CN103047937A - 一种路面气象状态探测方法以及路面气象状态传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感技术领域，涉及一种探测方法及其传感装置，用于道路路面以及机场、码头等设施的地面积水、结冰、积雪等情况的监测。该装置包括埋入路面的传感器外桶，在传感器外桶的顶部开口处设置有与路面平接的透明盖板，在传感器外桶内依次设置有激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器激光光源通过光学镜组分出两路激光光束，楔形棱镜的斜面面向透明盖板下表面，接收来自各个界面向下的反射光束，图像传感器位于楔形棱镜下方用以接收激光光束，图像传感器的输出端还连接有数据处理模块。

Description

一种路面气象状态探测方法以及路面气象状态传感器

技术领域

本发明属于传感技术领域，涉及一种探测方法及其传感装置，用于道路路面以及机场、码头等设施的地面积水、结冰、积雪等情况的监测。 

背景技术

为了提高道路的通行效率，需要实时地获得各种信息。考虑到各种车辆都依靠地面摩擦力行驶和制动，路面积水、积雪、冻结都会显著降低轮胎与地面的摩擦力，所以路面状况信息非常紧密地关系到道路通信效率和行车安全。 

应该注意到，为了加速冰雪的融化，路政部门往往会喷洒路盐。无机矿物盐会改变水的相变点，因此，单纯地依靠温度传感器测量路面结冰情况是很不准确的，必须有专门的冰冻传感器测量路面是否冻结。 

在先技术之一 

基于电导率测量的埋入式传感器。在水盐混合体系的液相中，无机盐被解离为正负离子，这些离子作为载流子，使盐水具有一定的电导率。当体系转变为固相，根据相变理论，盐分会从体系中结晶析出，体系中载流子的丧失会导致电导率的变化。因而，通过测量电导率的变化，可以准确地判断路面是否冻结。根据具体实现方式的不同，电导率法可以分为二电极法、四电极法、以及电诱导法等。 

这一类技术的优点是原理简单、性能可靠。缺点是只能判断路面是否结冰，不能提供全面的路面气象信息。 

在先技术之二 

主动温度测量法。这个方法人为地改变一小块敏感区域的温度，制造一个相变过程，根据相变理论，在相变过程中温度是不变的，那么能够保持一段时间不变的温度就是相变点。如果升温过程出现了相变点，那么说明路面原本是冻结的，如果降温过程出现相变点，说明路面原本是未冻结的。 

这个方法的优点是不受污染物的影响，缺点同样是功能单一，不能提供 全面的路面气象信息。 

在先技术之三 

气压式路面冰冻传感器。这种传感器的主要部分是铺设在路面下的一条压缩空气管道，管道的出口开设在路面上。当路面冻结时，管道出口就会被堵塞，通过测量管内气压的变化就可判断路面冰冻程度。 

这种方法需要比较复杂的设施，比如压缩空气的设备和气压测量仪表，导致了成本上升。 

在先技术之四 

噪声法：通过探测轮胎与路面之间的摩擦噪音，可以获得路面的冰冻信息。这个方法目前还很不成熟。 

在先技术之五 

基于多普勒雷达原理测量水面厚度，通过测量雨滴的密度、速度、体积等获得降雨量的数据，并且由此推算出路面的水膜厚度。 

这种方法属于间接测量，成本也比较高。 

在先技术之五 

Vaisala公司的DRS511传感器将发射和接收光纤埋设在路面之下，光纤的端面朝向路面。输出光纤向水膜发射一个光波，水膜的上表面将光波反射，并由接收光纤收集反射回的光能量，由此判断出水膜的厚度。 

这种方法功能单一，只能够测量路面水膜厚度，不能够判断路面是否结冰。 

在先技术之六 

红外光谱法，由于水和冰的红外反射光谱略有不同，通过观察光谱特征，可以判断出路面的冰冻状态。通过红外吸收的量值，也可以判断出路面水膜的厚度。 

这一类方法的优点在于，这是一种非埋入式的方法，应用比较灵活，而且功能比较齐全；缺点在于，一来价格比较昂贵，二来还处在发展的初期，性能不是特别可靠。此外，光学窗口对灰尘污染比较敏感，需要定期清洁。 

