CN110579812A - 一种机载偏振法检测路面结冰预警系统 - Google Patents

Abstract

一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，属于偏振检测技术领域，为了解决现有技术道路结冰预警系统大面积铺设成本高、难养护、效率低的问题，其包括：光源、镜筒一、偏振片一、扩束镜、探测器一、镜筒二、安装座、镜筒三、聚焦镜一、偏振片二、滤光片一、探测器二、镜筒四、聚焦镜二、滤光片二、温度传感器、湿度传感器、辐照度传感器、镜头、红外CCD、转接齿轮、步进电机、放大电路、处理器和蓄电池设置在箱体内；该系统还包括二维调整架、上位机和无人机，二维调整架上方连接无人机，下方连接箱体；上位机与处理器之间通过无线通讯收发信号；该系统适用于高速公路、景区道路、山区道路、机场、桥梁、城市立交、快速路等。

Description

一种机载偏振法检测路面结冰预警系统

技术领域

本发明涉及一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，属于偏振检测技术领域，应用于路面结冰预警领域。

背景技术

现有路面结冰预警系统分为接触式和非接触式。

接触式预警系统，通常铺设于路面下方，或搭载于路灯杆上。接触式预警系统主要用到的传感器有：压力应变传感器、温湿度传感器、振动传感器、超声传感器等，对路面结冰状态综合进行判断。埋设于路面以下的传感器，受铺设路面增大而成本增高，不易安装、更换和检修，普遍应用于技术出现之后兴建的桥梁道路；搭载于路灯杆上的传感器，常年风吹雨淋，破损率高，受经济因素制约无法大面积应用。接触式预警系统具有固定散点式分布的特点。

非接触式预警系统，例如中国专利申请号“201520373455.8”，专利名称为“一种主动式红外探测路面结冰系统”，该系统包括供电系统、光源系统、测光系统、微处理系统、信息平台和预警显示屏。其光源采用卤素光源，工作时产生多余的热量，能量利用率低；供电系统由市电供给，断电情况下影响正常工作；每一套系统都需要单独在道路两侧架设安装架，安装架的稳定性需达到一定标准，安装架架设地点受限；全套设备不具备一体化的特点，安装过程费时费力，无形中增加成本。

除此之外，气象站发布的灾害预警信号，具有时间和区域的双重不确定性，只能作为常识性判别方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术道路结冰预警系统大面积铺设成本高、难养护、效率低的问题，提出一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，实现一台机器快速移动检测。

本发明的技术方案为：

一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征是，该系统包括：光源、镜筒一、偏振片一、扩束镜、探测器一、镜筒二、安装座、镜筒三、聚焦镜一、偏振片二、滤光片一、探测器二、镜筒四、聚焦镜二、滤光片二、温度传感器、湿度传感器、辐照度传感器、镜头、红外CCD、转接齿轮、步进电机、放大电路、处理器和蓄电池设置在箱体内；该系统还包括二维调整架、上位机和无人机，二维调整架上方连接无人机，下方连接箱体；上位机与处理器之间通过无线通讯收发信号；所述扩束镜、镜筒一、偏振片一和光源同轴设置构成光源发射系统，所述扩束镜上端连接镜筒一，镜筒一另一端连接光源，所述偏振片一安装在镜筒一内；所述聚焦镜一、镜筒三、滤光片一、安装座、偏振片二、镜筒二和探测器一同轴设置构成反射光接收系统一，所述镜筒三和镜筒二相接，且在接口处设置安装座，用于固定两者；所述镜筒二的上端与探测器一连接，所述镜筒三内装载滤光片一，下端与聚焦镜一连接，所述安装座内装载偏振片二；反射光经过聚焦镜一、滤光片一、偏振片二，由探测器一接收；所述聚焦镜二、滤光片二、镜筒四和探测器二同轴设置构成反射光接收系统二，所述镜筒四上端连接探测器二，下端连接聚焦镜二，所述滤光片二安装在镜筒四内部；反射光经过聚焦镜二、滤光片二，由探测器二接收；所述光源发射激光通过偏振片一起偏，经过扩束镜，在目标地面的中心区域形成具有一定直径的光斑，反射后由反射光接收系统一和反射光接收系统二接收；所述镜头上端同轴连接红外CCD，红外CCD将拍摄的实时画面传递至处理器，再由处理器通过无线通讯的方式传递至上位机；所述安装座外部的齿轮与转接齿轮啮合；所述转接齿轮与步进电机连接；所述步进电机与处理器电连接，处理器触发步进电机；所述处理器与光源和放大电路均连接，给光源发送触发信号的同时，发送相同的信号至放大电路的参考信号端；所述探测器一和探测器二的信号输出端分别与所述放大电路的两个信号输入端连接；所述放大电路的信号输出端与处理器电相连；所述温度传感器、湿度传感器和辐照度传感器并排固定在箱体一侧，三者均由探测窗口探出箱体，三者均与处理器相连；所述处理器还与光源、探测器一、探测器二、红外CCD连接，触发光源发射激光，触发探测器一和探测器二接收光强信号，触发红外CCD接收画面信息；所述蓄电池分别与光源、探测器一、探测器二、红外CCD、步进电机、二维调整架、温度传感器、湿度传感器和辐照度传感器连接，为整个系统提供电源。

