基于相敏光時(shí)域反射儀的車流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能交通領(lǐng)域，具體涉及基于相敏光時(shí)域反射儀的一種新型車流量在 線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，私家車輛擁有量急劇增加，各個(gè)城市城鎮(zhèn)道路上 下班高峰期或節(jié)假日擁堵現(xiàn)象日益嚴(yán)重，給人們出行及日常生活帶來(lái)極大不便，因此實(shí)時(shí) 在線監(jiān)測(cè)城鎮(zhèn)道路車流量及其運(yùn)行情況，及時(shí)疏導(dǎo)交通避免擁堵，實(shí)現(xiàn)智能化交通管理，是 亟待解決的重要問(wèn)題。車流量在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)各路段、交叉路口的所經(jīng)車 輛數(shù)量及其運(yùn)行情況，為交通管理部門和車主提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的道路信息，以此進(jìn)行及時(shí)疏 導(dǎo)、管理或采取主動(dòng)避讓措施，避免擁堵帶來(lái)的一系列問(wèn)題，是智能交通管理的重要依據(jù)及 關(guān)鍵技術(shù)之一。目前車流量檢測(cè)技術(shù)主要是基于視頻監(jiān)測(cè)（CN1024199906A，2012)，通過(guò) 視頻圖像采集與分析，對(duì)連續(xù)視頻畫(huà)面的車輛目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)，然而，視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)依 賴于光線，當(dāng)夜間光線不足的情況下，視頻質(zhì)量下降，識(shí)別準(zhǔn)確性降低；紅外監(jiān)測(cè)技術(shù)，光線 強(qiáng)弱對(duì)其影響較小，但為了提高其靈敏度，需要提高功率而系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性急劇下降（CN 1967623A，2006);當(dāng)前依靠電子傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種新型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)（CN103578280 A，2014)，方便快捷，但是大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)需要成百上個(gè)個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成智能交通網(wǎng)絡(luò)， 更換電池及長(zhǎng)期維護(hù)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明目的是提供一種基于相敏光時(shí)域反射儀的車流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)方 法，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)車流量及車輛運(yùn)行參數(shù)情況，為交通管理部門提供實(shí)時(shí)可靠的車輛行駛 及路況信息，為智能調(diào)控和及時(shí)疏導(dǎo)擁堵提供一種重要技術(shù)手段。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：基于相敏光時(shí)域反射儀的車流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括沿道 路埋地鋪設(shè)的探測(cè)光纜、相敏光時(shí)域反射儀和信號(hào)處理主機(jī)，所述相敏光時(shí)域反射儀包括 超窄線寬激光器、聲光調(diào)制器，摻鉺光纖放大器、隔離器、環(huán)行器、濾波器、光電探測(cè)器、模數(shù) 轉(zhuǎn)換器、波形發(fā)生卡，由超窄線寬激光器產(chǎn)生一路連續(xù)相干光信號(hào)，經(jīng)聲光調(diào)制器調(diào)制成光 脈沖信號(hào)，由摻鉺光纖放大器集中放大，經(jīng)隔離器、環(huán)形器1-2端口注入探測(cè)光纜；光脈沖 沿光纜傳輸過(guò)程產(chǎn)生瑞利散射，其后向瑞利散射光信號(hào)沿光纜返回，由環(huán)形器2-3端口接 收，經(jīng)光學(xué)濾波器濾除噪聲信號(hào)，由光電探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換形成模擬的光時(shí)域反射信號(hào)， 模擬的光時(shí)域反射信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換生成數(shù)字電信號(hào)；數(shù)字電信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸給信號(hào)處 理主機(jī)，波形發(fā)生卡，產(chǎn)生周期的脈沖信號(hào)，作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)調(diào)制超窄線寬激 光器輸出的連續(xù)光形成光脈沖，并作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的采集觸發(fā)信號(hào)對(duì)光時(shí)域反射信 號(hào)進(jìn)行周期同步采集。
[0005] 基于相敏光時(shí)域反射儀的車流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，探測(cè)光纖感知光纜沿 線車輛經(jīng)過(guò)所引起的光纖振動(dòng)，將不同時(shí)刻車輛行駛引起的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)在時(shí)間軸上累 積，形成車輛行駛軌跡圖，對(duì)圖中的車輛行駛軌跡進(jìn)行搜索檢測(cè)和參數(shù)確定，以此得到車流 量和車輛行駛速度、方向及位置信息。
[0006] 基于相敏光時(shí)域反射儀的車流量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法，監(jiān)測(cè)方法包括以下步 驟：
