(57)【要約】【課題】  従来の路面状態判定装置にあっては、湿潤状態（水または氷が存在する状態）を判別することができるものの、濡れ状態（水が存在する状態）と、凍結状態（氷が存在する状態）とを区別することができないといった課題があった。【解決手段】  路面の乾燥と湿潤に対応して変化する所定のパラメータに基づいて、同路面の、湿潤状態と、乾燥状態を判別する第１路面状態判別手段と、上記路面に向けて電波を照射するとともに同路面にて反射した電波を入力し、同照射した電波に対する入力した電波の変化を算出し、同算出した電波の変化に基づいて、同路面の、凍結／乾燥状態を判別する第２路面状態判別手段と、上記第１路面状態判別手段にて上記路面の湿潤状態が判別されるとともに、第２路面状態判別手段にて凍結／乾燥状態が判別された場合、同路面を凍結状態と判定する路面状態判定手段とを具備する。【選択図】  図１
2005098934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
路面の乾燥と湿潤に対応して変化する所定のパラメータに基づいて、同路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）と、乾燥状態（水または氷が存在しない状態）を判別する第１路面状態判別手段と、
上記路面に向けて電波を照射するとともに同路面にて反射した電波を入力し、同照射した電波に対する入力した電波の変化を算出し、同算出した電波の変化に基づいて、同路面の凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を判別する第２路面状態判別手段と、
上記第１路面状態判別手段にて上記路面の湿潤状態が判別されるとともに、第２路面状態判別手段にて凍結／乾燥状態が判別された場合、同路面を凍結状態（氷が存在する状態）と判定する路面状態判定手段とを具備することを特徴とする路面状態判定装置。
【請求項２】
上記路面状態判定手段は、上記第１路面状態判別手段にて上記路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）が判別され、上記第２路面状態判別手段にて同路面の、濡れ状態（水が存在する状態）が判別された場合、同路面を濡れ状態（水が存在する状態）と判定することを特徴とする上記請求項１に記載の路面状態判定装置。
【請求項３】
上記第２路面状態判別手段は、上記電波の変化を、上記照射した電波の強度に対する上記入力した電波の強度の比である電波の減衰量として算出し、予め記憶した減衰量に対する基準値と、同算出した減衰量とを比較することにより上記判別を行うことを特徴とする上記請求項１または請求項２のいずれかに記載の路面状態判定装置。
【請求項４】
上記第２路面状態判別手段は、上記電波の変化を、上記入力した電波の強度として算出し、予め記憶した入力強度に対する基準値と、同算出した強度とを比較することにより上記の判別を行うことを特徴とする上記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の路面状態判定装置。
【請求項５】
上記第２路面状態判別手段は、上記路面に複数の周波数の電波を照射するとともに反射した各電波を入力し、同照射した複数の周波数の電波に対する入力した各電波の変化を算出し、同算出した各電波の変化に基づいて、上記の判別を行うことを特徴とする上記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の路面状態判定装置。
【請求項６】
上記第２路面状態判別手段は、上記路面に照射する電波の周波数域を水または氷の複素比誘電率が変化する周波数域とすることを特徴とする上記請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の路面状態判定装置。
【請求項７】
路面の凍結状態（氷が存在する状態）を判定する路面状態判定方法であって、  路面の乾燥と湿潤に対応して変化する所定のパラメータに基づいて、同路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）と、乾燥状態（水または氷が存在しない状態）を判別する第１路面状態判別工程と、
上記路面に向けて電波を照射するとともに同路面にて反射した電波を入力し、同照射した電波に対する入力した電波の変化を算出し、同算出した電波の変化に基づいて、同路面の凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を判別する第２路面状態判別工程と、
