雷達測速基本原理 | | 第一講:雷達與雷射
雷達的基本原理,是利用雷達波來偵測移動物體速度的原理,其理論基礎皆來自于「都卜勒效應理論」,也就是一般常聽說的~都卜勒雷達(Doppler Radar)。
都卜勒的理論基礎為時間。電波是由頻率及振幅所構成,而無線電波是隨著地形而前進的。當無線電波在行進的過程中,碰到物體時,該無線電波會被反彈,而且其反彈回來的電波,其頻率及振幅都會隨著所碰到的物體的移動狀態而改變。
若無線電波所碰到的物體是固定不動的,那么所反彈回來的無線電波其頻率是不會改變的。然而,若物體是朝著無線電線發射的方向前進時,此時所反彈回來的無線電波會被壓縮,因此該電波的率頻會隨之增加;反之,若物體是朝著遠離無線電波方向行進時,則反彈回來的無線電波,其頻率則會隨之減小。
雷射的英文為Laser,這個字是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的第一個字母縮寫而成,意思是指,經由激發放射來達到光的放大作用。雷射所激發出來的光,其光子大小與運動方向皆相同,因此每個波束的頻率都相等,再加上它們一束束緊密地排列著,彼此間分毫不差地互相平行,使整個光束發射至極遠處也不會散開來。在一九六二年的實驗中發現,從地球發射的雷射光在經過近四十萬公里的太空之旅后,只在月球表面上投射出一片約三公里直徑大小的圓而已!此特性使得雷射在焊接、切割、雕刻、穿洞等加工與醫學(眼科、牙科、腫瘤)之應用更為廣泛。
測速雷射種類于固態雷射中的半導體雷射。雷射測速設備采用紅外線半導體雷射二極管。雷射二極管有幾個特點使它極適合用來量測速度:
1.雷射二極管自微小范圍中發射出極窄的光束,此一狹窄光束才能精確地瞄準目標。
2.雷射二極管以小于十億分之一秒的瞬間切換開關,大大提高精確度。
3.雷射二極管發射率很窄,其偵測器極易接收到精確的波長;因此在日間有強烈陽光時,仍能正常操作。
4.雷射二極管只發射電磁光譜中的紅外線部分;而紅外線系眼睛看不見的,不會影響駕駛人的注意力。
雷射測速槍以量測紅外線光波傳送時間來決定速度。由于光速是固定,激光脈沖傳送到目標再折返的時間會與距離成正比。以固定間隔發射兩個脈沖,即可測得兩個距離;將此二距離之差除以發射時間間隔即可得到目標的速度。理論上,發射兩次脈沖即可量測速度;實務上,為避免錯誤,一般雷射測速器(槍)在瞬間發射高達七組的脈沖波,自以最小平方法求其平均值,去計算目標速度。
攔截式X.K頻應用的原理,就是可以偵測到發射出現的無線電波,及反彈回來的無線電波其間的頻率變化。由這兩個不同頻率的差值,便可以依特定的比例關系,而計算是該波所碰撞到物體的速度。當然,此種速度偵測裝置可以將所偵測到的速度,轉換為「公里/小時」或是「英哩/小時」。
一般常見發射電波主體外掛車體左后方窗戶或后窗音響喇叭位置.最短偵測距離150公尺.雷達波束18度固定脈沖波!
依據值勤者經驗~目測搭配攔截取締,但若超速警示器無反應時則表示警用設備未開機.行駛高速公路彎道請小心減速駕駛,雷達與雷射之最遠測速距離均在一公里左右,可以加強設備發射功率而增長,但效益并不高。
目前測速距離多在150公尺~400公尺之間!也有聽到過僅100公尺就攔停,但這只是警察缺業績所做的差勁手法!!
雷達測速器需經常以固定頻率之音叉加以校正,而雷射測速器則無此必要。
另一重要差別在測速的時間,以雷達測速約高要二至三秒鐘,而使用雷射則只需要約零點三秒。
雷達測速,大約常見警方使用的器材為:固定式照相、X頻警用外掛、新K頻三腳架。
以距離來論,是X頻警用外掛為最遠,因功率超強,所以距離通常長達一公里以上!
但以設備來看,新K頻三腳架可附掛照相機與PDA,實時性頗高,大約只要有超速就直接照相,然后就直接進PDA存盤!
雷射槍測速的缺點就是無法于移動狀態下使用,但也有聽說是警察跟車在后頭,使用雷射槍偵測,有超速就直接閃燈叫你靠邊,但我想這應該也缺業績的做法之一!
