CN108151799A - 一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，该装置主要由光信号采集模块和信号处理控制模块组成，光信号采集模块包括多个波长二极管激光发射和反射接收光学系统；信号处理控制模块包括激光控制电路、光路切换单元等光电转化和信号处理系统。本发明还提供一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法。本发明结构简单、实用性强、可靠稳定，有效提高了道面状态的识别率，并能够精确反演水膜和冰膜厚度，实现道面状态的非接触式在线监测，为道路交通管理部门的决策提供依据，为保障公路交通安全提供了技术保障，适用于高速公路、机场跑道等道面状态的定点式或移动式测量。

Description

一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置及方法

技术领域

本发明涉及交通安全保障技术领域，具体是一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置及方法。

背景技术

近年来，随着交通运输业的飞速发展，气象条件对交通运输的影响也越来越广泛，恶劣的气象条件给交通运输带来巨大的损失，甚至威胁人们的生命财产安全。

其中，积雪、积水、结冰等覆盖物改变了道面的物理性质，导致摩擦系数显著降低，从而危及行车安全，进而引发交通事故，并引起连环事故。同时恶劣气象条件对于事故救援和交通安全管制工作也十分不利。2008年我国出现的大范围南方冰雪天气中，由于道路表面积雪、积水、结冰等因素，交通事故伤亡率增长25％，事故率是正常情况下的13倍；据瑞典VTI(瑞典国家道路交通研究所)研究报告指出：发生在干燥、潮湿、冰、雪路面上的交通事故率之比是1：1.3：4.4：2.5，在冰雪道路下机动车发生交通事故引发伤亡的概率达到70％。

道面状态监测传感器是一种自动监测道面状态的装置，可以实时监测当前道面气象信息：道面水、冰、霜、雪的出现和冰的形成等，能够提供道面气象条件的预警。按照测量方式的不同，目前道面状态传感器主要分为接触式和非接触式两种。

接触式道面状态传感器，其主要工作原理是基于电导率的测量判断路面是否冻结等状态。安装方式采用埋入式方法，即对路面进行开孔、埋线，对道面有一定的破坏，在桥面、机场跑道等环境下无法使用，且安装、维护都很困难。

非接触式道面状态传感器，其主要工作原理是基于光谱反射的测量。该类仪器通常采用宽谱光源或者几个特定波长的光源，通过各种道面状态的反射光谱有着不同的特征来区别不同的道面状态。由于多数设备采用单一测量角度，仅能获得单一角度上的反射光强，存在对冰或水的测量时容易产生误差的情况。近年来，也有研究机构提出采用光偏振检测技术进行道面状态的测量，可以有效、准确地区别冰和水类型，但为了求得反射光的偏振态，需要大量的偏振分离光学器件和探测器，增加了系统的复杂性和成本。同时，宽谱光源测量设备存在功耗大、维护周期短等缺点。

国外相关科技机构在上世纪六七十年代就开展了道路表面状态识别技术的研究，一些国外企业也生产出技术成熟的测量仪器，在高速、桥梁、机场跑道上开展长期监测。但是，我国道路表面状态监测大部分还是处于人工巡逻阶段，不仅实时性比较差，观测区域有限，也消耗了大量的人力物力。虽然，道路交管部门也已投入使用了少量国外设备，除了价格昂贵、难以普及外，其性能、参数未必符合我国的道路和气候特点，很多识别标准也不符合我国相关部门的技术要求。

近年来，国内也有厂家和研究机构开展了相关设备的研制，其中包括中国科学院合肥物质科学研究院、西安光学精密机械研究所等单位，但多数设备还是处于科研实验阶段，而且测量的识别种类少、识别率较低。因此，开展道面状态的自动测量技术研究，设计一种对道面状态进行精确识别的测量装置和方法，对于实现相关产品的规模化使用、保障交通安全有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置及方法，实现对道面状态的连续自动观测，能够实时准确识别道面干燥、水、冰、雪等状态，为道路交通管理部门的决策提供依据；并能够提供水、冰膜的厚度，为进一步解析胎面和道面之间的摩擦系数提供反演数据。

本发明的技术方案为：

一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，该装置主要由光信号采集模块和信号处理控制模块组成，所述光信号采集模块包括第一光信号采集单元、第二光信号采集单元和第三光信号采集单元，所述第一光信号采集单元和第三光信号采集单元位于第二光信号采集单元的两侧；