上記第１路面状態判別手段にて上記路面の湿潤状態が判別されるとともに、上記第２路面状態判別手段にて同路面の凍結／乾燥状態が判別された場合、同路面を凍結状態（氷が存在する状態）と判定する路面状態判定工程とを具備することを特徴とする路面状態判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、路面状態判定装置および路面状態判定方法に関し、特に、一般道路や高速道路における路面の凍結状態（氷が存在する状態）と濡れ状態（水が存在する状態）および乾燥状態（乾燥している状態）を判定する路面状態判定装置および路面状態判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より画像処理を用いて凍結などの路面状態を判別する方法や装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この出願は所定の路面監視エリアに対してレーザ光を投光走査し、路面から反射されるレーザ光を監視画像として記憶し、この監視画像と予め記憶した判定用画像とを比較して最も類似する路面判定用画像データを見つけ出し、凍結状態であるか否かを検出するものである。
【特許文献１】特開２００２−３９８６１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、図９のように路面の水や氷にレーザ光や自然光が当たった場合の反射率Γは以下のように比誘電率εｒの関数として定義することができる。
【数１】
2005098934.tif 000003
【０００４】
ここで、Ｅｉは電磁波の入射エネルギー、Ｅｒは反射エネルギーであり、また、比誘電率εｒ＝媒質の誘電率ε／真空の誘電率ε０である。なお、図９に示すＥｔは電磁波の透過エネルギーである。
【０００５】
一方、一般の物質の複素比誘電率
【数２】
2005098934.tif 000004
は、その実数部をε’、虚数部である誘電損失をε''として、デバイの緩和理論から、
【数３】
2005098934.tif 000005
となることが知られている。但し、σは導電率、ε0*は空気の誘電率（８．８５４×１０-12Ｆ／ｍ）であり、水，氷の場合、導電率σはほぼ０であることから、式（４）の第２項は無視することができ、結局式（４−１）とすることができる。
【０００６】
ここで、
【数４】
2005098934.tif 000006
は直流電場における比誘電率、
【数５】
2005098934.tif 000007
は高周波電場における比誘電率、ωは角周波数、τは誘電緩和時間である。
【０００７】
この（３）、（４）式に１０Ｈｚ〜１０００ＧＨｚの周波数ｆと以下に示す値を代入して複素比誘電率を算出すると図８に示すグラフとなる。
【数６】
2005098934.tif 000008
【０００８】
このグラフから明らかなように、水と氷とでは複素比誘電率が変化する周波数域が大きく異なる。特に反射率Γを変化させる誘電率虚数部ε'' はそれぞれ１００Ｈｚ近傍〜１００ＫＨｚ近傍と１ＧＨｚ近傍〜１００ＧＨｚ近傍において大きく変化しているが、前記した従来例の公開公報におけるレーザ光や可視光に使われる数１００ＧＨｚ以上の光の周波数領域に対しては、水も氷も同じ値（略「０」）になっている。
【０００９】
同様に、誘電率実数部ε’についても、数１００ＧＨｚ以上の周波数では水も氷も同様の値になっている。すなわち、式（１）のように光の周波数領域では反射率Γの主体となる比誘電率εrに変化を生じないことから画像処理を含む光学的反射強度を利用する従来の計測方法では、湿潤状態（水または氷が存在する状態）を判別することができるものの、濡れ状態（水が存在する状態）と、凍結状態（氷が存在する状態）とを区別することができないといった課題があった。
また、路面に敷設し、湿潤の計測を光ファイバのように直接に計測を行う従来の路面状態判定装置にあっては、路面の濡れと温度を検出する精度は高いが、凍結の判定は温度に依存し、０℃未満か否かで凍結を予測するものでしかない（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献２】特開平１０−９６６６８号
【００１０】
一方、本願の発明者は、水と氷が特定の周波数に対して複素比誘電率が大きく変化することを利用して路面に照射した電波の変化を基に、路面の水と氷を判別する提案を行った（特願2002−224966号、特願2002−287800号）。
【００１１】
この手法においては図１０の減衰量のグラフに示すように、1ＧＨｚ〜７ＧＨｚの電波に対する水と氷の減衰量をはっきりと区別することができるが、氷すなわち凍結と乾燥とが十分に分離できないといった課題があった。そのため、乾燥を凍結として検出する恐れがあった
【００１２】
