■陳楊利 郎彥宇 肖 敏

（1.福建省永正工程質(zhì)量檢測有限公司，福州 350001；2.北京京衢科技有限責(zé)任公司，北京 100070；3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州 350116）

1 標線檢測技術(shù)研究現(xiàn)狀

道路標線廣泛應(yīng)用于我國的公路交通中，其對于改善車輛的行駛條件、提升公路的輸送能力作用十分明顯，它不僅在車輛行駛中起引導(dǎo)作用，更是傳遞規(guī)范化信息、疏導(dǎo)交通的重要紐帶，是道路交通中必不能少的配置條件。 逆反射亮度系數(shù)能夠直接反映道路標線視認性能的優(yōu)劣， 影響交通安全，是道路標線各項技術(shù)指標中最為重要的指標，現(xiàn)階段主要由人工測量完成，費時、費力、且在交通通行環(huán)境下作業(yè)不安全。

1.1 逆反射亮度系數(shù)測量方法

逆反射亮度系數(shù)測試是測試逆反射材料光度性能的主要方法。 逆反射材料就其自身來說不是光源，并不會發(fā)光發(fā)亮，它主要是以自身作為光的反射器，把所受接收到的光反射回光源處，這種形式即所說的逆反射[1]。 由于逆反射材料的逆反射亮度系數(shù)與測試現(xiàn)場的情況關(guān)系很大，故測試逆反射亮度系數(shù)的場景應(yīng)模擬實際應(yīng)用時逆反射材料的所處環(huán)境狀態(tài)，保持模擬環(huán)境，比如光源、入射角度即入射方向等和逆反射材料使用情況相同[2]。 逆反射亮度系數(shù)測量主要通過相對測量法和絕對測量法進行測量[3-4]。

1.1.1 相對測量法

相對測量法主要指在普通道路上能夠進行的測量，其通過將測量結(jié)果和預(yù)先測量的樣板的數(shù)值進行比較，從而得到標線逆反射亮度系數(shù)的一個相對的數(shù)值。 相對測量法主要被應(yīng)用于道路標線施工后的工程驗收。 相對測量法的逆反射亮度系數(shù)的測量對測量的幾何模型有一定的要求，一般情況下，要求車輛前面的燈源高度應(yīng)是0.65 m，駕駛員的視線高度應(yīng)是1.2 m，光接收器前向的光源與被測標線距離為30 m 時光源入射角（即光源與法線夾角）應(yīng)為88.76°，駕駛員觀測角（即光源與光接收器夾角）為1.05°，此外還要求光源的照度應(yīng)是1 lx。 只有當(dāng)逆反射系數(shù)測量儀與道路標線形成圖1 所示幾何模型，逆反射亮度系數(shù)測量儀才可以相對準確地模擬駕駛員駕駛過程中的視野范圍，這個幾何模型是進行標線逆反射亮度系數(shù)測量時必須的幾何模型，已經(jīng)被大部分西方國家所承認并大量使用。

圖1 逆反射亮度系數(shù)測量幾何模型

1.1.2 絕對測量法

絕對測量法一般指在實驗室中測量標線樣品的逆反射亮度系數(shù)，但由于樣品的不確定性，所測量的逆反射亮度系數(shù)無法直接、全面反映實際道路標線的逆反射亮度系數(shù)。 該測量方法按照JT/T 689-2007《逆反射系數(shù)測試方法共平面幾何法》在實驗室中進行測量，幾何模型與相對測量法相同，要求可視距離為30 m，入射角為1.24°，觀測角為1.05°（圖1）。2種逆反射亮度系數(shù)測量方法雖有所差異， 但其幾何模型及原理是相同的。

1.2 影響逆反射亮度系數(shù)測量的因素

F.Sametoglu 等[5]通過改變光源電流與電壓，在保持穩(wěn)定電流的前提下，將逆反射亮度系數(shù)測量誤差減小至0.026%。 董會君等[6]發(fā)現(xiàn)逆反射亮度系數(shù)測量準確性受測量光源不穩(wěn)定性、 光源尺寸等干擾。 王丹等[7]發(fā)現(xiàn)水的反射可增大車輛反光標識的逆反射亮度系數(shù)。 Philip Siegmann 等[8]指出了彩色CCD、相機光、入射光及環(huán)境雜光的干擾，并通過設(shè)計干擾光路提高了逆反射亮度系數(shù)測量的準確性。杜穎等[9]研究指出，試驗材料表面的逆反射光場能量在2 種不同光源情況下的分布規(guī)律基本一致，故進行逆反射亮度系數(shù)測量可采用近距離的發(fā)散光代替遠距離的平行光。

