CN210198958U

CN210198958U - 用于测量道路标线光度性能的装置

Info

Publication number: CN210198958U
Application number: CN201920723416.4U
Authority: CN
Inventors: Huayang He; 何华阳; Jinjin Cao; 曹瑾瑾; Yingqi Xue; 薛瑛琪; Jinning Zhang; 张金凝; Xiaokun Han; 韩晓坤; Mengjie Wang; 王梦婕
Original assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Current assignee: Research Institute of Highway Ministry of Transport
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-03-27
Anticipated expiration: 2029-05-20

Abstract

用于测量道路标线光度性能的装置属于公路计量技术领域。装置主要由测量主机、激光器、接收器、反光镜、半透半反镜、螺旋式出光调控口等部分组成，激光由激光器发出后，经过激光器扩束整形模块，被内部光学镜组传输到杂光滤波器上，并透过杂光滤波器由螺旋式出光调控口发出，照射到被测物体上，在被测物体上发生逆反射后，由螺旋式出光调控口通过杂光滤波器，进入装置腔体，并经过内部光学镜组传输到明视觉滤光器上，最后被接收器接收。激光从激光器到螺旋式出光调控口之间的光程和激光从螺旋式出光调控口到接收器的光程相同。本装置实现了开放光路条件下的道面状况测量，抗干扰能力强，测量速度快，无需封闭交通，测量精度高。

Description

用于测量道路标线光度性能的装置

技术领域

用于测量道路标线光度性能的装置属于多功能快速检测车领域。

背景技术

以多功能快速检测车为代表的检测移动实验室已经成为公路工程相关量值的主要检测工具。随着公路计量技术的发展，公路计量移动实验室也必将成为行业发展的新亮点。

道面状况：本专利所述道面状况指道路标线的逆反射光学性能状况。逆反射：道路标线的逆反射与镜面反射和漫反射不同，它是指光以入射角88.76°入射到道路标线上，再以与入射光夹角为1.05°的角度反射的特殊光学现象。

随着公路交通建设的大力发展，道路交通标线逆反射测量装置的市场分额越来越大，施工单位、监理单位、检测单位和生产单位对道路交通标线逆反射测量的需求不断增加。目前行业重点实验室拥有测试道路交通标线光度性能的仪器，但是现有仪器在使用过程中有许多局限性。例如，现有的便携式标线逆反射测试仪只能用于道路交通标线的实验室测试及已施工标线的接触式测试，测试条件要求严格，不适用于大面积快速测量。目前道路交通标线现场检测时，均采用人工手段，即检测人员使用便携式标线逆反射测试仪进行现场人工测量，不仅劳动强度大、工作效率低、检测成本高，而且数据采集量有限，代表性不强，检测数据复现性受到限制。同时，在已开放交通的道路现场，如此作业危险性极强，安全隐患无时不在。项目组在调查中发现，由于存在上述问题，部分检测机构采用检测样品的方式评价实际工程施划标线，导致检测结果无法反应实际道路交通标线质量，道路安全基础设施质量无法得到有效保证。

2018年315晚会反映了个别道路标线产品生产企业为了谋取利益，偷工减料，采用送检样品的方式逃避监管，导致检测结果无法反应实际道路标线质量，道路安全基础设施质量无法得到有效保证，公路工程质量的监督管理急需快速高效的现场计量支持。因此，本专利提出用于测量道路标线光度性能的装置。

公路计量移动实验室可以实现质量监督和检测机构管理的现场抽样和现场计量，为质量管理提供快速准确的依据。建立公路计量移动实验室是强化计量监督管理，服务经济社会发展的一个有效措施。通过公路计量移动实验室，使公路计量服务走进市场，走进企业，实现超前服务、跟踪服务、现场服务，更有效更及时的为公路工程质量监督提供保障，使公路计量移动实验室成为服务社会的又一有力手段。

目前用来测量道面状况的传统技术和设备是基于封闭光路的以标准A光源为主体的便携式逆反射标线测量仪。

逆反射标线测量仪一般由标准A光源和接受器组成，其中标准A光源色温为2856K±50K。逆反射标线测量仪进行道面状况测量时采用人工手段，即检测人员使用便携式标线逆反射测试仪进行现场人工测量，测量相对示值误差一般为±5％。

