一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法，属于气象监测领域，该方法包括：将选出的水、冰、雪的红外光波段分别通过红外激光发射器照射至路面监测区域，并接收各自返回的光信号；采集路面温度和空气温度；利用郎伯比尔定律分别计算水、冰、雪的检测厚度，再利用厚度辅助单元测量水、冰、雪各自的厚度辅助校准值对检测厚度进行修正，获得水、冰、雪的实际厚度，根据采集路面温度、空气温度和修正后的水、冰、雪的实际厚度判断路面状态。本发明专利技术增加了路面温度以及空气环境温湿度检测，以及厚度辅助检测等多要素综合判断，增加路面状态监测的准确性，减少错误以及误报等情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法
本专利技术涉及气象监测领域，具体涉及一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法。
技术介绍
多频电容检测技术主要是通过多频电容在不同的环境条件下不同的电容值来区分干湿等环境条件，对多频电容进行充放电并测量电容上的电压来辨别不同的路面环境条件。因此该技术可以辨别路面干燥、潮湿、结冰及覆雪等环境条件。但破坏路面结构，施工有一定难度，运行时间久了，容易出现损坏。振管式检测技术是基于振动原理设计，振动体采用了振管形式。振管是探测结冰情况的敏感元件，利用具有磁致伸缩能力的恒弹合金作为振管材料。当探头表面结有冰层时，探头的固有频率会随着冰层的加厚而成比例降低，因此通过检测谐振频率的偏移量就可得出冰层的厚度。该方法对工作环境要求高，探头伸出表面，检查精度高，但是不适合在高速公路等车辆需要经常行驶的场合，并且破坏路面结构，施工有一定难度。路面温度法检测技术先对路面温度进行预测，主要包括道路因素和天气因素，根据当前检测的天气情况对下一个时刻的路面温度预测的数学模型进行研究，该分析方法需要掌握具体点位的气象数据，不然不精准。对积水，结冰，积雪厚度更是无法精准判断分析。基于摄像的检测技术基于摄像的检测技术是通过对结冰层横面实时摄像，然后用合适的软件计算出横向端面结冰层的平均厚度来实现结冰厚度测量的，其最大特点在于可以测量某一断面的结冰层的平均厚度。利用视频的方法准确度比较差，对于黑冰视频无法识别，恶劣天气和夜晚视频检查效果不理想。基于卫星遥感只在大尺寸某个区域进行冰雪的建模分析，对于具体的公路路面这个具体的环境具体的点不适用。根据光学原理，光入射到物体表面时，将使同物质相互作用。一部光将规则反射，一部分光进入物体表面后被物体散射和吸收，没有被散射和吸收的光将透过物体第二界面发生同进入第一界面时相同的相互作用。路面上的介质可能是水、冰、雪或者空气，不同波长的红外光在冰、水和雪表面的反射光强不同。现有技术中，公开号为CN102967561A，名称为“一种后向多波长红外光谱非接触式路面状况检测方法”的中国专利技术授权专利，基于上述光学原理，提出了一种后向多波长红外光谱非接触式路面状况检测方法，其技术方案为：基于水、冰、雪的红外光谱特性实现了路面状况的非接触测量，首先将筛选出来的三个不同波长的红外光通过发射透镜照射目标物形成照射面，然后接收经过照射面反射及吸收和散射后的光信号，根据信号的大小关系可以判别路面状态，最后利用相应的厚度计算公式计算覆盖物的厚度，从而检测出路面的状况。上述专利的不足之处在于：上述方案的受干扰程度较大，假设出现车辆或其他遮挡物后，测量的厚度有限，容易导致测量结果不准确，并且通过上述方法检测出来的水冰雪厚度只是通过理论计算得到的检测值，具有偶然性，判断条件单一，无法结合多方影响因素得出更加准确的路面状态。
技术实现思路
