1、1引言概述地磁車輛檢測技術(shù)是一種新型的用于車輛交通狀態(tài)檢測的技術(shù)，采用高精度的弱磁傳感 器來感應(yīng)被測范圍內(nèi)車輛的移動信息（駛?cè)?、駛出、停留等）及車輛的本征信息（車型、軸 距等）。與傳統(tǒng)的地感線圈檢測技術(shù)及雷達相比，地磁檢測技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢：地磁檢測器在施工過程中無需大面積切割路面，對路面損傷小，施工容易。地磁檢測器采用探頭全防水設(shè)計，不易損壞。測速準確，可達土 1km/h。不受其它移動目標的干擾。地磁檢測技術(shù)的不足之處主要表現(xiàn)在：與雷達測速系統(tǒng)相比，無法實現(xiàn)機動靈活的部屬。綜上所述，地磁檢測系統(tǒng)適合應(yīng)用于固定點測速、交通監(jiān)測卡口等位置，能夠完成車流 量檢測、測速等工作。術(shù)語地磁：地球南北極之

2、間的固有磁場。地磁車輛檢測器（在本文中簡稱地磁探頭）：一種檢測地磁的傳感器，通過檢測車輛經(jīng) 過時對空間磁場的擾動來分析車輛相關(guān)信息的裝置。地磁測速器：以地磁探頭為檢測單元測量通過測試路段車輛平均速度的裝置。引用及依據(jù)磁性傳感器的選擇與應(yīng)用發(fā)表于儀器儀表與傳感器2002年12月。技術(shù)要求運行環(huán)境2.1.1工作環(huán)境溫度：-40C+85C2.1.2工作環(huán)境濕度：地磁探頭：防水；地磁測速器：5%90% （不凝結(jié)）2.1.3電磁干擾：以地磁探頭為中心35m范圍內(nèi)不應(yīng)有低頻（10kHz以下）大功率 干擾源，如高壓輸變電設(shè)備、電焊機等。2.1.4 電源電壓：DC 12V （土10%），紋波 P-P 值5mV

3、。條件限制2.2.1路面安裝時，安裝深度（距路面）520cm。2.2.2混凝土路基安裝時，可安裝于鋼筋骨架之下，鋼筋骨架不會對探頭工作造成 影響，但深度不應(yīng)大于20cm。2.2.3多個探頭安裝時，探頭連接線總長度不應(yīng)大于1000m，如果必須大于1000m， 需采用多個地磁測速器分開連接，使每個地磁測速器上掛接地磁探頭的總連 線長度小于1000m。2.2.4在5250km/h的量程范圍內(nèi)：當測速精度要求為1km/h時，同一車道的兩 只地磁探頭距離應(yīng)大于10m，小于25m；當測速精度要求為2km/h時，同 一車道的兩只地磁探頭距離應(yīng)大于5m，小于25m?？煽啃源胧?.3.1全部采用工業(yè)級電子元器件

4、。2.3.2地磁探頭、地磁測速器內(nèi)置高速MCU，內(nèi)部WDT電路保證工作可靠性。2.3.3內(nèi)置溫度傳感器，當溫度超過允許的范圍時，自動停機保護。2.3.4內(nèi)置零點校正電路，自動對環(huán)境背景磁場進行校正，消除探頭周圍溫度、鐵 磁性材料移動等對檢測造成的影響。2.3.5控制信號采485網(wǎng)絡(luò)傳輸，抗干擾能力強。2.3.6觸發(fā)信號由20mA電流環(huán)傳輸，具有18V瞬間過壓保護功能，在保證實時性 的同時，進一步提高抗干擾能力。2.3.7每只地磁探頭供電最大限制電流500mA，單只探頭短路不會影響其它探頭工 作。2.3.8電路采用全固態(tài)器件，沒有磁控管、地感線圈等易損器件，工作穩(wěn)定可靠。2.4 功耗地磁測速器功

