Kiirusmõõturid

Kui oled sattunud lugema seda faili, siis ilmselt on Sul olnud probleeme ülemäärase kiirustamisega. Arvatavasti oled seejärel otsustanud ennast veidi harida metroloogiateaduse alal. Kui aga proovida otsida Internetist sõnade "kiirusmõõtur" või "Stalker" järgi siis kõige suurema tõenäosusega satud ulmesõprade lehele. Kiirusmõõtmiste ja vajalike seadmete kohta on tõesti raske eestikeelset infot leida. Kui ma väga ei eksi, siis ei oma seda ka liikluspolitsei. Ilmselt on paljud kuulnud tänaval lauset: "See pole minu asi, rääkige komissariga". Mõnikord tasub komissariga rääkimine ennast isegi ära, seda eriti siis, kui tead rõhutada mõnda fakti. Käesoleva infokogumiku jaoks Internetis surfates sattusin kusagil Ameerikas järgmisele soovitusele:

Kui kohtus on arutlusel teie kiirusületamise case, siis laske kutsuda tunnistama teid peatanud politseinik. Paluge tal siis seletada Doppleri efekti. Kui ta ei oska vastata, siis on lihtne näidata, et mitte teades mõõtmise füüsikalisi aluseid, on raske ka võtta arvesse kõiki tulemust mõjutavaid tegureid. Järelikult pole teie karistuse aluseks olev kiirusmõõturi näit usaldusväärne.

Paljud Eesti politseinikud oskavad seletada Doppleri efekti? Töötades üle viie aasta Eesti ainukeses kiirusmõõturite taatluslitsentsi omavas kalibreerimislaboris, olen puutunud kokku paljude vaidlusküsimustega, mis oleksid võinud jääda olemata juhul, kui mõlemad pooled oleksid olnud kiirusmõõtmiste teoorias veidi teadlikumad.

Loodan, et leiad siit midagi uut. Põhitekst on kirjutatud 2000. aasta kevadel ning uuemaid arenguid Eesti liiklusjärelevalves ei kajasta.

Parimate tervitustega Mart Noorma,  

Espoo, 19.07.2001

 

 

LIIKLUSJÄRELEVALVES KASUTATAVAD KIIRUSMÕÕTURID

 

Sissejuhatus

Käesolevas infokogumikus tutvustakse mõõtemeetodeid ja seadmeid, mida kasutatakse liikuva sõiduki kiiruse mõõtmiseks liiklusjärelevalves. Lähemalt kolmest põhilisest:  

  • keskmise kiiruse mõõtmise meetod;
  • Doppleri efektil põhinev mõõtemeetod;
  • laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinev mõõtemeetod.

 

Kõigil juhtudel kirjeldatakse mõõtemeetodit, kasutatavate mõõturite ehitust ja enamlevinud tüüpe. Lisatud on meetodite heade omaduste ja puuduste loetelu koos efektiivsuse analüüsiga sõltuvalt tüüpilistest liiklusjärelevalves esinevatest olukordadest. Alapunktis 1.6 on esitatud kokkuvõtlik tabel mõõtemeetodite omavaheliseks võrdluseks. Võimalusel on lisatud ka seadmete hinnaklassid.

Kiirusmõõturite konstruktsioonis ja kasutatavates mõõtemeetodites peab pidevalt arvestama segajate ja detektorite populaarsusega. Alapunktis 1.5 vaadeldakse meetodeid ja seadmeid, mida kasutatakse juhtide poolt kiirusmõõtmise avastamiseks ja segamiseks. Eestis on need seadusevastased seadmed laialdaselt levinud.

Alapunktis 1.7 käsitletakse lühidalt liiklusjärelevalves kasutavate kiirusmõõtmiste legaalmetroloogiat. Esitatakse üks Mõõteseaduse järeldus. Seletatakse ja võrreldakse graafiliselt mõõtmiste laiendmääramatust kasutamisel ning lubatud piirviga taatlusel.

Lühiduse huvides kasutatakse käesolevas töös edaspidi järgmiseid kõnekeeles levinud termineid:

 

Radar on kiirusmõõtur, mis kasutab Doppleri efektil põhinevat mõõtemeetodit;

Laser on kiirusmõõtur, mis töötab laserimpulsi leviaja mõõtmise põhimõttel.

 

1.1. Keskmise kiiruse mõõtmine

1.1.1. Mõõtemeetod

Sõiduki keskmise kiiruse mõõtmine (edaspidi KKM) põhineb üldtuntud mehaanika seosel keskmise kiiruse, kulunud aja ja läbitud teepikkuse vahel:

Keskmine kiirus = Läbitud teepikkus / Kulunud aeg             (1)

Teades kahe teeäärse statsionaarse objekti vahelist kaugust (joonis 1.1) ja mõõtes ajavahemiku, mis kulub liikuval sõidukil nende objektide vahelise teepikkuse läbimiseks, saab lihtsalt arvutada sõiduki keskmise kiiruse sellel teelõigul.

Joonis 1.1. Keskmise kiiruse mõõtmine

 Joonis 1.1. Keskmise kiiruse mõõtmine.png

Mõned kasutatavad seadmed võimaldavad mõõta sõiduki keskmist kiirust ka meetodil, kus mõõtur ei ole enam statsionaarne, vaid liigub teel samas suunas mõõdetava objektiga. Sellisel juhul peavad olema täidetud järgmised lisatingimused:

  • sõiduk, kus asub mõõtur, peab liikuma mõõdetava objekti lähedal ligikaudselt sama kiirusega;
  • mõõtur peab olema ühendatud sõiduki spidomeetriga.

