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[摘 要]随着人们的生活水平的提高，对出行的安全性要求也随之增强。道路积水或结冰是影响道路交通安全性的一项重要指标，与人们的日常生活密不可分，因此检测冰雪路面对人们的安全出行有着重要意义。
参阅了大量国内外的有关技术及文献，选取了一些实际可行的测量方式方法，通过实验验证，给予了一些清晰的观点。结合国内实际情况，在电容式、光纤式、机械振动式、声波式以及红外式结冰传感器选取了红外线作为研究着重点，综述了其原理及工作过程，并阐述其在实际效用中的可行性。
[关键词]主动式红外线传感器 道路结冰检测系统 光反射系数
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）19-0333-01
背景：
我国高速公路在最近几年发展迅速，已然成为一种不可替代的、具有很强灵活性的运输方式。截止到2013年初，我国高速公路总里程达到9.62万公里，居世界第一。随着我国汽车保有量不断攀升，高速公路仍将以一个很高的态势持续快速发展。
在高速公路行车安全方面，我国的信息化高速公路正在不断发展，使行车安全性不断增强，在过去的2013年，我国高速公路总事故率下降8%，正说明，科学、信息化的基础设施建设和高度集成化的管理方式给高速公路的安全带来了不可估量的正影响。
在高速公路行车过程中，路面积水或结冰容易造成路面抗滑能力显著降低，增加汽车的制动距离，容易使车辆发生打滑或侧翻，是影响行车安全一种重要的因素。路面结冰自动检测、及时预警和自动应急处理对于保障行车安全、减少交通事故具有重要意义。
国内外研究现状：
高速公路路面结冰检测系统是用来检测与预报道路路面状况的系统，由于其在军事与民用方面的重要性，一直受到世界发达国家的重视，更由于其技术上的先进性，美国等西方国家在这一领域的研究一直处于领先地位。如美国等建立的道路气象信息系统（RWIS）。结冰监测技术是应用各种类型传感器通过感知物体表面结冰后产生的物理、力学及光学等性质的变化来实现结冰的状态，积水通过空气与水层直接不同的物理性质来判断的水层的深度。这些技术可以实时、准确地检测路面当前状态，并通过数据实时分析获得更加有利于行车的结果。
测量技术：
根据近年来国内外的研究，参阅大量资料，将其分为以下几类：
1. 电容式结冰传感器：基于冰、空气和水介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列，每个电极对为一个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。
2. 光纤式结冰传感器：是用两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤，可以发出红外光；外围圆环形为接收光纤，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气，接收光纤接收不到任何红外光；当玻璃端面上有结冰时，发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接收。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的。
3. 机械振动式结冰传感器：其原理是利用物体振动体的谐振频率来判断物体表面是否有冰。根据目前的材料科学中的压电材料、磁致伸缩材料等利用磁致压缩原理，当温度发生变化时物体固有振动频率与谐振频率随之变化。从而利用这种变化规律来推测冰层的厚度。
4. 声波式结冰传感器：即在结冰物体表面安装一套超声波的发射和接收装置，通过发射和接收的超声波的能量比较以及计算在物体表面内的弯曲弹性波来来估测冰层厚度，通过资料查询以及前辈的实验结果可以表明，该方法测量结果可靠，且可测量冰层厚度较高。
5. 红外线式结冰传感器：利用红外线的波长在水中或冰中的关吸收系数不同来确定和检测冰或水的厚度。
以上介绍的各种结冰检测方式均有其不同的利弊，在实际应用中需要考虑各种恶劣环境因素以及汽车碾压等各种情况，所以上述情况均存在各种各样的不足。在接下来的文章中，我们主要介绍基于红外线的检测技术，因红外线发射、接收器成本低廉，建立合适的算法进行内部运算，能够得到相对真实的结果。由于红外线功能特殊性，可以间接实现很多其他效用，例如：作为高速公路自动化路灯的控制；监测高速公路路面温度；测量两车间距等等功能，可以为以后进一步信息化提供良好的技术基础。而且其对建设成本控制和可靠性都可以得到兼顾的一种检测方式方法。
主动式红外线传感器其原理是将红外线以一个特定的波长、能量直接照射在物体的结冰（水层）表面，通过红外光电接收器接收到道路结冰表面返回的光的波长以及能量，通过理论运算得到不同入射角和观测角下的结冰或水层表面的反射系数，根据结冰系数推断物体表面的结冰（水层）情况。如图1所示：
当入射波长相同时，物体表面的冰（水）层越厚，冰（水）层散射掉的光越多，接收到的反射光的能量越少。若光从不同角度入射被冰覆盖的物体，利用光电接收器接收到的不同波长下的红外光回波能量，并通过比较器及模拟器将光信号转换为电信号。通过对电信号的放大、过滤，由MSP430单片机进行数据分析处理，通过通信模块将数据实时发送至管理部门并广播。其反射系数计算公式如下：
其中，为红外线发射器发射的光能量；
为光电接收器接收被红外线照射冰（水）表面反射回来的光能量；
、分别为入射角、反射角。
该红外传感器通过对结冰表面的反射系数，可对结冰（水）情况进行度量分析，建立相应分析标准进行等级划分，通过信息化的高速公路信息推送，及时给予司机反馈相应道路信息。
总结：
随着高速公路的普及度迅速增强，以及人们对道路的信息化以及安全可靠性的要求不断加强，路况信息监测系统得到不断重视。作为路况信息的分支，道路结冰、积水监测成为了及其重要的一部分。本文通过分析国内外最新成果，提出了一种适宜于高速公路信息化建设的可行方案，经过不断试验和调试，证明此方案可行。同时其设计便于安装于推广，该方案也为高速公路其他子路况检测及控制提供拓展空间。
参考文献
[1] 崔丽琴.基于CAV444的电容式冰厚传感器及其检测系统的研究[D].太原理工大学，2010.