本专利技术旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法，通过对水、冰、雪各自独立检测，以及增加路面温度以及空气环境温湿度检测，以及厚度辅助检测等多要素综合判断，增加路面状态监测的准确性，减少误报。为了实现上述专利技术目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1、根据水、冰、雪各自的吸收光谱，选择各自对应的波长分别为λ1、λ2、λ3的红外光，将选出的红外光分别通过三个红外激光发射器照射至路面监测区域，并利用探测单元接收各自返回的光信号；S2、采集路面温度Troad和空气温度Tair；S3、利用郎伯比尔定律分别计算测得的水、冰、雪的检测厚度，计算公式如下：ln(I/T)=Ed′+k，其中，I为干标定信号，T为返回的光信号，d′为检测厚度，E为吸光系数，k为受路面条件影响的常数；基于上述公式，得到水、冰、雪的检测厚度分别为d1′、d2′、d3′；ln(I1/T1)=E1d1′+k1，ln(I2/T2)=E2d2′+k2，ln(I3/T3)=E3d3′+k3，其中，I1、I2、I3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的干标定信号；T1、T2、T3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的接收信号，E1为水在波长λ1下的吸光系数，E2为冰在波长λ2下的吸光系数，E3为雪在波长λ3下的吸光系数；S4、利用厚度辅助单元测量厚度辅助校准值w；S5、按照如下公式修正检测厚度d′，获得实际厚度d，修正公式如下：d=Kd′+K′w，其中，K+K′=1，K和K′分别为厚度计算时，检测厚度d′与厚度辅助校准值w的权重，通过实验算出；S6、设修正后的水、冰、雪的实际厚度分别为d1、d2、d3，水、冰、雪对应的厚度辅助校准值分别为w1、w2、w3，根据以下条件判断路面状态：当Troad或者Tair大于0时，若d1=0，d2=0，d3=0，路面状态为干燥，若0.1＞d1＞0，d2=0，d3=0，路面状态为湿，若d1＞0.1，d2=0，d3=0，路面状态为积水；当Troad小于0并且Tair大于0时，若d1＞0，d2＞0，路面状态为冰水混合；当Troad并且Tair小于0时，若d2＞0，w2≥0，路面状态为结冰；当Troad并且Tair小于0时，若d3＞0，w3≥0，路面状态为积雪。进一步的，所述厚度辅助单元为一个圆柱形容器，其内部设有测重传感器以及测高传感器，根据测重传感器检测容器内覆盖物的重量G计算覆盖物的质量m=G/g；根据测高传感器测出容器内覆盖物的厚度w，已知容器的圆的半径r，可算出对应覆盖物的体积V=2πr*w，再根据质量、密度、体积关系公式m=ρv，得出密度ρ，来判断覆盖物的种类。进一步的，筛选出的水的红外光波长λ1为930nm，冰的红外光波长λ2为1310nm，雪的红外光波长λ3为1470nm。进一步的，路面温度Troad为热电堆单元采集一段时间内的路面温度的平均值，空气温度Tair为空气温湿度检测单元采集一段时间内的空气温度的平均值。综上所述，本专利技术具有以下优点：本专利技术所述的公路路面状态监测方法，通过实验校正装置直接检测到的水、冰、雪厚度检测值，并增设路面温度以及空气环境温湿度、厚度辅助单元提供厚度辅助校准值，作为路面状态的判断要素，结合多个要素下的综合判断，增加了路面状态监测的准确性，提高了监测结果的可信度，减少了路面状态错误以及误报等情况。附图说明图1为实施例一种新型公路路面状态监测装置的实施示例图；图2为实施例一种新型公路路面状态监测装置的结构示意图；图3为实施例一种新型公路路面状态监测装置的部件分布图；图中：1、主控单元，2、数据传输单元，3、信号处理单元，4、探测单元，5、积水光电单元，6、结冰光电单元，7、积雪光电单元，8、厚度辅助单元，9、信号增强辅助单元，10、热电堆单元，11、空气温湿度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/nS1、根据水、冰、雪各自的吸收光谱，选择各自对应的波长分别为λ1、λ2、λ3的红外光，将选出的红外光分别通过三个红外激光发射器照射至路面监测区域，并利用探测单元（4）接收各自返回的光信号；/nS2、采集路面温度Troad和