JP2000111308A - 路面状態検知方法及びその検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水膜等の有無のみならず、その膜厚を定量的
に測定するとともに、車両の走行にとって重要なタイヤ
接触部分の路面状態を測定する。 【解決手段】 同軸ケーブル３１を道路舗装最上層より
も下に埋設させて道路表面１７に露出していない状態に
し、発振装置２１からの所定周波数の電波を同軸ケーブ
ル及び誘電体板７１を介して道路下部から表面に発振さ
せ、かつ表面からの反射波を取り込み、取り込んだ反射
波のうち、所定時間帯の反射波の反射強度のみを高周波
電力計５１で測定し、データ処理装置６１が反射係数を
求めて、その反射係数に基づいて路面の乾燥・湿潤状態
及び水膜厚を検知する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交通安全技術およ
び道路保守技術に関し、特に道路表面の状態を検知する
路面状態検知方法及びその検知装置に関するものであ
る。

【０００２】

【関連する背景技術】従来、この種のものでは、例えば
図９の概略図に示すような路面水分センサがある。図に
おいて、センサ本体は、対向電極１１，１２が絶縁体１
３を介して容器内に組み込まれた構造になっている。対
向電極１１，１２は導線１４，１５によってインピーダ
ンスメータ１６に接続されている。このセンサ本体は、
電極１１，１２の端面を道路表面（路面）１７に露出し
た状態で道路の舗装面に埋設されている。水の誘電率は
約８０と大きく、雨などが降って水膜が道路表面１７に
形成されると電極１１，１２間の電気容量が著しく変化
する。従来例では、この電気容量の変化から、乾燥状態
と湿潤状態を識別していた。

【０００３】すなわち、乾燥状態では、全ての温度範囲
にわたって、誘電率は低い一定の値を示している。ま
た、路面温度が０℃以上で道路表面に水膜が存在する場
合の誘電率は高い値を示している。このように、誘電率
の大きさによって路面の乾燥・湿潤状態を識別してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来例
のセンサでは、路面状態の識別は、乾燥・湿潤等の段階
別の状態識別のみであり、路面に存在する水膜の厚さが
何mmかというような定量的な識別はできないという問題
点があった。また、上記従来例のセンサは、センサ部を
道路面に露出させているので、設置する時に一度舗装が
完成したアスファルト層１８にセンサと接続ケーブル埋
設のために路面に穴を開け直さなければならない。これ
には多大な労力を必要とするという問題点があった。

【０００５】また、一般に道路の舗装は、交通量にも依
存するが二〜三年に一度の割合で再舗装工事を行う。こ
れは、道路保守のために不可欠な工事である。従来例の
センサを使用するには、毎回の舗装工事ごとに、センサ
の埋設工事も繰り返さなくてはならず、これによって工
事に要する時間と労力の著しい増大をもたらすという問
題点もあった。

【０００６】さらに、従来例のセンサは、実際に自動車
が走行するタイヤ直下の部分に設置することができな
い。なぜなら、交通量の多い道路ではアスファルトの磨
耗が激しい。センサヘッドは金属でできているので、セ
ンサヘッドを轍の位置に埋設すると、摩耗する速さの違
いによって、周囲のアスファルトからセンサが浮き出た
形で残り、自動車の走行の障害になったり、自動車の乗
り心地を低下させるためである。そのため、従来例のセ
ンサでは、自動車の走行に直接影響するタイヤ直下の路
面状態を測定することができないという問題点があっ
た。

【０００７】以上の問題点を要約すると、従来例のセン
サは、定量性に欠けているばかりでなく、保守に労力を
必要とし、かつ自動車の走行にとって直接影響するタイ
ヤ直下の位置の路面のデータを得ることができないとい
うことである。本発明は、上記問題点に鑑みなされたも
ので、水膜等の有無のみならず、その膜厚を定量的に測
定することができるとともに、車両の走行にとって重要
なタイヤ接触部分の路面状態を測定することができる路
面状態検知方法及びその検知装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、所定周波数の電波を発振する発振装置
からなる発振手段と、前記発振された電波を道路下部か
ら表面に向かって出力するとともに、前記表面からの反
射波を誘電体を介して取り込む伝送路からなる入出力手
段と、前記取り込まれた反射波のうち、所定時間帯の反
射波のみを前記測定手段に供給する時間フィルタからな
る供給手段と、前記供給された反射波の反射成分を測定
する高周波電力計や位相検波器等からなる測定手段と、
前記測定結果に基づいて前記道路の路面状態を検知する
データ処理装置からなる検知手段とを備えたことを特徴
とする路面状態検知装置。

