在车辆碰撞测试中，如何选择满足64km/h冲击与高动态变化下±0.1%精度要求的非接触式速度测量技术？【汽车安全检测】

车辆碰撞测试是评估汽车安全性能的关键环节，其中对车辆速度的精确测量至关重要。这不仅包括碰撞前的稳定速度，更涵盖碰撞发生瞬间到结束过程中车辆速度的剧烈变化。

1. 基于车辆的基本结构与技术要求

在车辆碰撞测试中，被测对象主要是整车及其子系统。车辆作为一个复杂的机械结构，包含刚性结构（如车架、发动机舱骨架）和可变形吸能结构（如前/后防撞梁、吸能盒），在碰撞过程中会经历从高速运动到瞬间停止的剧烈动态过程。

对车辆速度测量的技术要求极高，就好比我们要精确记录一个飞速驶来的物体，它撞击障碍物后是如何在极短时间内从高速减到零速的。这个过程需要我们不仅知道它撞击前的精确速度，更要了解在撞击的千分之一秒甚至万分之一秒内，它的速度是如何一步步变化的，以及最大减速度是多少。具体来说，主要有以下几个方面：

• 宽泛的速度范围： 车辆碰撞测试涵盖的速度范围广，从低速碰撞（如15km/h）到高速碰撞（如64km/h甚至更高），甚至在某些特定测试中需要监测车辆以极低速度（如0.8km/h）行驶或精确控制初始速度。

• 极高的精度： 碰撞测试结果往往是决定车辆安全等级的关键依据。初始碰撞速度的微小误差都可能导致最终安全评估的偏差，因此要求速度测量精度达到百分之几甚至千分之几的水平。

• 快速响应与高分辨率： 碰撞过程通常在几十到几百毫秒内完成。传感器必须具备极快的响应速度和高数据更新率（或采样率），才能捕捉到车辆速度在极短时间内的剧烈变化，比如从每小时几十公里瞬间降到零。

• 非接触式测量： 在碰撞测试中，传感器如果与车辆有物理接触，可能会干扰车辆的自由运动或在碰撞中被损毁，甚至影响碰撞结果。因此，非接触式测量是首选。

• 环境适应性： 碰撞测试可能在户外、室内或特殊环境下进行，要求传感器能适应不同的光照、温度、湿度、灰尘甚至轻微雨雪等环境条件。

2. 针对车辆碰撞测试的相关技术标准简介

车辆碰撞测试的目的是为了评估车辆的被动安全性能。为了确保测试结果的统一性和可比性，国际上和各国都制定了严格的技术标准，这些标准对车辆速度的监测参数有着明确的定义和评价方法。

在这些标准中，主要关注的监测参数包括：

• 碰撞冲击速度（Impact Velocity）： 这是车辆与障碍物接触瞬间的瞬时速度，也是碰撞测试中最核心的参数之一。它的准确性直接关系到测试结果的有效性。通常通过传感器在碰撞前极短时间内的测量值进行推算或直接获取。

• 碰撞前速度（Pre-Impact Velocity）： 指车辆在碰撞前一段稳定行驶距离内的平均速度或瞬时速度。这用于确认车辆是否以预设的、稳定的速度进入碰撞区域，是测试条件符合性的重要指标。

• 最大减速度（Maximum Deceleration）： 在碰撞过程中，车辆速度会急剧下降，产生巨大的减速度。这个峰值减速度的大小直接反映了碰撞的剧烈程度，并与乘员所承受的冲击力密切相关。传感器需要足够高的响应速度才能准确捕捉到这一瞬时峰值。

• 速度变化量（Delta-V）： 指车辆在碰撞前后的速度矢量差。这是一个综合性参数，能够反映碰撞的严重程度，对于评估乘员伤害具有重要意义。通常通过对整个碰撞过程的速度数据进行积分计算得到。

• 运动轨迹与位移： 尤其是在侧面碰撞或追尾碰撞中，车辆在碰撞后的运动轨迹和位移也是重要的评估参数。虽然不是直接的速度参数，但速度的精确测量是计算这些轨迹和位移的基础。