本発明は、上記課題にかんがみてなされたもので、路面の凍結状態を正確に判定することが可能な路面状態判定装置および路面状態判定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、請求項１の発明にかかる路面状態判定装置は、第１路面状態判別手段にて路面の乾燥と湿潤に対応して変化する所定のパラメータに基づき、同路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）と、乾燥状態（水または氷が存在しない状態）を判別する。次に、第２路面状態判別手段は、当該路面に向けて電波を照射するとともに同路面にて反射した電波を入力し、同照射した電波に対する入力した電波の変化を算出する。ここで、算出した電波の変化に基づいて、同路面の凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を判別する。そして、路面状態判定手段は、第１路面状態判別手段にて湿潤状態が判別されるとともに、第２路面状態判別手段にて凍結／乾燥状態が判別された場合、この路面を凍結状態（氷が存在する状態）と判定することを特徴とする。
【００１４】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載の路面状態判定装置において、路面状態判定手段は、第１路面状態判別手段にて路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）が判別されるとともに、第２路面状態判別手段にて同路面の濡れ状態（水が存在する状態）が判別された場合に、この路面を濡れ状態（水が存在する状態）と判定することを特徴とする。
【００１５】
さらに、請求項３にかかる発明は、請求項１または請求項２のいずれかに記載の路面状態判定装置において、第２路面状態判別手段は、電波の変化を、照射した電波の強度に対する入力した電波の強度の比である電波の減衰量として算出する。そして、予め記憶した減衰量に対する基準値と、同算出した減衰量とを比較することにより判別を行うことを特徴とする。
【００１６】
さらに、請求項４にかかる発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の路面状態判定装置において、第２路面状態判別手段は、電波の変化を、入力した電波の強度として算出する。そして、予め記憶した入力強度に対する基準値と、同算出した強度とを比較することにより判別を行うことを特徴とする。
【００１７】
さらに、請求項５にかかる発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の路面状態判定装置において、第２路面状態判別手段は、路面に複数の周波数の電波を照射する。このとき、反射した各電波を入力し、同照射した複数の周波数の電波に対する入力した各電波の変化を算出する。そして、算出した各電波の変化に基づいて、上記の判別を行うことを特徴とする。
【００１８】
さらに、請求項６にかかる発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の路面状態判定装置において、第２路面状態判別手段は、路面に照射する電波の周波数域を水または氷の複素比誘電率が変化する周波数域とすることを特徴とする。
【００１９】
このように、路面の凍結状態を判定する手法は必ずしも実体のある路面状態判定装置に限られる必要はなく、その方法としても機能することは容易に理解できる。このため、請求項７にかかる発明は、路面の凍結状態（氷が存在する状態）を判定する路面状態判定方法であって、路面の乾燥と湿潤に対応して変化する所定のパラメータに基づいて、同路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）と、乾燥状態（水または氷が存在しない状態）を判別する第１路面状態判別工程と、上記路面に向けて電波を照射するとともに同路面にて反射した電波を入力し、同照射した電波に対する入力した電波の変化を算出し、同算出した電波の変化に基づいて、同路面の凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を判別する第２路面状態判別工程と、上記第１路面状態判別手段にて上記路面の湿潤状態が判別されるとともに、上記第２路面状態判別手段にて同路面の凍結／乾燥状態が判別された場合、同路面を凍結状態（氷が存在する状態）と判定する路面状態判定工程とを具備することを特徴とする。