至于雷射槍也有可能附掛照相機與PDA嗎?!答案我想是肯定的!!
在新聞及許多報導中,也將警方的執勤的畫面播出!相信大家應該是不陌生的!
第二講:世界的測速頻道及測速系統介紹 美國聯邦電訊委員會 FCC
( Fededral Communication Commission ) 規定世界警用測速頻道有 X , K , Ka , Laser 。
以下為各頻道的頻率:
S band : 2.445 GHz (在 50'~60' 使用)
X band : 10.525 GHz
K band : 24.150 GHZ
Ka band : 33.40~36.00 GHz (頻寬 2.6 GHz, 又稱 Super-Wind Ka band )
Laser : 紅外線 800~1100nm
另外歐規頻道有 Ku band : 13.450 GHz (雜志上廣告所謂 Gatso 24 Ku 及 Gatso 33 Ku 兩種測速頻道 , 是所謂的 K band 與 Ka band , 并不是新的 Ku 測速頻道) K band : 24.125 GHz
以下為各頻道之下對應的部份測速系統 :
X band : 10.525 GHz
(美制 Muni Quip 警車測速攔截雷達)
(美制 MPH K-55 警車測速攔截雷達)
(美制 Decatur Hunter,MV715 警車測速攔截雷達)
(美制 Decatur Hunter HH 手持雷達槍 )
Ku band : 13.450 GHz
(荷制 GATSO 13 流動雷達測速照相系統)
(荷制 GATSO 13 固定式雷達測速照相系統)
K band : 24.125 GHz
(荷制 GATSO 24 流動雷達測速照相系統)
(荷制 GATSO 24 固定式雷達測速照相系統)
(流動式 Traffipax Speedophot 測速照相系統)
(固定式 Traffipax Speedophot Station 測速照相)
24.150 GHz
(美制 MPH K-15 測速攔截 )
(美制 Decatur MV724 警車測速攔截雷達)
(美制 Kustom Trooper,Hawk, 警車測速攔截)
(美制 Kustom KR-10SP,KR-11, 警車測速攔截)
(美制 Kustom Falcon,HR-12 手持雷達槍)
(澳制 AWA Fairey 流動雷達測速照相系統)
Ka band : 33.30 GHz (荷制 GATSO 33 流動雷達測速照相系統)
33.80 GHz (美制 MPH Bee 36A 流動雷達測速系統)
34.30 GHz (瑞制 Multanova 6F 三腳架流動雷達測速系統)
34.60 GHz (美制 AST PR-100 流動測速照相系統)
34.70 GHz (美制 Stalker 手持雷達測速槍)
34.94 GHz (美制 Stalker 手持雷達測速槍)
36.00 GHz (美制 MPH Bee 36 流動雷達測速系統)
33.4~34.4 GHz (美制 Stalker 雷達測速系統)
34.2~35.2 GHz (美制 Stalker 雷達測速系統)
Laser : Kustom Signals Pro Laser LTI 20-20 Autovelox 104/c2 Jenoptik LAVEG ESO Drillingslichtschranke
◆ 國內目前測速系統頻道以及其出現的方式
國內目前測速系統可分為美規及歐規以及固定式照相系統。美規頻道有 X , K , Ka band 以及 Laser ,歐規有 Ku band ,固定式照相系統有 X , K , Ku band 以及 S 感應線圈(俗稱 P band )。
以下依照各種頻道架設的方式做一一比。
1 、 X band ( 10.525 GHz +/- 50MHz ):
此種測速雷達通常外掛在警車后車窗之外,有時也可以放在車內。采用測速攔截的方式對超速車輛進行舉證告發。雷達形狀為圓形,采連續波發射,測速距離為 150~4750m ,但 X band 攔截式雷達無法在車陣中鎖定車輛,所以通常都是車陣中第一臺被警方攔檢。 X band 雷達不受陰雨天影響 , 可全天候執行測速工作 , 是目前世界上使用率最高的警用測速雷達 . 但因為此頻道使用率極高 , 所以干擾也最多,干擾源為電信局發射站,第四臺強波器,高壓電線,無線電通訊器,遙控器,電動門控制器,道路流量計數器 …… 目前 X band 雷達較少與照相系統搭配使用, X band 固定測速照相系統屬于較早期的照相系統。目前 X band 警車外掛式以及 X 雷達槍其最高速范圍介于 200~300km/h 。
2 、 K band ( 24.150 GHz +/- 100MHz ):
