（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，天津 300456）

隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度的加快和出行的增加，城市交通已成為中國交通系統(tǒng)發(fā)展的“瓶頸”，特別是大、中城市，由于車輛增加速度較快，許多城市都還處于建設(shè)發(fā)展期，因此，車輛、行人和道路之間的矛盾日益突出，道路交通問題日益嚴(yán)峻。比如交通堵塞和交通事故頻發(fā)，又給人們的生活增添了煩惱和不幸。據(jù)調(diào)查，交通堵塞很大程度上是因?yàn)椴糠竹{駛者不遵守交通規(guī)則導(dǎo)致交通事故所致，而每100例交通事故中，由于超速行駛造成的又占60%以上。而且凡是由于超速所導(dǎo)致的交通事故，大部分都是惡性事故，對駕駛者、乘員以及第三者都造成嚴(yán)重傷害。所以，超速行駛問題，在交通安全中至關(guān)重要。因此研制一種測速系統(tǒng)十分有必要，基于激光原理的測速方法很早就被人提出來，但由于其安裝困難一直沒有得到廣泛的應(yīng)用，本文提出的基于LabVIEW的汽車激光測速在根本上提高了數(shù)據(jù)運(yùn)算速度，提高了測量精度[1]。

1 汽車激光測速原理

把激光運(yùn)用于測速領(lǐng)域很早已經(jīng)被人提出來，目前激光測速方法主要有脈沖法測速和相位法測速，雖然激光相位測速方式的測量精度比脈沖激光測速方式要高，但是脈沖激光測速卻有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：（1）在相同的總平均光功率輸出的條件下，脈沖激光測速系統(tǒng)可測量的距離遠(yuǎn)比相位激光測速系統(tǒng)要大。主要是因?yàn)槊}沖激光通?？梢杂泻芨叩乃查g輸出激光功率，使較遠(yuǎn)處的目標(biāo)物仍能反射回足夠被檢測到的光信號強(qiáng)度；（2）測量速度較快，脈沖激光測距只需要收到回波脈沖即結(jié)束計(jì)時，所以采取某些計(jì)時方式時，其單次測量所需要的時間非常短，而理想情況下連續(xù)2次測量就可以得到目標(biāo)物體的瞬時速度。反之，由于相位法所測量的是2個“連續(xù)信號”間的相對相位差，因此在測量時間上也比較費(fèi)時，這對于汽車激光測速是一項(xiàng)不利因素；（3）對于相位調(diào)制，影響激光測量精度的除大氣溫度、氣壓和濕度等外在因素外，還包括系統(tǒng)自身的激光發(fā)射功率、測量平均次數(shù)和調(diào)制頻率及其穩(wěn)定性等參數(shù)。而且，如果光電信號與調(diào)制源具有相同的頻率，就會限制測相精度。這是由于調(diào)制源存在與光電信號頻率相同的泄漏場，它與光電信號發(fā)生相干作用，降低了信噪比特別是在回波信號很弱的時候。因此這種方法受系統(tǒng)和自身影響比較大；（4）不需要合作目標(biāo)，隱蔽和安全性能好。相位激光測速通常需要合作目標(biāo)，并且在目標(biāo)物處放置反射鏡等裝置，來提高回波功率，而脈沖激光測速有很高的瞬時功率，不需要目標(biāo)有合作性，其隱蔽性和安全性均較高。

通過對上述幾種測量方法的比較可以看出，不同的測量方法適合于不同測距范圍，脈沖測量法適合于遠(yuǎn)距離的測量，相位測距法適合于中遠(yuǎn)距離的測量，測量的精度隨著測量距離的要求各不相同。

本文主要針對的是民用的交通測速，在遠(yuǎn)程和精度不高的情況下，脈沖測速功率較大、易實(shí)現(xiàn)，整個系統(tǒng)較其他方法易達(dá)到使用者需求。因此，脈沖測速法無疑是最好的一種方法。所以下文主要介紹脈沖法測速[2-3]。

