CN111735790A - 一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法。本发明属于红外路面结冰检测技术领域，所述系统包括：多个激光发射端、光束控制模块、多个激光器、光纤、激光控制器、嵌入式计算机、多个光学镜头、多个光束发射端、多个探测器、多个信号处理模块、多路模拟量采集模块和无线收发模块。本发明那个实现了对路面的监控和实时检测数据传输，并且可以安置10～20路红外激光发射器，使得探测范围从一点扩大到一条线甚至一个面。可以同时监测一个范围的路况，具有探测精度高、范围大的优点。本发明在机场等环境的路面检测应用方面有很好的前景。
Description
技术领域
本发明涉及红外路面结冰检测技术领域，是一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法。
背景技术
近年来随着我国经济的高速发展，交通以及运输行业也进入了高速发展的轨道，所以保障交通运输的平安运行变得至关重要，尤其是高速公路上的行驶安全引起了有关部门和全社会的高度重视。这就要求我们在路面结冰情况的探测和预警设备的开发工作上增加投入的人力以及物力资源，实现对路面状况的实时监测。当前我国的气象监测发展还不完善，基本都处于起步阶段，并不具备很多具有优异使用性能且可以投入广泛使用的监测设备。
针对目前国内在这一方面的研究现状—在结冰检测领域还处在实验室试验研发阶段或是单点监测水平亦或是模拟试验阶段，对于在进一步的研究，例如不同路面结冰条件和规律的建立，实时进行大面积监测并及时出示预报以及预警后的防范工作还有很大的研发空间和提升必要。
发明内容
本发明为对现有的冰层厚度检测系统不能自动检测、检测范围小、传输距离近、精度低、功耗高、实时性差、稳定性差的缺陷，本发明提供了一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法，本发明提供了以下技术方案：
一种主动式红外路面结冰检测系统，所述系统包括：多个激光发射端、光束控制模块、多个激光器、光纤、激光控制器、嵌入式计算机、多个光学镜头、多个光束发射端、多个探测器、多个信号处理模块、多路模拟量采集模块和无线收发模块；
所述嵌入式计算机控制信号输出端连接激光控制器的控制信号输入端，所述激光控制器的控制信号输出端连接多个激光器的控制信号输入端，多个激光器发射激光至光束控制模块，光束控制模块通过光纤射出光束至多个激光发射端，所述多个激光发射端射出光束至路面；
多个光学镜头入射路面反射的光束，多个光学镜头通过光纤出射至多个光束发射端，所述多个光束发射端出射至多个探测器，所多个探测器出射至多个信号处理模块，所述多个信号处理模块的数据信号输出端连接所述多路模拟量采集模块的数据信号输入端，所述多路模拟量采集模块的数据信号输出端连接所述嵌入式计算机的数据信号输入端，所述嵌入式计算机与无线收发模块进行数据交互。
优选地，信号处理模块包括I/V转换电路、前置放大电路、振荡器、带通滤波电路、锁相放大器和积分器；探测器连接I/V转换电路，所述I/V转换电路连接前置放大电路，所述前置放大电路连接振荡器，振荡器连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接锁相放大器，所述锁相放大器连接积分器，积分器连接多路模拟量采集模块。
优选地，所述振荡器采用555振荡器。
优选地，所述锁相放大器采用AD630为主芯片的同步解调器。
一种主动式红外路面结冰检测方法，包括以下步骤：
步骤1：嵌入式计算机控制激光控制器，通过激光控制器生成3种不同波长的激光，通过激光控制器发射出激光信号到激光器；
步骤2：所述3种不同波长的激光器发射出的激光信号经过光束控制模块进行分时发出；
步骤3：发出的不同波长的激光通过光纤传输至激光发射端，多个激光发射端射出光束至路面到被检测路面；
步骤4：被检测路面对不同波长的激光的吸收和反射能力不同，被测路面不同强度的反射光经过光学镜头进入光束发射端，产生不同的反射回波信号；
步骤5：产生不同的反射回波信号通过探测器探测接收，通过探测器将光信号转换为电流信号；
步骤6:将转换后的电流信号经过信号处理模块进行处理，提取得到无噪声的数据信号；
步骤7：通过多路模拟量采集模块采集无噪声的数据信号，并将无噪声的数据信号发送至嵌入式计算机；
步骤8：嵌入式计算机将得到的数据通过无线收发模块发送至上位机，上位机根据标定参数形成路面状态信息实时预警发布。
优选地，所述步骤6具体为：将转换后的电流信号经过I/V转换电路，将电流信号转换为电压信号；电压信号经过前置放大电路将信号放大200倍后通过带通滤波器滤除噪声；由555振荡器产生激光器的调制信号以及锁相放大器的参考信号，所述调制信号和参考信号经由锁相放大器和积分器进而对信号进行提取得到无噪声的电信号。
本发明有益效果：
本发明那个实现了对路面的监控和实时检测数据传输(特别是在机场跑道的环境下)。将数据处理模块包括I/V转换电路、前置放大电路、振荡器、滤波电路、锁相放大电路、积分器电路。并且可以安置10～20路红外激光发射器，使得探测范围从一点扩大到一条线甚至一个面。可以同时监测一个范围的路况，具有探测精度高、范围大的优点。本发明在机场等环境的路面检测应用方面有很好的前景。
