CN112088299B - 道路状况监测系统 - Google Patents

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Abstract

一种道路状况监测系统，其能够在包含表示冰和水对电磁辐射的吸收的曲线之间的交叉点的波长范围中测量由感兴趣区域反射的辐射或者由感兴趣区域发射的热辐射。检测器，其被配置成：测量第一波段中的辐射并且输出第一波段信号，第一波段中的辐射具有交叉点的第一侧上的光谱波段中的波长，以及测量第二波段中的辐射并且输出第二波段信号，第二波段中的辐射具有交叉点的第二相对侧上的光谱波段中的波长。数据处理单元，其被配置成确定第一波段信号与第二波段信号的比率，并且将该比率与预定临界比率进行比较，以输出指示水或各种类型的冰的存在的确定信号。

Description

道路状况监测系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年3月29日提交的美国专利申请第15/939,579号的优先权。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。
政府权益
本发明是在美国国家科学基金会授予的IIP-1701057下由政府支持进行的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本公开内容涉及被配置成检测道路或任何其他感兴趣表面上的水、雪、明冰(也称为雨凇或黑冰)、霜和其他类型的冰的道路状况监测系统。该系统被配置成区分干燥表面与被水、明冰、雪和其他类型的冰覆盖的表面。
背景技术和发明内容
该部分提供与本公开内容有关的背景信息，其不一定是现有技术。该部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面的公开。
在美国，所有车祸(每年近1250000起)中大约有20％是与天气有关的。由于这些车祸，平均上，近6000人丧生，并且超过450000人受伤。
本教示的原理提供用于区分道路状况(即，潮湿道路与结冰道路)的简单的方法和设备，其用于警告驾驶员、为汽车牵引控制系统提供数据、以及为自主汽车系统提供数据。
使用光谱波段中的辐射的测量，可以明确地区分干燥道路与其他道路状况(例如，结冰道路、潮湿道路和积雪道路)，在光谱波段中，冰对电磁辐射的吸收的斜率实质上不同于水对电磁辐射的吸收的斜率。根据本教示的原理，多光谱相机可以用于检测对于表面监测例如但不限于飞行器、制造系统、或其他感兴趣对象上的冰检测而言足够的参数。
本教示提供用于明确地区分干燥道路与潮湿道路和结冰道路的简单的方法和装置。在其他应用中，该方法和装置可以用于向驾驶员提供警告、为汽车跟踪系统提供信息、为汽车制动系统提供信息、以及为自主汽车系统提供信息。
通过光谱波段中的辐射的测量，可以明确地区分干燥道路与结冰道路、潮湿道路以及具有雪层或水层的道路，在光谱波段中，冰对电磁辐射的吸收的斜率实质上不同于水对电磁辐射的吸收的斜率。
在本发明的一些实施方式中，检测器、检测器阵列或多光谱相机可以用于进行所需的测量。可以使用类似的系统，用于明确地检测飞行器、制造系统或任何其他感兴趣对象上的冰或水。
在本发明的一些实施方式中，提供被配置成检测道路和任何其他感兴趣表面上的水、雪、霜、明冰(黑冰或雨凇)和其他类型的冰的系统。该系统被配置成即使水、雪、霜和各种类型的冰仅覆盖道路状况监测系统的视场的一部分时，也区分干燥表面与被水、雪、霜和各种类型的冰覆盖的表面。
通过向驾驶员、牵引控制系统、制动系统、巡航控制系统或自动化系统提供警告，道路状况的监测提高了机动车辆的安全性。此外，可以与所连接的车辆和任何其他潜在的用户例如道路维护部门共享来自道路状况监测系统的测量的数据。
水和冰可能经常难以由驾驶员或当前的合成视觉系统检测。明冰(黑冰或雨凇)非常难以检测。不幸的是，不存在能够可靠地检测道路上的冰或水的实用系统。
汽车、卡车、火车、旅客捷运系统(automated people movers)、铁路、单轨铁路、地铁、公共汽车、摩托车、自行车和其他类似的车辆缺少用于检测表面例如道路、桥梁、铁路、人行道或甚至跑道和滑行道(例如，与飞行器的地面操作相关或者支承人员和车辆)上的冰或水的存在的合适的系统。