脈沖激光測速是在測距的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)測速。而激光測距是利用激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中，瞬時功率很大的特點(diǎn)進(jìn)行測距，在有合作目標(biāo)的情況下，脈沖激光測距可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測程，在進(jìn)行幾百米的近程測距時，如果精度要求不高，即使不使用合作目標(biāo)，只是利用被測目標(biāo)對脈沖激光的漫反射所取得反射信號，也可以進(jìn)行測距和測速。系統(tǒng)工作時，激光由發(fā)射單元發(fā)射，以光速到達(dá)目標(biāo)物后反射回來被接收單元接收通過距離計(jì)算與顯示單元得到目標(biāo)物距離，進(jìn)而由連續(xù)測量距離得到某段時間內(nèi)的平均速度，因?yàn)檫@個測量時間極短，因此這個平均速度可以認(rèn)為是瞬時速度，即實(shí)現(xiàn)脈沖激光的測速。脈沖法測速原理如圖1所示。

圖1 脈沖法測速原理Fig.1 Principle block diagram of pulse method

虛線框內(nèi)是激光發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)。①③⑤為雙膠合透鏡，用于激光器的準(zhǔn)直和會聚光。將激光管發(fā)射出的調(diào)制光進(jìn)行準(zhǔn)直，使發(fā)射光能集中，提高測程；將目標(biāo)反射回來的光信號進(jìn)行聚焦，集中光能投射至接收探測器，提高接收靈敏度，改善接收信噪比。②④為分束鏡。⑥為窄帶濾波片。濾光片主峰波長905 nm，半寬2 nm，主峰偏差0.5 nm。由于脈沖激光測速是在測距的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，先介紹脈沖法測距原理。脈沖法測距是通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的時間來換算出距離的，其換算公式為

式中：S為待測距離；c為激光在大氣中傳播的速度；t為激光在待測距離上的往返傳播時間。這里，c作為已知量，t作為待測量。

激光脈沖測距的工作過程為當(dāng)系統(tǒng)對準(zhǔn)目標(biāo)（如汽車號碼牌）后，激光器發(fā)出一個很強(qiáng)很窄的激光脈沖，這個光脈沖經(jīng)過雙膠合透鏡①，壓縮了它的發(fā)散角，壓縮后它的光束發(fā)散角一般是幾個毫弧度，使得激光器發(fā)出的脈沖光聚焦為平行光發(fā)射（即激光器的準(zhǔn)直系統(tǒng)）。這樣的光脈沖射到幾公里遠(yuǎn)的地方，才只有幾米直徑的一個光斑，一般我們的實(shí)際測量距離為300 m左右，這樣光斑更小。

在脈沖發(fā)射出去的同時，其中極小一部分光立即由2塊分束鏡②④反射到探測器，它作為發(fā)射參考信號，用來標(biāo)識激光發(fā)出的時間，這是計(jì)時開始時刻t1。參考信號到達(dá)探測信號的光電轉(zhuǎn)換器（雪崩管），于是光信號變成電信號，即光脈沖變成電脈沖。這個電脈沖經(jīng)放大、整形濾波后送入時間測量系統(tǒng)，使其開始計(jì)時。而射向目標(biāo)的光脈沖由于目標(biāo)的漫反射作用，總有一部分光從原路反射回來，于是射向目標(biāo)的光脈沖在經(jīng)雙膠合透鏡③匯聚后射向目標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)目標(biāo)點(diǎn)反射回來的散射光先通過窄帶濾波片⑥濾除雜波，再由雙膠合透鏡⑤將微弱的反射光會聚到小面積的光電探測器上，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器變成電脈沖，再經(jīng)過放大整形電路而進(jìn)入時間測量系統(tǒng)，這是計(jì)時結(jié)束時刻t2，使其停止計(jì)時。由此便可以得到激光往返的時間。

這樣可以得到第一次測量距離為

同理，對應(yīng)第二次測量計(jì)時開始時刻t3，計(jì)時結(jié)束時刻t4，測量距離S2，可以計(jì)算得出這段時間內(nèi)的平均速度為

因?yàn)闇y量時間極短，因此這個平均速度可以認(rèn)為是瞬時速度。

天氣是制約激光測速的重要因素，如在大霧天氣使用激光測速的效果可能會很差。由于在激光脈沖傳播途中存在漫反射，因此為了擴(kuò)大測量范圍，提高測量精度激光脈沖應(yīng)該具有足夠的強(qiáng)度。無論怎樣改善光束的方向性，它總不可避免要有一定的發(fā)散，再加上空氣對光線的吸收和散射，所以目標(biāo)越遠(yuǎn)，反射回來的光能量就越弱，甚至根本接收不到。

