[发明专利]基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法

说明书

本发明提供一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，将太赫兹雷达安装在车灯前端或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ₁发射一个太赫兹信号到结冰路面，待信号与结冰路面相互作用之后，后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由其接收；接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与结冰路面之间的相互作用信息。本发明太赫兹雷达对路面的光滑度更加敏感，且利用尺寸更小、体积更轻的太赫兹雷达可以减小系统体积、提高系统集成度。太赫兹雷达对大多数类型的污染、遮挡物以及室外的恶劣天气粒子的影响较小；这使得它们能够在雪、雨、雾以及雾霾等恶劣天气下光学传感失效时，满足对路面检测的需求。

技术领域

本发明属于路面检测技术领域，具体涉及一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法。

背景技术

路面状况，如光滑度、冰雪厚度等，一直是影响驾驶安全的重要因素。车辆或者驾驶员通过掌握路面状况，可以实时判断路况的好坏，从而及时控制驾驶速度、照明方式等。在天气寒冷的季节，雨、雪天气常会造成路面出现不同厚度的冰层，影响驾驶速度和安全性。

微波信号的波长在米的量级，所以常使用微波雷达来探测海峡、冰川等区域的冰层厚度。挪威的极地研究所人员TorgnyVinje等人于1998年将微波雷达成功应用于冰层厚度检测，探测范围从2.43米到3.15米。微波的波长大约在毫米到米的量级之间，而路面冰层的厚度变化往往在毫米、亚毫米量级，两者差距较大，导致微波对冰层厚度微小变化的敏感性非常低。此外，冰层表面的粗糙颗粒尺寸在毫米、亚毫米量级，也无法利用个毫米波进行准确测量。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于太赫兹波的道路结冰状况检查方法，使用太赫兹信号，太赫兹信号的波长较小，刚好处于毫米与亚毫米的量级，其与冰层进行作用后所得的响应更强也更加准确，对冰层厚度与光滑度的检测灵敏度更高，这样，就可以为车辆和驾驶人员提供更加准确的道路特征信息，从而提高行车效率与驾驶安全性。

具体的技术方案为：

将太赫兹雷达安装在车灯前段或者道路两旁的路灯杆上，以入射角θ₁发射一个太赫兹信号到结冰路面，待信号与结冰路面相互作用之后，后向散射信号返回到太赫兹雷达，并由其接收；接收到的信号传入功率计，通过功率计测量得到信号的功率，由此获取信号与结冰路面之间的相互作用信息；

整个反射现象分为三类，空气-冰层分界面的反射，冰层内部的后向散射和冰层-路面分界面的反射。根据辐射传输理论，将所有项相加，可得到总反射率为

其中，a＝κ_s/κ_e为冰层的单次散射反射率，其中κ_s和κ_e分别为冰层中的散射衰减和总衰减系数；Υ＝exp(κ_edsecθ₂)表示在冰层中的传输衰减，d表示冰层厚度，θ₂表示冰层中的折射角；p表示太赫兹波的平行或垂直偏振。Γ₁表示空气-冰层分界面的反射率，Γ₂表示冰层-路面分界面的反射率，可表示为：

这里，h代表平行偏振，v代表垂直偏振，θ₃表示道路中的折射角；n₁＝1表示空气的折射率；表示冰的折射率，ε₂为冰的介电常数；表示路面的折射率，ε₃为路面的介电常数。在获得温度、入射角θ₁和太赫兹波频率的情况下，可以获得冰和路面的介电常数，进而获得公式(2)、(3)、(4)、(5)的反射率和公式(1)中的单次散射反射率、冰层中的散射衰减和总衰减系数以及冰层中的折射角。最后，根据公式(1)可获得总反射率和冰层厚度d之间的关系，从而进行冰层厚度的测量。