一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器及其應用方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種通過測量路面漫反射光能量來判斷路面氣象狀態(tài)的非接觸式傳感器，該傳感器能夠有效地分辨路面是否干燥、積水和結(jié)冰。該非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器主要包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、以及位于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器發(fā)出的光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器相對固定并能夠一起沿弧形導軌移動。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、功能全面、性能可靠，可以應用于各種公路路面氣象狀態(tài)的測量，為道路交通管理部門的決策提供依據(jù)。
【專利說明】一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器及其應用方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，用于判斷路面是否干燥、潮濕或 結(jié)冰。

【背景技術(shù)】
[0002] 為了提高道路的通行效率，需要實時地獲得各種信息。考慮到各種車輛都依靠地 面摩擦力行駛和制動，路面積水、結(jié)冰都會顯著降低輪胎與地面的摩擦力，所以路面狀況信 息非常緊密地關(guān)系到道路通行效率和行車安全。獲得路面狀況信息需要用到路面氣象狀態(tài) 傳感器，按照探測方式的不同，目前路面氣象傳感器主要分為接觸式和非接觸式兩種。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)一：
[0004] 基于電導率測量的接觸式路面氣象傳感器。在水鹽（溶雪劑）混合體系的液相 中，無機鹽被解離為正負離子，這些離子作為載流子，使鹽水具有一定的電導率。當體系轉(zhuǎn) 變?yōu)楣滔啵鶕?jù)相變理論，鹽分會從體系中結(jié)晶析出，體系中載流子的喪失會導致電導率的 變化。因而，通過測量電導率的變化，可以準確地判斷路面是否凍結(jié)。根據(jù)具體實現(xiàn)方式的 不同，電導率法可以分為二電極法、四電極法、以及電誘導法等。
[0005] 這一類技術(shù)的優(yōu)點是原理簡單、性能可靠。缺點是只能判斷路面是否結(jié)冰，而且施 工不便，同時也會嚴重降低路面的使用壽命。
[0006] 現(xiàn)有技術(shù)二：
[0007] 基于路面漫反射光譜探測的非接觸式路面氣象傳感器。不同的路面氣象狀態(tài)下， 路面的反射光譜有著不同的特征，所以可以通過光譜探測技術(shù)來判斷路面的氣象狀態(tài)。為 了降低成本，通常只探測少數(shù)特征波長的路面反射系數(shù)，與之相應，需要光源的光譜能夠覆 蓋上述波段?？梢圆捎脤捵V光源或者將幾個特定波長的光源結(jié)合起來使用。
[0008] 這一類技術(shù)的優(yōu)點是原理簡單、可靠性高。缺點是某些特征波長的激光器比較罕 見且價格昂貴，傳感器整體的成本比較高。
[0009] 現(xiàn)有技術(shù)三：
[0010] 基于反射光偏振檢測技術(shù)的非接觸式路面氣象傳感器。不同路面氣象狀態(tài)下，路 面反射光的偏振態(tài)不同。通過光學偏振檢測技術(shù)，將反射光中的S光和P光的光強分別測 得，然后求得反射光的偏振態(tài)。由此可以判斷路面的氣象狀態(tài)。
[0011] 這一類技術(shù)需要大量的偏振分離光學器件和探測器，增加了系統(tǒng)的復雜性和成 本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 為了克服以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出一種通過測量路面漫反射光能量 來判斷路面氣象狀態(tài)的非接觸式傳感器，該傳感器能夠有效地分辨路面是否干燥、積水和 結(jié)冰。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0014] 一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，主要包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、以及位 于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器發(fā)出的 光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉(zhuǎn)換為電 信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器 相對固定并能夠一起沿弧形導軌移動。
[0015] 上述擴束鏡與光電探測器整體作為探測組件，具體可以有以下兩種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形 式：
[0016] 第一種：光電探測器始終固定于路面法線位置，擴束鏡能夠沿弧形導軌移動。
[0017] 第二種：擴束鏡與光電探測器固定在一起并能夠一起沿弧形導軌移動，兩者所在 光軸相互平行；設擴束鏡與光電探測器的間距為d，探測組件與路面照射區(qū)域中心之間的 距離為r,則應保證r/d>100。