现在技术存在以下缺点：

1)测量速度慢。由于现有技术制造的设备在测量前需要手动进行自校准，单个标线测量耗时约5分钟。

2)严重依赖环境条件。测量结果容易受到外界光线照射的影响，因此现有技术需要设备和被测对象处于一个封闭环境，如果设备和被测对象之间存在其他光源，则设备无法测量得到准确的结果，示值误差会大于100％。

3)需要封闭道路交通。由于是手持式设备，且测量速度较慢，因此在道路测量过程中需要封闭交通，以保证测量人员的安全。

4)测量示值误差较大。现有技术的相对示值误差为±5％，无法满足实际工程需求。

发明内容

本专利所述装置主要由测量主机、激光器、接收器、反光镜、半透半反镜、螺旋式出光调控口等部分组成，硬件连接图如图1所示。

本专利所述装置整体是封闭式的，内部充满了惰性气体，整体防护等级优于IP67。

数据无线发送模块、数据有线传输模块、主机、接收器运动模块、接收器、明视觉滤光器、反光镜、45°反光镜b、45°反光镜c、45°双向反光镜、反光镜倾角调节模块、45°反光镜d、半透半反镜、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、激光器扩束整形模块、激光器、激光器运动模块、自校准运动模块、自校准45°反光镜、自校准标准样品以及杂光滤波器均在装置腔体内。

腔体取样口在装置腔体下部，腔体取样口后放置了自校准标准样品，打开腔体取样口可取出自校准标准样品，或可以将自校准标准样品固定在装置腔体内。

螺旋式出光调控口在装置腔体的右侧。螺旋式出光调控口以自身的几何中心轴线为中心轴，能够根据需要扩大螺旋式出光调控口的孔径。

主机、数据有线传输模块、数据无线发送模块安装在装置腔体内部左侧。主机输出的数据可以通过数据有线传输模块或者数据无线发送模块传输出去。接收器安装在接收器运动模块上。接收器前段安装明视觉滤光器，用来调整接收器的光谱响应，使得与CIE标准明视觉观测器的响应误差不大于3％。

激光器安装在激光器运动模块上。激光器前段安装激光器扩束整形模块，用来将激光器输出的激光光斑直径扩大到10mm-200mm，并且使得激光器输出的激光光束为平行光。

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成光学镜组。其中45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成入射光镜组。45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成逆反射光镜组。

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h具有相同的反射率F。半透半反镜的透射率和反射率在数值上相同；45°双向反光镜两侧的反射率相同。

45°反光镜h、45°反光镜f、45°反光镜e和激光器、激光器扩束整形模块被同一条直线水平穿过中心点。

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜d、半透半反镜和螺旋式出光调控口被同一条直线水平穿过中心点。

45°反光镜c、45°反光镜g和双向反光镜被同一条直线水平穿过中心点。接收器、明视觉滤光器和45°反光镜a被同一条直线竖直穿过中心点。

45°反光镜b和45°反光镜c被同一条直线竖直穿过中心点。

45°反光镜d、45°反光镜h和45°双向反光镜被同一条直线竖直穿过中心点。

45°反光镜f和45°反光镜g被同一条直线竖直穿过中心点。

半透半反镜、45°反光镜e和激光光束截止器被同一条直线竖直穿过中心点。

激光由激光器发出后，经过激光器扩束整形模块，被内部光学镜组传输到杂光滤波器上，并透过杂光滤波器由螺旋式出光调控口发出，照射到被测物体上，在被测物体上发生逆反射后，由螺旋式出光调控口通过杂光滤波器，进入装置腔体，并经过内部光学镜组传输到明视觉滤光器上，最后被接收器接收。激光从激光器到螺旋式出光调控口之间的光程和激光从螺旋式出光调控口到接收器的光程相同。

本实用新型实现了开放光路条件下的道面状况测量，抗干扰能力强，不会受到太阳光等外界环境的影响。本实用新型测量速度快。单个标线的测量耗时不大于0.03s。本实用新型无需封闭交通。本专利可加载在汽车或无人机上，可在时速100km/h下进行测量。本实用新型测量精度高，本专利的测量示值误差可达±2％。