 

 

1.1.2. Kasutatavad seadmed

Keskmise kiiruse mõõtmisel on Eestis teadaolevalt kasutatud ainult kahte tüüpi seadmeid:

 

  • keskmise kiiruse mõõtur Speed;
  • laserkiirusmõõtur LTI 20-20, mis omab ka keskmise kiiruse mõõtmise funktsiooni.

 

Keskmise kiiruse mõõtur Speed

Kiirusmõõtur Speed on kompaktne seade, mis koosneb elektronkellast, impulssandurist ja protsessorsüsteemist. Impulssandur, mis on ühendatud baassõiduki spidomeetriga, võimaldab mõõta läbitud teepikkust ja baassõiduki (sõiduk, millele on adapteeritud kiirusmõõtur) kiirust. Seega puudub vajadus teeäärsete objektide vahelise kauguse mõõtmiseks mõõdulindiga – piisab vahemaa läbimisest baassõidukiga. Läbitud teepikkuse väärtus salvestatakse nupulevajutusega seadme mällu. Teadaoleva pikkusega teelõigu kasutamisel saab teepikkuse seadmesse sisestada ka käsitsi.

Liikuva objekti kiiruse mõõtmine seadmega Speed statsionaarses režiimis (mõõtur ei liigu maapinna suhtes) koosneb järgnevatest etappidest:

 

  • teelõigu pikkuse mõõtmine (baasautoga läbides või muul moel);
  • kui sõiduk, mille kiirust mõõdetakse, jõuab teelõigu algpunkti, siis käivitatakse nupulevajutusega seadme elektronkell;
  • kui sõiduk, mille kiirust mõõdetakse, jõuab teelõigu lõpp-punkti, siis seisatakse seadme elektronkell;
  • kiirusmõõtur arvutab välja mõõdetava sõiduki keskmise kiiruse vaatlusalusel teelõigul ja kuvab selle tablool.

 

Speed võimaldab keskmist kiirust määrata ka juhul kui baassõiduk liigub (liikuv režiim) mõõdetava sõiduki taga eelpoolnimetatud tingimustel. Sellisel juhul ei ole vajadust eelnevalt mõõdetud teelõigu järele. Mõõteprotseduur on järgmine:

 

  • baassõiduk liigub mõõdetava sõiduki järel;
  • hetkel kui mõõdetav sõiduk möödub mingist teeäärsest objektist käivitatakse kiirusmõõturis aja mõõtmine;
  • hetkel kui baassõiduk jõuab sama objektini käivitatakse kiirusmõõturis teepikkuse mõõtmine;
  • hetkel kui mõõdetav sõiduk möödub mingist järgmisest teeäärsest objektist seisatakse kiirusmõõturis aja mõõtmine;
  • hetkel kui baassõiduk jõuab sama objektini seisatakse kiirusmõõturis teepikkuse mõõtmine;
  • kiirusmõõtur arvutab mõõdetava sõiduki kiiruse ja kuvab selle tablool.

 

Põhimõtteliselt on Speediga võimalik mõõta sõiduki kiirust ka siis, kui see läheneb baassõidukile tagapoolt või vastassuunas. Kasutamiseks on need meetodid ebamugavad.

Märkus. KKM liikuvas režiimis nõuab seadme adapteerimist baassõidukile.

Kiirusmõõturid Speed on valmistatud Tallinnas firmas Aitur. Teadaolevalt on tegu ainukese Eestis konstrueeritud ja toodetud kiirusmõõturi tüübiga. Kohalik liikluspolitsei kasutas neid seadmeid aktiivselt üheksakümnendate aastate esimesel poolel.

Laserkiirusmõõtur LTI 20-20 keskmise kiiruse mõõturina

Laserkiirusmõõturit LTI 20-20 saab kasutada keskmise kiiruse mõõturina ainult statsionaarses režiimis. Mõõtmise protseduur on sarnane eelmises punktis kirjeldatule (statsionaarne režiim), erinevus seisneb ainult teelõigu pikkuse määramises. Kuna laserkiirusmõõtur võimaldab määrata kaugust seadmest mingi objektini, siis sobib see hästi mõõdetava teelõigu pikkuse mõõtmiseks. Saadud tulemus salvestatakse seadme mällu, järgnev toimub sarnaselt kiirusmõõturi Speed mõõtemetoodikale.

 

1.1.3. Kokkuvõte keskmise kiiruse mõõtmisest

Sõiduki keskmise kiiruse mõõtmine on liiklusjärelevalves kasutatavatest meetoditest kahtlematult tehniliselt kõige lihtsam. Põhimõtteliselt pole tarvis teisi mõõteriistu peale sekundkella ja mõõdulindi. Tehnilise lihtsusega kaasneb kahjuks aga ebamugavus kasutajale – kui radari või laserseadmega peab mõõtja ainult sihtima ja nupule vajutama, siis KKM nõuab küllaltki põhjalikku eeltööd igale mõõtmiste seeriale. Oma lihtsuse tõttu on meetod ilmselt kõige vanem, kuid üldiselt juba vananenud. Siiski tuleb lisada, et enamus käesoleval ajal tootmises olevatest laseritest omab lisavõimalusena ka KKM funktsiooni (timing mode).

