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激光技術在交通安全上的應用

吳宗修

一、前言

　　在交通工程上，速度是計量與評估道路績效和交通狀況的基本重要數(shù)據(jù)之一。速度數(shù)據(jù)之搜集方法有許多種，包括人工測量固定距離行駛時間、壓力皮管法、線圈法、影像處理法、雷達測速法與雷射測速法等。其中后兩者屬于攜帶容易而且度高的方法，因此廣受采用。
　　超速行車在交通違規(guī)中占有極大比例，此一現(xiàn)象可從高速公路過去四年間違規(guī)告發(fā)項目中，超速案件比例均在三分之二左右看出端倪（參見表一），而超速行車一直被認為是肇事之重要因素之一；因此從交通執(zhí)法觀點而言，取締超速系比較具體的維護交通安全之手段。國內取締違規(guī)超速一向以雷達測速槍當工具，徑行舉發(fā)案件則輔以照相設備；唯近年來，雷達偵測器盛行，價格普及化之后，即使法規(guī)明令禁止使用，一般民眾仍趨之若騖，蓋以其價格只需逃避一至兩次取締的機會即可*回收成本。以交通工程觀點來看，駕駛人若裝有雷達偵測器，則路邊定點所測得之車速即會因駕駛人感知受測速，誤以為*人員執(zhí)行取締而有普遍減速現(xiàn)象；除造成數(shù)據(jù)失真外，并因而有引起事故之可能。

二、基本原理

　　雷達為利用無線電回波以探測目標方向和距離的一種裝置。雷達為英文Radar一字之譯音，該字系由Radio Detection And Ranging一語中諸字前綴縮寫而成，為無線電探向與測距之意。*開始熟悉雷達是在1940年的不列顛空戰(zhàn)中，七百架載有雷達的英國戰(zhàn)斗機，擊敗兩千架來襲的德國轟炸機，因而改寫了歷史。二次大戰(zhàn)后，雷達開始有許多和平用途。在天氣預測方面，它能用來偵測暴風雨；在飛機輪船航行安全方面，它可幫助領港人員及機場航管人員更有效地完成他們的任務。
　　雷達工作原理與聲波之反射情形極類似，差別只在于其所使用之波為一頻率*之無線電波，而非聲波。雷達之發(fā)射機相當于喊叫聲之聲帶，發(fā)出類似喊叫聲之電脈沖（Pulse），雷達之指向天線猶如喊話筒，使電脈沖之能量，能集中某一方向發(fā)射。接收機之作用則與人耳相仿，用以接收雷達發(fā)射機所發(fā)出電脈沖之回波。
　　測速雷達主要系利用都卜勒效應（Doppler Effect）原理：當目標向雷達天線靠近時，反射信號頻率將高于發(fā)射機頻率；反之，當目標遠離天線而去時，反射信號頻率將低于發(fā)射機率。如此即可借由頻率的改變數(shù)值，計算出目標與雷達的相對速度。
　　雷射的英文為Laser，這個字是由Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的*個字母縮寫而成，意思是指，經(jīng)由激發(fā)放射來達到光的放大作用。雷射所激發(fā)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(fā)射遠處也不會散開來。在一九六二年的實驗中發(fā)現(xiàn)，從地球發(fā)射的雷射光在經(jīng)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(yī)學（眼科、牙科、腫瘤）之應用更為廣泛。
　　測速雷射種類于固態(tài)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(fā)射出極窄的光束，此一狹窄光束才能地瞄準目標。
2. 雷射二極管以小于十億分之一秒的瞬間切換開關，大大提高度。
3. 雷射二極管發(fā)射率很窄，其偵測器極易接收到的波長；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(fā)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(fā)射兩個脈沖，即可測得兩個距離；將此二距離之差除以發(fā)射時間間隔即可得到目標的速度。理論上，發(fā)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(fā)射高達七組的脈沖波，自以zui小平方法求其平均值，去計算目標速度。

三、與雷達之比較

　　超速告發(fā)zui易受到的挑戰(zhàn)即是如何確認違規(guī)車輛，例如在多車道公路上兩車以上并行時，警員以雷達測得超速現(xiàn)象卻無法明確認定那一部車輛違規(guī)（參見圖一）。原因在于雷達波發(fā)射錐角度約在十至二十度間，而雷射波發(fā)射錐角度只有不到十分之一度；因此以雷射測速可以明確認定受測目標據(jù)以告發(fā)。雷射狹窄光束使得兩車被同時偵測到的機會等于零；對于市面上普遍銷售之雷達偵測器（或稱超速偵測器）不啻一大克星。
　　雷達與雷射之zui遠測速距離均在二千余英呎，可以加強設備發(fā)射功率而增長，惟并不具實際效益。雷達測速器需經(jīng)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。按此操作速度，廠商甚至開發(fā)出配合照相之雷射測速器以不到一秒的間隔連續(xù)記錄違規(guī)超速車輛。圖二顯示雷射測速器配合數(shù)字相機所拍攝到之照片。
　　電射測速槍之缺點系無法于移動狀態(tài)下使用；如裝于警車上或由坐在行進車輛上乘員持用，均無法正常操作。至于成本方面，Ｋ頻雷達測速槍每具時價約新臺幣拾萬元，雷射測速槍每具約新臺幣參拾萬元。
　　本節(jié)之功能比較，摘錄如表二：

四、結語

　　由于激光束狹窄具有正確認定目標的特點，許多文獻指出其其至可以用來測量行人的步行或跑步速度；對國內為數(shù)眾多之機車速度量測更是變成可行而且簡易。作者曾利用LTI20-20雷射測速槍對行人、單車與機車目標進行量測，均能迅速獲得速度（公里／小時）與距離（十分之一公尺）之滿意數(shù)據(jù)。配備雷射測速槍的美國警方更利用其且快捷的測距功能，將其用在交通事故與刑案現(xiàn)場圖關鍵點之測繪。國內交通*單位已多次進行雷射測速之測試，部份單位亦已完成采購使用中。民眾不可自恃裝有超速偵測器而恣意飚車，危害公眾與自身安全。

圖一：雷射與雷達光束錐

國道公路*局**隊車頭實況照片