就是检测到发射出的无线电波，及反弹回来的无线电波其间的频率变化。由这两个不同频率的差值，依特定的比例关系，而计算出该波所碰撞到的物体的速度。运动目标的多普勒频率fd符合下列关系式。

$\mathrm{fd}=\frac{2\mathrm{Vrft}}{C},$ 由它既可得出 $\mathrm{Vr}=\frac{\mathrm{fdC}}{2\mathrm{ft}};$

其中Vr为目标运动速度；C为电磁波在空气中的传播速度，是一个常数；ft为雷达的发射频率，是一个已知量；fd为测量到的运动目标引起的都卜勒频率，其测量精度由石英晶体振荡器保证。由fd，C，ft即可计算出目标运动速度Vr。但利用雷达波来检测车速时，是无法在车阵中检测到特定车辆的速度，而只能检测到开在车阵最前面，且体积较大的车子的速度。这是由于雷达波发射角度约在十至二十度间，根据车辆正面宽度基本在2至5米左右，雷达波有效作用范围就在几十米左右，如果超出这个距离，在多车道公路上两车以上并行行驶时，警察用雷达测得超速现象却无法明确认定那一部车辆违规。因此，超出这个距离范围，应考虑其他的测速方式。

参见图1，激光测速原理主要是在脉冲激光测距的基础上发展而来，激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中，瞬时功率大，可以达到很远的测程进行测距。利用半导体激光器发出一连串极细的短脉冲光束，根据每个光脉冲的飞行时间来推算出目标的实际距离，其换算公式为：S＝ct/2。式中S为待测距离；c为激光在大气中传播的速度；t为激光在待测距离上的往返传播时间。再依据测到的距离变化，来决定目标移动的速度v及方向。

根据激光的原理，激光测速具有以下几个特点：由于光束为射线，测速距离相对于雷达测速有效距离远，可测100米外；测速精度高，误差＜1公里；但激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于被测车辆距离远、且处于移动状态，而导致执勤警员使用相对复杂、易疲劳。激光测速不能在运动中使用，只能在静止状态下应用。

实用新型内容

本实用新型针对现有测速取证系统所存在的缺陷，而提供一种基于激光和雷达的双模测速取证系统，该系统利用激光和雷达两种测速方式的原理互相弥补各自的缺点，其可根据路况特点全天候全距离监测车辆超速行为。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

基于激光和雷达的双模测速取证系统，所述取证系统包括激光测速模块、雷达测速模块以及主控电路，所述主控电路控制连接激光测速模块和雷达测速模块。

在本实用新型的一优选方案中，所述激光测速模块包括激光发射模块、激光接收模块、电源，所述激光发射模块由脉冲驱动电路、激光器、发射光学系统依次连接组成，所述激光接收模块由接收光学系统、光电探测器、信号放大器、整形滤波电路和计数接口电路依次连接组成，所述电源由高压电源和低压电源组成。

在本实用新型的另一优选方案中，所述主控电路包括能将超速图像取证程序固化在其内的外部断电保存高速程序和数据存储器、总线控制单元、DSP数字信号处理器芯片、大规模逻辑处理器件FPGA、外部高速动态存储器SDRAM、视频传感器、雷达测速串口、激光测速串口、电源模块、CF卡、LCD显示模块组成，所述视频传感器通过数据总线和控制总线单元与大规模逻辑处理器件FPGA连接，DSP数字信号处理器芯片和大规模逻辑处理器件FPGA通过高速IO口相连，外部高速动态存储器SDRAM和CF卡与DSP数字信号处理器芯片相接，大规模逻辑处理器件FPGA控制连接LCD显示模块、雷达测速串口、激光测速串口，电源模块与各部分连接。

本实用新型利用激光和雷达两种测速方式的原理互相弥补各自的缺点，设计一种基于激光测速和雷达测速的双模式式测速及取证系统，根据路况特点全天候全距离监测车辆超速行为，为一线交警提供一种新型的智能交通执法仪器。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为激光测速示意图。

图2为本实用新型的结构示意图。

图3为本实用新型中激光测速模块的框图。

图4为测量ΔT示意图。

图5为本实用新型中主控电路的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

参见图2，本实用新型提供的基于激光和雷达的双模测速取证系统包括激光测速模块100、雷达测速模块200以及主控电路300，其中主控电路300控制连接激光测速模块100和雷达测速模块200。

雷达测速模块200主要利用现有市场上普遍使用的雷达探头，其输出接口协议为标准RS232串行接口，主控电路300接收雷达探头输出的串行数据，根据协议格式分析出被测车辆的速度等数据，根据道路限速值判断车辆是否超速。

参见图3，激光测速模块100主要由激光发射模块101，激光接收模块102，激光电源3部分组成。

激光发射模块101由脉冲驱动电、激光器、发射光学系统依次相接组成。

激光接收模块102由接收光学系统、光电探测器、信号放大器、整形滤波电路和计数接口电路连接组成。

激光电源由高压电源(200V左右)和低压电源(12V，5V，3.3V)组成。

参见图5，主控电路300包括能将超速图像取证程序固化在其内的外部断电保存高速程序和数据存储器301、总线控制单元302、DSP数字信号处理器芯片303、大规模逻辑处理器件FPGA304、外部高速动态存储器SDRAM305、150万像素视频传感器305、雷达测速串口307、激光测速串口308、电源模块309、CF卡310、LCD显示模块311组成。

其中150万像素视频传感器306采集机动车超速时刻的视频数据，通过数据总线和控制总线单元302与大规模逻辑处理器件FPGA304连接.