所述第一光信号采集单元包括第一激光器、第一凸透镜和第一光纤，所述第一激光器放置在第一凸透镜的相邻侧，所述第一光纤放置在第一凸透镜的后端；

所述第二光信号采集单元包括第二激光器、第二凸透镜和第二光纤，所述第二激光器放置在第二凸透镜的相邻侧，所述第二光纤放置在第二凸透镜的后端；

所述第三光信号采集单元包括第三激光器、第三凸透镜和第三光纤，所述第三激光器放置在第三凸透镜的相邻侧，所述第三光纤放置在第三凸透镜的后端；

所述第一激光器的发射光轴、第一凸透镜的中心轴、第二激光器的发射光轴、第二凸透镜的中心轴、第三激光器的发射光轴、第三凸透镜的中心轴均在同一垂直平面内且穿过相同被测道面上的同一位置区域；

所述第一激光器的发射光轴和第一凸透镜的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为α，所述第二激光器的发射光轴和第二凸透镜的中心轴均垂直于被测道面，所述第三激光器的发射光轴和第三凸透镜的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为β；

所述第一激光器用于在信号处理控制模块的控制下，向被测道面发射波长为λ₁的激光，所述第二激光器用于在信号处理控制模块的控制下，向被测道面发射波长为λ₂的激光，所述第三激光器用于在信号处理控制模块的控制下，向被测道面发射波长为λ₃的激光；

所述第一凸透镜用于接收被测道面的反射光并汇聚至第一光纤的输入端，传导至信号处理控制模块，所述第二凸透镜用于接收被测道面的反射光并汇聚至第二光纤的输入端，传导至信号处理控制模块，所述第三凸透镜用于接收被测道面的反射光并汇聚至第三光纤的输入端，传导至信号处理控制模块。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，所述信号处理控制模块包括中央控制单元、激光控制电路、光路切换单元、光电转换电路、信号调理电路、模数转化电路和信号输出单元；

所述中央控制单元用于光源开启、光路切换控制以及采样过程控制和数据处理，对数据进行存储、反演，并控制信号输出单元输出结果；

所述激光控制电路用于在中央控制单元的控制下对第一激光器、第二激光器和第三激光器的工作和关闭进行控制，并在三个激光器工作期间提供控制脉冲，使三个激光器工作时发射调制激光；

所述光路切换单元用于在中央控制单元的控制下，分别切换来自第一光纤、第二光纤、第三光纤的光信号至光电转换电路；

所述光电转换电路用于将来自光路切换单元的光信号转换为电信号，并进行前置放大；

所述信号调理电路用于将来自光电转换电路的电信号进行去噪、解调及二次放大；

所述模数转化电路用于在中央控制单元的控制下对解调和放大后的电信号进行模数转化，并存储至中央控制单元进行后续数据处理；

所述信号输出单元将中央控制单元处理好的最终结果输出。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，所述第一激光器、第二激光器和第三激光器均采用二极管激光器；所述第一激光器、第二激光器和第三激光器的发射光强相同。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，λ₁＝1330nm，λ₂＝785nm，λ₃＝1550nm。

所述的一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，该方法包括以下步骤：

(1)判断被测道面状态是否是干燥或雪覆盖：

所述信号处理控制模块控制第二激光器向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜分别通过第一光纤、第二光纤、第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强 的值；

采用预先标定的干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_drycos(k_dryθ)，计算得到I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)的值；其中，I_dry(θ)表示与干燥道面法线夹角为θ方向的光强，A_dry、k_dry为系数，I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)分别表示采用所述干燥道面漫反射余弦方程计算得到的与干燥道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为干燥道面，跳转至步骤(5)，否则：

采用预先标定的雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snowcos(k_snowθ)，计算得到I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)的值；其中，I_snow(θ)表示与雪覆盖道面法线夹角为θ方向的光强，A_snow、k_snow为系数，I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)分别表示采用所述雪覆盖道面漫反射余弦方程计算得到的与雪覆盖道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为雪覆盖道面，跳转至步骤(5)，否则进入步骤(2)；

(2)判断被测道面的覆盖物是水还是冰：

所述信号处理控制模块控制第一激光器向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜通过第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强(α+β)的值；

所述信号处理控制模块控制第三激光器向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜通过第一光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强(α+β)的值；

采用以下公式计算：

其中，I₀表示入射光强，即第一激光器和第三激光器的发射光强，K_s表示光传播从空气进入覆盖物表面的反射率，ρ_b表示光传播至被测道面的漫反射率，表示λ₁波长下覆盖物的吸收系数，表示λ₃波长下覆盖物的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是水，进入步骤(3)，计算水膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下水的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是冰，进入步骤(4)，计算冰膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下冰的吸收系数；

(3)计算水膜厚度：

将光强的值代入预先标定的水膜厚度反演方程：

计算得到水膜厚度y_{water_depth}，其中，C_{water_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(4)计算冰膜厚度：

