激光脈沖調(diào)制技術(shù)在車載逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x上的應(yīng)用

■陳楊利 郎彥宇 肖 敏

（1.福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福州 350001；2.北京京衢科技有限責(zé)任公司，北京 100070；3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116）

1 標(biāo)線檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

道路標(biāo)線廣泛應(yīng)用于我國(guó)的公路交通中，其對(duì)于改善車輛的行駛條件、提升公路的輸送能力作用十分明顯，它不僅在車輛行駛中起引導(dǎo)作用，更是傳遞規(guī)范化信息、疏導(dǎo)交通的重要紐帶，是道路交通中必不能少的配置條件。 逆反射亮度系數(shù)能夠直接反映道路標(biāo)線視認(rèn)性能的優(yōu)劣， 影響交通安全，是道路標(biāo)線各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中最為重要的指標(biāo)，現(xiàn)階段主要由人工測(cè)量完成，費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、且在交通通行環(huán)境下作業(yè)不安全。

1.1 逆反射亮度系數(shù)測(cè)量方法

逆反射亮度系數(shù)測(cè)試是測(cè)試逆反射材料光度性能的主要方法。 逆反射材料就其自身來(lái)說(shuō)不是光源，并不會(huì)發(fā)光發(fā)亮，它主要是以自身作為光的反射器，把所受接收到的光反射回光源處，這種形式即所說(shuō)的逆反射[1]。 由于逆反射材料的逆反射亮度系數(shù)與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的情況關(guān)系很大，故測(cè)試逆反射亮度系數(shù)的場(chǎng)景應(yīng)模擬實(shí)際應(yīng)用時(shí)逆反射材料的所處環(huán)境狀態(tài)，保持模擬環(huán)境，比如光源、入射角度即入射方向等和逆反射材料使用情況相同[2]。 逆反射亮度系數(shù)測(cè)量主要通過(guò)相對(duì)測(cè)量法和絕對(duì)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量[3-4]。

1.1.1 相對(duì)測(cè)量法

相對(duì)測(cè)量法主要指在普通道路上能夠進(jìn)行的測(cè)量，其通過(guò)將測(cè)量結(jié)果和預(yù)先測(cè)量的樣板的數(shù)值進(jìn)行比較，從而得到標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)的一個(gè)相對(duì)的數(shù)值。 相對(duì)測(cè)量法主要被應(yīng)用于道路標(biāo)線施工后的工程驗(yàn)收。 相對(duì)測(cè)量法的逆反射亮度系數(shù)的測(cè)量對(duì)測(cè)量的幾何模型有一定的要求，一般情況下，要求車輛前面的燈源高度應(yīng)是0.65 m，駕駛員的視線高度應(yīng)是1.2 m，光接收器前向的光源與被測(cè)標(biāo)線距離為30 m 時(shí)光源入射角（即光源與法線夾角）應(yīng)為88.76°，駕駛員觀測(cè)角（即光源與光接收器夾角）為1.05°，此外還要求光源的照度應(yīng)是1 lx。 只有當(dāng)逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x與道路標(biāo)線形成圖1 所示幾何模型，逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x才可以相對(duì)準(zhǔn)確地模擬駕駛員駕駛過(guò)程中的視野范圍，這個(gè)幾何模型是進(jìn)行標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量時(shí)必須的幾何模型，已經(jīng)被大部分西方國(guó)家所承認(rèn)并大量使用。

圖1 逆反射亮度系數(shù)測(cè)量幾何模型

1.1.2 絕對(duì)測(cè)量法

絕對(duì)測(cè)量法一般指在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量標(biāo)線樣品的逆反射亮度系數(shù)，但由于樣品的不確定性，所測(cè)量的逆反射亮度系數(shù)無(wú)法直接、全面反映實(shí)際道路標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)。 該測(cè)量方法按照J(rèn)T/T 689-2007《逆反射系數(shù)測(cè)試方法共平面幾何法》在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)量，幾何模型與相對(duì)測(cè)量法相同，要求可視距離為30 m，入射角為1.24°，觀測(cè)角為1.05°（圖1）。2種逆反射亮度系數(shù)測(cè)量方法雖有所差異， 但其幾何模型及原理是相同的。