附图说明
图1为主动式红外路面结冰检测系统结构图；
图2为I/V转换模块的电路原理图；
图3为锁相放大器的工作原理图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
根据图1所示，本发明提供一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法，具体为：
一种主动式红外路面结冰检测系统，所述系统包括：多个激光发射端、光束控制模块、多个激光器、光纤、激光控制器、嵌入式计算机、多个光学镜头、多个光束发射端、多个探测器、多个信号处理模块、多路模拟量采集模块和无线收发模块；
所述嵌入式计算机控制信号输出端连接激光控制器的控制信号输入端，所述激光控制器的控制信号输出端连接多个激光器的控制信号输入端，多个激光器发射激光至光束控制模块，光束控制模块通过光纤射出光束至多个激光发射端，所述多个激光发射端射出光束至路面；
多个光学镜头入射路面反射的光束，多个光学镜头通过光纤出射至多个光束发射端，所述多个光束发射端出射至多个探测器，所多个探测器出射至多个信号处理模块，所述多个信号处理模块的数据信号输出端连接所述多路模拟量采集模块的数据信号输入端，所述多路模拟量采集模块的数据信号输出端连接所述嵌入式计算机的数据信号输入端，所述嵌入式计算机与无线收发模块进行数据交互。
信号处理模块包括I/V转换电路、前置放大电路、振荡器、带通滤波电路、锁相放大器和积分器；探测器连接I/V转换电路，所述I/V转换电路连接前置放大电路，所述前置放大电路连接振荡器，振荡器连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接锁相放大器，所述锁相放大器连接积分器，积分器连接多路模拟量采集模块。所述振荡器采用555振荡器。
如图2所示，通过低功耗集成运放AD820配合大电阻来实现电流/电压信号转换，将光电探测器输出的微弱电流信号与1MΩ电阻进行运算处理，从而将电流信号转换成电压信号。
前置放大器的主要作用是对微弱信号进行放大，它不仅可以提高系统的信噪比，也可以减少外界干扰的相对影响，同时其增益较高，输入阻抗较高，输出阻抗较低，能够实现阻抗转换和匹配，抑制部分输入噪声，即在保证将待测信号进行幅值放大的同时，还需尽可能地保证待测信号的输出质量，使噪声尽量小以消除实验过程中的杂散信号对结果的影响。通过前期实验得到探测器的输出结果经I/V转换后最大测量值为20mV,于是本设计对信号进行200倍放大。因此设计采用两片OP07实现二级放大(20×10)，根据模拟电路中集成运放的知识，这里的集成运放OP07所构成的反向比例运算电路可以通过电阻阻值的大小来控制电路的放大倍数，从而达到200倍放大的效果。
本发明选用带通滤波器来实现，带通滤波器顾名思义就是令某一频率范围内的信号通过，滤除掉该非频率范围内的信号。本设计中激光器需要由信号频率为1kHz的方波调制，光电探测器接收到的信号频率也为1kHz,所以带通滤波器通带的中心频率为1kHz。
由于光电探测器在探测过程中会引入一些噪声，同时光电探测器输出的反射信号在进行I/V转换和放大的过程中也不可避免的会出现噪声干扰，而且放大器不具备识别功能，噪声信号会随待检测信号被放大，导致设备的信噪比降低。当接收到的反射信号自身比较小的时候，噪声信号就可能将待测信号淹没，这样将无法对待测信号进行检测。所以需要将待测信号从无规则的噪声中提取出来，本发明采用锁相放大器模块来实现待测信号的提取。
本发明设计采用以AD630为主芯片的同步解调器作为的锁相放大器，它具有检测器和窄带滤波器两种器件的两种对应功能，可以满足我们要在噪声中提起待测信号的需求。
如图3所示，信号采集之初需要对其进行调制，后续又需要通过锁相放大器对其进行提取，而在提取时需要提供参考信号，所以调制信号与参考信号的频率要一致才能保证信号传输前后的一致性。通过试验发现本课题所用的锁相放大器在频率约为1kHz时的检波效果最佳，因此采用由555振荡器产生占空比为50％、频率为1kHz的信号的方法来作为整个电路的调制信号和参考信号。
激光控制器驱动三个激光器分别发射波长为λ1、λ2和λ3的激光光束，通过光束控制模块进行分时输出，经由光纤传输和激光发射端，输出n个波长为λk(k＝1,2,3)的激光光束在被检测路面。受不同路面对特定波长光的吸收与反射程度的不同，被测路面不同强度的反射光经过光学镜头进入红外光电传感器，产生不同的反射回波信号。经数据处理模块后可以得到所需电信号，通过多路模拟量采集模块传输入系统内部的嵌入式计算机。上位机根据标定参数，由数据分析处理单元进行分析处理，形成各种路面状态信息。该系统可以实现路面状态的现场预警，并可通过无线传输模块，将数据实时上传到上位机，实现区域预警信息发布。
本发明提供一种主动式红外路面结冰检测方法，包括以下步骤：
