СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДОРОГИ
METHOD OF DETERMINING STATE OF ROAD SURFACE

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.
Известны различные способы определения состояния дорожных покрытий, основанные на различных принципах и связанные с измерением электрической емкости (US 5398547, 21.03.1995), электрической проводимости и сопротивления (US 4745803, 24.05.1988; US 4287472, 01.09.1981), с применением ультразвуковых волн (US 5095754, 17.03.1992), световых волн, в частности инфракрасного излучения и др. (Winter В. Sensoren warnen vor Wasser oder Eis auf der Strasse // Sensor magazine. 1998. N.2. P. 8). Однако они имеют определенные недостатки: некоторые из них являются контактными способами и характеризуются износом компонент применяемых измерительных устройств, связаны с применением линий связи между датчиками и электронными блоками; другие способы, являясь бесконтактными, чувствительны к погодным условиям и не могут определять толщину водного слоя.
Известны также микроволновые способы определения состояния дорожного покрытия (US 4690553, 01.09.1987; US 5686841, 11.11.1997; Hertl S., Schaffar G., Stori 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.
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.
Известно также техническое решение (RU 2473888 С1, 27.01.2013), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принято в качестве прототипа. Этот способ-прототип 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 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. Кроме того, часто затруднительно обеспечить размещение приемо-передающей антенны непосредственно над поверхностью дороги с целью ее зондирования электромагнитными волнами по нормали к ней.
Поэтому существует необходимость нахождения технического решения, свободного от указанных недостатков и обеспечивающего возможность проведения измерений более простыми средствами.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение процесса определения состояния покрытия дороги.
Технический результат в предлагаемом способе определения состояния поверхности дороги достигается тем, что контролируемый участок поверхности дороги зондируют электромагнитными волнами, принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны, определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для падающих волн, предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги, при этом в поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, а зондирование осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты под некоторым углом, отличным от прямого угла, и по величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги. В качестве пассивного отражателя могут быть использованы ретроотражающая металлическая пластина, ретроотражающий металлический уголковый отражатель, ретроотражающая решетка Ван Атта.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема размещения устройства для реализации способа.
На фиг.2 приведена структурная схема устройства для реализации способа.
На фиг.3 приведена схема зондирования с применением пластинчатого пассивного ретроотражателя.
На фиг.4 приведена схема зондирования с применением уголкового пассивного ретроотражателя.
На фиг.5 приведена схема зондирования с применением ретроотражающей решетки Ван Атта.
На чертежах показаны поверхность дороги 1, слой воды, льда или снега 2, ретроотражатель 3, штанга 4, антенна 5, СВЧ-генератор 6, циркулятор 7, детектор 8, регистратор 9, элементы антенной решетки Ван Атта 10, 11, 12 и 13, линии передачи 14 и 15.
Сущность предлагаемого способа состоит в следующем.
Если нет возможности производить измерения с закреплением СВЧ-устройства, применяемого для реализации способа, над поверхностью дороги, то может быть применена схема измерения с боковым, у обочины дороги, расположением устройства. Это устройство может быть реализовано с применением пассивных ретронаправляющих элементов, которые отражают микроволны в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражателей. Такой ретроотражатель обеспечивает прием отраженных волн той же приемо-передающей антенной, где бы она ни была расположена.
Согласно данному способу зондирование контролируемого участка поверхности дороги осуществляют электромагнитными волнами фиксированной частоты с помощью приемо-передающей антенны, располагаемой у обочины дороги, под некоторым углом, отличным от прямого угла, то есть не по нормали к поверхности дороги; возможно применение также и раздельных передающей и приемной антенн. Принимают отраженные от этого участка поверхности электромагнитные волны и определяют фазовый сдвиг между падающими и отраженными волнами или изменение амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к их значениям для зондирующих волн. При этом предварительно определяют, соответственно, основной фазовый сдвиг этих волн или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги. В поверхностный слой контролируемого участка дороги встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражатель. Здесь нет необходимости иметь линии связи между погруженным в поверхностный слой ретроотражателем и электронным блоком, расположенным вне дороги на ее обочине. Встраиваемый пассивный отражатель, как и сама поверхность дороги (например, асфальта), подвержены возможному присутствию на них слоя воды, льда или снега на дорожном полотне и влиянию его параметров (толщины, электрофизических параметров). По величине дополнительного фазового сдвига по отношению к основному фазовому сдвигу или дополнительного изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн судят о состоянии поверхности дороги.