附图说明

图1位移和移动时间同步校准装置硬件连接示意图

图1中，1-1为装置腔体，1-2为腔体取样口，1-3为螺旋式出光调控口，2-1为数据无线发送模块，2-2为数据有线传输模块，2-3为主机，3-1为接收器运动模块，3-2为接收器，3-3为明视觉滤光器，4为45°反光镜a，5为45°反光镜b，6为45°反光镜c，7-1为45°双向反光镜，7-2为反光镜倾角调节模块，8为45°反光镜d，9为半透半反镜，10为45°反光镜e，11为45°反光镜f，12为45°反光镜g，13为45°反光镜h，14-1为激光器扩束整形模块，14-2为激光器，14-3为激光器运动模块，15-1为自校准运动模块，15-2为自校准45°反光镜，16为自校准标准样品，17为杂光滤波器，18为激光光束截止器。

图2装置及方法的技术方案流程图

图3激光光束在入射光镜组内的传播过程

图4激光光束在逆反射光镜组内的传播过程

图5具体实例1的技术方案流程图

具体实施方式

本专利所述装置的主机主要功能为：控制接收器运动模块、激光器运动模块、反光镜倾角调节模块、自校准运动模块、螺旋式出光调控口、数据有线传输模块以及数据无线发送模块；在自校准模式下控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到和45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜d、半透半反镜和螺旋式出光调控口被同一条直线水平穿过中心点，在结束自校准或非自校准模式下控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到初始位置，且该位置使得自校准运动模块和自校准45°反光镜不会接收到激光光束；在自校准模式下计算得到入射光强；在非自校准模式下读取接收器输出的数据，计算出被测道面标线的逆反射系数；控制螺旋式出光调控口调整自身的孔径；控制反光镜倾角调节模块来控制45°双向反光镜的角度，可以改变入射光从螺旋式出光调控口射出的角度；控制接收器运动模块和激光器运动模块，改变接收器的角度和激光器的角度，以实现在设定入射角下的激光光束的发射，以及使得接收器能够完整的接收到逆反射光。

螺旋式出光调控口可以采用快门机构，且顶部具有一透射率接近100％的透明玻璃或塑料。

自校准标准样品可以为反射率为定值K的镜面，自校准标准样品的摆放位置使得由自校准45°反光镜反射的光以入射角0.525°入射，并以0.525°出射，最后射入自校准45°反光镜上。

本专利所述装置的激光器扩束整形模块由激光扩束器和激光整形器组成。

本专利所述装置主要由测量主机、激光器、接收器、反光镜、半透半反镜、螺旋式出光调控口等部分组成。

总体技术方案实现过程如下：

(1)装置上电后进入初始化，主机控制接收器运动模块和激光器运动模块，使得接收器的角度和激光器的角度处于初始设定值；主机控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到初始位置，且该位置使得自校准运动模块和自校准45°反光镜不会接收到激光光束；主机控制反光镜倾角调节模块来控制45°双向反光镜的角度为45°；控制螺旋式出光调控口调整自身的孔径为激光光束通过激光器扩束整形模块后的激光光束直径的2倍；接收器初始示值置零。

(2)激光器发出激光光束，激光光束通过激光器扩束整形模块后，使得激光光束的直径不小于被测道面标线的宽度，激光光束的直径扩大为200mm。

(3)激光光束照射到45°反光镜h上，被反射到45°双向反光镜上后反射到45°反光镜g上，激光光束反射到45°反光镜f后反射到45°反光镜e，激光光束反射到半透半反镜上，50％的激光光束透射过半透半反镜进入激光光束截止器。首次测试时主机设置为自校准模式，主机控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到和45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜d、半透半反镜和螺旋式出光调控口被同一条直线水平穿过中心点，50％的激光光束照射到自校准45°反光镜上，激光光束经过反射后照射到自校准标准样品上，经自校准标准样品反射后激光光束返回自校准45°反光镜，再被反射到半透半反镜上，此时50％的激光光束透过半透半反镜照射到45°反光镜d，反射到45°反光镜c上，依次被45°反光镜c、45°反光镜b和45°反光镜a反射后进入明视觉滤光器，并透过明视觉滤光器进入接收器。

(4)接收器将采集到的测量数据InitData传输到主机中，主机记录数据后退出自校准模式，主机控制控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到初始位置，且该位置使得自校准运动模块和自校准45°反光镜不会接收到激光光束。

