专利名称：基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感測量公路路面表层水膜厚度的方法。
背景技术：
随着我国高速公路网的飞速建设，随之而来的各种配套公路路况测量信息也越来越被政府和民众所关注，为了能够更加有效地对几百上千公里的高速公路进行路面状况信息的采样、收集和分析，各种路况传感器设计方案和测试方法如今已经被采纳和使用。借助这些成熟方案、方法，当很多冰霜雪雾、雷雨暴风等恶劣天气出现时，有关交通部门已能够及时有效地完成车辆限行和车辆分流等交通调度，在降低高速公路网的事故发生率、保证交通运输的安全可靠性的同时，还提高了公路资源的利用效率。
从传统的传感技术方法来讲，公路路面水膜厚度的测量是通过测量电參量间接实现的，通过安装在公路沿线的分布式电传感器收集到不同降水量对应电容值或者电阻值，然后，经过数据处理得到这一地区路面积水厚度。这种技术方案的ー个弱点是收集到的电參量值容易受到雨水电解质含量的影响，比如出现极薄的盐水水膜或者大雨或暴雨过后路面积水层很厚但电解质很少这两种情況。高精度大量程的水膜厚度监测对于防御路面积水打滑、强降水时的低能见度造成交通事故具有重要的研究意义。
发明内容
(一 )要解决的技术问题针对利用电參量间接测量水膜厚度这ー技术方案的缺点，本发明的主要目的在于提供一种基于光纤传感測量公路路面表层水膜厚度的方法，以提高路面水膜测量值的准确性和可靠性。( ニ )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种基于光纤传感測量公路路面表层水膜厚度的方法，包括激光器LD发出的激光信号经过发射光纤5传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面10处发生反射；反射后的激光信号分别通过第一接收光纤4和第二接收光纤6进入第一光探測器PD1和第二光探測器ro2，第一光探測器PD1和第二光探測器PD2根据该激光信号的功率大�。涑龅谝坏缌鱅1和第二电流I2;第一电流I1和第二电流I2通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。 上述方案中，所述激光器LD采用1310nm光源的半导体激光器，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，提高測量反射光信号的精度。上述方案中，所述发射光纤5、第一接收光纤4和第二接收光纤6构成三光纤式光信号发射探测结构，在该三光纤式光信号发射探测结构中所述发射光纤5位于所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6之间。上述方案中，所述第一接收光纤4为直径50 μ m的多模光纤，所述第二接收光纤6为直径Imm的特种光纤。上述方案中，所述发射光纤5将激光信号从1310nm光源的半导体激光器LD引出，并由位于发射光纤5两侧的所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6接收。上述方案中，所述第一光探測器TO1和所述第二光探測器ro2均是一光电ニ极管，通过该三光纤式光信号发射探测结构将激光信号通过所述第一接收光纤4和所述第二接收光纤6分别送入所述第一光探測器PD1和所述第二光探測器PD2产生电信号。上述方案中，所述第一光探測器PD1和所述第二光探測器PD2构成双路探测器作为光探測结构。 (三)有益效果本发明提供的这种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，利用光纤传感技术通过监测路面水膜反射回探測器的光功率大小測量路面水膜厚度，提高了路面水膜测量值的准确性和可靠性，并采用双路光探測器结构，排除了激光器输出光功率、水面反射率等因素的干扰。
图I是光纤传感测试水膜厚度模型的示意图；图2是水膜检测厚度与接收光纤半径r3的关系曲线；图3是水膜检测厚度与发射光纤数值孔径NA的关系曲线；图4是水膜厚度仿真测量结果的ー个示意图；图5是本发明提供的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法流程图；图6是光纤传感探头加工模型及实物的示意图；图7是水膜厚度检测实验平台的示意图；图8是水膜厚度测试结果的另ー个示意图，其中图8(a)单发单收模块测试結果，图8(b)单发双收�？椴馐越Y果。附图标记如下I激光器LD2第一光探測器PD13第二光探测器PD24距离发射光纤较近的第一接收光纤，其导光芯径巧5发射光纤，其导光芯径F16距离发射光纤较远的第二接收光纤，其导光芯径r37第一光探測器PD1输入端光纤的几何中心与激光器发射端光纤的几何中心的距^P18第二光探測器PD2输入端光纤的几何中心与激光器发射端光纤的几何中心的距尚P29激光器LD发射端等效镜像
10路面水膜与空气分界面11公路路面表层12传感探头
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。本发明提供的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，是基于图I所示 的双路光纤测试水膜厚度模型实现的，该模型利用单路发射光纤及双路接收光纤，其中发射光纤5连接于激光器LD，第一接收光纤4和第二接收光纤6分别连接于第一光探測器PD^和第二光探測器Η)23，发射光纤及接收光纤的传感探头端面与路面齐平。设路面水膜厚度为d，发射光纤5的导光芯径为Γι，第一接收光纤4和第二接收光纤6的导光芯径分别为r2及r3，其中，r3为距离发射光纤5较远的第二接收光纤6的半径。激光器LD I发出的光经路面水表面反射回路面的光斑半径为q = r1+2dtg θ，NA=tg θ为发射光纤5的数值孔径，第一光探測器rop和第二光探測器ro23接收到的光功率之比为
权利要求
1.一种基于光纤传感測量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，包括 激光器LD发出的激光信号经过发射光纤传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面处发生反射； 反射后的激光信号分别通过第一接收光纤和第二接收光纤进入第一光探測器PD1和第ニ光探测器F1D2,第一光探测器F1D1和第二光探测器F1D2根据该激光信号的功率大小,输出第ー电流I1和第二电流I2; 第一电流I1和第二电流I2通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。
2.根据权利要求I所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述激光器LD采用1310nm光源的半导体激光器，避开水对光的吸收峰和可见光信号的干扰，提高測量反射光信号的精度。
3.根据权利要求I所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述发射光纤、第一接收光纤和第二接收光纤构成三光纤式光信号发射探测结构，在该三光纤式光信号发射探测结构中所述发射光纤位于所述第一接收光纤和所述第二接收光纤之间。
4.根据权利要求I或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一接收光纤为直径50 μ m的多模光纤，所述第二接收光纤为直径Imm的特种光纤。
5.根据权利要求I或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述发射光纤将激光信号从1310nm光源的半导体激光器LD引出，并由位于发射光纤两侧的所述第一接收光纤和所述第二接收光纤接收。
6.根据权利要求I或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一光探測器PD1和所述第二光探測器PD2均是一光电ニ极管，通过该三光纤式光信号发射探测结构将激光信号通过所述第一接收光纤和所述第二接收光纤分别送入所述第一光探測器PD1和所述第二光探測器PD2产生电信号。
7.根据权利要求I或3所述的基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，所述第一光探測器To1和所述第二光探測器ro2构成双路探测器作为光探測结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于光纤传感测量公路路面表层水膜厚度的方法，其特征在于，包括激光器LD发出的激光信号经过发射光纤传输进入待测路面平面，在路面水膜与空气分界面处发生反射；反射后的激光信号分别通过第一接收光纤和第二接收光纤进入第一光探测器PD1和第二光探测器PD2，第一光探测器PD1和第二光探测器PD2根据该激光信号的功率大�。涑龅谝坏缌鱅1和第二电流I2；第一电流I1和第二电流I2通过电缆进入外部电路，外部电路以双路相比的比值量处理，得到水膜厚度。利用本发明，提高了路面水膜测量值的准确性和可靠性。
文档编号G01B11/06GK102692191SQ201210197039
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者漆晓琼, 王辉, 谢亮 申请人:中国科学院半导体研究所
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