此 K band 測速雷達可以幾種方式出現 , 警車測速攔截 , 固定式測速照相 , 手持雷達槍以及流動三腳架測速照相 . 警車攔截通常外掛在警車后車窗之外 , 有時也可以放在車內 . 警車攔截式雷達形狀為八角型 , 采連續波發射 , 最短測速距離為 150m, K bnad 攔截式雷達可采用目測超速而開機的方式 (Instant On radar) , 遇到警方采用此方法進行測速勤務 , 反測速儀偵測距離較正常持續開機短很多 , 反測速儀接收到此種訊號時訊號強度會馬上增強 , 警告聲通常會較急促 . 此種 K band 雷達則較易受降雨及濕度影響 . 手持雷射測速槍機動性強 , 警方人員可目測超速后直接開機測速執行取締 . K band 雷達較 X band 機種先進 , 也可以搭配照相機直接照相舉證 , 固定式 K band 測速照相與 K band 流動式三腳架即為此種搭配 . 但目前國內較少 K band 流動測速照相系統 , 大都為 K band 固定式照相 , K band 流動式測速照相系統及固定式照相系統因為功率又較 Ku 弱 , 所以偵測距離非常短 . 連正統的美規機種有時偵測距離仍不到 100m. K band 雷達波穿透力較強 , 反射力較弱 , 所以偵測距離較短 , 雖然 K band 雷達測速距離較短 , 但可以鎖定車陣中的車輛 , 功率大小可調,且不易被干擾。 K band 測速照相系統可加裝閃光燈于夜晚執行工作。目前國內警方已經引進 Gatso 24 ( 24.125 GHz )與新型 TraffiPax K band 流動測速系統,有少數系統上路執勤。目前 K band 警車外掛式以及 K 雷達槍以及 K band 流動照相系統其最高速范圍介于 200~320km/h 。
3 、 Ku band ( 13.450 GHz ):
通常我們聽到流動三腳架,偽裝車即為裝設此 Ku band 測速雷達。 Gasto 13 Ku band 雷達測速系統由三大部分組成,測速雷達 ,判讀速度電腦主機以及 ROC 照相機三部份。其中雷達可調為 “ 去向 ” 以及 “ 來向 ” 兩種模式,其架設方式可落地型,三腳架型,以及偽裝車(警車)型。將主機,雷達、相機都架設在三腳架上為 Gatso 13 最標準的配置方法,通常架設地點在路肩護欄下方或是停放在路肩的偽裝車前及車上,檳榔攤,招牌 …… 各種偽裝物之后。而所謂落地型就是只需用磚塊將相機架設高于地面 30~40cm ,并將主機以及雷達用各種報紙雜草隱蔽,這種架設方式更較三腳架型隱蔽,用反測速儀抓到時若不注意搜尋有時還找不到。通常此種架設方式都是出現在高速公路上。中南部有些大隊還有自行訂制小型的攜帶鐵架,可以將主機,雷達以及相機都固定在其上,不需要每次架設時拆裝主機,雷達以及相機,便利性大大提高,不僅隱蔽性高,而且帶到哪里照到哪里。另外所謂偽裝車(警車型)型,是將 Ku band 雷達架設在車頂上其特征在偽裝車或警車車頂警示燈前方有一白色長方形測速雷達,而與車內主機以及相機連線執勤超速照相舉證的工作。若是黑白警車架設 Ku band 雷達執勤測速工作時,有時在其后會有一輛轎車掀起后行李箱蓋作為掩護。當然有時連雷達也架設在偽裝車內,從外頭完全看不到有任何測速系統。目前警方有架設 Ku band 雷達的車輛大致上可分為以下數種: a 、黑白警車 b 、藍色偵防車 ( 寶馬 747,TOYOTA 瑞獅 ) c 、福特天王星車種 d 、 BMW 舊 3 系列 Ku band 測速照相可加裝閃光燈在夜晚執行工作且不受天候影響偵測準度。雷達偵測速度在 20 Km~ 250Km ,最短偵測距離 18 m 、所以不要以為速度高于 XXX Km/h 就不會被照相的錯誤觀念。目前 Ku band 雷達為國內流動照相系統主流。
4 、 Ka band ( 33.40~36.00 GHz ):
Ka band 雷達有幾種方式出現 , 一為流動三腳架 , 二為手持雷達槍 , 三為與 X band 雷達相似之測速雷達 , 目前國內只有前兩者 , 所以第三者不再贅述 . 美規 Ka 流動三腳架架設方式與 Ku band 幾乎相同 , 但其雷達有如火箭筒 , 極易與 Ku band 雷達區分 , 但國內由于數量極少 (2 部 ), 僅布置在臺北 ( 臺南 ) 高雄市區道路 . 手持 Stalker Ka band 雷達槍僅引進一臺供測試 , 手持雷射測速槍機動性強 , 警方人員可目測超速后直接開機測速執行取締 . Ka 雷達功率極小 , radar detector 非常不易測得 , 而且偵測距離極短 , 而且 Ka band 流動測速雷達偵測速度可高達 350Km/h 歐規 Gatso 13 Ku band 的 250 Km/h 還差一大截呢 ! 幸好此美規 Ka 測速雷達很確定不再引進 , 所以要遇到機率非常小 . 據傳此兩臺系統已經停用 .
