專利名稱：一種路面氣象狀態探測方法以及路面氣象狀態傳感器的制作方法
一種路面氣象狀態探測方法以及路面氣象狀態傳感器技術領域
本發明屬于傳感技術領域，涉及一種探測方法及其傳感裝置，用于道路路面以及 機場、碼頭等設施的地面積水、結冰、積雪等情況的監測。
背景技術：
為了提高道路的通行效率，需要實時地獲得各種信息。考慮到各種車輛都依靠地 面摩擦力行駛和制動，路面積水、積雪、凍結都會顯著降低輪胎與地面的摩擦力，所以路面 狀況信息非常緊密地關系到道路通信效率和行車安全。
應該注意到，為了加速冰雪的融化，路政部門往往會噴灑路鹽。無機礦物鹽會改變 水的相變點，因此，單純地依靠溫度傳感器測量路面結冰情況是很不準確的，必須有專門的 冰凍傳感器測量路面是否凍結。
在先技術之一
基于電導率測量的埋入式傳感器。在水鹽混合體系的液相中，無機鹽被解離為正 負離子，這些離子作為載流子，使鹽水具有一定的電導率。當體系轉變為固相，根據相變理 論，鹽分會從體系中結晶析出，體系中載流子的喪失會導致電導率的變化。因而，通過測量 電導率的變化，可以準確地判斷路面是否凍結。根據具體實現方式的不同，電導率法可以分 為二電極法、四電極法、以及電誘導法等。
這一類技術的優點是原理簡單、性能可靠。缺點是只能判斷路面是否結冰，不能提 供全面的路面氣象信息。
在先技術之二
主動溫度測量法。這個方法人為地改變一小塊敏感區域的溫度，制造一個相變過 程，根據相變理論，在相變過程中溫度是不變的，那么能夠保持一段時間不變的溫度就是相 變點。如果升溫過程出現了相變點，那么說明路面原本是凍結的，如果降溫過程出現相變 點，說明路面原本是未凍結的。
這個方法的優點是不受污染物的影響，缺點同樣是功能單一，不能提供全面的路 面氣象信息。
在先技術之三
氣壓式路面冰凍傳感器。這種傳感器的主要部分是鋪設在路面下的一條壓縮空氣 管道，管道的出口開設在路面上。當路面凍結時，管道出口就會被堵塞，通過測量管內氣壓 的變化就可判斷路面冰凍程度。
這種方法需要比較復雜的設施，比如壓縮空氣的設備和氣壓測量儀表，導致了成 本上升。
在先技術之四
噪聲法通過探測輪胎與路面之間的摩擦噪音，可以獲得路面的冰凍信息。這個方 法目前還很不成熟。
在先技術之五
基于多普勒雷達原理測量水面厚度，通過測量雨滴的密度、速度、體積等獲得降雨量的數據，并且由此推算出路面的水膜厚度。
這種方法屬于間接測量，成本也比較高。
在先技術之五
Vaisala公司的DRS511傳感器將發射和接收光纖埋設在路面之下，光纖的端面朝向路面。輸出光纖向水膜發射一個光波，水膜的上表面將光波反射，并由接收光纖收集反射回的光能量，由此判斷出水膜的厚度。
這種方法功能單一，只能夠測量路面水膜厚度，不能夠判斷路面是否結冰。
在先技術之六
紅外光譜法，由于水和冰的紅外反射光譜略有不同，通過觀察光譜特征，可以判斷出路面的冰凍狀態。通過紅外吸收的量值，也可以判斷出路面水膜的厚度。
這一類方法的優點在于，這是一種非埋入式的方法，應用比較靈活，而且功能比較齊全；缺點在于，一來價格比較昂貴，二來還處在發展的初期，性能不是特別可靠。此外，光學窗口對灰塵污染比較敏感，需要定期清潔。發明內容
為克服上述背景技術存在的缺陷，本發明提供一種路面氣象狀態探測方法以及根據該方法設計的一種路面氣象狀態傳感器，能夠探測路面積水厚度并判斷路面是否結冰、是否積水等氣象狀態息。
本發明的技術方案如下
一種路面氣象狀態探測方法，包括以下環節
( I)在路面中埋設傳感器外桶，傳感器外桶的頂部開口處設置透明蓋板，在傳感器外桶內設置激光光源、光學鏡組、楔形棱鏡以及圖像傳感器；
(2)激光光源通過所述光學鏡組分出兩路激光光束，并且這兩路激光光束分別以不同的入射角入射至透明蓋板下表面，這兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射到達透明蓋板上表面；設兩路激光光束經折射到達透明蓋板上表面的入射角分別為α、 β，則步驟(I)中設置的光學鏡組能夠確保α小于水-透明蓋板界面的全反射臨界角，大于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角，β小于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角；
(3)當路面有積水時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射進入水層，在水層與空氣的界面處反射折回，再依次經透明蓋板、楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到4個光點；
當路面覆蓋冰層時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束中，入射角為α的一路發生全反射，另一路有一部分反射，另一部分經折射進入冰層，在冰層與空氣的界面處反射折回；再依次經透明蓋板、楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到3個光占.