すなわち、必ずしも実体のある路面状態判定装置に限らず、路面状態判定方法としても有効であることに相違はない。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、光学的反射強度などを利用する従来の計測方法では判別することができなかった濡れ状態（水が存在する状態）と、凍結状態（氷が存在する状態）の判別を、第１の路面状態判別手段で湿潤状態（水または氷が存在する状態）を判別し、第２の路面状態判別で凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を判別した場合に、路面状態判定手段によって凍結状態（氷が存在する状態）と判定するため、凍結状態を正確に判定することができるといった効果を有する。
【００２１】
また、上記の第１路面状態判別手段で湿潤状態を判別し、第２路面状態判別手段で濡れ状態を判別した場合に濡れ状態と判定することにより、検出精度を一層向上させる効果を有する。
また、本発明は、路面に照射した電波に対する複素比誘電率に基づく水と氷の顕著な反射特性の相違に着目して水または氷を判別することから、水と氷を正確に判別し、特に、受信した電波の変化を、照射した電波の強度に対する受信した電波の比である電波の減衰量として求め、予め記憶した減衰量に対する基準値と比較し、あるいは、受信した電波の強度として求め予め記憶した受信強度に対する基準値と比較することにより、路面状態を精度よく判別することができるものである。
さらに、複数の周波数に対する電波の変化を基準値と比較することにより判定精度を向上させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ここでは、下記の順序に従って本発明の実施形態について説明する。
（１）路面状態判定装置の構成：
（２）まとめ：
【００２３】
（１）実施形態にかかる路面状態判定装置の構成：
図１は、本発明にかかる路面状態判定装置の設置状態を示した設置外観図である。同図において、路面状態判定装置１０は、光学式カメラ２０と、送信アンテナ３０と、受信アンテナ４０と、コントローラ５０とを備え、コントローラ５０は光学式カメラ２０が撮像した画像を入力するとともに、送信アンテナ３０によって所定周波数の電波を照射させたり、受信アンテナ４０にて受信された電波を入力する。ここで、光学式カメラ２０は道路Ｃ上の所定領域である路面Ｒの視野像を所定角度で撮像可能に道路Ｃ脇に立設された支柱Ａ１に配設されている。一方、送信アンテナ３０は、送信面を下方に向けて設置され路面Ｒに向けて略垂直に電波を照射可能に支柱Ａ１，Ａ２を相互に連結する支持部材Ｂに配設されている。また、受信アンテナ４０は、送信アンテナ３０に隣接して受信面を下方に向けて設置され路面Ｒに向けて照射されるとともに反射した電波を受信可能に配設されている。
【００２４】
ここで、路面Ｒを撮像する光学式カメラ２０を使用する光学式による路面Ｒの状態判別は、後述するとおり、撮像した画像から路面の湿潤状態（水または氷が存在する状態）および乾燥状態（水または氷が存在しない状態）を正確に判別することができる。このとき、この光学式による路面Ｒの状態判別では、同路面Ｒの湿潤状態と乾燥状態とを判別することができるが、同路面Ｒが濡れ状態（水が存在する状態）であるか凍結状態（氷が存在する状態）であるかを区別することができない。一方、送信アンテナ３０および受信アンテナ４０を使用した電波式による路面Ｒの状態判別では、後述するとおり、路面Ｒの凍結／乾燥状態（氷または乾燥が存在する状態）を正確に判別することができる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、光学式による路面Ｒの状態判別と、電波式による路面Ｒの状態判別とを組み合わせる。これにより、光学式による路面Ｒの状態判別にて湿潤状態と判別され、電波式による路面Ｒの状態判別にて凍結／乾燥状態と判別された場合に凍結状態と判定することにより、路面Ｒの凍結状態の判定を確実に行うことを可能とするものである。
【００２６】
図２は、上述した判別を実現するコントローラ５０の内部構成を示した内部構成図である。同図において、コントローラ５０は、内部にＣＰＵ５１と、制御プログラム記憶部５２と、第１路面状態判別部５３と、第２路面状態判別部５４と、送信部５５と、受信部５６と、路面状態判定部５７と、インターフェース５８とから構成されている。ＣＰＵ５１は、このインターフェース５８を介して光学式カメラ２０の動作を制御可能になっている。第１路面状態判別部５３は、内部にメモリ５３ｂと、偏光比強度算出部５３ｃと、判別部５３ｄとを有しているとともに、第２路面状態判別部５４は、内部に基準データ記憶部５４ａと、送受信波変化量算出部５４ｂと、判別部５４ｃとを有している。送信部５５は、内部に発振器５５ａを有するとともに、受信部５６は、内部に検波器５６ａを有している。これらの各構成はバスを介してＣＰＵ５１に接続されており、ＣＰＵ５１は、制御プログラム記憶部５２に記憶された所定の制御プログラムを実行することによって、各構成を制御し路面状態判定装置１０の機能を実現可能になっている。