KKM tulemuse kvaliteet sõltub oluliselt mõõturi käsitseja oskustest ja reaktsiooniajast. Kõigist käesolevas töös kirjeldatud meetoditest on KKM puhul määramatus suurim. Kiirusmõõturi Speed laiendmääramatuse hinnang usaldatavustasemel 99 % on 13 %.

Mõnedes riikides on käesoleval ajal kasutusel KKM seadmed, mis ühendatuna videokaameraga moodustavad suhteliselt odava, usaldusväärse ja täiesti segamis- ning detekteerimiskindla mõõtesüsteemi.

Teadaolevalt ei ole KKM Eesti liikluspolitseis enam kasutusel.

 

1.2. Doppleri efektil põhinev mõõtemeetod

1.2.1. Mõõtemeetod

Doppleri efekt

Doppleri efekt seisneb kiiratava laine lainepikkuse või levikiiruse muutumises vaatleja suhtes juhul kui laineallikas ja vaatleja liiguvad teineteise suhtes. Üldisemal juhul võimaldab nähtus määrata kiirguri ja vaatleja vahelise suhtelise kiiruse kui on teada kiiratava laine sagedus. Liiklusjärelevalves kasutatakse meetodit, kus kiirusmõõturisse on ühildatud kiirgur ja vastuvõtja. Sellisel juhul määratakse kiirusmõõturi ja "peegli" (sõiduk, mille kiirust mõõdetakse) vahelist suhtelist kiirust. Lainete levikut ja sageduse muutumist peegeldumisel kirjeldab joonis 1.2.

Joonis 1.2. Doppleri efekt [11, tõlgitud]

 Joonis 1.2. Doppleri efekt.png

 

Doppleri efekti matemaatika

Doppleri sagedusnihkeks nimetatakse efektiga kaasnevat sageduse muutu

                fd f1 fo.png (2)

kus      f0 – leviva laine sagedus;

            f1 – peegeldunud laine sagedus;

            fd – Doppleri sagedusnihe.

Doppleri sagedusnihe on positiivne, kui mõõdetav objekt läheneb kiirusmõõturile, ja negatiivne, kui mõõdetav objekt eemaldub kiirusmõõturist.

Doppleri sagedusnihe sõltub kiirusmõõturi ja mõõdetava objekti vahelisest suhtelisest kiirusest järgnevalt:

                   fd 2vfo.png (3)

            kus      vr – mõõturisuunaline komponent objekti suhtelisest kiirusest;

                        c – elektromagnetlainete levikiirus vaakumis.

 

Objekti suhteline kiirus ja selle mõõturisuunaline komponent on omavahel seotud järgmiselt (joonis 1.3):

                   v cos.png (4)

kus     v – objekti suhteline kiirus;

a - objekti liikumissuuna ja objekti ning mõõtmissuuna vaheline nurk.

Joonis 1.3. Liikuva objekti kiiruse mõõtmine statsionaarses režiimis

 Joonis 1.3. Liikuva objekti kiiruse mõõtmine statsionaarses režiimis.png

 

Seega saab arvutada mõõdetava objekti suhtelise kiiruse teades Doppleri sagedusnihet ja kasutatava elektromagnetlaine sagedust:

               valem5.png  (5)

Kaasaskantavad kiirusmõõturid ei võta arvesse tegurit cosa , seepärast on nende näit võrdne sõiduki kiiruse mõõtmissuunalise komponendiga.

  

Koosinusefekt

 

Mõõtetulemuse sõltuvust mõõtmissuuna ja objekti liikumissuuna vahelise nurga koosinusest nimetatakse koosinusefektiks. Koosinusefekt mõjub mõõtetulemust statsionaarses režiimis alati vähendavalt, sest . Arvestades seda, et nurk a ei ole peaaegu kunagi täpselt teada, on tegemist lisanduva ühepoolse määramatuseallikaga mõõtetulemusele. Kiirusmõõtmine liiklusjärelevalves on erinev tavalisest füüsikalisest mõõtmisest selle poolest, et võib jätta arvestamata kõik määramatuse komponendid, mis mõjuvad mõõtetulemusele ainult ühes suunas – vähendavalt (kõnekeeles öeldakse "sõiduki juhi kasuks"). Samas ei tohi liiklusjärelevalve seisukohalt lubada olukorda, kus vähendav tegur cos a oleks liiga suur (tabel 1.1). Kiirusmõõturile sobiva positsiooni leidmine on mõõteprotseduuri lahutamatu osa.

 

Tabel 1.1. Liikuva objekti kiiruse ja kiirusmõõturi näidu vaheline seos sõltuvalt mõõtmissuuna ja sõiduki liikumissuuna vahelisest nurgast.

 Tabel 1.1. Liikuva objekti kiiruse.png

Kui kiirusmõõturiga mõõdetakse liikuvas režiimis, siis on võimalik olukord, kus koosinusefekt ei mõjuta mõõtetulemust enam vähenemise vaid hoopis suurenemise suunas. Tegelike mõõteolukordade puhul jääb efekti mõju liikuvas režiimis aga tähtsusetult väikseks, sest mõõtmine toimub alati liikumisega ligikaudu samas sihis (joonis 1.4).

