機動車超速自動監測系統測速原理

近年來，隨著中國道路交通的快速發展，特別是城市機動車數量的猛漲，帶來了很多交通問題和安全隱患。為此，公安交通管理部門在近兩年加大了對非現場處罰設施的投入，而機動車超速自動監測系統（俗稱“電子警察”）就是其中之一。機動車超速自動監測系統，即機動車超速違法行為監控與影象取證系統，是測速技術與影象採集技術的有機結合，透過對監測車道內機動車行駛速度的實時、自動測量，對超速違法的機動車輛影象（含車輛牌號、車型等）進行拍攝，自動記錄車輛行駛時的速度值、車輛影象、日期、時間、地點等相關資訊作為執法證明。它的出現，極大地緩解了交通管理中警力調配不足的問題，在一定程度上遏制了超速事故的發生。

機動車超速自動監測系統比較常用的測速原理主要有雷達、鐳射、地感線圈以及影片等，再輔以適當的拍照記錄傳輸系統就構成了各種原理的監測系統，為了方便大家瞭解和認識，現對這幾種不同原理的監測系統進行原理介紹和效能比較。

一、測速多普勒原理

雷達為英文Radar一詞的譯音，該詞是由Radio Detection And Ranging一語中諸字字首縮寫而成一語中諸字字首縮寫而成，為無線電探向與測距之意。雷達用於測速主要是應用了多普勒原理，當一定發射頻率的雷達波束射到移動目標時，其反射頻率攜帶的目標速度資訊與發射頻率不同，兩者之差稱為多普勒頻率，多普勒頻率與目標的移動速度成正比。當目標向雷達天線靠近時，反射訊號頻率將高於發射機頻率；反之，當目標遠離天線方向而去時，反射訊號頻率將低於發射機頻率。使用雷達測速對角度的要求較高，測速系統應正對運動物體的移動方向，當測速角度小於5°時，對測量結果的影響不大於1km/h，通常可以忽略不計；否則，應對角度帶來的Cosine效應進行修正，以保證測量結果的準確可靠。

以一種常見的雷達原理超速監測系統為例，對於固定安裝在道路上方，以一定角度俯視單一機動車道的監測系統，設計時需要考慮安裝角度帶來的影響，對測量結果進行修正。這種懸掛設計在車流量較小的公路上可以對單車道進行監測，安裝時需要搭設龍門架。

雷達原理的監測系統應用廣泛，具有技術成熟、價格相對較低等優點，容易推廣。目前，使用較多的是一種窄波束高效能雷達，它的波瓣角約在4°-6°，測速時間可以達到幾十個毫秒。窄波束高效能雷達與早期寬波束雷達相比較更適於對單車道超速情況進行監控。寬波速雷達的雷達波發射錐角度一般在10°-30°間，掃描面比較廣，監測區域大，當相鄰車道兩車並排進入超速監測區域或同車道兩車連續進入超速監測區域時，雷達監測系統無法明確認定哪一部車輛違規，很容易造成錯抓誤判。寬波束雷達的測速時間一般為幾百毫秒，因此，車速過高的車輛經過監測區域一段距離後才能測出它的速度，這時可能已來不及捕捉其影象資訊，從而造成漏抓或誤抓的情況。因此，寬波束雷達不適用於單車道的車速監測系統。

二、鐳射測速原理

鐳射測速原理也被稱作鐳射雷達原理（Ladar，Laser Detection And Ranging），即鐳射探向與測距之意。Ladar裝置採用紅外線半導體鐳射二極體發射出一定頻率極窄的光束精確地瞄準目標，透過測量紅外線光波在Ladar裝置與目標之間的傳送時間來決定速度。由於光速是固定的，鐳射脈衝傳送到目標再折返的時間會與距離成正比。以固定間隔發射兩個脈衝，即可測得兩個距離；將此兩距離之差除以發射時間間隔即可得到目標的速度。在理論上，發射兩次脈衝即可測量速度。而實際上為避免錯誤，一般Ladar裝置在一秒鐘內發射高達上千組的脈衝波，以最小平方法求其平均值計算目標速度，就可以得到非常準確的速度。測速時間可以達幾毫秒至幾十毫秒，相比雷達具有更高的測速準確度；同時，Ladar的發射錐角度只有不到0.1°，其狹窄光束使兩車被同時偵測到的機會等於零，因此，以Ladar測速可以明確認定受測目標。這些特性使Ladar監測系統在較高車流量的路況上能夠準確地工作。

