激光传感器在道路交通流检测中的应用

激光传感器在道路交通流检测中的应用
摘要：激光技术已经非常成熟，激光传感器在机械制造中应用广泛，但是在车辆检测方面的应用则相当稀少。

利用激光特点设计一种测量方法，该方法利用以车辆边缘触发作为检测的主要特征，用来检测车辆车速和车长，分析了激光和方法的优缺点、误差产生的原因和解决方法，提高了车辆检测的准确性。

关键字：激光；车辆检测；激光传感器；车速；车身长度
由于激光相干性好、空间控制性与时间控制性优异[1]，使得激光在工农生产、国防军事等领域得到了广泛的应用，并且激光技术的发展也相当迅速。

而且由于激光的这些特点，在车辆检测中也可以有广泛的应用。

车辆检测是智能交通系统（Intelligent Transportation System，简称ITS）中的一项关键技术，其目的是准确地获取路段车辆并且检测相关的参数（包括交通流量、车速、行程时间、车道占有率以及车流密度等），得到的结果通过分析，提供到主动安全系统。

车辆检测技术中的关键部分是传感器，目前应用于车辆检测的传感器有感应线圈传感器、红外线传感器、视频检测器、磁力传感器、超声波传感器等，这些传感器通过检测车辆通过固定的地点来得到车辆的交通流信息。

而激光传感器作为一种新兴的传感器，具有检测灵敏度高、抗干扰强等特点。

1. 激光的特点
激光属于光的一种，其本身有很多不同于普通光的特点。

主要有：
（1）单色性：激光的单色性使得激光的频率范围窄，因为相干性好而且其单色性，激光都会有一个中心频率，大部分的激光处在中心频率附近，这使得激光接收器的接收频率非常明确，其单色性在一定程度上减少了其他光源的干扰。

（2）相干性：又称同调性，描述波在传播时，其物理量在不同地点或不同时间的相关特性[2]。

激光由于受激辐射的光子在相位上是相同的，使得激光的时间相干性好，并且加上谐振腔的选模作用，使激光光束横截面上的相位关系固定，空间相干性好[3]。

这两点使得激光有很好的单色性并且频率范围相当集中。

（3）方向性：激光与普通光相比相干性好，但并非完全非相干光，所以激光还是有一定的散射角的，不过在车辆检测中的距离通常不超过30米，其散射光线微乎其微，可以忽略不计。

（4）光强度：由于其方向性和相干性优良，相同光强的激光和普通光相
比，在传输一段距离之后普通光已经发生了很大的散射，但是激光仍然能保持较高的光强。

目前激光可以做成最亮的光源，一台巨脉冲红宝石激光器的亮度可达。

由于激光以上的特性，就可以设计出一种传感器，通过检测某区域车辆的通过情况来记录并分析车辆的各种情况。

2. 设计原理：
激光与普通光源同样具有可以被遮挡的特点，如果不透明的物体存在于激光传输路径上，激光就会被遮挡，但是激光又有其相干性和方向性好的特点，使其传输过程中不会出现普通光所出现的散射现象。

利用这一点，本文提出一种简易的设计方向，对各种车道的可能行进行了不同的设计。

2.1. 车道概况分析
车道分为单向车道和双向车道两种，城市道路中双向四车道比较常见，高速公路通常为两车道加紧急停车道，目前通常为双向六车道[4]，部分交通流量大的地方可能会达到八车道或者更多。

不同的车道所占用的道路宽度不同，高速公路中双向六车道的车道总宽度大约28米，常见最宽的车道也不超过40米，以激光的特性来说，40米的距离不会造成传感器精度下降。

2.2. 传感器模型
本设计的基本原理是，在道路两旁设置激光发射器和接收器，如图1，车辆经过时阻挡激光照射，从而得到响应，用两组不同位置的激光发射器和接收器可以检测车辆经过改两点时的时间差，经过计算可以得出车辆的车长和车速。

图1激光传感器设计模型
假设两组传感器的间隔为，经过两组传感器的时间间隔为，传感器1由阻塞状态到联通状态为传感器2阻塞状态到联通状态为，则其车长表示为：
车速表示为：
该方法的计算公式简单，可以比较准确的测量单独车辆的车身长度和车速。

