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1、浙江省公安厅科技处本文主要介绍在高速公路超速抓拍中频闪光源的选择和使用，论述了脉搏动闪光发生特性以及如何通过对脉动闪光灯的控制，解决恶劣光线环境下成像问题，并结合脉动闪光与CCD配合的同步机制，以确保闪光图象的捕获和调节。一、引言 随着我国高速公路投资力度和建设步伐的加快，高速公路违章超速抓拍系统也在各省逐步推广起来。由于目前世界上尚未诞生一款既能抓拍整车车型，同时又能抓拍适合车牌号自动识别的全天候自动摄像机，因此为了满足全天候超速抓拍图象的质量要求，尤其是夜间的效果抓拍设备需要借助辅助光源。频闪光源作为超速检测系统的一个组成部分，已在高速公路全天候检测系统中发挥着重要作用。二、高速公路超速抓
2、拍系统中对光源的要求 超速检测系统是交通安全管理监控系统-俗称电子警察系统的一类。电子警察系统还包括：车辆闯红灯监测系统、车辆逆行违章检测仪、道路卡口系统以及城市道路综合监控系统等。1、闪光灯在城区车辆闯红灯监测系统的应用闯红灯监测系统、车辆逆行违章检测系统安装在市区十字路口，市区十字路口虽然有路灯等照明设备，可以采用微光摄像机。为了达到较好的图象效果，往往采用大功率闪光灯，使用普通数码相机，感光范围宽。闪光灯发光时间为2000MS，对人眼有一定刺激，系统要求不是很高。2、闪光灯在公路卡口监测系统中的应用公路卡口监测系统，一般在城市或乡镇的国道、普通公路上，很少有路灯等照明设备。公路卡口监测系
3、统要求记录通过车辆的车型和车牌，因此往往采用长明灯作为车型抓拍的辅助光源，用闪光灯作为车牌抓拍的主光源。3、高速公路超速检测系统中环境光源的不同高速公路超速检测系统往往处在荒郊野外，环境光照不均匀，因此系统的前端超速抓拍部分需要辅助光源。而为了达到抓违章超速车辆的需要，往往不可能使用长明灯作为辅助光源，必须使用频闪光源。由于车速快，一个摄象机同时抓拍车型和车牌具有一定困难。 高速公路抓拍系统工作干室外环境，天气变化比较大，光线条件复杂。因此，要保证系统全天候、24小时的正常运行，必须解决各种光线条件下的成像问题。要使CCD摄像机成像清晰，必须在环境光照不足的情况下使用辅助光源进行补光。通常，辅
4、助光源可以选择恒定照明灯或闪光灯，也可两者同时使用。目前通常采用恒定照明灯的方案。但恒定照明灯在一个非常空旷、相对目标比较远的室外环境下，对改善夜间成像质量的作用有限。因此，为了提高环境亮度，往往不得不使用功率非常大的恒定照明灯，甚至在同一个行车方向安装几盏恒定照明灯。这样做并不能根本解决夜间成像问题。因为，为提高图像的亮度，在环境光线不足的情况下，需要降低快门速度来提高摄像机的进光量，但是，对干高速运动的汽车，为了成像清晰，就要将快门速度限定在比较快的水平上，这是在采用恒定光源方案下难以解决的矛盾。 如采用普通闪光灯，强光除会对驾驶员的正常驾驶造成一定影响外，在同一频率的闪光照射下，还会存在
5、车身和车牌的反光强度不同(一般车牌反光强度大，车身反光强度弱，满足了车牌反光要求，车身就看不清；满足车身反光要求，车牌就暴光过度)以及不同车辆、不同规格的牌照的反光要求不一样等问题。因此在前端超速抓拍中要使用变频频闪光源。同时根据以上因素，所选择；的光源必须满足下列条件：(1)必须有较强的冻结能力，为频闪光源(2)光脉冲可调，提供不同的脉冲宽度(3)光强较大时，脉冲宽度要小三、光源选择1、CCD的成像特性CCD是电荷耦合器件(Charge Coupled Device)的简称，作为半导体表面器件，在质量和成本上有独到的优势，电荷转移效率达到99.9999%。目前常用的工业摄像机几乎全部采用了C
