李濤，崔巖梅，張毅翔，歐陽海寧

（航空工業(yè)北京長城計量測試技術研究所，北京100095）

0 引言

按照檢定規(guī)程JJG1074-2012《機動車激光測速儀》的規(guī)定，激光測速儀的檢定分為模擬檢定（實驗室檢測）和現(xiàn)場檢定（道路實測）兩部分，即在理想狀態(tài)下和實際使用狀態(tài)下考察其計量性能。目前現(xiàn)場檢定的手段有多種方式［1-4］，例如采用可以實時顯示速度的校準車輛進行比較法檢測，或者采用切割具有固定間距的兩光束的光遮擋法進行速度檢測，但現(xiàn)場檢定有其局限性，例如實際道路環(huán)境、車輛行駛的速度范圍、測量是否同步等等，因此需要開展不受環(huán)境條件限制的實驗室檢測?，F(xiàn)有的實驗室檢測基本都是采用時間延遲的方法。目前美國激光技術有限公司（LTI）已研制出了基于單光束的檢定裝置并將其商品化，用于激光測速儀的實驗室檢測。為了開發(fā)具有自主知識產權的同類檢定裝置，本文在激光測速儀的校準原理和實現(xiàn)方法上進行了深入的研究，研制出了可以實現(xiàn)任意標準速度的通用移動目標模擬器，可以對激光測速儀進行測速范圍和測速誤差的校準。

1 單光束激光測速儀校準原理

根據(jù)單光束激光測速儀的測速原理，本文提出了移動目標模擬器的校準方法［6-7］，即采用精密時間延遲方法產生一組特定的電脈沖信號序列，來模擬一個具有標準速度的運動目標的回波脈沖信號。在激光測速儀校準裝置中，移動目標模擬器是最核心的部分。

激光測速儀校準裝置由移動目標模擬器、光電轉換器和電光轉換器組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 校準裝置原理框圖

激光測速儀發(fā)射的激光脈沖經(jīng)光電轉換器轉換為一系列電脈沖，該電脈沖觸發(fā)移動目標模擬器，輸出對應的一系列延時脈沖信號，該信號觸發(fā)電光轉換器發(fā)出激光脈沖（模擬激光遇到真實運動目標后的回波脈沖信號），激光測速儀接收到回波信號后，給出運動目標的速度值［8-9］。

假設激光測速儀分別在t1時刻和t2時刻發(fā)出激光脈沖，經(jīng)移動目標模擬器分別延時了Δt1和Δt2，對應的目標距離L1和L2分別用時間和光速（c）的乘積表示，由于該距離是測速儀到目標以及目標返回測速儀的距離之和，即激光光束的往返距離，因此測速儀到目標的實際距離應除以2，即

根據(jù)距離（L）、時間（t）、速度（v）三者的關系，移動目標模擬器產生的速度為

激光測速儀的脈沖周期T=t2-t1；Δt表示延時差，即Δt=Δt2-Δt1。因此，在激光測速儀脈沖周期T內的兩束光，經(jīng)移動目標模擬器分別延時后，其延時差對應的速度v為

在使用激光測速儀進行測速時，需要根據(jù)多個激光脈沖的回波信號來計算移動目標的速度，所以必須在測速儀的m個脈沖周期mT內產生一系列代表距離變化的回波信號，假設移動目標沿駛離的行駛方向做勻速運動，則與回波信號對應的時間、距離關系如圖2所示。圖2中，T2-T1=mT。

圖2 回波信號的時間、距離關系

因此，對于脈沖激光測速儀的每個脈沖信號，移動目標模擬器需要產生如圖3所示的脈沖序列（方向為駛離）。

圖3 輸入脈沖與輸出脈沖的時序關系

輸入信號為激光測速儀發(fā)射的脈沖信號（m個周期為T的脈沖信號），移動目標模擬器輸出對應的一組脈沖信號，這組輸出信號相對于輸入信號的延遲時間依次增大，分別為t0，t0+t1，t0+t1+t2，…，t0+t1+t2+… +tm（m對應輸入脈沖的序號），t0是一個固定延遲，代表第一個激光脈沖到移動目標的往返時間。

