机动车激光测速仪校准技术的研究

　　1　引　言

　　基于固定时间间隔连续多次激光测距而实现的机动车激光测速仪,是上世纪90年代发展起来的一种新型机动车行驶速度和方向的测量仪器,一般为移动式,只能用于静态测量,多采用905 nm波长的单光束脉冲激光,其测量结果准确、可靠,取证能力大于通常使用的连续波雷达测速仪,在交通管理超速监控中日益发挥着越来越大的作用。在国内,机动车激光测速仪速度指标的检测往往依靠个别速度点的现场道路比对试验来完成,使用的比对器具为机动车雷达测速仪或非接触测速仪。这种方法费时费力,对试验场地、试验车辆及环境条件、人员条件等要求较高,并且无法按照机动车激光测速仪的工作原理直接进行全量程任意速度值的量值溯源[1]。

　　实验室的检测部分也仅仅局限于机动车激光测速仪近距离激光测长准确度的测试,无法对其测速指标进行科学的校准。美、加两国的国际警察首长协会(IACP)与美国国家标准技术研究院(NIST)合作,于2004年颁布了移动式机动车激光测速仪性能指标要求的标准,规范了采用单光束脉冲激光的移动式机动车激光测速仪的检测和校准[2]。

　　近年来,国内外开始采用双光束脉冲激光的固定式机动车激光测速仪进行超速监控,显著提高了有效抓拍率,但这也对机动车激光测速仪计量检测技术提出了更高的要求,目前国际上尚未有公认的方法对双光束激光测速仪进行检测。依据移动式和固定式机动车激光测速仪共同的测量原理,本文介绍了一种基于精确时间延迟量来模拟激光脉冲传输的距离,从而校准特定脉冲重复率机动车激光测速仪速度指标的方法,能够在20~250 km/h时速范围内实现双方向机动车任意速度值的精确模拟,不确定度优于0.5%(k=2)。

　　2　机动车激光测速仪的基本测量原理

　　机动车激光测速仪按其工作方式可以分为单光束长距离红外机动车激光测速仪和双光束短距离红外机动车激光测速仪,都是基于激光测距的原理,通过半导体激光器对被测目标发射窄脉冲激光,并接收该激光脉冲的反射波,记录时间差,来确定被测目标与测试点之间的距离。机动车激光测速是对被测目标发射脉冲激光串,连续进行一系列固定时间间隔的激光测距,得到被测目标相对于测量点随时间变化的位置序列,从而最终获得被测目标移动的速度及方向,见式(1)、(2):

　　其中,Cair表示激光在空气中的传播速度,约等于299 705 663 m/s;tRT表示脉冲激光从测试点到被测目标位置的往返传播时间;d表示被测目标与测量点之间的距离;i与i+1分别表示第i次和第i+1次测量;Δt表示对应于脉冲激光串脉冲重复率的固定时间间隔;v表示被测目标的运动速度。事实上,当脉冲激光在空气中传播时,车辆仍然在继续运动,不过由于光速远远高于机动车的运动速度,测量距离又短(通常在500 m内),这部分影响对于被测目标运动速度计算带来的误差可以忽略不计。传统单光束长距离红外机动车激光测速仪,多采用905 nm波长的阵列脉冲激光二极管InGaAs发射一串单光束脉冲激光,其脉冲重复率通常不大于390 Hz,有效作用距离一般为5~500 m,测速范围20~250 km/h,测速误差为±1 km/h。