这些参数的评价方法通常是，将传感器测得的实时数据与测试标准中规定的阈值进行比较。例如，如果测试标准要求车辆以64km/h的速度进行正面碰撞，那么实际测得的冲击速度就必须在64km/h±某个很小的误差范围内。任何超出误差范围的数据，都可能导致测试无效，需要重新进行。

3. 实时监测/检测技术方法

（1）市面上各种相关技术方案

在车辆碰撞测试中，为了精确捕捉车辆在高速运动及瞬时碰撞过程中的速度数据，市面上发展出了多种非接触式测速技术。这些技术各有特点，满足了不同测试场景下的需求。

多普勒雷达测速技术

多普勒雷达测速技术，就像我们平时听到的救护车警笛声，当救护车朝我们驶来时，声音会变尖（频率变高），驶离时会变沉（频率变低）。雷达测速也是利用了同样的原理，只不过它发射的是我们肉眼看不见的微波信号。

• 工作原理与物理基础： 雷达传感器发射出一束具有特定频率（$f_0$）的微波信号，当这束信号遇到移动的车辆并被反射回来时，如果车辆在运动，反射回来的信号频率（$f_r$）就会与发射频率不同。这个频率的差异，我们称之为“多普勒频移”($f_d$)。车辆运动速度越快，多普勒频移就越大。 多普勒频移的计算公式是： $f_d = f_r - f_0 = frac{2 cdot v cdot cos( heta)}{lambda}$ 其中：

  • $f_d$ 是多普勒频移，即频率变化的量。

  • $v$ 是目标物体（车辆）相对于雷达传感器的速度。

  • $ heta$ 是雷达波束方向与目标物体运动方向之间的夹角。当雷达正对车辆运动方向时，$ heta=0$，$cos( heta)=1$，此时测速最精确。

  • $lambda$ 是雷达信号的波长，它等于光速除以雷达信号的发射频率（$f_r$0，其中 $f_r$1 为光速）。通过测量反射信号与发射信号之间的频率差$f_d$，传感器就可以反向计算出车辆的瞬时速度$v$。现代多普勒雷达传感器通常采用连续波（CW）或调频连续波（FMCW）技术。对于简单的速度测量，CW雷达较为常见。它持续发射和接收信号，通过混频器将发射信号和接收信号进行混合，从而得到两者的频率差，即多普勒频移。

• 核心性能参数：

  • 速度测量范围： 普遍能达到0.8 km/h至480 km/h甚至更高，满足各种速度场景下的测试需求。

  • 精度： 典型精度为±0.1%至±0.5%。

  • 响应时间/更新率： 通常能达到100 Hz至1000 Hz，部分产品甚至更高，能够实时捕捉速度变化。

  • 测量距离： 能够实现数十米到数百米的远距离非接触式测量。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点：

    • 非接触式、远距离： 这是它在碰撞测试中的核心优势，可以在安全距离外测量，不干扰车辆运动。

    • 环境适应性强： 微波信号穿透能力强，不易受光照、灰尘、烟雾、轻微雨雪等环境条件的影响，保障了测试的稳定性和可靠性。

    • 快速响应： 能够提供高频率的速度更新，对于捕捉碰撞瞬间的动态过程非常有利。

    • 安装灵活： 传感器体积通常较小，易于安装在测试场地或车辆上。

  • 缺点：

    • 角度依赖性： 测量精度受雷达波束与目标运动方向夹角的影响，需要精确对准。如果夹角过大，测量误差会增加。

    • 多路径效应： 在封闭或有反射物的环境中，雷达信号可能经过多次反射才返回，造成测量误差或不稳定。

    • 对目标材质敏感： 某些吸波材料可能会影响信号的反射强度。

    • 低速测量的挑战： 在极低速度下（例如0.1km/h以下），多普勒频移可能非常小，信号处理难度增加。

光学传感技术

想象一下，你用高速摄像机拍摄一辆车，然后逐帧分析车身上某个小点在每一帧画面中的移动距离，再结合帧率就能算出速度。光学传感技术就是类似原理，只不过它不只是“看”一个点，而是“看”一块区域的纹理变化。

