CN113324935A - 一种基于多光谱的公路团雾检测装置及其检测方法 - Google Patents

一种基于多光谱的公路团雾检测装置及其检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于多光谱的公路团雾检测装置,包括检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件，检测装置、凸透镜、可见光滤光片及反光件依次按序间隔排列，检测装置具有可见光发射器、红外发射器、可见光探测器及红外光探测器，检测装置与凸透镜之间的间距是3‑10cm，上述凸透镜与上述可见光滤光片之间的间距是15‑25cm，上述可光见滤光片与上述反光件之间相靠近设置，上述反光件为对红外光进行原路反射回去的红外光反光件。本发明的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其能见度计算时能考虑到红外光后向散热光子数，大大提高了能见度计算精准度，从而使检测装置的检测准确性较高，本发明还公开了一种基于多光谱的公路团雾的检测方法。

Description

一种基于多光谱的公路团雾检测装置及其检测方法
技术领域
本发明涉及交通道路检测领域,特别涉及对公路上团雾能见度多少的检测装置及其检测方法。
背景技术
团雾天气是严重影响高速公路行车安全的一个重要因素，团雾天气现象的危害性很大，据全国各高速公路交通事故统计有关数据表明，很多的高速公路交通事故的发生都和团雾有很大的关系。由于团雾会造成能见度下降，突变的能见度降低会严重影响驾驶员的驾驶判断以及团雾具有出现时间、地点的随机性，这种随机性会会增加高速公路驾驶的安全隐患，并且高速公路车速快、车流量大且全封闭的自身缺陷，常常导致重大交通事故发生，造成严重的经济损失。因此，及时、准确、有效地对团雾天气能见度进行监测和预警意义重大。
现有团雾检测的检测方式在路面上设有一个光源发生装置和接收光源发生装置发出的光源的光检测器，光源发生装置与光检测器之间的间距需在40cm-100m之间才得以计算，通过发出的光源和接收到多少光源的来检测出能见度。然而，此种能见度检测装置，其光路较长，在传播过程中易受水气的影响而产生反向散射，此反向散射光未被光检测器接收到，从而造成检测较为不精准。
为此本发明人对上述问题进行深入研究，遂由本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种检测精准的基于多光谱的公路团雾检测装置。
本发明的目的在于提供一种检测精准的基于多光谱的公路团雾检测方法。
为了达成上述目的，本发明的解决方案如下所述：一种基于多光谱的公路团雾检测装置,包括检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件，上述检测装置、凸透镜、可见光滤光片及反光件在同一直线上依次按序间隔排列，上述凸透镜、可见光滤光片和反光件竖立设置，上述检测装置具有二个光发射器和二个光探测器，其一光发射器为发出可见光的可见光发射器，另一光发射器为发出红外光的红外发射器，其一光探测器为接收可见光的可见光探测器，另一光探测器为接收红外光的红外光探测器，上述可见光发射器的发射方向、红外发射器的发射方向、可见光探测器的接收方向和红外光探测器的接收方向均朝向凸透镜，上述检测装置与凸透镜之间的间距是3-10cm，上述凸透镜与上述可见光滤光片之间的间距是15-25cm，上述可光见滤光片与上述反光件之间相靠近设置，上述反光件为对红外光进行原路反射回去的红外光反光件。
上述反光件为其朝向可见光滤光片的一面贴设有3MM反光膜的柱体。
上述柱体为三棱镜。
上述检测装置与凸透镜之间的间距是5cm，上述凸透镜与上述可见光滤光片之间的间距是20cm，上述可光见滤光片与上述反光件贴紧配合。
上述可见光发射器为红光发射器，上述可见光探测器为红光探测器。
一种基于多光谱的公路团雾的检测方法，通过如下步骤实现：
步骤一，在马路旁安装检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件,且设定凸透镜与可见光滤光片之间的间距为d，即光程为2d；
