紅外遙測(cè)式路面狀況傳感器的水厚度測(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]。