CN107356532A - 一种路面监测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种路面监测仪，包括：发射单元和接收单元；发射单元包括：激光光源、起偏器、扩束器；激光光源、起偏器和扩束器的中心在同一直线上；接收单元包括：集光器、偏振分光晶体、探测器、采集器和数据传输模块；偏振分光晶体设置在集光器正后方，将集光器接收到的光分成不同偏振方向的光束，探测器将光束转化成电信号，通过采集器将电信号转化为监测信号；数据传输模块将监测信号发送至外部处理终端。本发明技术方案中的监测仪，具有成本低、适应室外和移动监测、信号实时处理、探测精度高等技术优势，增强道路交通系统的安全性，提高道路交通的运行效率，并保障道路安全。

Description

一种路面监测仪

技术领域

本发明涉及道路交通安全技术领域，具体涉及一种路面监测仪。

背景技术

目前，智能交通在很多大中城市中都有了应用，成为智慧城市建设的一部分，主要涉及高速公路不停车、联网收费、城市道路多路径识别以及城市公交优先等领域，相关的智能交通系统也开发了不少，但是天气因素的多变性、突发事件的难预测性等因素导致道路交通环境复杂易变，制约着智能交通系统的发展。夏季暴雨天气频发，冬季大部分地区雨雪冰冻天气频发，道路积水、积雪和积冰均对道路交通安全造成巨大威胁，路面状况的复杂多变性使得驾驶人员无法提前预知道路状况，恶化的路况会致使车辆驾驶安全系数下降，交通事故发生率上升。如何实时、准确、全面的掌握道路状况信息，是既解决上述制约智能交通发展难题的突破口，又是保障道路交通安全、提高交通运输效率的关键。

现有的路面状况监测仪器或系统主要用于探测路面平整度、路面内部结构质量，也有部分间接通过车辆的移动信息或轮胎的振动信息感知道路状况的仪器，但缺少直接探测路面降水物的监测仪器，路面上的降水物可能导致车辆的各种控制问题，行驶道路上的雪、水或冰大大减小了车辆车胎和道路表面之间的摩擦系数，从而导致车辆稳定性问题并引发各种安全问题，因此亟需一种检测路面降水物的在线仪器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种路面监测仪，能够实时、全面、准确地掌握道路表面降水物的状况。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种路面监测仪，包括：发射单元和接收单元；

所述发射单元包括：激光光源、起偏器、扩束器；所述激光光源、所述起偏器和所述扩束器的中心在同一直线上；所述起偏器设置在所述激光光源光路正前方，所述扩束器设置在所述起偏器的正前方；

所述接收单元包括：集光器、偏振分光晶体、探测器、采集器和数据传输模块；所述偏振分光晶体设置在所述集光器正后方，将所述集光器接收到的光分成不同偏振方向的光束，所述探测器将所述光束转化成电信号，通过所述采集器将所述电信号转化为监测信号；所述采集器上设置有所述数据传输模块，所述数据处理模块的输入端与所述采集器的输出端相连接，所述数据传输模块将监测信号发送至外部处理终端。

进一步的，所述数据传输模块采用无线传输的方式将监测信号传输至处理终端。

进一步的，所述激光光源为激光二极管。

进一步的，所述集光器包括：两个中心设置在同一直线上的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜设置在所述集光器的入口处，用于聚焦接收到的反射光，所述第二凸透镜设置在所述集光器的出口处，用于把已聚焦的光信号再转为平行光。

进一步的，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜之间设有挡板，所述挡板上设有通孔，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的焦点均位于所述通孔处，以使通孔过滤背景信号。

进一步的，所述偏振分光晶体将所述集光器聚焦接收到的光分成偏振方向相互正交的两道偏振光束，并设置有两个探测器分别接收两道偏振光束。

进一步的，所述处理终端为PDA。

由上述技术方案可知，本发明所述的一种路面监测仪，具有成本低、适应室外和移动监测、信号实时处理、探测精度高等技术优势，增强道路交通系统的安全性，提高道路交通的运行效率；是推动智能交通发展的有效途径，并保障道路安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种路面监测仪结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明下述实施例提出了一种路面监测仪，参见图1，该包括：发射单元和接收单元；

