RU2637797C1 - Method for determining state of road surface - Google Patents
Method for determining state of road surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2637797C1 RU2637797C1 RU2016130116A RU2016130116A RU2637797C1 RU 2637797 C1 RU2637797 C1 RU 2637797C1 RU 2016130116 A RU2016130116 A RU 2016130116A RU 2016130116 A RU2016130116 A RU 2016130116A RU 2637797 C1 RU2637797 C1 RU 2637797C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- road surface
- waveguide
- section
- road
- layer
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для бесконтактного определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда.The invention relates to measuring technique and can be used for non-contact determination of the state of the surface of the roadway, which may form a layer of water, snow or ice.
Известны микроволновые способы определения состояния дорожного покрытия (US 4690553, 01.09.1987; US 5686841, 11.11.1997; Hertl S., Schaffar G., H. Contactless determination of the properties of water films on road // Journal of Physics E.: Scientific Instruments. 1988. Vol. 21. N. 10. P. 955-958). Эти способы и реализующие их устройства позволяют производить бесконтактные измерения, определять и идентифицировать наличие воды, снега или льда на поверхности дорожного полотна и измерять их толщину. Однако известные способы имеют существенный недостаток: они не обеспечивают высокую точность измерения толщины слоя вещества (воды, снега или льда), который может быть очень тонким. Кроме того, эти способы достаточно сложны и имеют высокую стоимость реализации.Known microwave methods for determining the condition of the pavement (US 4690553, 09/01/1987; US 5686841, 11/11/1997; Hertl S., Schaffar G., H. Contactless determination of the properties of water films on road // Journal of Physics E .: Scientific Instruments. 1988. Vol. 21. N. 10. P. 955-958). These methods and devices that implement them allow you to make non-contact measurements, determine and identify the presence of water, snow or ice on the surface of the roadway and measure their thickness. However, the known methods have a significant drawback: they do not provide high accuracy in measuring the thickness of a layer of a substance (water, snow or ice), which can be very thin. In addition, these methods are quite complex and have a high implementation cost.
Известен также способ (US 5497100, 05.03.1996), который заключается в зондировании поверхности дороги частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных волн, получении множества значений амплитуд разностных сигналов, соответствующих принимаемым и излучаемым волнам, сравнении данного множества с множеством известных моделей поверхности и определении состояния дороги по результатам этого сравнения. Данный способ характеризуется невысокой точностью и сложен в реализации: процесс получения полезной информации связан со сложной функциональной обработкой принимаемых сигналов.There is also known a method (US 5497100, 03/05/1996), which consists in sensing the road surface with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving reflected waves, obtaining a set of values of the amplitudes of the difference signals corresponding to the received and emitted waves, comparing this set with many known surface models and determining the condition of the road based on the results of this comparison. This method is characterized by low accuracy and difficult to implement: the process of obtaining useful information is associated with complex functional processing of the received signals.
Известно также техническое решение (RU 2473888 C1, 27.01.2013), которое заключается в зондировании поверхности дороги частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных волн, встраивании в поверхностный слой контролируемого участка дороги резонатора с изменяющейся в соответствии с состоянием дороги резонансной частотой электромагнитных колебаний, которые возбуждают в нем зондирующими электромагнитными волнами, измерении мощности отраженных от резонатора и принимаемых электромагнитных волн и по суждении о состоянии поверхности дороги по величине частоты, соответствующей минимуму принимаемой мощности. При этом диапазон изменения частоты зондирующих электромагнитных волн выбирают из условия его превышения диапазона возможных значений резонансной частоты резонатора, соответствующих определяемому состоянию поверхности дороги. Данный способ, как и вышеупомянутые способы, сложен в реализации: процесс получения полезной информации связан с применением генератора частотно-модулированных колебаний, со сложной функциональной обработкой принимаемых сигналов.A technical solution is also known (RU 2473888 C1, 01/27/2013), which consists in sensing the surface of the road with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving reflected waves, incorporating a resonator into the surface layer of the controlled section of the road with a resonant frequency of electromagnetic waves varying in accordance with the state of the road, which excite in it sounding electromagnetic waves, measuring the power reflected from the resonator and the received electromagnetic waves and judging the state on top road in terms of frequency corresponding to the minimum received power. The frequency range of the sounding electromagnetic waves is selected from the condition that it exceeds the range of possible values of the resonant frequency of the resonator corresponding to the determined state of the road surface. This method, like the above methods, is difficult to implement: the process of obtaining useful information is associated with the use of a frequency-modulated oscillator, with complex functional processing of the received signals.