5 、 Laser :
Laser 測速系統可分為測速槍以及測速照相系統 . 美規雷射測速槍 LIDAR gun (Laser infrared detection and ranging) 使用不易散射的雷射紅外線作為測速光源 , 且在極短的時間 (0.3 sec) 以內即可測得車輛的速度 . 其特性是使用者必須手持雷射測速槍向一特定車輛測速 , 無法向其它測速雷達一般在開機之后持續發射雷達波對來往車輛進行測速 . 通常都是在目測車輛超速之后才進行雷射測速 , 所以通常都是在肉眼可見的范圍內進行雷射測速 . Laser speed detection gun 在使用上有許多限制 , 如其無法在隔著玻璃的條件下使用 , 以及必須在使用上遵守光線直線照射的條件下使用 , 以及易受天候影響是其最大缺點 . 若注意看過臺灣目前引進的美規 LTI 20-20 Laser 測速照相系統 , 其架設方式和三腳架測速雷達的方式幾乎相同 , 就是利用與雷射槍相同之測速光源 , 發射方式與車行方向成小角度照射 , 也一直開機測速 , 如此有時可以提早測到 Laser 的訊號 . 因為在 Laser 測速系統對你前車實行測速時 , 多少會有散射與漫射發生 , 所以反測速儀的 Laser 感應器便會收到信號而發出警告 , 不過由于此種紅外線雷射光速不易散射 , 所以出現機率不高就。 而意大利制之 Autovelox 104 雷射測速系統 , 采兩束光與車行方向垂直的方式測速 , 此種雷射測速幾乎不可能測到 , 絕對不要相信市面上的廣告 , 竟然宣稱還有 10sec 的減速時間 . 此系統由于非常昂貴 , 所以目前只有引進數量不多 , 目前 Laser 測速槍以及流動測速系統其最高測速范圍介于 300~480km/h.
6 、 S 線圈以及 Ku,K band 固定式測速照相:
固定式 S 線圈利用線圈感應可測得闖紅燈 , 紅燈越線以及超速 . ( S 線圈固定式照相系統其工作原理于后文中有說明 ) K band 固定測速系統利用 K band (24.125GHz) 雷達測速后照相 , Ku band 固定測速系統利用 Ku band 雷達測速后照相 , Traffipax K band 固定式超速照相系統幾乎都是照車尾 , 而且功率極弱 , 連正統的美規機種有時偵測距離仍不到 100m. 至于 X band 固定照相系統國內少見 . 國內固定式測速系統 (S 線圈 , 雷達系統 ) 其最高測速范圍介于 200~270km/h 。
固定式 S 感應線圈工作原理為何?
