[科普中国]-车辆探测器

背景

随着社会经济的发展，交通量增长的需要越来越强烈，交通拥挤和堵塞现象已经成为经济持续发展的瓶颈。许多发达国家和我国一些发达地区已经基本建成了现代化公路交通网。而在城市交通中，增建或扩建道路所需的成本非常高昂。解决拥挤现象的一个替代方案是发展智能交通系统（ITS）。ITS 是通过集成运用先进的电子技术、信息技术、传感器技术和系统工程技术而建立的信息化、智能化、社会化的新型运输系统。车辆探测器是IT S 获得道路实时使用状况的主要设备。通过车辆探测器可以收集许多信息，如车辆的通过、停留存在、行车速度、车长与型号、车列长度、道路占有率等。要实现先进的交通控制和管理, 研究先进和实用的探测器是很有必要的。1

种类车辆探测器按照原理来分，主要有以下几种：1

感应线圈探测器感应线圈探测器是目前使用最为广泛的探测器。感应线圈探测器由两部分构成，即检测电路部分和感应线圈传感器。感应线圈传感器是探测车辆存在或不存在的主要部件，它由一定长度的绝缘铜线构成感应器，埋于路面下。当车辆经过线圈上方时，线圈产生感应电流，检测电路得知有车辆经过，通过进一步处理便可以得到道路使用信息。

感应线圈的优点在子可靠，廉价。缺点在于施工时需要破坏路面，干扰交通，不能使用在高架道路上；同时只能测得车辆通过信息，功能单一，如要测得车速等其他信息，需要加倍添置探测器；探测率不高，只有百分之十几。

由于金属铜线有热胀冷缩的性质，所以容易引起路面龟裂。使用中发现, 在极冷天气下, 感应线圈可能有失灵的隐患, 所以在北方的冬天,感应线圈不能使用。

超声波探测器超声波探测器是通过测量发射波来给出车辆的存在和通过信息的。探测器定向发射频率为25 k H z 、5 l0’ H z 的超声波。其中一部分发射能量会从路面或者车辆表面反射到接收端, 通过处理后即可给出车辆的存在和通过信息。典型的超声波探测器采用脉冲方式发射能量, 脉冲从发射到返回探测器所需的时间正比于探测器到地面的距离。当车辆进入超声波发射区域时, 能量会从车顶表面反射回到接收端。如果,探测器到车顶的距离与到地面的距离不一致,它就会产生一个表示检测到车辆的信号。

超声波探测器结构紧凑, 易于安装。但是对温度敏感, 且容易受到空气的干扰。同时,普通的超声波探测器只能检测车辆的通过和存在。如果要求测量车速, 成本会提高许多。

微波雷达探测器微波雷达探测器分两种, 一种是通过多普勒原理来实现车速测量的, 另一种是采用连续波频率调制来实现检测的。

多普勒雷达不断发射固定频率的雷达波,然后雷达波在正向行驶而来的车辆表面反射后返回到雷达接收装置。根据多普勒原理, 返回波与发射波的频移正比于车辆的速度。而一个频移则代表着一辆车子通过。这种探测器不能探测静止的车辆, 而且对于低速车辆, 它的测速精度较差。因此适合在高速公路上使用, 而在城市交通和十字路口则不能使用。

连续波雷达发射连续的调频波。通过测量探测器到车辆之间的距离可以检测到静止的车辆。同样道理, 通过测量车辆通过两个标志杆之间的时间可以确定车速。对于探测器来说, 标志杆相对于探测器的距离和两个标志杆之间的距离是已.知的。通过某种算法, 可以得到车速。但是雷达探测器本身价格不菲,尤其是可以探测静止和移动车辆的探测器需要有两个发射源和接收器, 因此成本相对比较高昂。

