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水、冰、雪的不同紅外光譜特性，通過(guò)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(shí)檢測路面的干、潮、積水狀態(tài)，測量水、冰、雪的覆蓋類(lèi)型和覆蓋厚度?？朔爽F有接觸式路面狀態(tài)傳感器安裝復雜、維護困難的缺點(diǎn)，而且具有實(shí)測面積大、目標更直接、路況信息更真實(shí)的優(yōu)點(diǎn)。本論文詳細闡述了多光譜在路面水厚度檢測的應用。

　　2 傳感器檢測原理

　　2.1 測量波長(cháng)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]，路面狀況根據水吸收光譜、冰吸收光譜、雪散射光譜篩選出三個(gè)波長(cháng)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如下，其中水對三個(gè)波長(cháng)的主要為反射和吸收，后向散射系數λ₁>λ₃>λ₂;冰對三個(gè)波長(cháng)的后向散射系數λ₁>λ₂>λ₃;雪對三個(gè)波長(cháng)的后向散射系數^[2]λ₁>λ₂>λ₃;根據三個(gè)后向散射光信號與路面干燥時(shí)光信號的比值的大小及差值，可以定性分析路面狀況、計算出水冰雪厚度。

　　2.2 硬件電路結構

　　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，以脈沖調制波發(fā)射紅外光束，利用反饋電流穩定光功率^[3]、溫度補償穩定光譜;光電二極管接收反射回來(lái)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轉換，送入微處理器，進(jìn)入模型計算(如圖1)。

　　2.3 檢測理論支持

　　將傳感器以一定角度架設在路邊，在路面干燥時(shí)進(jìn)行干標定，獲得干參數DP1、DP2、DP3，一旦傳感器位置角度等變化都會(huì )引起干參數變化，需要重新進(jìn)行干標定。各條件不變時(shí)干參數相對穩定，傳感器有干信號自動(dòng)調整功能，補償路面和鏡頭污染引起的干參數的微量變化;各條件不變化時(shí)，一旦路面潮濕、積水、結冰、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(gè)后向散射光信號表現出不同的特點(diǎn)，根據三個(gè)信號的大小關(guān)系可以判別路面狀態(tài)(如圖2)，根據判斷的覆蓋物種類(lèi)進(jìn)入不同的厚度計算公式;根據物質(zhì)的吸光度可以計算覆蓋物厚度，測量理論基礎為修正的朗伯-比爾定律，采用三波長(cháng)測量能夠減小覆蓋物顆粒度等引起的測量誤差，比單波長(cháng)進(jìn)行更精確的測量^[4]。

　　基礎朗伯(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)生光吸收的分子數目。

　　Ln( Io/I)= εCd (1)

　　公式1中：Io—入射光強度;I—通過(guò)樣品后的透射光強度;ln(Io/I)—稱(chēng)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，它與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(cháng)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(shí)的光信號;d—覆蓋物厚度;k—常數，路面等條件的影響。

　　道面狀況傳感器采用的是三個(gè)波長(cháng)的陣列光譜法，根據水冰雪對三個(gè)波長(cháng)的光信號具有不同的吸光系數，可以判斷覆蓋物類(lèi)型;根據物質(zhì)的吸光度可以計算覆蓋物厚度^[4]。