紅外遙測式路面狀況傳感器的水厚度測量

　　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比，實(shí)時檢測路面的干、潮、積水狀態(tài)，測量水、冰、雪的覆蓋類型和覆蓋厚度?？朔爽F(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的應(yīng)用。

　　2 傳感器檢測原理

　　2.1 測量波長的選擇

　　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波長紅外光，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光信號的吸收和散射共同作用，實(shí)測到的后向散射信號的表現(xiàn)如下，其中水對三個波長的主要為反射和吸收，后向散射系數(shù)λ₁>λ₃>λ₂;冰對三個波長的后向散射系數(shù)λ₁>λ₂>λ₃;雪對三個波長的后向散射系數(shù)^[2]λ₁>λ₂>λ₃;根據(jù)三個后向散射光信號與路面干燥時光信號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，利用兩級電路進(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。各條件不變時干參數(shù)相對穩(wěn)定，傳感器有干信號自動調(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，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光信號的吸收和散射共同作用，實(shí)測到的三個后向散射光信號表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，根據(jù)三個信號的大小關(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，測量理論基礎(chǔ)為修正的朗伯-比爾定律，采用三波長測量能夠減小覆蓋物顆粒度等引起的測量誤差，比單波長進(jìn)行更精確的測量^[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;os—有覆蓋物時的光信號;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波長的陣列光譜法，根據(jù)水冰雪對三個波長的光信號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]。