為了測量較遠(yuǎn)的距離，就要使光源發(fā)射具有較高功率密度的光強(qiáng)。另外一個要求是激光脈沖的方向性要好。這樣可以把光的能量集中在較小的發(fā)散角內(nèi)，以射得更遠(yuǎn)一些，光斑更小一些，另一方面可以準(zhǔn)確判斷目標(biāo)的方位。

上文2種措施可以擴(kuò)大測量范圍，但是要提高測量精度對激光脈沖也有要求：一是激光脈沖的單色性要好。無論是在白天還是黑夜，空氣中總會存在著各種雜散光線，其往往會比反射回來的光信號強(qiáng)得多。光脈沖的單色性越好，窄帶濾波片的效果就越佳，就越能夠有效提高接收系統(tǒng)的信噪比，保證測量的準(zhǔn)確性；二是激光脈沖的寬度要窄，即脈沖上升時間和持續(xù)時間要短。由于光速極快，光往返時間極短，光脈沖至少應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于往返時間才能正常測量，并且減小測量誤差，還可以提高系統(tǒng)的信噪比；三是探測器的響應(yīng)速度要足夠快，才能有效提取脈沖信號。

影響脈沖激光測速范圍和精度的因素還有接收機(jī)帶寬、計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)精度；天氣變化；統(tǒng)計(jì)的脈沖誤差等[4-6]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件包括發(fā)射單元、接收與數(shù)據(jù)采集電路，發(fā)射單元發(fā)送7.5 MHz的脈沖激光。接收與數(shù)據(jù)采集電路用于接收發(fā)射單元反射回來的激光。

2.1 發(fā)射單元設(shè)計(jì)

發(fā)射單元由CPLD、驅(qū)動芯片、激光器、耦合器、功率放大器組成，如圖2所示。由驅(qū)動芯片驅(qū)動激光發(fā)射器發(fā)出頻率為7.5 MHz的激光信號，大部分功率經(jīng)過耦合、功率放大器發(fā)射出去。發(fā)射信號在遇到目標(biāo)后發(fā)生反射，反射信號由激光探測器接收。

圖2 激光測速系統(tǒng)發(fā)射單元Fig.2 Emission unit of laser velocimetry system

從JTAG口下載程序到CPLD芯片后，CPLD芯片不需要初始化，上電便開始工作，即為激光管提供驅(qū)動脈沖，同時驅(qū)動芯片也開始工作。CPLD將在上電后發(fā)出極小占空比的測速脈沖，然后將脈沖送給驅(qū)動芯片。激光管的輸入端連接驅(qū)動芯片的輸出端，由驅(qū)動芯片產(chǎn)生的大電流脈沖驅(qū)動并產(chǎn)生脈沖激光。激光器發(fā)射出的激光經(jīng)耦合器進(jìn)行耦合，在經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大，使激光器發(fā)射出的激光可以達(dá)到很遠(yuǎn)的距離[5]。

2.2 接收單元與數(shù)據(jù)采集單元

接收模塊包括探測器、放大器、比較器、研華數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)，如圖3所示。其工作原理為激光脈沖經(jīng)過反射后由光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行聚焦，集中光能投射至接收探測器，接收探測器工作在高電壓。接收探測器將接收到的激光脈沖進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，變成電信號進(jìn)入放大器。雖然放大器對信號進(jìn)行了放大，但是同時也對噪聲進(jìn)行了放大，也就是說并不能提高信噪比。因此我們讓信號繼續(xù)通過比較器，設(shè)定一定的閾值，提取出“干凈”的脈沖信號，以提高測量精度。比較器把提取的干凈脈沖信號傳送到數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡是虛擬儀器的入口，它將調(diào)理后的信號以一定的采樣頻率采集并存儲至數(shù)據(jù)采集卡。本文選用研華公司生產(chǎn)的PCI-1714UL高速數(shù)據(jù)采集卡，它采用12位分辨率的高速AD轉(zhuǎn)換器，板載8 KB的FIFO存儲區(qū)，采樣頻率最高可達(dá)10 MS/s。板卡通過PCI總線與工控機(jī)相連，利用工控機(jī)的內(nèi)存作為采樣數(shù)據(jù)的海量緩沖存儲器，隨后在程序的控制下完成數(shù)據(jù)的高速采集與處理。