本发明的有益效果：

1、该系统使用偏振法，利用偏振光学原理和内置独立算法，描绘路面情况，实现非接触式路面检测。

2、该系统体量轻便，可搭载于多种小型无人机和部分微型无人机，移动使用，无需大面积铺设，节约设备成本。

3、该系统结构紧凑，一体化，可适用于高速公路、景区道路、山区道路、机场、桥梁、城市立交、快速路等，可在多省市多种地形下使用。

4、该系统对于部分地区遭受突发性天候造成的路面结冰现象，可进行灵活巡检，辅助气象部门提前发出结冰预警信号。

附图说明

图1是本发明一种机载偏振法检测路面结冰预警系统的内部结构示意图。

1、光源，2、镜筒一，3、偏振片一，4、扩束镜，5、探测器一，6、镜筒二，7、安装座，8、镜筒三，9、聚焦镜一，10、偏振片二，11、滤光片一，12、探测器二，13、镜筒四，14、聚焦镜二，15、滤光片二、16、温度传感器，17、湿度传感器，18、辐照度传感器，19、镜头，20、红外CCD，21、转接齿轮，22、步进电机，23、放大电路，24、处理器，25、蓄电池。

图2是本发明一种机载偏振法检测路面结冰预警系统整体结构简图。

26、箱体，27、二维调整架，28、上位机，29、无人机。

图3为所述光源发射系统的截面图。

图4为所述反射光接收系统一的截面图。

图5为所述反射光接收系统二的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1-5所示，一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其结构包括：光源1、镜筒一2、偏振片一3、扩束镜4、探测器一5、镜筒二6、安装座7、镜筒三8、聚焦镜一9、偏振片二10、滤光片一11、探测器二12、镜筒四13、聚焦镜二14、滤光片二15、温度传感器16、湿度传感器17、辐照度传感器18、镜头9、红外CCD20、转接齿轮21、步进电机22、放大电路23、处理器24和蓄电池25设置在箱体26内。