當路面干燥時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束均反射折回，再依次經透明蓋板、楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到2個光點；
(4)反射折回的各路激光光束經過楔形棱鏡后間距被擴大；對于入射角β所屬一路的激光光束，通過測量其在圖像傳感器上形成的兩個光斑的距離，計算出水層/冰層的厚度。
一種路面氣象狀態傳感器，包括埋入路面的傳感器外桶，在傳感器外桶的頂部開口處設置有與路面平接的透明蓋板，在傳感器外桶內依次設置有激光光源、光學鏡組、楔形棱鏡以及圖像傳感器；激光光源通過所述光學鏡組分出兩路激光光束，并且這兩路激光光束分別以不同的入射角入射至透明蓋板下表面，這兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射到達透明蓋板上表面；設兩路激光光束經折射到達透明蓋板上表面的入射角分別為α、β，則步驟(I)中設置的光學鏡組能夠確保α小于水-透明蓋板界面的全反射臨界角，大于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角，β小于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角； 楔形棱鏡的斜面面向透明蓋板下表面，接收來自各個界面向下的反射光束，圖像傳感器位于楔形棱鏡下方用以接收激光光束，圖像傳感器的輸出端還連接有數據處理模塊。
基于上述系統基本結構，本發明還進一步優化改進如下
上述光學鏡組由第一反射鏡、半透半反鏡、第二反射鏡、第三反射鏡，激光光源通過半透半反鏡分出透射光路和反射光路，其中透射光路上依次設置所述第一反射鏡、第二反射鏡，反射光路上設置所述第三反射鏡，來自第二反射鏡到達透明蓋板上表面的激光光束的入射角為β，來自第三反射鏡到達透明蓋板上表面的激光光束的入射角為α。
根據本發明的技術思想，本領域技術人員也可以以常規手段設計出其他具體形式的光學鏡組，例如，可以用其他光路結構代替第一反射鏡和半透半反鏡實現相同的功能。激光光源也可以直接設置成兩個，則可省去第一反射鏡和半透半反鏡。
上述數據處理模塊可以也設置于傳感器外桶內，并安裝于一個電路板上，激光光源的電源模塊也可以安裝于該電路板上。
上述激光光源可以采用1-2微米波段的光源。
本發明具有以下優點
(I)本發明能夠利用一套裝置實現路面積水厚度的探測以及路面狀態的判斷；
(2)本發明結構簡單、造價低廉。
(3)本發明不依靠 某個物理量連續變化的數值判斷是否結冰，而是通過水變為冰時折射率的突變，因而具有更高的判斷可靠性。
圖1為本發明的縱向剖面結構；也可視為路面干燥時的探測原理示意圖。
圖2本發明探測水膜厚度的原理示意圖。
圖3本發明探測路面狀態的原理示意圖，路面覆蓋物為冰。
圖4本發明探測路面狀態的原理示意圖，路面覆蓋物為水。
附圖標號說明
1-傳感器外桶；2_透明蓋板；3_楔形棱鏡；4_圖像傳感器；5_激光光源；6_數據傳輸線；7-信號處理電路板；8_第一反射鏡；9_半透半反鏡；10_第二反射鏡；11_第三反射鏡；12_道路材質；13_路面積水層或冰層。
具體實施方式
本發明的系統結構如圖1所示，包括埋入路面的傳感器外桶1，用高強度透明材料制造的透明蓋板2，楔形棱鏡3，圖像傳感器4，激光光源5，數據傳輸線6，信號處理電路板 7，第一反射鏡8，半透半反鏡9，第二反射鏡10，第三反射鏡11。
本發明探測積水或冰層厚度的原理如圖2所示，圖中13即為路面積水層。激光光源5發出的光束穿過半透半反鏡9，被第一反射鏡8和第二反射鏡10反射，穿過透明蓋板2 的下表面，在透明蓋板2與積水層13的界面上，一部分光被反射折回，而折射光則穿過積水層13，在積水層13的上表面被反射折回。這兩束被折回的反射光線經過楔形棱鏡3，其間距被擴大。然后被圖像傳感器4 (如C⑶圖像傳感器)接收。圖像傳感器4的信號通過數據線6，進入處理模塊7，得到所需的數據并上傳到控制中心。