步骤二，先给检测装置的可见光发射器和红外光发射器输入相同的工作电流值A,在该工作电流下得到红外光探测器得到红外光接收光子数C1，此红外光接收光子数＝红外光后向散射光子数+红外光透射光子数,以红外光后向散射光子数为C1S,红外光透射光子数为CT,则CT＝C1-C1S，可见光探测器相应在此工作电流下相应得到可见光接收光子数C2,因可见光滤光片将可见光探测器过滤,则可见光接收光子数C2等同于可见光后向散射光子数,以可见光后向散射光子数为C2S，即C2＝C2S，
同时，在上述工作电流值下利用光探测器在间距r下的后向散射能量方程p(d)：
Figure BDA0003099948780000031
式中，p0为光探测器的发射功率，c为光速，τ为脉冲宽度，Ad为有效接收面积，Y(d)为光探测器的光学特性，β(d)为后向散射系数，Td为透射因数；根据光在气溶胶粒子中，透射因数
Figure BDA0003099948780000032
其中I为透射光强，I0为入射光强；
将在此间距d下的p(d)转化为光子数C的形式有
Figure BDA0003099948780000033
η为光探测器的量子效率，λ为光的波长，h为普朗克常量，t为发射器发射至探测器接收之间的时间；可知此间距d下可见光后向散射光子数C2S(d)与红外后向散射光子数C1S(d)之比为
Figure BDA0003099948780000034
Figure BDA0003099948780000035
式中，λR为可见光的波长，λIR为红外光的波长，βR(d)为可见光后向散射系数，βIR(d)为红外光后向散射系数，TrR为可见光透射因数，TrIR为红外光透射因素，利用可见光后向散射光子数与红外后向散射光子数之比的公式可求得红外光后向散射光子数C1S，利用CT＝C1-C1S的公式即可求得红外光透射光子数CT；
步骤三，根据步骤二所求得的红外透射光子数CT，可得到红外光的透射因数
Figure BDA0003099948780000041
其中C0为工作电流值A下光传播距离为0时红外光探测器的接收光子数；再由Beer-Bouguer-Lambert定理TrIR＝e-σ2d得到红外光的消光系数σ，e为自然数对数的底，2d为光程，以此求得能见度
Figure BDA0003099948780000042
上述可见光发射器为红光发射器，上述可见光探测器为红光探测器。
采用上述技术方案后，本发明的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，利用对可见光光谱的发射与接收及可见光滤光片的配合使用，可得到红外光的后向散热光子数和红外光的透射光子数，使能见度计算时能考虑到红外光后向散热光子数，大大提高了能见度计算精准度，从而使检测装置的检测准确性较高，同时，整个装置结构简易，易于布置、安装及维护，且整个装置的用电量小，能保护整个装置的长期运行，使用方便。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
本发明的一种基于多光谱的公路团雾检测装置,如图1所示，包括检测装置1、凸透镜2、可见光滤光片3和反光件4，检测装置1、凸透镜2、可见光滤光片3及反光件4在同一直线上依次按序间隔排列，凸透镜2、可见光滤光片3和反光件4竖立设置，检测装置1具有二个光发射器和二个光探测器，其一光发射器为能发出可见光100的可见光发射器(图中未画出)，另一光发射器为能发出红外光200的红外发射器(图中未画出)，其一光探测器为接收可见光的可见光探测器，另一光探测器为接收红外光的红外光探测器，此可见光发射器、红外发射器、可见光探测器及红外光探测器均是公知的，可见光发射器的发射方向、红外发射器的发射方向、可见光探测器的接收方向和红外光探测器的接收方向均朝向凸透镜2，检测装置1与凸透镜2之间的间距是3-10cm，优佳的是，可见光发射器的发射端、红外发射器的发射端、可见光探测器的探测端及红外光探测器的探测端均与凸透镜2之间的间距是5cm，凸透镜2与可见光滤光片3之间的间距是15-25cm，优佳的是20cm，可光见滤光片3与反光件4之间相靠近设置，优选的是贴紧配合，此反光件4为对红外光进行原路反射回去的红外光反光件。
