RU2552272C1 - Method of determining state of road surface - Google Patents

Method of determining state of road surface Download PDF

Info

Publication number
RU2552272C1
RU2552272C1 RU2014109838/03A RU2014109838A RU2552272C1 RU 2552272 C1 RU2552272 C1 RU 2552272C1 RU 2014109838/03 A RU2014109838/03 A RU 2014109838/03A RU 2014109838 A RU2014109838 A RU 2014109838A RU 2552272 C1 RU2552272 C1 RU 2552272C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
waves
road surface
amplitude
phase shift
power
Prior art date
Application number
RU2014109838/03A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Сергеевич Совлуков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2014109838/03A priority Critical patent/RU2552272C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2552272C1 publication Critical patent/RU2552272C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: inspected section of the road surface is probed by electromagnetic waves, the electromagnetic waves reflected from this surface section are received, the phase shift between the falling and reflected waves or change of amplitude (power) of the received waves is determined with reference to their values for the falling waves, respectively, the main phase shift of these waves or the main change of amplitude (power) of these waves in absence of the covering layer on the road surface is determined. A passive reflector of the falling electromagnetic waves reflecting them in the direction opposite to the direction of the probing waves is buit-in into the surface layer of the inspected section of the road. The sounding is performed by the fixed frequency electromagnetic waves at some angle other than a right angle, and by the size of additional phase shift with reference to the main phase shift or additional change of amplitude (power) of the received waves with reference to the main change of amplitude (power) of these waves the state of the road surface is obvious.
EFFECT: higher accuracy.
4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для бесконтактного определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда.The invention relates to measuring technique and can be used for non-contact determination of the state of the surface of the roadway, which may form a layer of water, snow or ice.

Известны различные способы определения состояния дорожных покрытий, основанные на различных принципах и связанные с измерением электрической емкости (US 5398547, 21.03.1995), электрической проводимости и сопротивления (US 4745803, 24.05.1988; US 4287472, 01.09.1981), с применением ультразвуковых волн (US 5095754, 17.03.1992), световых волн, в частности инфракрасного излучения и др. (Winter В. Sensoren warnen vor Wasser oder Eis auf der Strasse // Sensor magazine. 1998. N.2. P. 8). Однако они имеют определенные недостатки: некоторые из них являются контактными способами и характеризуются износом компонент применяемых измерительных устройств, связаны с применением линий связи между датчиками и электронными блоками; другие способы, являясь бесконтактными, чувствительны к погодным условиям и не могут определять толщину водного слоя.There are various methods for determining the condition of road surfaces, based on various principles and related to the measurement of electrical capacitance (US 5398547, 03.21.1995), electrical conductivity and resistance (US 4745803, 05.24.1988; US 4287472, 09.09.1981), using ultrasound waves (US 5095754, 03.17.1992), light waves, in particular infrared radiation, etc. (Winter B. Sensoren warnen vor Wasser oder Eis auf der Strasse // Sensor magazine. 1998. N.2. P. 8). However, they have certain disadvantages: some of them are contact methods and are characterized by wear of the components of the applied measuring devices, associated with the use of communication lines between sensors and electronic units; other methods, being non-contact, are sensitive to weather conditions and cannot determine the thickness of the water layer.

Известны также микроволновые способы определения состояния дорожного покрытия (US 4690553, 01.09.1987; US 5686841, 11.11.1997; Hertl S., Schaffar G., Stori H. Contactless determination of the properties of water films on road // Journal of Physics E.: Scientific Instruments. 1988. Vol.21. N.10. P. 955-958). Эти способы и реализующие их устройства позволяют производить бесконтактные измерения, определять и идентифицировать наличие воды, снега или льда на поверхности дорожного полотна и измерять их толщину. Однако известные способы имеют существенный недостаток: они не обеспечивают высокую точность измерения толщины слоя вещества (воды, снега или льда), который может быть очень тонким. Кроме того, эти способы достаточно сложны и имеют высокую стоимость реализации.Microwave methods for determining the state of pavement are also known (US 4690553, 09/01/1987; US 5686841, 11/11/1997; Hertl S., Schaffar G., Stori H. Contactless determination of the properties of water films on road // Journal of Physics E .: Scientific Instruments. 1988. Vol.21. N.10. P. 955-958). These methods and devices that implement them allow you to make non-contact measurements, determine and identify the presence of water, snow or ice on the surface of the roadway and measure their thickness. However, the known methods have a significant drawback: they do not provide high accuracy in measuring the thickness of a layer of a substance (water, snow or ice), which can be very thin. In addition, these methods are quite complex and have a high implementation cost.