发明内容

为克服上述背景技术存在的缺陷，本发明提供一种路面气象状态探测方 法以及根据该方法设计的一种路面气象状态传感器，能够探测路面积水厚度并判断路面是否结冰、是否积水等气象状态信息。 

本发明的技术方案如下 

一种路面气象状态探测方法，包括以下环节： 

（1）在路面中埋设传感器外桶，传感器外桶的顶部开口处设置透明盖板，在传感器外桶内设置激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器； 

（2）激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤（1）中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角； 

（3）当路面有积水时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射进入水层，在水层与空气的界面处反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到4个光点； 

当路面覆盖冰层时，到达透明盖板上表面的两路激光光束中，入射角为α的一路发生全反射，另一路有一部分反射，另一部分经折射进入冰层，在冰层与空气的界面处反射折回；再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到3个光点； 

当路面干燥时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到2个光点； 

（4）反射折回的各路激光光束经过楔形棱镜后间距被扩大；对于入射角β所属一路的激光光束，通过测量其在图像传感器上形成的两个光斑的距离，计算出水层/冰层的厚度。 

一种路面气象状态传感器，包括埋入路面的传感器外桶，在传感器外桶的顶部开口处设置有与路面平接的透明盖板，在传感器外桶内依次设置有激 光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤（1）中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角；楔形棱镜的斜面面向透明盖板下表面，接收来自各个界面向下的反射光束，图像传感器位于楔形棱镜下方用以接收激光光束，图像传感器的输出端还连接有数据处理模块。 

基于上述系统基本结构，本发明还进一步优化改进如下： 

上述光学镜组由第一反射镜、半透半反镜、第二反射镜、第三反射镜，激光光源通过半透半反镜分出透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设置所述第一反射镜、第二反射镜，反射光路上设置所述第三反射镜，来自第二反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为β，来自第三反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为α。 

根据本发明的技术思想，本领域技术人员也可以以常规手段设计出其他具体形式的光学镜组，例如，可以用其他光路结构代替第一反射镜和半透半反镜实现相同的功能。激光光源也可以直接设置成两个，则可省去第一反射镜和半透半反镜。 

上述数据处理模块可以也设置于传感器外桶内，并安装于一个电路板上，激光光源的电源模块也可以安装于该电路板上。 

上述激光光源可以采用1-2微米波段的光源。 

本发明具有以下优点： 

(1)本发明能够利用一套装置实现路面积水厚度的探测以及路面状态的判断； 

(2)本发明结构简单、造价低廉。 

(3)本发明不依靠某个物理量连续变化的数值判断是否结冰，而是通过水变为冰时折射率的突变，因而具有更高的判断可靠性。 

附图说明

图1为本发明的纵向剖面结构；也可视为路面干燥时的探测原理示意图。 

图2本发明探测水膜厚度的原理示意图。 

图3本发明探测路面状态的原理示意图，路面覆盖物为冰。 

图4本发明探测路面状态的原理示意图，路面覆盖物为水。 

附图标号说明： 

1-传感器外桶；2-透明盖板；3-楔形棱镜；4-图像传感器；5-激光光源；6-数据传输线；7-信号处理电路板；8-第一反射镜；9-半透半反镜；10-第二反射镜；11-第三反射镜；12-道路材质；13-路面积水层或冰层。 

具体实施方式

本发明的系统结构如图1所示，包括埋入路面的传感器外桶1，用高强度透明材料制造的透明盖板2，楔形棱镜3，图像传感器4，激光光源5，数据传输线6，信号处理电路板7，第一反射镜8，半透半反镜9，第二反射镜10，第三反射镜11。 

本发明探测积水或冰层厚度的原理如图2所示，图中13即为路面积水层。激光光源5发出的光束穿过半透半反镜9，被第一反射镜8和第二反射镜10反射，穿过透明盖板2的下表面，在透明盖板2与积水层13的界面上，一部分光被反射折回，而折射光则穿过积水层13，在积水层13的上表面被反射折回。这两束被折回的反射光线经过楔形棱镜3，其间距被扩大。然后被图像传感器4（如CCD图像传感器）接收。图像传感器4的信号通过数据线6，进入处理模块7，得到所需的数据并上传到控制中心。 

