激光技术在交通安全上的应用原理

激光技术在交通安全中的应用原理一、前言在交通工程上，速度是衡量和评估道路性能和交通状况的基础和重要数据之一。速度资料之搜集方法有许多种，包括人工测量固定距离行驶时间、压力皮管法、线圈法、影像处理法、雷达测速法与激光测速法等。其中后两者属于携带容易而且精确度高的方法，因此广受采用。超速行车在交通违规中占有极大比例，此一现象可从高速公路过去四年间违规告发项目中，超速案件比例均在三分之二左右看出端倪，而超速行车一直被认为是肇事之重要因素之一；因此从交通执法观点而言，取缔超速系比较具体的维护交通安全之手段。国内取缔违规超速一向以雷达测速枪当工具，径行举发案件则辅以照相设备；唯近年来，雷达侦测器盛行，价格普及化之后，即使法规明令禁止使用，一般民众仍趋之若骛，以其代价，它只需要避免一到两次禁止的机会，成本就可以完全收回。以交通工程观点来看，驾驶人若装有雷达侦测器，则路边定点所测得之车速即会因驾驶人感知受测速，误以为警察人员执行取缔而有普遍减速现象；除造成资料失真外，并因而有引起事故之可能。二、基本原则雷达为利用无线电回波以探测目标方向和距离的一种装置。雷达为英文radar一字之译音，该字系由radiodetectionandranging一语中诸字前缀缩写而成，为无线电探向与测距之意。全世界开始熟悉雷达是在1940年的不列颠空战中，七百架载有雷达的英国战斗机，击败两千架来袭的德国轰炸机，因而改写了历史。二次大战后，雷达开始有许多和平用途。在天气预测方面，它能用来侦测暴风雨；在飞机轮船航行安全方面，它可以帮助飞行员和机场交通管制员更有效地完成任务。雷达工作原理与声波之反射情形极类似，唯一的区别是它使用的波是非常高频的无线电波，而非声波。雷达之发射机相当于喊叫声之声带，发出类似喊叫声之电脉冲（pulse），雷达之指向天线犹如喊话筒，使电脉冲之能量，能集中某一方向发射。接收机之作用则与人耳相仿，用以接收雷达发射机所发出电脉冲之回波。多普勒效应主要用于测速雷达（dopplereffect）原理：当目标向雷达天线靠近时，反射信号频率将高于发射机频率；反之，当目标远离天线而去时，反射信号频率将低于发射机率。如此即可借由频率的改变数值，计算出目标与雷达的相对速度。激光的英文为laser，这个字是由lightamplificationbystimulatedemissionofradiation的第一个字母缩写而成，意思是指，经由激发放射来达到光的放大作用。激光所激发出来的光，其光子大小与运动方向皆相同，因此每个波束的频率都相等，再加上它们一束束紧密地排列着，彼此间分毫不差地互相平行，使整个光束发射至极远处也不会散开来。在一九六二年的实验中发现，从地球发射的激光在经过近四十万公里的太空之旅后，它只在月球表面投射出一个直径约3公里的圆！此特性使得激光在焊接、切割、雕刻、穿洞等加工与医学（眼科、牙科、肿瘤）之应用更为广泛。测速激光种类于固态激光中的半导体激光。激光测速设备采用红外线半导体激光二极管。激光二极管具有多种特性，非常适合测量速度：•激光二极管在小范围内发射极窄的光束，此一狭窄光束才能精确地瞄准目标。•激光二极管在不到十亿分之一秒的瞬间切换，大大提高精确度。•激光二极管发射率很窄，它的探测器很容易接收到精确的波长；因此在日间有强烈阳光时，仍能正常操作。•激光二极管只发射电磁频谱的红外部分；而红外线系眼睛看不见的，不会影响驾驶人的注意力。激光测速枪以量测红外线光波传送时间来决定速度。由于光速是固定，激光脉冲传送到目标再折返的时间会与距离成正比。以固定间隔发射两个脉冲，即可测得两个距离；将这两个距离之间的差值除以发射时间间隔，以获得目标的速度。理论上，发射两次脉冲即可量测速度；实务上，为避免错误，一般激光测速器（枪）在瞬间发射高达七组的脉冲波，自以最小平方法求其平均值，去计算目标速度。三、与雷达的比较超速告发最易受到的挑战即是如何确认违规车辆，例如在多车道公路上两车以上并行时，警察用雷达检测到超速现象，但无法清楚地识别哪辆车违反了规定。原因在于雷达波发射锥角度约在十至二十度间，而激光波发射锥角度只有不到十分之一度；因此以激光测速可以明确认定受测目标据以告发。激光狭窄光束使得两车被同时侦测到的机会等于零；对于市面上普遍销售之雷达侦测器（或称超速侦测器）不啻一大克星。雷达与激光之最远测速距离均在二千余英呎，可以加强设备发射功率而增长，惟并不具实际效益。雷达测速器需经常以固定频率之音叉加以校正，而激光测速器则无此必要。另一重要差别在测速的时间，以雷达测速约高要二至三秒钟，而使用激光则只需要约零点三秒。按此操作速度，该制造商甚至开发了一种激光测速仪，配合摄影技术，以不到1秒的间隔连续记录违法和超速车辆。图一显示激光测速器配合数字相机所拍摄到之照片。电枪的缺点是不能在移动状态下使用；如装于警车上或由坐在行进车辆上乘员持用，均无法正常操作。至于成本方面，ｋ频雷达测速枪每具时价约新台币拾万元，激光测速枪每具约新台币参拾万元。四、后记由于激光束狭窄具有正确认定目标的特点，许多文献指出其其至可以用来测量行人的步行或跑步速度；对为数众多之机车速度量测更是变成可行而且简易。作者曾利用lti20-20激光测速枪对行人、单车与机车目标进行量测，均能迅速获得速度（公里／小时）与距离（十分之一公