雷达工作原理与激光测速原理的区别

雷达工作原理与激光测速原理的区别

一、雷达工作原理

首先,必须先了解雷达的基本原理,因为雷达仍是目前用来监测移动物体最普遍的方法。雷达英文为RADAR,是Radio Detection And Ranging的缩写。所有利用雷达波来监测移动物体速度的原理,其理论基础皆源自于多普勒效应,其应该也是一般常见的多普勒雷达Doppler Radar,此原理是在19世纪一位奥地利物理学家所发现的物理现象,后来世人为了纪念他的贡献,就以他的名字来为该原理命名。多普勒的理论基础为时间。雷达波是由频率及振幅所构成,而无线电波是随着波而前进的。当无线电波在行进的过程中,碰到物体时,该无线电波会被反弹,而且其反弹回来的波,其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变。若无线电波所碰到的物体是固定不动的,那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的。然而,若物体是朝着无线电线发射的方向前进时,此时所反弹回来的无线电波会被压缩,因此该电波的频率会随之增加;反之,若物体是朝着远离无线电波方向行进时,则反弹回来的无线电波,其频率则会随之减小。

速度监测装置所应用的原理,就是可以监测到发射出现的无线电波,及反弹回来的无线电波其间的频率变化。由这两个不同频率的差值,便可以有特定的比例关系,而计算是该雷达波所碰撞到物体的速度。当然,此种速度监测装置可以将所监测到的速度,转换为公里/小时或是英哩/小时。也许大家还是无法体会什么是多普勒效应,但每个人在日常生活中应该都有听过多普勒效应。例如:当火车鸣笛或救护车的警报声一直朝着你接近时,会发现声音会一直在变化,这就是所谓的多普勒效应,此例子是生活中最常见的例子,因为当声波一直朝着你接近时,该声波的频率会一直增加,所以听到的声音才会一直变。这跟测速雷达所用到的原理是一样的,只不过测速雷达所使用的不是声波,而是无线电波。

由于警方的测速雷达总是监测到一个较强的反射电波后,才决定该移动物体的速度;而通常体积较大的物体其反弹的电波也较强;另外,离发射电波较近的物体,其所反弹的电波也会较强。根据这个原理,若有两辆大小相同的车辆,同样都是超速时,测速雷达只会监测到开在较前面车辆的速度;若有一辆未超速的大卡车开在前方,而另一辆已超速的小客车开在后方时,测速雷达是无法监测出该小客车已超速,除非该小客车已经超越了大卡车而继续超速。

这告诉我们,利用雷达波来监测车速时,是无法对队列行驶的车辆中监测的。监测到特定车辆的速度,而只能监测到开在队列车辆最前面,且体积较大的车子的速度。

雷达原理详述

下面的文章,将更详细地探讨雷达测速的各种影响因素:

雷达波覆盖的范围

影响雷达波覆盖范围的因素如下:

雷达的功率

电波接收器的灵敏度

天线的特性

欲监测物体的体积大小

雷达与欲监测物体的距离

欲监测物体与雷达天线的相对位置及角度

车辆类型 可测速范围 无法测速范围

小客车(car) 0~200公尺内 200公尺以外

卡车或小货车(truck/van) 0~300公尺内 300公尺以外

联结车(HGV) 0~400公尺内 400公尺以外

由上图可知大型联结车最容易被监测到速度,只要在400公尺的范围,都可以被监测。 Cosine因子

这里所说的Cosine就是以前所学的数学三角函数,像是sin,cos,tan...,所谓的Cosine因子说明如下:

雷达要正常地发挥测速功能,该雷达必须与被测车辆同一路径

就如同GAS的话,则雷达所监测到的速度将比实际上来的慢。而所减低的速度将正比于偏斜的角度取TO测速照相系统一般,若雷达置放的位置与车辆行经的路径有一个角度,并不平行cosine值,简单地说,就是偏斜的角度越大的话,监测到的速度将比实际速度低的越多。