Известен также способ (US 5497100, 05.03.1996), который заключается в зондировании поверхности дороги частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных волн, получении множества значений амплитуд разностных сигналов, соответствующих принимаемым и излучаемым волнам, сравнении данного множества с множеством известных моделей поверхности и определении состояния дороги по результатам этого сравнения. Данный способ характеризуется невысокой точностью и сложен в реализации: процесс получения полезной информации связан со сложной функциональной обработкой принимаемых сигналов.There is also known a method (US 5497100, 03/05/1996), which consists in sensing the road surface with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving reflected waves, obtaining a set of values of the amplitudes of the difference signals corresponding to the received and emitted waves, comparing this set with many known surface models and determining the condition of the road based on the results of this comparison. This method is characterized by low accuracy and difficult to implement: the process of obtaining useful information is associated with complex functional processing of the received signals.

Известно также техническое решение (RU 2473888 С1, 27.01.2013), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в зондировании поверхности дороги частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных волн, встраивании в поверхностный слой контролируемого участка дороги резонатора с изменяющейся в соответствии с состоянием дороги резонансной частотой электромагнитных колебаний, которые возбуждают в нем зондирующими электромагнитными волнами, измерении мощности отраженных от резонатора и принимаемых электромагнитных волн и суждении о состоянии поверхности дороги по величине частоты, соответствующей минимуму принимаемой мощности. При этом диапазон изменения частоты зондирующих электромагнитных волн выбирают из условия его превышения диапазона возможных значений резонансной частоты резонатора, соответствующих определяемому состоянию поверхности дороги.A technical solution is also known (RU 2473888 C1, 01/27/2013), which, by its technical nature, is closest to the proposed method and is adopted as a prototype. This prototype method consists in sensing the road surface with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving reflected waves, embedding a resonator in the surface layer of the controlled section of the road with a resonant frequency of electromagnetic waves that changes in accordance with the state of the road, which excite sounding electromagnetic waves in it, measuring the power of the reflected from the resonator and the received electromagnetic waves and judgment on the state of the road surface by the magnitude of the frequency, respectively the minimum received power. The frequency range of the sounding electromagnetic waves is selected from the condition that it exceeds the range of possible values of the resonant frequency of the resonator corresponding to the determined state of the road surface.

Данный способ, как и вышеупомянутые способы, сложен в реализации: процесс получения полезной информации связан с применением генератора частотно-модулированных колебаний со сложной функциональной обработкой принимаемых сигналов. Кроме того, часто затруднительно обеспечить размещение приемо-передающей антенны непосредственно над поверхностью дороги с целью ее зондирования электромагнитными волнами по нормали к ней.This method, like the above methods, is difficult to implement: the process of obtaining useful information is associated with the use of a frequency-modulated oscillator with complex functional processing of the received signals. In addition, it is often difficult to locate the transceiver antenna directly above the road surface in order to probe it with electromagnetic waves normal to it.

Поэтому существует необходимость нахождения технического решения, свободного от указанных недостатков и обеспечивающего возможность проведения измерений более простыми средствами.Therefore, there is a need to find a technical solution that is free from these shortcomings and provides the ability to take measurements with simpler means.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса определения состояния покрытия дороги.The technical result of the present invention is to simplify the process of determining the state of the road surface.