本发明的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，应用时，检测装置发出可见光和红外光，可见光和红外光穿过凸透镜2至可见光滤光片3，此时可见光和红外光传播至可见光滤光片过程中受空气中颗粒的影响，可见光和红外光会发生少量的后向散射，而大部分的可见光被可见光滤光片3滤除，无法反射回红外探测器处，使可见光探测器所接收到的光子数为可见光后向散热的光子数，而红外光经透过可风光滤光片3至反光件4由反光件4原路反射回检测装置处，使检测装置处红外光探测器所接收到的光子数是红外光透射光子数和红外光后向散热光子数之和，采用本装置使计算能见度时能将后向散热光子数计算在内，避免传统能见度计算没有考虑后向散热的问题，大大提高了能见度的计算精准度，从而使检测装置的检测准确性较高，同时，整个装置结构简易，易于布置、安装及维护，且整个装置的用电量小，能保护整个装置的长期运行，使用方便；另，整个装置采用收发一体的反射式检测，光程较短，使发射器与反光件之间的间距可减小，大大降低了整个装置的占据空间。
本发明中，所述反光件为其朝向可见光滤光片的一面贴设有3MM反光膜的柱体，优佳的是柱体为三棱镜，透利用3MM反光膜与三棱镜的配合可将不同角度的红外光均得反光回去，进一步保证能见度的计算精准。
本发明中，所述可见光发射器为红光发射器，上述可见光探测器为红光探测器，经多次测试中得到可见光采用红光效果最好。
本发明的一种基于多光谱的公路团雾的检测方法，通过如下步骤实现：
步骤一，在马路旁安装检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件,其中检测装置的可见光发射器优佳为红光发射器，可见光探测器优佳为红光探测器，且设定凸透镜与可见光滤光片之间的间距为d，即光程为2d；
步骤二，先给检测装置的可见光发射器和红外光发射器输入相同的工作电流值A,在该工作电流下得到红外光探测器得到红外光接收光子数C1，此红外光接收光子数＝红外光后向散射光子数+红外光透射光子数,以红外光后向散射光子数为C1S,红外光透射光子数为CT,则CT＝C1-C1S，可见光探测器相应在此工作电流下相应得到可见光接收光子数C2,因可见光滤光片将可见光探测器过滤,则可见光接收光子数C2等同于可见光后向散射光子数,以可见光后向散射光子数为C2S，即C2＝C2S，
同时，在上述工作电流值下利用光探测器在间距r下的后向散射能量方程p(d)：
Figure BDA0003099948780000061
式中，p0为光探测器的发射功率，c为光速，τ为脉冲宽度，Ad为有效接收面积，Y(d)为光探测器的光学特性，β(d)为后向散射系数，Td为透射因数；根据光在气溶胶粒子中，透射因数
Figure BDA0003099948780000071
其中I为透射光强，I0为入射光强；
将在此间距d下的p(d)转化为光子数C的形式有
Figure BDA0003099948780000072
η为光探测器的量子效率，λ为光的波长，h为普朗克常量，t为发射器发射至探测器接收之间的时间；可知此间距d下可见光后向散射光子数C2S(d)与红外后向散射光子数C1S(d)之比为
Figure BDA0003099948780000073
Figure BDA0003099948780000074
式中，λR为可见光的波长，λIR为红外光的波长，βR(d)为可见光后向散射系数，βIR(d)为红外光后向散射系数，TrR为可见光透射因数，TrIR为红外光透射因素，利用可见光后向散射光子数与红外后向散射光子数之比的公式可求得红外光后向散射光子数C1S，利用CT＝C1-C1S的公式即可求得红外光透射光子数CT；
步骤三，根据步骤二所求得的红外透射光子数CT，可得到红外光的透射因数
Figure BDA0003099948780000075
其中C0为工作电流值A下光传播距离为0时红外光探测器的接收光子数；再由Beer-Bouguer-Lambert定理TrIR＝e-σ2d得到红外光的消光系数σ，e为自然数对数的底，2d为光程，求得的消光***带入能见度公式中
Figure BDA0003099948780000076
即可得知能见度的数值。
采用上述计算方法，通过设定的装置和步骤二能将可见光和红外光的后向散热的光子数计算出来，消除后向散射的问题，消除了因后向散热问题而造成的误差，大大提高了能见度计算精准度，使整个检测准确性较高，保证了马路行车安全。
本发明的检测方法，经发明人多次测试得到，只有可见光为红光时整个检测方法的效果最佳。
上述实施例和附图并非限定本发明的方法，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (7)