【０００９】すなわち、入出力手段を道路舗装最上層よ
りも下に埋設させて道路表面に露出していない状態に
し、発振手段からの所定周波数の電波を前記入出力手段
を介して道路下部から表面に発振させ、かつ前記表面か
らの反射波を前記入出力手段を介して取り込み、該取り
込んだ反射波のうち、所定時間帯の反射波の反射成分の
みを測定し、前記測定結果に基づいて前記道路路面の乾
燥・湿潤状態及び湿潤状態における水膜厚を検知する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明に係る路面状態検知方法及
びその検知装置の一実施形態を図１乃至図８の図面に基
づいて説明する。なお、本発明では、対向電極の静電容
量を測定せずに、路面からの反射係数や反射波の位相変
化量から水膜厚を測定する。図１は、本発明の原理を説
明するための原理図である。図において、発振手段２０
から入出力手段３０に所定周波数（例えば高周波）が給
電される。入出力手段３０は、道路表面（路面）１７を
舗装しているアスファルト層１８の下層の舗装下地の中
に埋設されている。入出力手段３０の途中には方向性結
合器４０が取付けられており、その方向性結合器の測定
端子には、測定手段５０が接続されており、測定した反
射波の強度・反射係数・位相を検知手段６０に出力して
おり、検知手段６０では、上記測定結果に基づいて路面
状態及び水膜厚を検出してそのデータを出力する。ま
た、入出力手段３０の道路側の一端部は、防水効果を有
する誘電体７０で封止されており、アスファルト層１８
の下部に接している。

【００１１】次に、図２を用いて、図１の原理構成によ
る路面状態検知方法について説明する。発振手段２０か
ら入出力手段３０に供給された高周波電力Ain（強度に
対応）は、路面側の誘電体７０で封止されている入出力
手段３０の端面で反射成分A-1を除いてアスファルト側
に透過する。さらにアスファルト層１８を透過した後に
路面１７の水膜の下面と上面によって反射されて、それ
ぞれ反射成分A01とA02を生ずる。これら２つの反射成分
A01とA02の合成波A0=(A1+A2)が水膜からの反射波とな
る。なお、 A0は、反射成分Aoutの反射強度であり、 A1
とA2は、反射成分A01とA02の反射強度である。

【００１２】ただし、A01とA02は、再び誘電体７０を透
過して入出力手段３０に戻る際に、新たに反射成分A11
を生ずる。この後、A11は誘電体７０と水膜の間で多重
反射を繰り返して、図示しない反射成分A12、A13、…を
生じる。ここで、水膜厚の情報を含んだ反射波はAoutで
ある。Aoutの成分A01とA02の間には水膜厚によって決ま
る位相差Δφ(t)が存在する。この位相差の大小によっ
て合成された反射波Aoutの強度A0が決まる。また、給電
されたもともとの入射波Ain（発振手段からの高周波）
に対するAoutの位相変化量も、位相差Δφ(t)すなわち
水膜厚tによって決まる。

【００１３】したがって、測定手段５０及び検知手段６
０によって、反射波の強度を測定するか、発振手段２０
側から見た反射係数R=| 反射波Aoutの強度/入射波Ainの
強度|を測定するか、又は入射波Ain対する反射波Aoutの
位相変化量を測定することによって路面１７の水膜厚を
知ることができる。上記のように一定の測定周波数fで
反射波の強度や反射係数や位相変化量を測定する。

【００１４】また一般に、測定周波数を比較的低くして
長い波長を用いれば、厚い水膜厚の測定が可能になる。
以上の検知方法を実現する本発明の具体的構成を図３〜
図７に示す。図３は、反射係数から水膜厚を求める場合
における路面状態検知装置の構成の第１実施例である。

【００１５】図において、本発明の発振手段を構成する
発振装置２1から、本発明の入出力手段を構成する同軸
ケーブル３１に給電された高周波は、同軸ケーブル３１
の一端部の誘電体板７１の部分から、一部路面側のアス
ファルト層１８中へ透過した後、水膜で反射され、反射
波を生ずる。なお、上記同軸ケーブルを用いたのは、高
周波に対する伝送損失が少ないためである。また、誘電
体板７１は、本発明の誘電体を構成し、例えば経年劣化
の少ない硬質プラスチックからなる。