 

Kiirusmõõturites kasutatavad elektromagnetlained

 

Doppleri efektile põhineva mõõtemeetodi korral kasutatakse kiirusmõõturites elektromagnetlaineid normeeritud sagedusribades. Tabelis 1.2. on need esitatud koos kokkuleppelise tähistusega, mis on saanud alguse USA armee kodeerimissüsteemist teise maailmasõja päevilt. Tähistust on oluline teada seepärast, et radarite kirjelduses nimetatakse tavaliselt nende töösageduse asemel sagedusriba tähist. Näiteks olgu väljavõte radari Stalker kasutusjuhendi esikaanelt: "The first Ka Band Moving Radar..."

 

Tabel 1.2. Radarites kasutatavate sagedusribade tähistused [11, tõlgitud]

 

Tähis

Sagedus

S

2.455 GHz

X

10.525 GHz ±25 MHz
10.500 - 10.550 GHz

K

24.125 GHz ±100 MHz
24.025 - 24.225 GHz

24.150 GHz ±100 MHz
24.050 - 24.250 GHz

Ka

33.4 - 36.0 GHz

 

Märkus. Kaks kasutatavat sagedusriba on sama tähisega K. Erinevad kiirusmõõturite tootjad kasutavad sama tähistuse puhul erinevaid sagedusribasid (Euroopas 24.125 GHz) [11]. Sagedusriba Ka on jagatud 13 alamribaks laiustega 200 MHz.

Tavaliselt kasutatakse radaris ühte kindlat sagedust. Mõnede tüüpide puhul on võimalik ka seadme ümberlülitamine kasutaja poolt teistele sagedustele. Vajaduse selleks võib anda võitlus radaridetektorite või segajatega. Samal eesmärgil toodetakse ka pidevalt muutuva sagedusega radareid (Wideband radars), mis muudavad töösagedust kümmekond korda sekundis. Muutuva sagedusega radarid töötavad ainult Ka sagedusribas.

Ajaloost [11]

Esimesed radarid liiklusjärelevalves võeti kasutusele 1947 USA Connecticut osariigis. Seadmed kaalusid ligikaudu 25 kg, kasutasid sagedusriba S ja mõõtsid kuni 150 meetri kauguselt (sõiduk kiirusega 100 km/h läbib selle vahemaa ligikaudu 2,8 sekundiga). Sagedusribas S töötavaid radareid enam ei kasutata.

Sagedusriba X võeti kasutusele ligikaudu 1965, K sagedusriba 1970. aastate keskpaiku ja Ka 1990. aastate alguses.

Mõõtmine tiheda liikluse korral

Liiklusjärelevalves tekitab probleeme see, et Doppleri efektil põhineva radariga ei ole võimalik mõõta autode grupist ühe kindla sõiduki kiirust. Kiirusmõõturini jõuavad peegeldused kõigilt mõõtepiirkonnas olevatelt objektidelt. Tavaliselt on radarid konstrueeritud nii, et seade mõõdab laine levipiirkonnas liikuvatest sõidukitest kõige kiirema (kõige suurema Doppleri sagedusnihke). Kui levipiirkonnas asub teistest oluliselt suurema massiga sõiduk, võib radar mõõta selle kiiruse (kõige tugevama peegelduse). Masside vahekorraks, mille puhul ei mõõdeta enam kiireima vaid suurema massiga sõiduki kiirust, võib ligikaudselt hinnata 2:1 [9].

Liikuv režiim

Liikuvaks režiimiks nimetatakse mõõtemeetodit, mille puhul kiirusmõõtur liigub maapinna suhtes (joonis 1.4). Tavaliselt toimub mõõtmine sõitvas politseiautos (baassõiduk). Sellisel puhul ei ole enam piisav mõõta objekti kiirust radari suhtes. Mõõdetava sõiduki kiiruse määramiseks on tarvis lisaks veel teada baassõiduki kiirust (maapinna suhtes). Kokkuvõttes saame objekti liikumiskiiruse (maapinna suhtes) arvutada järgnevalt:

 valem6.png

 

kus      v – mõõdetava sõiduki kiirus maapinna suhtes;

            vB – baassõiduki kiirus maapinna suhtes;

            vOB – objekti kiirus baassõiduki suhtes.

Märk valemis sõltub objekti ja baassõiduki vahelisest suhtelisest kiirusest ja liikumissuundadest. Õige märgi arvestamiseks kiirusmõõturi poolt peab kasutaja mõnede radarite puhul eelnevalt sisestama, kas mõõdetakse samasuunalise või vastassuunas liikuva sõiduki kiirust.

Joonis 1.4. Mõõtmine liikuvas režiimis

Joonis 1.4. Mõõtmine liikuvas režiimis.png

Liikuvas režiimis koosneb mõõtmisprotsess kiirusmõõturis kahest samaaegselt toimuvast mõõtmisest. Objekti kiirus baassõiduki suhtes määratakse samamoodi, kui statsionaarses režiimis. Baassõiduki kiirus maapinna suhtes määratakse maapinnalt peegeldunud lainete sageduse muudu järgi. Selgituseks võib olukorda vaadelda kiirusmõõturiga seotud koordinaatsüsteemis. Seade mõõdab kahelt enda suhtes liikuvalt objektilt – sõidukilt ja maapinnalt – peegeldunud lainete Doppleri efektist tingitud sagedusnihet, mille põhjal arvutab vastavad kiirused.