所述发射单元包括：激光光源、起偏器、扩束器；所述激光光源、所述起偏器和所述扩束器的中心在同一直线上；所述起偏器设置在所述激光光源光路正前方，所述扩束器设置在所述起偏器的正前方；

所述接收单元包括：集光器、偏振分光晶体、探测器、采集器和数据传输模块；所述偏振分光晶体设置在所述集光器正后方，将所述集光器接收到的光分成不同偏振方向的光束，所述探测器将所述光束转化成电信号，通过所述采集器将所述电信号转化为监测信号；所述采集器上设置有所述数据传输模块，所述数据处理模块的输入端与所述采集器的输出端相连接，所述数据传输模块将监测信号发送至外部处理终端。

在具体实施时，激光二极管作为激光光源，向外发射激光；起偏器从激光光源获得某一特定偏振方向的光，并将获取的偏振方向的光传输至扩束器；扩束器减小起偏器发出的光的发散角，使从扩束器发射出去平行度更高、光斑更大的光。扩束器发射出去的光在遇到障碍物时，经障碍物的反射后携带反射物信息的反射光被接收单元接收。在应用时，需要监测路面，因此将扩束器发出的光指向路面，该发射光在经路面反射后的反射光携带路面上的信息被接收单元接收。

该路面监测仪还包括：光学反射件，所述光学反射件为全反射镜，用于对光线进行全反射以使所述扩束器发出的光线从所述集光器的中心并向外发出。光学反射件为2个全反射镜，其中一个全反射镜设置在扩束器出光口，全反射扩束器发出的光线，使光线发射向另一个全发射镜；另一个全反射镜设置在集光器的入光口，全反射接收的光线，并使该光线从从集光器的中心发出。发射光与反射光的光路相同，可以提高监测仪的探测精度。

接收单元上的集光器包含两块凸透镜，其中第一透镜设置在集光器的入口处，用于聚焦接收到的反射光；第二透镜设置在集光器的出口处，用于把第一凸透镜已聚焦的反射光再转为平行光。在第一凸透镜和第二凸透镜之间设有挡板，挡板上设有通孔，该通孔正好位于所述两个透镜的焦点处，用于过滤背景信号；偏振分光晶体将信号光分成偏振方向相互正交的两束光，其中一束光的偏振方向与发射激光偏振方向完全一致；两个光电探测器分别探测两束偏振光；通过与两个探测器分别相连的采集器收集两个探测器的输出转换成数字信息，实现数据采集。设置在采集器上的数据传输模块将采集器采集的信息发送至外部处理终端。

进一步的，在发射激光光束之前，将激光光源校准至相应波长。然后，发射单元将激光光束指向发射道路表面；漫反射是光以入射光线以多个角度反射的方式从表面的反射，而不是如镜面反射的情况那样仅以一个角度反射。入射光线以多个角度反射，所以一部分反射光线沿着入射方向返回。集光器捕获返回光线，基于预期回波与是否被接收到的关系，将辅助判断路面情况；具有镜状表面的路面将导致镜面反射。镜面反射是光从表面的镜状反射，其中来自单个进入方向的入射光线的光被反射到单个射出方向。结果，因为关于路面反射角等于入射角，所以反射光线指向远离入射的方向。

从上述描述可知，本发明实施例提供的一种路面监测仪，具有成本低、适应室外和移动监测、信号实时处理、探测精度高等技术优势，增强道路交通系统的安全性，提高道路交通的运行效率，并保障道路安全。

在上述实施例的基础上，参见图1，接收单元上的数据传输模块，用于将监测信号传输至处理终端。数据传输模块与处理终端之间采用无线传输的方式进行数据的传输，处理终端优先选择PDA(Personal Digital Assistant)，处理终端也可以是其他具有处理数据、显示数据以及向其他终端发送数据的能力。