• 工作原理与物理基础： 光学速度传感器通过发射光源（如红外LED）照射到车辆表面，并利用两个或多个光电接收器（或图像传感器）捕捉反射回来的光信号或车辆表面纹理图案。当车辆移动时，其表面纹理在不同接收器上会产生时间差。系统通过先进的数字图像处理和相关算法，分析这些纹理图案的位移和时间差，从而计算出瞬时速度。这种技术本质上是在测量单位时间内光电图像的“漂移”量。

• 核心性能参数：

  • 速度测量范围： 普遍在0.1 m/s至100 m/s（约360 km/h）之间。

  • 精度： 典型精度极高，可达±0.05%至±0.1%。

  • 响应时间/采样率： 可实现高刷新率，部分系统可达数 kHz至100 kHz。

  • 测量距离： 通常为近距离测量，如0.2 m至1.0 m。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率；完全非接触式，不干扰被测对象；实时输出数据。

  • 缺点： 对测量距离和角度敏感，通常需要较近距离安装；易受环境光照、目标表面纹理特征和清洁度影响；在灰尘、水汽等恶劣环境下性能可能下降。

GNSS（全球导航卫星系统）技术

GNSS测速，就像我们平时用车载导航，但这里用的是更专业、精度更高的接收机，它不仅知道你在哪里，还能精确算出你每时每刻移动的速度。

• 工作原理与物理基础： GNSS接收机通过接收来自多颗卫星的信号，解算出自身在地球上的精确三维位置。结合差分技术（如RTK - 实时动态或PPK - 后处理差分），可以将定位精度从米级提高到厘米甚至毫米级。车辆的速度是通过对连续高频次获取的精确位置数据进行时间序列差分运算来获得的。简单来说，就是“位置变化量除以时间变化量”得到速度。由于是基于位置信息计算速度，GNSS可以提供车辆在三维空间中的完整运动信息。

• 核心性能参数：

  • 定位精度： RTK模式下水平精度可达毫米级（如3mm + 0.3ppm）。

  • 速度精度： 典型速度精度可达0.01 m/s。

  • 数据更新率： 高性能GNSS接收机可达到10 Hz至100 Hz，部分甚至更高。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 全球覆盖，非接触式；提供车辆在三维空间中的精确位置、速度和加速度信息；不受天气和光照条件影响（只要有清晰的卫星信号）。

  • 缺点： 依赖于卫星信号的可用性，在室内、隧道、茂密树林或高楼林立的城市环境中可能失效或精度下降；初始化时间相对较长；数据更新率相比某些光学或雷达技术略低，对瞬间极速变化的捕捉能力可能受限；需要外部参考站或差分服务。

激光多普勒测速（LDV）系统

激光多普勒测速，可以想象成用两束非常精密的激光束在车辆表面交叉，形成一个微小的“光栅”。当车辆表面有微小颗粒（即使肉眼不可见）通过这个光栅时，激光就会被散射，并且散射光的频率会发生微小的变化，通过检测这个变化就能算出速度。

• 工作原理与物理基础： LDV系统发射两束相干激光束，通过光学器件聚焦，在被测物体表面（或其附近的微小粒子）形成一个具有特定间距的干涉条纹区域（测量体积）。当物体表面穿过这个区域时，散射回来的光会发生多普勒频移。传感器探测这两束散射光之间的频率差，这个频率差与物体穿过干涉条纹的速度成正比。通过计算这个频率差，可以精确地得出物体在特定方向上的瞬时速度。

• 核心性能参数：

  • 速度测量范围： 从微米/秒到数百米/秒，覆盖范围极广。

  • 精度： 通常优于0.1%，在高速测量下表现尤为突出。

  • 时间分辨率： 纳秒级，能够捕捉极其快速的瞬态现象。

  • 测量距离： 通常为近距离，从数十毫米到数米，取决于光学探头设计。

• 技术方案的优缺点：

  • 优点： 极高的测量精度和分辨率，能够捕捉最细微的速度变化；完全非接触式，对物体无任何干扰；测量单点速度分量，提供精确的局部速度信息；系统灵活性高。

  • 缺点： 测量距离短，对安装位置要求高；对目标表面条件（如反射率、是否有散射粒子）有一定要求；设备相对复杂和昂贵；通常只能测量一个非常小的点或区域的速度，不适合测量整体平均速度。