Peegeldus maapinnalt ja seisvatelt objektidelt tuntakse kiirusmõõturi poolt ära kui kõige tugevam peegeldunud laine. Siiski võib kiirusmõõturil tekkida probleeme maapinnalt peegeldunud laine mõõtmisega juhul kui levipiirkonda satub tugevalt peegelduv liikuv objekt, mille suhteline kiirus sobib seadme tarkvara arvetes maapinna kiiruseks. Nähtust nimetatakse varjutamiseks (shadowing). Selle vältimiseks soovitatakse kiirusmõõturi kasutajal liikuvas režiimis pidevalt võrrelda radari tablool näidatud baassõiduki kiirust spidomeetri näiduga.

Kokkuvõtteks võib öelda, et liikuvas režiimis mõõtmine on keerulisem ja võimalike vigade suhtes tundlikum meetod kui statsionaarne režiim. Sellele vaatamata on see laialdaselt kasutusel.

Märkus. Eesti politseis muutus liikuvas režiimis mõõtmine valdavaks mõned aastad tagasi peale seda, kui paljud raadiojaamad asusid edastama infot politseipatrullide asukohtadest.

 

1.2.2. Kasutatavad seadmed

Kasutusel olevad radarseadmed võib jagada kahte suurde klassi:

 

  • kitsa levipiirkonnaga radarid (across the road radars);
  • laia levipiirkonnaga radarid (down the road radars).

 

Kitsa levipiirkonnaga radareid iseloomustab seadmest väljuva kiirtekimbu väike levinurk, mis on tavaliselt viis kraadi. Radar paigutatakse statsionaarselt nii, et ta on suunatud mingi kindla nurga (sageli a = 22° ) all üle sõidutee (joonis 1.5). Kitsas kiirtekimp võimaldab mõõta sobival juhul ühe kindla sõiduki kiirust ka tiheda liikluse korral. Teades nurka a , saab võtta arvesse koosinusefektist tingitud parandusteguri.

Joonis 1.5. Kitsa levipiirkonnaga radar [11]

Joonis 1.5. Kitsa levipiirkonnaga radar [11].png

 

Kitsa levipiirkonnaga radareid kasutatakse tavaliselt liiklusohutuse eesmärgil statsionaarsetena koos suure tablooga (mööduva sõiduki juht saab ise näha oma sõiduki kiirust). Teiseks rakenduseks on niinimetatud fotoradarid – seadmed, mis salvestavad automaatselt mööduva sõiduki kiiruse koos pildiga juhul kui see ületas etteantud kiirusepiirangut.

Fotoradar on tavaliselt paigutatud mõne suurema sõidutee kohale või kõrvale ning töötab autonoomselt (ilma operaatorita). Mõõtmistulemuse usaldusväärsuse tagamiseks kasutatakse järgmist tulemuste hindamismeetodit, mis peaks välistama valele juhile trahvikviitungi saatmise:

  • igal konkreetsel kiiruseületamisel võetakse vaatluse alla kolm järjestikust pilti;
  • kiiruse näit võetakse keskmiselt pildilt, kus peab olema näha ainult üks sõiduk;
  • kui sama sõiduk on näha ka eelmisel ja järgmisel pildil ning kui kummalgi pildil pole tervenisti näha ühtegi teist sõidukit, siis loetakse mõõtetulemus usaldusväärseks.

 

Laia levipiirkonnaga radarite puhul on tegemist laiema väljuva kiirtekimbuga. Seadmed on tavaliselt kaasaskantavad ja mõeldud mõõtmiseks pikki sõiduteed kas statsionaarses või liikuvas režiimis. Sellisel juhul jäävad radari mõõtepiirkonda kõik teel liikuvad sõidukid, milledest mõõdetakse kiireimat (vaata eestpoolt mõõtmine tiheda liikluse korral). On ilmne, et need seadmed pole sobivad kasutamiseks tiheda liiklusega teedel.

 

Eestis kasutatavad radarid

Eestis kasutatakse senini ainult laia levipiirkonnaga radareid. Esimesena võeti kasutusele 1980. aastate lõpus Venemaal valmistatud kiirusmõõtur Barjäär 2 ja selle modifikatsioon Barjäär 2M (mõlemad kasutasid sagedusriba X). Käesolevaks ajaks on neid kasutusele jäänud alla kümne. Aastal 1995 avanes Eesti politseil võimalus osta suurem kogus moodsaid Ameerika Ühendriikides Texases toodetud radareid Stalker (Ka sagedusriba), mis on senini jäänud liikluspolitsei põhilisteks töövahenditeks. Kokku on praeguseks ostetud 66 Stalkerit (millest autorile teadaolevalt on ligikaudu 10 juba maha kantud). Lisandunud on kaks sagedusriba K kasutavat radarit Speedgun Magnum ja HR-12 ning kaks kiirumõõturi Barjäär uuemat modifikatsiooni Barjäär 2-2M. Viimase aasta jooksul on Tallinna ja Pärnu liikluspolitsei soetanud kaks moodsat radarit Stalker Dual Car, mis on paigaldatud statsionaarselt sõidukitesse. Need võimaldavad mõõta nii ees- kui tagasuunas ning on varustatud videokaamera ja printeriga.