在大多数车辆中，一旦空气温度位于或接近水的冰点，冰检测仅包括简单的通知。然而，不幸的是，温度不是表面冰存在的可靠的指标，表面冰会影响车辆的安全性或驾驶性能。驾驶员和操作者经常没有意识到车辆前面劣化的道路状况的事实经常导致事故。
用于检测表面例如道路上的滑冰的一些现有技术方法使用能够测量由雨凇反射的光的偏振的成像器。然而，应当理解，尽管当光被电介质材料例如雨凇反射时光被偏振，但是雨凇不是使光偏振的唯一电介质材料。实际上，由潮湿和/或油性表面和甚至光滑的沥青进行的反射也导致偏振，这将导致错误报告冰的存在。因此，偏振测量不足以在可能类型的电介质材料中区分散射光或反射光。因此，它们不能用于明确地检测冰或水的存在。
例如，美国专利第2008/0129541A1号涉及能够监测车辆前面的道路的滑冰警告系统。一个或两个相机被用于以两个正交偏振对同一场景进行成像。当使用单个相机时，使用偏振分束器，以将反射光分离为两个正交偏振。通过测量反射光的偏振，检测到车辆前面存在滑冰的可能的(但不明确的)确定。然而，同样，该系统不能辨别所检测到的偏振是由于冰引起的还是由一些其他反射材料引起的。
用于检测表面上的冰和水的一些现有技术方法也基于红外辐射测量。然而，这些现有技术比本公开内容中描述的方法更复杂且更不准确。
例如，美国专利第2005/0167593A1号涉及使用1.4μm附近的反射的波长的偏移来区分水和冰的方法。在该方法中，通过分析1.4μm波段反射的短波长边缘的偏移，将液态水和冰彼此区别开。这需要至少三个测量。将转变的中点波长与冰和液态水的阈值范围进行比较。至少使用很短的距离(step)附近的三个窄波段处的辐射测量的值来映射中点波长。检测决定是基于波长的偏移，不是本教示的较简单的辐射值的比率。
根据本教示的原理，提供了水、雪和冰检测系统，其克服了现有技术的缺点，并且对于道路状况的监测特别有用。在本教示的大多数实施方式中，该系统通过进行辐射的测量来明确地检测冰、雪和水。在一些实施方式中，该系统可以是无源的，而在其他实施方式中，可以包括光源、多光谱检测器和/或多光谱相机、数据处理器单元、以及具有显示器的接口、安全系统、和/或自主系统以提供道路状况的指示以及对其的响应。
本教示的道路状况监测系统可以是无源的，并且在一个实施方式中，仅包含具有滤波器的检测器对、数据处理器单元以及到显示器或控制系统的接口。
根据本文中提供的描述，其他应用领域将变得明显。该概述中的描述和具体示例仅旨在用于说明的目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
附图说明
本文中描述的附图仅用于所选实施方式而不是所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开内容的范围。
图1示出了水体的吸收光谱以及特别是液态水和冰的复折射率，指示交叉点例如图中标记的交叉点(例如，作为非穷举示例，在大约0.38μm、1.47μm、2.15μm、3.0μm、6.2μm、9.0μm和10.8μm处)周围的辐射测量可以用于区分干燥表面与被水或冰覆盖的表面。
图2示出了液态水和冰在1.47μm交叉点处的折射率。
图3示出了示意性框图，该示意性框图示出了根据本教示的原理的道路状况监测系统。
图4示出了根据本教示的原理，从覆盖有水、雪和各种类型的冰的道路的测量得到的辐射率。
图5是示出了用于制动动作代码和定义的操作跑道状况评估矩阵的表。
贯穿附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例实施方式。