将光强的值代入预先标定的冰膜厚度反演方程：

计算得到冰膜厚度y_{ice_depth}，其中，C_{ice_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(5)所述信号处理控制模块输出结果，并返回步骤(1)对下一个被测道面进行处理。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，步骤(1)中，所述干燥道面漫反射余弦方程的标定包括：

在已知被测道面状态为干燥时，所述信号处理控制模块控制第二激光器向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜分别通过第一光纤、第二光纤、第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强的值；

用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_dry(θ)，采用最小二乘法拟合干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_dry cos(k_dry θ)，得到系数A_dry、k_dry的值。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，步骤(1)中，所述雪覆盖道面漫反射余弦方程的标定包括：

在已知被测道面状态为雪覆盖时，所述信号处理控制模块控制第二激光器向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜分别通过第一光纤、第二光纤、第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强的值；

用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_snow(θ)，采用最小二乘法拟合雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snow cos(k_snow θ)，得到系数A_snow、k_snow的值。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，步骤(3)中，所述水膜厚度反演方程的标定包括：

在已知被测道面覆盖的水膜厚度为1mm时，所述信号处理控制模块控制第一激光器向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜通过第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块控制第三激光器向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜通过第一光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

计算水膜厚度为1mm时，的值；

在已知被测道面覆盖的水膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm的值；

将1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为输出值y_{water_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为输入值采用最小二乘法拟合水膜厚度反演方程得到系数C_{water_depth}的值。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，步骤(4)中，所述冰膜厚度反演方程的标定包括：

在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为1mm时，所述信号处理控制模块控制第一激光器向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜通过第三光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块控制第三激光器向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜通过第一光纤传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

计算冰膜厚度为1mm时，的值；

在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm的值；

将1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为输出值y_{ice_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为输入值采用最小二乘法拟合冰膜厚度反演方程得到系数C_{ice_depth}的值。

所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，步骤(1)中，所述预设阈值为5％。

本发明的有益效果为：

(1)本发明采用了多个波段激光光源发射和多个角度接收的光学系统对被测道面反射光谱进行测量，通过相关算法不仅实现了多种道面状态的准确识别：干燥、雪、水、冰等，并能对水膜、冰膜厚度进行定量测量，为摩擦力反演提供必要的参数；

(2)本发明的光学系统中激光器系统采用高速脉冲调制，信号调理电路中的带通滤波电路能够对直流噪声信号以及不同调制光频率的信号进行有效滤除；同时，在光电探测器前端安装了滤光片，避免了环境各种杂散光或是太阳光反射等干扰对测量造成的影响，提高了系统的稳定性；

(3)本发明的光接收部分采用光纤式的探测结构设计，并通过光路切换单元实现单一光电转换电路进行多路信号光电转换，减小了系统体积，结构简单、信号测量准确、实用性强，适用于高速公路、机场跑道等表面状态的定点式或移动式测量；

(4)本发明实现了道面状态的非接触式精确测量，具有响应速度快、识别率高、精度高等优点。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是本发明的光信号采集示意图，其中，图2(a)为第一激光器发射激光时的光信号采集示意图，图2(b)为第二激光器发射激光时的光信号采集示意图，图2(c)为第三激光器发射激光时的光信号采集示意图；

图3是本发明的方法流程图；

图4是干燥或雪覆盖状态道面的反射信号强度分布图；

图5是冰水覆盖状态道面的反射信号光路图，其中，图5(a)为第一激光器发射激光时冰水覆盖状态道面的反射信号光路图，图5(b)为第三激光器发射激光时冰水覆盖状态道面的反射信号光路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，主要由光信号采集模块100和信号处理控制模块200组成，其中，光信号采集模块100主要功能是光源和测量光的控制和采集，包括第一光信号采集单元110、第二光信号采集单元120和第三光信号采集单元130，从三个角度对被测道面发射激光，并采集被测道面反射回来的光信号；信号处理控制模块200包括中央控制单元201、激光控制电路202、光路切换单元203、光电转换电路204、信号调理电路205、模数转化电路206和信号输出单元207。

第一光信号采集单元110包括第一激光器111、第一凸透镜112和第一光纤113。其中，第一激光器111放置在第一凸透镜112的相邻侧，第一光纤113放置在第一凸透镜112的后端。第一激光器111的激光发射方向指向被测道面，第一凸透镜112的中心轴穿过相同被测道面，接收被测道面的反射光并汇聚至第一光纤113的输入端，传导至光路切换单元203。