(5)激光器发出激光光束，激光光束通过激光器扩束整形模块后，使得激光光束的直径不小于被测道面标线的宽度，激光光束的直径扩大为200mm。

(6)激光光束照射到45°反光镜h上，被反射到45°双向反光镜上后反射到45°反光镜g上，激光光束反射到45°反光镜f后反射到45°反光镜e，激光光束反射到半透半反镜上，50％的激光光束透射过半透半反镜进入激光光束截止器。50％的激光光束通过杂光滤波器由螺旋式出光调控口射出。

(7)若为激光初次射出，则将螺旋式出光调控口对准空中，激光在空中产生逆反射后返回螺旋式出光调控口，并通过杂光滤波器进入半透半反镜。

(8)若不为激光初次射出，则激光光束照射到被测道面标线上。激光光束在被测道面标线上发生逆反射，激光光束以1.05°的夹角返回螺旋式出光调控口，并通过杂光滤波器进入半透半反镜。

(9)50％的激光光束透射后进入45°反光镜d，经过45°反光镜d、45°反光镜c、45°反光镜b、45°反光镜a的反射后，透过明视觉滤光器进入接收器。

(10)若为激光初次射出，接收器将采集到的测量数据TestDataB传输到主机中，主机记录数据后进行计算逆反射率系数W，W＝(InitData-TestDataB)/KF²。若不为激光初次射出，接收器将采集到的测量数据TestDataC传输到主机中，则主机记录数据后计算逆反射系数N，N＝TestDataCKF²/W。其中K为自校准标准样品的反射率，F为45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h具有的反射率。

(11)计算得到的逆反射系数被保存在主机中，并通过数据有线传输模块、数据无线发送模块传出。

(12)重复上述(5)～(11)，直至停止测试。

(13)停止测试。

实例1硬件连接示意图、流程图

本专利可用于测量路面标线的逆反射系数，其流程图如下：

实例1技术方案实现过程

参考图5所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：

(1)装置上电后进入初始化，各项示值清零。

(2)激光器开始工作，激光光束由装置内部射出。

(3)若此时装置处于自校准模式，则进行自校准，接收器采集的数据被主机记录为InitData，自校准结束后退出自校准模式，激光光束由螺旋式出光调控口射出。

(4)若此时装置不处于自校准模式，则激光光束由螺旋式出光调控口射出。

(5)若此时为激光光束初次射出，则第一次测量需要将螺旋式出光调控口对准空中，激光光束在空中发生逆反射后由螺旋式出光调控口射入。接收器将采集到的测量数据TestDataB传输到主机中，主机记录数据后进行计算逆反射率系数W，W＝(InitData-TestDataB)/KF²。其中K为自校准标准样品的反射率，F为45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h具有的反射率，W为逆反射率系数。

(6)若此时不是激光光束初次射出，则测量时将螺旋式出光调控口对准被测道面标线，使得发射出的激光光束与道面标线的夹角为88.76°，激光光束经过道面标线逆反射后由螺旋式出光调控口射入。接收器将采集到的测量数据TestDataC传输到主机中，则主机记录数据后计算逆反射系数N，N＝TestDataCKF²/W。其中K为自校准标准样品的反射率，F为45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h具有的反射率，W为逆反射率系数。

(7)若继续测量，则重复上述步骤(2)-(6)，若不继续测量，则停止工作。

本专利实现了快速测量道面标线逆反射系数，单个标线的测量耗时不大于0.03s，极大提高测量的工作效率，为道路安全设施光度性能的动态测量提供了技术支持。

本专利抗干扰性强，能够在开放光路条件下进行测量，即不同于传统的逆反射测量技术需要在封闭的暗空间产生逆反射并进行测量的技术约束，本专利可以在任何空间下测量发生的逆反射，不会受到太阳光等外界环境的影响。本专利的测量精度较高，可达到±2％。

本专利应用到工作中的成本低，无需封闭交通，可通过加载在汽车或无人机上以在时速100km/h下进行测量。

采用激光器作为光源进行道面标线状况测量，利用激光器亮度高、方向性好、单色性好以及相干性好等特点，实现开放光路的测量，本专利和被测对象之间可以存在其他光源，并且不会影响测量结果，测量示值误差不大于2％。

