用于智能交通中的汽车激光测速系统的设计.doc
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1、用于智能交通中的汽车激光测速系统的设计2010-10-11 15:11:来源:CPS中安网 作者:【大 中 小】 摘要:随着人民生活水平的不断提高,汽车的普及率也越来越高,因而交通管理加重,急需对汽车车速有一个有效的检测手段。本文介绍可用于智能交通中较常用的微波雷达测速更准确的新的汽车激光测速系统的设计,阐述激光测速的方法与特点,汽车激光测速系统的组成与原理、硬件电路的设计、主要芯片的选用等。关键词:激光测速 脉冲法 相位法 发射模块 接收模块 芯片 硬件1、激光测速的方法与特点随着信息社会的发展和改革开放的不断深入,人民生话水平不断提高,使汽车的普及率也越来越高,交通事故也时有发生,因而迫切
2、需要对运行汽车进行检测,尤其是能对汽车车速有一个有效检测手段,这也是现代智能交通系统中的重要组成部分,是目前交通管理方面研究的热点问题。检测汽车车速,大多用微波雷达测速,它除了检测范围大等优点外,其检测速度的准确值较差,因而研发了激光测速系统。(1)激光测速的方法激光测速的主要方法有下列二类:脉冲法测速激光脉冲法测速是在测距的基础上实现测速。而激光测距是利用激光脉冲持续时间极短,能量在时间上相对集中,瞬时功率很大的特点进行测距,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程。在进行几有米的近程测距时,如果精度要求不高,即使不使用合作目标,仅利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的反射信号,
3、也可以进行测距与测速。激光脉冲法测速的原理是,当系统工作时,脉冲激光由发射单元发射,以光速到达目标物后反射回来被接收单元接收,通过激光脉冲法测距原理计算距离而得到目标物距离,进而由连续测量的距离得到某段时间内的平均速度,因为这个测量时间极短,因此这个平均速度可认为是瞬时速度,即实现脉冲激光的测速。相位法测速激光相位法测速,也可由相位测距法多次测量距离来实现。连续激光测距一般最大可测距离达百余千米,采用合作目标时可测几百至几十万千米,且精度很高。在民用领域,如地形测量、产品误差检测等系统中,得到了普遍应用。一般,连续光波型激光测距仪的距离分辨率是很高的。通常,相位分辨率要达到一个周期的千分之一是
4、很容易的。要同时保持高测量精度和大的测量范围,还必须利用数个不同的调制频率对同一距离进行测量,但这样就会增加系统的电路复杂程度。由激光相位法连续测量的距离,得到某段时间内的平均速度,就实现了激光相位法测速。(2)激光测速的特点这种激光测速具有以下几个特点:由于激光光束强、方向性好,其测速距离相对于雷达测速有效距离远,可测1km外;测速精度高,误差小于1km/h;激光光束必须要瞄准垂直于激光光束的平面反射点。由于被测车辆距离远而处于移动状态,是非合作目标而不容易瞄准。目前美国激光技术公司已生产出带连续自动测速功能的激光测速仪,专门用于解决这一问题。鉴于激光测速原理,激光测速仪不可能在运动中使用,
5、只能在静止状态下应用,所以一般交警都把仪器放在巡逻车上,停车静止时使用;激光测速仪的取证能力远远大于雷达测速仪,因而受到全世界广泛的认可和推广;目前大部分国家采用的激光测速仪使用的是一类安全激光,对人眼晴安全。目前,市场上的手持式激光测距测速仪的激光工作物质主要有下列几种:工作波长为905nm和1540nm的半导体激光器;工作波长为1064nm的YAG激光器;由于1064nm的波长对人体皮肤和眼睛是有害的,特别是如果眼睛不小心接触到了1064nm波长的激光,则对眼睛的伤害可能是永久性的.所以,在国外,手持激光测距速仪中,完全取缔了1064nm的激光.在国内,某些厂家还有生产1064nm的激光测