提供示例实施方式使得本公开内容将是透彻的，并且将范围充分地传达给本领域技术人员。阐述了许多具体细节，例如特定部件、装置和方法的示例，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员将明显的是，不需要采用具体细节，示例的实施方式可以以许多不同的形式来实施，并且都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，没有详细描述公知的处理、公知的装置结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而不是旨在限制。如本文中所使用的，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”和“该(the)”也可以旨在包括复数形式。术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包含”和“具有”是包含的，并且因此指定所述特征、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。除非具体标识为执行顺序，否则本文中所述的处理和操作不被解释为必须以所讨论或示出的特定顺序来执行。还应理解，可以采用另外的或可替选的计算。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上，直接接合至、连接至或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相比之下，当元件被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，可能不存在中间元件或层。应当以类似的方式来解释用于描述元件之间的关系的其他词(例如，“在...之间”与“直接在...之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和所有组合。
尽管在本文中会使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应被这些术语限制。这些术语仅可以用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分进行区分。除非由上下文明确指示，否则诸如“第一”、“第二”以及其他数字术语的术语当在本文中被使用时不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例实施方式的教示的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。
为了便于描述，在本文中可以使用空间关系术语，例如，“内部”、“外部”、“之下”、“下面”、“低于”、“上面”、“高于”等来描述如图中所示出的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。除了图中描绘的取向之外，空间关系术语还可以旨在包括装置在使用或操作中的不同的取向。例如，如果图中的装置被翻转，那么描述为在其他元件或特征“下面”或“之下”的元件将被取向为在其他元件或特征“上面”。因此，示例术语“下面”可以包括上面和下面两个取向。装置可以以其他方式来取向(旋转90度或以其他取向)，并且因此解释本文中使用的空间关系描述语。
本教示提供了道路状况监测系统，其用于检测道路状况和/或用于车辆前面的地面监测，例如但不限于，飞行器、制造系统或其他感兴趣对象上的冰检测。道路状况监测系统是基于光学的系统，其被配置成检测道路或任何其他感兴趣表面上的水、雪、霜、明冰(也称为雨凇或黑冰)和其他类型的冰。道路状况监测系统被配置成区分干燥表面与被水、雪或其他类型的冰覆盖的表面。
在一些实施方式中，即使当水、雪、霜和各种类型的冰仅覆盖道路状况监测系统的视场的一部分时，道路状况监测系统也区分干燥道路与被水、雪、霜和各种类型的冰覆盖的道路。在一些实施方式中，道路状况监测系统使用图1和图2中指示的至少两个光谱波段中的辐射的测量来估计车辆前面超过100m的距离处的道路状况。
对于大多数的实际应用，辐射测量(而不是反射测量)是足够的，因为可以用包含感兴趣的光谱波段之间的相对较小功率变化的光源照射目标(例如，由直接或间接太阳光照射的表面，或者由已知光源照射的表面)。
如图2中所示，交叉点在液态水和冰的折射率的虚部中出现在1.47μm处。在该波段中，在交叉点的每一侧处仔细地测量，就像是在图中由水平条指示的两个波段将水的检测信号沿与雪和冰的方向相反的方向移动。选择第一波段(检测器1)和第二波段(检测器2)的位置和宽度，使得与冰相比，水使第一波段辐射信号和第二波段辐射信号沿相反方向移动。