雷达探测器技术的优点突出, 它的信号抗干扰能力很强。但是它也有明显的不足, 需要有发射源才能工作。因此, 不能提供外接电源的道路不方便采用雷达探测器。

主动红外探测器其工作机理类似于微波雷达探测器。它使用一个激光二极管发射近红外的能量, 一部分能量从车辆上反射到探测器的接受器。激光雷达能够提供车辆的通过、存在和速度信息。通过测量车辆穿过两个红外光束的时间间隔, 可以计算出车辆的速度(两个红外光束之间的距离已知)。另外, 它还可以通过测量来辨认它们的轮廓。其他主动红外检测器也有用发光二极管作为信号源的。

被动红外探测器被动红外工作机理是用热电堆传感器或热释电传感器接收汽车发动机发出的热辐射并将其转变成电信号的。在汽车停止时, 通过探测汽车发动机热辐射与外界环境辐射的差异, 热电堆传感器可以得到车辆的存在信息。在行驶过程中, 几个热释电探测器分别扫描几个区域。当车辆通过某一区域时, 探测器获得一个热能信号的变化, 由此得到一个脉冲。区域之间的距离已知。通过测量脉冲产生之间的时间差可以得到车辆的速度信息。

被动红外探测器是比较理想的探测器之一。它的优势在于不需要发射源, 探测精度也较高, 可以同时探测车辆的静态和动态状态,有较高的使用价值。由于红外探测器的性能限制, 在车辆处于高速度的情况下, 测速精度会有比较明显的下降, 不适合在高速公路上使用。雾天情况下的性能较好, 但在大雨天和雪地天气下效果不甚理想。

被动声音探测器在车辆的行驶过程中, 车辆内部以及轮胎与地面之间的摩擦会产生各种声源, 发出声音能量。声音探测器是通过麦克风阵列来采集所选车道特定区域中的声音能量的。当车辆通过探测区域时, 信号处理程序探测到声音能量的增长, 这样便可得到一个车辆存在信号。

这种探测器只能测量车辆的停留, 不能测速, 功能比较单一。同时在多车道的交通道路上, 外界的声音干扰源很多, 有些干扰源发出的能量比车辆发出的能量要大, 使得探测器的精度受到很大的影响。所以被动声音探测器使用得不多。

视频图像处理器图像探测器连续拍摄道路的某一特定区域的视频图像, 传输到微机上。微机中的图像处理软件对交通图像进行数字化。通过一系列的算法来分辨图像背景的变化。采用不同手段的图像处理技术, 可以得到车辆的通过、存在、速度、长度和车道变换等信息。某些图像处理器是通过把车辆探测区域插入到视场中来检测这些区域因为车辆的经过而产生的像素的灰度变化的; 另外一些则是在整个视场中通过分辨和跟踪像素点对比度变化的轨迹来追踪车辆的。

视频图像处理方法在检测交通参数时能够同时处理包含多个车道的图像, 在管理多车道或者管理同一车道的多段区域时有很好的应用。但是它涉及一系列的图像处理技术, 研发成本很高。而且微机处理器在进行实时处理时,需要用大容量存储器来存储图像。在野外环境下, 使用寿命有限制。另外, 在雨天人行道有反光的情况下或晴天有树荫的地方, 图像对比效果有很大影响, 探测效率大大降低。

发展趋势为了弥补各种探测器之间的缺陷, 形成比较完善的探测器, 国际上现在开发的交通探测器以复合型探测器居多。1

如ASIM 公司的DT281 , 是把多普勒雷达技术与被动红外技术相结合的。在高速时, 它以雷达检测结果为主, 红外检测作为修正, 因此精度大大提高; 在低速时, 主要采用被动红外技术检测, 也能达到较高的探测率。因此在使用范围上大大增强。1

另外也有采用超声波与被动红外技术结合的探测器。被动红外探测头主要用在各种情况下检测固定的车辆, 而通过超声波探测能够精确探测车的高度。两种技术的混和使用可以降低噪声源的干扰, 降低控制被动红外探测头的重复探测频率, 从而降低功耗。

更有甚者, 国外某公司将雷达、超声波和红外技术三合一集成在一个探测器上, 从而进一步提高了探测器的探测精度和可靠性。

这些合成技术探测器的生命力在于运用广泛, 且集成度好, 对外界条件依赖小。但是由于其造价相对昂贵, 在某些特定环境下, 性价比不如普通探测器高。