 

Kiirusmõõtur Stalker

Järgnevalt vaadeldakse lähemalt kiirusmõõturit Stalker, kui Eestis enamlevinud kasutusel olevat radarseadet.

Joonis 1.6. Kiirusmõõturid Stalker [14]

stalkerid.png

 

Kiirusmõõtur Stalker esindab laia levipiirkonnaga radarite klassi, tema olulisemad tehnilised parameetrid on järgmised [7]:

  • töösagedus (33,4 –36,0) GHz (tavaliselt 34.7 GHz);
  • sageduse stabiilsus ± 0,1 GHz;
  • tööks lubatud keskkonna temperatuur –30 ° C kuni +70 ° C;
  • õhu niiskus kuni 90 %;
  • seadme kaal 0,6 kg;
  • väljuva kiirtekimbu levinurk 9 ° või 12 ° (Stalker Dual Car);
  • mõõtepiirkond (10 –320) km/h;
  • näidu diskreetsus ± 1 km/h;
  • tundlikkus: mõõdab sõiduki kiiruse vähemalt 800 m kauguselt;
  • kiiratav elektromagnetväli on polariseeritud vertikaalselt;
  • väljundvõimsus (10 – 50) mW;
  • kiirgustihedus 4 mW/cm2 mõõdetuna 10 cm kauguselt antennist.

 

Märkus. American National Standards Institute (ANSI) poolt on inimesele lubatud kiirgustiheduse piiriks sellel sagedusel määratud 5 mW/cm2, Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) poolt vastavalt 10 mW/cm2 [11].

Märkus. Katsete käigus õnnestus radariga Stalker Dual Car mõõta sõiduauto kiirust heade ilmastikutingimuste korral kauguselt 2,2 km. Eksperiment viidi läbi autori ja politsei koostöös 1999. aastal Tartu – Räpina maanteel. Mõõtmisel kasutati statsionaarset mõõterežiimi.

Stalkerid on toodetud firmas Applied Concepts Inc, Plano, Texas, USA.

Ehitus

Kiirusmõõtur Stalker koosneb järgmistest põhilistest komponentidest: 

  • mikrolaineplokk;
  • analoogplokk;
  • digitaalplokk;
  • tabloo- ja klaviatuuriplokk;
  • toiteplokk.

 

Mikrolaineploki ülesandeks on ülikõrgsagedusliku elektromagnetvälja genereerimine ja vastuvõtmine. Samuti toimub selles väljundsageduse ja peegeldunud sageduse omavaheline liitmine, mille tulemusena leitakse Doppleri sagedusnihe. Mikrolaineplokis on kaks antenni – üks saatmiseks ja teine vastuvõtuks. Elektromagnetvälja tekitamiseks kasutatakse Gunni dioodil põhinevat ostsillaatorit. Doppleri sagedusnihke eraldamiseks sisend- ja väljundsagedusest kasutatakse madala müratasemega Schottky dioodil põhinevat segustit. Mikrolaineplokis on ka eelvõimendi signaali võimendamiseks [7].

Analoogplokis võimendatakse ja töödeldakse mikrolaineplokist saadud sisendsignaal vajalikule tasemele ning konverteeritakse digitaalseks.

Digitaalploki põhikomponentideks on mikroprotsessor taktsagedusega 20 MHz, muutmälu (RAM) ja püsimälu (EPROM) [7]. Ploki ülesandeks on kogu seadme tegevuse programne juhtimine, sisendsignaali digitaalne töötlemine ja mõõtetulemuse saatmine tablooplokki.

Seadme tablool on kolm numbrinäitu – mõõdetava objekti kiiruse, mällu salvestatud mõõtetulemuse ja baassõiduki kiiruse kuvamiseks. Neist esimest võib vajadusel kasutada teise mäluna.

Märkus. Autor ei saa jätta märkimata radaritel Stalker esinevaid konstruktsioonivigu, milledest põhjustatud rikked on seadmetel regulaarselt esinenud alates aastast 1995, kui esimene Stalker Eestisse jõudis. Need on järgmised: 

  • paljud radarid kaotavad tundlikuse ja ei mõõda enam sõidukite kiirust ettenähtud kauguselt. Ilmselt on see põhjustatud Schottky dioodi vähesest vastupidavusest;
  • seadme komponentide vahelised ühenduskaablid on mitterahuldava tugevusega materjalist. Peaaegu kõigi Eestis kasutuses olevate Stalkerite vastavad ühendused on remondi käigus asendatud;
  • tabloo- ja klaviatuuriploki konstruktsioon on ebaõnnestunud, vähemalt pooltel kasutuses olevatel Stalkeritel on klaviatuuri kate vahetatud purunemise tõttu;
  • seadme külge kinnituv aku-käepide lõhub oma raskuse tõttu kergesti Stalkeri korpuse alumise poole, sest kinnituskonstruktsioon pole piisavalt tugev;
  • seadmel puudub vajalik koht plommimiseks, mis on hädavajalik taatluse vormistamisel. Taatlusplommid on seadmelt kadunud juba paar kuud peale korralise taatluse läbimist.