DSP数字信号处理器芯片303和大规模逻辑处理器件FPGA304通过高速IO口相连。

外部高速动态存储器SDRAM305、DSP数字信号处理器芯片303、大规模逻辑处理器件FPGA304、CF卡310、LCD显示模块311通过总线控制单元302和数据总线，地址总线相互连接。

雷达测速串口307、激光测速串口308连接于大规模逻辑处理器件FPGA304

电源309与各部分连接。

根据上述方案形成的取证系统中，其激光测速设计方法如下(参见图3)：

当系统对准目标(如汽车号码牌)后，激光器发出一个很强很窄的激光脉冲，这个光脉冲经过透镜①，压缩了它的发散角，压缩后它的光束发散角一般是几个毫弧度，使得激光器发出的脉冲光聚焦为平行光发射(即激光器准直系统)。这样的光脉冲射到几百米远地方，才只有零点几米直径的一个光斑(一般实际测量距离为100-300米左右)。

在脉冲发射出去的同时，其中极小一部分光立即到达探测信号的光敏二极管，于是光信号变成电信号，即光脉冲变成电脉冲。这个电脉冲经放大，整形滤波后送入时间测量系统，使其开始计时。把它作为发射参考信号，用来标识激光发出的时间，这是计时开始时刻t1。

而射向目标的光脉冲由于目标的漫反射作用，总有一部分光从原路反射回来，于是射向目标的光脉冲在经透镜③汇聚后射向目标点，经目标点反射回来的散射光先通过窄带滤波片⑥滤除杂波，再由透镜⑤将微弱的反射光会聚到小面积的光电探测器(雪崩二极管)上，经过光电转换器变成电脉冲，再经过放大整形电路而进入时间测量系统，这是计时结束时刻t2，使其停止计时。由此便可以得到激光往返的时间。

这样可以得到第一次测量距离：S1＝(t2-t1)*c/2。同理，对应第二次测量计时开始时刻t3，计时结束时刻t4，测量距离S2，任意两次测量开始的时间间隔Δt一样。可以计算得出这段时间内的速度：V1＝(S1-S2)/(t4-t2)再经过多次测量及跟据最小二乘法运算，即可得出车辆速度V。得出车辆速度后同样通过RS232接口输出到控制模块，主控部分根据道路限速值判断车辆是否超速。

由于光速是恒定的，要获得距离，因此测量光脉冲从发射，经目标反射回，并接收到之间的光飞行时间ΔT是精确测距、测速的关键。

对于ΔT的测量如图4所示，START脉冲是在激光管旁边的光敏二极管收到的。STOP脉冲是雪崩接收管收到的经过波形整形的脉冲。T12的时长通过计数器记数获得，START、STOP时长的获得是通过二个高精度的线性充电器的时幅转换来完成的。光飞行时间ΔT＝T12+T1-T2。

由于激光波发射角度只有不到十分之一度；激光狹窄光束使得两车被同时探测到的机会等于零；因此以激光测速可以明确认定受测目标。

本实用新型的具体应用如下：

整个双模式测速系统可分解为短距离和长距离两种方式，长距离测速切换到激光测速，短距离测速切换到雷达测速，距离的分界有操作人员自主设定，一般限定在50-100米之间。结构上采用一体化整机形式，采用双路摄像，一路拍清楚80-200米内车辆牌照，另一路拍车辆周围道路状况，实现车牌特写与全景拍摄，提高取证可靠性。一旦测速仪测到超速车辆，高速图像捕捉器即刻把两路摄像机拍到的图像存到CF卡上，图像上叠加有测速仪送来的速度、距离、时间、日期和设定的地点、警号、限速、照片编号及机号等信息，同时通过无线网络实时地把图像传输到终端服务器，服务器端建立以牌照识别为基础的专用数据库系统提供各类服务，后台专用数据库系统也可通过Internet网络与前端道路执法点联系，及时处理超速违章车辆。

在夜间，配备专用夜拍闪光灯可拍清楚50-100米处远的车辆；夜拍专用光源放置在测速取证仪前端，两者通过无线方式遥控触发。一旦测速仪测到超速车辆，测速仪首先触发闪光灯亮，在闪光灯亮的瞬间高速图像捕捉器即刻把两路摄像机拍到的图像存到CF卡上，其余操作与日间相同，解决了白天夜间全天候工作的问题。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.基于激光和雷达的双模测速取证系统，其特征在于，所述取证系统包括激光测速模块、雷达测速模块以及主控电路，所述主控电路控制连接激光测速模块和雷达测速模块。

2.根据权利要求1所述的基于激光和雷达的双模测速取证系统，其特征在于，所述激光测速模块包括激光发射模块、激光接收模块、电源，所述激光发射模块由脉冲驱动电路、激光器、发射光学系统依次连接组成，所述激光接收模块由接收光学系统、光电探测器、信号放大器、整形滤波电路和计数接口电路依次连接组成，所述电源由高压电源和低压电源组成。

3.根据权利要求1所述的基于激光和雷达的双模测速取证系统，其特征在于，所述主控电路包括能将超速图像取证程序固化在其内的外部断电保存高速程序和数据存储器、总线控制单元、DSP数字信号处理器芯片、大规模逻辑处理器件FPGA、外部高速动态存储器SDRAM、视频传感器、雷达测速串口、激光测速串口、电源模块、CF卡、LCD显示模块组成，所述视频传感器通过数据总线和控制总线单元与大规模逻辑处理器件FPGA连接，DSP数字信号处理器芯片和大规模逻辑处理器件FPGA通过高速IO口相连，外部高速动态存储器SDRAM和CF卡与DSP数字信号处理器芯片相接，大规模逻辑处理器件FPGA控制连接LCD显示模块、雷达测速串口、激光测速串口，电源模块与各部分连接。

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