[发明专利]基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警系统及其方法

权利要求书

1.基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警系统，其特征在于，包括：

信息发布模块，设置在预警中心或区域控制中心，用于显示路面状况信息和发送短消息；

光发送模块，用于发出不同波长的红外光脉冲；

光接收模块，设置在待检测的道路和桥梁上，用于采集光反射信号；

控制模块，通过光端机或无线通讯方式与光发送模块和光接收模块相连，用于将光接收模块采集的信息转换后传递给数据分析与控制系统；

数据分析与控制系统，与光发送模块、控制模块和信息发布模块相连，通过分析数字控制模块传递来的数据，对当前路段的路面状况进行评价，并通过所述的信息发布模块进行实时显示和报警；

所述红外光脉冲的波长为2900nm和3050nm；所述数据分析与控制系统用于计算波长为2900nm红外线的反射率和波长为3050nm红外线的反射率，计算两者的比值，根据该比值判断路面状况；Fi是波长为3050nm时的反射率，Fj是波长为2900nm的反射率；若Fi/Fj的比值小于1.5时，则判定检测路面为干燥路面，不存在结冰危险；若Fi/Fj的比值为1.5-3时，则判定检测路面为不同水膜厚度的潮湿路面；若3<Fi/Fj<5，则判定检测路面具有结冰或积雪危险；若Fi/Fj>5时，则判定检测路面为不同冰层厚度的结冰路面。

2.根据权利要求1所述的基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警系统，其特征在于，所述光发送模块可发送至少两种波长的红外光脉冲。

3.根据权利要求1或2所述的基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警系统，其特征在于，数据分析与控制系统还包括时间模块，所述的时间模块与控制模块相连，并控制发送模块发射红外线脉冲的间隔时间。

4.根据权利要求3所述的基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警系统，其特征在于，控制模块将光接收模块的红外光脉冲信号处理后发送到数据分析与控制系统；所述数据分析与控制系统计算不同波长红外光的反射率，并计算反射率的比值，根据上述反射率和反射率的比值，判断路面的状况。

5.一种基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、通过光发送模块分别发出第一波长范围的红外光脉冲和第二波长范围的红外光脉冲；

步骤2、利用光接收模块接收反射的第一波长范围的红外光脉冲和第二波长范围的红外光脉冲，计算反射的第一波长范围的红外光脉冲的强度；同时，利用不同角度的反射透镜将第二波长范围内的第一预定波长的红外光脉冲和第二预定波长的红外光脉冲分离，计算反射的第一预定波长的红外光脉冲和第二预定波长的红外光脉冲的强度；

步骤3、控制模块接收反射的第一波长范围的红外光脉冲的强度数据、反射的第一预定波长的红外光脉冲和第二预定波长的红外光脉冲的强度；计算第一预定波长的红外光脉冲和第二预定波长的红外光脉冲的反射率，并发送到数据分析与控制系统；

步骤4、数据分析与控制系统分析接反射的第一波长范围的红外光脉冲的强度数据、第一预定波长的红外光脉冲和第二预定波长的红外光脉冲的反射率；计算第一预定波长的红外光脉冲的反射率与第二预定波长的红外光脉冲的反射率的比值；

步骤5、根据反射的第一波长范围的红外光脉冲的强度数据，以及第一预定波长的红外光脉冲的反射率与第二预定波长的红外光脉冲的反射率的比值，判断路面是否有结冰危险；若判断该路面不存在结冰危险，则在信息发布模块上发布路面情况，返回步骤1；若判断该路面存在结冰危险，则在信息发布模块上发布结冰报警信息，并以短信形式发送到相关人员的终端设备。

6.根据权利要求5所述的基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警方法，其特征在于，所述第一波长范围为1.4-2.4微米，所述第二波长范围为2.4-3.2微米；所述第一预定波长的红外光脉冲的反射率与第二预定波长分别为2900nm和3050nm。

7.一种基于红外光谱技术的公路结冰检测与预警方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：光发送模块在上位机系统与数字控制模块的控制下，分别发出1.4~2.4微米和3.2微米波长的红外光脉冲照射在待检测的路面和桥面上；

步骤2：光接收模块利用光学反射原理，利用不同角度的反射透镜，将2900nm和3050nm的两个光波分开，利用不同位置的光强检测器，同时测量2900nm和3050nm波长的光反射信号，并将光反射强度数据通过光端机或无线通讯方式传递到数字控制模块；

步骤3：数字控制模块将光反射强度数据转换成光的反射率，并传递给上位机系统；

步骤4：上位机系统对传递来的数值进行分析处理，并得出当前所传递的数据对应的路面状况信息；

步骤5：上位机系统根据所述的路面状况信息进行实时评价，判断路面是否有结冰危险；若判断该路面不存在结冰危险，则在信息发布模块上发布路面情况，返回步骤1；若判断该路面存在结冰危险，则在信息发布模块上发布结冰报警信息，并以短信形式通知负责道路养护和道路交通安全的人员，返回步骤1；

所述步骤1进一步包括如下步骤：

步骤11：分别用不同波长的红外光照射不同介质，观察不同介质在不同波长红外光照射下反射光强的差异，进而获得区分不同介质的红外光的波长，得出照射波长为1.4~2.4微米，以区分干燥路面、有水路面或有雪路面；

步骤12：继续观察波长从2.4到3.2微米范围内的反射光谱，实验发现，当红外线波长在2900nm时的反射率与在3050nm的反射率存在一定关系，而且关系非常稳定，用波长为2900nm和3050nm的反射率的比值作为区分干燥、潮湿和冰路面状况的指标；

步骤5中判断路面是否存在结冰危险的方法包括以下步骤：

步骤51：通过光接收模块所接收的反射率数据，获得当前道路对不同波长光信号的反射强度；

步骤52：计算接收模块接收的3050nm波长和2090nm波长的反射率比值Fi/Fj，Fi是波长为3050nm时的反射率，Fj是波长为2900nm的反射率；若Fi/Fj的比值小于1.5时，则判定检测路面为干燥路面，不存在结冰危险；若Fi/Fj的比值为1.5-3时，则判定检测路面为不同水膜厚度的潮湿路面；若3<Fi/Fj<5，则判定检测路面具有结冰或积雪危险；若Fi/Fj>5时，则判定检测路面为不同冰层厚度的结冰路面。