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激光測速原理與應(yīng)用
閱讀：2257 發(fā)布時間：2018-8-1激光技術(shù)在交通安全上的應(yīng)用
吳宗修
一、前言
在交通工程上，速度是計量與評估道路績效和交通狀況的基本重要數(shù)據(jù)之一。速度數(shù)據(jù)之搜集方法有許多種，包括人工測量固定距離行駛時間、壓力皮管法、線圈法、影像處理法、雷達(dá)測速法與雷射測速法等。其中后兩者屬于攜帶容易而且度高的方法，因此廣受采用。
超速行車在交通違規(guī)中占有極大比例，此一現(xiàn)象可從高速公路過去四年間違規(guī)告發(fā)項目中，超速案件比例均在三分之二左右看出端倪（參見表一），而超速行車一直被認(rèn)為是肇事之重要因素之一；因此從交通執(zhí)法觀點而言，取締超速系比較具體的維護(hù)交通安全之手段。國內(nèi)取締違規(guī)超速一向以雷達(dá)測速槍當(dāng)工具，徑行舉發(fā)案件則輔以照相設(shè)備；唯近年來，雷達(dá)偵測器盛行，價格普及化之后，即使法規(guī)明令禁止使用，一般民眾仍趨之若騖，蓋以其價格只需逃避一至兩次取締的機(jī)會即可*回收成本。以交通工程觀點來看，駕駛?cè)巳粞b有雷達(dá)偵測器，則路邊定點所測得之車速即會因駕駛?cè)烁兄軠y速，誤以為*人員執(zhí)行取締而有普遍減速現(xiàn)象；除造成數(shù)據(jù)失真外，并因而有引起事故之可能。
二、基本原理
雷達(dá)為利用無線電回波以探測目標(biāo)方向和距離的一種裝置。雷達(dá)為英文Radar一字之譯音，該字系由Radio Detection And Ranging一語中諸字前綴縮寫而成，為無線電探向與測距之意。*開始熟悉雷達(dá)是在1940年的不列顛空戰(zhàn)中，七百架載有雷達(dá)的英國戰(zhàn)斗機(jī)，擊敗兩千架來襲的德國轟炸機(jī)，因而改寫了歷史。二次大戰(zhàn)后，雷達(dá)開始有許多和平用途。在天氣預(yù)測方面，它能用來偵測暴風(fēng)雨；在飛機(jī)輪船航行安全方面，它可幫助領(lǐng)港人員及機(jī)場航管人員更有效地完成他們的任務(wù)。
雷達(dá)工作原理與聲波之反射情形極類似，差別只在于其所使用之波為一頻率*之無線電波，而非聲波。雷達(dá)之發(fā)射機(jī)相當(dāng)于喊叫聲之聲帶，發(fā)出類似喊叫聲之電脈沖（Pulse），雷達(dá)之指向天線猶如喊話筒，使電脈沖之能量，能集中某一方向發(fā)射。接收機(jī)之作用則與人耳相仿，用以接收雷達(dá)發(fā)射機(jī)所發(fā)出電脈沖之回波。
測速雷達(dá)主要系利用都卜勒效應(yīng)（Doppler Effect）原理：當(dāng)目標(biāo)向雷達(dá)天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機(jī)頻率；反之，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機(jī)率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計算出目標(biāo)與雷達(dá)的相對速度。
雷射的英文為Laser，這個字是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的*個字母縮寫而成，意思是指，經(jīng)由激發(fā)放射來達(dá)到光的放大作用。雷射所激發(fā)出來的光，其光子大小與運(yùn)動方向皆相同，因此每個波束的頻率都相等，再加上它們一束束緊密地排列著，彼此間分毫不差地互相平行，使整個光束發(fā)射遠(yuǎn)處也不會散開來。在一九六二年的實驗中發(fā)現(xiàn)，從地球發(fā)射的雷射光在經(jīng)過近