Известно также техническое решение (US 3836846, 17.09.1974), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в зондировании поверхности дороги электромагнитными волнами, возбуждаемыми в волноводе, размещаемом под контролируемой поверхностью, с одного из его торцевых участков, который встраивают в поверхностный слой контролируемого участка дороги, и определении одной из характеристик, а именно амплитуды, стоячей волны в волноводе, (см. фиг. 2 данного технического решения). В отсутствие слоя воды, снега, льда и т.п. на поверхности дороги отражение от торца волновода мало, но при наличии такого слоя амплитуда стоячей волны возрастает и несет информацию о состоянии поверхности - толщине и характере слоя осажденного вещества. Однако этот способ, связанный с проведением амплитудных измерений, не характеризуется высокой точностью измерения: амплитуда принимаемого сигнала - информативный параметр - зависит не только от полезной информации о состоянии поверхности дороги, но и от различных влияющих факторов (изменений мощности генератора, температуры и др.), т.е. имеет недостатки, присущие амплитудным изменениям.A technical solution is also known (US 3836846, 09/17/1974), which, by its technical nature, is closest to the proposed method and is adopted as a prototype. This prototype method consists in sensing the surface of the road with electromagnetic waves excited in a waveguide placed under the controlled surface from one of its end sections, which are embedded in the surface layer of the controlled section of the road, and determining one of the characteristics, namely the amplitude of the standing wave in waveguide (see. Fig. 2 of this technical solution). In the absence of a layer of water, snow, ice, etc. on the road surface, the reflection from the end of the waveguide is small, but in the presence of such a layer the amplitude of the standing wave increases and carries information about the state of the surface — the thickness and nature of the layer of deposited material. However, this method, associated with conducting amplitude measurements, is not characterized by high measurement accuracy: the amplitude of the received signal, an informative parameter, depends not only on useful information about the state of the road surface, but also on various influencing factors (changes in generator power, temperature, etc.) , i.e. has disadvantages inherent in amplitude changes.
Этот способ подразумевает наличие эталонной информации о состоянии поверхности дороги, соответствующей отсутствию какого-либо слоя вещества (воды, льда, снега и др.) на ее поверхности. Текущая информация о состоянии поверхности дороги подлежит сравнению с данной эталонной информацией в блоке сравнения измерительных устройств, реализующих этот способ, и суждении о состоянии поверхности дороги при сравнении этих данных, что усложняет данный способ.This method implies the presence of reference information on the state of the road surface, corresponding to the absence of any layer of substance (water, ice, snow, etc.) on its surface. The current information about the state of the road surface is subject to comparison with this reference information in the unit of comparison of measuring devices that implement this method, and judgments about the state of the road surface when comparing these data, which complicates this method.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности и упрощение процесса определения состояния поверхности дороги.The technical result of the present invention is to improve the accuracy and simplification of the process of determining the state of the road surface.
Технический результат в предлагаемом способе определения состояния поверхности дороги достигается тем, что контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, возбуждаемыми в волноводе, размещаемом под контролируемой поверхностью, с одного из его торцевых участков, который встраивают в поверхностный слой контролируемого участка дороги, и определяют одну из характеристик стоячей волны в волноводе. При этом с другого торцевого участка волновода зондируют электромагнитными волнами поверхность, идентичную участку поверхности дороги с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги. В качестве поверхности, зондируемой с другого торцевого участка волновода, может быть использован участок поверхности дороги с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги, а данный торцевой участок волновода встраивают в поверхностный слой этого участка поверхности дороги.The technical result in the proposed method for determining the state of the road surface is achieved by the fact that the monitored section of the road surface is probed with electromagnetic waves excited in the waveguide placed under the monitored surface from one of its end sections, which are embedded in the surface layer of the monitored section of the road, and one of characteristics of a standing wave in a waveguide. At the same time, from the other end section of the waveguide, the surface identical to the road surface section with the reference values of its state corresponding to the absence of a covering layer on the road surface is probed by electromagnetic waves. As a surface probed from another end section of the waveguide, a section of the road surface with reference values of its state corresponding to the absence of a covering layer on the road surface can be used, and this end section of the waveguide is embedded in the surface layer of this section of the road surface.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.The proposed method is illustrated by drawings.