【００１６】この反射波は、同軸ケーブル３１を入射の
時とは逆の向きに伝搬して方向性結合器４０に達し、そ
こで入射波と分離されて、本発明の供給手段を構成する
時間フィルタ８０に入る。この時、時間フィルタ８０に
入る反射波の典型的な時間波形を図４に示す。図４は、
発振装置２１から半値幅1nsのパルスで高周波を発振し
た際の反射波の時間応答波形である。なお、本実施例で
は、発振装置２１からの測定周波数を１GHzに、同軸ケ
ーブルの長さを２m、内径を４mm、外径を１７mmに、ア
スファルト層１８の厚さを５cmに設定し、道路路面が乾
燥状態での反射波の成分Aoutを測定した。この場合に
は、図１に示した水面上部からの反射成分A02は、ゼロ
であるので、反射波の成分Aout＝成分A01（道路路面か
らの反射成分）となる。

【００１７】図４では、上記路面からの反射波Aout以外
に誘電体板７１での反射A-1およびアスファルト層１８
での多重反射A11、A12、A13、A14等が見られるが、本実
施例における水膜厚の測定に必要なのは反射波Aoutであ
る。そこで、本実施例では、８．０７ns〜９．２７nsの
１．２ns幅の時間フィルタ８０を設定して不要な反射成
分を除去し、本発明の測定手段を構成する高周波電力計
５１に反射成分Aoutを送るものとする。なお、この状態
で路面に水膜が発生すると、反射波Aoutの反射ピーク
（反射強度）は、その水膜厚に対応して図４とほぼ同じ
到達時間帯で変化する。

【００１８】高周波電力計５１では、入力する反射波に
対応する反射強度を、本発明の検知手段を構成するデー
タ処理装置６１に出力しており、データ処理装置６１
は、上記反射強度から水膜等の有無を検知して路面状態
を判断するとともに、上記反射強度と入射波Ainの強度
に基づいて反射係数を求め、水膜厚を測定する。また、
水膜厚を変えて、反射係数を測定した結果を図５に示
す。水膜厚が、０mmから６mmまで変化すると、反射係数
は0.675から0.653まで単調に減少している。すなわち、
図５の関係を知ることによって、データ処理装置６１
は、反射係数から路面１７の水膜厚を知ることができ
る。

【００１９】このように、本実施例では、反射波の反射
強度から水膜等の有無を検知して路面状態を判定できる
とともに、上記反射強度から反射係数を求め、上記反射
係数に対応した水膜厚を検知するので、水膜等の有無の
みならず、その膜厚を定量的に測定することができる。
また、本実施例では、誘電体板で封止されている同軸ケ
ーブルの一端部を車両の走行する轍部分の直下の位置に
埋設して路面状態を検知することができるので、車両の
走行にとって重要なタイヤ接触部分の路面状態を測定す
ることができる。

【００２０】また、再舗装工事の時には、本実施例の路
面状態検知装置の同軸ケーブルをそのままコンクリート
下地に残して、上層のアスファルトのみを除去・再舗装
すればよいので、道路工事の工程が極めて簡略化される
という効果も生じる。図６は、上記高周波電力計代わり
に、本発明の測定手段を構成する位相検波器５２を用い
て、入射波と反射波の位相差（位相変化量）を検出し
て、その結果から水膜厚を判定する場合の第２実施例の
構成図である。この構成で、反射波の位相変化量を測定
した結果を図７に示す。なお、本実施例において図３と
同様の構成部分は、説明の都合上、同一符号を付記す
る。

【００２１】図において、反射波の位相は、水膜厚が0
から2mmまで変化する間に−44°から−50°まで6°変化
している。すなわち、この構成では、位相検波器５２に
よって−44°から−50°まで6°の幅の位相変化を測定
することによって、データ処理装置６１は、0から2mmま
での水膜厚を知ることができる。この場合は、水膜厚が
2mm以上では反射波の位相が変化していないので、厚い
水膜は測定できない。しかし、実際の路面でハイドロプ
レーニング現象を起こす水膜厚は2mm程度なので、0から
2mmの水膜厚を精密に測定できることは実用面から有益
といえる。

【００２２】このように、本実施例では、入射波と反射
波の位相変化量を測定し、その測定結果から水膜等の有
無を検知するとともに、上記位相変化量に対応した水膜
厚を検知するので、第１実施例と同様に、路面状態を判
定できるとともに、膜厚を定量的に測定することができ
る。また、本実施例でも、第１実施例と同様に、車両の
走行にとって重要なタイヤ接触部分の路面状態を測定す
ることができるとともに、道路工事の工程が極めて簡略
化されるという効果も生じる。

【００２３】図３と図６の構成は、高々数mm程度の薄い
水膜厚の測定に適している。このように測定可能な水膜
厚の上限を決める要因は、大きく分けると、 １．水膜中の電波の波長λm ２．水による電波の吸収 の２つになる。

