激光脉冲调制技术在车载逆反射亮度系数测量仪上的应用

■陈杨利 郎彦宇 肖 敏

（1.福建省永正工程质量检测有限公司，福州 350001；2.北京京衢科技有限责任公司，北京 100070；3.福州大学土木工程学院，福州 350116）

1 标线检测技术研究现状

道路标线广泛应用于我国的公路交通中，其对于改善车辆的行驶条件、提升公路的输送能力作用十分明显，它不仅在车辆行驶中起引导作用，更是传递规范化信息、疏导交通的重要纽带，是道路交通中必不能少的配置条件。 逆反射亮度系数能够直接反映道路标线视认性能的优劣， 影响交通安全，是道路标线各项技术指标中最为重要的指标，现阶段主要由人工测量完成，费时、费力、且在交通通行环境下作业不安全。

1.1 逆反射亮度系数测量方法

逆反射亮度系数测试是测试逆反射材料光度性能的主要方法。 逆反射材料就其自身来说不是光源，并不会发光发亮，它主要是以自身作为光的反射器，把所受接收到的光反射回光源处，这种形式即所说的逆反射[1]。 由于逆反射材料的逆反射亮度系数与测试现场的情况关系很大，故测试逆反射亮度系数的场景应模拟实际应用时逆反射材料的所处环境状态，保持模拟环境，比如光源、入射角度即入射方向等和逆反射材料使用情况相同[2]。 逆反射亮度系数测量主要通过相对测量法和绝对测量法进行测量[3-4]。

1.1.1 相对测量法

相对测量法主要指在普通道路上能够进行的测量，其通过将测量结果和预先测量的样板的数值进行比较，从而得到标线逆反射亮度系数的一个相对的数值。 相对测量法主要被应用于道路标线施工后的工程验收。 相对测量法的逆反射亮度系数的测量对测量的几何模型有一定的要求，一般情况下，要求车辆前面的灯源高度应是0.65 m，驾驶员的视线高度应是1.2 m，光接收器前向的光源与被测标线距离为30 m 时光源入射角（即光源与法线夹角）应为88.76°，驾驶员观测角（即光源与光接收器夹角）为1.05°，此外还要求光源的照度应是1 lx。 只有当逆反射系数测量仪与道路标线形成图1 所示几何模型，逆反射亮度系数测量仪才可以相对准确地模拟驾驶员驾驶过程中的视野范围，这个几何模型是进行标线逆反射亮度系数测量时必须的几何模型，已经被大部分西方国家所承认并大量使用。

图1 逆反射亮度系数测量几何模型

1.1.2 绝对测量法

绝对测量法一般指在实验室中测量标线样品的逆反射亮度系数，但由于样品的不确定性，所测量的逆反射亮度系数无法直接、全面反映实际道路标线的逆反射亮度系数。 该测量方法按照JT/T 689-2007《逆反射系数测试方法共平面几何法》在实验室中进行测量，几何模型与相对测量法相同，要求可视距离为30 m，入射角为1.24°，观测角为1.05°（图1）。2种逆反射亮度系数测量方法虽有所差异， 但其几何模型及原理是相同的。

1.2 影响逆反射亮度系数测量的因素

F.Sametoglu 等[5]通过改变光源电流与电压，在保持稳定电流的前提下，将逆反射亮度系数测量误差减小至0.026%。 董会君等[6]发现逆反射亮度系数测量准确性受测量光源不稳定性、 光源尺寸等干扰。 王丹等[7]发现水的反射可增大车辆反光标识的逆反射亮度系数。 Philip Siegmann 等[8]指出了彩色CCD、相机光、入射光及环境杂光的干扰，并通过设计干扰光路提高了逆反射亮度系数测量的准确性。杜颖等[9]研究指出，试验材料表面的逆反射光场能量在2 种不同光源情况下的分布规律基本一致，故进行逆反射亮度系数测量可采用近距离的发散光代替远距离的平行光。

综上所述， 研制一种逆反射亮度系数测量仪，使其受光照等外界环境干扰小，并适用于车辆可移动、连续测量十分必要。 本文拟采用激光调制技术调制合适光源以测量逆反射亮度系数。

2 激光脉冲调制技术

激光调制有间接调制与直接调制2 类[10]。 直接调制操作简单、经济有效，鉴于半导体激光器体积相对较小，重量较轻，其效率相对较高，同时还具备价格略低、寿命长的优势，自然成为车载逆反射测量仪的最佳选择，根据发光二极管的功率与电流的线性比例关系，即可调制所需光频，实现稳定的光源输出。

半导体激光器受到电流的激励，在其内部杂质（受主或施主）能级和能带（导带与价带）之间，或者能带之间会产生反转非平衡载流子的粒子数反转，其与空穴复合后会被激发，形成相位相同、波长基本相同，而且强度较大的相干辐射光源，可用于车载逆反射测量仪的光源输出。

本文使用的是940 nm 的红外半导体激光器，与其他光源比较而言，因为它是不可见光，可见光源对其带来的干扰较小， 所以能够很好地降低误差，确保在标线测量中的测量误差不超过±5%。

3 激光脉冲调制技术在动态测量中的应用

3.1 工作原理

因为车载标线逆反射系数测量仪长期暴露于外界环境当中，遭受到路面平整度变化、行驶时光线亮度以及驾驶车辆人员习惯等外界条件的影响较大，所以在对车载标线逆反射系数进行测量的同时也要针对上述不良因素做出适当调整，这也是车载标线逆反射系数测量的难点所在。

