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原文传递基于短波红外激光的非接触式道路积水结冰监测方法研究

论文题名：	基于短波红外激光的非接触式道路积水结冰监测方法研究
关键词：	道路交通;水膜厚度;结冰厚度;气象监测;非接触式设备;短波红外激光;出行安全
摘要：	道路气象检测可提供路面的干、潮、水、雪、冰等气象信息，以及湿滑系数、水膜厚度、冰层厚度、积雪深度等各种数据，能够准确反映影响车辆安全行驶的天气因素，有效降低气象灾害对汽车行驶的不利影响，提高人们出行的安全系数。其中非接触式设备的安装、调试和维护不需要封闭交通和破坏路面，传感器可安装在道路监控摄像系统的附近或直接安装于道路两旁，是道路交通气象监测系统中一个理想的选择。因此，本课题提出的基于短波红外激光的非接触式道路积水结冰监测方法研究可实现路面水膜厚度与结冰厚度的测量，主要研究内容如下：　　（1）本文对国内外道路气象检测方法和路面气象传感器的发展状况进行了详细阐述。根据半导体激光器的形成、激光调制技术、光在介质中的传播原理，分析了工作电流对注入式半导体激光输出功率的影响，反射光、透射光在介质表面的能量占比以及光在介质内部的吸收、散射情况，为厚度检测提供了理论上的可行性。　　（2）针对道路水膜厚度和冰膜厚度的检测，筛选了用于厚度测量的激光和设计了厚度实验平台。研究了利用反射式红外光的厚度测量方法，即当路表状况不同时，吸收和反射的光不同，通过对接收的反射光强的分析来实现厚度检测。根据水和冰的光谱信息，分析红外波段内反射特征明显的光源，研究探测模块的光路并设计了实验系统，为厚度测量实验提供硬件环境；利用实验分析探测角度、探测时间对厚度测量的影响，探测光强随结冰厚度的变化趋势，为厚度检测提供了实验的可能性。　　（3）基于多个厚度下积水对红外光的吸收特性，建立了一种道路水膜厚度测量的数学模型。通过水的光谱分析，选择1064nm和1310nm激光协同探测路面水膜厚度，根据光吸收定律推导道路水膜厚度的测量模型，完善实验方案并开展实验。实验结果表明：在探测角度30°-50°，探测距离3m，浅色和深色两种颜色路面条件下均进行测试，通过水膜吸收系数的一次标定可完成6mm范围内的厚度测量，最大绝对误差不超过0.15mm。　　（4）在利用1550nm激光差分探测以消除冰面凝霜干扰的基础上，建立了两种道路冰膜厚度测量的数学模型。首先，建立了第一种基于双波长探测的冰厚模型，利用冰的反射光谱推导公式，反解出冰层吸收系数和校正系数，通过两次参数标定、实验及误差处理后得出：在浅色和深色两种路面中，10mm冰厚范围内的最大误差为±0.35mm。然后，由于该模型参数较多、误差较大，提出了第二种基于三波长联合探测冰厚的改进模型，经一次参数标定即可实现冰厚测量，实验验证：测冰量程6mm内的最大测量误差为±0.15mm。另外，对路面积水厚度和结冰厚度在Labview软件中的实时监测进行初步探索，积水厚度的误差仍能控制在0.15mm内，冰层厚度的误差经滤波后有所改善。　　针对道路气象状态检测领域，本文建立的路面积水厚度和结冰厚度的测量模型，从探测角度和检测范围上能满足大部分实际场景需求，与已有的方法相比，减少参数标定次数，通过该技术建立道路湿滑预警机制，能有效降低气象灾害对汽车行驶的不利影响。
作者：	张颖
专业：	光电信息获取与处理
导师：	罗彬彬;吴德操
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆理工大学
学位年度：	2023