5、耗約：0.4W。地磁探頭功耗約：0.7W。系統(tǒng)最小配置是一個地磁測速器和兩只地磁探頭，可以監(jiān)測一個車道上通過的車輛，總 功耗：0.4 + 0.7 x 2 = 1.血）系統(tǒng)完全配置是一個地磁測速器和八只地磁探頭，可以監(jiān)測四個車道上通過的車輛，總 功耗：0.4 + 0.7 x 8 = 6（W ）技術(shù)方案系統(tǒng)構(gòu)成地磁測速設(shè)備通常和圖像抓拍系統(tǒng)協(xié)同工作。硬件構(gòu)成3.2.1地磁探頭。微處理器：C8051F007串行總線：SP3485EN觸發(fā)通訊：PC817C磁場檢測：HMC102X信號放大：AMP04FS3.2.2地磁測速器。微處理器：C8051F020串行總線：SP3485EN、SP3232EEY3.

6、2.3電源。3.2.4信號線及其它附件。工作原理地球磁場在很廣闊的區(qū)域內(nèi)（大約幾公里）和長期的時間內(nèi)（數(shù)千年）是一定的。在一 個相對恒定的背景磁場下，如果出現(xiàn)了一個鐵磁性物體（如汽車），無論它是運動的還是靜 止的，地球磁場都將會發(fā)生擾動（圖1-1）。地磁傳感器可檢測由于車輛干擾而引起的地磁 場的變化，分析車輛的相關(guān)狀態(tài)（如駛?cè)?、駛出、停留）進而完成測速、觸發(fā)等工作。圖1-1車輛對地求磁場的擾動地磁測速是基于地磁車輛檢測技術(shù)完成的。在車輛的行駛方向上的固定位置順序安裝兩 只地磁探頭，車輛通過時將產(chǎn)生兩個觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的間隔時間與車輛通過時的平均速 度成反比。Sv t因此，只要精確測量觸發(fā)信號

7、的間隔時間（t）和兩只地磁探頭之間的距離（S），就可 以測出車輛通過時的平均速度（V）。微處理器資源分配地磁探頭（C8051F007）串行接口 UART0： 485 通訊。3.4.1.2模數(shù)轉(zhuǎn)換順AD0AD3：磁場信號采樣。3.4.1.3數(shù)模轉(zhuǎn)換DA0:放大器（AMP04FS）參考電壓。3.4.1.4并行接口 P03：指示燈。3.4.1.5并行接口 P05:磁場傳感器（HMC102X）置位、復(fù)位信號 3.4.2地磁測速器3.4.2.1串行接口 UART0： RS232主機通訊。串行接口 UART1： RS485 通訊。3.4.2.3并行接口 P1：指示燈。3.4.2.4并行接口 P2:探頭觸發(fā)

8、信號輸入。軟件流程地磁探頭3.5.2地磁測速器在地磁測速器中，八個探頭組成四個通道，每個通道的工作情況相同，如上圖。現(xiàn)僅以 一個通道為例進行說明：當車輛通過時，首先經(jīng)過的探頭稱為前探頭，之后經(jīng)過的探頭稱為后探頭。當車輛通過前探頭時，啟動計時器；當車輛到達后探頭時，停止計時器，計算機速度值， 并通過UART0發(fā)送速度值。此時，連接在UART0上的視頻處理系統(tǒng)（如工控機）就可以 采集監(jiān)視后探頭位置的圖像，計錄車輛通過的信息。功能描述及算法本系統(tǒng)核心算法有兩種：在地磁探頭中執(zhí)行車輛檢測算法，判斷有無車輛；在地磁測速 器中執(zhí)行速度計算，計算出車輛通過時的速度。4.1 車輛檢測算法大的鐵磁物體的磁擾動，