[0018] 另外，本發(fā)明還做其他如下優(yōu)化限定和改進：
[0019] 上述激光器發(fā)出的光通過多模光纖f禹合輸出至擴束鏡。
[0020] 上述激光器為半導體激光器。
[0021] 上述激光器為單波長半導體激光器。
[0022] 對于上述兩種具體優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式的探測組件，本發(fā)明還給出通用的應用方法，包 括：
[0023] (1)開啟激光器，發(fā)出恒定功率的光，通過擴束鏡照射在待測路面上；
[0024] (2)保證照射區(qū)域中心不變的情況下，控制擴束鏡沿弧形導軌移動，移動的總行程 為nr/18,入射角度變化范圍為0-10°，光電探測器實時測得不同入射角對應的漫反射光 能量并送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng);完成設定行程后，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以擴束鏡入射角為橫 坐標，探測器相應接收的光功率為縱坐標，繪制一條曲線，得到反射光功率-角度譜；
[0025] (3)根據(jù)所述反射光功率-角度譜，即判定待測路面的氣象狀態(tài)。
[0026] 本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、功能全面、性能可靠，可以應用于各種公路路面氣象 狀態(tài)的測量，為道路交通管理部門的決策提供依據(jù)。具體有以下優(yōu)點：
[0027] 1、結(jié)構(gòu)簡明，安裝、調(diào)節(jié)方便，基于該硬件架構(gòu)，利用成熟的控制及數(shù)據(jù)分析技術(shù) 能夠簡單、快捷地測得路面氣象狀態(tài)。
[0028] 2、巧妙地應用了漫反射原理，探測路面漫反射光能量，不需要復雜昂貴的偏振檢 測元器件。
[0029] 3、通過反射光功率-角度譜來判斷路面的氣象狀態(tài)，而不是特定角度下的反射光 能量，極大地提高了檢測準確度。
[0030] 4、采用單波長半導體激光器作為光源，價格低廉。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明的原理圖。
[0032] 圖2為實施例一的反射光功率-角度譜，圖中的三條理論曲線分別對應于干燥、潮 濕和結(jié)冰三種狀態(tài)。
[0033] 從圖中我們可以看到，在入射角范圍內(nèi)（0-8° )，潮濕和結(jié)冰兩種狀態(tài)下的反射 光功率隨入射角的增大而急劇下降。但潮濕狀態(tài)下反射光功率的下降速率略大于結(jié)冰狀 態(tài)。相比之下，干燥狀態(tài)下的反射光功率值在0-8°范圍內(nèi)沒有顯著的變化?？梢?-8°的 入射角范圍劃分為以下四個判斷區(qū)間：
[0034] 1·0·9° >θ>〇°，P(潮濕）>P(結(jié)冰）>P(干燥）；
[0035] 2. 1. 8° > Θ >〇· 9°，P> (結(jié)冰）P (潮濕）>P (干燥）；
[0036] 3·3·4° >θ>1·8° P (結(jié)冰）>P (干燥）>P (潮濕）；
[0037] 4.5.3° >θ>3·4° P (干燥）>P (結(jié)冰）>P (潮濕）；
[0038] 其中Θ表示入射角，P表示反射光功率值。
[0039] 圖3為實施例二的反射光功率-角度譜，途中三條曲線分別對應干燥、潮濕和結(jié)冰 二種狀態(tài)。
[0040] 同圖2類似，潮濕和結(jié)冰兩種狀態(tài)的反射光功率隨入射角度的增大而急劇下降。 但潮濕狀態(tài)下反射光功率的下降速率略大于結(jié)冰狀態(tài)。相比之下干燥狀態(tài)下的反射光功率 值在0-8°范圍內(nèi)沒有顯著的變化?？梢詫?-8°的入射角范圍劃分為以下四個判斷區(qū)間：
[0041] 1. 1.4° >θ>〇°，P(潮濕）>P(結(jié)冰）>P(干燥）；
[0042] 2.2.8° >θ>1·4°，P>(結(jié)冰）P(潮濕）>P(干燥）；
[0043] 3.4.4° > θ >2.8° P (結(jié)冰）>P (干燥）>P (潮濕）；
[0044] 4.7.3° >θ>4·4° P (干燥）>P (結(jié)冰）>P (潮濕）；
[0045] 其中Θ表示入射角，P表示反射光功率值。
[0046] 圖4為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0047] 圖5為實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048] 圖6為實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0049] 本發(fā)明主要包括半導體激光器、光電探測器，擴束鏡、信號放大器和數(shù)據(jù)采集分析 系統(tǒng)。如圖1所示，從半導體激光器1發(fā)出的光通過擴束鏡2輸出，照射在路面上，形成一 個相對較大的光斑。光電探測器3接收路面反射光能量，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過 信號放大器4進入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)5進行數(shù)據(jù)處理。當光源的入射角發(fā)生改變，探測器接收 到的路面漫反射光波的能量也隨之改變，以激光入射角為橫坐標，探測器接收光功率為縱 坐標，可以繪制出路面的"反射光功率-角度譜"，如圖2所示。