（2）市场主流品牌/产品对比

这里我们将对比几家行业内知名的品牌及其采用的不同测速技术，以便更直观地了解它们的特点和优势。

• 瑞士奇石乐 (光学传感技术) 瑞士奇石乐是测量技术领域的知名品牌，其OSV-H高精度光学速度传感器采用先进的非接触式光学传感技术。它通过捕捉车辆表面纹理或特定图案的变化，结合图像处理和相关算法，实时精确测量瞬时速度。该传感器的速度测量范围为0.1 m/s至100 m/s，在5 m/s至100 m/s速度范围内典型精度达到±0.05%，测量距离在0.2 m至1.0 m之间。其优势在于极高的测量精度和重复性，非接触式特性，以及作为行业领先品牌的产品稳定可靠性，适用于严苛测试环境。

• 英国真尚有 (多普勒雷达测速技术) 英国真尚有的LP-DS100是一款高性能的多普勒雷达测速传感器，适用于各种非接触式速度测量应用。它通过发射Ka频带的微波信号并分析反射信号的多普勒频移来计算速度。该传感器可测速度范围广，从0.8km/h到480km/h，适用于各种速度场景。在1英里/小时时，测量精度达到±0.34%。其响应速度快，更新周期仅0.01秒，锁定延迟0.02秒，解锁延迟0.05秒，传感器时间常数0.025秒，实现实时速度监测。此外，它还具备最远300米远的检测距离，适应性强，能够在-17至60°C的温度范围内稳定工作，并且功耗仅为2.4W。英国真尚有的LP-DS100重量轻便，仅230克，便于安装和移动。LP-DS100的突出特点是其非接触式、远距离检测能力以及对各种恶劣环境的适应性，适用于车速测量、输送机速度监控、交通监控、长度或距离测量以及赛车性能调校等多样化应用。

• 美国韦尔斯 (多普勒雷达测速技术) 美国韦尔斯的VRS-1000雷达速度传感器同样采用多普勒雷达技术，专为高速、高精度测量设计，以满足碰撞测试的严苛要求。其速度测量范围为1 km/h至320 km/h，精度达到±0.1%，最大测量距离可达250米，数据更新率高达1000 Hz。美国韦尔斯的产品优势在于其高精度和极高的刷新率，能够捕捉车辆速度的快速动态变化；同时具备非接触式测量、对环境条件（如光照、灰尘、轻微雨雪）不敏感的特点，保证了测试的稳定性和可靠性。

• 日本拓普康 (GNSS技术) 日本拓普康的HiPer VR高精度GNSS接收机利用全球导航卫星系统技术，结合RTK或PPK技术实现厘米级甚至毫米级的定位精度。通过对车辆高频次获取的精确三维位置数据进行差分运算，可以高精度计算车辆的瞬时速度和加速度。该系统RTK定位精度可达水平3 mm + 0.3 ppm，数据更新率最高100 Hz，拥有452个通道支持多星座接收。其主要优势在于极高的定位精度转化为高精度速度测量，非接触式且不依赖地面参考，适用于开放场地测试，并能获取车辆在三维空间中的完整运动信息。

• 丹麦丹泰克动力 (激光多普勒测速系统) 丹麦丹泰克动力的FibreFlow LDV激光多普勒测速仪系统基于激光多普勒效应。它发射两束相干激光束，通过光学器件聚焦在被测物体表面形成干涉条纹，通过检测散射光的频率偏移来精确计算物体通过测量区域的瞬时速度。该系统速度测量范围从微米/秒至数百米/秒，精度通常优于0.1%（对于高速测量），测量距离从数十毫米至数米，时间分辨率达到纳秒级。其优势在于极高的测量精度和分辨率，能够捕捉最细微的速度变化；完全非接触式测量；可测量单点速度分量，提供精确的局部速度信息。