第二光信号采集单元120包括第二激光器121、第二凸透镜122和第二光纤123。其中，第二激光器121放置在第二凸透镜122的相邻侧，第二光纤123放置在第二凸透镜122的后端。第二激光器121的激光发射方向指向被测道面，第二凸透镜122的中心轴穿过相同被测道面，接收被测道面的反射光并汇聚至第二光纤123的输入端，传导至光路切换单元203。

第三光信号采集单元130包括第三激光器131、第三凸透镜132和第三光纤133。其中，第三激光器131放置在第三凸透镜132的相邻侧，第三光纤133放置在第三凸透镜132的后端。第三激光器131的激光发射方向指向被测道面，第三凸透镜132的中心轴穿过相同被测道面，接收被测道面的反射光并汇聚至第三光纤133的输入端，传导至光路切换单元203。

第一光信号采集单元110、第二光信号采集单元120和第三光信号采集单元130位于同一平面内，即第一激光器111的发射光轴、第一凸透镜112的中心轴、第二激光器121的发射光轴、第二凸透镜122的中心轴、第三激光器131的发射光轴、第三凸透镜132的中心轴均在同一垂直平面内且穿过相同被测道面上的同一位置区域。

第一光信号采集单元110和第三光信号采集单元130位于第二光信号采集单元120的两侧。第一激光器111的发射光轴和第一凸透镜112的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为α，即发射激光114和接收反射光115的方向与被测道面法线相交α角度。第二激光器121的发射光轴和第二凸透镜122的中心轴均垂直于被测道面，即发射激光124和接收反射光125的方向与被测道面垂直。第三激光器131的发射光轴和第三凸透镜132的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为β，即发射激光134和接收反射光135的方向与被测道面法线相交β角度。

中央控制单元201主要进行光源开启、光路切换控制，进行采样过程控制和数据处理，对数据进行存储、反演，并控制信号输出单元207输出结果。激光控制电路202在中央控制单元201的控制下对第一激光器111、第二激光器121和第三激光器131进行控制，控制三个激光器的工作和关闭，并在三个激光器工作期间提供控制脉冲，使三个激光器工作时发射调制激光。光路切换单元203在中央控制单元201的控制下，分别切换来自第一光纤113、第二光纤123、第三光纤133的光信号至光电转换电路204。光电转换电路204将来自光路切换单元203的光信号进行光电转换，即将光信号转换为电信号，并进行前置放大。信号调理电路205将来自光电转换电路204的电信号进行去噪，并进行解调及二次放大。模数转化电路206在中央控制单元201的控制下对解调和放大后的测量电信号进行模数转化，并存储至中央控制单元201进行后续数据处理。信号输出单元207将中央控制单元201处理好的最终结果通过RS232协议输出。

第一激光器111、第二激光器121、第三激光器131均采用二极管激光器，其输出的激光波长λ₁、λ₂、λ₃分别在1330nm、785nm、1550nm波段上，且发射强度相同。

第一激光器111、第二激光器121、第三激光器131在激光控制电路202的控制下，开启时输出的激光为脉冲光，频率是2.4KHz，且三个激光器输出能量相等，均采用APC自动功率控制电路实现恒功率输出。第一激光器111、第二激光器121、第三激光器131发射的激光经过内部准直后，形成准直平行光束指向被测道面。

光路切换单元203的传导光进入光电转换电路204，照射到光电转换电路204内部的探测器表面，在探测器前安装滤光片，滤除不在光源波段上的杂散光。光电转换电路204内部的探测器采用铟镓砷光电探测器。

如图2(a)所示，中央控制单元201控制激光控制电路202以2.4KHz脉冲控制的方式驱动第一激光器111，第一激光器111输出脉冲激光照射到被测道面，中央控制单元201控制光路切换单元203将第一凸透镜112聚焦至第一光纤113的光信号、第二凸透镜122聚焦至第二光纤123的光信号、第三凸透镜132聚焦至第三光纤133的光信号分别导入光电转换电路204，经过信号调理电路205和模数转化电路206处理后，得到的光强分别记为

如图2(b)所示，中央控制单元201控制激光控制电路202以2.4KHz脉冲控制的方式驱动第二激光器121，第二激光器121输出脉冲激光照射到被测道面，中央控制单元201控制光路切换单元203将第一凸透镜112聚焦至第一光纤113的光信号、第二凸透镜122聚焦至第二光纤123的光信号、第三凸透镜132聚焦至第三光纤133的光信号分别导入光电转换电路204，经过信号调理电路205和模数转化电路206处理后，得到的光强分别记为