【００２７】
このとき、本実施形態では、送信部５５は発振器５５ａにより電波を発振し、ギガＨｚ域の発振周波数の電界を生成して送信アンテナ３０に出力する。送信アンテナ３０は、入力された信号を増幅し０ＧＨｚ〜６ＧＨｚ（下限の周波数は厳密には０より大きい）の電波として路面Ｒに対して照射する。受信部５６は、検波器５６ａにより受信アンテナ４０にて受信された路面Ｒから反射した電波を入力して検波する。ここで、第１路面状態判別部５３での路面Ｒの状態判別について説明する。先ず、光学式カメラ２０によって撮像された画像のデジタル信号は、インターフェース５８を介して第１路面状態判別部５４のメモリ５３ｂに格納される。
【００２８】
ここで、図３に光学式カメラ２０の内部構成図を示す。なお、図３は、本願発明者が提案した特開平１０−１１５６８４号に基づく構成図で、理解を容易とするため垂直偏光フィルタと水平偏光フィルタを個別に配置した図である。同図において、光学式カメラ２０は、路面Ｒから入射する視野像の垂直偏光画像および水平偏光画像を撮像する。このように、垂直偏光画像および水平偏光画像を撮像するために、１：１の透過性を備えるハーフミラーボックス２１と、ミラー２２と、垂直偏光フィルタ２３と、水平偏光フィルタ２４と、垂直偏光フィルタ２３を介して視野像を撮像するＣＣＤ２５と、水平偏光フィルタ２４を介して視野像を撮像するＣＣＤ２６と、ＡＤ変換器２７とを備える構成となっている。
【００２９】
上述した光学式カメラ２０に入力される視野像は、ハーフミラーボックス２１を通過してミラー２２で反射し垂直偏光フィルタ２３を介してＣＣＤ２５に結像し垂直偏光画像を形成する。また、ハーフミラーボックス２１を透過し水平偏光フィルタ２４を介してＣＣＤ２６に結像して水平偏光画像を形成する。そして、このようにＣＣＤ２５にて結像された垂直偏光画像の電気信号はＡＤ変換器２７によってデジタル信号に変換され、インターフェース５８を介してメモリ５３ｂに転送し一旦格納される。同様に、ＣＣＤ２６にて結像された水平偏光画像の電気信号はＡＤ変換器２７によってデジタル信号に変換され、インターフェース５８を介してメモリ５３ｂに転送し一旦格納される。なお、光学式カメラ２０は、上述した構成に限定されるものではなく、内部構造等は適宜設計変更可能である。
【００３０】
このようにデジタル信号の垂直偏光画像および水平偏光画像がメモリ５３ｂに格納されると、偏光比強度算出部５３ｃは、このメモリ５３ｂに格納された垂直偏光画像に基づいて垂直偏光成分の輝度を算出するとともに、水平偏光画像に基づいて水平偏光成分の輝度を算出する。そして、各輝度を算出すると偏光比強度（垂直偏光比成分の輝度／水平偏光比成分の輝度）を算出する。このとき、判別部５４ｄは、この算出された偏光比強度に基づいて、路面Ｒが湿潤状態であるか乾燥状態であるかを判別する。すなわち、路面Ｒが湿潤状態の場合、路面Ｒの表面は水面又は凍結面によって平滑面となるため、水平偏光成分はこの平滑面で減衰し、垂直偏光成分はこの減衰する水平偏光成分に対して相対的に増加する。従って、「水平偏光成分の強度＜垂直偏光成分の強度」となる。一方、路面Ｒが乾燥状態の場合、路面Ｒの表面は凹凸面となり、水平偏光成分は減衰しないため「水平偏光成分の強度≒垂直偏光成分の強度」となる。従って、判別部５４ｄは偏光比強度算出部５３ｃにて算出された偏光比強度が所定の閾値以上であれば、路面Ｒを湿潤状態と判別し、所定の閾値より小さければ、路面Ｒを乾燥状態と判別する。すなわち、第１路面状態判別部５３では凍結状態（氷が存在する状態）と濡れ状態（水が存在する状態）を区別することができない。
【００３１】
ここで、上述した第１路面状態判別部５３では、路面Ｒの湿潤状態と、乾燥状態とを判別するために、光学式カメラ２０を採用したが、むろん、この判別を実現する方法はこれに限定されるものではない。例えば、投光器から路面Ｒに赤外光を照射し、路面Ｒからの正反射と、乱反射とを検知するそれぞれの受光器の強度に基づいて判別するようにしても良いし（例えば、特開昭56−14140号）、撮影画像のフーリエ変換による周波数空間上の広がりから判別するようにしても良く（例えば、特開平8−327540号）、種々の光学式センサを用いることが可能である。また、湿潤状態と乾燥状態を判別する手法としては光学式に限定されるものでなく、前記した光ファイバーのように路面に敷設し、路面の湿潤度に基づいて判別する方法や、路面に敷設した電極間の抵抗値の変化（湿潤時：高抵抗値→低抵抗値）によって測定する方法など種々の方法を採用することができる。むろん、これらの何れの方法を採用したとしても、路面Ｒの凍結状態を直接かつ正確に区別することができない。
【００３２】