[0007] (1)對(duì)相鄰時(shí)刻的光時(shí)域反射軌跡進(jìn)行差分得到該時(shí)刻的車輛行駛振動(dòng)響應(yīng)信 號(hào)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間段累積，得到一個(gè)隨空間、時(shí)間變化的車輛行駛時(shí)空響應(yīng)圖；
[0008] (2)將該車流量單位統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的車輛行駛時(shí)空響應(yīng)圖，經(jīng)過(guò)二值化閾值處理 及圖像去噪、目標(biāo)增強(qiáng)等預(yù)處理，得到車輛行駛軌跡圖；
[0009] (3)對(duì)車輛行駛軌跡圖任一方向上斷續(xù)的行駛軌跡像素點(diǎn)，用線條搜索匹配方法 檢測(cè)可能形成的所有車輛行駛軌跡，由檢測(cè)到的車輛行駛軌跡參數(shù)建立車輛檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)；
[0010] (4)根據(jù)車輛檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的軌跡參數(shù)，統(tǒng)計(jì)車流量并計(jì)算得到車輛在實(shí)際道 路上的行駛速度、方向及駛?cè)腭偝鑫恢谩?br>[0011] 車輛行駛時(shí)空響應(yīng)圖的獲得方法如下：對(duì)相敏光時(shí)域反射儀相鄰時(shí)刻的光時(shí)域反 射軌跡即OTDR軌跡進(jìn)行差值處理，得到該時(shí)刻光纖沿線車輛行駛或過(guò)往引起的振動(dòng)響應(yīng) 曲線；經(jīng)過(guò)一定時(shí)間段累積組成一個(gè)隨空間、時(shí)間分布的二維矩陣，形成一幅車輛行駛時(shí)空 響應(yīng)圖。
[0012] 由車輛行駛時(shí)空響應(yīng)圖進(jìn)一步處理得到車輛行駛軌跡圖的方法如下：根據(jù)車輛行 駛引起的振動(dòng)響應(yīng)與系統(tǒng)噪聲響應(yīng)的幅度差異，依據(jù)背景噪聲選擇合適閾值，將車輛行駛 時(shí)空響應(yīng)分布圖經(jīng)過(guò)二值化閾值處理，轉(zhuǎn)換為一幅二值化時(shí)空響應(yīng)圖，經(jīng)過(guò)圖像去噪，邊緣 銳化和目標(biāo)增強(qiáng)處理后，得到車輛行駛軌跡圖。
[0013] 車輛行駛軌跡圖中不同方向上的車輛行駛軌跡線檢測(cè)方法如下：
[0014] 根據(jù)由監(jiān)測(cè)距離和統(tǒng)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)度確定的二維車輛行駛軌跡圖橫向、縱向坐標(biāo)尺 寸，對(duì)該圖像范圍內(nèi)所有可能方向上的行駛軌跡線進(jìn)行搜索，判斷每條直線上的像素值是 否滿足預(yù)先設(shè)定的車輛行駛軌跡線的匹配條件，若滿足匹配條件，說(shuō)明該方向有行駛軌跡， 將該方向上檢測(cè)到的軌跡線相關(guān)參數(shù)信息記錄進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，作為車輛行駛軌跡的搜索檢測(cè)結(jié) 果；
[0015] 車輛行駛軌跡圖中所有可能方向上的行駛軌跡線搜索方法如下：
[0016] 車輛行駛軌跡圖中，以圖像橫坐標(biāo)即橫向空間距離d為橫軸，以圖像縱坐標(biāo)即縱 向時(shí)間t為縱軸建立坐標(biāo)系，由監(jiān)測(cè)距離和觀測(cè)時(shí)間段構(gòu)成由ABCD四個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成的矩形 窗，即車輛行駛軌跡圖，其中點(diǎn)A與坐標(biāo)軸原點(diǎn)0重合，AB邊與橫向空間軸重合，AD邊與縱 向時(shí)間軸重合，在圖像AB⑶中記邊AB、BC、⑶、DA分別為邊L12、13、14,由于圖中任一方 向上的軌跡線延長(zhǎng)線均會(huì)與圖像中的某兩條邊相交，而軌跡線與圖像兩條邊相交的情況不 同，總共分為6種情況(C| = 6):I，與邊I2相交；II，與邊12、I3相交；III，與邊1 3、14相 交；IV，與邊14、I1相交；V，與邊1 〃I3相交；VI，與邊12、I4相交。因此本發(fā)明按逆時(shí)針?lè)较?對(duì)這6種情況下的所有可能方向上的軌跡線按照以下步驟一一進(jìn)行搜索：
[0017] 步驟1 :設(shè)點(diǎn)P為線段AB(I1)上的任一像素點(diǎn)（Pe[A，B))，從點(diǎn)A開(kāi)始遍歷AB 上所有像素點(diǎn)，其中B點(diǎn)除外，依次作為搜索線條的起始點(diǎn)P，分別連接點(diǎn)P到邊I2U3上的 所有像素點(diǎn)M，沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)遍歷12、13上的所有像素點(diǎn)M，其中B、D點(diǎn)除外，直至M移 至點(diǎn)D為止，該步驟1中搜索了行駛軌跡圖中與I1UJg交和與IpI3相交的所有方向上的 行駛軌跡線；
[0018] 步驟2 :類似的，設(shè)點(diǎn)P為線段BC(I2)上的任一像素點(diǎn)（PG[B，C))，從點(diǎn)B開(kāi)始 遍歷BC上所有像素點(diǎn)，其中C點(diǎn)除外，依次作為搜索線條的起始點(diǎn)P，分別連接點(diǎn)P到邊13、 14上的所有像素點(diǎn)M，沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)遍歷1 3、14上的所有像素點(diǎn)M，其中C、A點(diǎn)除外，直 至M移至點(diǎn)A為止，該步驟2中搜索了行駛軌跡圖中與12、13相交和與1 2、I4相交的所有方 向上的行駛軌跡線；
[0019] 步驟3 :設(shè)點(diǎn)P為線段⑶(I3)上的任一像素點(diǎn)（PG[C，D))，從點(diǎn)C開(kāi)始遍歷⑶ 上所有像素點(diǎn)，其中D點(diǎn)除外，依次作為搜索線條的起始點(diǎn)P，分別連接點(diǎn)P到邊I4上的所 有像素點(diǎn)M，沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)遍歷14上的所有像素點(diǎn)M，其中D、A點(diǎn)除外，直至M移至點(diǎn) A為止，該步驟3中搜索了行駛軌跡圖中與13、I4相交的所有方向上的行駛軌跡線；
[0020] 步驟4:類似的，設(shè)點(diǎn)P為線段DA(I4)上的任一像素點(diǎn)（Pe[D，A))，從點(diǎn)D開(kāi)始 遍歷DA上所有像素點(diǎn)，其中A點(diǎn)除外，依次作為搜索線條的起始點(diǎn)P，分別連接點(diǎn)P到邊I1 上的