一种非接触式路面黑冰状态的检测方法技术

本发明专利技术涉及一种非接触式路面黑冰状态的检测方法。该方法通过分析比较路面的光谱反射数据，实现对路面情况的有效判定，尤其解决了现有技术无法对黑冰路面进行判定的问题。该方法的主要实施步骤包括：1、绘制路面状态的反射率光谱图；2、选取三种波长A、B、C，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；3、根据步骤2的相对反射率设定路面状态判断条件；4、采用与步骤2相同三种波长A、B、C，照射待测路面，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，从而进行路面状态的判定。

A Non-contact Detection Method of Black Ice State on Pavement

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式路面黑冰状态的检测方法
本专利技术涉及一种公路路面情况监测技术，具体涉及一种非接触式路面黑冰状态的检测方法。
技术介绍
近年我国高速公路建设发展迅速，高速公路里程迅速增加，然而我国的公路交通事故也越来越多。冰雪天气状况会极大地影响道路通行的安全性和畅通性，对于突发天气变化尤为明显。由于各种车辆都依靠地面摩擦力行驶和制动，路面积水、积雪、结冰都会显著降低轮胎与地面的摩擦力，所以路面气象状态信息是道路气象信息中非常关键的组成部分。据相关部门统计，冰雪天气下诱发道路交通事故，特别是路面黑冰(BlackIce，也叫暗冰)的形成导致交通事故发生的机率变得很大。由于视觉上不易察觉，给行车出行带来严重的安全威胁，同时也给公路网的安全、高效运行带来了严重影响。当天气突发降温，一旦公路的路面温度低于0°时，低于结冰的临界点，路面潮湿积水、易产生路面黑冰。造成路面潮湿的原因并不完全来自与天气降水，一些路段由于货车刹车片洒水冷却、以及空气湿度大降温达到露点温度，也会造成路面潮湿，为黑冰的形成提供了条件。路面黑冰由于冰层厚度很薄，甚至冰粒存在于路面细缝之中，道路本身的柏油颜色会从其中透射出来，造成本身冰面的可分辨视度很低，与道路融为一体，不易被人察觉。这种黑色的薄冰，由于其本身温度并不是特别低，所以在冰的表面有一层融化的水，使得这种黑冰路面比温度低的厚冰路面湿滑系数低。路面黑冰的存在大大降低了路面的摩擦力，将会让车辆失去控制，打滑、打转、刹车距离显着延长，容易使车辆发生打滑和侧翻，给道路交通安全带来极大隐患。路面黑冰最常出现的地方是临近水域或是非常潮湿的地方，例如湖边、河边、水道边、以及潮湿的山谷的低洼处的道路上。目前，做好冰冻路段高速公路的安全保障工作，提升交通运行安全水平，减少交通堵塞和事故发生，已成为交通行业各部门亟待解决的重要问题。路面颗粒缝隙间留存的少量水被冻结形成黑冰结构如图1所示，路面黑冰是路面颗粒缝隙间留存的少量水被冻结形成的。在视觉上，黑冰与路面结冰不同，不易被准确判断，因此对行车安全带来极大危害。目前准确监测路面黑冰的技术手段还不成熟。当前已经有数种路面气象传感器面世，包括埋入式和非接触式测量传感器，但都没有黑冰探测功能。非接触式路面状态传感器利用光学方法探测路面气象状态，能分辨路面积水、结冰、积雪等状态，但是也无法识别路面黑冰，原因是由于冰颗粒嵌入在路面材料颗粒缝隙中，冰结构所占面积小，引起路面散射系数、折射率变化小，特征光谱信号弱，因此直接测量时，黑冰状态一般测量输出为积水、泥水混合物、冰水混合物、结冰，甚至输出积雪的结果，因此黑冰路面的准确探测一直是路面状况监测技术的难题研究方向。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术提供了一种非接触式路面检测方法，通过分析比较路面的光谱反射数据，实现对路面情况的有效判定，尤其解决了现有技术无法对黑冰路面进行判定的问题。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术提供了一种非接触式路面黑冰状态的检测方法，包括以下步骤：【1】绘制路面状态的反射率光谱图；选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图；所述其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；【2】在1050nm-1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；RA相＝RA其/RA干；RB相＝RB其/RB干；RC相＝RA其/RB干；其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件；情况1：当RA相≈RB相≈RC相≈1，则认为路面状态为干燥状态；情况2：当1＞RA相＞RC相＞RB相，则认为路面状态为积水状态；情况3：当RA相＞RB相＞RC相，且1＞RA相＞0.56，1＞RB相＞0.48，1＞RC相＞0.28，则认为路面状态为黑冰状态；情况4：当RA相＞RB相＞RC相，且0.56＞RA相≥0，0.48＞RB相≥0，0.28＞RC相≥0，则认为路面状态为普通结冰状态；情况5：当RA相＞RB相＞RC相，且RA相＞1.5，则认为路面状态为积雪状态；【4】采用与步骤【2】相同三种波长A、B、C，照射待测路面，得到待测路面在三种波长下的反射率，通过该反射率和干燥状态下的反射率，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，分别记为RA`相、RB`相以及RC`相，从而进行路面状态的判定：当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况1时，则该路面判定为干燥状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况2时，则该路面判定为积水状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况3时，则该路面判定为黑冰状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况4时，则该路面判定为普通结冰状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况5时，则该路面判定为积雪状态。进一步地，三个不同波长的近红外光的发射源采用激光器；激光器的光功率为20～40mW。进一步地，上述激光器包括光发射端和光接收端；光发射端和光接收端贴合设置；光发射端的出射光束照射到待测路面后发生反射，光接收端接收反射光信号；出射光束与被测路面之间的夹角为θ，θ的取值范围为30°-70°，激光器与被测路面之间的距离h为2-10m。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术采用相对反射率测量，可以消除不同路面材料的影响，适合各种常用路面测量。通过比较不同波长激光的路面反射光谱特性，可以有效实现对路面状态的测量，尤其是对黑冰路面的测量。2、本专利技术采用激光照射路面实现路面状态测量是一种非接触测量方法，设备可安装在路边，简单方便。附图说明图1为黑冰路面的示意图。图2为干燥状态、积水状态、普通结冰、黑冰状态的反射率光谱图。图3为积雪状态的反射率光谱图。图4为利用本专利技术方法时激光器的安装位置示意图。具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本专利技术的方法做进一步详细的介绍：步骤【1】需要绘制路面状态的反射率光谱图；选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图，其中，其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；具体做法是：针对路面样品在波长1050nm-1650nm范围内，对路面样品1在干燥状态、积水状态、普通结冰、黑冰以及积雪等不同路面状态进行了反射率光谱测试，绘制成反射率光谱图。如图2，其中，sample01为路面样品；dry为干燥状态；thinfilm为薄水膜；thicklayer为厚水层(薄水膜和厚水层均为积水状态)；ice为普通结冰状态；blackice为黑冰状态；dip10min为干燥路面状态光功率降低几倍后的光谱曲线，曲线形状与dry相同，只是测量值大小不同，表明光谱曲线形状与照射光功率无关。在波长1050nm-1650nm范围内，对路面样品在纯净积雪状态、脏雪状态等不同积雪状态进行了反射率光谱测试，绘制成反射率光谱图。如图3，其中：puresnow：纯净的雪；dirtysn本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式路面黑冰状态的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：【1】绘制路面状态的反射率光谱图；选择波长范围1050nm‑1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图；所述其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；【2】在1050nm‑1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；RA相＝RA其/RA干；RB相＝RB其/RB干；RC相＝RA其/RB干；其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件；情况1：当RA相≈RB相≈RC相≈1，则认为路面状态为干燥状态；情况2：当1＞RA相＞RC相＞RB相，则认为路面状态为积水状态；情况3：当RA相＞RB相＞RC相，且1＞RA相＞0.56，1＞RB相＞0.48，1＞RC相＞0.28，则认为路面状态为黑冰状态；情况4：当RA相＞RB相＞RC相，且0.56＞RA相≥0，0.48＞RB相≥0，0.28＞RC相≥0，则认为路面状态为普通结冰状态；情况5：当RA相＞RB相＞RC相，且RA相＞1.5，则认为路面状态为积雪状态；【4】采用与步骤【2】相同三种波长A、B、C，照射待测路面，得到待测路面在三种波长下的反射率，通过该反射率和干燥状态下的反射率，计算出三种波长A、B、C对应的相对反射率，分别记为RA`相、RB`相以及RC`相；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况1时，则该路面判定为干燥状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况2时，则该路面判定为积水状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况3时，则该路面判定为黑冰状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况4时，则该路面判定为普通结冰状态；当RA`相、RB`相以及RC`相之间的关系满足情况5时，则该路面判定为积雪状态。...