如图2(c)所示，中央控制单元201控制激光控制电路202以2.4KHz脉冲控制的方式驱动第三激光器131，第三激光器131输出脉冲激光照射到被测道面，中央控制单元201控制光路切换单元203将第一凸透镜112聚焦至第一光纤113的光信号、第二凸透镜122聚焦至第二光纤123的光信号、第三凸透镜132聚焦至第三光纤133的光信号分别导入光电转换电路204，经过信号调理电路205和模数转化电路206处理后，得到的光强分别记为

如图3所示，一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，先通过漫反射光强分布原理对被测道面状态为干燥或雪覆盖进行鉴别；然后基于不同物质对不同波长的光吸收系数不同，通过用两种波长的光信号进行测量以鉴别被测道面覆盖物为水或冰，并计算其厚度。

具体应用中，针对道面的不同状态和设备的系统差异，需要对设备进行标定，标定原理如下：

在道面状态为干燥或雪覆盖时，由于道面固态颗粒的粗糙分布和雪晶体粒子的粗糙分布，都具有表面起伏不平、粗糙的特点，所以可以将干燥道面和雪覆盖道面近似为一个朗伯反射面，其表面反射特征遵循朗伯余弦定理，即理想漫反射源单位表面积向空间指定方向单位立体角内反射的辐射强度和该指定方向与表面法线夹角的余弦成正比，如图4所示。

在与表面法线成θ角方向上的辐射亮度L_θ：

其中，I_θ是在θ方向上的辐射强度，dA是指反射表面的单元面积。

在法线方向上的辐射亮度L₀：

其中，I₀是在法线方向上的辐射强度。

朗伯反射面的亮度不随方向而改变，则有：

故有：I_θ＝I₀·cosθ

根据实际情况，对于干燥道面和雪覆盖道面，与道面法线夹角为θ方向的光强可表述为：I(θ)＝A cos(kθ)，其中，系数A、k根据实际情况拟合得到。同时，干燥道面和雪覆盖道面反射率差别较大，即干燥道面和雪覆盖道面对应不同系数的反射方程。

S1、标定干燥道面反射方程：

在道面状态为干燥时，中央控制单元201控制激光控制电路202开启第二激光器121，得到三个光路的光强后，用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_dry(θ)，采用最小二乘法拟合干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_dry cos(k_dryθ)，得到系数A_dry、k_dry；其中，I_dry(θ)表示与干燥道面法线成θ角方向上的光强。

S2、标定雪覆盖道面反射方程：

在道面状态为雪覆盖时，中央控制单元201控制激光控制电路202开启第二激光器121，得到三个光路的光强后，用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_snow(θ)，采用最小二乘法拟合雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snow cos(k_snow θ)，得到系数A_snow、k_snow；其中，I_snow(θ)表示与雪覆盖道面法线成θ角方向上的光强。

在测量过程中，首先，开启第二激光器121，得到三个光路的光强 通过计算该三个光路的光强与干燥道面漫反射余弦方程和雪覆盖道面漫反射余弦方程的重合度，计算方法如下：

计算如果均小于5％，则认为被测道面是干燥道面，否则：

计算如果均小于5％，则认为被测道面是雪覆盖道面。

排除被测道面状态为干燥或雪覆盖的情况，即被测道面覆盖物为水或冰，下一步首先要区别具体覆盖物是水还是冰。方法如下：

如图5(a)所示，第一激光器111发射的波长为λ₁的脉冲激光信号，照射在水或冰覆盖物表面，由于反射会产生一定损耗，再进入水或冰覆盖物内部并到达被测道面时，发生漫反射，部分漫反射光穿过水或冰覆盖物，到达第三凸透镜132；

接收的光强即其中，I₀是入射光强，即第一激光器111的发射光强，K_s是光传播从空气进入覆盖物表面的反射率，ρ_b是光传播至被测道面的漫反射率，是λ₁波长下覆盖物的吸收系数，x是在覆盖物内部的光程。

如图5(b)所示，第三激光器131发射的波长为λ₃的脉冲激光信号，照射在水或冰覆盖物表面，由于反射会产生一定损耗，再进入水或冰覆盖物内部并到达被测道面时，发生漫反射，部分漫反射光穿过水或冰覆盖物，到达第一凸透镜112；

接收的光强即其中，I₀是入射光强，即第三激光器131的发射光强，K_s是光传播从空气进入覆盖物表面的反射率，ρ_b是光传播至被测道面的漫反射率，是λ₃波长下覆盖物的吸收系数，x是在覆盖物内部的光程。