 

Erinevad modifikatsioonid

Kiirusmõõturit Stalker iseloomustavad kompaktsus ja ergonoomilisus, mis on eriti meeldivad võrreldes eelmise põlvkonna radarite esindajaga Barjäär. Eestis on Stalker kasutusel kolmes modifikatsioonis:

  • Stalker Statsionary, mis võimaldab mõõta ainult statsionaarses režiimis;
  • Stalker ATR, mis võimaldab kasutada nii statsionaarset kui liikuvat režiimi;
  • Stalker Dual Car,mis paigaldatakse baassõidukile statsionaarselt.

Statsionary ja ATR vaheline erinevus on tegelikult ainult tarkvaraline, esimese puhul on lihtsalt programmiliselt keelatud liikuva režiimi kasutamine.

Erinevalt tüüpidest Statsionary ja ATR, mis on kaasaskantavad seadmed, on Stalker Dual Car (SDC) mõeldud sõidukile paigaldamiseks. Seadme komplekti kuuluvad: 

  • protsessorplokk;
  • tabloo;
  • kaugjuhtimispult;
  • kaks mikrolaineplokki.

 

Mikrolaineplokid paigaldatakse esimesele ja tagumisele aknale. Seega võimaldab radar mõõta nii ees- kui tagapool liikuvate sõidukite kiirusi. Samuti on SDC ainsana Eestis kasutatavatest radaritest kahesageduslik, võimaldades kasutada vajadusel K- ja Ka-sagedusribasid.

 

1.2.3. Kokkuvõte Doppleri efektil põhinevast meetodist

Doppleri efekti kasutavad radarseadmed on maailmas kõige enam levinud kiirusmõõturid. Sellise edu aluseks on meetodi piisav täpsus ja usaldusväärsus, samuti mugavus kasutajale – mõõtmiseks on vaja ainult suunata radar ligikaudu õiges suunas ja vajutada päästikule. Olulisemaks puuduseks on see, et mikrolainete hajuvus põhjustab laia mõõtepiirkonna, mis teeb raskeks ühe kindla sõiduki kiiruse mõõtmise tihedama liikluse korral. Sellest puudusest on aga vaba laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinev mõõtemeetod, mida käsitletakse jägnevalt.

Puuduseks võib pidada ka lihtsat võimalust radarite detekteerimiseks vastavate seadmete abil. Põhjuseks on mikrolainete suur levikaugus. Paremad detektorid võivad avastada töötava radari 4 km kauguselt [11]. Detekteerimise vähendamiseks lülitatakse uuematel radarseadmetel mikrolainegeneraator sisse ainult mõõtmise hetkel (Instant On mode).

1.3. Laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinev mõõtemeetod

1.3.1. Mõõtemeetod

Laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinev mõõtemeetod on matemaatiliselt ülimalt lihtne põhinedes samuti nagu keskmise kiiruse meetodki seosel kiiruse, läbitud teepikkuse ja selleks kulunud ajavahemiku vahel. Füüsikaliselt teostuselt on asi märksa keerukam – kasutatakse pooljuhtlaserit ja ülitäpset aja mõõtmist.

Mõõteprotseduur koosneb sisuliselt üksteisele järgnevatest mõõturi ja liikuva objekti vaheliste kauguste mõõtmistest. Liikuva objekti suhtelise kiiruse määramiseks on tarvis teada mõõturi ja liikuva objekti vahelist kaugust vähemalt kahel ajahetkel, samuti nende ajahetkede vahelist ajavahemikku. Mõõtemeetod ise on järgmine (eeldusel, et objekt liigub mõõtmissihis): 

  • mõõturist kiirgub laserimpulss;
  • impulss peegeldub sõidukilt ja jõuab tagasi mõõturisse;
  • kui impulsi kiirgumisest peegeldunud impulsi saabumiseni kulub aeg d t1, siis läbib impulss levides kiirusega c teepikkuse s1

valem8.png 

  • sellisel juhul on "peegli" ja mõõturi vaheline kaugus l1

valem9.png 

  • eelnevat protseduuri korratakse aja D t möödumisel, tulemuseks saadakse "peegli" ja mõõturi vaheline kaugus l2;
  • liikuva objekti kiirus v on arvutatav valemist

valem10.png

 

Ühe mõõtetulemuse saamiseks peab kiirusmõõtur seega kiirgama kaks impulssi. Tuleb pidada silmas, et mõõtetulemus sõltub sõiduki liikumissuunast. Koosinusefekt mõjub tulemusele laseriga mõõtes samuti nagu radari puhul (vaata koosinusefekt).

Vaatame näidet meetodis kasutatavate ajamõõtmiste näitlikumaks kirjeldamiseks. Olgu mõõturi ja sõiduki vaheline vahemaa l1 = 100 m. Leiame ajavahemiku d t1, mille jooksul laserimpulss levib liikuva sõidukini ja tagasi.

valem11.png

Soovides saada mõõtetulemuse täpsuseks ligikaudu 1 %, peab kiirusmõõtur mõõtma laserimpulsi levikuks kulunud ajavahemikku määramatusega, mis ei ületa 6× 10-9s (6 ns).

Laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinev mõõtemeetod ei võimalda kasutada liikuvat režiimi. Põhjuseks on laseri kitsas kiirtekimp – meetod nõuab täpset sihtimist, liikuv režiim nõuaks seega täpset sihtimist kahele objektile korraga (mõõdetavale sõidukile ja mõnele teeäärsele statsionaarsele objektile).