【００２４】ここでは、まず水膜中の電波の波長λmに
よる制限の場合を述べる。測定可能な水膜の上限は、周
波数によっておおまかな目安が与えられる。この上限の
目安は、水膜中の電波の波長λmの４分の１程度か、そ
れ以下である。ここで、図８は、第１実施例で測定した
反射係数の水膜厚依存性を概略的に示した図である。図
において、水膜厚が増大するにつれて、反射係数Ｒは極
大と極小を繰り返す。この反射係数から水膜厚を検知す
るには、反射係数と水膜厚の間に１対１の関係が成り立
っている必要がある。その条件が満たされているには、
図８中のｔmの範囲、すなわち水膜厚が０mmから反射係
数が減少し、最初の極大値と等しい高さになるまでの範
囲である。

【００２５】従って、測定可能な水膜厚の最大値ｔm
は、λm／４よりもいくらか小さな値をとり、上記λm／
４を越えることはない。以上に述べたことは、測定周波
数に依存せず、本発明に一般的にあてはまることであ
る。また、空気中の電波の波長λ0［cm］は、λ0＝３０
／ｆ［GHz］で、水膜中での電波の波長λm［cm］は、λ
m＝λ0／ｎである。但し、ｎは、水の屈折率で測定周波
数ｆが１GHz以下で約９である。

【００２６】ここで、図３に示した測定周波数ｆが１GH
zの場合には、λm／４＝λ0／４ｎ＝8.3mmであり、上記
測定周波数ｆが５０MHzの場合には、λm／４＝167mmと
なる。また、図８のように、水膜の厚さによって極大と
極小が入れ替わる理由は、以下のように考えられる。す
なわち、図２を参照すると、水膜の下面と上面で反射さ
れた成分をそれぞれA01とA02とすると、 A02はA01に比
べて水膜の厚さｔの２倍だけ長い距離を進んでいる。そ
の差、すなわち行路差２ｔがちょうど１波長λmの整数
倍ならば、 A01とA02は位相差ゼロとなって互いに強め
合い、反射波の強度は極大値をとる。しかし、行路差２
ｔがちょうど１波長λmの２分の１ならば、 A01とA02の
位相差は、１８０度の半位相となって、互いに弱め合っ
て反射波の強度は極小値となる。また、行路差が１波長
でも２分の１波長でもない場合の反射係数は、極大値と
極小値の間の値をとる。

【００２７】このように、λm／２ごとに極大と極小を
繰り返す水膜厚の周期ｔpは、水中の電波の波長をλmと
すると、λm／２＝２ｔpから、図８に示すようにｔp＝
λm／４になる。次に、水による電波の吸収による制限
の場合を述べる。測定周波数が１GHzか、それ以上にな
ると、水による電波の吸収の影響が著しく増大する。１
GHz以上の電波は、水膜中を数mm進むとほとんど吸収さ
れて強度がゼロ近くになる。この場合には、水膜厚が数
mm以上になると、反射波Aoutの強度A0は、ほとんど水膜
下面からの反射A01の強度A1のみによって決まることに
なり、干渉し合う成分A02がないため、水膜厚によって
ほとんど変化しなくなる。

【００２８】従って、本発明で測定できる水膜厚は、λ
m／４弱が上限の目安であり、測定周波数が１GHz以上で
は、水による吸収の影響のため、数mm程度となる。そこ
で、本発明では、薄い水膜を正確に測定したい場合は、
１GHz以上の高い周波数を用いることができ、また図３
や図６の構成よりも低い測定周波数を用いることによっ
て、薄い水膜のみならず数cmの厚い水膜厚の測定も可能
である。さらに、本発明では、ＳＮ比の向上が図れれ
ば、数１００MHz〜数１０MHzの比較的低い周波数を用い
て水膜厚の測定を行うことも可能である。また、本発明
では、これら測定周波数を目的に応じて使い分けること
も可能である。

【００２９】また、それだけではなく、周波数を掃引し
て反射係数の極値を与える周波数を測定することで測定
精度を向上させることもできる。本発明は、これら実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々の変形実施が可能である。例えば、本発明
に使用する誘電体は、硬質プラスチックに限らず、アル
ミナ、ベークライト或いはグリス等を使用することも可
能である。また、本実施例では、水膜厚の検知について
説明したが、本発明はこれに限らず、例えば雪や氷の厚
さの検知にも応用可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、所定
周波数の電波を発振する発振手段と、前記発振された電
波を道路下部から表面に向かって出力するとともに、前
記表面からの反射波を誘電体を介して取り込む入出力手
段と、前記取り込まれた反射波の反射成分を測定する測
定手段と、前記測定結果に基づいて前記道路の路面状態
を検知する検知手段とを備えたので、水膜等の有無のみ
ならず、その膜厚を定量的に測定することができるとと
もに、車両の走行にとって重要なタイヤ接触部分の路面
状態を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための原理図である。