6、距测速仪.对于905nm和1540nm的测距测速仪,可称为 “安全”的激光测距测速仪.对于1064nm的激光测距测速仪,由于它对人体有潜在的危害性,所以被称为“不安全”的激光测距测速仪。因此,我们也选择了安全的激光器波长,设计了用激光测量汽车速度的系统。2、汽车激光测速系统的组成及原理由上述可知,相位法测速测量精度高,适于观测地形和诲浪起伏等需要更高精度的场合,但它对光路要求非常严格,设计复杂。针对民用交通测速,在远程和精度不高的情况下,脉冲测速功率较大,系统比相位法简单,易实现,更易于操作,整个系统较其他方法易达到使用者需求。因此,应用在交通控制如电子警察方面,脉冲测速法无疑是最好的一种方法
7、。但是,不管脉冲法还是相位法,激光测速系统对于测量角度要求非常高,测速系统应该正对运动物体的运动方向,测量偏差角度应该小于10o,这样才能保证准确测量。如图1所示。图1、激光测速系统测量角度示意图激光脉冲测速系统的总体结构框图如图2所示。激光脉冲测速系统主要由光学系统、硬件电路与软件处理3大部分组成。其中,光学系统部分由光学准自部分、分光系统组成;硬件电路部分由发射模块(包括脉冲驱动电路)、接收模块(包括信号放大、整形滤波、计数电路)、计算机接口电路组成;软件处理部分由CPLD脉冲驱动、计数程序和单片机串口程序,以及与上位机通信处理部分组成。在图4内,虚线框内是激光发射和接收的光学系统。图中,
8、、为双胶合透镜;、为分束镜;为窄带滤波片。这种滤波片的主峰波长为905nm,半宽2nm,主峰偏差0.5nm。激光发射模块由脉冲驱动电路、激光器、发射光学系统组成;激光接收模块由接收光学系统、光电探测器、信号放大器、整形滤波电路与计数接口电路组成。此外,激光电源由160V高压电源和12V与5V低压电源组成。激光脉冲测速系统的基本工作原理是,通过双胶合透镜,将激光器发出的脉冲光聚焦为平行光发射(即激光器的准自系统),然后一部分光经分束镜、到光电探测器,这是计时开始时刻t1;大部分光经双胶合透镜汇聚后射向目标点,经目标点反射回来的散射光先通过笮带滤波片滤除杂波,再由双胶合透镜将微弱的反射光会聚到小面
9、积的光电探测器上,这是计时结束时刻t2。这样,就可得到第1次测量的距离S1=(t2-t1)c/2。同理,对应第2次测量计时开始时刻t3与计时结束时刻t4,可得到测量的距离S2,因而可计算出这段时间内的平均速度(1)由于测量时间极短,因此这个平均速度可以认为是瞬时速度(注:任意两次测量开始的时间间隔t一样,即驱动电路重复频率的倒数)。值得提出注意的是,天气是制约激光测速的重要因素,如在大雾天气时激光测速的效果就较差。因为在激光脉冲传播途中存在漫反射,所以为扩大测量范围、提高测量精度,激光脉冲应具有足够的强度。无论怎样改善光束的方向性,总不可避免要有一定的发散,再加上空气对光的吸收和散射,目标越远
10、,反射回来的光能量就越弱,甚至根本接收不到。因此,为了测量较远的距离,一方面要使光源发射具有较高功率密度的光强;另一方面要求激光脉冲的方向性要好。这样,可以把光的能量集中在较小的发散角内,以射得更远一些,光斑更小一些,从而也可准确判断目标的方位。上述两种措施虽可扩大测量范围,但要提高测量精度,对激光脉冲也还有以下三点要求:激光脉冲的单色性要好。因为无论白天还是黑夜,空气中总会存在着各种杀杂散光,它往往会比反射回来的光信号强得多。所以,激光脉冲的单色性越好,窄带滤波片的效果就越佳,就越能够有效提高接收系统的信噪比,保证测量的准确性;激光脉冲的宽度要窄。即脉冲上升时间和持续时间要短。因为光速极快,