可以看出，该两路的光程相同，在空气中距离短，衰减可以忽略，可以计算得到：

其中K_s、ρ_b可以通过实验计算得出；

而水中的或冰中的可以通过实验或查表得出。

通过比较计算结果和可以判断出被测道面的覆盖物是水还是冰。进一步，在此基础上可以测量出覆盖物(水或冰)的厚度，方法如下：

由前文可知，到达第三凸透镜132的光强可以这样表示：

若用l表示覆盖物的厚度，则x可以近似表达为：

同理，到达第一凸透镜112的光强可以这样表示：

可以得到：

即：

由于cosα、cosβ、K_s、ρ_b等系数是常数；

上式可以表示为：

即可以在已知覆盖物的类型是水或冰的基础上，通过标定的方法测量覆盖物厚度，实施如下步骤S3、S4所述。

S3、标定水膜厚度反演方程：

S31、在已知被测道面覆盖的水膜厚度为1mm时，中央控制单元201控制激光控制电路202开启第一激光器111，输出波长为λ₁的脉冲激光信号，照射在被测道面，并控制光路切换单元203，将第三凸透镜132导入至第三光纤133的光信号输入光电转换电路204，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到对应的光强

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第三激光器131，输出波长为λ₃的脉冲激光信号，照射在被测道面，并控制光路切换单元203，将第一凸透镜112导入至第一光纤113的光信号输入光电转换电路204，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到对应的光强

计算水膜厚度为1mm时，

S32、在已知被测道面覆盖的水膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的测量值B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm；

S33、将标准值1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为方程输出值y_{water_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为方程输入值进行线性最小二乘法拟合，得到水膜厚度反演方程：

S4、标定冰膜厚度反演方程：

S41、在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为1mm时，中央控制单元201控制激光控制电路202开启第一激光器111，输出波长为λ₁的脉冲激光信号，照射在被测道面，并控制光路切换单元203，将第三凸透镜132导入至第三光纤133的光信号输入光电转换电路204，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到对应的光强

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第三激光器131，输出波长为λ₃的脉冲激光信号，照射在被测道面，并控制光路切换单元203，将第一凸透镜112导入至第一光纤113的光信号输入光电转换电路204，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到对应的光强

计算冰膜厚度为1mm时，

S42、在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的测量值B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm；

S43、将标准值1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为方程输出值y_{ice_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为方程输入值进行线性最小二乘法拟合，得到冰膜厚度反演方程：

完成标定后，将相关的系数和公式存储，在具体测量中应用。在中央控制单元201的控制下，按照预设的流程开展道面状态的实时监测，具体步骤如下：

S5、开始测量：

S51、判断被测道面状态是否是干燥或雪覆盖：

在测量过程中，首先中央控制单元201控制激光控制电路202开启第二激光器121，输出波长为λ₂的脉冲激光信号，照射在被测道面，并控制光路切换单元203，依次将第一凸透镜112、第二凸透镜122、第三凸透镜132导入至第一光纤113、第二光纤123、第三光纤133的光信号输入光电转换电路204，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到三个光路的光强计算该三个光路的光强与采用干燥道面漫反射余弦方程和雪覆盖道面漫反射余弦方程计算得到的光强之间的重合度，计算方法如下：

计算如果均小于5％，则认为被测道面是干燥道面，否则：

计算如果均小于5％，则认为被测道面是雪覆盖道面，直接进入步骤S55；

否则进行下一步计算，判断被测道面的覆盖物是水还是冰。

S52、判断被测道面的覆盖物是水还是冰：

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第一激光器111，输出波长为λ₁的脉冲激光信号，照射在水或冰覆盖物表面，由于反射会产生一定损耗，再进入水或冰覆盖物内部并到达被测道面时，发生漫反射，部分漫反射光穿过水或冰覆盖物，由第三凸透镜132导入至第三光纤133，通过光电转换电路204进行光电转换，并通过信号调理电路205调理后在模数转化电路206进行模数转化，得到光强

同样，中央控制单元201控制激光控制电路202开启第三激光器131，输出波长为λ₃的脉冲激光信号，得到光强

计算：

比较计算结果，如果可以判断出被测道面的覆盖物是水，进入步骤S53，计算水膜厚度；

如果可以判断出被测道面的覆盖物是冰，进入步骤S54，计算冰膜厚度；

S53、计算水膜厚度：

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第一激光器111，输出波长为λ₁的脉冲激光信号，得到光强

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第三激光器131，输出波长为λ₃的脉冲激光信号，得到光强

将光强代入步骤S3中已标定方程：

计算水膜厚度y_{water_depth}，并进入步骤S55输出结果。

S54、计算冰膜厚度：

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第一激光器111，输出波长为λ₁的脉冲激光信号，得到光强