Технический результат в предлагаемом способе определения состояния поверхности дороги достигается тем, что контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны, определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для падающих волн, предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги, при этом в поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, а зондирование осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты под некоторым углом, отличным от прямого угла, и по величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги. В качестве пассивного отражателя могут быть использованы ретроотражающая металлическая пластина, ретроотражающий металлический уголковый отражатель, ретроотражающая решетка Ван Атта.The technical result in the proposed method for determining the state of the road surface is achieved by the fact that the monitored section of the road surface is probed with electromagnetic waves, electromagnetic waves reflected from this surface section are detected, the phase shift between incident and reflected waves or a change in the amplitude (power) of the received waves with respect to their the values for the incident waves, preliminarily determine, respectively, the main phase shift of these waves or the main change in amplitude (power ) of these waves in the absence of a covering layer on the road surface, while a passive reflector of incident electromagnetic waves is built into the surface layer of the road section being monitored in the direction opposite to the direction of the sounding waves, and sounding is carried out by electromagnetic waves of a fixed frequency at a certain angle different from the right angle, and the magnitude of the additional phase shift with respect to the main phase shift or additional changes in the amplitude (power) are accepted waves with respect to the main change in the amplitude (power) of these waves judged road surface condition. As a passive reflector, retroreflective metal plate, retroreflective metal corner reflector, Van Atta retroreflective grating can be used.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.The proposed method is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображена схема размещения устройства для реализации способа.Figure 1 shows the layout of the device for implementing the method.

На фиг.2 приведена структурная схема устройства для реализации способа.Figure 2 shows the structural diagram of a device for implementing the method.

На фиг.3 приведена схема зондирования с применением пластинчатого пассивного ретроотражателя.Figure 3 shows the sensing circuit using a plate passive retroreflector.

На фиг.4 приведена схема зондирования с применением уголкового пассивного ретроотражателя.Figure 4 shows the sensing scheme using a corner passive retroreflector.

На фиг.5 приведена схема зондирования с применением ретроотражающей решетки Ван Атта.Figure 5 shows the sounding scheme using a retro-reflective van Atta lattice.

На чертежах показаны поверхность дороги 1, слой воды, льда или снега 2, ретроотражатель 3, штанга 4, антенна 5, СВЧ-генератор 6, циркулятор 7, детектор 8, регистратор 9, элементы антенной решетки Ван Атта 10, 11, 12 и 13, линии передачи 14 и 15.The drawings show the surface of the road 1, a layer of water, ice or snow 2, retroreflector 3, rod 4, antenna 5, microwave generator 6, circulator 7, detector 8, recorder 9, elements of the antenna array Van Atta 10, 11, 12 and 13 , transmission lines 14 and 15.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

Если нет возможности производить измерения с закреплением СВЧ-устройства, применяемого для реализации способа, над поверхностью дороги, то может быть применена схема измерения с боковым, у обочины дороги, расположением устройства. Это устройство может быть реализовано с применением пассивных ретронаправляющих элементов, которые отражают микроволны в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражателей. Такой ретроотражатель обеспечивает прием отраженных волн той же приемо-передающей антенной, где бы она ни была расположена.If it is not possible to make measurements with fixing the microwave device used to implement the method above the road surface, then a measurement scheme with a lateral location at the roadside of the device can be applied. This device can be implemented using passive retro-guiding elements that reflect microwaves in the direction opposite to the direction of the probe waves, i.e. retroreflectors. Such a retroreflector provides the reception of reflected waves by the same transceiver antenna, wherever it is located.

Согласно данному способу зондирование контролируемого участка поверхности дороги осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты с помощью приемо-передающей антенны, располагаемой у обочины дороги, под некоторым углом, отличным от прямого угла, то есть не по нормали к поверхности дороги; возможно применение также и раздельных передающей и приемной антенн. Принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны и определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для зондирующих волн. При этом предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги. В поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражатель. Здесь нет необходимости иметь линии связи между погруженным в поверхностный слой ретроотражателем и электронным блоком, расположенным вне дороги на ее обочине. Встраиваемый пассивный отражатель, как и сама поверхность дороги (например, асфальта), подвержены возможному присутствию на них слоя воды, льда или снега на дорожном полотне и влиянию его параметров (толщины, электрофизических параметров). По величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги.According to this method, the sensing of a controlled section of the road surface is carried out by electromagnetic waves of a fixed frequency using a transceiver antenna located at the side of the road, at a certain angle different from the right angle, that is, not normal to the road surface; It is also possible to use separate transmitting and receiving antennas. The electromagnetic waves reflected from this surface area are received and the phase shift between the incident and reflected waves or a change in the amplitude (power) of the received waves with respect to their values for the sounding waves is determined. In this case, the main phase shift of these waves or the main change in the amplitude (power) of these waves in the absence of a covering layer on the road surface is preliminarily determined. A passive reflector of the incident electromagnetic waves in the direction opposite to the direction of the sounding waves, that is, a retro-reflector, is built into the surface layer of the controlled section of the road. There is no need for communication lines between the retroreflector immersed in the surface layer and the electronic unit located off the road at its side. The built-in passive reflector, like the surface of the road (for example, asphalt), is subject to the possible presence of a layer of water, ice or snow on the roadway and the influence of its parameters (thickness, electrophysical parameters). The magnitude of the additional phase shift with respect to the main phase shift or an additional change in the amplitude (power) of the received waves with respect to the main change in the amplitude (power) of these waves is judged on the state of the road surface.