空气温度Tair；/nS3、利用郎伯比尔定律分别计算测得的水、冰、雪的检测厚度，计算公式如下：/nln(I/T)=Ed′+k，/n其中，I为干标定信号，T为返回的光信号，d′为检测厚度，E为吸光系数，k为受路面条件影响的常数；/n基于上述公式，得到水、冰、雪的检测厚度分别为d1′、d2′、d3′；/nln(I1/T1)=E1d1′+k1，/nln(I2/T2)=E2d2′+k2，/nln(I3/T3)=E3d3′+k3，/n其中，I1、I2、I3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的干标定信号；T1、T2、T3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的接收信号，E1为水在波长λ1下的吸光系数，E2为冰在波长λ2下的吸光系数，E3为雪在波长λ3下的吸光系数；/nS4、利用厚度辅助单元（8）测量厚度辅助校准值w；/nS5、按照如下公式修正检测厚度d′，获得实际厚度d，修正公式如下：/nd=Kd′+K′w，/n其中，/nK+K′=1，K和K′分别为厚度计算时，检测厚度d′与厚度辅助校准值w的权重，通过实验算出；/nS6、设修正后的水、冰、雪的实际厚度分别为d1、d2、d3，水、冰、雪对应的厚度辅助校准值分别为w1、w2、w3，根据以下条件判断路面状态：/n当Troad或者 Tair大于0时，若d1=0，d2=0，d3=0，路面状态为干燥，若0.1＞d1＞0，d2=0，d3=0，路面状态为湿，若d1＞0.1，d2=0，d3=0，路面状态为积水；/n当Troad小于0并且 Tair大于0时，若d1＞0，d2＞0，路面状态为冰水混合；/n当Troad并且 Tair小于0时，若d2＞0，w2≥0，路面状态为结冰；/n当Troad并且 Tair小于0时，若d3＞0，w3≥0，路面状态为积雪。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于红外激光的新型公路路面状态监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、根据水、冰、雪各自的吸收光谱，选择各自对应的波长分别为λ1、λ2、λ3的红外光，将选出的红外光分别通过三个红外激光发射器照射至路面监测区域，并利用探测单元（4）接收各自返回的光信号；
S2、采集路面温度Troad和空气温度Tair；
S3、利用郎伯比尔定律分别计算测得的水、冰、雪的检测厚度，计算公式如下：
ln(I/T)=Ed′+k，
其中，I为干标定信号，T为返回的光信号，d′为检测厚度，E为吸光系数，k为受路面条件影响的常数；
基于上述公式，得到水、冰、雪的检测厚度分别为d1′、d2′、d3′；
ln(I1/T1)=E1d1′+k1，
ln(I2/T2)=E2d2′+k2，
ln(I3/T3)=E3d3′+k3，
其中，I1、I2、I3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的干标定信号；T1、T2、T3分别为波长λ1、λ2、λ3对应的接收信号，E1为水在波长λ1下的吸光系数，E2为冰在波长λ2下的吸光系数，E3为雪在波长λ3下的吸光系数；
S4、利用厚度辅助单元（8）测量厚度辅助校准值w；
S5、按照如下公式修正检测厚度d′，获得实际厚度d，修正公式如下：
d=Kd′+K′w，
其中，
K+K′=1，K和K′分别为厚度计算时，检测厚度d′与厚度辅助校准值w的权重，通过实验算出；
S6、设修正后的水、冰、雪的实际厚度分别为d1、d2、d3，水、冰、雪对应的厚度辅助校准值分别为...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱绪平，杨海涛，高鹏飞，刘强，胡正海，代李涛，
申请(专利权)人：四川九通智路科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51