中央控制单元201控制激光控制电路202开启第三激光器131，输出波长为λ₃的脉冲激光信号，得到光强

将光强代入步骤S4中已标定方程：

计算冰膜厚度y_{ice_depth}，并进入步骤S55输出结果。

S55、通过信号输出单元207输出结果，并进入步骤S51进行循环处理。

综上所述，本发明通过中央控制单元控制多个波长的激光器对被测道面进行照射，采用光纤式的光信号探测结构设计，并通过光路切换单元实现单一光电转换电路进行多路信号光电转换，最终实现从多个角度接收不同波长的激光照射到道面的反射信号的精确测量。在算法上，本发明利用不同道面状态的反射光谱特征来反演道面状态，并实现对水膜、冰膜厚度的定量测量。本发明结构简单、实用性强、系统可靠稳定，有效提高了道面状态的识别率，并能够精确反演水膜和冰膜厚度，实现道面状态的非接触式在线监测，为道路交通管理部门的决策提供依据，为保障公路交通安全提供了技术保障，适用于高速公路、机场跑道等道面状态的定点式或移动式测量。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，其特征在于：该装置主要由光信号采集模块(100)和信号处理控制模块(200)组成，所述光信号采集模块(100)包括第一光信号采集单元(110)、第二光信号采集单元(120)和第三光信号采集单元(130)，所述第一光信号采集单元(110)和第三光信号采集单元(130)位于第二光信号采集单元(120)的两侧；

所述第一光信号采集单元(110)包括第一激光器(111)、第一凸透镜(112)和第一光纤(113)，所述第一激光器(111)放置在第一凸透镜(112)的相邻侧，所述第一光纤(113)放置在第一凸透镜(112)的后端；

所述第二光信号采集单元(120)包括第二激光器(121)、第二凸透镜(122)和第二光纤(123)，所述第二激光器(121)放置在第二凸透镜(122)的相邻侧，所述第二光纤(123)放置在第二凸透镜(122)的后端；

所述第三光信号采集单元(130)包括第三激光器(131)、第三凸透镜(132)和第三光纤(133)，所述第三激光器(131)放置在第三凸透镜(132)的相邻侧，所述第三光纤(133)放置在第三凸透镜(132)的后端；

所述第一激光器(111)的发射光轴、第一凸透镜(112)的中心轴、第二激光器(121)的发射光轴、第二凸透镜(122)的中心轴、第三激光器(131)的发射光轴、第三凸透镜(132)的中心轴均在同一垂直平面内且穿过相同被测道面上的同一位置区域；

所述第一激光器(111)的发射光轴和第一凸透镜(112)的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为α，所述第二激光器(121)的发射光轴和第二凸透镜(122)的中心轴均垂直于被测道面，所述第三激光器(131)的发射光轴和第三凸透镜(132)的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为β；

所述第一激光器(111)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₁的激光，所述第二激光器(121)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₂的激光，所述第三激光器(131)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₃的激光；

所述第一凸透镜(112)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第一光纤(113)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)，所述第二凸透镜(122)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第二光纤(123)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)，所述第三凸透镜(132)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第三光纤(133)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)。

2.根据权利要求1所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置,其特征在于：所述信号处理控制模块(200)包括中央控制单元(201)、激光控制电路(202)、光路切换单元(203)、光电转换电路(204)、信号调理电路(205)、模数转化电路(206)和信号输出单元(207)；

所述中央控制单元(201)用于光源开启、光路切换控制以及采样过程控制和数据处理，对数据进行存储、反演，并控制信号输出单元(207)输出结果；

所述激光控制电路(202)用于在中央控制单元(201)的控制下对第一激光器(111)、第二激光器(121)和第三激光器(131)的工作和关闭进行控制，并在三个激光器工作期间提供控制脉冲，使三个激光器工作时发射调制激光；

所述光路切换单元(203)用于在中央控制单元(201)的控制下，分别切换来自第一光纤(113)、第二光纤(123)、第三光纤(133)的光信号至光电转换电路(204)；

所述光电转换电路(204)用于将来自光路切换单元(203)的光信号转换为电信号，并进行前置放大；

所述信号调理电路(205)用于将来自光电转换电路(204)的电信号进行去噪、解调及二次放大；

所述模数转化电路(206)用于在中央控制单元(201)的控制下对解调和放大后的电信号进行模数转化，并存储至中央控制单元(201)进行后续数据处理；

所述信号输出单元(207)将中央控制单元(201)处理好的最终结果输出。

3.根据权利要求1所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，其特征在于：所述第一激光器(111)、第二激光器(121)和第三激光器(131)均采用二极管激光器；所述第一激光器(111)、第二激光器(121)和第三激光器(131)的发射光强相同。