从图中很容易看出，积水层13的厚度越大，两束反射光线的距离就越远，它们各自在图像传感器上形成的光斑也就越远，通过两个光斑的距离，可以计算出积水层的厚度。 

本发明探测路面是否结冰的原理如图3所示，激光光源5发出的光束被半透半反镜9所反射，再被第三反射镜11反射，穿过盖板2的下表面，到达盖板2与积水/冰层13的界面上。 

在1-2微米波段，水的折射率略高于冰的折射率。第三反射镜11的角度经过精密地调整，确保其反射的光束到达透明盖板2与积水或冰层13的界面 上时，光束的入射角为一确定值α。当13为水时，入射角α小于全反射的临界角，不发生全反射；当13为冰时，入射角α大于全反射的临界角，发生全反射（如图3所示的情况）。通过是否发生全反射，就可以判断路面覆盖物是水还是冰。 

本发明判断路面的干燥、积水、结冰三种状态的具体方式详述如下： 

一、积水 

如图4所示，若路面覆盖物13为水，第三反射镜11反射的光束在透明盖板2与积水层13的界面不发生全反射，则光束穿过透明盖板2与积水层13的界面，在积水层13与空气的界面处反射折回，再穿过透明盖板2和楔形棱镜3，投射在图像传感器4上。那么图像传感器4上应该有4个光点，分别是： 

反射镜10反射的光束在2与13界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第一束光线）； 

反射镜10反射的光束在13与空气界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第二束光线）； 

反射镜11反射的光束在2与13界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第三束光线）； 

反射镜11反射的光束在13与空气界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第四束光线）； 

二、结冰 

如图3所示，若13为冰，第三反射镜11反射的光束发生全反射，则光束不会进入冰层13。那么图像传感器4上应该有3个光点，分别是： 

反射镜10反射的光束在透明盖板2与冰层13界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第一束光线）； 

反射镜10反射的光束在冰层13与空气界面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第二束光线）； 

反射镜11反射的光束在透明盖板2与冰层13界面全反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第三束光线）； 

三、路面干燥 

如图1所示，若道路表面干燥，路面上不存在积水层或冰层13，那么图 像传感器4上应该有两个光点，分别是： 

反射镜10反射的光束在透明盖板2上表面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第一束光线）； 

反射镜11反射的光束在透明盖板2上表面反射折回的一路光（穿过楔形棱镜3的左起第二束光线）； 

综上所述，通过计算图像传感器上光点的数目，就可以判断路面是否干燥、有水、结冰等。 

Claims (5)

1.一种路面气象状态探测方法，包括以下环节：

（1）在路面中埋设传感器外桶，传感器外桶的顶部开口处设置透明盖板，在传感器外桶内设置激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；

（2）激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤（1）中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角；

（3）当路面有积水时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射进入水层，在水层与空气的界面处反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到4个光点；

当路面覆盖冰层时，到达透明盖板上表面的两路激光光束中，入射角为α的一路发生全反射，另一路有一部分反射，另一部分经折射进入冰层，在冰层与空气的界面处反射折回；再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到3个光点；

当路面干燥时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到2个光点；

（4）反射折回的各路激光光束经过楔形棱镜后间距被扩大；对于入射角β所属一路的激光光束，通过测量其在图像传感器上形成的两个光斑的距离，计算出水层/冰层的厚度。

2.一种路面气象状态传感器，其特征在于：包括埋入路面的传感器外桶，在传感器外桶的顶部开口处设置有与路面平接的透明盖板，在传感器外桶内依次设置有激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤（1）中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角；楔形棱镜的斜面面向透明盖板下表面，接收来自各个界面向下的反射光束，图像传感器位于楔形棱镜下方用以接收激光光束，图像传感器的输出端还连接有数据处理模块。

3.根据权利要求2所述的路面气象状态传感器，其特征在于：所述光学镜组由第一反射镜、半透半反镜、第二反射镜、第三反射镜，激光光源通过半透半反镜分出透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设置所述第一反射镜、第二反射镜，反射光路上设置所述第三反射镜，来自第二反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为β，来自第三反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为α。

4.根据权利要求2所述的路面气象状态传感器，其特征在于：所述数据处理模块设置于传感器外桶内，并安装于一个电路板上，激光光源的电源模块也安装于该电路板上。

5.根据权利要求2所述的路面气象状态传感器，其特征在于：所述激光光源采用1-2微米波段的光源。

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