但是实际情况是，外界的复杂环境导致测量精度和难度变高，这是所有的传感器类设备所遇到的问题。

接下来主要针对激光传感器所遇到的问题尽行总结
2.3. 误差分析
（1）天气干扰
由于激光属于可见光，会被不透明的物体遮挡或者液体折射，所以不同的天气情况有可能会导致激光接收器接收到的信号不稳，更有甚者，如果设备没有做好防水措置，会导致设备出现故障。

天气对激光传感器的最大影响是阻碍光的传输，雨天或者雪天会导致激光的折射或阻碍，导致信号出现“闪断”，雾天则会使激光衰减[5]。

目前针对闪断，采用双传感器核对法，采用激光传感器需要两组传感器相距一段距离，车辆经过时会依次阻挡传感器光线。

假设车辆穿过传感器是匀速的，那么这两个传感器被遮挡的时间也是相似的，假设车长车速已知，其阻挡时间，车辆阻挡第一个传感器到阻挡第二个传感器的时间。

也就是说，当传感器接收到这样的信号时才会判断为有车辆经过，这样就会大幅降低雨或雪带来的干扰。

（2）设备误差
用于一般行驶的车辆车身长度通常为5米到10米，高速公路规定车辆行驶速度为[6]，则传感器遮盖时间在0.15秒到0.6秒的范围内，设备误差通常在毫秒以下，其误差率小于3%。

使用激光进行测量，其误差主要反映在设备上，因为进行检测时激光接收器只有两个状态，而触发该状态的物体为检测物体本身，所以外界带来的误差非常小。

大部分的误差为设备内部误差，这部分的误差可以用测量补偿的方式弥补，即使用同一种光束测量接收器数次，分别记下两个传感器出现的误差。

取平均值当作检测偏移值，在之后的检测中，测量值与偏移值进行计算，得出需要的数据。

其实误差与被测数据相差的数量级非常的大，可以忽略不计。

2.4. 激光传感器的特点
与其他传感器相比，激光传感器有如下特点：
1 部署简单。

与电磁类传感器相比，激光传感器的安装部署比较简单，不需要对路面进行改造，而是在道路两旁设置检测设备，不会造成交通的中断。

2 检测结果处理简单。

不同于其他传感器，该传感器不需要对检测载体进行分析，比如声学传感器需要对检测结果进行去噪音处理。

3 灵敏度高等。

而激光传感器也有一些缺点，如过高的灵敏度会在天气变化时出现错误，必须使用一定的算法进行纠正；本传感器为线检测，所以其安装位置是需要一定的测量的，而且也造成了不能检测横向重合的车辆等。

3. 总结
本文介绍了激光的特点，并且根据此特点提出了一种检测车辆车速和车长的传感器方案，并分析了误差产生的原因，阐述了该传感器的特点以及缺点。

总的来说，激光传感器的发展潜力相当巨大，加之目前多传感器联合检测技术也逐渐成为研究热点[7]，可以弥补激光传感器的不足。

希望本文能对我国的车辆检测以及激光传感器应用提供一定的参考。

参考文献：
1. 彭春华, 刘建业, 刘月峰, 晏磊, 郑江华. 车辆传感器综述[J]. 传感器与微系统, 2007, 第26卷: 4-7.
2. 周金苟. 时间相干性和空间相干性的讨论[J]. 吉安师专学报. 1998, 第19卷: 11-15.
3. 宋峰, 刘淑静. 激光基础知识[J]. 清洗世界, 2005, 第21卷: 31-3
4.
4. 魏俊峰. 准六车道高速公路通行能力研究[J]. 交通工程, 2011, 第14期: 161-163.
5. Hao Dongshan, Xie Hongjun. Photon Acceleration of Laser-plasma Based on Compton Scattering[J], Semiconductor Photonics and Technology, 2006, V ol.12, 139-144.
6. 柯熙政, 赵黎, 殷致云, 胡淑巧. 无线激光通信中差错控制实验研究[J]. 电子测量与仪器学报, 第23卷: 18-23.
7. 汤晓君, 刘君华. 多传感器技术的现状与展望[J]. 仪器仪表学报. 2005, 第26卷: 9-13.。