9、如一輛汽車，可看作多個雙極性磁鐵組成的模型。這些雙極性 磁鐵具有北一南的極化方向，引起地球磁場的擾動。這些擾動在汽車發(fā)動機和車輪處尤為明顯，但也取決于在車輛內(nèi)部、車頂或后備箱中有沒有其它鐵磁物質(zhì)?？傊?，其綜合影響是對 地球磁場磁力線的扭曲和畸變，見圖4-1，這種扭曲也被稱作車輛的硬鐵影響或干擾。圖4-1在均勻磁場中鐵磁性物體引起的畸變在車輛經(jīng)過的位置安置一個三軸地球磁場傳感器，可用來檢測車輛的存在。當車輛經(jīng)過 時，會引起三軸地磁傳感器輸出的變化，該曲線的特點是：當傳感器與車輛平行時出現(xiàn)峰 值。當在車輛距傳感器1英尺的情形下（圖4-2），對該曲線進行平滑處理后，可用來指示 車輛的存在。通過建立合

10、適的閥值，可以濾掉旁邊車道的車輛或遠距離車輛帶來的干擾信號。圖4-2A當一輛轎車在傳感器上方1英尺經(jīng)過時對X軸磁場的影響圖4-2C當一輛轎車在傳感器上方1英尺經(jīng)過時對Z軸磁場的影響上面講述的方法對三軸地磁傳感器的安裝方向有比較嚴格的要求，不易于施工；另一種 對地磁傳感器的安裝方向無要求的檢測車輛存在的方法是觀察磁場變化的大?。捍艌龅拇笮?（X2 + 口 2 + Z 2數(shù)值的變化表明了對地磁場整體的干擾的程度。圖4-3顯示了傳感器距車輛1英尺、5 英尺、10英尺和21英尺時，一輛轎車通過所產(chǎn)生的曲線。在不同距離下，圖4-3曲線的形狀很相似，但是信號強度卻大不相同。從1英尺到5英 尺，信號強度衰減

11、得非?？?。圖4-4顯示了這種數(shù)值上的快速衰減。當傳感器只檢測單一車 道車輛從圖4-4可以看出，磁傳感器在1 至4英尺的檢測距離范圍內(nèi)可以工作得很好。通過 觀察磁場的變化，可以確定通過車輛的存在和行駛。這種檢測方法的好處是無電磁波輻射、 安裝方便、工作可靠。傳感器可以安裝在非鐵磁性材料（如消磁不銹鋼）制成外殼中，做成 地磁探頭。如果探頭和檢測目標之間有少量靜止的鐵磁性物體不會對探頭的工作產(chǎn)生影響， 僅需調(diào)整探頭的靈敏度即可。速度計算磁測速是基于地磁車輛檢測算法完成的。在車輛的行駛方向上的固定位置順序安裝兩只 地磁探頭，車輛通過時將產(chǎn)生兩個觸發(fā)信號，觸發(fā)信號的間隔時間與車輛通過時的平均速度 成反比

12、。設(shè)：兩只探頭的距離是S車輛到達第一個探頭的時間是ts車輛到達第二個探頭的時間是t0車輛行駛的速度是vSV =t t因此，測量觸發(fā)信號的時間（ts和t0）和兩只地磁探頭之間的距離（S）,就可以測出車 輛通過時的平均速度（V）。S工作過程測速系統(tǒng)按如下步驟完成測速：車輛駛?cè)霚y速區(qū)當車輛駛?cè)霚y速區(qū)時，前探頭向地磁測速器發(fā)出觸發(fā)信號，地磁測速器開始計時，計時 精度為ImSec。車輛駛出測速區(qū)當車輛駛出測速區(qū)時，后探頭向地磁測速器發(fā)出觸發(fā)信號，地磁測速器停止計時，此時， 得到車輛通過測速區(qū)的時間t。計算速度測速區(qū)的長度（即探頭的距離）S是一個固定值，此時，將得到的時間t和距離S按4.2 節(jié)公式計算，可得到速度值V。抓拍取證完成速度計算之后，地磁測速器通過UART0（RS23