【図２】図１に示した原理構成による路面状態検知方法
を説明するための図である。

【図３】本発明に係る路面状態検知装置の構成の第１実
施例を示す構成図である。

【図４】図３に示した反射波の時間応答波形を示す波形
図である。

【図５】同じく測定した反射係数と水膜厚の関係を示す
関係図である。

【図６】本発明に係る路面状態検知装置の構成の第２実
施例を示す構成図である。

【図７】図６に示した反射波の位相変化量と水膜厚の関
係を示す関係図である。

【図８】図３で測定した反射係数の水膜厚依存性を概略
的に示した関係図である。

【図９】従来の路面状態検知装置の概略構成を示す構成
図である。

【符号の説明】

１１，１２ 電極 １３ 絶縁体 １４，１５ 導線 １６ インピーダンスメータ １７ 道路表面（路面） １８ アスファルト層 ２０ 発振手段 ２１ 発振装置 ３０ 入出力手段 ３１ 同軸ケーブル ４０ 方向性結合器 ５０ 測定手段 ５１ 高周波電力計 ５２ 位相検波器 ６０ 検知手段 ６１ データ処理装置 ７０ 誘電体 ７１ 誘電体板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮崎 保光 愛知県名古屋市南区粕畠町２−１ 粕畠住 宅３−503 Ｆターム(参考） 2F063 AA16 AA49 BA15 BB10 BC09 CA40 JA10 LA01 LA06 NA08 ZA01 2F067 AA27 BB20 CC10 EE05 EE19 HH02 JJ02 KK08 LL01 RR07 RR16 RR26 UU14

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定周波数の電波を道路下部から表面に
   発振させ、かつ前記表面からの反射波を取り込んで該反
   射波の反射成分を測定し、前記測定結果に基づいて前記
   道路の路面状態及び被測定対象物の厚さを検知すること
   を特徴とする路面状態検知方法。
2. 【請求項２】 前記路面状態検知方法では、前記反射波
   のうち、所定時間帯に取り込んだ反射波の反射成分のみ
   を測定することを特徴とする請求項１に記載の路面状態
   検知方法。
3. 【請求項３】 前記路面状態検知方法では、前記反射波
   の反射成分から反射強度、反射係数又は前記所定周波数
   の電波との位相変化量の少なくとも１つを測定すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の路面状態検知方
   法。
4. 【請求項４】 所定周波数の電波を発振する発振手段
   と、 前記発振された電波を道路下部から表面に向かって出力
   するとともに、前記表面からの反射波を取り込む入出力
   手段と、 前記取り込まれた反射波の反射成分を測定する測定手段
   と、 前記測定結果に基づいて前記道路の路面状態及び被測定
   対象物の厚さを検知する検知手段とを備えたことを特徴
   とする路面状態検知装置。
5. 【請求項５】 前記路面状態検知装置は、前記入出力手
   段に取り込まれた反射波のうち、所定時間帯の反射波の
   みを前記測定手段に供給する供給手段を備えたことを特
   徴とする請求項４に記載の路面状態検知装置。
6. 【請求項６】 前記発振手段は、所定高周波の電波を発
   振させることを特徴とする請求項４又は５に記載の路面
   状態検知装置。
7. 【請求項７】 前記入出力手段は、道路舗装最上層より
   も下に埋設されていて道路表面に露出していないことを
   特徴とする請求項４又は５に記載の路面状態検知装置。
8. 【請求項８】 前記入出力手段は、伝送路からなり、そ
   の一端部が前記道路表面に向けて埋設されており、前記
   路面状態検知装置は、前記伝送路の一端部に誘電体を備
   えたことを特徴とする請求項４、５又は７に記載の路面
   状態検知装置。
9. 【請求項９】 前記測定手段は、前記反射波の反射成分
   から反射強度、反射係数又は前記所定周波数の電波との
   位相変化量の少なくとも１つを測定することを特徴とす
   る請求項４又は５に記載の路面状態検知装置。
10. 【請求項１０】 前記検知手段は、前記測定結果に基づ
    いて前記道路路面の乾燥・湿潤状態及び水膜厚を検知す
    ることを特徴とする請求項４又は５に記載の路面状態検
    知装置。