[发明专利]一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置及方法

权利要求书

1.一种多光谱多角度非接触式道面状态监测装置的监测方法，所述装置主要由光信号采集模块(100)和信号处理控制模块(200)组成，所述光信号采集模块(100)包括第一光信号采集单元(110)、第二光信号采集单元(120)和第三光信号采集单元(130)，所述第一光信号采集单元(110)和第三光信号采集单元(130)位于第二光信号采集单元(120)的两侧；

所述第一光信号采集单元(110)包括第一激光器(111)、第一凸透镜(112)和第一光纤(113)，所述第一激光器(111)放置在第一凸透镜(112)的相邻侧，所述第一光纤(113)放置在第一凸透镜(112)的后端；

所述第二光信号采集单元(120)包括第二激光器(121)、第二凸透镜(122)和第二光纤(123)，所述第二激光器(121)放置在第二凸透镜(122)的相邻侧，所述第二光纤(123)放置在第二凸透镜(122)的后端；

所述第三光信号采集单元(130)包括第三激光器(131)、第三凸透镜(132)和第三光纤(133)，所述第三激光器(131)放置在第三凸透镜(132)的相邻侧，所述第三光纤(133)放置在第三凸透镜(132)的后端；

所述第一激光器(111)的发射光轴、第一凸透镜(112)的中心轴、第二激光器(121)的发射光轴、第二凸透镜(122)的中心轴、第三激光器(131)的发射光轴、第三凸透镜(132)的中心轴均在同一垂直平面内且穿过相同被测道面上的同一位置区域；

所述第一激光器(111)的发射光轴和第一凸透镜(112)的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为α，所述第二激光器(121)的发射光轴和第二凸透镜(122)的中心轴均垂直于被测道面，所述第三激光器(131)的发射光轴和第三凸透镜(132)的中心轴与被测道面法线之间的夹角均为β；

所述第一激光器(111)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₁的激光，所述第二激光器(121)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₂的激光，所述第三激光器(131)用于在信号处理控制模块(200)的控制下，向被测道面发射波长为λ₃的激光；

所述第一凸透镜(112)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第一光纤(113)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)，所述第二凸透镜(122)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第二光纤(123)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)，所述第三凸透镜(132)用于接收被测道面的反射光并汇聚至第三光纤(133)的输入端，传导至信号处理控制模块(200)；其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)判断被测道面状态是否是干燥或雪覆盖：

所述信号处理控制模块(200)控制第二激光器(121)向被测道面发射波长为λ₂的激光，并接收第一凸透镜(112)、第二凸透镜(122)、第三凸透镜(132)分别通过第一光纤(113)、第二光纤(123)、第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到三个光路的光强的值；

采用预先标定的干燥道面漫反射余弦方程I_dry(θ)＝A_drycos(k_dryθ)，计算得到I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)的值；其中，I_dry(θ)表示与干燥道面法线夹角为θ方向的光强，A_dry、k_dry为系数，I_dry(α)、I_dry(0)、I_dry(β)分别表示采用所述干燥道面漫反射余弦方程计算得到的与干燥道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为干燥道面，跳转至步骤(5)，否则：

采用预先标定的雪覆盖道面漫反射余弦方程I_snow(θ)＝A_snow cos(k_snowθ)，计算得到I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)的值；其中，I_snow(θ)表示与雪覆盖道面法线夹角为θ方向的光强，A_snow、k_snow为系数，I_snow(α)、I_snow(0)、I_snow(β)分别表示采用所述雪覆盖道面漫反射余弦方程计算得到的与雪覆盖道面法线夹角为α、0、β方向的光强；

计算如果均小于预设阈值，则被测道面为雪覆盖道面，跳转至步骤(5)，否则进入步骤(2)；

(2)判断被测道面的覆盖物是水还是冰：

所述信号处理控制模块(200)控制第一激光器(111)向被测道面发射波长为λ₁的激光，并接收第三凸透镜(132)通过第三光纤(133)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

所述信号处理控制模块(200)控制第三激光器(131)向被测道面发射波长为λ₃的激光，并接收第一凸透镜(112)通过第一光纤(113)传导过来的被测道面的反射光，处理后得到光强的值；

采用以下公式计算：

其中，I₀表示入射光强，即第一激光器(111)和第三激光器(131)的发射光强，K_s表示光传播从空气进入覆盖物表面的反射率，ρ_b表示光传播至被测道面的漫反射率，表示λ₁波长下覆盖物的吸收系数，表示λ₃波长下覆盖物的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是水，进入步骤(3)，计算水膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下水的吸收系数；

如果则被测道面的覆盖物是冰，进入步骤(4)，计算冰膜厚度；其中，分别表示λ₁、λ₃波长下冰的吸收系数；

(3)计算水膜厚度：

将光强的值代入预先标定的水膜厚度反演方程：

计算得到水膜厚度y_{water_depth}，其中，C_{water_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(4)计算冰膜厚度：

将光强的值代入预先标定的冰膜厚度反演方程：

计算得到冰膜厚度y_{ice_depth}，其中，C_{ice_depth}表示系数；进入步骤(5)；

(5)所述信号处理控制模块(200)输出结果，并返回步骤(1)对下一个被测道面进行处理。