6、CD器件作为摄像元件。CCD器件是积分型器件，其输出电信号既与CCD器件光敏面的照度(Ev)有关，也和光电积分时间(t)有关：L=kEt=KQ式中，k为比例常数，Q为暴光量(单位lxs)Q的上限为CCD器件的饱和暴光量，下限为CCD器件的最低灵敏度。一般来说，在灵敏度值附近，噪声掩盖许多信号图象，很多暗部已经无法检测，即使使用自动增益调高画面亮度，画面的层次少，清晰度差，细节难分辨，难免带来很大的测量误差。所以使用CCD器件时，为了保证图象质量，仍不能工作在光照明显过强或不足的场合。 CCD的象面照度对被摄物面亮度有较高要求，若物体本身不发光，则需要外加光源照明。物面的照度与光源的光强有关系：
7、设外加照明光源为连续发光的射体，其光强为I，亮度为B，置于光轴上，以立体角射出光线。在理想点光源条件下，距光源距离X处，目标上面积元ds所受光通量dF为：dF=B.COS.d式中为点光源与受光面元ds之间连线与光轴的夹角，d为受光面元ds对发光面元dA所张的立体角，而且d=dscos/l2，l为ds与dA之间的距离，有COS=X/l，因此d=dsCOS3。在扩展光源条件下，设光源面积为A，目标上面积元ds所受的光通量为：在旁轴近似下，受光面的照度为E物=dF/ds=IX2即物面的照度与照明光源的光强成正比，与光源的距离的平方成反比。因此在光源距离基本一定的情况下，还要求有较亮的工作光源，在短脉
8、冲范围内以保证物面的照度。2、光源选择脉冲氙灯是目前除激光以外最亮的人造光源，大尺寸的球形脉冲氙灯峰值亮度可达10cd，和其他一些典型的自然光源和人工光源相比较如表1所示。从表可知，即使是管状脉冲氙灯，其辐射亮度也比50瓦钨丝灯高4个数量级，比碘钨丝灯高3个数量级，有可能在短脉冲条件下工作，达到好的照明和图象冻结效果。脉冲氙灯的放电过程是一个随时间急剧变化的过程，分为放电增长、类稳态放电和放电衰退三个阶段。当储能电容充电到一定电压后，辅助电极(触发丝)加上数万伏的高压触发脉冲，使灯管中的气体预电离击穿。在灯上的轴向电场的作用下，由于电子和离子对气体的碰撞电离和光电离等作用，实现了气体放电雪崩过
9、程，放电通道的电导和电流急剧增加，同时储存在电容器上的能量通过预电离火花通道迅速释放。火花通道内的放电焦耳热加热气体，形成冲击波，使火花通道迅速扩张，其扩张速度同放电形式有关，通常达到5X10CM/S。灯的电导和电流进一步增加，同时灯电压迅速下降。当输入能量足够大时，通道可充满整个灯管。火花放电增长到一定程度，由干放电通道中电功率的释放大大提高了灯内气体的温度和电离度，而降低了电场强度，同时增加了灯内气体对电子散射的总截面，放电通道扩张过程逐渐减弱并停止。这时，由于放电电流对灯所释放的功率同灯在周围空间所损失的功率(热传导，冲击波，辐射等)之间达到了平衡，放电等离子体的温度不再增高，放电过程从
10、火花放电增长过程进入与电弧放电相似的类稳态放电过程。该过程持续时间较长，灯内电阻恒定，成正阻特性，电容储能的大部分在这段时间输入灯内转化成辐射能。随着电容器储能的释放，输入灯的功率逐渐变小。当输入功率不足以克服高温等离子体的辐射和其他损失时，放电等离子体逐渐冷却，相应地，灯的电阻逐渐增加。最后，电容放电回路供给灯的电功率不足以维持放电时，放电就停上了。脉冲氙灯的辐射具有白光的性质。电容器通过灯管放电，使灯管内的气体发生强烈的电离，形成高温等离子体。由于带电粒子之间的相互作用以及电子和离子间的复合，发射出强烈加宽的原子和离子綫光谱以及复合和韧致辐射连续谱。脉冲氙灯的光谱能量分布从紫外区(2000
