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专利名称：一种激光测速仪及激光测速方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于移动式或固定式车辆交通管理系统中的脉冲式激光测速仪及其激光测速方法，属于速度测量技术领域。
背景技术：
在交通工程上，速度是计量与评估道路绩效和交通状况的基本重要数据之一。速度数据的搜集方法有许多种，包括人工测量固定距离行驶时间、压力皮管法、线圈法、影像处理法、雷达测速法与激光测速法等，其中后两者属于携带容易而且精确度高的方法，因此我国交通部门普遍使用微波雷达测速方法和激光测速法对车辆进行测速，但这种两种测速方法目前还存在诸多缺陷；雷达的发散角很大，在测量范围内有多辆车的情况下容易出现误判，而且近年来市场上出现了探测雷达微波的“电子狗”反侦测装置，它能提前提醒车主电子眼或测速雷达的存在，那么微波雷达测速就起不到应有的作用；中国国家知识产权局于1999-3-10公开了名为“一种斜波辅助测时精密脉冲激光测速仪”的专利，利用斜波辅助测时方法提高测时和测距的精度，最终实现测速精度的提高；但由于斜波辅助测时通过模拟电路对电容充电实现，而模拟电路易受外界环境影响，故其稳定性欠佳；且由于激光回波信号会根据不同反射率目标而变化由此而产生测距误差，这一误差会严重影响测速精度， 现有技术并未对其进行处理因而不能达到所谓的高精度测速。

发明内容
本发明所要解决的问题就是针对现有技术所存在的缺陷提供一种激光测速仪及激光测速方法，仪器结构简单、操作方便、成本低的，通过激光回波信号的处理结合高精度距离修正，实现激光测速的高精度。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种激光测速仪，包括微处理单元、显示测速结果的显示单元、由微处理单元触发工作的激光发射单元、接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元，其特征在于还包括由激光发射单元在发出信号的同时触发计时的计时单元以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元；所述计时单元的信号触发端与激光发射单元连接，计时单元的信号输出端连接微处理单元；所述回波边沿转换单元的信号输入端与激光接收单元连接，回波边沿转换单元的信号输出端连接计时单元的信号输入端。进一步的，所述计时单元包括第一计时电路与第二计时电路，计时单元中设有信号输入端Tl、信号输入端T2、信号触发端T3、信号输出端01及信号输出端02，其中信号输入端Tl与信号输出端01连接第一计时电路，信号输出端02连接第二计时电路，信号输入端T2与信号触发端T3由第一计时电路与第二计时电路共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元，所述的信号输出端01与信号输出端02连接微处理单元。进一步的，所述信号输出端01与信号输出端02均为四线制SPI接口。进一步的，所述回波边沿转换单元包括第一比较电路、第二比较电路以及为第一比较电路、第二比较电路提供不同门限电压的门限电路；回波边沿转换单元中设有信号输入端TO、信号输出端03、信号输出端04，其中信号输入端TO通过门限电路分别连接第一比较电路与第二比较电路，信号输出端03连接第一比较电路，信号输出端04连接第二比较电路；所述信号输入端TO连接激光接收单元，所述信号输出端03与计时单元中的信号输入端 Tl相连，信号输出端04与计时单元中的信号输入端T2相连。为解决上述技术问题，本发明还提出了一种激光测速方法，其特征在于包括如下步骤1)微处理单元输出信号触发激光发射单元发出激光脉冲信号；激光发射单元在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元开始计时；2)激光接收单元接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元；3)回波边沿转换单元将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元；4)计时单元接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；5)微处理单元从计时单元中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。