На фиг. 1 приведена функциональная схема, поясняющая способ.In FIG. 1 is a functional diagram illustrating a method.
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены варианты функциональных схем устройств для реализации способа.In FIG. 2 and FIG. 3 shows options for functional diagrams of devices for implementing the method.
На чертежах показаны волновод 1 с торцевыми участками 2 и 3, электронный блок 4, элемент связи 5, поверхность дороги 6, покрывающий слой 7, идентичный участок поверхности дороги 8, защитный кожух 9.The drawings show a
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.The essence of the proposed method is as follows.
Согласно данному способу контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, возбуждаемыми в волноводе, размещаемом под контролируемой поверхностью, с одного из его торцевых участков, который встраивают в поверхностный слой контролируемого участка дороги, и определяют одну из характеристик стоячей волны в волноводе. При этом с другого торцевого участка волновода зондируют электромагнитными волнами поверхность, идентичную участку поверхности дороги с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги.According to this method, a controlled section of a road surface is probed with electromagnetic waves excited in a waveguide placed under the controlled surface from one of its end sections, which are embedded in the surface layer of a controlled section of the road, and one of the characteristics of a standing wave in the waveguide is determined. At the same time, from the other end section of the waveguide, the surface identical to the road surface section with the reference values of its state corresponding to the absence of a covering layer on the road surface is probed by electromagnetic waves.
В данном случае стоячая волна в волноводе образуется вследствие отражений как от одного, так и от другого торцов волновода. В этом случае данный волновод является волноводным резонатором, в котором при совпадении частоты зондирующих волн (частоты генератора) с одной из частот - резонансных частот, на которой имеет место стоячая волна, существуют электромагнитные колебания. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний такого волноводного резонатора, можно судить о состоянии поверхности дороги.In this case, a standing wave in the waveguide is formed due to reflections from both one and the other ends of the waveguide. In this case, this waveguide is a waveguide resonator, in which, when the frequency of the probe waves (generator frequency) coincides with one of the frequencies — the resonance frequencies at which the standing wave takes place, electromagnetic oscillations exist. By measuring the resonant frequency of electromagnetic waves of such a waveguide resonator, one can judge the state of the road surface.
При появлении на поверхности дороги слоя какого-либо вещества (воды, снега, льда и др.), то есть при отклонении резонансной частоты данного волноводного резонатора от ее эталонного значения, соответствующего отсутствию такого слоя вещества, в волноводном резонаторе происходит изменение картины распределения поля стоячей волны с соответствующим изменением значений резонансной частоты.When a layer of a substance (water, snow, ice, etc.) appears on the road surface, i.e., when the resonance frequency of a given waveguide resonator deviates from its reference value, which corresponds to the absence of such a layer of substance, the pattern of the standing field distribution changes in the waveguide resonator waves with a corresponding change in the values of the resonant frequency.