11、A)一直延伸到近红外区几个()，具有连续谱的特征，同时在连续谱上迭加了原子和离子谱线。脉冲氙灯的辐射特征可以概括为：(1)脉冲氙灯的光谱由很强的连续谱和强烈加宽了的填充气体的原子谱缓和离子谱才组成。连续光谱的分布轮廓与一定温度的黑体相对光谱分布一致，可以用色温来描述。(2)当电流密度增加时，光谱能量分布的重心移向短波，相应的色温也升高。(3)随着电流密度的增加，连续谱线成分的增加比线光谱快，连续谱越来约占优势，而线光谱越来越变得不显著，甚至消失。脉冲氙灯的显色指数在90以上，完全符合国际照明委员会规定的白光标准。同时脉冲氙灯的开关性能远优干热辐射光源，给外电路同步控制提供了可能。四、光源的控制
12、和调节1、闪光灯的控制压缩脉冲光的主要方法是采用高电压小电容的储能方式。在储能一定时，为避免电压过高，保证闪光灯的发光效率，储能电容一般不能太小。由于脉冲闪光灯耐压值有限，闪光灯工作回路上必须串有耐高压的快速开关、开关特性影响氙灯的发光性质，而预电离方式工作能够改善脉冲闪光的上升沿陡度和光强峰值、脉冲闪光灯在超速车辆抓拍系统的应用要求：触发时间可控、闪光脉宽可调、有规范化的控制接口便于计算机软件控制。理想情况是，闪光的发生和计算机触发脉冲在一定延时的条件下精确同步，闪光脉宽在由放电回路限定的放电持续时间和由光脉冲压缩方式决定的最小闪光脉宽之间连续可调，闪光边沿陡峭?系统采用晶闸管可控硅作为脉冲
13、闪光灯放电回路控制开关的应用，在大功率强流气体放电中擭得了良好的控制效果。频闪光源由2只并联充电的脉冲闪光灯构成。储能电容使用交流升压的方式稳压后直接充电，不使用大功率变压器，因此电源部分体积小，重量轻，充电速度快；点燃前，电容电压稳定在闪光灯的着火电压和自闪电压之间(260V左右)，点燃后，闪光灯在设定的工作时间内关断，储能电容上的剩余电压和电源快速充电电路保证了单灯工作频率，在实际应用中，晶闸管的电流关断特性，充分体现出脉冲闪光灯亮度高，色谱接近白色的优良特点。视频闪光源的控制信号由计算机控制的同步装置输出，同步装置具有定时控制、中断控制、闪光开关控制等功能。同步装置通过计算机决定控制信号
14、发生的时序-同步装置的控制时序如图所示：以上图形从上到下分别是：Flash TO T1 Int.on Fi.on TO.out T1.out。图中。Flash是要求输出的闪光脉冲信号，TO.out和T1.out为定时器的溢出信号，它与门控信号T.gate相结合，启动定时器推挽工作，与闪光允许信号相结合，控制脉冲闪光灯的开关?闪光脉宽范围5-2000s。由定时器TO控制(范围0-32767us)，在一个周期内即能完成定时任务。2、图片抓拍的智能调节在图象抓拍过程中，软件根据拍摄图片灰度，自动进行变频调节，以达到最佳的图象质量。在物体照度过强或过弱的情况下，一般通过控制快门逐渐变慢来实现亮度调节或
15、者通过控制闪光变频时间(补光时间)来实现亮度调节。在实际使用中，快门时间为固定的，摄像机快门一般设置为11000S。在快门不变的情况下，需要调节脉冲光时间，一般车牌反光强，脉冲光为8s，车身反光弱，脉冲光为110s，以此作为基准，当图片灰度变化时，脉冲光频率可自动调节，变频时间为30s，可以认为是同时抓拍。同步控制装置就是完成脉冲光发出、CCD摄像、计算机存储和分析之间的软硬件同步：五、结论通过调节脉冲氙灯的光强和频率，可以解决各种光线下的成像问题。脉冲闪光与CCD配合通过一定的同步机制，可以保证闪光图象的捕获和调节，而微秒级的闪光频率对人眼没有任何影响。配置合理的高可靠性频闪光源不仅成为得到高质量违章车辆图片的前提，也成为衡量超速检测系统成功与否的重要标志。