В отсутствие какого-либо покрывающего слоя воды, снега или льда на поверхности дороги основной фазовый сдвиг или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн определяется изменением, соответственно, фазы или амплитуды в воздушном пространстве между измерительным устройством и поверхностью дороги. При наличии же какого-либо слоя на поверхности дороги, а именно при присутствии на ней слоя воды, льда или снега, появляется дополнительный фазовый сдвиг Δφ по отношению к указанному основному фазовому сдвигу и дополнительное изменение амплитуды ΔА (мощности ΔР) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн. Выходом сигнал данного измерительного устройства зависит, в зависимости от того, что служит информативным параметром, от величины суммарного фазового сдвига или изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн. Этот фазовый сдвиг или изменение амплитуды (мощности) изменяются в зависимости от толщины покрывающего поверхность дороги слоя. Они также зависят и от электрофизических параметров, в частности диэлектрической проницаемости покрывающего слоя (воды, льда или снега).In the absence of any covering layer of water, snow or ice on the road surface, the main phase shift or the main change in the amplitude (power) of these waves is determined by the change, respectively, of the phase or amplitude in the air space between the measuring device and the road surface. If there is any layer on the road surface, namely, if there is a layer of water, ice or snow on it, an additional phase shift Δφ with respect to the indicated main phase shift and an additional change in the amplitude ΔA (power ΔP) of the received waves with respect to the main change in the amplitude (power) of these waves. The output signal of this measuring device depends, depending on what serves as an informative parameter, on the magnitude of the total phase shift or changes in the amplitude (power) of the received waves. This phase shift or change in the amplitude (power) varies depending on the thickness of the layer covering the road surface. They also depend on the electrophysical parameters, in particular the dielectric constant of the covering layer (water, ice or snow).

На фиг.1 приведена схема размещения устройства для реализации данного способа. Устройство может быть размещено у края (на обочине) измерительного участка поверхности дороги 1 с возможным наличием на ней слоя льда или снега 2, обеспечивая зондирование этого участка под углом, отличным от прямого угла, то есть не по нормали к поверхности дороги 1. В поверхностный слой контролируемого участка дороги 1 встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражатель 3. С помощью штанги 4 закреплена приемо-передающая антенна 5. Излучение антенны 5 направлено под углом, отличным от прямого угла.Figure 1 shows the layout of the device for implementing this method. The device can be placed at the edge (on the sidelines) of the measuring section of the road surface 1 with the possible presence of an ice or snow layer 2 on it, providing sounding of this section at an angle different from the right angle, that is, not normal to the surface of road 1. To the surface the layer of the monitored section of the road 1 embeds a passive reflector of the incident electromagnetic waves in the direction opposite to the direction of the sounding waves, that is, retroreflector 3. Using the rod 4, a transmitting and receiving antenna is fixed 5. Radiation 5 of the antenna is directed at an angle different from a right angle.

Здесь электромагнитные волны, излучаемые приемо-передающей антенной 5, отражаются от контролируемого участка поверхности дороги 1 с возможным слоем воды, льда или снега 2. Эти отраженные волны принимаются приемо-передающей антенной 5. Определение параметров принимаемых волн (фазового сдвига между падающими и отраженными волнами; изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к ее значению для падающих волн) позволяет, при сопоставлении этих данных с априори найденным множеством аналогичных значений в отсутствие покрывающего слоя, идентифицировать поверхностный слой дороги и измерить его параметры.Here, the electromagnetic waves emitted by the transceiver antenna 5 are reflected from the monitored portion of the road surface 1 with a possible layer of water, ice or snow 2. These reflected waves are received by the transceiver antenna 5. Determination of the parameters of the received waves (phase shift between incident and reflected waves ; changes in the amplitude (power) of the received waves with respect to its value for incident waves) allows, when comparing these data with a priori found many similar values in the absence of covering a layer, a surface layer of the road identify and measure its parameters.