例如测速雷达置放的位置与车辆路径呈20度的夹角,虽然当时车子实际速度为105公里/小时,但被监测到的时速应为105xcos(20)=98.67公里/小时,本来应是超速的,但在雷达监测上出现误差。

GATSO这类的测速照相系统也会考虑到Cosine,所以会加入一些补偿电路,来修正这样的误差,不过因为每次置放的角度都不同,因此在补偿误差时,必须经过正确的设定才行,该设定值才须经过原厂的调校才能有较精准的表现。因此可以得到一个结论,Cosine因子永远都是偏袒驾驶人的。

测速地点的选择

既然大家已经了解雷达测速的基本原理,其实是藉由车辆所反射回来的电波来计算车速,那么在道路上一些不会动的物体,如路标、路灯等,会不会影响雷达波的反射呢?由于路标、路灯等物体的体积都很小,尚不会对雷达电波产生太多的影响,但如果是一些较大的物体,如建筑物、停在路旁的大卡车,或是高速公路上一些路段的大型路标、广告板等,这些物体就一定会影响到雷达电波的反射,也就是说即使路上没有车辆经过,所使用的测速雷达还是会监测到一些数据,只是这些数据可能速度都是0而已。不过大家也不要以为在路上看到大型路标时就可以尽情超速了,因为一旦车辆位置超过了路标,而离雷达波越近的物体所反射的雷达波会越强,此时还是会被监测到超速的。

然而,理想的测速照相地点,应该位在空旷无阻碍且没有大型反射物的道路上;在开始测速之前,选择地点是相当重要的;操作员在开始前,必须在车流前,选择视线良好的位置,该视线上不能有如大型路标、金属栅栏、防撞护栏等物体 。

确认超速的步骤

使用手持雷达来测速时,刚开始并未开机,先采取目测的方式,等到发现有车辆疑似超速时,再开机以手持雷达来验证是否真的超速。

使用手册中指出在测速雷达的监测范围中,必须只有一辆车子才能立刻监测速度。换句话说,若您的车子正处于车辆的队列中,是无法确定所监测到的车速是哪一辆车。此时必须先追踪某辆车最少3秒的时间,等到雷达出现已锁定的讯息时,才可以开始监测车速。

因此要得到车辆的超速需要花费3秒钟的时间,而且在测速时也会将误差考虑进去,例如,在雷达监测速度时,雷达屏幕上显示的速度为102-101-102-103-101,此时就可以确定车速为101到103公里/小时,然而,若在溜达屏幕上显示的数据为102-101-149-103-101,此时就认定这次的测速有相当大的误差而不采用该数据。

辐射危害

因为雷达在测速时会发射出强大的无线电磁波,当雷达测速仪器接近身体在25公分时,雷达天线所发射出来的电磁波辐射将对人体造成某些程度的伤害。

二、激光测速原理

传统的电波式雷达已行之有年,目前较新的技术是利用激光来测速,称之为激光雷达,英文为 LIDAR这是Light Detection and Ranging的缩写。通常这类的激光都是使用红外线,其精确度和可靠度都远超过传统的电波式雷达。以激光为基础的测速系统如LaserCam II就是一例手持的激光测速系统,当然激光测速系统也可以装载于流动式的三脚架上,例意大利制的Autovelox 105/SE就是最佳写照。

激光测速的原理与雷达电波的多普勒原理不同,而是利用激光的飞行时间的计算,也就是当激光发射出去时,先纪录时间,等到激光被物体反射回来时,再纪录一次时间,接着计算时间差,而LIDAR装置以15Hz的频率运作(每秒15次),而光速是每秒30万公里,这样就可以算出车子的行进速度,举例如下:

当第一次激光发射出去后,经过0.000001333秒后再反射回来,因为距离=速率x时间,所以第一次激光经反弹来回所走的距离为300,000,000 (m/s)x 0.000001333(s) = 399(m)公尺,所以实际与车子的距离应该要除以2,得399/2=199.5公尺。