В отсутствие какого-либо покрывающего слоя воды, снега или льда на поверхности дороги основной фазовый сдвиг или основное изменение амплитуды (мощности) этих волн определяется изменением, соответственно, фазы или амплитуды в воздушном пространстве между измерительным устройством и поверхностью дороги. При наличии же какого-либо слоя на поверхности дороги, а именно при присутствии на ней слоя воды, льда или снега, появляется дополнительный фазовый сдвиг Δφ по отношению к указанному основному фазовому сдвигу и дополнительное изменение амплитуды ΔА (мощности ΔР) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн. Выходом сигнал данного измерительного устройства зависит, в зависимости от того, что служит информативным параметром, от величины суммарного фазового сдвига или изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн. Этот фазовый сдвиг или изменение амплитуды (мощности) изменяются в зависимости от толщины покрывающего поверхность дороги слоя. Они также зависят и от электрофизических параметров, в частности диэлектрической проницаемости покрывающего слоя (воды, льда или снега).
На фиг.1 приведена схема размещения устройства для реализации данного способа. Устройство может быть размещено у края (на обочине) измерительного участка поверхности дороги 1 с возможным наличием на ней слоя льда или снега 2, обеспечивая зондирование этого участка под углом, отличным от прямого угла, то есть не по нормали к поверхности дороги 1. В поверхностный слой контролируемого участка дороги 1 встраивают пассивный отражатель падающих на него электромагнитных волн в направлении, противоположном направлению зондирующих волн, то есть ретроотражатель 3. С помощью штанги 4 закреплена приемо-передающая антенна 5. Излучение антенны 5 направлено под углом, отличным от прямого угла.
Здесь электромагнитные волны, излучаемые приемо-передающей антенной 5, отражаются от контролируемого участка поверхности дороги 1 с возможным слоем воды, льда или снега 2. Эти отраженные волны принимаются приемо-передающей антенной 5. Определение параметров принимаемых волн (фазового сдвига между падающими и отраженными волнами; изменения амплитуды (мощности) принимаемых волн по отношению к ее значению для падающих волн) позволяет, при сопоставлении этих данных с априори найденным множеством аналогичных значений в отсутствие покрывающего слоя, идентифицировать поверхностный слой дороги и измерить его параметры.
Структурная схема устройства для реализации способа приведена на фиг.2. Здесь СВЧ-генератор 6 электромагнитных колебаний фиксированной частоты подсоединен через циркулятор 7 к антенне 5, зондирующей контролируемый участок поверхности дороги 1, которое содержит пассивный ретроотражатель 3 с покрывающим его, возможно, слоем 3 воды, снега или льда. Электромагнитные волны, отраженные от данного ретроотражателя 3, поступают через циркулятор 7 на детектор 8 (при измерении фазового сдвига это фазовый детектор); затем принимаемый сигнал подается на регистратор 9. В этом блоке производится сравнение принимаемого сигнала с предварительно определенным множеством значений аналогичного сигнала (основного фазового сдвига этих волн или основного измененяе амплитуды (мощности) этих волн) в отсутствие покрывающего слоя на поверхности дороги и, как результат этого сравнения, идентификация поверхностного слоя дороги и измерение его параметров.
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 дополнительного фазового сдвига Δφ по отношению к основному фазовому сдвигу (в отсутствие покрывающего слоя 2) и диапазон его изменения, а также значения дополнительного изменения амплитуды ΔА (мощности ΔР) принимаемых волн по отношению к основному изменению амплитуды (мощности) этих волн (в отсутствие покрывающего слоя 2) 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 Δφ или ΔА найти его толщину.