綜上所述， 研制一種逆反射亮度系數(shù)測量儀，使其受光照等外界環(huán)境干擾小，并適用于車輛可移動、連續(xù)測量十分必要。 本文擬采用激光調(diào)制技術(shù)調(diào)制合適光源以測量逆反射亮度系數(shù)。

2 激光脈沖調(diào)制技術(shù)

激光調(diào)制有間接調(diào)制與直接調(diào)制2 類[10]。 直接調(diào)制操作簡單、經(jīng)濟有效，鑒于半導(dǎo)體激光器體積相對較小，重量較輕，其效率相對較高，同時還具備價格略低、壽命長的優(yōu)勢，自然成為車載逆反射測量儀的最佳選擇，根據(jù)發(fā)光二極管的功率與電流的線性比例關(guān)系，即可調(diào)制所需光頻，實現(xiàn)穩(wěn)定的光源輸出。

半導(dǎo)體激光器受到電流的激勵，在其內(nèi)部雜質(zhì)（受主或施主）能級和能帶（導(dǎo)帶與價帶）之間，或者能帶之間會產(chǎn)生反轉(zhuǎn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，其與空穴復(fù)合后會被激發(fā)，形成相位相同、波長基本相同，而且強度較大的相干輻射光源，可用于車載逆反射測量儀的光源輸出。

本文使用的是940 nm 的紅外半導(dǎo)體激光器，與其他光源比較而言，因為它是不可見光，可見光源對其帶來的干擾較小， 所以能夠很好地降低誤差，確保在標線測量中的測量誤差不超過±5%。

3 激光脈沖調(diào)制技術(shù)在動態(tài)測量中的應(yīng)用

3.1 工作原理

因為車載標線逆反射系數(shù)測量儀長期暴露于外界環(huán)境當(dāng)中，遭受到路面平整度變化、行駛時光線亮度以及駕駛車輛人員習(xí)慣等外界條件的影響較大，所以在對車載標線逆反射系數(shù)進行測量的同時也要針對上述不良因素做出適當(dāng)調(diào)整，這也是車載標線逆反射系數(shù)測量的難點所在。

RP-MR11 型車載標線逆反射系數(shù)測量系統(tǒng)在2 種不同光源條件下（一組為光源未點亮?xí)r測得，一組為光源點亮?xí)r測得）對數(shù)據(jù)進行采集，通過分析2 組數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進行差分運算，來消除外界自然光對測量結(jié)果的影響。 數(shù)據(jù)的采用過程中，光源為高速脈沖線激光器（閃爍頻率為270 Hz），傳感器為工業(yè)常用的高速線陣相機（頻率為540 Hz），通過外部控制器使得相機與光源同步（圖2）。

圖2 工作原理

高速脈沖線激光器每次點亮觸發(fā)相機采樣理論時序如圖3 所示。 實際進行測試時，自然光線會干擾測量結(jié)果， 因此觸發(fā)方式實際時序如圖4 所示，該條件下自然光線對測量結(jié)果造成的干擾可避免。 圖3、4 中，Tf為采樣周期；Ton為激光器點亮?xí)r間；Tccd為CCD 相機曝光觸發(fā)脈沖，須大于1 us；Td為CCD 相機延遲時間。

圖3 高速脈沖線激光器觸發(fā)相機采樣理論時序圖

圖4 高速脈沖線激光器觸發(fā)相機采樣實際時序圖

3.2 RP-MR11 的安裝使用

RP-MR11 型車載式標線逆反射儀安裝于機動車側(cè)方，在機動車正常行駛，不影響其他車輛正常行駛的情況下，采用模擬的方法完成標線逆反射亮度系數(shù)RL 值的檢測。

RP-MR11 型車載式標線逆反射測量儀（圖5）的組成包含：測量儀主體（內(nèi)含：控制系統(tǒng)、光學(xué)測量模塊、北斗定位模塊等）、縱向測距輪、計算機處理系統(tǒng)等。 其優(yōu)點在于檢測覆蓋范圍廣、檢測速度快、檢測方式安全有效，測量可以在道路暢通的路面無需封閉且正常駕駛速度下進行。 該標線逆反射測量儀所測量的結(jié)果同普通便攜式儀器相比，能夠很好地排除過去傳統(tǒng)儀器效率較低、覆蓋范圍不夠廣、 大量占用人力且測量環(huán)境不安全的不良因素，達到相同的測量效果，其性能優(yōu)、測量效果好，已成為大多標線檢測、養(yǎng)護及施工單位的首選設(shè)備。