次に、図２により第２路面状態判別部５４での路面Ｒの状態判別について説明する。第２路面状態判別部５４の基準データ記憶部５４ａは、路面Ｒに照射する電波の周波数および減衰量に対する基準値を記憶し、送受信変化量算出部５４ｂは、送信アンテナ３０から照射した電波の強度に対する受信アンテナ４０で受信した電波の強度の比であるところの電波の減衰量を算出する。そして、判別部５４ｃは、送受信変化量算出部５４ｂからの減衰量と基準データ記憶部５４ａに記憶した基準値とを比較し、路面Ｒの湿潤状態と乾燥状態を判別する。このとき、本実施形態では、第２路面状態判別部５４を第１路面状態判別部５３にて路面Ｒが湿潤状態と判別された場合に動作させる。これによって、路面状態判定部５７は、第１路面状態判別部５３にて湿潤状態と判別されるとともに、第２路面状態判別部５４にて凍結／乾燥状態と判別されれば、路面Ｒを凍結状態と判定することが可能となり、同第２路面状態判別部５４にて濡れ状態（水が存在する状態）と判別されれば、路面Ｒを濡れ状態と判定することが可能になる。また、路面状態判定部５７は第１路面状態判別部５３にて乾燥状態と判別された場合は路面Ｒを乾燥状態と判定する。
【００３３】
このように第１路面状態判別部５３にて湿潤状態と判別された後に、第２路面状態判別部５４にて凍結／乾燥状態を判別するため、路面状態判定部５７で凍結状態を正確に判別することが可能となる。ここで、第２路面状態判別部５４で凍結／乾燥状態を判別するための原理を図を用いて説明する。図４（ａ）のようにアスファルトからなる路面Ｒに水または氷からなる一層の誘電体が存在する場合には、水または氷とアスファルトによる２層の誘電体の平面波に対する特性インピーダンスを求める数式を展開した下記の数式によって減衰量を求めることができる。このとき、図４（ａ）に示す水、氷からの反射、吸収の状態を等価回路で示すと図４（ｂ）となる。この場合の受端側から見込んだ電波伝搬の特性インピーダンス
【数７】
2005098934.tif 000009
は、伝送定数を
【数８】
2005098934.tif 000010
とすれば、
【数９】
2005098934.tif 000011
となる。
【００３４】
ここで、水、氷の複素比誘電率、複素比透磁率は、
【数１０】
2005098934.tif 000012
であり、水、氷内を伝搬する平面波の特性インピーダンス
【数１１】
2005098934.tif 000013
および伝搬定数
【数１２】
2005098934.tif 000014
は、
【数１３】
2005098934.tif 000015
【００３５】
ここで、水、氷は非磁性体であることから
【数１４】
2005098934.tif 000016
となり、
【数１５】
2005098934.tif 000017
を得る。
【００３６】
そして、上述した水と氷に関する数値および周波数の０ＧＨｚ〜６ＧＨｚを上記（３）（４−１）および（２）式に代入して求めた複素比誘電率
【数１６】
2005098934.tif 000018
を上記(７)式に代入し、水または氷内を伝搬する平面波の特性インピーダンス
【数１７】
2005098934.tif 000019
と伝搬定数
【数１８】
2005098934.tif 000020
を求める。
【００３７】
さらに、水または氷の厚みであるｄを例えば２mmとし、代表的なアスファルトの複素比誘電率εl＝６．０−０．４ｊからアスファルトに関する電波伝搬の特性インピーダンス
【数１９】
2005098934.tif 000021
を求め（５）式に代入すると受端側から見込んだ特性インピーダンス
【数２０】
2005098934.tif 000022
が求められる。
【００３８】
また、この特性インピーダンスからこの誘電体に対する反射率Γは路面に対して電波を垂直に照射した場合、
【数２１】
2005098934.tif 000023
として表される。そこで、この求めた反射率Γから図５に示す０ＧＨｚ〜６ＧＨｚの周波数に対する電波の減衰量（２０log10Γ（ｄＢ））が求められる。なお、図５の水と氷の電波反射特性には図８に示す周波数において０ＧＨｚ〜６ＧＨｚの複素比誘電率
【数２２】
2005098934.tif 000024
の変化が反映されており、そのため水に関しては減衰量の変化の大きい曲線として、氷に関しては減衰量の変化の小さい直線として表現されている。
【００３９】
また、図５は水または氷とアスファルトによって２層を形成している場合の減衰量を示している。なお、本願発明者の前記した特願2002−224966号に例示したようにアスファルトに限らずコンクリートや塗料など道路に施工可能な各種の誘電体においても水と氷に対して同様の減衰量の変化を示しており、減衰量の差異あるいはその変化の様子によって、水の存在または氷の存在を判別することができる。
【００４０】