进一步的，回波边沿转换单元的激光回波信号处理与微处理单元距离值修正方法包括1)设定η个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；η个目标物的标准距离设定为DOl DOn ；回波边沿转换单元中设定门限电压Vl与门限电压V2，且V2 > Vl ；2)向具有标准距离DOn标定的第η个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为Vl时的目标距离Dln以及门限电压为V2时的目标距离D2n ；Dln与D2n即为两个时间间隔所对应的两个距离值；3)目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差设为AD，那么第η个目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差ADn = D2n-Dln ；4)按照步骤2)、3)测量得出η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离Dll Dln ；η个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21 D2n ；η个目标物的目标距离差 ADl ADn ；5)以标准距离DOl DOn作为应变量，η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离 Dll Dln作为自变量1，η个目标物的距离差ΔDl-ΔDn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0' =HilXDl' +m2X AD' +b，并求出参数自变量1的修正系数ml，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值DO'，DO'即为修正距离值。进一步的，微处理单元通过计时单元获得两个时间间隔后，利用公式S = Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值；其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元所记录的时间间隔。本发明的有益效果回波边沿转换单元对激光回波信号的处理、计时单元的高精度时间间隔测量结合微处理单元对数据信号的修正，最终通过微处理单元的计算可得到高精度的速度值，有效的提高了激光测速的精度与稳定性，而且结构简单，操作简便，符合产业的发展趋势，在车辆交通管理中具有广阔应用前景。


下面结合附图对本发明做进一步的说明图1为本发明激光测速仪的结构原理框图；图2为计时单元的结构示意图；图3为回波边沿转换单元的结构示意图；图4为本发明激光测速仪对激光回波信号的处理与修正的流程图；图5为本发明激光测速仪的测速流程图。
具体实施例方式参照图1-3，一种激光测速仪，包括微处理单元1，显示测速结果的显示单元2、由微处理单元1触发工作的激光发射单元3，接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元4，还包括由激光发射单元3在发出信号的同时触发计时的计时单元5以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元6 ；所述计时单元5的信号触发端与激光发射单元3 连接，计时单元5的信号输出端连接微处理单元1 ；所述回波边沿转换单元6的信号输入端与激光接收单元4连接，回波边沿转换单元6的信号输出端连接计时单元5的信号输入端。优选实施方案计时单元5包括第一计时电路51与第二计时电路52，计时单元5 中设有信号输入端Tl、信号输入端T2、信号触发端T3、信号输出端01及信号输出端02，其中信号输入端Tl与信号输出端01连接第一计时电路51，信号输出端02连接第二计时电路 52，信号输入端T2与信号触发端T3由第一计时电路51与第二计时电路52共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元3，所述的信号输出端01与信号输出端02连接微处理单元1。 其中的信号输出端01与信号输出端02均为四线制SPI接口。第一计时电路51与第二计时电路52中采用电路采用德国ACAM公司的TDC系列高精度时间间隔测量芯片作为计时元件。回波边沿转换单元6包括第一比较电路61、第二比较电路62以及为第一比较电路61、 第二比较电路62提供不同门限电压的门限电路63 ；回波边沿转换单元6中设有信号输入端TO、信号输出端03、信号输出端04，其中信号输入端TO通过门限电路63分别连接第一比较电路61与第二比较电路62，信号输出端03连接第一比较电路61，信号输出端04连接第二比较电路62 ；所述信号输入端TO连接激光接收单元4，所述信号输出端03与计时单元5 中的信号输入端Tl相连，信号输出端04与计时单元5中的信号输入端T2相连。参照图5，一种激光测速方法，包括如下步骤1)微处理单元1输出信号触发激光发射单元发出激光脉冲信号；激光发射单元3 在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元5开始计时；2)激光接收单元4接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元6 ；3)回波边沿转换单元6将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元5 ；4)计时单元5接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；5)微处理单元1从计时单元5中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。