该系统还包括二维调整架27、上位机28和无人机29；二维调整架27上方连接无人机29，下方连接箱体26。

上位机28其与处理器24之间通过无线通讯收发信号。上位机28位于气象发布平台，在气象发布平台收发信号。

操作无人机29飞行至目标地面上方，所述镜头19上端同轴连接红外CCD20构成图像对正系统。红外CCD20将拍摄的实时画面传递至处理器24，再由处理器24通过无线通讯的方式传递至上位机28，上位机28判断画面是否为目标地面，光斑是否直射待测目标地面的中心区域。高速公路、桥梁等路面，左右两侧平行，且有对称的防护栏，上位机28内置的图像算法提取平行的边缘特征给目标地面进行定位。当目标地面溢出画面时，首先，调整无人机29的飞行方位达到初步粗调的目的，通常无人机29飞行速度较快，转弯不够灵活及时，然后，上位机28通过无线通讯的方式给处理器24发射信号，处理器24驱动连接二维调整架27的时序电路，调节二维调整架27的左右倾斜和前后俯仰，改变光源发射系统的出射光方向，使出射光直射至目标地面待测区域，最后，通过闭环控制达到控制待测路径的目的，为路面检测环节提供保障。

无人机29抵达待测目标地面上空，且通过图像校正系统不断调整姿态后，进入路面检测环节，位于气象平台的上位机28通过无线通讯发射信号给处理器24，处理器24操作各子系统开始检测，运转光源发射系统，向待测路面发射激光束，激光束照射在目标地面上，经目标地面反射，分别由反射光接收系统一和反射光接收系统二接收。反射光接收系统一接收受偏振片调制的反射光的光强，反射光接收系统二接收不受调制的反射光的光强，由处理器24内置算法计算出反射光的偏振态数据，实时无线通讯传回上位机28，通过对偏振态数据的分析得出路面性质。

所述扩束镜4、镜筒一2、偏振片一3和光源1同轴设置构成光源发射系统，如图3所示，所述扩束镜4上端连接镜筒一2，镜筒一2另一端连接光源1，所述偏振片一3安装在镜筒一2内。所述光源1是波长为1550nm的近红外激光光源，能量高度集中，方向性好。光源1发射激光通过偏振片一2起偏，经过扩束镜4，在目标地面的中心区域形成具有一定直径的光斑，反射后由反射光接收系统一和反射光接收系统二接收。

所述聚焦镜一9、镜筒三8、滤光片一11、安装座7、偏振片二10、镜筒二6和探测器一5同轴设置构成反射光接收系统一，如图4所示，所述镜筒三8和镜筒二6相接，且在接口处设置安装座7，用于固定两者；所述镜筒二6的上端与探测器一5连接，所述镜筒三8内装载滤光片一11，下端与聚焦镜一9连接，所述安装座7内装载偏振片二10。反射光经过聚焦镜一9、滤光片一11、偏振片二10，由探测器一5接收。所述聚焦镜一9选用特定焦距，使反射光恰好聚焦在探测器一5的表面上。所述滤光片一11表面蒸镀蛾眼微纳结构，有效增加1550nm波长透过率。反射光接收系统一工作时，所述安装座7内部呈圆筒状，外部有齿轮结构，与所述转接齿轮21啮合，以相同的转速不断转动。所述偏振片二10固定在所述安装座7内，随安装座同步转动，不断改变透光轴的方向，连续改变反射光的偏振状态，最后反射光进入所述探测器一5，所述探测器一5为光强度探测器，在短时间内间探测到周期性连续变化的光强，如若间隔特定的时间间隔采集光信号，特定的时间间隔对应所述偏振片二10特定的角度。所述转接齿轮21与所述步进电机22机械连接，所述步进电机22通过时序电路与处理器24连接，步进电机22受驱动而带动转接齿轮21匀速转动。

所述聚焦镜二14、滤光片二15、镜筒四13和探测器二12同轴设置构成反射光接收系统二，如图5所示，所述镜筒四13上端连接探测器二12，下端连接聚焦镜二14，所述滤光片二15安装在镜筒四13内部。反射光经过聚焦镜二14、滤光片二15，由探测器二12接收。所述聚焦镜二14选用特定焦距，使反射光恰好聚焦在探测器二12的表面上。所述滤光片二15表面蒸镀蛾眼微纳结构，有效增加1550nm波长透过率。所述探测器12为光强度探测器。

所述处理器24与光源1和放大电路23均连接，给光源1发送触发信号的同时，发送相同的信号至放大电路23的参考信号端；所述探测器一5和探测器二12的信号输出端分别与所述放大电路23的两个信号输入端连接；放大电路23的信号输出端与处理器24相连。