圖5 RP-MR11 車載式標線逆反射測量儀

4 激光脈沖調(diào)制技術(shù)動態(tài)與靜態(tài)測量對比分析

4.1 動態(tài)測量

動態(tài)測量采用RP-MR11 車載式儀器。 測試車到達起測試路段（長度600 m）始標記位置時開始測量，到達終點標記位置時停止測量，并存儲測量數(shù)據(jù)。 車輛行駛過程會產(chǎn)生偏位、偏航、俯仰、滾轉(zhuǎn)等運動， 導(dǎo)致車載逆反射亮度系數(shù)測量儀無法保證其測量的幾何體條件，使測量結(jié)果偶然誤差較大，且未進行校正的原始數(shù)據(jù)也可以看出實際車載采集數(shù)據(jù)上下波動較大。故測量結(jié)果采用15 m 測量單元范圍內(nèi)的逆反射亮度系數(shù)平均值， 采用車載式逆反射連讀系數(shù)測量儀進行3 次測試，篩選剔除異常數(shù)據(jù)后，計算其算術(shù)平均值作為該點的逆反射亮度系數(shù)。

4.2 靜態(tài)測量

靜態(tài)測量采用RP-R18 手持式儀器。 使用手持式測量儀，連續(xù)均勻檢測600 m 測試路段，并記錄標線逆反射亮度系數(shù)數(shù)據(jù)。 在測量某點逆反射亮度系數(shù)的同時，測量其周圍附近位置標線的逆反射亮度系數(shù)，與車載測量對應(yīng)，每15 m 為1 個測量單元范圍，取該段測量值的平均值作為該點的逆反射亮度系數(shù)代表值。

4.3 動態(tài)與靜態(tài)測量對比

采用RP-MR11 車載式標線逆反射亮度系數(shù)測量儀、RP-R18 手持式交通標線逆反射亮度系數(shù)測量儀，采集G15 福泉高速福州收費站——鏡洋收費站（部分數(shù)據(jù)范圍：K0+0～600）普通標線的逆反射亮度系數(shù)，得到車載動態(tài)與手持設(shè)備靜態(tài)測試數(shù)據(jù)對比結(jié)果如圖6 所示。 該路段36 組車載動態(tài)與手持設(shè)備靜態(tài)測試數(shù)據(jù)平均誤差1.21%，最大誤差4.92%，誤差均不超過5%，說明在誤差允許的特定條件下，RP-MR11 替代RP-R18 進行普通標線逆反射亮度系數(shù)數(shù)據(jù)采集是可行的。 應(yīng)注意的是，動態(tài)測量數(shù)據(jù)值較小時，雖然差值區(qū)別不大，但是由于基數(shù)（分母）變小會導(dǎo)致百分比誤差變大。

圖6 樁外觀缺陷修復(fù)后的外觀

圖6 高速普通標線車載動態(tài)與手持靜態(tài)測試數(shù)據(jù)對比

5 激光脈沖調(diào)制技術(shù)長距離動態(tài)測量分析

采用RP-MR11 車載測試儀，對G15 福泉高速福州收費站至鏡洋收費站間的部分路段進行3 次測量，并以900 m 長度為單位計算平均值，長度總計約22 km，得到數(shù)據(jù)如圖7 所示。 由該路段24 組數(shù)據(jù)可知，測量車輛行駛速度約80 km/h，長距離測量所有數(shù)據(jù)的坐標都無法100%完全對應(yīng)， 且車輛姿態(tài)、行駛速度存在差異，基于此所得數(shù)據(jù)3 次平均最大誤差為15.75%，最小誤差為0.3%。 但是，長距離動態(tài)測量分析可查看測量路段整體反光系數(shù)趨勢， 并可為路段保養(yǎng)提供強有力的數(shù)據(jù)參考，實際意義較大。

圖7 高速普通標線長距離車載動態(tài)測試數(shù)據(jù)分析（0～22 km）

6 結(jié)論及展望

本文把激光調(diào)制技術(shù)應(yīng)用在RP-MR11 車載式標線逆反射亮度系數(shù)測量儀上， 并進行數(shù)據(jù)采集，再與RP-R18 手持式交通標線逆反射亮度系數(shù)測量儀采集數(shù)據(jù)進行對比。 對比結(jié)果表明，在誤差允許的特定條件下， 使用RP-MR11 車載式標線逆反射亮度系數(shù)測量儀采集標線逆反射亮度系數(shù)的結(jié)果可以替代原有的手持式采集方式。

我國有龐大的公路網(wǎng)絡(luò)，并且每年仍在以兩位數(shù)增長，車載式標線逆反射系數(shù)測試技術(shù)具有較大的市場需求和廣闊的應(yīng)用前景；新的智能檢測方法與管養(yǎng)技術(shù)融合后，可使公路路面標線管養(yǎng)極大簡化，較大幅度提高標線管養(yǎng)效率，降低標線管養(yǎng)成本，推動我國的公路路面標線管養(yǎng)技術(shù)發(fā)展。