（3）选择设备/传感器时需要重点关注的技术指标及选型建议

在为车辆碰撞测试选择合适的测速设备或传感器时，仅仅了解技术原理是不够的，还需要深入理解各项技术指标的实际意义，并结合具体的测试场景做出明智的选择。

• 测量精度： 这是最重要的指标之一，它决定了测量的可信度。比如，一个±0.1%精度的传感器意味着在100km/h的速度下，误差可能在±0.1km/h，这在对碰撞冲击能量的计算中会产生直接影响。对于需要严格符合标准（如法规碰撞测试）的场景，应优先选择精度最高的传感器。

• 响应速度与数据更新率： 碰撞是一个瞬态过程，速度从峰值到零往往在几毫秒内发生。传感器的响应速度（如锁定延迟、时间常数）和数据更新率（或采样率）决定了它能否捕捉到这些细微且快速的变化。想象一下拍摄一场快速的足球赛，如果相机快门不够快，拍出来的就是模糊的残影。对于碰撞测试，需要捕获车辆在极短时间内的最大减速度等参数，因此至少需要数百赫兹甚至千赫兹以上的数据更新率。

• 测量范围（速度和距离）： 传感器能测量的最低和最高速度决定了其适用性。例如，某些测试可能需要精确测量低至0.8km/h的速度，而另一些则需要测量高达480km/h的速度。同时，测量距离也是关键，它影响了传感器的安装位置和安全性。远距离传感器（如雷达）更灵活，而近距离传感器（如光学、激光多普勒）通常精度更高但对安装位置要求更严苛。

• 环境适应性： 考虑测试环境的实际情况。如果测试场地多尘、潮湿，或者可能遇到雨雪、强光等复杂条件，那么雷达测速这类抗干扰能力强的传感器会是更好的选择。光学传感器在清晰、可控的室内环境中表现优异，但在户外复杂环境下可能受限。

• 非接触性与安装便捷性： 所有碰撞测试都倾向于非接触测量，以避免干扰和损坏。此外，传感器的尺寸、重量和安装方式也需要考虑，确保它能稳定、安全地固定在车辆或测试设备上，且不影响车辆的动态特性。

• 成本考量： 设备采购成本、安装调试成本以及后续维护成本也是选型时需要权衡的因素。高性能的设备往往伴随着更高的投入。

选型建议：

• 对于法规型正面/侧面碰撞测试（追求初始速度绝对精度和环境鲁棒性）： 推荐使用多普勒雷达测速传感器。它们能提供远距离、高精度的非接触式测量，且对环境变化不敏感，确保了关键冲击速度数据的可靠性。

• 对于精确捕捉微小位移或局部区域速度变化的测试（如部件级碰撞、生物力学研究）： 激光多普勒测速系统或高精度光学传感系统可能更合适，它们能提供极高的时间和空间分辨率。

• 对于开放场地、需要获取车辆三维运动信息且对瞬间极高数据率要求不那么极致的场景（如车辆稳定性测试、辅助驾驶系统测试）： GNSS系统因其全面性成为有力选项，但需要确保良好的卫星信号接收。

• 对于追求极致速度变化捕捉能力的测试（如极端减速分析）： 结合多种传感器类型，如雷达和惯性测量单元（IMU），进行数据融合，可以发挥各自优势。

（4）实际应用中可能遇到的问题和相应解决建议

在车辆碰撞测试的实际应用中，即使选择了最合适的传感器，也可能遇到一些挑战，影响测量的准确性和可靠性。

• 环境干扰问题：

  • 原因与影响： 雷达传感器可能会受到多路径效应（信号在地面、墙壁等处多次反射导致杂波）的影响，尤其是在半封闭或有大量金属结构的测试场地。光学和激光传感器则对环境中的灰尘、水汽、雨雪、光照变化（如强烈的阳光直射或阴影交错）非常敏感，可能导致信号衰减、目标丢失或读数漂移。GNSS系统在室内或高大建筑旁则可能出现信号遮挡、弱化，甚至完全丢失。