经过1/15秒后,第二次激光再发出监测距离,经过0.000001325秒后再被车辆反射回来,所以激光来回走的距离为300,000,000 x 0.000001325 = 397.5,除以2得198.75。 也就是说经过1/15秒后,车子前进了199.5-198.75=0.75公尺,又速率=距离/时间,所以可以得到车速为0.75/(1/15)=11.25 m/s,换算成时速公里的话就是11.25x3600=40.5公里/小时。

现在我们已经知道激光测速的基本原理了,因为激光每秒可以发射出15次的激光,每个间隔距离都可以计算一次时速,而激光测速器必须在连续监测到2到3次相似的速度时,才确定此为该车的速度,这也就是为什么使用激光测速装置,只需要0.3秒的时间来锁定车速的原因了。

由于激光功率很强,所以在测速时,被禁止直接以激光束照射在驾驶座上,必须将光束对准车牌,以免伤害驾驶人的视力。而且也不能在车内使用激光测速仪器,因为激光很容易在车内反射,而伤害了车内的人员,即使将车窗放下也不行。因此在FDA(美国食品药品管理局)严格规范之下,激光枪功率降低,致使激光束扩大,反而给了激光警示器,即俗称的激光测速器可趁之机。

激光测速的原理

LIDAR(Light Detection and Ranging-激光监测及归类)以规律地送出infra-red(红外线)激光来测量光束的反回时间,在这些时间中任取两个就可以计算速度。激光测速器所发射的光束非常狭窄,它随着距离的增加,光束由一公分发散成100公分,就因为光束很窄,所以可以从车流中挑出一辆超速的汽车;尤其当监测物距离愈近,监测范围甚至会大于手持式的雷达测速器。通常激光束的散射角度相当小,造成监测上相当不易;警用的激光测速光束必须在300到500公尺以上的距离,才会扩散到1.5公尺以上的范围,距离越远扩散越大,也较容易监测得到,且当在测附近的车子的车牌时,激光会散射到旁边的车辆上,若车上有装专为接收激光所设计的激光警示器,那么便可能接收得到。

雷达波发射后会逐渐扩散,所以驾驶者容易利用雷达警示器监测到。相对来说,激光测速系统发射的激光束比较窄,扩散范围比雷达系统小,所以一般不会被警示器监测到。还因为激光束比较窄,可以实现对车流里边的单一车辆做监测。

Cosine因子同样也会发生在激光测速装置上,不过有一点要注意的是,有时会在桥上使用手持激光枪来测速,如此一来便可以在道路中央正上方的位置进行测速,这样便可以减少Cosine的影响,此时只要注意桥的高度,必须与车辆的距离保持10倍以上的比例,便可以正常工作,如桥距离路面的高度为10公尺,则被测车辆必须在100公尺以外的距离所测得

的速度才正确。

激光测速系统的优点

如果激光系统一直开机,那么激光束就会一直打出去,驾驶人车上若有激光警示器,则较有机会测得警方的激光束。然而事实上却不然,因为通常是先用肉眼或望远镜眺望远方是否有车可能会超速(通常以车阵中跑第一的那辆为目标),然后再举起激光枪瞄准该车辆进行测速。因此,激光枪的开机时间只在瞄准车辆的那一瞬间,也就是说,激光束并不会一直呈现发射状态,让驾驶人有许多机会能够测得到。像雷达测速仪器,如三脚架、警车、部份固定杆等,持续开机进行测速的时间较久,只要呈现开机状态,雷达波便会一直发散出来,驾驶人车上若有雷达警示器,就可以接收到该雷达波而产生警示声。

综上所述,在两种测速方式的对比中,激光系统有比较明显的优点。该系统的技术领先,测速的准确率高,可以有效的防止测速警示器的应用。所以,激光测速系统是现在测速技术发展的潮流和方向


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