紅外遙測(cè)式路面善傳感器的水厚度測(cè)量

　　1 概述

　　路面狀況傳感器根據(jù)水、冰、雪的不同紅外光譜特性，通過(guò)對(duì)干燥路面反射的光譜信息和有覆蓋物的情況下得到的光譜信息的對(duì)比，實(shí)時(shí)檢測(cè)路面的干、潮、積水狀態(tài)，測(cè)量水、冰、雪的覆蓋類型和覆蓋厚度。克服了現(xiàn)有接觸式路面狀態(tài)傳感器安裝復(fù)雜、維護(hù)困難的缺點(diǎn)，而且具有實(shí)測(cè)面積大、目標(biāo)更直接、路況信息更真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。本論文詳細(xì)闡述了多光譜在路面水厚度檢測(cè)的應(yīng)用。

　　2 傳感器檢測(cè)原理

　　2.1 測(cè)量波長(zhǎng)的選擇

　　紅外光照射在水冰雪上發(fā)生散射、吸收、反射、折射等一系列作用[1]，路面狀況根據(jù)水吸收光譜、冰吸收光譜、雪散射光譜篩選出三個(gè)波長(zhǎng)紅外光，λ2和λ3處于水和冰的吸收峰，由于照面表面反射及水分子和固體顆粒對(duì)光信號(hào)的吸收和散射共同作用，實(shí)測(cè)到的后向散射信號(hào)的表現(xiàn)如下，其中水對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的主要為反射和吸收，后向散射系數(shù)λ1>λ3>λ2;冰對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的后向散射系數(shù)λ1>λ2>λ3;雪對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的后向散射系數(shù)[2]λ1>λ2>λ3;根據(jù)三個(gè)后向散射光信號(hào)與路面干燥時(shí)光信號(hào)的比值的大小及差值，可以定性分析路面狀況、計(jì)算出水冰雪厚度。

　　2.2 硬件電路結(jié)構(gòu)

　　傳感器使用單色性好、體積小、工作電壓低的激光二極管提供陣列式紅外光源，以脈沖調(diào)制波發(fā)射紅外光束，利用反饋電流穩(wěn)定光功率[3]、溫度補(bǔ)償穩(wěn)定光譜;光電二極管接收反射回來(lái)的微弱的紅外光信號(hào)，利用兩級(jí)電路進(jìn)行濾波、放大，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，送入微處理器，進(jìn)入模型計(jì)算(如圖1)。

　　2.3 檢測(cè)理論支持

　　將傳感器以一定角度架設(shè)在路邊，在路面干燥時(shí)進(jìn)行干標(biāo)定，獲得干參數(shù)DP1、DP2、DP3，一旦傳感器位置角度等變化都會(huì)引起干參數(shù)變化，需要重新進(jìn)行干標(biāo)定。各條件不變時(shí)干參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定，傳感器有干信號(hào)自動(dòng)調(diào)整功能，補(bǔ)償路面和鏡頭污染引起的干參數(shù)的微量變化;各條件不變化時(shí)，一旦路面潮濕、積水、結(jié)冰、積雪，入射光由于照面表面反射及水分子和固體顆粒對(duì)光信號(hào)的吸收和散射共同作用，實(shí)測(cè)到的三個(gè)后向散射光信號(hào)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，根據(jù)三個(gè)信號(hào)的大小關(guān)系可以判別路面狀態(tài)(如圖2)，根據(jù)判斷的覆蓋物種類進(jìn)入不同的厚度計(jì)算公式;根據(jù)物質(zhì)的吸光度可以計(jì)算覆蓋物厚度，測(cè)量理論基礎(chǔ)為修正的朗伯-比爾定律，采用三波長(zhǎng)測(cè)量能夠減小覆蓋物顆粒度等引起的測(cè)量誤差，比單波長(zhǎng)進(jìn)行更精確的測(cè)量[4]。

　　基礎(chǔ)朗伯(Lambert)定律闡述為：光被透明介質(zhì)吸收的比例與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。在光程上每等厚層介質(zhì)吸收相同比例值的光。

　　基礎(chǔ)比爾(Beer)定律闡述為：光被吸收的量正比于光程中產(chǎn)生光吸收的分子數(shù)目。

　　Ln( Io/I)= εCd (1)

　　公式1中：Io—入射光強(qiáng)度;I—通過(guò)樣品后的透射光強(qiáng)度;ln(Io/I)—稱為吸光度;C—為樣品濃度，我們測(cè)量的是純物質(zhì)，C=1;d—為光程;ε—為光被吸收的比例系數(shù)，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)。

　　適用于本傳感器的原理公式為：

　　Ln( os/dp)= εd+k (2)

　　公式2中：dp—干信號(hào);os—有覆蓋物時(shí)的光信號(hào);d—覆蓋物厚度;k—常數(shù)，路面等條件的影響。

　　道面狀況傳感器采用的是三個(gè)波長(zhǎng)的陣列光譜法，根據(jù)水冰雪對(duì)三個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)具有不同的吸光系數(shù)，可以判斷覆蓋物類型;根據(jù)物質(zhì)的吸光度可以計(jì)算覆蓋物厚度[4]。