Структурная схема устройства для реализации способа приведена на фиг.2. Здесь СВЧ-генератор 6 электромагнитных колебаний фиксированной частоты подсоединен через циркулятор 7 к антенне 5, зондирующей контролируемый участок поверхности дороги 1, которое содержит пассивный ретроотражатель 3 с покрывающим его, возможно, слоем 3 воды, снега или льда. Электромагнитные волны, отраженные от данного ретроотражателя 3, поступают через циркулятор 7 на детектор 8 (при измерении фазового сдвига это фазовый детектор); затем принимаемый сигнал подается на регистратор 9. В этом блоке производится сравнение принимаемого сигнала с предварительно определенным множеством значений аналогичного сигнала (основного фазового сдвига этих волн или основного измененяе амплитуды (мощности) этих волн) в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги и, как результат этого сравнения, идентификация поверхностного слоя дороги и измерение его параметров.The structural diagram of a device for implementing the method is shown in figure 2. Here, a microwave frequency generator 6 of electromagnetic oscillations of a fixed frequency is connected through a circulator 7 to an antenna 5 probing a controlled portion of the road surface 1, which contains a passive retroreflector 3 with, possibly, a layer 3 of water, snow or ice covering it. Electromagnetic waves reflected from this retroreflector 3 enter through the circulator 7 to the detector 8 (when measuring the phase shift it is a phase detector); then the received signal is fed to the recorder 9. In this block, the received signal is compared with a predefined set of values of a similar signal (the main phase shift of these waves or the main change in the amplitude (power) of these waves) in the absence of a covering layer on the road surface and, as a result of this comparisons, identification of the surface layer of the road and measurement of its parameters.

Для определения состояния поверхности дороги, обусловленного наличием на ее поверхности слоя осадков или его отсутствием, необходимо знать электрофизические параметры возможных веществ на его поверхности - воды, снега и льда в СВЧ-диапазоне частот электромагнитных волн. Поскольку электрофизические параметры воды, снега и льда существенно отличаются от единицы (что соответствует отсутствию такого слоя на дороге) и друг от друга (Nyfors E.G., Vainikainen P. Industrial microwave sensors. Artech House, Inc. 1989. 351 p.), то значения дополнительного фазового сдвига Δφ по отношению к основному фазовому сдвигу (в отсутствие покрывающего слоя 2) и диапазон его изменения, а также значения дополнительного изменения амплитуды ΔА (мощности ΔР) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн (в отсутствие покрывающего слоя 2) существенно отличаются при наличии того или иного слоя на поверхности дороги или при его отсутствии. Это позволяет определить, какой вид слоя осадков (вода, снег или лед) присутствует на дороге (или отсутствует), а также по величине изменения Δφ или ΔА найти его толщину.To determine the state of the road surface due to the presence of a precipitation layer on its surface or its absence, it is necessary to know the electrophysical parameters of the possible substances on its surface - water, snow and ice in the microwave frequency range of electromagnetic waves. Since the electrophysical parameters of water, snow, and ice differ significantly from unity (which corresponds to the absence of such a layer on the road) and from each other (Nyfors EG, Vainikainen P. Industrial microwave sensors. Artech House, Inc. 1989. 351 p.), The values additional phase shift Δφ with respect to the main phase shift (in the absence of cover layer 2) and the range of its change, as well as the value of the additional change in the amplitude ΔA (power ΔP) of the received waves with respect to the main change in the amplitude (power) of these waves (in the absence of a cover layer 2) differ significantly in the presence of a layer on the surface of the road or in its absence. This allows you to determine what type of precipitation layer (water, snow or ice) is present on the road (or absent), and also to find its thickness by the magnitude of the change Δφ or ΔА.