4.根据权利要求1所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置，其特征在于：λ₁＝1330nm，λ₂＝785nm，λ₃＝1550nm。

5.根据权利要求1所述的一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)判断被测道面状态是否是干燥或雪覆盖：

所述信号处理控制模块(200)控制第二激光器(121)向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜(112)、第二凸透镜(122)、第三凸透镜(132)分别通过第一光纤(113)、第二光纤(123)、第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强的值；

采用预先标定的干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_dry cos(k_dryθ)，计算得到I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)的值；其中，I_dry(θ)表示与干燥道面法线夹角为θ方向的光强，A_dry、k_dry为系数，I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)分别表示采用所述干燥道面漫反射余弦方程计算得到的与干燥道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为干燥道面，跳转至步骤(5)，否则：

采用预先标定的雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snow cos(k_snowθ)，计算得到I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)的值；其中，I_snow(θ)表示与雪覆盖道面法线夹角为θ方向的光强，A_snow、k_snow为系数，I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)分别表示采用所述雪覆盖道面漫反射余弦方程计算得到的与雪覆盖道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为雪覆盖道面，跳转至步骤(5)，否则进入步骤(2)；

(2)判断被测道面的覆盖物是水还是冰：

所述信号处理控制模块(200)控制第一激光器(111)向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜(132)通过第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块(200)控制第三激光器(131)向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜(112)通过第一光纤(113)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

采用以下公式计算：

其中，I₀表示入射光强，即第一激光器(111)和第三激光器(131)的发射光强，K_s表示光传播从空气进入覆盖物表面的反射率，ρ_b表示光传播至被测道面的漫反射率，表示λ₁波长下覆盖物的吸收系数，表示λ₃波长下覆盖物的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是水，进入步骤(3)，计算水膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下水的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是冰，进入步骤(4)，计算冰膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下冰的吸收系数；

(3)计算水膜厚度：

将光强的值代入预先标定的水膜厚度反演方程：

计算得到水膜厚度y_{water_depth}，其中，C_{water_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(4)计算冰膜厚度：

将光强的值代入预先标定的冰膜厚度反演方程：

计算得到冰膜厚度y_{ice_depth}，其中，C_{ice_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(5)所述信号处理控制模块(200)输出结果，并返回步骤(1)对下一个被测道面进行处理。

6.根据权利要求5所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述干燥道面漫反射余弦方程的标定包括：

在已知被测道面状态为干燥时，所述信号处理控制模块(200)控制第二激光器(121)向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜(112)、第二凸透镜(122)、第三凸透镜(132)分别通过第一光纤(113)、第二光纤(123)、第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强 的值；

用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_dry(θ)，采用最小二乘法拟合干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_dry cos(k_dryθ)，得到系数A_dry、k_dry的值。

7.根据权利要求5所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述雪覆盖道面漫反射余弦方程的标定包括：

在已知被测道面状态为雪覆盖时，所述信号处理控制模块(200)控制第二激光器(121)向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜(112)、第二凸透镜(122)、第三凸透镜(132)分别通过第一光纤(113)、第二光纤(123)、第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强 的值；

用α、0、β作为自变量θ，用作为因变量I_snow(θ)，采用最小二乘法拟合雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snow cos(k_snowθ)，得到系数A_snow、k_snow的值。

8.根据权利要求5所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述水膜厚度反演方程的标定包括：

在已知被测道面覆盖的水膜厚度为1mm时，所述信号处理控制模块(200)控制第一激光器(111)向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜(132)通过第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块(200)控制第三激光器(131)向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜(112)通过第一光纤(113)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

计算水膜厚度为1mm时，的值；

在已知被测道面覆盖的水膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm的值；

将1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为输出值y_{water_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为输入值采用最小二乘法拟合水膜厚度反演方程得到系数C_{water_depth}的值。

9.根据权利要求5所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，步骤(4)中，所述冰膜厚度反演方程的标定包括：

在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为1mm时，所述信号处理控制模块(200)控制第一激光器(111)向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜(132)通过第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块(200)控制第三激光器(131)向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜(112)通过第一光纤(113)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

计算冰膜厚度为1mm时，的值；

在已知被测道面覆盖的冰膜厚度为2mm、3mm、4mm、5mm时，采用上述方法得到对应的B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm的值；

将1mm、2mm、3mm、4mm、5mm作为输出值y_{ice_depth}，对应的测量值B_1mm、B_2mm、B_3mm、B_4mm、B_5mm作为输入值采用最小二乘法拟合冰膜厚度反演方程得到系数C_{ice_depth}的值。

10.根据权利要求5所述的多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，其特征在于，步骤(1)中，所述预设阈值为5％。