图3示出了示意性框图，该示意性框图示出了根据本教示的原理的道路状况监测系统。道路状况监测系统可以包括光收集光学器件、分束器、具有带通滤波器(例如，但是不限于相机和光谱滤波器)的至少一个或一对光检测器或检测器、以及子系统或数据处理单元，子系统或数据处理单元计算两个波段中的辐射的比率并且将结果输出至显示器、接口或其他输出系统。可以提供被配置成照射感兴趣表面的光源。如本文中描述的，在一些实施方式中，本教示提供向驾驶员报警或向车辆的自动化系统提供反馈的系统。
图4示出了从覆盖有水、雪和各种类型的冰的道路的测量得到的辐射率。当干燥道路的辐射率被设置成1时，水引起辐射率增加，而雪和各种类型的冰引起辐射率降低。几乎干燥但是具有冰和水的小部分的覆盖的道路引起辐射率略小于或略大于1。
在一些实施方式中，本教示提供了向驾驶员报警或向车辆的自动化系统提供反馈的系统。本系统能够使用类似于图5中所示的FAA跑道状况评估矩阵的道路状况评估矩阵来量化危害等级。
用于评估车辆前面的道路状况的算法可以包括以下步骤：
1.使用光学系统进行的测量用于测量感兴趣区域(例如，车辆前面100m)的辐射，光学系统包含一对检测器或具有光谱滤波器的像素阵列。
2.使用光谱滤波器进行的测量用于确定交叉点的一侧(R1.425μm)处的辐射，光谱滤波器允许大约1.400μm与1.450μm之间的第一波段中的辐射通过；
3.使用光谱滤光器进行的测量用于确定在交叉点的另一侧(R1.500μm)处的辐射，光谱滤波器允许大约1.475μm与1.525μm之间的第二波段中的辐射通过；
4.然后，在第一波段和第二波段中进行的测量被用于确定感兴趣区域的辐射率γ；
5.使用道路状况评估矩阵，辐射率γ的值被用于确定地面或道路状况；
6.使用通过热电偶或任何其他合适方法进行的测量来估计表面温度(T)；
7.然后，表面温度被用于改进地面或道路状况评估；以及
8.将反馈提供至操作者或车辆自动化系统。
在一些实施方式中，当检测到危害状况时，产生警告(WARNING)。
在白天期间，由感兴趣区域反射的太阳光可以用于进行测量，但是在该情况下，还需要测量感兴趣波段中的入射的太阳能辐射的光谱分布。在晚上，可以使用包含期望的光谱的光源照射车辆前面的感兴趣区域，或者替选地，可以在热波段例如大约10.8μm中执行测量。
在一些实施方式中，可以使用卤素灯、白炽灯或红外激光器或LED来照射感兴趣区域，同时可以使用相机例如基于砷化铟镓(InGaAs)技术的相机或者具有光检测器、光电二极管、热电检测器、热电堆检测器、光导体等的相机来测量辐射。在更复杂的实施方式中，可以使用包含期望的光谱的强激光束来照射车辆前面数英里的感兴趣区域。然而，因为对于大多数应用而言系统的简单的版本就足够，所以在优选实施方式中没有实现这种性能。
总的来说，提供了能够在包含表示冰与水对电磁辐射的吸收的曲线之间的交叉点的波长范围中测量由感兴趣区域反射的辐射或者由感兴趣区域发射的热辐射的道路状况监测系统。检测系统：测量第一波段中的辐射并且输出第一波段信号，第一波段中的辐射具有交叉点的第一侧上的光谱波段中的波长，以及还测量第二波段中的辐射并且输出第二波段信号，第二波段中的辐射具有同一交叉点的第二相对侧上的光谱波段中的波长。仔细地选择交叉点和交叉点的每一侧的测量波段，以即使当水、雪和各种类型的冰仅覆盖了道路状况监控系统的视场的一部分时也提供对水、雪和各种类型的冰明确的检测。处理单元确定第一波段信号与第二波段信号的比率，并且将该比率与预定临界比率进行比较，以输出指示水或各种类型的冰的存在的确定信号。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方式的前述描述。这不旨在详尽或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换，并且即使没有具体示出或描述也可以在所选实施方式中使用。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开内容的，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (13)