所述放大电路23包含前置放大器、滤波器和A/D转换器。

所述处理器24内置独立算法，已知出射光的偏振态信息，即出射光的斯托克斯矢量，同时分别从反射光接收系统一获得经调制的反射光的光强信息，反射光接收系统二获得反射光的光强信息，二者做运算得出不受光强影响的经调制的反射光偏振态信息，即反射光的斯托克斯矢量，推出中间的作用矩阵，即米勒矩阵，米勒矩阵各参数表征目标地面各种物理性质，从而对目标地面状态作出初步判断。此时，所述温度传感器16、所述湿度传感器17和所述辐照度传感器18辅助进行判断，处理器24对各通道数据进行整合处理，对路面状态做出判断。处理器24将数据实时通过无线通讯的方式传送至上位机28，上位机28位于气象发布平台，气象发布平台可以及时发布预警信息至每位手机用户和电台等，为公众提前合理规划出行路线提供指导。

所述温度传感器16、湿度传感器17和辐照度传感器18并排固定在箱体26一侧，三者均由探测窗口探出箱体26，三者均与处理器24相连。所述处理器24还与光源1、探测器一5、探测器二12、红外CCD20通过时序电路连接，触发光源1发射激光，触发探测器一5和探测器二12接收光强信号，触发红外CCD20接收画面信息。所述蓄电池25分别光源1、探测器一5、探测器二12、红外CCD20、步进电机22、二维调整架27、温度传感器16、湿度传感器17、辐照度传感器18连接，为整个系统提供能量保证。

所述箱体26材质结合金属、硅胶、新型复合材料，体型小，箱壁薄，质量轻，对于高温高压、低温低压、干燥潮湿等多种气候环境有较强耐受力，抗老化、不变形，可搭载于大部分中小型飞行器。

由于各种路面的形态不一，所以对入射光的偏振态会有不同程度的改变，偏振态的改变则是由不同材质对于p波和s波的反射率差异的体现。

干燥：板油路面为深灰色，几乎全部为漫反射，返回的信号最弱。

积雪：积雪路面呈亮白色，积雪表面的冰晶对环境光大量反射，使环境中的照度值增高，辐照度传感器判断环境光格外明亮，温度传感器判断气温低于零摄氏度，积雪升华，湿度传感器判断环境湿润而不是干燥，则可以认为路面积雪。

积水：水表面有镜面效应，返回的信号最强。根据常识，积水通常表现为小水泡，大水泡，具有不连续分布的特点，并且在有风的时候，水面具有随风波动的特点

湿滑：少量降水过后造成造成路面湿滑，此时水均浸润在板油道路的缝隙里，状态介于干燥和积水之间，且具有均匀连续分布的特点。

薄冰：湿滑路面由于气温骤降凝结成薄冰附着在道路表面，由于水结冰的过程时而形成空气冰壳，由于空气间隙的作用薄冰层和湿滑路面有所差别，此时温度较湿滑路面低，湿度较湿滑路面小。

融雪：状态介于积水和积雪之间，一般气温为零度才能保持冰水混合的状态。

凹凸冰辙：一般由于气温骤降，融雪再次凝结形成，通常凹凸不平。

实心冻冰：小水泡积水形成的冻冰中间厚边缘薄，大水泡，即大面积积水形成的冻冰，整个区域都是较厚的冰层。

Claims (7)

1.一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征是，该系统包括：光源(1)、镜筒一(2)、偏振片一(3)、扩束镜(4)、探测器一(5)、镜筒二(6)、安装座(7)、镜筒三(8)、聚焦镜一(9)、偏振片二(10)、滤光片一(11)、探测器二(12)、镜筒四(13)、聚焦镜二(14)、滤光片二(15)、温度传感器(16)、湿度传感器(17)、辐照度传感器(18)、镜头(19)、红外CCD(20)、转接齿轮(21)、步进电机(22)、放大电路(23)、处理器(24)和蓄电池(25)设置在箱体(26)内；