Данный волноводный резонатор образован волноводом 1 и размещенными на его торцах идентичными чувствительными элементами - торцевыми участками 2 и 3 (фиг. 1). В их электромагнитном поле помещены объекты с соответственно текущим (измеряемым) и эталонным значениями измеряемого параметра - толщины x слоя воды, снега или льда на поверхности дорожного полотна. Каждому значению x соответствует значение сопротивления Zн(x) чувствительного элемента, в общем случае комплексного сопротивления. При равенстве измеряемой величины x ее эталонному значению x0 (x=x0=0) Zн(x)=Zн(xq). При отличии x от x0 в волноводном резонаторе происходит изменение картины распределения поля стоячей волны с соответствующим изменением значений информативного параметра - одной из резонансных (собственных) частот электромагнитных колебаний рассматриваемого волноводного резонатора. Эта резонансная частота изменяется в зависимости от толщины покрывающего поверхность дороги слоя. Она также зависит и от электрофизических параметров, в частности диэлектрической проницаемости покрывающего слоя (воды, льда или снега).This waveguide resonator is formed by
На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства для реализации данного способа (первый вариант). К волноводному резонатору, образованному волноводом 1 и размещенными на его торцах чувствительными элементами - торцевыми участками 2 и 3, подсоединен электронный блок 4 с помощью элемента связи 5 для возбуждения в данном волноводном резонаторе колебаний и измерения одного из его информативных параметров, в частности, резонансной частоты электромагнитных колебаний. Данный электронный блок, изображенный здесь схематично в виде одного блока, может представлять собой также совокупность отдельных элементов и блоков для возбуждения в волноводном резонаторе колебаний, их съема и измерения информативного параметра (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с.). Волновод 1 размещают под контролируемой поверхностью дороги 6 с возможным покрывающим слоем 7. Один из его торцевых участков 2 встраивают снизу в поверхностный слой дороги на ее контролируемом участке. При этом с другого торцевого участка 3 волновода 1 зондируют электромагнитными волнами идентичный участок поверхности дороги 8 с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию покрывающего слоя на поверхности дороги. По величине информативного параметра, в частности основной резонансной частоты электромагнитных колебаний данного волноводного резонатора, судят о состоянии поверхности дороги.In FIG. 2 shows a functional diagram of a device for implementing this method (first option). An
На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства для реализации данного способа (второй вариант), у которого как первый торцевой участок 2 волновода 1, так и его второй торцевой участок 3 встроены снизу в поверхность дороги. При этом в качестве поверхности, зондируемой с другого торцевого участка 3 волновода 1, используют участок поверхности дороги 8 с эталонными значениями ее состояния, соответствующими отсутствию на поверхности дороги покрывающего слоя 7. Для защиты этого участка дороги от присутствия на нем какого-либо поверхностного слоя вещества (воды, снега, льда и др.) в схеме устройства предусмотрено наличие защитного кожуха 9.In FIG. 3 is a functional diagram of a device for implementing this method (second option), in which both the
Данное устройство может быть применено для определения состояния поверхности дороги 6 (например, асфальта) с возможным покрывающим слоем 7 воды, льда или снега посредством определения резонансной частоты .This device can be used to determine the state of the surface of the road 6 (for example, asphalt) with a possible covering
Для определения состояния поверхности дороги, обусловленного наличием на ее поверхности слоя осадков или его отсутствием, необходимо знать электрофизические параметры возможных веществ на его поверхности - воды, снега и льда в СВЧ-диапазоне частот электромагнитных волн. Поскольку электрофизические параметры воды, снега и льда существенно отличаются от единицы (что соответствует отсутствию такого слоя на дороге) и друг от друга (Nyfors E.G., Vainikainen P. Industrial microwave sensors. Artech House, Inc. 1989. 351 p.), то значения резонансной частоты электромагнитных колебаний и диапазон изменения существенно отличаются при наличии того или иного слоя на поверхности дороги или при его отсутствии. Это позволяет определить, какой вид слоя осадков (вода, снег или лед) присутствует на дороге (или отсутствует), а также, по величине изменения , найти его толщину.To determine the state of the road surface due to the presence of a precipitation layer on its surface or its absence, it is necessary to know the electrophysical parameters of the possible substances on its surface - water, snow and ice in the microwave frequency range of electromagnetic waves. Since the electrophysical parameters of water, snow, and ice differ significantly from unity (which corresponds to the absence of such a layer on the road) and from each other (Nyfors EG, Vainikainen P. Industrial microwave sensors. Artech House, Inc. 1989. 351 p.), The values resonant frequency electromagnetic waves and range of variation significantly differ in the presence of a particular layer on the road surface or in its absence. This allows you to determine what type of precipitation layer (water, snow or ice) is present on the road (or absent), and also, by the magnitude of the change find its thickness.