激光器和激光器扩束整形模块的结合，使得本专利为一个准直装置，无需考虑孔径的影响，减少了不确定因素的引入。

本专利提高了测量速度，由于采用专利设计的结构，加快了测量过程中进行自校准的速度，控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到和45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜d、半透半反镜和螺旋式出光调控口被同一条直线水平穿过中心点耗费的时间约为0.008s，在结束自校准或非自校准模式下控制自校准运动模块使得自校准45°反光镜移动到初始位置耗费的时间约为0.008s，光线传播的时间可以忽略不计，接收器的响应时间不大于0.005s，考虑到装置中的其他因素干扰，单个标线的测量时间可不大于0.03s，使得装置可以加载在汽车或无人机上在时速100km/h的速度下进行测量。

结合本专利设计的光路，使得激光光束自激光器发射出后到被测物体间的光程等于激光光束由被测物体逆反射后到达接收器的光程，减少了光束在传播过程中的非对称损耗，为提高测量准确性提供了基础。并且，由于本专利可以在约为0.021s的时间内完成一次自校准，因此每次测量前均可以保证是使用刚经过自校准的装置进行测量，降低了系统误差。实验表明(部分实验数据见下表)，测量示值误差不大于±2％。

本专利内置自校准标准样品，且充满了惰性气体，避免了外界环境对自校准标准样品的损坏，使得自校准标准样品的反射率能够长期保持不变，保证了装置每次校准的标准值都是准确可靠的，不会因此提高装置的示值误差。

Claims

1.用于测量道路标线光度性能的装置，其特征在于：

所述装置整体是封闭式的，内部充满了惰性气体；数据无线发送模块、数据有线传输模块、主机、接收器运动模块、接收器、明视觉滤光器、反光镜、45°反光镜b、45°反光镜c、45°双向反光镜、反光镜倾角调节模块、45°反光镜d、半透半反镜、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、激光器扩束整形模块、激光器、激光器运动模块、自校准运动模块、自校准45°反光镜、自校准标准样品以及杂光滤波器均在装置腔体内；

腔体取样口在装置腔体下部，腔体取样口后放置了自校准标准样品，螺旋式出光调控口在装置腔体的一侧；

接收器安装在接收器运动模块上；接收器前段安装明视觉滤光器；

激光器安装在激光器运动模块上；激光器前段安装激光器扩束整形模块，用来将激光器输出的激光光斑直径扩大到10mm-200mm，并且使得激光器输出的激光光束为平行光；

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成光学镜组；其中45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成入射光镜组；45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、半透半反镜以及45°双向反光镜共同组成逆反射光镜组；

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜c、45°反光镜d、45°反光镜e、45°反光镜f、45°反光镜g、45°反光镜h具有相同的反射率F；半透半反镜的透射率和反射率在数值上相同；45°双向反光镜两侧的反射率相同；

45°反光镜h、45°反光镜f、45°反光镜e和激光器、激光器扩束整形模块被同一条直线水平穿过中心点；

45°反光镜a、45°反光镜b、45°反光镜d、半透半反镜和螺旋式出光调控口被同一条直线水平穿过中心点；

45°反光镜c、45°反光镜g和双向反光镜被同一条直线水平穿过中心点；接收器、明视觉滤光器和45°反光镜a被同一条直线竖直穿过中心点；

45°反光镜b和45°反光镜c被同一条直线竖直穿过中心点；

45°反光镜d、45°反光镜h和45°双向反光镜被同一条直线竖直穿过中心点；

45°反光镜f和45°反光镜g被同一条直线竖直穿过中心点；

半透半反镜、45°反光镜e和激光光束截止器被同一条直线竖直穿过中心点；

激光由激光器发出后，经过激光器扩束整形模块，被内部光学镜组传输到杂光滤波器上，并透过杂光滤波器由螺旋式出光调控口发出，照射到被测物体上，在被测物体上发生逆反射后，由螺旋式出光调控口通过杂光滤波器，进入装置腔体，并经过内部光学镜组传输到明视觉滤光器上，最后被接收器接收；激光从激光器到螺旋式出光调控口之间的光程和激光从螺旋式出光调控口到接收器的光程相同。