11、光往返时间极短,光脉冲周期至少应该远远小于光往返时间才能正常测量,并且减小测量误差,还可以提高系统的信噪比;接收的探测器的响应速度要足够快。这样,才能有效地提取脉冲信号。此外,影响激光脉冲测速的范围和精度的因素还有:接收机带宽,计数器计数的精度,天气变化,统计的脉冲误差等。3、汽车激光测速系统硬件电路的设计激光脉冲测速系统的硬件电路部分主要由发射模块、接收模块和计算机接口模块3部分组成。激光脉冲测速系统的发射模块硬件结构框架图如图3所示。图3、激光测速系统的发射模块硬件结构框架图激光测速系统的发射模块主要由激光管PGEW3S09、驱动芯片MIC4452及CPLD芯片等构成。其工作原理是,从JT
12、AG接口下载程序到CPLD芯片后,CPLD芯片不需要初始化,上电便开始工作,即为由激光管PGEW3S09提供驱动脉冲,同时驱动芯片MIC4452也开始工作。CPLD将在上电后发出极小占空比的测速脉冲,然后将脉冲送给驱动芯片MIC4452。激光管PGEW3S09的输入端连接驱动芯片MIC4452的输出端,由驱动芯片MIC4452产生大电流脉冲驱动,并使激光管PGEW3S09产生脉冲激光输出。激光测速系统的接收模块和计算机接口模块硬件结构框图如图4所示。图4、激光测速系统的接收模块和计算机接口模块硬件结构框图激光测速系统的接收模块和计算机接口模块的基本工作原理是,当激光脉冲经目标物反射回来后,由接
13、收光学系统进行聚焦,集中光能投射至雪崩光电二极管APD。APD将接收到的激光脉冲进行光电转换,变成电信号进入放大器Ua733。而放大器虽放大了信号,但也同时放大了噪声,因而不能提高信噪比。所以,要让信号继续通过比较器MAX913,这样就可设定一阈值,以提取出”干净”的脉冲信号,从而好提高测量精度。经过比较的信号进入CPLD芯片,进行计数和处理,再通过单片机处理,由串口总线送入到PC中进行计算处埋,从而显示输出所测速度值。4、汽车激光测速系统主要电路芯片选择(1)激光发射模块主要芯片选择由前述己知,激光测速系统的发射模块主要由激光管PGEW3S09、驱动芯片MIC4452及CPLD芯片等构成。选
14、定的激光二极管为美国EG&G公司生产的PGEW3S09,该管内部是一个容性负载,其典型值是300pF。显然,对一个大的电容负载进行充、放电需要很大的电流。激光二极管PGEW3S09在10kHz频率下进行工作至少需要10A的电流。并且,脉冲电流的脉冲宽度必须要小于激光管的发射光脉冲的脉宽30ns。要有能满足驱动激光二极管PGEW3S09的驱动芯片,现选定MIC4452。该芯片是MICREL公司生产的一款超强、高效,易于使用且非转化型的CMOS MOSFET驱动芯片,它能产生12A的峰值电流输出,可以绰绰有佘地驱动最大MOSFET,在没有任何外部电容和电阻网络的情况下,输入范围在2.4VUs之间。
15、电路的输入允许最大5V的负向摆动而不破坏器件。附加电路保护器件不受静电的破坏。由于PGEW3S09的容性负载为300Pf,实际上用MIC4452对应的上升和下降时间为5ns左右,这样脉冲的边沿比较陡,产生的脉冲波形比较好,有利于提高测量精度。可编程逻辑器件选用EPM7032S,它是基于Altera公司第2代多阵列矩阵(MAX)绪构,由逻辑阵列块(LAB)、可编程连线阵列(PIA)、I/O控制块等部分组成,并具有高阻抗、电可擦等特点。设计开发环境采用Altera公司的MAX+Plus 软件工具。它是一种集设计输入、编译、仿真、综合、器件编程等功能于一体的完全集成化,易学易用的可编程逻辑设计软件。
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