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью определять состояние поверхности дороги. Он дает возможность фиксировать наличие или отсутствие на поверхности дороги слоя воды, снега или льда и производить их идентификацию.Thus, this method allows quite simply and with high accuracy to determine the state of the road surface. It makes it possible to record the presence or absence of a layer of water, snow or ice on the road surface and to make their identification.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130116A RU2637797C1 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for determining state of road surface |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016130116A RU2637797C1 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for determining state of road surface |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2637797C1 true RU2637797C1 (en) | 2017-12-07 |
Family
ID=60581712
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016130116A RU2637797C1 (en) | 2016-07-22 | 2016-07-22 | Method for determining state of road surface |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2637797C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3836846A (en) * | 1971-09-09 | 1974-09-17 | Monsanto Co | Ice detection apparatus employing microwave reflectance |
US4690553A (en) * | 1979-06-29 | 1987-09-01 | Omron Tateisi Electronics Co. | Road surface condition detection system |
US5497100A (en) * | 1994-10-17 | 1996-03-05 | Hughes Aircraft Company | Surface condition sensing system |
US5686841A (en) * | 1992-11-30 | 1997-11-11 | Stolar, Inc. | Apparatus and method for the detection and measurement of liquid water and ice layers on the surfaces of solid materials |
RU2279665C1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-10 | Государственное предприятие "РОСДОРНИИ" | Method of determining pavement grip coefficient |
RU2473888C1 (en) * | 2011-09-22 | 2013-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method of determining state of road surface |
RU2550778C1 (en) * | 2014-01-10 | 2015-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method of determining state of road surface |
-
2016
- 2016-07-22 RU RU2016130116A patent/RU2637797C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3836846A (en) * | 1971-09-09 | 1974-09-17 | Monsanto Co | Ice detection apparatus employing microwave reflectance |
US4690553A (en) * | 1979-06-29 | 1987-09-01 | Omron Tateisi Electronics Co. | Road surface condition detection system |
US5686841A (en) * | 1992-11-30 | 1997-11-11 | Stolar, Inc. | Apparatus and method for the detection and measurement of liquid water and ice layers on the surfaces of solid materials |
US5497100A (en) * | 1994-10-17 | 1996-03-05 | Hughes Aircraft Company | Surface condition sensing system |
RU2279665C1 (en) * | 2004-12-28 | 2006-07-10 | Государственное предприятие "РОСДОРНИИ" | Method of determining pavement grip coefficient |
RU2473888C1 (en) * | 2011-09-22 | 2013-01-27 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method of determining state of road surface |
RU2550778C1 (en) * | 2014-01-10 | 2015-05-10 | Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method of determining state of road surface |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10101288B2 (en) | Wireless impedance spectrometer | |
US6664708B2 (en) | Method and device for non-contact detection of external electric or magnetic fields | |
US9201048B2 (en) | Systems for characterizing resonance behavior of magnetostrictive resonators | |
CA2914187A1 (en) | System and method for measurement of material property using variable reflector | |
RU2473889C1 (en) | Method of measuring physical quantity | |
RU2473888C1 (en) | Method of determining state of road surface | |
EA026893B1 (en) | System and method for measurement incorporating a crystal resonator | |
RU2571301C2 (en) | Method to measure physical parameters of material | |
Varshney et al. | Theoretical and experimental analysis of high Q SAW resonator transient response in a wireless sensor interrogation application | |
US20150323372A1 (en) | Temperature Compensated Transmission Line Based Liquid Level Sensing Apparatus and Method | |
EP3218700B1 (en) | Multi-phase fluid fraction measurement | |
RU2637797C1 (en) | Method for determining state of road surface | |
RU2550778C1 (en) | Method of determining state of road surface | |
Bhunjun et al. | Sensor system for contactless and online moisture measurements | |
Friedt et al. | High-overtone bulk acoustic resonator as passive ground penetrating RADAR cooperative targets | |
RU2536164C1 (en) | Device to detect concentration of mixture of substances | |
Attivissimo et al. | Enhancement and metrological characterization of an accurate and low-cost method based on seismic wave propagation for soil moisture evaluation | |
RU2536184C1 (en) | Concentration meter | |
Ali et al. | High-sensitivity accurate characterization of complex permittivity using inter-digital capacitor-based planar microwave sensor | |
Abbasi et al. | Zero power consumption chipless distant microwave moisture sensor for smart home applications | |
JP6882688B2 (en) | Crack detection system and crack detection method | |
RU2350901C1 (en) | Method for detection of dielectric coat thickness | |
RU2552272C1 (en) | Method of determining state of road surface | |
Amirkabiri et al. | Resonator substrate-integrated waveguide (SIW) sensor for measurement of AC electric fields | |
RU2671299C9 (en) | Method and device for measuring parameters of underlying environment |