На фиг.3 приведена схема зондирования с применением пластинчатого пассивного ретроотражателя. В качестве пассивного ретронаправляющего отражателя 5 для такого зондирования может быть применена плоская металлическая пластина, располагаемая под некоторым углом. Такой ретроотражатель 3 обеспечивает прием отраженных волн той же антенной 5, где бы она ни была расположена. Наклон пластинчатого ретроотражателя 3 должен соответствовать положению антенны 5. Здесь путь распространения электромагнитных волн состоит из части пути в воздухе и части пути в поверхностном слое дороги; это должно быть принято во внимание при вычислении фазового сдвига или (и) изменения амплитуды (мощности) принимаемой волны по сравнению с соответствующими характеристиками зондирующей волны. На поверхности такого пластинчатого ретроотражателя 3 может быть размещена тонкая пластина диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана).Figure 3 shows the sensing circuit using a plate passive retroreflector. As a passive retro-reflecting reflector 5, a flat metal plate placed at a certain angle can be used for such sensing. Such a retroreflector 3 provides reception of reflected waves by the same antenna 5, wherever it is located. The slope of the plate retroreflector 3 should correspond to the position of the antenna 5. Here, the path of propagation of electromagnetic waves consists of a part of the path in the air and part of the path in the surface layer of the road; this should be taken into account when calculating the phase shift or (and) changes in the amplitude (power) of the received wave compared with the corresponding characteristics of the probe wave. On the surface of such a plate retroreflector 3, a thin dielectric plate with small dielectric constant and dielectric loss tangent, for example, fluoroplastic (not shown), can be placed.

В качестве пассивного ретронаправляющего микроволнового элемента, который может помочь в обеспечении требуемой информации о состоянии поверхности дороги 1, может быть также применен 90°-уголковый металлический отражатель. На фиг.4 приведена схема зондирования с уголкового пассивного ретроотражателя 3. В прямоугольном металлическом уголковом отражателе ретронаправленность вытекает из фазового сопряжения падающих волн на каждом элементе перед отражением (Margerum D.L. Self-phased arrays. In Microwave scanning antennas, Vol.III, Ch.5, Hansen R.C., Ed. Los Altos CA: Peninsula. 1985. P. 366-382). Устройство может быть расположено у обочины дороги и может облучать контролируемую область поверхности дороги 1 под углом, отличным от 90° к ее поверхности. Такой ретроотражатель 3 обеспечивает прием отраженных волн той же антенной 5, где бы она ни была расположена. Наклон прямоугольного уголкового ретроотражателя 3 и размеры его боковых элементов должны соответствовать положению антенны 5. И здесь путь распространения электромагнитных волн состоит из части пути в воздухе и части пути в поверхностном слое дороги; это должно быть принято во внимание при вычислении фазового сдвига или (и) изменения амплитуды (мощности) принимаемой волны по сравнению с соответствующими характеристиками зондирующей волны. На поверхностях боковых элементов такого уголкового ретроотражателя 3 могут быть размещены тонкие пластины диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана).As a passive retro-guiding microwave element, which can help in providing the required information about the state of the road surface 1, a 90 ° angled metal reflector can also be used. Figure 4 shows the sounding scheme from an angular passive retroreflector 3. In a rectangular metal angular reflector, retro-directivity follows from the phase conjugation of the incident waves on each element before reflection (Margerum DL Self-phased arrays. In Microwave scanning antennas, Vol.III, Ch.5 , Hansen RC, Ed. Los Altos CA: Peninsula. 1985. P. 366-382). The device can be located at the side of the road and can irradiate a controlled area of the surface of the road 1 at an angle different from 90 ° to its surface. Such a retroreflector 3 provides reception of reflected waves by the same antenna 5, wherever it is located. The slope of the rectangular corner retroreflector 3 and the dimensions of its side elements must correspond to the position of the antenna 5. And here the path of propagation of electromagnetic waves consists of part of the path in the air and part of the path in the surface layer of the road; this should be taken into account when calculating the phase shift or (and) changes in the amplitude (power) of the received wave compared with the corresponding characteristics of the probe wave. Thin dielectric plates with small values of dielectric constant and dielectric loss tangent, for example, fluoroplastic (not shown), can be placed on the surfaces of the side elements of such an angular retroreflector 3.

