一种非接触式双波长激光路面状态检测及判别方法技术

本发明专利技术涉及一种路面气象状态监测技术，具体涉及一种非接触式双波长激光路面状态检测器，包括有激光器、激光驱动器、光束准直和聚焦系统、探测器以及数据采集系统，其特征在于：所述激光器为两个DFB激光器，激光波长分别为1310nm与1550nm，所述光束准直和聚焦系统的准直镜和聚焦镜采用红外消色差镜片制作，所述探测器为光电探测器，其位于探测路面上方3‑5m位置。采用本发明专利技术方案的非接触式双波长激光路面状态检测器，环境适应力强，设备安装简单，具有探测距离远、高量程、低成本等优势，能有效促进非接触式路面气象传感技术的推广普及。

【技术实现步骤摘要】
一种非接触式双波长激光路面状态检测及判别方法
本专利技术涉及一种路面气象状态监测技术，具体涉及一种非接触式双波长激光路面状态检测及判别方法。
技术介绍
石高速公路具有车速高、通行能力大的特点，在社会经济发展中可降低运输成本，提高运输效率，还可以带动周边经济发展，因此高速公路具有极高得经济效益。我国高速公路发展截至2018年底，总里程突破14万公里，位居世界第一。据统计，我国在公路运输、水运运输、铁路运输、民用空运、管道运输几大类型的运输中，公路运输占到了78.8％，水路运输运占10.94％，铁路运输占8.81％，民航空运占1.44％，管道运输占0.01％，可见我国运输主要集中在公路运输，其中高速路为公路运输的主要途径。在高速公路带来巨大的经济效益时，由于高封闭性、高车速所带来的交通事故也一直高居不下。这些交通事故带来大量人员伤亡以及巨大的财产损失，研究发现路面气象环境对交通有着极大的关联，当高速公路路面出现冰雪，事故率急剧上升，直接威胁着出行人员的人身财产安全，同时也直接影响着交通运输效率。这是由于高速路上平均车速高达80km/h，在冰雪天气下，路面结冰会大大降低汽车轮胎与路面的摩擦，导致汽车制动距离延长以及转向打滑等，加上雪天能见度降低，从而使得交通事故发生率急剧增加。根据英国的气候条件与交通事故资料统计，降雪时高速公路事故发生率是干燥路面的5倍，结冰时事故发生率是干燥路面的8倍。为了减少冰雪天气造成的交通事故损失，国内外都在加强对道路路面气象情况的监测，除了人工巡检外，也有部分采用更为先进的路面气象传感技术，目前市面上已有的路面气象传感器主要分为接触时与非接触式两种，接触传感式发展比较成熟，如电导率法、多普勒雷达法、电容法等，但此类传感器采取埋入式安装方式，需要破坏路基，部署灵活性较差，而且对水膜厚度的检测量程一般小于5mm，尚未达到引用NASA模型计算滑水速度所要求的7.62mm量程；非接触式传感器主要利用路面反射的红外光谱特征进行气象检测，具备不破坏路面的特点，但多波长红外激光成像技术其无法得知路面水膜厚度，同时短波红外成像设备的成本相对较高，难以得到广泛应用；而采用单波长红外激光的非接触式气象传感器，虽然能够对干燥、积水、结冰状态进行判断，设备成本低，但对积水和结冰状态的分辨需要依赖外部温度检测装置，使得仪器结构趋于复杂。因此急需要一种技术，以对干燥、积水、结冰状态进行判断，并能对路面水膜厚度进行准确测量计算。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种路面气象状态的检测装置以精准测量路面水膜厚度，便于对道路路面气象情况进行准确的判断。为解决上述技术问题提，本专利技术提供一种非接触式双波长激光路面状态检测器，包括有激光器、激光驱动器、光束准直和聚焦系统、探测器以及数据采集系统，其中，所述激光器为两个DFB激光器，激光波长分别为1310nm与1550nm，所述光束准直和聚焦系统的准直镜和聚焦镜采用红外消色差镜片制作，所述探测器为光电探测器，其位于探测路面上方3～5m位置，探测光束以20°～30°的角度照射路面。由于高反射率波段携带的厚度信息较少，低反射率波段的光强太弱不利于检测，本专利通过大量实验对比综合分析后，采用1310nm为作为水膜的第一检测波长，这样有效提高检测精度，此外由于光通信中也大量使用1310nm，这又能大幅降低激光器成本；同时本申请采用光通信波长1550nm作为第二检测波长，申请人长期研究发现1550nm波长具有易被冰、水大量吸收的特点，其反射光强主要取决于冰、水的表面反射率，而实际结冰路面存在结冰不均匀、覆盖杂质和表面结霜等情况，冰、水表面对1550nm光的反射率差异显著，通过这些差异即可实现对干燥、积水、结冰等路面气象状态的准确判别。