基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法技术

本发明专利技术提供一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，将太赫兹雷达安装在车灯前端或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ

【技术实现步骤摘要】
基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法
本专利技术属于路面检测
，具体涉及一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法。
技术介绍
路面状况，如光滑度、冰雪厚度等，一直是影响驾驶安全的重要因素。车辆或者驾驶员通过掌握路面状况，可以实时判断路况的好坏，从而及时控制驾驶速度、照明方式等。在天气寒冷的季节，雨、雪天气常会造成路面出现不同厚度的冰层，影响驾驶速度和安全性。微波信号的波长在米的量级，所以常使用微波雷达来探测海峡、冰川等区域的冰层厚度。挪威的极地研究所人员TorgnyVinje等人于1998年将微波雷达成功应用于冰层厚度检测，探测范围从2.43米到3.15米。微波的波长大约在毫米到米的量级之间，而路面冰层的厚度变化往往在毫米、亚毫米量级，两者差距较大，导致微波对冰层厚度微小变化的敏感性非常低。此外，冰层表面的粗糙颗粒尺寸在毫米、亚毫米量级，也无法利用个毫米波进行准确测量。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提供一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，使用太赫兹信号，太赫兹信号的波长较小，刚好处于毫米与亚毫米的量级，其与冰层进行作用后所得的响应更强也更加准确，对冰层厚度与光滑度的检测灵敏度更高，这样，就可以为车辆和驾驶人员提供更加准确的道路特征信息，从而提高行车效率与驾驶安全性。具体的技术方案为：将太赫兹雷达安装在车灯前段或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ1发射一个太赫兹信号到结冰路面，待信号与结冰路面相互作用之后，后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由其接收；接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与结冰路面之间的相互作用信息；整个反射现象分为三类，空气-冰层分界面的反射，冰层内部的后向散射和冰层-路面分界面的反射。根据辐射传输理论，将所有项相加，可得到总反射率为其中，a＝κs/κe为冰层的单次散射反射率，其中κs和κe分别为冰层中的散射衰减和总衰减系数；Υ＝exp(κedsecθ2)表示在冰层中的传输衰减，d表示冰层厚度，θ2表示冰层中的折射角；p表示太赫兹波的平行或垂直偏振。Γ1表示空气-冰层分界面的反射率，Γ2表示冰层-路面分界面的反射率，可表示为：这里，h代表平行偏振，v代表垂直偏振，θ3表示道路中的折射角；n1＝1表示空气的折射率；表示冰的折射率，ε2为冰的介电常数；表示路面的折射率，ε3为路面的介电常数。在获得温度、入射角θ1和太赫兹波频率的情况下，可以获得冰和路面的介电常数，进而获得公式(2)、(3)、(4)、(5)的反射率和公式(1)中的单次散射反射率、冰层中的散射衰减和总衰减系数以及冰层中的折射角。最后，根据公式(1)可获得总反射率和冰层厚度d之间的关系，从而进行冰层厚度的测量。其中，所述的太赫兹信号频率为140GHz、220GHz或者340GHz。太赫兹波是频率高于微波的电磁波，具有更大的带宽和更短的波长，可以实现对路面的高分辨率检测。与现有的毫米波雷达相比，太赫兹雷达对路面的光滑度更加敏感，且利用尺寸更小、体积更轻的太赫兹雷达可以减小系统体积、提高系统集成度。除此之外，与光学雷达相比，太赫兹雷达对大多数类型的污染、遮挡物以及室外的恶劣天气粒子的影响较小；这使得它们能够在雪、雨、雾以及雾霾等恶劣天气下光学传感失效时，满足对路面检测的需求。附图说明图1为实施例的太赫兹雷达结构示意图；图2为实施例使用太赫兹雷达集成在汽车上的测试示意图；图3为实施例太赫兹雷达作用于路边结冰层的反射现象示意图；图4为实施例使用频率为140GHz太赫兹信号辐射到没有冰路面的测试结果示意图；图5为实施例使用频率为220GHz太赫兹信号辐射到没有冰路面的测试结果示意图；图6为实施例使用频率为340GHz太赫兹信号辐射到没有冰路面的测试结果示意图；图7为实施例使用频率为140GHz太赫兹信号辐射到光滑路面的测试结果示意图；图8为实施例使用频率为220GHz太赫兹信号辐射到光滑路面的测试结果示意图；图9为实施例使用频率为340GHz太赫兹信号辐射到光滑路面的测试结果示意图；图10为实施例的雷达集成应用在路灯上测试示意图；图11为实施例的雷达集成应用在信号灯上测试示意图。