圖3 汽車激光測速系接收單元Fig.3 Receiving unit of automobile laserspeed measuring system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)是由美國國家儀器公司（NI）在 1986年提出的一種構(gòu)成儀器系統(tǒng)的新概念，其基本思想是用計(jì)算機(jī)資源取代傳統(tǒng)儀器中的輸入、處理和輸出等部分，實(shí)現(xiàn)硬件核心部分的模塊化和最小化；用計(jì)算機(jī)軟件和儀器軟面板實(shí)現(xiàn)儀器的測量和控制功能。與傳統(tǒng)的測量儀器相比具有更好的靈活性和適應(yīng)性，同時它們的核心功能都是一樣的：采集數(shù)據(jù)、對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后顯示處理結(jié)果[7]。LabVIEW是NI公司開發(fā)的虛擬儀器平臺，采用工程人員熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)等圖形化符號來代替常規(guī)基于文字的語言程序，通過定義和連接代表各種功能模塊的圖標(biāo)，方便迅速地創(chuàng)建虛擬儀器。軟件的設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元。

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集是虛擬儀器設(shè)計(jì)中的核心，直接影響到后面數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，影響系統(tǒng)其他功能的實(shí)現(xiàn)。目前數(shù)據(jù)采集卡型號很多，本系統(tǒng)采用的是研華公司生產(chǎn)的PCI-1714高速數(shù)據(jù)采集卡。由于是第三方的硬件產(chǎn)品，在編寫數(shù)據(jù)采集程序之前首先要安裝研華公司為其數(shù)據(jù)采集控制卡開發(fā)的 32位LabVIEW驅(qū)動程序，該程序提供了一個調(diào)用32位DLL驅(qū)動程序的接口。編程時通過調(diào)用驅(qū)動函數(shù)就可以方便地訪問底層寄存器，實(shí)現(xiàn)對板卡的相關(guān)操作。在用3位DLL驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)采集程序時有中斷觸發(fā)、DMA（直接存儲器存?。┯|發(fā)和看門狗觸發(fā)3種方法可選。本系統(tǒng)采用DMA觸發(fā)方式，用該方式進(jìn)行采集時，采樣數(shù)據(jù)在沒有CPU介入的情況下直接在設(shè)備和內(nèi)存間傳輸，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度[7]。數(shù)據(jù)采集部分的程序流程如圖4所示。首先調(diào)用DeviceOpen子VI完成打開設(shè)備的操作，在本程序中打開的設(shè)備即為PCI-1714數(shù)據(jù)采集卡，該子VI加載板卡的驅(qū)動程序到內(nèi)存，完成板卡的初始化，使其做好I/O的準(zhǔn)備工作。然后選擇EnableEvent子VI啟動事件機(jī)制，允許設(shè)備驅(qū)動向用戶發(fā)送預(yù)定的事件，再調(diào)用 MultiChannelD-MA ExSetup子VI啟動總線主控DMA數(shù)據(jù)采集操作，采集到的數(shù)據(jù)會從板載FIFO存儲區(qū)輸出到內(nèi)部緩沖區(qū)。Mult iChannelDMA ExSetup子VI運(yùn)行時將自動調(diào)用AllocINT Buf子VI，用來為總線主控的DMA數(shù)據(jù)采集操作分配緩存的大小。接下來通過WaitFastA IOEvent子VI來等待預(yù)定事件的發(fā)生，當(dāng)接收到AI_BufferChange事件后調(diào)用FA IT rans-fer子VI及時地把數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩存?zhèn)鬏數(shù)接脩艟彺鎱^(qū)，用于后面的數(shù)據(jù)處理顯示等操作。數(shù)據(jù)采集完成或用戶選擇終止采集后，調(diào)用FAIS top子VI使驅(qū)動停止采集操作，隨后完成釋放資源 （調(diào)用FreeINT Buf子VI）以及關(guān)閉設(shè)備 （調(diào)用De-vice-Close子VI）等結(jié)束工作。