该系统还包括二维调整架(27)、上位机(28)和无人机(29)，二维调整架(27)上方连接无人机(29)，下方连接箱体(26)；上位机(28)与处理器(24)之间通过无线通讯收发信号；

所述扩束镜(4)、镜筒一(2)、偏振片一(3)和光源(1)同轴设置构成光源发射系统，所述扩束镜(4)上端连接镜筒一(2)，镜筒一(2)另一端连接光源(1)，所述偏振片一(3)安装在镜筒一(2)内；

所述聚焦镜一(9)、镜筒三(8)、滤光片一(11)、安装座(7)、偏振片二(10)、镜筒二(6)和探测器一(5)同轴设置构成反射光接收系统一，所述镜筒三(8)和镜筒二(6)相接，且在接口处设置安装座(7)，用于固定两者；所述镜筒二(6)的上端与探测器一(5)连接，所述镜筒三(8)内装载滤光片一(11)，下端与聚焦镜一(9)连接，所述安装座(7)内装载偏振片二(10)；反射光经过聚焦镜一(9)、滤光片一(11)、偏振片二(10)，由探测器一(5)接收；

所述聚焦镜二(14)、滤光片二(15)、镜筒四(13)和探测器二(12)同轴设置构成反射光接收系统二，所述镜筒四(13)上端连接探测器二(12)，下端连接聚焦镜二(14)，所述滤光片二(15)安装在镜筒四(13)内部；反射光经过聚焦镜二(14)、滤光片二(15)，由探测器二(12)接收；

所述光源(1)发射激光通过偏振片一(2)起偏，经过扩束镜(4)，在目标地面的中心区域形成具有一定直径的光斑，反射后由反射光接收系统一和反射光接收系统二接收；所述镜头(19)上端同轴连接红外CCD(20)，红外CCD(20)将拍摄的实时画面传递至处理器(24)，再由处理器(24)通过无线通讯的方式传递至上位机(28)；

所述安装座(7)外部的齿轮与转接齿轮(21)啮合；所述转接齿轮(21)与步进电机(22)连接；所述步进电机(22)与处理器(24)电连接，处理器(24)触发步进电机(22)；

所述处理器(24)与光源(1)和放大电路(23)均连接，给光源(1)发送触发信号的同时，发送相同的信号至放大电路(23)的参考信号端；所述探测器一(5)和探测器二(12)的信号输出端分别与所述放大电路(23)的两个信号输入端连接；所述放大电路(23)的信号输出端与处理器(24)电相连；

所述温度传感器(16)、湿度传感器(17)和辐照度传感器(18)并排固定在箱体(26)一侧，三者均由探测窗口探出箱体(26)，三者均与处理器(24)相连；

所述处理器(24)还与光源(1)、探测器一(5)、探测器二(12)、红外CCD(20)连接，触发光源(1)发射激光，触发探测器一(5)和探测器二(12)接收光强信号，触发红外CCD(20)接收画面信息；

所述蓄电池(25)分别与光源(1)、探测器一(5)、探测器二(12)、红外CCD(20)、步进电机(22)、二维调整架(27)、温度传感器(16)、湿度传感器(17)和辐照度传感器(18)连接，为整个系统提供电源。

2.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，所述光源(1)是波长为1550nm的近红外激光光源。

3.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，所述滤光片一(11)表面蒸镀蛾眼微纳结构，有效增加1550nm波长透过率。

4.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，所述探测器(12)为光强度探测器。

5.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，上位机(28)位于气象发布平台，在气象发布平台收发信号。

6.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，所述聚焦镜一(9)的焦面位于探测器一(5)的表面上。

7.根据权利要求1所述的一种机载偏振法检测路面结冰预警系统，其特征在于，所述聚焦镜二(14)的焦面位于探测器二(12)的表面上。