[0050] 路面干燥時，表面粗糙度比較大，可以將干燥路面當做是理想漫反射體，表面反射 遵循朗伯余弦定理，在0-8°的入射角范圍內(nèi)，反射光功率值變化比較小，可以忽略不計， 近似的認為是一條直線，如圖2所示。
[0051] 路面潮濕或結(jié)冰時，表面形貌和介質(zhì)都發(fā)生了改變，"反射功率-角度譜"也會發(fā)生 改變。其中：
[0052] 對于潮濕路面，水分填塞了路面的縫隙，所以潮濕路面的粗糙度比干燥路面要小， 不再是理想漫反射體，將潮濕路面考慮為傾角隨機分布的光滑面元的集合，運用幾何光學 中原理可以分析計算反射光功率隨入射角的變化，即"反射光功率-角度譜"。計算結(jié)果和 實驗數(shù)據(jù)顯示，潮濕路面的反射光功率隨入射角的變化比較明顯，其"反射光功率-角度 譜"的形狀完全不同于干燥路面，如圖2所示。
[0053] 對于冰凍路面，由于結(jié)冰的過程會在冰面產(chǎn)生特定的紋理，其粗糙度介于潮濕路 面和干燥路面之間，因此其"反射光功率-角度譜"既不同于潮濕路面也不同于干燥路面。 圖2也顯示了數(shù)據(jù)計算得到的冰凍路面的"發(fā)射光功率-角度譜"，計算所用的方法與潮濕 路面類似。
[0054] 綜上所述，根據(jù)"反射光功率-角度譜"的形狀特征，就可以判斷出三種路面的氣 象狀態(tài)。
[0055] 本發(fā)明中，為了在入射角改變的同時確保探測區(qū)域不發(fā)生改變，設計了如下的方 法和裝置：
[0056] 如圖3所不：以探測區(qū)域中心為原點〇，過原點〇任選一垂直于路面的表面為主平 面。在主平面上根據(jù)實際情況確定一個合適的距離作為半徑r，以原點〇為圓心繪制圓弧， 按照圓弧的形狀制作導軌6,導軌6為擴束鏡2的移動位置曲線。令擴束鏡始終指向原點 〇,同時改變擴束鏡在圓弧導軌6上的位置，來改變激光的入射角。
[0057] 實施例一
[0058] 如圖4所示，將擴束鏡2與探測器3冰排固定在一起，保持平行。再將兩者都安裝 在導軌6上。在此實施例中，光波的入射角度與探測器接收角度相同。擴束鏡2和探測器3 在導軌6上移動，激光的入射角度和探測器的接收角度一同隨之改變。測量得到反射光功 率-角度譜，根據(jù)譜線的特征來確定路面的氣象狀態(tài)。
[0059] 實施例二
[〇〇6〇] 如圖5所示，在此實施例中，擴束鏡2與探測器3分離，探測器固定在路面法線位 置，接收正向的反射光功率。擴束鏡在導軌6上移動，激光的入射角度隨之改變。測量得 到反射光功率-角度譜，根據(jù)譜線的特征來確定路面的氣象狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1. 一種非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：包括激光器、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、 以及位于待測路面上方的弧形導軌，所述弧形導軌上安裝有擴束鏡和光電探測器；激光器 發(fā)出的光通過擴束鏡照射在待測路面上，光電探測器接收路面漫反射光能量，將光信號轉(zhuǎn) 換為電信號送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)； 所述擴束鏡能夠沿弧形導軌移動，或者擴束鏡與光電探測器相對固定并能夠一起沿弧 形導軌移動。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：所述光電探測 器始終固定于路面法線位置，擴束鏡能夠沿弧形導軌移動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：所述擴束鏡與 光電探測器固定在一起并能夠一起沿弧形導軌移動，兩者所在光軸相互平行；設擴束鏡與 光電探測器的間距為d，擴束鏡與光電探測器整體作為探測組件，該探測組件與路面照射區(qū) 域中心之間的距離為r，則應保證r/d> 100。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：所述激光器發(fā) 出的光通過多模光纖耦合輸出至擴束鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：所述激光器為 半導體激光器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器，其特征在于：所述激光器為 單波長半導體激光器。
7. 權(quán)利要求1所述的非接觸式路面氣象狀態(tài)傳感器的應用方法，包括： 開啟激光器，發(fā)出恒定功率的光，通過擴束鏡照射在待測路面上； 保證照射區(qū)域中心不變的情況下，控制擴束鏡沿弧形導軌移動，移動的總行程為 n r/18,入射角度變化范圍為0 - 10°，光電探測器實時測得不同入射角對應的漫反射光能 量并送入數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)；完成設定行程后，數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)以擴束鏡入射角為橫坐 標，探測器相應接收的光功率為縱坐標，繪制一條曲線，得到反射光功率-角度譜； 根據(jù)所述反射光功率-角度譜，即判定待測路面的氣象狀態(tài)。
【文檔編號】G01N21/47GK104062268SQ201410288992
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】王允韜, 阮馳, 徐松松, 陶圣 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所, 交通運輸部科學研究院