　　公式推導(dǎo)：

　　分析結(jié)果：選擇多元線性回歸方法分析數(shù)據(jù)，假定被解釋變量與多個(gè)解釋變量之間具有線性關(guān)系，是解釋變量的多元線性函數(shù)，稱為多元線性回歸模型。即

　　Y=β0+β1 X1+…+βk Xk+μ

　　其中Y為被解釋變量，Xj(j=1，2，…，k)為第j個(gè)解釋變量，βj(j=1，2，…，k)為第j個(gè)未知參數(shù)，μ為隨機(jī)誤差項(xiàng)。

　　由以上推導(dǎo)可知，只要有足夠代表性的數(shù)據(jù)，就可以求出對(duì)應(yīng)水冰雪厚度的3組系數(shù)，達(dá)到物質(zhì)辨別和測(cè)量厚度的目的。

　　3 水厚測(cè)量試驗(yàn)

　　通過(guò)對(duì)多種石材的強(qiáng)度和親水性進(jìn)行試驗(yàn)考察，選定用特制的鋪有水泥面的花崗巖精密平臺(tái)作為水標(biāo)定試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，以高精度磁致伸縮液位傳感器作為水厚度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以人工和攝像頭作為輔助觀測(cè)方法。

　　通過(guò)多次試驗(yàn)總結(jié)出水標(biāo)定可行的試驗(yàn)方法：

　　首先將試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)平，然后將傳感器架設(shè)于平臺(tái)附近，使其照射于平臺(tái)中心，進(jìn)行干信號(hào)標(biāo)定，在平臺(tái)上加水2mm，使其自然蒸發(fā)至干燥，完成一個(gè)試驗(yàn)周期。

　　4 試驗(yàn)結(jié)果分析

　　4.1 建模

　　設(shè)計(jì)的標(biāo)定平臺(tái)和標(biāo)定方法為模型建立提供了充分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了測(cè)量模型的建立。

　　從圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，光信號(hào)2處于水的吸收峰，所以道路表面一旦出現(xiàn)水膜，光信號(hào)2會(huì)劇烈減小，而且Ln(dp2/os2)一直大于Ln(dp1/os1)和Ln(dp3/os3)，但是水厚增加到一定程度，由于光信號(hào)2返回信號(hào)幾乎接近最小值時(shí)，與水厚的線性關(guān)系發(fā)生畸變，但是Ln(dp1/os1)和Ln(dp3/os3)與水的線性度在2mm內(nèi)一直保持良好。

　　模型建立的基本方法是利用matlab、spss數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性逐步回歸分析，得到光信號(hào)和不同物質(zhì)的計(jì)算公式，多次標(biāo)定模型復(fù)相關(guān)系數(shù)均>0.92(遠(yuǎn)高于可接受限值0.75)，光信號(hào)變化能很好的解釋覆蓋物種類及厚度變化;該模型在條件不變的情況下，得到很好的測(cè)量結(jié)果。

　　水厚度計(jì)算公式:

　　H水厚=0.465 Ln(dp3/os3)-0.749 Ln(dp1/os1))+0.3

　　狀態(tài)判斷如表1。

　　4.2 驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)介紹：利用人工觀察狀態(tài)和傳感器測(cè)量厚度與樣機(jī)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

　　物質(zhì)厚度單位：mm，狀態(tài)：0 干 1 潮 2水

　　5 結(jié)論

　　根據(jù)多次室內(nèi)室外試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，干、潮、水區(qū)分比較準(zhǔn)確，因?yàn)樗焙统备煞纸巛^為模糊，分界處狀態(tài)和觀察狀態(tài)稍有出入，但只是在相鄰兩個(gè)狀態(tài)有所差異，不影響狀態(tài)變化走勢(shì)，測(cè)量的水厚和水蒸發(fā)線性趨勢(shì)吻合。干信號(hào)根據(jù)目標(biāo)路面標(biāo)定后，干信號(hào)的大小在較大范圍內(nèi)不影響路面狀態(tài)的判斷，測(cè)量的水厚度誤差會(huì)有差異，證明傳感器具有較強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張龍浩,張杰,胡青.紅外式冰箱結(jié)霜傳感器的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究.儀表技術(shù)與傳感器,2013(5)

　　[2]Kokhanovsky A A,Zege E P.Scattering optics of snow.APPLIED OPTICS,2004,Vol.43,No.71(March):1589—1602

　　[3]王鐵流,萬(wàn)薇.陣列式紅外探測(cè)器在列車軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用.電子產(chǎn)品世界,2013(2)

　　[4]許文海,楊明偉,唐文彥.多功能半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的研制[J].紅外與激光工程,2004(5)

　　[5]羅國(guó)安.可見(jiàn)紫外定量分析及微機(jī)應(yīng)用.上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1988:45