同雷達原理監測系統一樣，對於固定安裝在道路的上方，以一定角度俯視機動車道的Ladar監測系統，設計時需要考慮安裝角度帶來的影響，並對測量結果進行校正，這種懸掛設計只對單獨車道進行監測。但與雷達監測系統相比，鐳射測速具有測量速度快、監測目標準確、測速準確度高等特點，在兩車道車輛並行或車輛連續進入監測區域時，可以有效地得到車速，而不會出現錯抓誤判的情況。此外，由於鐳射二極體發射率很窄，其偵測器極易接收到精確的波長，因此在日間有強烈Sunny時仍能正常操作。相對於雷達，鐳射測速產品價格較高。

三、地感線圈測速原理

地感線圈測速一般要用到兩個線圈，兩個線圈之間區域即為超速監測區域。當機動車進入第一個線圈時會在電路中產生電磁感應，同時觸發計時器開始計時；走出第二個線圈後，計時結束，根據兩個線圈之間的距離和產生感應的時間差，以距離除以時間就可以算出車輛透過超速監測區域時的速度。有時為提高測速準確度，可以加入第三個線圈，取得車輛經過各線圈時的平均值，將其作為測量值。相對於其它測速方式，該系統因沒有更多精密高智慧化的裝置卻能獲得比較高的捕獲率，因此價效比較高。其不足之處是安裝施工時會破壞路面，影響路面壽命，且線圈在地下容易受環境影響而發生形狀改變，還受重型車輛擠壓、路面修理等損壞，使用2-3年就需要更換線圈，實際維修養護費用高於其它測速裝置。

四、影片測速原理

最早出現的影片原理測速監測系統是虛擬線圈影片測速系統，即在影片影象中的車道上，相距（30-50）m處設兩個虛擬線圈，由於攝像機採集圖象的速度是一定的（x秒/幀），透過計算圖片的幀數可以得到經過的時間，利用車輛透過兩個虛擬線圈的時間差，就可得出車輛的執行速度。其優點是簡單方便、不破壞路面、不用更換線圈。該測速原理最主要的缺點是測速誤差大，容易受到光照等因素的影響；其次，凡經過虛擬線圈的物體均被記錄下來，無效資料多、誤判車輛多；再次，一次只能對一個車道的一輛車進行測速，兩輛車或數輛車同時經過時無法測速，更無法判別其是否超速。由於誤判車輛較多及測速誤差太大，目前影片測速基本已被淘汰。

現在比較準確的是精確影片機動車測速系統，該系統主要採用了目標識別與目標跟蹤技術。這些技術原來主要用於航天領域。目標識別技術為圖象的特徵模式識別，其基本原理是對所要識別的目標特徵進行詳細的描述和建模。正確建模是該技術的關鍵。目標跟蹤技術也可稱為目標鎖定跟蹤技術，就是在一定的區域範圍內不丟失目標。該系統應用在機動車測速方面，應保證在60m距離內不丟失機動車目標。

具體方法是，透過多路採集卡將測速及車牌攝像機的影象訊號實時傳送到計算機中，由計算機進行實時分析計算。對影象進行目標識別，在判別出真正的目標後進行目標鎖定並對鎖定的目標進行實時跟蹤，同時計算出車輛的精確位置並得出目標運動的向量軌跡曲線圖。影象中車輛的位置都是可以準確確定的，而每幅影象的採集時間是40ms（PAL制標準）固定不變，所以，可得出非常精確的位移差ΔS和時間差Δt。從向量曲線圖中取A、B兩點，即可得出其位移差ΔS和時間差Δt，V=ΔS/Δt，式中：V—汽車運動速度，ΔS—A、B兩點之間的精確距離，Δt—汽車由A點到達B點所需的準確時間。攝像機由上向下，俯視看路面，路面上任何車輛的一舉一動都會在系統的監視之下。可以最大限度地獲取路面上的車輛資訊，所以得到的速度非常精確。

總之，不同原理的監測系統有其各自的優缺點，目前在國內應用最廣泛的主要是地感線圈原理和雷達原理的監測系統，這兩種監測系統在滿足一定測速準確度要求的條件下價格相對便宜，價效比較高。相信隨著科學技術的進步與發展，各種原理的監測系統會更加完善，發揮各自的長處，還會湧現出更多新的產品，為更好地維護道路交通安全服務。