S 線圈應該是利用重量感應 . 新設的 S 線圈通常有前后兩條感應壓條 , 可以針對闖紅燈與超速車輛進行照相舉證告發 , 以下附圖說明較容易了解 :
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車行進方向為 B -> A , B 感應壓條埋設在路口停車白線前端 . 闖紅燈照相 : 當紅燈亮起時約 1 sec 之后 , 系統同時進行闖紅燈與超速照相工作 . 若車子前輪輪胎壓過感應條 后 , 照第一張 , 此時視為紅燈越線 . 1 sec 以后系統會自動拍攝第二張照片 , 若此時照片當中后輪已經通過路口停止線 , 此時即判其為闖紅燈 . 而第二張照片當中會同時顯示違規闖紅燈車輛的車速 , 若是同時超速可以一并處罰 . 超速照相 : 若綠燈時則 A,B 皆負責感應工作 , 負責測速工作 . 因為兩條感應條與車行方向垂直且之間??離一定 . 利用經過兩條感應條的時間差來算出車子的時速 . 超速即進行照像 . 所以當超速車輛前輪在經過 S 線圈兩條感應條時 , S 線圈會測到超速便進行照像 , 1 sec 以后系統自動拍攝第二張照片 . 若相片中出現兩臺以上車輛 , 則可依照兩張照片所顯示資料正確勾選出違規車輛 , 另外由兩張照片比較可清楚看到哪輛車的位移較大 , 則判別位移大者超速。
第三講: GPS系統
目前全球有 2 套 GPS (Global Positioning System) 全球定位系統人造衛星,分別由美國及俄羅斯擁有,全球大多數用戶都是使用美國的系統。整個系統約分成三個部份:
1.太空衛星部份:由 24 顆繞極衛星所組成,分成六個軌道,運行于約 20200 公里的高空,繞行地球一周約12小時。每個衛星均持續著發射載有衛星軌道資料及時間的無線電波,提供地球上的各種接收機來應用。
2.地面管制部份:這是為了追蹤及控制上述衛星運轉,所設置的地面管制站,主要工作為負責修正與維護每個衛星能保持正常運轉的各項參數資料,以確保每個衛星都能提供正確的訊息給使用者接收機來接收。
3.使用者接收機:追蹤所有的 GPS衛星,并即時地計算出接收機所在位置的座標、移動速度及時間,GPS行車警示器即屬于此部份。
我們一般民間所能擁有及應用的,就是第三部份。計算原理為:每個太空衛星在運行時,任一時刻都有一個座標值來代表其位置所在(已知值),接收機所在的位置座標為未知值,而太空衛星的訊息在傳送過程中,所需耗費的時間,可經由比對衛星時鐘與接收機內的時鐘計算之,將此時間差值乘以電波傳送速度(一般定為光速),就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離,如此就可依三角向量關系來列出一個相關的方程式。
一般我們使用的接收機就是依上述原理來計算出所在位置的座標資料,每接收到一顆衛星就可列出一個相關的方程式,因此在至少收到三衛星后,即可計算出平面座標(經維度)值,收到四顆則加上高程值,五顆以上更可提高準確度,這就是 GPS的基本定位原理。一般來說,使用者接收機每一秒鐘的座標資料都是最新的,也就是說接收機會自動不斷地接收衛星訊息,并即時地計算其所在位置的座標資料,如此使用者便不需擔心是否接收機顯示的資料太舊或是不準確了。
GPS預警機的使用環境限制
1.行經天橋及高架橋,當經過時,訊號瞬間流失,有可能使得接收的準確性降低
2.開機接收訊號的問題:一般在GPS開機準備接收訊號時,最長需要五分鐘,最短也需要兩分鐘,在這樣的時間間距之下,如果是在路上臨時開機要使用時,也會產生收不到訊號的情況
3.行駛于隧道時:隨著目前許多新隧道的開通,目前在隧道內的測速,是使用數字錄像測速的方式,沒有訊號也不易發現,再加上進入隧道后,訊號是無法傳遞進入隧道,所以無法告知里面是否有測速系統
4.行駛于高樓大廈時:扣除鄉間、一般較空曠地區以外,大樓的樓高有越來越高的情況,當在高樓之間行駛,也會將GPS訊號遮蔽,也會產生收不到訊號的情況
5.由于GPS衛星是由美國國防部管理,為了戰略的考慮之下,有時會將位置精準度降低,此時,接收的坐標位置將會偏離或是不準確
第四講:警方雷達偵測超速的手法
一般在警方抓超速的手法,真的是百百款,但也離不開以下要講的這幾種:
1.偽裝法:大部份的偽裝是使用民車、或是以掩蔽物來讓駕駛者沒法發覺!例如將新K頻測速隱藏在路肩護欄旁或是在交流道出口及天橋底下,通常沒有裝測速器的駕駛,一個沒注意就會變成罰單的犧牲者
2.攔停法:大部份的情況,都是警車外掛X頻,開機偵測超速,有超速車輛,便會直接攔停,但這危險性頗高,一個不小心,可能就會發生危險,所以現在也是采點放式開機,在車流量較少時,攔停才顯得有作用
3.直接照相:現在新K頻腳架及雷射槍,都有所謂的PDA+照相機,當警方將位置
喬好之后,就可以直接偵測,當被偵測到有超速,同步也就照相并存檔進PDA,整體既方便又不危險,所以也漸漸為國道及一般交通隊所愛用的方式!
4.耍詐法:這是很多人都非常想罵的方法!!例如:在隧道里,警車故意放慢車速,
后面的駕駛就會受不了想超車,但隧道是不可以變換車道的,通常都是警車的后面第二臺或是第三臺車受害,因為不容易看到前面是否為警車,一旦你超車,警笛就響了!!要你靠邊停,白花花的銀子又飛了.
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