圖4 信號采集流程Fig.4 Flow chart of signal acquisition

3.2 數(shù)據(jù)處理與顯示

LabVIEW具有高效、強(qiáng)大、靈活的數(shù)據(jù)處理功能，可以解決復(fù)雜的信號分析和處理的問題[8]。在本系統(tǒng)中只需2次測量經(jīng)反射回來的激光由激光測距方法便可求得汽車的速度。因此就要求得2次激光信號的時間間隔，使用基于N I2T IOTM技術(shù)的專用計(jì)數(shù)器定時器系列板卡進(jìn)行信號時間間隔的測量時，用戶可以通過調(diào)用LabVIEW函數(shù)庫中的 Two-Signal Edge-Separations Measurement.vi函數(shù)，并配合其他函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)測量。測量時可以使用硬件板卡上自帶的高精度時鐘作為計(jì)數(shù)器的時基信號，通過將圖5所示的被測信號1與計(jì)數(shù)器板卡上的AUXLIN E相連，使用信號1的下降沿啟動計(jì)數(shù)器的時基脈沖計(jì)數(shù)；同時將被測信號2與計(jì)數(shù)器板卡上的GATE相連，由信號2的下降沿停止計(jì)數(shù)器。并由計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值計(jì)算出信號1與信號2的時間間隔，即St=t2-t1。雖然使用專用的計(jì)數(shù)器?定時器硬件板卡，可以方便地進(jìn)行信號時間間隔的測量，但是很多板卡并不支持N I2T IO技術(shù)，如E系列的多功能數(shù)據(jù)采集卡采用DAQ2STC系統(tǒng)時鐘控制芯片，LabVIEW并沒有對應(yīng)的函數(shù)完成信號時間間隔的測量，因此用戶需要充分掌握硬件板卡的特點(diǎn)，并靈活應(yīng)用LabVIEW編制相應(yīng)的程序。由于無法實(shí)現(xiàn)對信號時間間隔的直接測量，采用將數(shù)字通道與計(jì)數(shù)器組合使用的方法實(shí)現(xiàn)對信號時間間隔的測量。將一路計(jì)數(shù)器與一路數(shù)字信號輸入端口組合使用，由被測信號控制計(jì)數(shù)器的啟動和停止，根據(jù)計(jì)數(shù)器所記錄時基信號的脈沖個數(shù)，即可得到相應(yīng)的時間值。測量時，用信號1的第一個下降沿（即t1時刻）控制計(jì)數(shù)器啟動；用信號2的第一個下降沿（即t2時刻）控制計(jì)數(shù)器停止。處理計(jì)數(shù)器所記錄的時基脈沖個數(shù)即可以求得信號1與信號2的時間間隔。在程序中用Event or Time Counter Config.vi高級函數(shù)配置計(jì)數(shù)器，使用此函數(shù)可以配置計(jì)數(shù)器的工作方式。配置好的計(jì)數(shù)器在 CounterStart.vi的作用下開始計(jì)數(shù)，并在信號 2的下降沿到來時由CounterStop.vi停止計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值則由CounterRead.vi讀出。將計(jì)數(shù)程序配以外圍的控制線路，即可實(shí)現(xiàn)對信號時間間隔的準(zhǔn)確測量。若用戶需要更為精確的測量，可用兩路計(jì)數(shù)器與數(shù)字口配合進(jìn)行測量，另外，通過添加硬件資源，也可以測量多路信號之間的時間間隔。得到激光的不同反射信號，由本文第一部分介紹的激光測速原理，便可以很容易的求得汽車的速度。

圖5 信號時間間隔示意Fig.5 Time interval diagram of signal

4 結(jié)語

本文首先介紹了激光測速的原理和激光測速的2種方法，通過對比決定采用激光脈沖法實(shí)現(xiàn)對汽車的測速，提出了一套基于激光原理的汽車測速方法，并用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對激光反射信號的采集與處理，采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性，并且縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，在汽車測速領(lǐng)域?qū)abVIEW和虛擬儀器的使用具有很大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

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