На фиг.5 приведена схема зондирования с применением ретроотражающей решетки Ван Атта. Известна ретроотражающая решетка Ван Атта, которая содержит соединенные между собой линии передачи для фазового сопряжения (US 2908002, 10.06.1959). В частности, возможна реализация такой планарной ретроотражающей антенны (Hewitt B.S. The evolution of radar technology into commercial systems // 1994 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. San Diego, Calif. 1994. Vol.3. P.1271-1274). Здесь соединение элементов устраняет любую разность фаз между антенными элементами, если сигнал принимается под углами, иными, чем пеленг к антенне. Вследствие этого падающие волны переизлучаются в направлении, откуда они пришли. Общая длина пути от источника к элементу решетки и затем обратно является постоянной величиной для всех элементов решетки, каждый рассеянный сигнал возвращается синфазно к источнику. Пример такой решетки с четырьмя антенными элементами показан на фиг.5. Здесь элементы 10, 11, 12 и 13 линейной антенной решетки соединены линиями передач 14 и 15 симметрично в пары по отношению к геометрическому центру этой решетки. Этот пассивный ретроотражатель размещается под поверхностью дороги 1 с возможным покрывающим слоем 2. На поверхности такой решетки может быть размещена тонкая пластина диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана). Приемо-передающая антенна 3 размещена у обочины дороги. Возможны различные реализации решетки Ван Атта в качестве ретроотражателей, включая планарные конструкции.Figure 5 shows the sounding scheme using a retro-reflective van Atta lattice. Known retro-reflective Van Atta lattice, which contains interconnected transmission lines for phase coupling (US 2908002, 10.06.1959). In particular, it is possible to implement such a planar retroreflective antenna (Hewitt BS The evolution of radar technology into commercial systems // 1994 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. San Diego, Calif. 1994. Vol.3. P.1271-1274) . Here, the connection of the elements eliminates any phase difference between the antenna elements if the signal is received at angles other than the bearing to the antenna. As a result, incident waves are re-emitted in the direction from which they came. The total path length from the source to the grating element and then back is a constant for all grating elements, each scattered signal returns in phase to the source. An example of such an array with four antenna elements is shown in FIG. Here, the elements 10, 11, 12 and 13 of the linear antenna array are connected by transmission lines 14 and 15 symmetrically in pairs with respect to the geometric center of this array. This passive retroreflector is placed under the surface of road 1 with a possible covering layer 2. On the surface of such a grating, a thin dielectric plate with small values of dielectric constant and dielectric loss tangent, for example fluoroplastic (not shown), can be placed. Transceiver antenna 3 is located at the side of the road. Various implementations of the Van Atta lattice as retro-reflectors are possible, including planar structures.

Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью определять состояние поверхности дороги. Он дает возможность фиксировать наличие или отсутствие на поверхности дороги слоя воды, снега или льда и производить их идентификацию.Thus, this method allows quite simply and with high accuracy to determine the state of the road surface. It makes it possible to record the presence or absence of a layer of water, snow or ice on the road surface and to make their identification.

Claims (4)

1. Способ определения состояния поверхности дороги, при котором контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны, определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для падающих волн, предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги, отличающийся тем, что в поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, а зондирование осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты под некоторым углом, отличным от прямого угла, и по величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги.1. The method of determining the state of the road surface, in which the monitored section of the road surface is probed by electromagnetic waves, electromagnetic waves reflected from this surface section are received, the phase shift between the incident and reflected waves or the change in the amplitude (power) of the received waves relative to their values for incident waves, pre-determine, respectively, the main phase shift of these waves or the main change in the amplitude (power) of these waves in the absence of a covering layer I am on the road surface, characterized in that a passive reflector of electromagnetic waves incident on it is embedded in the surface layer of the road section being monitored in the direction opposite to the direction of the sounding waves, and sounding is carried out by electromagnetic waves of a fixed frequency at a certain angle different from the right angle and in magnitude additional phase shift with respect to the main phase shift or additional changes in the amplitude (power) of the received waves with respect to the main and Menenius amplitude (power) of these waves judged road surface condition. 2. Способ определения состояния поверхности дороги по п.1, отличающийся тем, что в качестве пассивного отражателя используют ретроотражающую металлическую пластину.2. The method of determining the state of the road surface according to claim 1, characterized in that a retroreflective metal plate is used as a passive reflector. 3. Способ определения состояния поверхности дороги по п.1, отличающийся тем, что в качестве пассивного отражателя используют ретроотражающий металлический уголковый отражатель.3. The method of determining the state of the road surface according to claim 1, characterized in that a retroreflective metal corner reflector is used as a passive reflector. 4. Способ определения состояния поверхности дороги по п.1, отличающийся тем, что в качестве пассивного отражателя используют ретроотражающую решетку Ван Атта. 4. The method for determining the state of the road surface according to claim 1, characterized in that the Van Atta retroreflective grating is used as a passive reflector.
RU2014109838/03A 2014-03-14 2014-03-14 Method of determining state of road surface RU2552272C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109838/03A RU2552272C1 (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method of determining state of road surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014109838/03A RU2552272C1 (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method of determining state of road surface