若移動目標的運動方向為駛近，則移動目標模擬器的輸出脈沖依次減小，分別為t0，t0-t1，t0-t1-t2，…，t0-t1-t2-… -tm。

若t1=t2=…=tm，說明這是一個勻速運動的移動目標。

可以看出，移動目標模擬器接收激光測速儀發(fā)射的脈沖后，應輸出上述特點的回波脈沖信號。

2 移動目標模擬器的設計

為了設計移動目標模擬器，必須知道被測對象（即激光測速儀）的脈沖頻率f和脈沖寬度w，這兩個數(shù)據(jù)可以通過示波器或時間間隔計數(shù)器準確測出。

還需要知道激光測速儀的觸發(fā)距離L1和L2，也就是激光測速儀在什么距離范圍內可以測出移動物體的速度，這個數(shù)據(jù)可以從其使用說明書上得到。

有了以上測速儀的基本數(shù)據(jù)，就可以計算出移動目標模擬器輸出各個速度值對應的延時回波脈沖序列時需要的所有參數(shù)。

設計總體思路為：首先計算出在整個測速過程中，移動目標模擬器需要輸出的延時回波脈沖總數(shù)m（即模擬激光測速儀在其觸發(fā)距離范圍內，發(fā)射的脈沖遇到移動物體后返回的回波脈沖總數(shù)），再根據(jù)需要模擬的速度值v以及光速c，計算出相鄰兩個回波脈沖之間距離變化對應的延時Δt，繼而計算出移動目標模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率fw，以及在此頻率下每個回波脈沖延時Δt對應的脈沖個數(shù)n，則移動目標模擬器輸出的m個回波脈沖延時對應的脈沖個數(shù)分別為n，2n，3n，…，mn，每接收一個激光測速儀發(fā)射的脈沖，就觸發(fā)輸出一個延時回波脈沖，直到m個延時回波脈沖輸出完畢。

具體計算過程如下：

首先，根據(jù)激光測速儀脈沖頻率f、觸發(fā)距離L1和L2（L1＜L2）及需要模擬的標準速度v，計算整個測速過程需要輸出的延時回波脈沖總數(shù)m，即

其次，計算相鄰兩個回波脈沖之間距離變化對應的延時Δt，得到需要的工作數(shù)據(jù)頻率fw。

如果工作數(shù)據(jù)頻率在移動目標模擬器的頻率范圍內，就可以采用調頻技術實現(xiàn)精密延時，直接設置該工作數(shù)據(jù)頻率為移動目標模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率，此時延時的脈沖個數(shù)n=1。

如果工作數(shù)據(jù)頻率大于移動目標模擬器的最大工作數(shù)據(jù)頻率，則采用降頻的時序細分法，每降（倍降）一次頻率，延時回波脈沖總數(shù)m增加一倍，經(jīng)過k次倍降頻，直至將頻率降至移動目標模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率范圍以內。

此時每k個延時回波脈沖需要延時的脈沖個數(shù)均為n=1。

再根據(jù)移動目標模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率fw，計算測速起始距離對應的延時脈沖數(shù)PL（假設運動方向為駛離，采用距離為L1）。

最后，根據(jù)測速儀的脈寬w和移動目標模擬器的工作數(shù)據(jù)頻率，計算回波信號持續(xù)的脈沖個數(shù)Pw。

3 移動目標模擬器的實現(xiàn)

為了產生上述的延時回波脈沖序列，采用美國TEK公司的數(shù)據(jù)定時發(fā)生器作為硬件電路生成設備來實現(xiàn)移動目標模擬器。

通過編程計算延時回波脈沖序列的各個參數(shù)，再控制數(shù)據(jù)定時發(fā)生器的存儲分配和電路生成，一次性完整地生成某標準速度值下的回波脈沖序列，并固化在移動目標模擬器中，需要時可以直接調用固化文件并立刻輸出。