 

Mõõtmine tiheda liikluse korral

Laserseadmetele on iseloomulik väljuva kiirtekimbu väike hajuvus (kiire levinurk on suurusjärgus 10¢ ), mis teeb võimalikuks laserkiire täpse suunamise. Tavaliselt on laseritele lisatud optiline sihik, mille abil saab sihtida kiire kindlale sõidukile (soovitatavalt numbrile, kui eriti hästi peegelduvale pinnale). Võimalus mõõta ühe kindla sõiduki kiirust ka tiheda liikluse korral, on laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhineva meetodi põhiline erinevus Doppleri efektil põhinevast meetodist kasutaja jaoks.

 

1.3.2. Kasutatavad seadmed

Inglise keeles on leitud kiirusmõõturitele, mis kasutavad oma töös laserimpulsi leviaja mõõtmisel põhinevat mõõtemeetodit, kaks võimalikku nimetust. Mõlemad põhinevad sarnasusel ingliskeelse lühendiga RADAR (RAdio Detection And Ranging – tõlkes umbes raadio abil avastamine ja asukoha kindlaksmääramine). Need on järgmised: 

  • LADAR (LAser Detection And Ranging);
  • LIDAR (LIght Detection And Ranging).

Erinevad allikad kasutavad erinevaid nimetusi. Ilmselt on laseril põhinev kiirusmõõtmise tehnoloogia veel nii uudne, et pole välja kujunenud ühtset nimetust. Eestis kutsutakse laserkiirusmõõtureid tavaliselt lihtsalt laseriteks.

Laserkiirusmõõturite konstruktsiooni võib jagada sõltuvalt funktsioonist kolmeks komponendiks:

  • laser;
  • optiline süsteem;
  • mikroprotsessorsüsteem mõõtetulemuste töötlemiseks ja kuvamiseks.

Laserkiirusmõõturid töötavad pooljuhtlaseri põhimõttel impulssrežiimis. Kasutatakse tavaliselt kahte või kolme dioodi, mis sõltuvalt tüübist kiirgavad lainepikkusi 904 nm, 850 nm või (880 – 900) nm. Kõik kasutatavad lainepikkused jäävad infrapunasesse spektri piirkonda. Ühe laserimpulsi kestvus on suurusjärgus 10 ns, impulsside genereerimissagedus (10 – 100) Hz [11].

Optilise süsteemi ülesandeks on väljastatava kiire formeerimine ja vastuvõetava kiire koondamine. Sõltuvalt kiirusmõõturi tüübist kasutatakse selleks kas ühist või eraldi kaht süsteemi. Optilise süsteemi iseloomustamiseks võib lisada, et kiire väljumisava läbimõõt on suurusjärgus 5 cm.

Mikroprotsessorsüsteemi ülesandeks on mõõtmiste juhtimine ja tulemuste arvutamine. Süsteemil on tavaliselt kaks väljundit: tabloo visuaalseks mõõtetulemuse jälgimiseks ja seerialport info edastamiseks registreerivatele seadmetele.

Eestis on alates aastast 1998 kasutusel kaks laserkiirusmõõturit Marksman LTI 20-20; järgneb lühike ülevaade sellest seadmest.

Laserkiirusmõõtur LTI 20-20

Kiirusmõõtur LTI 20-20 (joonis 1.7) on üks esimesi kaasaskantavaid laserseadmeid, olles tootmises alates aastast 1990. Seade on nii Euroopa Liidus kui ka Ameerika Ühendriikides laialdaselt kasutusel. Õnnestunud konstruktsiooni tõttu on LTI modifikatsioonid tootmises käesoleva ajani.

LTI 20-20 põhilised tehnilised andmed on järgmised [6]: 

  • mõõteulatus (10 – 700) m;
  • mõõtepiirkond ± 320 km/h (erinev modifikatsioonidel);
  • mõõtemääramatus ±3 km/h, kiirustel üle 100 km/h ±3 %;
  • üheks mõõtmiseks kuluv aeg (0,33 – 10) s;
  • lubatud keskkonna temperatuur –30 ° C kuni +60 ° C;
  • kiire levinurk 3 mrad;
  • laser: kaks dioodi, võimsus 2´ 18 m W, 904 nm;
  • impulsi pikkus 16 ns;
  • impulsside kiirgamissagedus 100 Hž;
  • optilise süsteemi fookuskaugus 80 mm, ava läbimõõt 40 mm.

Kiirusmõõturid LTI 20-20 on toodetud firmas Laser Technology Inc. Engelwood, Colorado, USA.

 

Joonis 1.7. Kiirusmõõturid Marksman LTI 20-20 ja Stalker LIDAR [13, 14]

 Marksman LTI 20-20.png Stalker LIDAR.png

 Seadmel kasutatakse optilist sihikut, milles tekitatakse vaateava keskele punane täpike (risti asemele). Sihtimisel tuleb see täpike seada mõõdetava sõiduki kohale.

Eksperimendi käigus ei õnnestunud autoril mõõta liikuva sõiduauto kiirust seadmega LTI 20-20 kaugemalt, kui 300 meetrit (seadme spetsifikatsioonis on antud mõõteulatus 700 meetrit). Sellel kaugusel muutus sõiduauto kujutis sihikus suuruselt võrdseks sihtimistäpiga. Ilmselt samal põhjusel on ka Saksa politseis laserkiirusmõõturiga mõõtmisel soovitavaks kauguseks määratud 100 meetrit.

 

JÄRGNEB!