測速雷射種類于固態(tài)雷射中的半導(dǎo)體雷射。雷射測速設(shè)備采用紅外線半導(dǎo)體雷射二極管。雷射二極管有幾個特點使它極適合用來量測速度：
- 雷射二極管自微小范圍中發(fā)射出極窄的光束，此一狹窄光束才能地瞄準(zhǔn)目標(biāo)。
- 雷射二極管以小于十億分之一秒的瞬間切換開關(guān)，大大提高度。
- 雷射二極管發(fā)射率很窄，其偵測器極易接收到的波長；因此在日間有強(qiáng)烈陽光時，仍能正常操作。
- 雷射二極管只發(fā)射電磁光譜中的紅外線部分；而紅外線系眼睛看不見的，不會影響駕駛?cè)说淖⒁饬Α?/span>
雷射測速槍以量測紅外線光波傳送時間來決定速度。由于光速是固定，激光脈沖傳送到目標(biāo)再折返的時間會與距離成正比。以固定間隔發(fā)射兩個脈沖，即可測得兩個距離；將此二距離之差除以發(fā)射時間間隔即可得到目標(biāo)的速度。理論上，發(fā)射兩次脈沖即可量測速度；實務(wù)上，為避免錯誤，一般雷射測速器（槍）在瞬間發(fā)射高達(dá)七組的脈沖波，自以zui小平方法求其平均值，去計算目標(biāo)速度。
三、與雷達(dá)之比較
超速告發(fā)zui易受到的挑戰(zhàn)即是如何確認(rèn)違規(guī)車輛，例如在多車道公路上兩車以上并行時，警員以雷達(dá)測得超速現(xiàn)象卻無法明確認(rèn)定那一部車輛違規(guī)（參見圖一）。原因在于雷達(dá)波發(fā)射錐角度約在十至二十度間，而雷射波發(fā)射錐角度只有不到十分之一度；因此以雷射測速可以明確認(rèn)定受測目標(biāo)據(jù)以告發(fā)。雷射狹窄光束使得兩車被同時偵測到的機(jī)會等于零；對于市面上普遍銷售之雷達(dá)偵測器（或稱超速偵測器）不啻一大克星。
雷達(dá)與雷射之zui遠(yuǎn)測速距離均在二千余英呎，可以加強(qiáng)設(shè)備發(fā)射功率而增長，惟并不具實際效益。雷達(dá)測速器需經(jīng)常以固定頻率之音叉加以校正，而雷射測速器則無此必要。另一重要差別在測速的時間，以雷達(dá)測速約高要二至三秒鐘，而使用雷射則只需要約零點三秒。按此操作速度，廠商甚至開發(fā)出配合照相之雷射測速器以不到一秒的間隔連續(xù)記錄違規(guī)超速車輛。圖二顯示雷射測速器配合數(shù)字相機(jī)所拍攝到之照片。
電射測速槍之缺點系無法于移動狀態(tài)下使用；如裝于警車上或由坐在行進(jìn)車輛上乘員持用，均無法正常操作。至于成本方面，Ｋ頻雷達(dá)測速槍每具時價約新臺幣拾萬元，雷射測速槍每具約新臺幣參拾萬元。
本節(jié)之功能比較，摘錄如表二：
四、結(jié)語
由于激光束狹窄具有正確認(rèn)定目標(biāo)的特點，許多文獻(xiàn)指出其其至可以用來測量行人的步行或跑步速度；對國內(nèi)為數(shù)眾多之機(jī)車速度量測更是變成可行而且簡易。作者曾利用LTI20-20雷射測速槍對行人、單車與機(jī)車目標(biāo)進(jìn)行量測，均能迅速獲得速度（公里／小時）與距離（十分之一公尺）之滿意數(shù)據(jù)。配備雷射測速槍的美國警方更利用其且快捷的測距功能，將其用在交通事故與刑案現(xiàn)場圖關(guān)鍵點之測繪。國內(nèi)交通*單位已多次進(jìn)行雷射測速之測試，部份單位亦已完成采購使用中。民眾不可自恃裝有超速偵測器而恣意飚車，危害公眾與自身安全。
圖一：雷射與雷達(dá)光束錐
國道公路*局**隊車頭實況照片