上述测速方法的一个具体操作实施例1)先设定激光发射单元3发出测速激光脉冲组数为n，脉冲发射频率为f，设定其中一组脉冲的粗略脉冲个数为a ；利用回波边沿转换单元对激光回波信号的处理与微处理单元对距离值的修正方法测得a个脉冲所对应的修正值，设为Sl & ；η取值范围为15 30，频率f彡200Hz, a的取值范围为5 10 ；2)由公式VO = f X (Sa-Sl) +a计算目标速度VO ；3)根据目标速度VO确定其中一组脉冲的精确脉冲个数al ；4)按脉冲发射频率f发射出一组测速激光脉冲，精确脉冲个数为al，利用回波边沿转换单元对激光回波信号的处理与微处理单元对距离值的修正方法测得al个脉冲所对应的修正值，设为Sl' Ml'；al的取值范围为2 10，VO与al关系如下当VO彡25Km/h时，al = 10 ；当25Km/h < VO ^ 60Km/h 时，al = 5 ；当 60Km/h < VO ^ 100Km/h 时，al = 3 ；当 VO > 100Km/h, al = 2 ；5)对Sl' Ml'进行升序排列，取第(al+l)/2整数个作为最终的距离值SL ；如al = 4，则取Sl' S4 ‘中的第2个作为最终的距离值SL ；若al = 7，则取 Sl' S7'中的第4个作为最终的距离值SL;6)按照步骤4)、步骤5)计算得出η组激光脉冲的距离值SLl SLn ；距离值SLl SLn作为应变量，时间tl tn为自变量(tn = n/f)，进行一元线性回归建模SL' = Vt+B， 求出初始距离参数B与斜率参数V，其中斜率参数V即为最终速度值，初始距离参数B不影响测速值，因此在实际的操作中可不做计算。参照图4，本发明激光测速仪对激光回波信号的处理与修正的流程图1)设定η个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；η个目标物的标准距离设定为DOl DOn;设定第一比较电路61的门限电压为VI，第二比较电路62的门限电压为 V2, V2 > Vl ；2)向具有标准距离DOn标定的第η个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为Vl时的目标距离Dln以及门限电压为V2时的目标距离D2n ；微处理单元1通过计时单元5获得两个时间间隔后，利用公式S = Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值，其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元5所记录的时间间隔；3)目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差设为AD，那么第η个目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差ADn = D2n-Dln ；4)按照步骤2)、3)测量得出η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离Dll Dln ；η个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21 D2n ；η个目标物的目标距离差 ADl ADn ；5)以标准距离DOl DOn作为应变量，η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离 Dll Dln作为自变量1，η个目标物的距离差ΔDl-ΔDn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0' =HilXDl' +m2X AD' +b，并求出参数自变量1的修正系数ml，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值DO ‘，至于ml、m2、b系数的计算属于本领域技术人员的公知技术，因此不作详述。参照表1 (单位米)为上述距离修正方法实施例的数据分析图表中选取了具有不同标准距离DO标定的16个目标物；其中标准距离为上述 DOl DOn中的16个，实测距离为上述Dll Dln中对应的16个，距离差值为上述Δ Dl ADn中相应的16个。修正1结果为不带距离差值的修正值，表中修正1误差最大为0. 543米；修正2结果为经本发明回波边沿转换单元6回波处理、微处理单元1修正后带距离差值的修正值DO ‘，修正2误差最大仅为-0. 085米，修正2结果与修正2误差之差为标准距离，修正2结果与修正1结果相比测距精度有了大幅提高，相应的测速精度也应此而提高。表 权利要求