1.一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其特征在于：包括检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件，上述检测装置、凸透镜、可见光滤光片及反光件在同一直线上依次按序间隔排列，上述凸透镜、可见光滤光片和反光件竖立设置，上述检测装置具有二个光发射器和二个光探测器，其一光发射器为发出可见光的可见光发射器，另一光发射器为发出红外光的红外发射器，其一光探测器为接收可见光的可见光探测器，另一光探测器为接收红外光的红外光探测器，上述可见光发射器的发射方向、红外发射器的发射方向、可见光探测器的接收方向和红外光探测器的接收方向均朝向凸透镜，上述检测装置与凸透镜之间的间距是3-10cm，上述凸透镜与上述可见光滤光片之间的间距是15-25cm，上述可光见滤光片与上述反光件之间相靠近设置，上述反光件为对红外光进行原路反射回去的红外光反光件。
2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其特征在于：上述反光件为其朝向可见光滤光片的一面贴设有3MM反光膜的柱体。
3.根据权利要求2所述的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其特征在于：上述柱体为三棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其特征在于：上述检测装置与凸透镜之间的间距是5cm，上述凸透镜与上述可见光滤光片之间的间距是20cm，上述可光见滤光片与上述反光件贴紧配合。
5.根据权利要求1所述的一种基于多光谱的公路团雾检测装置，其特征在于：上述可见光发射器为红光发射器，上述可见光探测器为红光探测器。
6.一种基于多光谱的公路团雾的检测方法，其特征在于；通过如下步骤实现：
步骤一，在马路旁安装权利要求1的检测装置、凸透镜、可见光滤光片和反光件，且设定凸透镜与可见光滤光片之间的间距为d，即光程为2d；
步骤二，先给检测装置的可见光发射器和红外光发射器输入相同的工作电流值A，在该工作电流下得到红外光探测器得到红外光接收光子数C1，此红外光接收光子数＝红外光后向散射光子数+红外光透射光子数，以红外光后向散射光子数为C1S，红外光透射光子数为CT，则CT＝C1-C1S，可见光探测器相应在此工作电流下相应得到可见光接收光子数C2，因可见光滤光片将可见光探测器过滤，则可见光接收光子数C2等同于可见光后向散射光子数，以可见光后向散射光子数为C2S，即C2＝C2S，
同时，在上述工作电流值下利用光探测器在间距d下的后向散射能量方程p(d)为：
Figure FDA0003099948770000021
式中，p0为光探测器的发射功率，c为光速，τ为脉冲宽度，Ad为有效接收面积，Y(d)为光探测器的光学特性，β(d)为后向散射系数，Td为透射因数；根据光在气溶胶粒子中，透射因数
Figure FDA0003099948770000022
其中I为透射光强，I0为入射光强；
将在此间距d下的p(d)转化为光子数C的形式有
Figure FDA0003099948770000023
η为光探测器的量子效率，λ为光的波长，h为普朗克常量，t为发射器发射至探测器接收之间的时间；可知此间距d下可见光后向散射光子数C2S(d)与红外后向散射光子数C1S(d)之比为
Figure FDA0003099948770000024
Figure FDA0003099948770000031
式中，λR为可见光的波长，λIR为红外光的波长，βR(d)为可见光后向散射系数，βIR(d)为红外光后向散射系数，TrR为可见光透射因数，TrIR为红外光透射因素，利用可见光后向散射光子数与红外后向散射光子数之比的公式可求得红外光后向散射光子数C1S，利用CT＝C1-C1S的公式即可求得红外光透射光子数CT；
步骤三，根据步骤二所求得的红外透射光子数CT，可得到红外光的透射因数
Figure FDA0003099948770000032
其中C0为工作电流值A下光传播距离为0时红外光探测器的接收光子数；再由Beer-Bouguer-Lambert定理TrIR＝e-σ2d得到红外光的消光系数σ，e为自然数对数的底，2d为光程，以此求得能见度
Figure FDA0003099948770000033
7.根据权利要求6所述的一种基于多光谱的公路团雾的检测方法，其特征在于：上述可见光发射器为红光发射器，上述可见光探测器为红光探测器。
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