1.2 影響逆反射亮度系數(shù)測(cè)量的因素

F.Sametoglu 等[5]通過(guò)改變光源電流與電壓，在保持穩(wěn)定電流的前提下，將逆反射亮度系數(shù)測(cè)量誤差減小至0.026%。 董會(huì)君等[6]發(fā)現(xiàn)逆反射亮度系數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性受測(cè)量光源不穩(wěn)定性、 光源尺寸等干擾。 王丹等[7]發(fā)現(xiàn)水的反射可增大車輛反光標(biāo)識(shí)的逆反射亮度系數(shù)。 Philip Siegmann 等[8]指出了彩色CCD、相機(jī)光、入射光及環(huán)境雜光的干擾，并通過(guò)設(shè)計(jì)干擾光路提高了逆反射亮度系數(shù)測(cè)量的準(zhǔn)確性。杜穎等[9]研究指出，試驗(yàn)材料表面的逆反射光場(chǎng)能量在2 種不同光源情況下的分布規(guī)律基本一致，故進(jìn)行逆反射亮度系數(shù)測(cè)量可采用近距離的發(fā)散光代替遠(yuǎn)距離的平行光。

綜上所述， 研制一種逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x，使其受光照等外界環(huán)境干擾小，并適用于車輛可移動(dòng)、連續(xù)測(cè)量十分必要。 本文擬采用激光調(diào)制技術(shù)調(diào)制合適光源以測(cè)量逆反射亮度系數(shù)。

2 激光脈沖調(diào)制技術(shù)

激光調(diào)制有間接調(diào)制與直接調(diào)制2 類[10]。 直接調(diào)制操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)有效，鑒于半導(dǎo)體激光器體積相對(duì)較小，重量較輕，其效率相對(duì)較高，同時(shí)還具備價(jià)格略低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，自然成為車載逆反射測(cè)量?jī)x的最佳選擇，根據(jù)發(fā)光二極管的功率與電流的線性比例關(guān)系，即可調(diào)制所需光頻，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光源輸出。

半導(dǎo)體激光器受到電流的激勵(lì)，在其內(nèi)部雜質(zhì)（受主或施主）能級(jí)和能帶（導(dǎo)帶與價(jià)帶）之間，或者能帶之間會(huì)產(chǎn)生反轉(zhuǎn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其與空穴復(fù)合后會(huì)被激發(fā)，形成相位相同、波長(zhǎng)基本相同，而且強(qiáng)度較大的相干輻射光源，可用于車載逆反射測(cè)量?jī)x的光源輸出。

本文使用的是940 nm 的紅外半導(dǎo)體激光器，與其他光源比較而言，因?yàn)樗遣豢梢?jiàn)光，可見(jiàn)光源對(duì)其帶來(lái)的干擾較小， 所以能夠很好地降低誤差，確保在標(biāo)線測(cè)量中的測(cè)量誤差不超過(guò)±5%。

3 激光脈沖調(diào)制技術(shù)在動(dòng)態(tài)測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 工作原理

因?yàn)檐囕d標(biāo)線逆反射系數(shù)測(cè)量?jī)x長(zhǎng)期暴露于外界環(huán)境當(dāng)中，遭受到路面平整度變化、行駛時(shí)光線亮度以及駕駛車輛人員習(xí)慣等外界條件的影響較大，所以在對(duì)車載標(biāo)線逆反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量的同時(shí)也要針對(duì)上述不良因素做出適當(dāng)調(diào)整，這也是車載標(biāo)線逆反射系數(shù)測(cè)量的難點(diǎn)所在。