1.一种激光测速仪，包括微处理单元(1)、显示测速结果的显示单元O)、由微处理单元(1)触发工作的激光发射单元(3)、接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元 G)，其特征在于还包括由激光发射单元C3)在发出信号的同时触发计时的计时单元(5) 以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元(6)；所述计时单元(5)的信号触发端与激光发射单元C3)连接，计时单元( 的信号输出端连接微处理单元(1)；所述回波边沿转换单元(6)的信号输入端与激光接收单元(4)连接，回波边沿转换单元(6)的信号输出端连接计时单元(5)的信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种激光测速仪，其特征在于所述计时单元( 包括第一计时电路(51)与第二计时电路(52)，计时单元(5)中设有信号输入端Tl、信号输入端T2、 信号触发端T3、信号输出端01及信号输出端02，其中信号输入端Tl与信号输出端01连接第一计时电路(51)，信号输出端02连接第二计时电路(52)，信号输入端T2与信号触发端 T3由第一计时电路(51)与第二计时电路(5 共用；所述信号触发端T3连接激光发射单元(3)，所述的信号输出端01与信号输出端02连接微处理单元(1)。
3.根据权利要求2所述的一种激光测速仪，其特征在于所述信号输出端01与信号输出端02均为四线制SPI接口。
4.根据权利要求2所述的一种激光测速仪，其特征在于所述回波边沿转换单元(6) 包括第一比较电路(61)、第二比较电路(62)以及为第一比较电路(61)、第二比较电路(62) 提供不同门限电压的门限电路(6 ；回波边沿转换单元(6)中设有信号输入端TO、信号输出端03、信号输出端04，其中信号输入端TO通过门限电路(6 分别连接第一比较电路 (61)与第二比较电路(62)，信号输出端03连接第一比较电路(61)，信号输出端04连接第二比较电路(6 ；所述信号输入端TO连接激光接收单元G)，所述信号输出端03与计时单元(5)中的信号输入端Tl相连，信号输出端04与计时单元(5)中的信号输入端T2相连。
5.一种激光测速方法，其特征在于包括如下步骤1)微处理单元(1)输出信号触发激光发射单元C3)发出激光脉冲信号；激光发射单元 (3)在发出激光脉冲信号的同时触发计时单元(5)开始计时；2)激光接收单元(4)接收并放大由目标物反射回来的激光回波信号，将其输入回波边沿转换单元(6)；3)回波边沿转换单元(6)将激光回波信号处理为两路具有时间差的信号输入计时单元⑶；4)计时单元(5)接收到两路具有时间差的信号并停止计时，获得两个时间间隔；5)微处理单元(1)从计时单元( 中获取两个时间间隔进行计算得出这两个时间间隔所对应的两个距离值，对这两个距离值进行修正得出最终的修正距离值；根据修正距离值计算得出最终速度值。
6.根据权利要求5所述的一种激光测速方法，其特征在于回波边沿转换单元(6)的激光回波信号处理与微处理单元(1)距离值修正方法包括1)设定η个不同反射率并具有不同标准距离标定的目标物；11个目标物的标准距离设定为DOl DOn ；回波边沿转换单元(6)中设定门限电压Vl与门限电压V2，且V2 > Vl ；2)向具有标准距离DOn标定的第η个目标物发射一激光脉冲信号，分别测量门限电压为Vl时的目标距离Dln以及门限电压为V2时的目标距离D2n ；Dln与D2n即为两个时间间隔所对应的两个距离值；3)目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差设为AD，那么第η个目标物在门限电压Vl与门限电压V2时的目标距离差ADn = D2n-Dln ；4)按照步骤2)、；3)测量得出η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离Dll Dln印个目标物在门限电压为V2时的目标距离D21 D2n ；η个目标物的目标距离差ADl ADn;5)以标准距离DOl DOn作为应变量，η个目标物在门限电压为Vl时的目标距离 Dll Dln作为自变量1，η个目标物的距离差ADl-ADn作为自变量2进行二元线性回归建模；D0' =HilXDl' +m2X AD' +b，并求出参数自变量1的修正系数ml，自变量2的修正系数m2、零点修正系数b，得出最后的修正值DO'，DO'即为修正距离值。
7.根据权利要求6所述的一种激光测速方法，其特征在于微处理单元(1)通过计时单元(5)获得两个时间间隔后，利用公式S = Ct/2分别求出目标物在第一个时间间隔所对应的距离值以及第二个时间间隔所对应的距离值；其中S即为目标距离，C为光速，t为计时单元(5)所记录的时间间隔。
全文摘要
本发明公开了一种激光测速仪及激光测速方法，激光测速仪包括微处理单元，显示测速结果的显示单元、由微处理单元触发工作的激光发射单元，接收由目标物反射的激光回波信号的激光接收单元，还包括由激光发射单元在发出信号的同时触发计时的计时单元以及可输出两路具有时间差信号的回波边沿转换单元；所述计时单元的信号触发端与激光发射单元连接，计时单元的信号输出端连接微处理单元；所述回波边沿转换单元的信号输入端与激光接收单元连接，回波边沿转换单元的信号输出端连接计时单元的信号输入端。仪器结构简单、操作方便、成本低的，通过激光回波信号的处理结合高精度距离修正，实现激光测速的高精度。
文档编号G01P3/68GK102221631SQ20111008644
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月6日 优先权日2011年4月6日
发明者刘崇求, 左罗, 范益群, 郑国军 申请人:金华市蓝海光电技术有限公司