從圖中很容易看出，積水層13的厚度越大，兩束反射光線的距離就越遠，它們各自在圖像傳感器上形成的光斑也就越遠，通過兩個光斑的距離，可以計算出積水層的厚度。
本發明探測路面是否結冰的原理如圖3所示，激光光源5發出的光束被半透半反鏡9所反射，再被第三反射鏡11反射，穿過蓋板2的下表面，到達蓋板2與積水/冰層13 的界面上。
在1-2微米波段，水的折射率略高于冰·的折射率。第三反射鏡11的角度經過精密地調整，確保其反射的光束到達透明蓋板2與積水或冰層13的界面上時，光束的入射角為一確定值α。當13為水時，入射角α小于全反射的臨界角，不發生全反射；當13為冰時， 入射角α大于全反射的臨界角，發生全反射(如圖3所示的情況)。通過是否發生全反射， 就可以判斷路面覆蓋物是水還是冰。
本發明判斷路面的干燥、積水、結冰三種狀態的具體方式詳述如下
一、積水
如圖4所示，若路面覆蓋物13為水，第三反射鏡11反射的光束在透明蓋板2與積水層13的界面不發生全反射，則光束穿過透明蓋板2與積水層13的界面，在積水層13與空氣的界面處反射折回，再穿過透明蓋板2和楔形棱鏡3，投射在圖像傳感器4上。那么圖像傳感器4上應該有4個光點，分別是
反射鏡10反射的光束在2與13界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的左起第一束光線);
反射鏡10反射的光束在13與空氣界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的左起第二束光線);
反射鏡11反射的光束在2與13界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的左起第三束光線);
反射鏡11反射的光束在13與空氣界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的左起第四束光線);
二、結冰
如圖3所示，若13為冰，第三反射鏡11反射的光束發生全反射，則光束不會進入冰層13。那么圖像傳感器4上應該有3個光點，分別是
反射鏡10反射的光束在透明蓋板2與冰層13界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的左起第一束光線)；
反射鏡10反射的光束在冰層13與空氣界面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3 的左起第二束光線);
反射鏡11反射的光束在透明蓋板2與冰層13界面全反射折回的一路光(穿過楔 形棱鏡3的左起第三束光線)；
二、路面干燥
如圖1所示，若道路表面干燥，路面上不存在積水層或冰層13，那么圖像傳感器4 上應該有兩個光點，分別是
反射鏡10反射的光束在透明蓋板2上表面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的 左起第一束光線);
反射鏡11反射的光束在透明蓋板2上表面反射折回的一路光(穿過楔形棱鏡3的 左起第二束光線);
綜上所述，通過計算圖像傳感器上光點的數目，就可以判斷路面是否干燥、有水、結冰等。
權利要求
1.一種路面氣象狀態探測方法，包括以下環節(1)在路面中埋設傳感器外桶，傳感器外桶的頂部開口處設置透明蓋板，在傳感器外桶內設置激光光源、光學鏡組、楔形棱鏡以及圖像傳感器；(2)激光光源通過所述光學鏡組分出兩路激光光束，并且這兩路激光光束分別以不同的入射角入射至透明蓋板下表面，這兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射到達透明蓋板上表面；設兩路激光光束經折射到達透明蓋板上表面的入射角分別為α、β， 