基于相敏光时域反射仪的车流量在线监测系统及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于智能交通领域，具体涉及基于相敏光时域反射仪的一种新型车流量在 线监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们物质生活水平的提高，私家车辆拥有量急剧增加，各个城市城镇道路上 下班高峰期或节假日拥堵现象日益严重，给人们出行及日常生活带来极大不便，因此实时 在线监测城镇道路车流量及其运行情况，及时疏导交通避免拥堵，实现智能化交通管理，是 亟待解决的重要问题。车流量在线监测，通过实时检测和统计各路段、交叉路口的所经车 辆数量及其运行情况，为交通管理部门和车主提供实时准确的道路信息，以此进行及时疏 导、管理或采取主动避让措施，避免拥堵带来的一系列问题，是智能交通管理的重要依据及 关键技术之一。目前车流量检测技术主要是基于视频监测（CN1024199906A，2012)，通过 视频图像采集与分析，对连续视频画面的车辆目标进行检测和统计，然而，视频监测技术依 赖于光线，当夜间光线不足的情况下，视频质量下降，识别准确性降低；红外监测技术，光线 强弱对其影响较小，但为了提高其灵敏度，需要提高功率而系统长期可靠性急剧下降（CN 1967623A，2006);当前依靠电子传感器网络的一种新型物联网监测技术（CN103578280 A，2014)，方便快捷，但是大范围内监测需要成百上个个传感网络节点组成智能交通网络， 更换电池及长期维护困难。
【发明内容】
[0003] 本发明目的是提供一种基于相敏光时域反射仪的车流量在线监测系统及监测方 法，实时在线监测车流量及车辆运行参数情况，为交通管理部门提供实时可靠的车辆行驶 及路况信息，为智能调控和及时疏导拥堵提供一种重要技术手段。
[0004] 本发明的技术方案为：基于相敏光时域反射仪的车流量在线监测系统，包括沿道 路埋地铺设的探测光缆、相敏光时域反射仪和信号处理主机，所述相敏光时域反射仪包括 超窄线宽激光器、声光调制器，掺铒光纤放大器、隔离器、环行器、滤波器、光电探测器、模数 转换器、波形发生卡，由超窄线宽激光器产生一路连续相干光信号，经声光调制器调制成光 脉冲信号，由掺铒光纤放大器集中放大，经隔离器、环形器1-2端口注入探测光缆；光脉冲 沿光缆传输过程产生瑞利散射，其后向瑞利散射光信号沿光缆返回，由环形器2-3端口接 收，经光学滤波器滤除噪声信号，由光电探测器进行光电转换形成模拟的光时域反射信号， 模拟的光时域反射信号经模数转换器转换生成数字电信号；数字电信号实时传输给信号处 理主机，波形发生卡，产生周期的脉冲信号，作为声光调制器的驱动信号来调制超窄线宽激 光器输出的连续光形成光脉冲，并作为模数转换器（ADC)的采集触发信号对光时域反射信 号进行周期同步采集。
[0005] 基于相敏光时域反射仪的车流量在线监测系统的监测方法，探测光纤感知光缆沿 线车辆经过所引起的光纤振动，将不同时刻车辆行驶引起的振动响应信号在时间轴上累 积，形成车辆行驶轨迹图，对图中的车辆行驶轨迹进行搜索检测和参数确定，以此得到车流 量和车辆行驶速度、方向及位置信息。
[0006] 基于相敏光时域反射仪的车流量在线监测系统的监测方法，监测方法包括以下步 骤：
[0007] (1)对相邻时刻的光时域反射轨迹进行差分得到该时刻的车辆行驶振动响应信 号，经过一定时间段累积，得到一个随空间、时间变化的车辆行驶时空响应图；
[0008] (2)将该车流量单位统计时间段内的车辆行驶时空响应图，经过二值化阈值处理 及图像去噪、目标增强等预处理，得到车辆行驶轨迹图；
[0009] (3)对车辆行驶轨迹图任一方向上断续的行驶轨迹像素点，用线条搜索匹配方法 检测可能形成的所有车辆行驶轨迹，由检测到的车辆行驶轨迹参数建立车辆检测数据库；