次に、本実施形態における路面状態判定装置１０の構成に基づいて路面Ｒの状態判定を行う際の動作を図６のフローチャートに従って説明する。
同図において、最初に、ＣＰＵ５１は制御プログラム記憶部７に記憶した所定の制御プログラムに従い光学式カメラ２０を作動させて路面Ｒを撮像する。そして、第１路面状態判別部５３を動作させることにより、上述した手法によって路面Ｒが湿潤状態であるか、乾燥状態であるかを判別する（ステップＳ１）。この第１路面状態判別部５３による判別にて路面Ｒが湿潤状態と判別された場合は（ステップＳ２）、第２路面状態判別部５４による判別に移行する（ステップＳ３）。
【００４１】
第２路面状態判別部５４では、先ず予め基準データ記憶部５４ａに記憶した周波数(例えば３ＧＨｚとする。）の信号を発振器５５ａに送り送信アンテナ３０から３ＧＨｚの電波を路面Ｒに向けて照射する(ステップＳ４) 。むろん、送信する電波の周波数は３ＧＨｚに限らず、水と氷の減衰量が異なり、両者の区別ができる周波数であればどのような周波数でもかまわない。なお、この時に送信した電波の送信強度Woとして計測してＣＰＵ５１に一時記憶する。次に、路面Ｒから反射し受信アンテナ４０で受信した同じ周波数の電波を検波し、受信した電波の受信強度Wiとして出力する（ステップＳ５）。このとき、ＣＰＵ５１は送受信変化量算出部５４ｂにおいて、送信した電波の強度に対する受信した電波の強度の比（反射率）を減衰量２０log10(Wi/Wo)として算出し、ＣＰＵ５１に一時記憶する(ステップＳ６) 。
【００４２】
ここで、ＣＰＵ５１は、判別部５４ｃにて送受信変化量算出部５４ｂで算出した減衰量の値と基準データ記憶部５４ａに予め記憶した３ＧＨｚの周波数に対する減衰量の基準値ｘ、例えば図５に示す０ｄＢ＞ｘ＞−３ｄＢとの比較と、−１０ｄＢ＞ｘ＞−１２ｄＢとの比較（ステップＳ７）を行い、基準値内の場合にそれぞれ濡れ状態（水が存在する状態）と凍結／乾燥状態を判別する。なお、この基準値は、例えば３ＧＨｚの電波に対する水の減衰量（計算値）の−１．５ｄＢと、氷の減衰量（計算値）の−１１．０ｄＢに対して計測場所の電波の受信状況に応じて設定すればよい。むろん、基準値は水と氷で減衰量が異なり、両者の区別ができるような値域として定義すればよい。そして、路面状態判定部５７は、ステップＳ７で凍結／乾燥状態と判別された場合に路面Ｒを凍結状態と判定し（ステップＳ８）、同ステップＳ７で濡れ状態と判別された場合に路面Ｒを濡れ状態と判定する（ステップＳ９）。一方、ステップＳ２で乾燥状態と判別された場合は、路面Ｒを乾燥状態と判定する（ステップＳ１０）。また、ステップＳ１の第１路面状態判別部５３による判別処理の開始と同時に計時を繰り返す図示しないサンプリングタイマがタイムアップしたか否かを判定（ステップＳ１１）し、タイムアップしたと判定した場合にはステップＳ１に戻り路面状態の判別処理を上述と同じ方法で繰返し実施する。
【００４３】
ただし、図５から明らかなように水と氷の減衰量には大きな違い（例えば、８ｄＢの差）があるため、水と氷とを判別する１つの基準値、例えば−６ｄＢを設定して、送信する周波数（例えば３ＧＨｚ）に対する減衰量と比較するようにしてもよい。また、水の減衰量の変化が氷に比べて大きい特性を利用して、その変化量を基準値として設定しても良い。かかる場合、例えばステップＳ４にて０．５ＧＨｚと２ＧＨｚとの二つの周波数を個別に送信してそれぞれの電波をステップ５にて受信し、ステップＳ６にて二つの周波数における減衰量の変化を算出する。そして、水の存在を判定するための閾値を−６ｄＢとし、この算出した減衰量の変化が−６ｄＢ以上であれば水が存在すると判定する。一方、氷の存在を判定するための閾値を−２ｄＢとし、算出した減衰量の変化が−２ｄＢ以下であれば氷が存在すると判定すれば良い。
【００４４】
なお、上述した実施形態の他に、図７のように図２の送受信変化量算出部５４ｂに代えて受信強度計測部５４ｄを設けるとともに、基準データ記憶部５４ａには基準値として予め電波の周波数に対する受信強度（＝送信強度×反射率）を記憶し、判別部５４ｃで受信強度計測部５４ｄで求めた受信強度と基準データ記憶部に記憶した基準値との比較を行い路面状態を判別するようにしてもよい。また、路面による電波の反射を減衰量としてではなく、水または氷と路面による電波の吸収・透過量（２０log10(１−反射率) ）として測定することも可能である。なお、この場合に、上述した減衰量が吸収・透過量として計算され前記と同様な適宜な基準値と比較される以外は、図２と図６に示す態様に同じである。なお、この場合も、反射率を基に測定を行っている点において、減衰量を求める上記の実施形態と同義の手法である。
【００４５】