則步驟(I)中設置的光學鏡組能夠確保α小于水-透明蓋板界面的全反射臨界角，大于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角，β小于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角；(3)當路面有積水時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射進入水層，在水層與空氣的界面處反射折回，再依次經透明蓋板、楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到4個光點；當路面覆蓋冰層時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束中，入射角為α的一路發生全反射，另一路有一部分反射，另一部分經折射進入冰層，在冰層與空氣的界面處反射折回；再依次經透明蓋板、楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到3個光占.當路面干燥時，到達透明蓋板上表面的兩路激光光束均反射折回，再依次經透明蓋板、 楔形棱鏡投射在圖像傳感器上；此時圖像傳感器上探測到2個光點；(4)反射折回的各路激光光束經過楔形棱鏡后間距被擴大；對于入射角β所屬一路的激光光束，通過測量其在圖像傳感器上形成的兩個光斑的距離，計算出水層/冰層的厚度。
2.一種路面氣象狀態傳感器，其特征在于包括埋入路面的傳感器外桶，在傳感器外桶的頂部開口處設置有與路面平接的透明蓋板，在傳感器外桶內依次設置有激光光源、光學鏡組、楔形棱鏡以及圖像傳感器；激光光源通過所述光學鏡組分出兩路激光光束，并且這兩路激光光束分別以不同的入射角入射至透明蓋板下表面，這兩路激光光束均有一部分反射，另一部分經折射到達透明蓋板上表面；設兩路激光光束經折射到達透明蓋板上表面的入射角分別為α、β，則步驟(I)中設置的光學鏡組能夠確保α小于水-透明蓋板界面的全反射臨界角，大于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角，β小于冰-透明蓋板界面的全反射臨界角；楔形棱鏡的斜面面向透明蓋板下表面，接收來自各個界面向下的反射光束，圖像傳感器位于楔形棱鏡下方用以接收激光光束，圖像傳感器的輸出端還連接有數據處理模塊。
3.根據權利要求2所述的路面氣象狀態傳感器，其特征在于所述光學鏡組由第一反射鏡、半透半反鏡、第二反射鏡、第三反射鏡，激光光源通過半透半反鏡分出透射光路和反射光路，其中透射光路上依次設置所述第一反射鏡、第二反射鏡，反射光路上設置所述第三反射鏡，來自第二反射鏡到達透明蓋板上表面的激光光束的入射角為β，來自第三反射鏡到達透明蓋板上表面的激光光束的入射角為α。
4.根據權利要求2所述的路面氣象狀態傳感器，其特征在于所述數據處理模塊設置于傳感器外桶內，并安裝于一個電路板上，激光光源的電源模塊也安裝于該電路板上。
5.根據權利要求2所述的路面氣象狀態傳感器，其特征在于所述激光光源采用1-2 微米波段的光源。
全文摘要
本發明屬于傳感技術領域，涉及一種探測方法及其傳感裝置，用于道路路面以及機場、碼頭等設施的地面積水、結冰、積雪等情況的監測。該裝置包括埋入路面的傳感器外桶，在傳感器外桶的頂部開口處設置有與路面平接的透明蓋板，在傳感器外桶內依次設置有激光光源、光學鏡組、楔形棱鏡以及圖像傳感器激光光源通過光學鏡組分出兩路激光光束，楔形棱鏡的斜面面向透明蓋板下表面，接收來自各個界面向下的反射光束，圖像傳感器位于楔形棱鏡下方用以接收激光光束，圖像傳感器的輸出端還連接有數據處理模塊。
文檔編號G01B11/06GK103047937SQ20121056637
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者王允韜, 阮馳, 徐松松, 孫有群 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所