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2552272C1 true RU2552272C1 (en) 2015-06-10

Family

ID=53294861

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014109838/03A RU2552272C1 (en) 2014-03-14 2014-03-14 Method of determining state of road surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2552272C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5497100A (en) * 1994-10-17 1996-03-05 Hughes Aircraft Company Surface condition sensing system
RU2298197C2 (en) * 2001-05-31 2007-04-27 Интелскан Орбилгютэкни Ехф. Device and method of measuring of at least one physical parameter of material by means of microwaves
JP4176586B2 (en) * 2002-08-07 2008-11-05 名古屋電機工業株式会社 Road surface condition determination method and apparatus
RU2473888C1 (en) * 2011-09-22 2013-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of determining state of road surface

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5497100A (en) * 1994-10-17 1996-03-05 Hughes Aircraft Company Surface condition sensing system
RU2298197C2 (en) * 2001-05-31 2007-04-27 Интелскан Орбилгютэкни Ехф. Device and method of measuring of at least one physical parameter of material by means of microwaves
JP4176586B2 (en) * 2002-08-07 2008-11-05 名古屋電機工業株式会社 Road surface condition determination method and apparatus
RU2473888C1 (en) * 2011-09-22 2013-01-27 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Method of determining state of road surface

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9476975B2 (en) Non-linear resonating sensor and a method
Huang et al. Measurement of sea surface wind direction using bistatic high-frequency radar
US6097189A (en) Object locating system
US10101288B2 (en) Wireless impedance spectrometer
CA3096950C (en) System and method for measurement of material property using variable reflector
KR101550949B1 (en) Resonant reflector assembly and method
Kalansuriya et al. Towards chipless RFID-based sensing for pervasive surface crack detection
Millard et al. Field pattern characteristics of GPR antennas
US8604971B2 (en) Scanning near field electromagnetic probe
FI122310B (en) Procedure, systems and computer software for remote measurement of RFID identifiers
Yamaguchi et al. Synthetic aperture FM-CW radar applied to the detection of objects buried in snowpack
Dey et al. Novel chipless RFID high resolution crack sensor based on SWB technology
Donelli et al. Remote inspection of the structural integrity of engineering structures and materials with passive MST probes
Le Breton et al. Monitoring snowpack SWE and temperature using RFID tags as wireless sensors
US8072367B1 (en) Organically reactive cell for underground sensing (ORCUS) and system
RU2473888C1 (en) Method of determining state of road surface
Batrakov et al. Comparative study of signal processing of two UWB GPR antenna units
Cao et al. Evaluation of pavement system based on ground-penetrating radar full-waveform simulation
RU2552272C1 (en) Method of determining state of road surface
Hartikainen et al. Algorithm to process the stepped frequency radar signal for a thin road surface application
Yi et al. Wireless crack sensing using an RFID-based folded patch antenna
RU2550778C1 (en) Method of determining state of road surface
Redman et al. Measurement of bulk electrical properties using GPR with a variable reflector
Friedt et al. High-overtone bulk acoustic resonator as passive ground penetrating RADAR cooperative targets
Orfeo et al. Bistatic antenna configurations for air-launched ground penetrating radar

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190315