作为优选方案，为了避免因路面局部起伏引起反射率突变，导致测量误差增大，所述探测器将激光投射在路面的光斑直径大于500mm。作为优选方案，通过仿真优化，选择所述准直镜和聚焦镜的焦距均为35mm，准直镜距离光纤端面40mm，聚焦镜距离探测器50mm，光电探测器像元直径为5mm。作为优选方案，由于探测光主要通过地面漫反射方式进入人眼，且光斑面积较大，实际到达人眼的光强非常微弱，为了获得更高的探测灵敏度，可以适当提高激光输出功率，但这同时也会带来使用时的人眼安全问题，根据激光安全等级与防护要求，所述激光器最大功率应＜100mW。进一步的，本专利技术提供一种非接触式双波长激光路面状态的判别方法，R≈1且D≈0mm为路面干燥，R≤0.15且D<2mm为路面潮湿，R≤0.15且D≥2mm为路面积水，R≥0.3且D≠0mm为路面结冰，0.15<R<0.3且D≠0mm为路面冰水混合，其中，相对反射率R＝(I/Idry)，Idry和I分别为干燥路面和待测路面的探测光强，D为水膜厚度。与现有技术相比，本方案的优点在于：环境适应力强，设备安装简单，具有探测距离远、高量程、低成本等优势，能有效促进非接触式路面气象传感技术的推广普及；本专利的另外一个特点是采用了相对反射率R进行判别，对安装的角度精度要求不高(0-30°均可)，设备安装好之后，只需要标定一次，不需要重复标定。附图说明图1为实施例1非接触式双波长激光路面状态检测器组成示意图；图2为实施例1水膜厚度检测原理示意图；图3实施例1水与冰的短波红外反射谱；图4为实施例1仿真优化后不同探测距离下的成像效率，其中(a)(b)(c)地面光斑；(d)(e)(f)探测器光斑；图5为实施例1在不同探测条件下水膜厚度的测量结果，其中(a)浅色路面；(b)深色路面；图6为实施例1各状态的相对反射率测量值，测量参数选择为：λ＝1550nm,L＝3m,θ＝20°图7为实施例2各状态的相对反射率测量值，测量参数选择为：λ＝1550nm,L＝5m,θ＝30°具体实施方式下面通过具体实施方式进一步详细的说明：需要提前说明的是，在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。本实施例提供一种非接触式双波长激光路面状态检测器，包括有激光器、激光驱动器、光束准直和聚焦系统、探测器以及数据采集系统，具体组成参数如图1所示，其中，激光器为两个DFB激光器，激光驱动器为Newport501B激光驱动器，激光波长分别为1310nm与1550nm，光束准直、聚焦系统采用5mm铟镓砷探测模块，其中准直镜和聚焦镜均为单透镜方案，都采用直径为40mm的短波红外消色差镜片；探测器采用光电探测器，其位于探测路面上方3-5m位置，数据采集系统采用NIUSB-6361数据采集器(DAQ)，信号采集软件引入数字锁相放大器滤除探测信号中的环境噪声，以大幅提高输出信噪比，分析本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非接触式双波长激光路面状态检测器，包括有激光器、激光驱动器、光束准直和聚焦系统、探测器以及数据采集系统，其特征在于：所述激光器为两个DFB激光器，激光波长分别为1310nm与1550nm，所述光束准直和聚焦系统的准直镜和聚焦镜采用红外消色差镜片制作，所述探测器为光电探测器，其位于探测路面上方3～5m位置，探测光束以20°～30°的角度照射路面。/n

【技术特征摘要】
1.一种非接触式双波长激光路面状态检测器，包括有激光器、激光驱动器、光束准直和聚焦系统、探测器以及数据采集系统，其特征在于：所述激光器为两个DFB激光器，激光波长分别为1310nm与1550nm，所述光束准直和聚焦系统的准直镜和聚焦镜采用红外消色差镜片制作，所述探测器为光电探测器，其位于探测路面上方3～5m位置，探测光束以20°～30°的角度照射路面。


2.根据权利要求1所述的非接触式双波长激光路面状态检测器，其特征在于：所述探测器将激光投射在路面的光斑直径大于500mm。


3.根据权利要求1所述的非接触式双波长激光路面状态检测器，其特征在于：所述准直镜和聚焦镜均采用直径为40mm的短波红外消色差镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴德操，罗彬彬，赵明富，汤斌，钟年丙，宋涛，柳朋，巫涛江，余晓毅，
申请(专利权)人：重庆理工大学，重庆能源职业学院，重庆光年感知科技有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆;50