[0010] (4)根据车辆检测数据库记录的轨迹参数，统计车流量并计算得到车辆在实际道 路上的行驶速度、方向及驶入驶出位置。
[0011] 车辆行驶时空响应图的获得方法如下：对相敏光时域反射仪相邻时刻的光时域反 射轨迹即OTDR轨迹进行差值处理，得到该时刻光纤沿线车辆行驶或过往引起的振动响应 曲线；经过一定时间段累积组成一个随空间、时间分布的二维矩阵，形成一幅车辆行驶时空 响应图。
[0012] 由车辆行驶时空响应图进一步处理得到车辆行驶轨迹图的方法如下：根据车辆行 驶引起的振动响应与系统噪声响应的幅度差异，依据背景噪声选择合适阈值，将车辆行驶 时空响应分布图经过二值化阈值处理，转换为一幅二值化时空响应图，经过图像去噪，边缘 锐化和目标增强处理后，得到车辆行驶轨迹图。
[0013] 车辆行驶轨迹图中不同方向上的车辆行驶轨迹线检测方法如下：
[0014] 根据由监测距离和统计时间长度确定的二维车辆行驶轨迹图横向、纵向坐标尺 寸，对该图像范围内所有可能方向上的行驶轨迹线进行搜索，判断每条直线上的像素值是 否满足预先设定的车辆行驶轨迹线的匹配条件，若满足匹配条件，说明该方向有行驶轨迹， 将该方向上检测到的轨迹线相关参数信息记录进数据库，作为车辆行驶轨迹的搜索检测结 果；
[0015] 车辆行驶轨迹图中所有可能方向上的行驶轨迹线搜索方法如下：
[0016] 车辆行驶轨迹图中，以图像横坐标即横向空间距离d为横轴，以图像纵坐标即纵 向时间t为纵轴建立坐标系，由监测距离和观测时间段构成由ABCD四个顶点构成的矩形 窗，即车辆行驶轨迹图，其中点A与坐标轴原点0重合，AB边与横向空间轴重合，AD边与纵 向时间轴重合，在图像AB⑶中记边AB、BC、⑶、DA分别为边L12、13、14,由于图中任一方 向上的轨迹线延长线均会与图像中的某两条边相交，而轨迹线与图像两条边相交的情况不 同，总共分为6种情况(C| = 6):I，与边I2相交；II，与边12、I3相交；III，与边1 3、14相 交；IV，与边14、I1相交；V，与边1 〃I3相交；VI，与边12、I4相交。因此本发明按逆时针方向 对这6种情况下的所有可能方向上的轨迹线按照以下步骤一一进行搜索：
[0017] 步骤1 :设点P为线段AB(I1)上的任一像素点（Pe[A，B))，从点A开始遍历AB 上所有像素点，其中B点除外，依次作为搜索线条的起始点P，分别连接点P到边I2U3上的 所有像素点M，沿逆时针方向旋转遍历12、13上的所有像素点M，其中B、D点除外，直至M移 至点D为止，该步骤1中搜索了行驶轨迹图中与I1UJg交和与IpI3相交的所有方向上的 行驶轨迹线；
[0018] 步骤2 :类似的，设点P为线段BC(I2)上的任一像素点（PG[B，C))，从点B开始 遍历BC上所有像素点，其中C点除外，依次作为搜索线条的起始点P，分别连接点P到边13、 14上的所有像素点M，沿逆时针方向旋转遍历1 3、14上的所有像素点M，其中C、A点除外，直 至M移至点A为止，该步骤2中搜索了行驶轨迹图中与12、13相交和与1 2、I4相交的所有方 向上的行驶轨迹线；
[0019] 步骤3 :设点P为线段⑶(I3)上的任一像素点（PG[C，D))，从点C开始遍历⑶ 上所有像素点，其中D点除外，依次作为搜索线条的起始点P，分别连接点P到边I4上的所 有像素点M，沿逆时针方向旋转遍历14上的所有像素点M，其中D、A点除外，直至M移至点 A为止，该步骤3中搜索了行驶轨迹图中与13、I4相交的所有方向上的行驶轨迹线；
[0020] 步骤4:类似的，设点P为线段DA(I4)上的任一像素点（Pe[D，A))，从点D开始 遍历DA上所有像素点，其中A点除外，依次作为搜索线条的起始点P，分别连接点P到边I1 上的