步骤1：嵌入式计算机控制激光控制器，通过激光控制器生成3种不同波长的激光，通过激光控制器发射出激光信号到激光器；本发明选取的激光波长为960nm、1310nm和1560nm
步骤2：所述3种不同波长的激光器发射出的激光信号经过光束控制模块进行分时发出；
步骤3：发出的不同波长的激光通过光纤传输至激光发射端，多个激光发射端射出光束至路面到被检测路面；
步骤4：被检测路面对不同波长的激光的吸收和反射能力不同，被测路面不同强度的反射光经过光学镜头进入光束发射端，产生不同的反射回波信号；
步骤5：产生不同的反射回波信号通过探测器探测接收，通过探测器将光信号转换为电流信号；
步骤6:将转换后的电流信号经过信号处理模块进行处理，提取得到无噪声的数据信号；
将转换后的电流信号经过I/V转换电路，将电流信号转换为电压信号；电压信号经过前置放大电路将信号放大200倍后通过带通滤波器滤除噪声；由555振荡器产生激光器的调制信号以及锁相放大器的参考信号，所述调制信号和参考信号经由锁相放大器和积分器进而对信号进行提取得到无噪声的电信号。
步骤7：通过多路模拟量采集模块采集无噪声的数据信号，并将无噪声的数据信号发送至嵌入式计算机；
步骤8：嵌入式计算机将得到的数据通过无线收发模块发送至上位机，上位机根据标定参数形成路面状态信息实时预警发布。
以上所述仅是一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法的优选实施方式，一种主动式红外路面结冰检测系统及其检测方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种主动式红外路面结冰检测系统，其特征是：所述系统包括：多个激光发射端、光束控制模块、多个激光器、光纤、激光控制器、嵌入式计算机、多个光学镜头、多个光束发射端、多个探测器、多个信号处理模块、多路模拟量采集模块和无线收发模块；
所述嵌入式计算机控制信号输出端连接激光控制器的控制信号输入端，所述激光控制器的控制信号输出端连接多个激光器的控制信号输入端，多个激光器发射激光至光束控制模块，光束控制模块通过光纤射出光束至多个激光发射端，所述多个激光发射端射出光束至路面；
多个光学镜头入射路面反射的光束，多个光学镜头通过光纤出射至多个光束发射端，所述多个光束发射端出射至多个探测器，所多个探测器出射至多个信号处理模块，所述多个信号处理模块的数据信号输出端连接所述多路模拟量采集模块的数据信号输入端，所述多路模拟量采集模块的数据信号输出端连接所述嵌入式计算机的数据信号输入端，所述嵌入式计算机与无线收发模块进行数据交互。
2.根据权利要求1所述的一种主动式红外路面结冰检测系统，其特征是：信号处理模块包括I/V转换电路、前置放大电路、振荡器、带通滤波电路、锁相放大器和积分器；探测器连接I/V转换电路，所述I/V转换电路连接前置放大电路，所述前置放大电路连接振荡器，振荡器连接带通滤波电路，所述带通滤波电路连接锁相放大器，所述锁相放大器连接积分器，积分器连接多路模拟量采集模块。
3.根据权利要求2所述的一种主动式红外路面结冰检测系统，其特征是：所述振荡器采用555振荡器。
4.根据权利要求2所述的一种主动式红外路面结冰检测系统，其特征是：所述锁相放大器采用AD630为主芯片的同步解调器。
5.一种主动式红外路面结冰检测方法，所述方法基于如权利要求1所述的一种主动式红外路面结冰检测系统，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：嵌入式计算机控制激光控制器，通过激光控制器生成3种不同波长的激光，通过激光控制器发射出激光信号到激光器；
步骤2：所述3种不同波长的激光器发射出的激光信号经过光束控制模块进行分时发出；
步骤3：发出的不同波长的激光通过光纤传输至激光发射端，多个激光发射端射出光束至路面到被检测路面；
步骤4：被检测路面对不同波长的激光的吸收和反射能力不同，被测路面不同强度的反射光经过光学镜头进入光束发射端，产生不同的反射回波信号；
步骤5：产生不同的反射回波信号通过探测器探测接收，通过探测器将光信号转换为电流信号；
步骤6:将转换后的电流信号经过信号处理模块进行处理，提取得到无噪声的数据信号；
步骤7：通过多路模拟量采集模块采集无噪声的数据信号，并将无噪声的数据信号发送至嵌入式计算机；
步骤8：嵌入式计算机将得到的数据通过无线收发模块发送至上位机，上位机根据标定参数形成路面状态信息实时预警发布。
6.根据权利要求5所述的一种主动式红外路面结冰检测方法，其特征是：所述步骤6具体为：将转换后的电流信号经过I/V转换电路，将电流信号转换为电压信号；电压信号经过前置放大电路将信号放大200倍后通过带通滤波器滤除噪声；由555振荡器产生激光器的调制信号以及锁相放大器的参考信号，所述调制信号和参考信号经由锁相放大器和积分器进而对信号进行提取得到无噪声的电信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201002 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |