一种路面气象状态探测方法以及路面气象状态传感器技术

本发明专利技术属于传感技术领域，涉及一种探测方法及其传感装置，用于道路路面以及机场、码头等设施的地面积水、结冰、积雪等情况的监测。该装置包括埋入路面的传感器外桶，在传感器外桶的顶部开口处设置有与路面平接的透明盖板，在传感器外桶内依次设置有激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器激光光源通过光学镜组分出两路激光光束，楔形棱镜的斜面面向透明盖板下表面，接收来自各个界面向下的反射光束，图像传感器位于楔形棱镜下方用以接收激光光束，图像传感器的输出端还连接有数据处理模块。

【技术实现步骤摘要】
一种路面气象状态探测方法以及路面气象状态传感器
本专利技术属于传感
，涉及一种探测方法及其传感装置，用于道路路面以及 机场、码头等设施的地面积水、结冰、积雪等情况的监测。
技术介绍
为了提高道路的通行效率，需要实时地获得各种信息。考虑到各种车辆都依靠地 面摩擦力行驶和制动，路面积水、积雪、冻结都会显著降低轮胎与地面的摩擦力，所以路面 状况信息非常紧密地关系到道路通信效率和行车安全。应该注意到，为了加速冰雪的融化，路政部门往往会喷洒路盐。无机矿物盐会改变 水的相变点，因此，单纯地依靠温度传感器测量路面结冰情况是很不准确的，必须有专门的 冰冻传感器测量路面是否冻结。在先技术之一基于电导率测量的埋入式传感器。在水盐混合体系的液相中，无机盐被解离为正 负离子，这些离子作为载流子，使盐水具有一定的电导率。当体系转变为固相，根据相变理 论，盐分会从体系中结晶析出，体系中载流子的丧失会导致电导率的变化。因而，通过测量 电导率的变化，可以准确地判断路面是否冻结。根据具体实现方式的不同，电导率法可以分 为二电极法、四电极法、以及电诱导法等。这一类技术的优点是原理简单、性能可靠。缺点是只能判断路面是否结冰，不能提 供全面的路面气象信息。在先技术之二主动温度测量法。这个方法人为地改变一小块敏感区域的温度，制造一个相变过 程，根据相变理论，在相变过程中温度是不变的，那么能够保持一段时间不变的温度就是相 变点。如果升温过程出现了相变点，那么说明路面原本是冻结的，如果降温过程出现相变 点，说明路面原本是未冻结的。这个方法的优点是不受污染物的影响，缺点同样是功能单一，不能提供全面的路 面气象信息。在先技术之三气压式路面冰冻传感器。这种传感器的主要部分是铺设在路面下的一条压缩空气 管道，管道的出口开设在路面上。当路面冻结时，管道出口就会被堵塞，通过测量管内气压 的变化就可判断路面冰冻程度。这种方法需要比较复杂的设施，比如压缩空气的设备和气压测量仪表，导致了成 本上升。在先技术之四噪声法通过探测轮胎与路面之间的摩擦噪音，可以获得路面的冰冻信息。这个方 法目前还很不成熟。在先技术之五基于多普勒雷达原理测量水面厚度，通过测量雨滴的密度、速度、体积等获得降雨量的数据，并且由此推算出路面的水膜厚度。这种方法属于间接测量，成本也比较高。在先技术之五Vaisala公司的DRS511传感器将发射和接收光纤埋设在路面之下，光纤的端面朝向路面。输出光纤向水膜发射一个光波，水膜的上表面将光波反射，并由接收光纤收集反射回的光能量，由此判断出水膜的厚度。这种方法功能单一，只能够测量路面水膜厚度，不能够判断路面是否结冰。在先技术之六红外光谱法，由于水和冰的红外反射光谱略有不同，通过观察光谱特征，可以判断出路面的冰冻状态。通过红外吸收的量值，也可以判断出路面水膜的厚度。这一类方法的优点在于，这是一种非埋入式的方法，应用比较灵活，而且功能比较齐全；缺点在于，一来价格比较昂贵，二来还处在发展的初期，性能不是特别可靠。此外，光学窗口对灰尘污染比较敏感，需要定期清洁。
技术实现思路
为克服上述
技术介绍
存在的缺陷，本专利技术提供一种路面气象状态探测方法以及根据该方法设计的一种路面气象状态传感器，能够探测路面积水厚度并判断路面是否结冰、是否积水等气象状态息。本专利技术的技术方案如下一种路面气象状态探测方法，包括以下环节( I)在路面中埋设传感器外桶，传感器外桶的顶部开口处设置透明盖板，在传感器外桶内设置激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；(2)激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、 β，则步骤(I)中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角；(3)当路面有积水时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射进入水层，在水层与空气的界面处反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到4个光点；当路面覆盖冰层时，到达透明盖板上表面的两路激光光束中，入射角为α的一路发生全反射，另一路有一部分反射，另一部分经折射进入冰层，在冰层与空气的界面处反射折回；再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到3个光占. 当路面干燥时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到2个光点；(4)反射折回的各路激光光束经过楔形棱镜后间距被扩大；对于入射角β所属一路的激光光束，通过测量其在图像传感器上形成的两个光斑的距离，计算出水层/冰层的厚度。一种路面气象状态传感器，包括埋入路面的传感器外桶，在传感器外桶的顶部开口处设置有与路面平接的透明盖板，在传感器外桶内依次设置有激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤(I)中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角； 楔形棱镜的斜面面向透明盖板下表面，接收来自各个界面向下的反射光束，图像传感器位于楔形棱镜下方用以接收激光光束，图像传感器的输出端还连接有数据处理模块。基于上述系统基本结构，本专利技术还进一步优化改进如下上述光学镜组由第一反射镜、半透半反镜、第二反射镜、第三反射镜，激光光源通过半透半反镜分出透射光路和反射光路，其中透射光路上依次设置所述第一反射镜、第二反射镜，反射光路上设置所述第三反射镜，来自第二反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为β，来自第三反射镜到达透明盖板上表面的激光光束的入射角为α。根据本专利技术的技术思想，本领域技术人员也可以以常规手段设计出其他具体形式的光学镜组，例如，可以用其他光路结构代替第一反射镜和半透半反镜实现相同的功能。激光光源也可以直接设置成两个，则可省去第一反射镜和半透半反镜。上述数据处理模块可以也设置于传感器外桶内，并安装于一个电路板上，激光光源的电源模块也可以安装于该电路板上。上述激光光源可以采用1-2微米波段的光源。本专利技术具有以下优点(I)本专利技术能够利用一套装置实现路面积水厚度的探测以及路面状态的判断；(2)本专利技术结构简单、造价低廉。(3)本专利技术不依靠 某个物理量连续变化的数值判断是否结冰，而是通过水变为冰时折射率的突变，因而具有更高的判断可靠性。附图说明图1为本专利技术的纵向剖面结构；也可视为路面干燥时的探测原理示意图。图2本专利技术探测水膜厚度的原理示意图。图3本专利技术探测路面状态的原理示意图，路面覆盖物为冰。图4本专利技术探测路面状态的原理示意图，路面覆盖物为水。附图标号说明1-传感器外桶；2_透明盖板；3_楔形棱镜；4_图像传感器；5_激光光源；6_数据传输线；7-信号处理电路板；8_本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种路面气象状态探测方法，包括以下环节：（1）在路面中埋设传感器外桶，传感器外桶的顶部开口处设置透明盖板，在传感器外桶内设置激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；（2）激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β，则步骤（1）中设置的光学镜组能够确保α小于水?透明盖板界面的全反射临界角，大于冰?透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰?透明盖板界面的全反射临界角；（3）当路面有积水时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射进入水层，在水层与空气的界面处反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到4个光点；当路面覆盖冰层时，到达透明盖板上表面的两路激光光束中，入射角为α的一路发生全反射，另一路有一部分反射，另一部分经折射进入冰层，在冰层与空气的界面处反射折回；再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到3个光点；当路面干燥时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到2个光点；（4）反射折回的各路激光光束经过楔形棱镜后间距被扩大；对于入射角β所属一路的激光光束，通过测量其在图像传感器上形成的两个光斑的距离，计算出水层/冰层的厚度。...

【技术特征摘要】
1.一种路面气象状态探测方法，包括以下环节(1)在路面中埋设传感器外桶，传感器外桶的顶部开口处设置透明盖板，在传感器外桶内设置激光光源、光学镜组、楔形棱镜以及图像传感器；(2)激光光源通过所述光学镜组分出两路激光光束，并且这两路激光光束分别以不同的入射角入射至透明盖板下表面，这两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射到达透明盖板上表面；设两路激光光束经折射到达透明盖板上表面的入射角分别为α、β， 则步骤(I)中设置的光学镜组能够确保α小于水-透明盖板界面的全反射临界角，大于冰-透明盖板界面的全反射临界角，β小于冰-透明盖板界面的全反射临界角；(3)当路面有积水时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均有一部分反射，另一部分经折射进入水层，在水层与空气的界面处反射折回，再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到4个光点；当路面覆盖冰层时，到达透明盖板上表面的两路激光光束中，入射角为α的一路发生全反射，另一路有一部分反射，另一部分经折射进入冰层，在冰层与空气的界面处反射折回；再依次经透明盖板、楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到3个光占.当路面干燥时，到达透明盖板上表面的两路激光光束均反射折回，再依次经透明盖板、 楔形棱镜投射在图像传感器上；此时图像传感器上探测到2个光点；(4)反射折回的各路激光光束经过楔形棱镜后间距被扩大；对于入射角β所属一路的激光光束，通过测量其在图像传感器上形成的两个光斑的距离，计算出水层/冰层的厚度。2.一种路面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王允韬，阮驰，徐松松，孙有群，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：