在具体实施时，处理终端根据接收的监测信号可以实时监测路面积水、积冰和积雪状况，如之前描述的激光回波取决于其从何种性质的材料反射。湿/ 干/ 雪区域中的道路反射性质是明显不同的，并且因此能够使用处理终端根据接收的监测信号来检测。通过使用信号处理和机器学习技术来检测。

通过针对探测器窗口采集的电信号，对电信号进行提取特征；

分析针对每个探测器提取的特征。所提取的特征包括但不限于例如STD 等短信号统计或者测量距正态分布的偏差、FFT 系数及其统计值的任意其他统计值。利用主成分分析（PCA）以及本征值及其比例来估计短窗信号散射。

除了FFT 之外，还能够使用其他技术，例如小波变换。小波变换是时频变换，其利用数学过程来执行随时间变化的信号频率的信号分析。

将相应特征分类。最后的分类步骤能够由任意相应的分类器应用，所述分类器包括但不限于任意神经网络、支持向量机（SVM）、最近邻分类器等等。分类标签包括但不限于湿区域、冰区域、干区域和雪区域。可以使用深层神经网络技术将特征提取和分类步骤结合成一个步骤。

监测仪和处理终端还可与多种传感器（温度、湿度、气压、紫外强度、照度、风速、车速等传感器）协同配合，能够实时、全面、准确地掌握道路表面状况和近地面大气状况，再配合物联网、云计算、数据挖掘等技术手段，可获得某一地区甚至全国的道路状况的实时信息，提高交通管理部门的决策能力，增强道路交通系统的安全性，提高道路交通的运行效率和服务水平，降低交通带来的环境污染，极大地促进智能交通的发展。交通部门可以通过终端收集大量车载或固定点的路面状况信息，绘制整条道路、区域甚至全国的路面状况信息，分布式人人众筹分包的监测模式，大数据的道路路网实时监测，降低了监测成本，优化了监测方案，动态的实时监测预警，可有效提高交通部门的服务水平。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (7)

1.一种路面监测仪，其特征在于，所述监测仪包括：发射单元和接收单元；

所述发射单元包括：激光光源、起偏器、扩束器；所述激光光源、所述起偏器和所述扩束器的中心在同一直线上；所述起偏器设置在所述激光光源光路正前方，所述扩束器设置在所述起偏器的正前方；

所述接收单元包括：集光器、偏振分光晶体、探测器、采集器和数据传输模块；所述偏振分光晶体设置在所述集光器正后方，将所述集光器接收到的光分成不同偏振方向的光束，所述探测器将所述光束转化成电信号，通过所述采集器将所述电信号转化为监测信号；所述采集器上设置有所述数据传输模块，所述数据处理模块的输入端与所述采集器的输出端相连接，所述数据传输模块将监测信号发送至外部处理终端。

2.根据权利要求1所述的路面监测仪，其特征在于，所述数据传输模块采用无线传输的方式将监测信号传输至处理终端。

3.根据权利要求1所述的路面监测仪，其特征在于，所述激光光源为激光二极管。

4.根据权利要求1所述的路面监测仪，其特征在于，所述集光器包括：两个中心设置在同一直线上的第一凸透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜设置在所述集光器的入口处，用于聚焦接收到的反射光，所述第二凸透镜设置在所述集光器的出口处，用于把已聚焦的光信号再转为平行光。

5.根据权利要求4所述的路面监测仪，其特征在于，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜之间设有挡板，所述挡板上设有通孔，所述第一凸透镜与所述第二凸透镜的焦点均位于所述通孔处，以使通孔过滤背景信号。

6.根据权利要求1所述的路面监测仪，其特征在于，所述偏振分光晶体将所述集光器聚焦接收到的光分成偏振方向相互正交的两道偏振光束，并设置有两个探测器分别接收两道偏振光束。

7.根据权利要求1所述的路面监测仪，其特征在于，所述处理终端为PDA。