用數(shù)據(jù)定時發(fā)生器生成回波脈沖序列時，需要考慮其存儲深度限制，即block總數(shù)和blocksize的長度，除了這兩個參數(shù)本身有大小限制之外，兩者的乘積也有限制。前一個參數(shù)block總數(shù)，也就是上面計算出來的延時回波脈沖總數(shù)m，該值與速度大小成反比，低速時，需要的block總數(shù)會成倍增加。為了盡量減小需要的block數(shù)量，可以不必在激光測速儀整個測速范圍內都生成回波脈沖，只要保證在其測速時間內（比如0.3 s）生成回波脈沖即可，這樣就能在低速時大大減少block的數(shù)量。后一個參數(shù)blocksize的長度中包含了測速起始距離（L1或 L2）對應的延時脈沖數(shù)PL和回波信號持續(xù)的脈沖個數(shù)Pw，如果這兩個脈沖個數(shù)之和不超過規(guī)定的最小模式長度就可以不做處理，如果大于，就需要通過其它方式減小其長度。

生成脈沖序列時，可以按照下面的步驟對數(shù)據(jù)定時發(fā)生器進行設置：由于對單脈沖激光測速儀進行檢測時，只需要輸出一路脈沖信號，因此首先需要新建一個邏輯通道，并將此邏輯通道與數(shù)據(jù)定時發(fā)生器的硬件通道相關聯(lián)；下一步就可以建立m個block，并設置每個block的長度均為blocksize，之后就可以對所有的block編輯其數(shù)據(jù)向量，也就是回波脈沖的波形數(shù)據(jù)；再設置數(shù)據(jù)定時發(fā)生器的輸出電平、頻率和觸發(fā)方式，最后設置輸出序列的順序。

本文通過數(shù)據(jù)定時發(fā)生器的GPIB接口，編制了VC程序對操作面板進行遠程控制。圖4是標準速度序列產生的程序界面，只需輸入測速儀的參數(shù)（頻率、脈沖寬度、觸發(fā)距離）和需要產生的速度值、行駛方向，就可計算出延時序列所需的所有參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)自動生成對應的延時回波脈沖序列，該序列還可以命名存儲，以便需要時直接調出并立刻輸出。該程序可以任意設置速度值、觸發(fā)距離和行駛方向。

圖4 生成脈沖序列的程序界面

4 試驗驗證

激光測速儀校準裝置實物如圖5所示，使用該校準裝置可以實現(xiàn)激光測速儀測速范圍、測速誤差的校準。

由激光測速儀發(fā)射的脈沖信號經(jīng)光電轉換器轉換為電信號，將電信號輸入至移動目標模擬器的Trigger In觸發(fā)端口，通過“輸出模塊”的CH1通道端口，輸出一系列的延時電脈沖信號，激光測速儀接收到電光轉換器轉換的回波信號后，就可以對激光測速儀進行校準了。

圖5 校準裝置實物圖

為了驗證移動目標模擬器生成速度序列的性能，采用TEK公司AFG3252產生的脈沖來代替激光測速儀發(fā)射的激光脈沖轉換為電脈沖后的信號，用美國STANFORD公司SR620高精度時間間隔計數(shù)器對移動目標模擬器產生的脈沖時間間隔進行校準，再根據(jù)脈沖頻率計算得到對應的速度值，在溫度22.5℃、濕度38%條件下對設定的速度值進行連續(xù)20次測量，測量結果如表1所示。

由表1可以看出，在20～250 km/h的速度范圍內，測量結果的重復性不大于0.1 km/h，偏差量峰峰值不大于0.01 km/h，說明利用數(shù)據(jù)定時發(fā)生器設計的移動目標模擬器具有很好的重復性。

5 結論

本文提出的校準方法是通過時間延遲的方法產生一組電脈沖信號序列，采用TEK公司的數(shù)據(jù)定時發(fā)生器作為硬件電路生成設備，成功模擬了具有任意標準速度的移動目標，最終形成通用移動目標模擬器，并與其它輔助設備共同構建了國內首套激光測速儀檢定裝置。通過對模擬速度值的測試試驗，其速度的偏差量小于0.01 km/h，重復性小于0.1 km/h，驗證了該移動目標模擬器可以滿足單光束激光測速儀的檢定需要。

表1 “移動目標模擬器”重復性測量結果 km/h

隨著激光測速技術的發(fā)展，各種類型的激光測速儀也相繼出現(xiàn)，例如安裝在龍門架上的雙光束激光測速儀和安裝在路側的雙光束激光測速儀，雖然它們的測速原理不同，但都可以使用數(shù)據(jù)定時發(fā)生器實現(xiàn)與之對應的移動目標模擬器，開展不同類型脈沖激光測速儀的校準工作。