CN113008172B - 一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置，包括：1台太赫兹雷达和1台功率计；所述太赫兹雷达和功率计一体成型。检查方法，包括：太赫兹雷达将太赫兹信号发射至雪层，太赫兹信号以角度θ1入射到滑雪赛道，一部分信号会被雪层表面的冰粒散射到空间中的各个方向，这其中传输方向角度为θ1的部分会被太赫兹雷达接收到，并显示在功率计上，根据功率计中显示的功率值来获取雪层表面的光滑度(粗糙度)信息。本发明的优点是：冰雪赛道检查装置尺寸、重量小，更加便于携带和安装。可以准确检测冬奥会滑雪赛道雪层表面的粗糙度和均匀度，提高运动员比赛的安全性，为冬奥会的危险预防和安全保障工作提供帮助。

Description

一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置和方法
技术领域
本发明涉及雪道检测技术领域，特别涉及一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置和方法。
背景技术
雪道检测与预报是冬奥会重要的雪务工作之一。雪道安全检测与预报成为确保雪上项目赛事安全、成功举办的重要基础和前提。
雪道安全检测与预报历来是冬奥会后勤保障技术与应用的核心问题之一。
微波、毫米波雷达信号的波长较长，在与冰粒等小尺寸的颗粒相互作用的时候，其响应度会大大受限。
相对于传统微波雷达，毫米波片雷达常具有更高的分辨率和更大的带宽，因而被普遍认为可用于更好地进行雪层表面的检测。现有技术中开展了将毫米波应用于雪层表面检测的研究工作。实验中，利用毫米波雷达辐射信号到雪层表面，然后通过接收和分析后向散射信号，发现后向散射系数对湿雪层的含水量很敏感，两者呈现是一种反指数的关系，这表明可将毫米波雷达应用于雪层融化状态的检测。
但是毫米波的波长大约为几毫米至几十毫米，与雪层中的冰粒尺寸相比较大，这导致其对雪层表面的光滑度敏感性大大降低。当毫米波入射进入雪层的时候，导致其对雪层的表面光滑度敏感性降低。虽然实验中发现两者之间存在一定的关联性，但是关联度并不高。无法将毫米波应用于雪层光滑度的检测。
实验表明，当颗粒尺寸小于雷达信号波长的时候，衍射作用会占据主要因素，而散射作用不会很明显。雪层冰粒的尺寸在毫米-亚毫米量级，远小于微波、毫米波的波长，所以在用毫米波雷达进行雪层表面光滑度检测时候，衍射作用产生的信息彻底覆盖了散射作用产生的信息，毫米波雷达信号入射到雪层表面的时候，后向散射信号很强，但是对雪层表面光滑度的灵敏性却很低。
太赫兹雷达在检测方面具有大带宽和高分辨率的优点，对表面结构和光滑度具有很高的敏感性。因此，将其应用于赛场雪道表面光滑度的检测，可加强对雪道的检测和危险预防工作。国内外针对太赫兹雷达的雪层检测研究工作较少。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。
为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置，包括：1台太赫兹雷达和1台功率计；所述太赫兹雷达和功率计一体成型。
本发明还公开了一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查方法，包括：
太赫兹雷达将太赫兹信号发射至雪层，太赫兹信号以角度θ1入射到滑雪赛道，一部分信号会被雪层表面的冰粒散射到空间中的各个方向，这其中传输方向角度为θ1的部分会被太赫兹雷达接收到，并显示在功率计上，根据功率计中显示的功率值来获取雪层表面的光滑度(粗糙度)信息。
进一步地，功率值为-38dBm及以上时为雪道表面粗糙需要整改。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
冰雪赛道检查装置尺寸、重量小，更加便于携带和安装。可以准确检测冬奥会滑雪赛道雪层表面的粗糙度和均匀度，提高运动员比赛的安全性，为冬奥会的危险预防和安全保障工作提供帮助。
附图说明
图1是本发明实施例冰雪赛道检查装置的结构功能示意图；
图2是本发明实施例滑雪赛道表面的粗糙度与向散射信号功率值的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。
图1展示了整个检测装置，装置的主要部分为1台太赫兹雷达和1台功率计。雷达发射出太赫兹信号，并将其入射到雪层表面。雪层与信号相互作用后，会将一部分信号以后向散射的形式辐射回雷达。雷达将接收到的信号传送给功率计，并根据信号的功率变化获得太赫兹信号与雪层之间相互作用的信息。
太赫兹雷达与功率计集合于一体，便于携带和操作。雷达发射的信号频率为220GHz，远场波束方向图的方向增益为34dBi，波束发散角约为4°。该雷达既可以发射太赫兹信号，也可以接受后向散射的太赫兹信号。这里的后向散射信号必须与发射信号链路平行、传输方向相反，才能保证其被雷达接收到。雷达接收到的后向散射信号直接被输入到功率计，从而获得实时的功率变化。
图1中，当太赫兹雷达辐射的信号以角度θ1入射到滑雪赛道时，一部分信号会直接入射到雪层内部，并被雪层给吸收掉；另一部分信号会被雪层表面的冰粒散射到空间中的各个方向，这其中传输方向角度为θ1的部分会被太赫兹雷达接收到，我们将比部分信号成为后向散射信号。
以图2为例，横坐标为滑雪赛道表面的粗糙度代表着，代表着表面颗粒高度的方均根。当表面光滑时，粗糙度为0；表面越粗糙，粗糙度的数值也越大。纵坐标为太赫兹雷达接受到并通过功率计显示的后向散射信号的功率值。这里，太赫兹雷达的噪声功率为-38dBm。
当太赫兹雷达接收到的后向散射信号的功率为-38dBm时，意味着没有后向散射现象发生，此时的表面粗糙度为0，也即雪道表面是光滑的。当该数值沿着曲线增加时，其对应的横坐标(表面粗糙度)也会相应增加，这代表雪层表面的粗糙度在增加。当该数值达到-10dBm时，表明雪道表面颗粒的尺寸达到了0.9mm。这是实现了亚毫米级别的粗糙度测量。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于太赫兹波的冰雪赛道检查装置的检查方法，其特征在于，包括：
所述冰雪赛道检查装置，包括：1台太赫兹雷达和1台功率计；所述太赫兹雷达和功率计一体成型；
太赫兹雷达将太赫兹信号发射至雪层，太赫兹信号以角度θ1入射到滑雪赛道，一部分信号会被雪层表面的冰粒散射到空间中的各个方向，这其中传输方向角度为θ1的部分会被太赫兹雷达接收到，并显示在功率计上，根据功率计中显示的功率值来获取雪层表面的光滑度信息；
功率值大于-38dBm时为雪道表面粗糙需要整改。
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