1.一种用于检测车辆前面的道路状况或感兴趣表面的状况的系统，所述系统包括：
至少一个检测器，所述至少一个检测器被配置成测量与液态水和冰的折射率的虚部的交叉点相邻的波段中的辐射，所述至少一个检测器被配置成测量第一波段中的辐射并且输出第一波段信号，所述第一波段中的辐射具有所述交叉点的第一侧上的光谱波段中的波长，所述至少一个检测器被配置成测量第二波段中的辐射并且输出第二波段信号，所述第二波段中的辐射具有所述交叉点的第二相对侧上的光谱波段中的波长；
所述第一波段和所述第二波段的位置和宽度基于液态水和冰的折射率的虚部在所述交叉点的相对侧之间的斜率被选择成使得与冰相比，水使所述第一波段信号和所述第二波段信号沿相反方向移动；以及
具有软件的数据处理单元，所述软件被配置成实施算法，以基于所述第一波段中的辐射和所述第二波段中的辐射的辐射比率使用非暂态软件和查找表来估计表面状况，从而检测水、雪、霜、冰和水/冰混合物的存在，并且当基于所述第一波段和所述第二波段中的辐射测量而检测到预定状况时，输出警告或警报。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述检测器包括相机和光谱滤波器。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
被配置成照射感兴趣表面的光源。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
被配置成向操作者显示警告或警报的接口。
5.根据权利要求1所述的系统，还包括：
被配置成响应于来自所述数据处理单元的警告或警报的自动化系统。
6.根据权利要求1所述的系统，还包括：
被配置成响应于所述警告或警报来防止不安全的车辆驾驶配置的接口。
7.一种用于检测车辆前面的道路状况或感兴趣表面的状况的系统，所述系统包括：
至少一个检测器，所述至少一个检测器被配置成测量与液态水和冰的折射率的虚部的交叉点相邻的波段中的辐射，所述至少一个检测器被配置成测量第一波段中的辐射并且输出第一波段信号，所述第一波段中的辐射具有所述交叉点的第一侧上的光谱波段中的波长，所述至少一个检测器被配置成测量第二波段中的辐射并且输出第二波段信号，所述第二波段中的辐射具有所述交叉点的第二相对侧上的光谱波段中的波长；
所述第一波段和所述第二波段的位置和宽度基于液态水和冰的折射率的虚部在所述交叉点的相对侧之间的斜率被选择成使得与冰相比，水使所述第一波段信号和所述第二波段信号沿相反方向移动；以及
数据处理单元，其被配置成确定所述第一波段信号与所述第二波段信号的比率，并且将所述比率与预定临界比率进行比较，以输出指示水或各种类型的冰的存在的确定信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述检测器包括相机和光谱滤波器。
9.根据权利要求7所述的系统，还包括：
被配置成照射所述道路的光源。
10.根据权利要求7所述的系统，还包括：
被配置成向操作者显示所述确定信号的接口。
11.根据权利要求7所述的系统，还包括：
被配置成响应于来自所述数据处理单元的确定信号的自动化系统。
12.根据权利要求7所述的系统，还包括：
被配置成响应于所述确定信号来防止不安全的车辆驾驶配置的接口。
13.一种用于检测车辆前面的道路状况或感兴趣表面的状况的方法，包括：
测量与液态水和冰的折射率的虚部的交叉点相邻的第一波段和第二波段中的辐射，并且分别输出第一波段信号和第二波段信号，所述第一波段中的辐射具有所述交叉点的第一侧上的光谱波段中的波长，以及所述第二波段中的辐射具有所述交叉点的第二相对侧上的光谱波段中的波长；
基于液态水和冰的折射率的虚部在所述交叉点的相对侧之间的斜率调节所述第一波段和所述第二波段的位置和宽度，使得与冰相比，水沿相反方向推动所述第一波段信号和所述第二波段信号；以及
确定所述第一波段信号与所述第二波段信号的比率，并且将所述比率与预定临界比率进行比较，以输出指示水或冰的存在的确定信号。
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