RP-MR11 型車載標(biāo)線逆反射系數(shù)測(cè)量系統(tǒng)在2 種不同光源條件下（一組為光源未點(diǎn)亮?xí)r測(cè)得，一組為光源點(diǎn)亮?xí)r測(cè)得）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)分析2 組數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算，來(lái)消除外界自然光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 數(shù)據(jù)的采用過(guò)程中，光源為高速脈沖線激光器（閃爍頻率為270 Hz），傳感器為工業(yè)常用的高速線陣相機(jī)（頻率為540 Hz），通過(guò)外部控制器使得相機(jī)與光源同步（圖2）。

圖2 工作原理

高速脈沖線激光器每次點(diǎn)亮觸發(fā)相機(jī)采樣理論時(shí)序如圖3 所示。 實(shí)際進(jìn)行測(cè)試時(shí)，自然光線會(huì)干擾測(cè)量結(jié)果， 因此觸發(fā)方式實(shí)際時(shí)序如圖4 所示，該條件下自然光線對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的干擾可避免。 圖3、4 中，Tf為采樣周期；Ton為激光器點(diǎn)亮?xí)r間；Tccd為CCD 相機(jī)曝光觸發(fā)脈沖，須大于1 us；Td為CCD 相機(jī)延遲時(shí)間。

圖3 高速脈沖線激光器觸發(fā)相機(jī)采樣理論時(shí)序圖

圖4 高速脈沖線激光器觸發(fā)相機(jī)采樣實(shí)際時(shí)序圖

3.2 RP-MR11 的安裝使用

RP-MR11 型車載式標(biāo)線逆反射儀安裝于機(jī)動(dòng)車側(cè)方，在機(jī)動(dòng)車正常行駛，不影響其他車輛正常行駛的情況下，采用模擬的方法完成標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)RL 值的檢測(cè)。

RP-MR11 型車載式標(biāo)線逆反射測(cè)量?jī)x（圖5）的組成包含：測(cè)量?jī)x主體（內(nèi)含：控制系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量模塊、北斗定位模塊等）、縱向測(cè)距輪、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等。 其優(yōu)點(diǎn)在于檢測(cè)覆蓋范圍廣、檢測(cè)速度快、檢測(cè)方式安全有效，測(cè)量可以在道路暢通的路面無(wú)需封閉且正常駕駛速度下進(jìn)行。 該標(biāo)線逆反射測(cè)量?jī)x所測(cè)量的結(jié)果同普通便攜式儀器相比，能夠很好地排除過(guò)去傳統(tǒng)儀器效率較低、覆蓋范圍不夠廣、 大量占用人力且測(cè)量環(huán)境不安全的不良因素，達(dá)到相同的測(cè)量效果，其性能優(yōu)、測(cè)量效果好，已成為大多標(biāo)線檢測(cè)、養(yǎng)護(hù)及施工單位的首選設(shè)備。

圖5 RP-MR11 車載式標(biāo)線逆反射測(cè)量?jī)x

4 激光脈沖調(diào)制技術(shù)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)測(cè)量對(duì)比分析

4.1 動(dòng)態(tài)測(cè)量

動(dòng)態(tài)測(cè)量采用RP-MR11 車載式儀器。 測(cè)試車到達(dá)起測(cè)試路段（長(zhǎng)度600 m）始標(biāo)記位置時(shí)開(kāi)始測(cè)量，到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)記位置時(shí)停止測(cè)量，并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)。 車輛行駛過(guò)程會(huì)產(chǎn)生偏位、偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)， 導(dǎo)致車載逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x無(wú)法保證其測(cè)量的幾何體條件，使測(cè)量結(jié)果偶然誤差較大，且未進(jìn)行校正的原始數(shù)據(jù)也可以看出實(shí)際車載采集數(shù)據(jù)上下波動(dòng)較大。故測(cè)量結(jié)果采用15 m 測(cè)量單元范圍內(nèi)的逆反射亮度系數(shù)平均值， 采用車載式逆反射連讀系數(shù)測(cè)量?jī)x進(jìn)行3 次測(cè)試，篩選剔除異常數(shù)據(jù)后，計(jì)算其算術(shù)平均值作為該點(diǎn)的逆反射亮度系數(shù)。