【技术特征摘要】
1.一种非接触式路面黑冰状态的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：【1】绘制路面状态的反射率光谱图；选择波长范围1050nm-1650nm近红外光分别对不同状态的路面进行照射，并绘制路面在干燥状态和其他状态下的反射率光谱图；所述其他状态为积水状态、黑冰状态、普通结冰状态以及积雪状态；【2】在1050nm-1650nm波长范围内选取三种波长A、B、C，波长A、B、C依次增大，计算其对应的相对反射率RA相、RB相、RC相；RA相＝RA其/RA干；RB相＝RB其/RB干；RC相＝RA其/RB干；其中，RA其、RB其、RB其分别为三种波长A、B、C在其他状态下的反射率；RA干、RB干、RC干分别为三种波长A、B、C在干燥状态下的反射率；【3】根据步骤【2】的相对反射率设定路面状态判断条件；情况1：当RA相≈RB相≈RC相≈1，则认为路面状态为干燥状态；情况2：当1＞RA相＞RC相＞RB相，则认为路面状态为积水状态；情况3：当RA相＞RB相＞RC相，且1＞RA相＞0.56，1＞RB相＞0.48，1＞RC相＞0.28，则认为路面状态为黑冰状态；情况4：当RA相＞RB相＞RC相，且0.56＞RA相≥0，0.48＞RB相≥0，0.28＞RC相≥0，则认为路面状态为普通结冰状态；情况5：当RA相＞RB相＞RC...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮驰，王允韬，马新旭，
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：陕西,61