RP-MR11 型车载标线逆反射系数测量系统在2 种不同光源条件下（一组为光源未点亮时测得，一组为光源点亮时测得）对数据进行采集，通过分析2 组数据对数据进行差分运算，来消除外界自然光对测量结果的影响。 数据的采用过程中，光源为高速脉冲线激光器（闪烁频率为270 Hz），传感器为工业常用的高速线阵相机（频率为540 Hz），通过外部控制器使得相机与光源同步（图2）。

图2 工作原理

高速脉冲线激光器每次点亮触发相机采样理论时序如图3 所示。 实际进行测试时，自然光线会干扰测量结果， 因此触发方式实际时序如图4 所示，该条件下自然光线对测量结果造成的干扰可避免。 图3、4 中，Tf为采样周期；Ton为激光器点亮时间；Tccd为CCD 相机曝光触发脉冲，须大于1 us；Td为CCD 相机延迟时间。

图3 高速脉冲线激光器触发相机采样理论时序图

图4 高速脉冲线激光器触发相机采样实际时序图

3.2 RP-MR11 的安装使用

RP-MR11 型车载式标线逆反射仪安装于机动车侧方，在机动车正常行驶，不影响其他车辆正常行驶的情况下，采用模拟的方法完成标线逆反射亮度系数RL 值的检测。

RP-MR11 型车载式标线逆反射测量仪（图5）的组成包含：测量仪主体（内含：控制系统、光学测量模块、北斗定位模块等）、纵向测距轮、计算机处理系统等。 其优点在于检测覆盖范围广、检测速度快、检测方式安全有效，测量可以在道路畅通的路面无需封闭且正常驾驶速度下进行。 该标线逆反射测量仪所测量的结果同普通便携式仪器相比，能够很好地排除过去传统仪器效率较低、覆盖范围不够广、 大量占用人力且测量环境不安全的不良因素，达到相同的测量效果，其性能优、测量效果好，已成为大多标线检测、养护及施工单位的首选设备。

图5 RP-MR11 车载式标线逆反射测量仪

4 激光脉冲调制技术动态与静态测量对比分析

4.1 动态测量

动态测量采用RP-MR11 车载式仪器。 测试车到达起测试路段（长度600 m）始标记位置时开始测量，到达终点标记位置时停止测量，并存储测量数据。 车辆行驶过程会产生偏位、偏航、俯仰、滚转等运动， 导致车载逆反射亮度系数测量仪无法保证其测量的几何体条件，使测量结果偶然误差较大，且未进行校正的原始数据也可以看出实际车载采集数据上下波动较大。故测量结果采用15 m 测量单元范围内的逆反射亮度系数平均值， 采用车载式逆反射连读系数测量仪进行3 次测试，筛选剔除异常数据后，计算其算术平均值作为该点的逆反射亮度系数。

4.2 静态测量

静态测量采用RP-R18 手持式仪器。 使用手持式测量仪，连续均匀检测600 m 测试路段，并记录标线逆反射亮度系数数据。 在测量某点逆反射亮度系数的同时，测量其周围附近位置标线的逆反射亮度系数，与车载测量对应，每15 m 为1 个测量单元范围，取该段测量值的平均值作为该点的逆反射亮度系数代表值。

4.3 动态与静态测量对比

采用RP-MR11 车载式标线逆反射亮度系数测量仪、RP-R18 手持式交通标线逆反射亮度系数测量仪，采集G15 福泉高速福州收费站——镜洋收费站（部分数据范围：K0+0～600）普通标线的逆反射亮度系数，得到车载动态与手持设备静态测试数据对比结果如图6 所示。 该路段36 组车载动态与手持设备静态测试数据平均误差1.21%，最大误差4.92%，误差均不超过5%，说明在误差允许的特定条件下，RP-MR11 替代RP-R18 进行普通标线逆反射亮度系数数据采集是可行的。 应注意的是，动态测量数据值较小时，虽然差值区别不大，但是由于基数（分母）变小会导致百分比误差变大。

图6 桩外观缺陷修复后的外观

图6 高速普通标线车载动态与手持静态测试数据对比

5 激光脉冲调制技术长距离动态测量分析

采用RP-MR11 车载测试仪，对G15 福泉高速福州收费站至镜洋收费站间的部分路段进行3 次测量，并以900 m 长度为单位计算平均值，长度总计约22 km，得到数据如图7 所示。 由该路段24 组数据可知，测量车辆行驶速度约80 km/h，长距离测量所有数据的坐标都无法100%完全对应， 且车辆姿态、行驶速度存在差异，基于此所得数据3 次平均最大误差为15.75%，最小误差为0.3%。 但是，长距离动态测量分析可查看测量路段整体反光系数趋势， 并可为路段保养提供强有力的数据参考，实际意义较大。

图7 高速普通标线长距离车载动态测试数据分析（0～22 km）

6 结论及展望

本文把激光调制技术应用在RP-MR11 车载式标线逆反射亮度系数测量仪上， 并进行数据采集，再与RP-R18 手持式交通标线逆反射亮度系数测量仪采集数据进行对比。 对比结果表明，在误差允许的特定条件下， 使用RP-MR11 车载式标线逆反射亮度系数测量仪采集标线逆反射亮度系数的结果可以替代原有的手持式采集方式。

我国有庞大的公路网络，并且每年仍在以两位数增长，车载式标线逆反射系数测试技术具有较大的市场需求和广阔的应用前景；新的智能检测方法与管养技术融合后，可使公路路面标线管养极大简化，较大幅度提高标线管养效率，降低标线管养成本，推动我国的公路路面标线管养技术发展。