また、この実施形態においては３ＧＨｚの周波数の電波を用いて路面における水または氷を判別する方法を提案したが、図８のグラフから明らかなように水の複素比誘電率が大きく変化している１ＧＨｚ近傍〜１００ＧＨｚ近傍の領域の電波を用いて路面状態を判別することが可能である。同様に、氷の複素比誘電率が大きく変化している１００Ｈｚ近傍〜１００ＫＨｚ近傍の領域の電波を用いても路面における水または氷を判別することが可能である。ただし、上述のように水と氷の両者を同時に判別する必要は無く、必要とする何れか一方の状態だけを判別するようにしてもよい。
【００４６】
本発明は、上述の論理式と図５で示したように、数１００ＧＨｚ以下の電波を２層構造の誘電体に照射した場合に、周波数に対して複素比誘電率が大きく変化する側(例えば水＋アスファルト等の誘電体)に電波を減衰し減衰波形が大きく変化する特性が現れ、複素比誘電率の変化が少ない側(例えば氷＋アスファルト等の誘電体)には周波数に対して電波を減衰しない特性が表れる特徴を利用するものである。すなわち、水と氷の一方に対して他方の減衰量が大きく変化する特性を水の存在する状態と、氷の存在する状態との判別に利用するものである。よって、この実施形態にとどまらず、照射した電波に対する受信した電波の変化を基に両者の変化の間に一定の基準値を設けたり、特定の周波数に対して水または氷を判別する特定の基準値を設けたり、または、複数の周波数に対する受信した電波の変化に対する基準値を設けて路面Ｒの濡れ状態または凍結状態を判別するなど、本願発明の技術思想である誘電率の変化に伴う電波の反射特性の変化を利用する路面状態判定装置および路面状態判定方法に関しては本願発明に含まれるものとする。
【００４７】
また。その構成に関しても実施形態に限定されるものでなく、路面に電波反射体や電波吸収体を敷設して電波の減衰量の変化を増大させたり、第２路面状態判別手段で濡れ状態を水の厚みとして測定したり、あるいは、路面を加工して路面上の水の量を一定として特定の周波数の電波に対する計測を可能にするなど、本願発明者が提案した特願2002−224966号、特願2002−287800号に開示された種々の手法を適宜組み合わせて用いることが可能である。
さらに、第１路面状態判別手段で乾燥状態を判別し、第２路面状態判別手段で凍結／乾燥状態を判別した場合に、乾燥状態と判定することで乾燥に対する一層の精度向上を図ることも可能である。
【００４８】
（２）まとめ：
このように、湿潤状態と乾燥状態を計測することが可能な従来の路面状態判別手段と、電波式による路面状態判別手段とを組み合わせることにより、従来の路面状態判別手段によって湿潤状態と判別され、さらに電波式による路面状態判別手段によって凍結／乾燥状態と判別されることによって凍結状態と濡れ状態を確実に区別することができるとともに、従来の路面状態判別手段によって乾燥状態を判別することができる。以上により光学式などによる路面状態判別手段と、電波式による路面状態判別手段とを組み合わせることにより、凍結状態と濡れ状態および乾燥状態を正確に判別することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】路面状態判定装置の設置状態を示した設置外観図である。
【図２】コントローラの内部構成を示した内部構成図である。
【図３】光学式カメラの内部構成を示した内部構成図である。
【図４】計測の原理を示す説明図である。
【図５】アスファルトに対する水と氷の電波反射特性図である。
【図６】路面状態判定装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】コントローラの他の内部構成を示した内部構成図である。
【図８】水と氷の複素比誘電率の特性図である。
【図９】路面にレーザ光や自然光が当たった場合の反射率を示す説明図である。
【図１０】水と氷と乾燥（アスファルト）に関する電波反射特性図である
【符号の説明】
【００５０】
１０…路面状態判定装置
２０…光学式カメラ
２１…ハーフミラーボックス
２２…ミラー
２３…垂直偏光フィルタ
２４…水平偏光フィルタ
２５…ＣＣＤ
２６…ＣＣＤ
２７…ＡＤ変換器
３０…送信アンテナ
４０…受信アンテナ
５０…コントローラ
５１…ＣＰＵ
５２…制御プログラム記憶部
５３…第１路面状態判別部
５３ｂ…メモリ
５３ｃ…偏光比強度算出部
５３ｄ…判別部
５４…第２路面状態判別部
５４ａ…基準データ記憶部
５４ｂ…送受信変化量算出部
５４ｃ…判別部
５４ｄ…受信強度計測部
５５…送信部
５５ａ…発振器
５６…受信部
５６ａ…検波器
５７…路面状態判定部
５８…インターフェース
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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