图12为实施例的雷达集成应用在无人机上测试示意图。图13为实施例的雷达集成应用在隧道内测试示意图。具体实施方式结合实施例说明本专利技术的具体技术方案。如图1所示，太赫兹雷达主要包括天线、发射机、接收机和功率计。太赫兹雷达不同于微波、毫米波雷达，太赫兹雷达的发射机可以发射太赫兹信号，并将其馈送到天线，而后经过天线辐射到结冰路面上。该天线可以是喇叭天线、卡塞格伦天线、也可以是天线阵列。经过道路散射之后，后向散射信号被同一天线收集，在通过收发转换开关后，经接收机发送给功率计如图2所示，本实施例将太赫兹雷达应用于结冰路面。在使用雷达进行路面检测时，可将其安装在车灯内部。该雷达可用于发射太赫兹信号，待信号与结冰路面相互作用之后，路面辐射的后向散射信号返回到雷达，并由其接收。雷达接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与结冰路面之间相互作用的信息。太赫兹雷达是现有的技术，其尺寸、重量比微波、毫米波天线要小，使得雷达设备更小、更便携、更便于集成到其他设备上。如图3，整个反射现象分为三类，空气-冰层分界面的反射，冰层内部的后向散射和冰层-路面分界面的反射。根据辐射传输理论，将所有项相加，可得到总反射率为其中，a＝κs/κe为冰层的单次散射反射率，其中κs和κe分别为冰层中的散射衰减和总衰减系数；Υ＝exp(κedsecθ2)表示在冰层中的传输衰减，d表示冰层厚度，θ2表示冰层中的折射角；p表示太赫兹波的平行或垂直偏振。Γ1表示空气-冰层分界面的反射率，Γ2表示冰层-路面分界面的反射率，可表示为：这里，h代表平行偏振，v代表垂直偏振，θ3表示道路中的折射角；n1＝1表示空气的折射率；表示冰的折射率，ε2为冰的介电常数；表示路面的折射率，ε3为路面的介电常数。在获得温度、入射角θ1和太赫兹波频率的情况下，可以获得冰和路面的介电常数，进而获得公式(2)、(3)、(4)、(5)的反射率和公式(1)中的单次散射反射率、冰层中的散射衰减和总衰减系数以及冰层中的折射角。最后，根据公式(1)可获得总反射率和冰层厚度d之间的关系，从而进行冰层厚度的测量。太赫兹雷达可以安装在车灯前端或者道路灯杆上，并以一个角度θ1(θ1可调)、频率为140GHz、220GHz和340GHz的太赫兹信号辐射到路面。如图4，当使用频率为140GHz的信号时，假设在路面没有冰的时候，雷达接收到的信号功率为X(dBm)。当雷达接收的信号功率为Y(dBm)＝XdBm+(-5dB)＝X-5dBm的时候，则认定为路面开始结冰。...

【技术保护点】
1.基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将太赫兹雷达安装在车灯前端或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ

【技术特征摘要】
1.基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，其特征在于，包括以下步骤：
将太赫兹雷达安装在车灯前端或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ1发射一个太赫兹信号到结冰路面，待信号与结冰路面相互作用之后，后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由其接收；接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与结冰路面之间的相互作用信息；
整个反射现象分为三类，空气-冰层分界面的反射，冰层内部的后向散射和冰层-路面分界面的反射；根据辐射传输理论，将所有项相加，得到总反射率为：



其中，a＝κs/κe为冰层的单次散射反射率，κs和κe分别为冰层中的散射衰减和总衰减系数；Υ＝exp(κedsecθ2)表示在冰层中的传输衰减，d表示冰层厚度，θ2表示冰层中的折射角；p表示太赫兹波的平行或垂直偏振；Γ1表示空气-冰层分界面的反射率...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建军，李沛安，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11