基于相敏光時域反射儀的車流量在線監測系統及監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于智能交通領域，具體涉及基于相敏光時域反射儀的一種新型車流量在 線監測系統及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著人們物質生活水平的提高，私家車輛擁有量急劇增加，各個城市城鎮道路上 下班高峰期或節假日擁堵現象日益嚴重，給人們出行及日常生活帶來極大不便，因此實時 在線監測城鎮道路車流量及其運行情況，及時疏導交通避免擁堵，實現智能化交通管理，是 亟待解決的重要問題。車流量在線監測，通過實時檢測和統計各路段、交叉路口的所經車 輛數量及其運行情況，為交通管理部門和車主提供實時準確的道路信息，以此進行及時疏 導、管理或采取主動避讓措施，避免擁堵帶來的一系列問題，是智能交通管理的重要依據及 關鍵技術之一。目前車流量檢測技術主要是基于視頻監測（CN1024199906A，2012)，通過 視頻圖像采集與分析，對連續視頻畫面的車輛目標進行檢測和統計，然而，視頻監測技術依 賴于光線，當夜間光線不足的情況下，視頻質量下降，識別準確性降低；紅外監測技術，光線 強弱對其影響較小，但為了提高其靈敏度，需要提高功率而系統長期可靠性急劇下降（CN 1967623A，2006);當前依靠電子傳感器網絡的一種新型物聯網監測技術（CN103578280 A，2014)，方便快捷，但是大范圍內監測需要成百上個個傳感網絡節點組成智能交通網絡， 更換電池及長期維護困難。
【發明內容】
[0003] 本發明目的是提供一種基于相敏光時域反射儀的車流量在線監測系統及監測方 法，實時在線監測車流量及車輛運行參數情況，為交通管理部門提供實時可靠的車輛行駛 及路況信息，為智能調控和及時疏導擁堵提供一種重要技術手段。
[0004] 本發明的技術方案為：基于相敏光時域反射儀的車流量在線監測系統，包括沿道 路埋地鋪設的探測光纜、相敏光時域反射儀和信號處理主機，所述相敏光時域反射儀包括 超窄線寬激光器、聲光調制器，摻鉺光纖放大器、隔離器、環行器、濾波器、光電探測器、模數 轉換器、波形發生卡，由超窄線寬激光器產生一路連續相干光信號，經聲光調制器調制成光 脈沖信號，由摻鉺光纖放大器集中放大，經隔離器、環形器1-2端口注入探測光纜；光脈沖 沿光纜傳輸過程產生瑞利散射，其后向瑞利散射光信號沿光纜返回，由環形器2-3端口接 收，經光學濾波器濾除噪聲信號，由光電探測器進行光電轉換形成模擬的光時域反射信號， 模擬的光時域反射信號經模數轉換器轉換生成數字電信號；數字電信號實時傳輸給信號處 理主機，波形發生卡，產生周期的脈沖信號，作為聲光調制器的驅動信號來調制超窄線寬激 光器輸出的連續光形成光脈沖，并作為模數轉換器（ADC)的采集觸發信號對光時域反射信 號進行周期同步采集。
[0005] 基于相敏光時域反射儀的車流量在線監測系統的監測方法，探測光纖感知光纜沿 線車輛經過所引起的光纖振動，將不同時刻車輛行駛引起的振動響應信號在時間軸上累 積，形成車輛行駛軌跡圖，對圖中的車輛行駛軌跡進行搜索檢測和參數確定，以此得到車流 量和車輛行駛速度、方向及位置信息。
[0006] 基于相敏光時域反射儀的車流量在線監測系統的監測方法，監測方法包括以下步 驟：
[0007] (1)對相鄰時刻的光時域反射軌跡進行差分得到該時刻的車輛行駛振動響應信 號，經過一定時間段累積，得到一個隨空間、時間變化的車輛行駛時空響應圖；
[0008] (2)將該車流量單位統計時間段內的車輛行駛時空響應圖，經過二值化閾值處理 及圖像去噪、目標增強等預處理，得到車輛行駛軌跡圖；
[0009] (3)對車輛行駛軌跡圖任一方向上斷續的行駛軌跡像素點，用線條搜索匹配方法 檢測可能形成的所有車輛行駛軌跡，由檢測到的車輛行駛軌跡參數建立車輛檢測數據庫；
[0010] (4)根據車輛檢測數據庫記錄的軌跡參數，統計車流量并計算得到車輛在實際道 路上的行駛速度、方向及駛入駛出位置。
[0011] 車輛行駛時空響應圖的獲得方法如下：對相敏光時域反射儀相鄰時刻的光時域反 射軌跡即OTDR軌跡進行差值處理，得到該時刻光纖沿線車輛行駛或過往引起的振動響應 曲線；經過一定時間段累積組成一個隨空間、時間分布的二維矩陣，形成一幅車輛行駛時空 響應圖。
[0012] 由車輛行駛時空響應圖進一步處理得到車輛行駛軌跡圖的方法如下：根據車輛行 駛引起的振動響應與系統噪聲響應的幅度差異，依據背景噪聲選擇合適閾值，將車輛行駛 時空響應分布圖經過二值化閾值處理，轉換為一幅二值化時空響應圖，經過圖像去噪，邊緣 銳化和目標增強處理后，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方法如下：
[0014] 根據由監測距離和統計時間長度確定的二維車輛行駛軌跡圖橫向、縱向坐標尺 寸，對該圖像范圍內所有可能方向上的行駛軌跡線進行搜索，判斷每條直線上的像素值是 否滿足預先設定的車輛行駛軌跡線的匹配條件，若滿足匹配條件，說明該方向有行駛軌跡， 將該方向上檢測到的軌跡線相關參數信息記錄進數據庫，作為車輛行駛軌跡的搜索檢測結 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，以圖像橫坐標即橫向空間距離d為橫軸，以圖像縱坐標即縱 向時間t為縱軸建立坐標系，由監測距離和觀測時間段構成由ABCD四個頂點構成的矩形 窗，即車輛行駛軌跡圖，其中點A與坐標軸原點0重合，AB邊與橫向空間軸重合，AD邊與縱 向時間軸重合，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 向上的軌跡線延長線均會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。因此本發明按逆時針方向 對這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行搜索：
[0017] 步驟1 :設點P為線段AB(I1)上的任一像素點（Pe[A，B))，從點A開始遍歷AB 上所有像素點，其中B點除外，依次作為搜索線條的起始點P，分別連接點P到邊I2U3上的 所有像素點M，沿逆時針方向旋轉遍歷12、13上的所有像素點M，其中B、D點除外，直至M移 至點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，設點P為線段BC(I2)上的任一像素點（PG[B，C))，從點B開始 遍歷BC上所有像素點，其中C點除外，依次作為搜索線條的起始點P，分別連接點P到邊13、 14上的所有像素點M，沿逆時針方向旋轉遍歷1 3、14上的所有像素點M，其中C、A點除外，直 至M移至點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 :設點P為線段⑶(I3)上的任一像素點（PG[C，D))，從點C開始遍歷⑶ 上所有像素點，其中D點除外，依次作為搜索線條的起始點P，分別連接點P到邊I4上的所 有像素點M，沿逆時針方向旋轉遍歷14上的所有像素點M，其中D、A點除外，直至M移至點 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，設點P為線段DA(I4)上的任一像素點（Pe[D，A))，從點D開始 遍歷DA上所有像素點，其中A點除外，依次作為搜索線條的起始點P，分別連接點P到邊I1 上的