4.2 靜態(tài)測(cè)量

靜態(tài)測(cè)量采用RP-R18 手持式儀器。 使用手持式測(cè)量?jī)x，連續(xù)均勻檢測(cè)600 m 測(cè)試路段，并記錄標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)數(shù)據(jù)。 在測(cè)量某點(diǎn)逆反射亮度系數(shù)的同時(shí)，測(cè)量其周圍附近位置標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)，與車載測(cè)量對(duì)應(yīng)，每15 m 為1 個(gè)測(cè)量單元范圍，取該段測(cè)量值的平均值作為該點(diǎn)的逆反射亮度系數(shù)代表值。

4.3 動(dòng)態(tài)與靜態(tài)測(cè)量對(duì)比

采用RP-MR11 車載式標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x、RP-R18 手持式交通標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x，采集G15 福泉高速福州收費(fèi)站——鏡洋收費(fèi)站（部分?jǐn)?shù)據(jù)范圍：K0+0～600）普通標(biāo)線的逆反射亮度系數(shù)，得到車載動(dòng)態(tài)與手持設(shè)備靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如圖6 所示。 該路段36 組車載動(dòng)態(tài)與手持設(shè)備靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)平均誤差1.21%，最大誤差4.92%，誤差均不超過(guò)5%，說(shuō)明在誤差允許的特定條件下，RP-MR11 替代RP-R18 進(jìn)行普通標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)數(shù)據(jù)采集是可行的。 應(yīng)注意的是，動(dòng)態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)值較小時(shí)，雖然差值區(qū)別不大，但是由于基數(shù)（分母）變小會(huì)導(dǎo)致百分比誤差變大。

圖6 樁外觀缺陷修復(fù)后的外觀

圖6 高速普通標(biāo)線車載動(dòng)態(tài)與手持靜態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

5 激光脈沖調(diào)制技術(shù)長(zhǎng)距離動(dòng)態(tài)測(cè)量分析

采用RP-MR11 車載測(cè)試儀，對(duì)G15 福泉高速福州收費(fèi)站至鏡洋收費(fèi)站間的部分路段進(jìn)行3 次測(cè)量，并以900 m 長(zhǎng)度為單位計(jì)算平均值，長(zhǎng)度總計(jì)約22 km，得到數(shù)據(jù)如圖7 所示。 由該路段24 組數(shù)據(jù)可知，測(cè)量車輛行駛速度約80 km/h，長(zhǎng)距離測(cè)量所有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)都無(wú)法100%完全對(duì)應(yīng)， 且車輛姿態(tài)、行駛速度存在差異，基于此所得數(shù)據(jù)3 次平均最大誤差為15.75%，最小誤差為0.3%。 但是，長(zhǎng)距離動(dòng)態(tài)測(cè)量分析可查看測(cè)量路段整體反光系數(shù)趨勢(shì)， 并可為路段保養(yǎng)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)參考，實(shí)際意義較大。

圖7 高速普通標(biāo)線長(zhǎng)距離車載動(dòng)態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)分析（0～22 km）

6 結(jié)論及展望

本文把激光調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在RP-MR11 車載式標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x上， 并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再與RP-R18 手持式交通標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。 對(duì)比結(jié)果表明，在誤差允許的特定條件下， 使用RP-MR11 車載式標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)測(cè)量?jī)x采集標(biāo)線逆反射亮度系數(shù)的結(jié)果可以替代原有的手持式采集方式。

我國(guó)有龐大的公路網(wǎng)絡(luò)，并且每年仍在以兩位數(shù)增長(zhǎng)，車載式標(biāo)線逆反射系數(shù)測(cè)試技術(shù)具有較大的市場(chǎng)需求和廣闊的應(yīng)用前景；新的智能檢測(cè)方法與管養(yǎng)技術(shù)融合后，可使公路路面標(biāo)線管養(yǎng)極大簡(jiǎn)化，較大幅度提高標(biāo)線管養(yǎng)效率，降低標(biāo)線管養(yǎng)成本，推動(dòng)我國(guó)的公路路面標(biāo)線管養(yǎng)技術(shù)發(fā)展。