  • 解决建议：

    • 雷达： 优化传感器安装角度，避免强反射面。在条件允许的情况下，可以采用多传感器融合技术，结合不同安装位置的雷达数据进行交叉验证和滤波，或者使用更先进的信号处理算法来抑制杂波。

    • 光学/激光： 保持测试环境的清洁，尽量减少空气中的悬浮物。在户外测试时，可考虑加装防尘罩、防雨罩或使用具备自动清洁功能的传感器。在强光环境下，可利用滤光片或调整光源强度。对于表面纹理不明显的目标，可以加贴特制标记。

    • GNSS： 确保接收机安装在无遮挡的位置。在信号不佳的区域，可结合使用惯性测量单元（IMU）进行数据融合（GNSS/IMU组合导航），利用IMU在短时间内提供高频姿态和加速度数据，弥补GNSS信号瞬时丢失的不足。

• 目标特性影响：

  • 原因与影响： 车辆的表面材质、颜色、几何形状都会影响雷达波或光信号的反射效果。例如，某些深色或哑光表面对光的反射较弱，而某些隐形材料则会吸收雷达波，导致信号强度不足，从而影响测量精度或距离。

  • 解决建议： 对于反射信号弱的区域，可以在车辆表面粘贴雷达反射增强材料或光学标记点，以提高信号强度和稳定性。对于非理想表面，可进行预测试以确定最佳传感器参数设置和安装位置。

• 传感器安装与校准：

  • 原因与影响： 传感器的安装位置、固定方式以及与车辆运动方向的对准精度，对测量结果至关重要。尤其是雷达和光学传感器，其测量精度与角度密切相关。安装不牢固可能导致振动，影响稳定性；校准不准确则会引入系统性误差。

  • 解决建议： 采用坚固的夹具和支架将传感器稳定固定。在安装后，务必使用专业的校准工具或方法进行精确对准，例如使用激光指向仪、光学瞄准器或进行多次静态/动态测试以验证角度和位置的准确性。在每次测试前，进行必要的预热和零点校准。

• 数据同步与整合：

  • 原因与影响： 在复杂的碰撞测试中，往往会使用多种传感器（速度、加速度、力等）协同工作。如果这些传感器的数据采集不同步，不同时间戳的数据将难以准确关联，导致分析结果出现偏差甚至错误。

  • 解决建议： 采用统一的数据采集系统（DAQ），所有传感器的数据都通过同一个系统进行采集，并由DAQ提供统一的时钟同步信号。确保所有传感器的时间戳均已精确同步，通常通过IRIG-B或PTP（精确时间协议）等标准协议进行时间戳管理。

4. 应用案例分享

速度测量技术在车辆碰撞测试及相关领域有着广泛的应用，远不止是简单地测速。

• 车辆法规碰撞测试： 这是最核心的应用，用于验证车辆是否满足各国家和地区的安全法规要求，例如在正面、侧面、追尾等不同工况下的冲击速度测量和减速度分析。

• 假人运动学分析： 在碰撞测试中，不仅要测量车速，还要精确分析车内假人（测试假人）的运动速度和加速度，以评估乘员伤害风险。

• 自动驾驶辅助系统（ADAS）测试与标定： 在开发和测试自动紧急制动（AEB）、自适应巡航控制（ACC）等ADAS功能时，需要精确模拟车辆和障碍物之间的相对速度和距离，传感器用于提供实时的、高精度的参考数据。例如，英国真尚有的多普勒雷达测速传感器可以为ADAS系统提供精确的速度参考，帮助工程师评估和改进算法。

• 赛车性能调校： 赛车团队利用高精度测速传感器，实时监测车辆在赛道上的瞬时速度、加速和减速性能，为赛车调校和驾驶员训练提供关键数据支持。例如，英国真尚有的LP-DS100由于其快速响应和高精度，可以用于赛车性能调校，帮助团队优化车辆设置。

• 工业自动化中的速度/长度测量： 除了汽车领域，这类传感器还常用于工业生产线，如测量输送带、钢板、纺织线材的速度或长度，以确保产品质量和生产效率。

选择哪种测速技术和产品，最终取决于具体的测试需求、预算限制以及对测量精度、响应速度、环境适应性等因素的综合考量。