На фиг.3 приведена схема зондирования с применением пластинчатого пассивного ретроотражателя. В качестве пассивного ретронаправляющего отражателя 5 для такого зондирования может быть применена плоская металлическая пластина, располагаемая под некоторым углом. Такой ретроотражатель 3 обеспечивает прием отраженных волн той же антенной 5, где бы она ни была расположена. Наклон пластинчатого ретроотражателя 3 должен соответствовать положению антенны 5. Здесь путь распространения электромагнитных волн состоит из части пути в воздухе и части пути в поверхностном слое дороги; это должно быть принято во внимание при вычислении фазового сдвига или (и) изменения амплитуды (мощности) принимаемой волны по сравнению с соответствующими характеристиками зондирующей волны. На поверхности такого пластинчатого ретроотражателя 3 может быть размещена тонкая пластина диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана).
В качестве пассивного ретронаправляющего микроволнового элемента, который может помочь в обеспечении требуемой информации о состоянии поверхности дороги 1, может быть также применен 90°-уголковый металлический отражатель. На фиг.4 приведена схема зондирования с уголкового пассивного ретроотражателя 3. В прямоугольном металлическом уголковом отражателе ретронаправленность вытекает из фазового сопряжения падающих волн на каждом элементе перед отражением (Margerum D.L. Self-phased arrays. In Microwave scanning antennas, Vol.III, Ch.5, Hansen R.C., Ed. Los Altos CA: Peninsula. 1985. P. 366-382). Устройство может быть расположено у обочины дороги и может облучать контролируемую область поверхности дороги 1 под углом, отличным от 90° к ее поверхности. Такой ретроотражатель 3 обеспечивает прием отраженных волн той же антенной 5, где бы она ни была расположена. Наклон прямоугольного уголкового ретроотражателя 3 и размеры его боковых элементов должны соответствовать положению антенны 5. И здесь путь распространения электромагнитных волн состоит из части пути в воздухе и части пути в поверхностном слое дороги; это должно быть принято во внимание при вычислении фазового сдвига или (и) изменения амплитуды (мощности) принимаемой волны по сравнению с соответствующими характеристиками зондирующей волны. На поверхностях боковых элементов такого уголкового ретроотражателя 3 могут быть размещены тонкие пластины диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана).
На фиг.5 приведена схема зондирования с применением ретроотражающей решетки Ван Атта. Известна ретроотражающая решетка Ван Атта, которая содержит соединенные между собой линии передачи для фазового сопряжения (US 2908002, 10.06.1959). В частности, возможна реализация такой планарной ретроотражающей антенны (Hewitt B.S. The evolution of radar technology into commercial systems // 1994 IEEE MTT-S Int. Microwave Symposium Digest. San Diego, Calif. 1994. Vol.3. P.1271-1274). Здесь соединение элементов устраняет любую разность фаз между антенными элементами, если сигнал принимается под углами, иными, чем пеленг к антенне. Вследствие этого падающие волны переизлучаются в направлении, откуда они пришли. Общая длина пути от источника к элементу решетки и затем обратно является постоянной величиной для всех элементов решетки, каждый рассеянный сигнал возвращается синфазно к источнику. Пример такой решетки с четырьмя антенными элементами показан на фиг.5. Здесь элементы 10, 11, 12 и 13 линейной антенной решетки соединены линиями передач 14 и 15 симметрично в пары по отношению к геометрическому центру этой решетки. Этот пассивный ретроотражатель размещается под поверхностью дороги 1 с возможным покрывающим слоем 2. На поверхности такой решетки может быть размещена тонкая пластина диэлектрика с малыми значениями диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, например фторопласта (не показана). Приемо-передающая антенна 3 размещена у обочины дороги. Возможны различные реализации решетки Ван Атта в качестве ретроотражателей, включая планарные конструкции.
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.