[2] 冯金龙.高速公路路面结冰检测系统的研究[D].南京信息工程大学，2011.
[3] 李薇，叶林，张杰，张洪.光纤式结冰传感器的试验研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2009，08：16-18+22.
参阅了大量国内外的有关技术及文献，选取了一些实际可行的测量方式方法，通过实验验证，给予了一些清晰的观点。结合国内实际情况，在电容式、光纤式、机械振动式、声波式以及红外式结冰传感器选取了红外线作为研究着重点，综述了其原理及工作过程，并阐述其在实际效用中的可行性。
[关键词]主动式红外线传感器 道路结冰检测系统 光反射系数
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）19-0333-01
背景：
我国高速公路在最近几年发展迅速，已然成为一种不可替代的、具有很强灵活性的运输方式。截止到2013年初，我国高速公路总里程达到9.62万公里，居世界第一。随着我国汽车保有量不断攀升，高速公路仍将以一个很高的态势持续快速发展。
在高速公路行车安全方面，我国的信息化高速公路正在不断发展，使行车安全性不断增强，在过去的2013年，我国高速公路总事故率下降8%，正说明，科学、信息化的基础设施建设和高度集成化的管理方式给高速公路的安全带来了不可估量的正影响。
在高速公路行车过程中，路面积水或结冰容易造成路面抗滑能力显著降低，增加汽车的制动距离，容易使车辆发生打滑或侧翻，是影响行车安全一种重要的因素。路面结冰自动检测、及时预警和自动应急处理对于保障行车安全、减少交通事故具有重要意义。
国内外研究现状：
高速公路路面结冰检测系统是用来检测与预报道路路面状况的系统，由于其在军事与民用方面的重要性，一直受到世界发达国家的重视，更由于其技术上的先进性，美国等西方国家在这一领域的研究一直处于领先地位。如美国等建立的道路气象信息系统（RWIS）。结冰监测技术是应用各种类型传感器通过感知物体表面结冰后产生的物理、力学及光学等性质的变化来实现结冰的状态，积水通过空气与水层直接不同的物理性质来判断的水层的深度。这些技术可以实时、准确地检测路面当前状态，并通过数据实时分析获得更加有利于行车的结果。
测量技术：
根据近年来国内外的研究，参阅大量资料，将其分为以下几类：
1. 电容式结冰传感器：基于冰、空气和水介电常数的不同来判断电极之间的介质是冰、空气还是水。将多组电极对等距排列，每个电极对为一个结冰检测刻度，总的结冰厚度就等于相邻电极对的距离和介质是冰的电极对的个数的乘积。
2. 光纤式结冰传感器：是用两根同心结构的光纤，中心圆形为发射光纤，可以发出红外光；外围圆环形为接收光纤，可以接受和检测散射和反射回来的红外光。光纤探头端面是一个平面玻璃，玻璃上没有结冰时，发射光纤发射的红外光全部透光玻璃端面进入空气，接收光纤接收不到任何红外光；当玻璃端面上有结冰时，发射光纤发出的部分红外光由于被冰层散射和反射而被接收光纤接收。通过检测接收光纤接收到的红外光的强弱，达到检测结冰的目的。
3. 机械振动式结冰传感器：其原理是利用物体振动体的谐振频率来判断物体表面是否有冰。根据目前的材料科学中的压电材料、磁致伸缩材料等利用磁致压缩原理，当温度发生变化时物体固有振动频率与谐振频率随之变化。从而利用这种变化规律来推测冰层的厚度。
4. 声波式结冰传感器：即在结冰物体表面安装一套超声波的发射和接收装置，通过发射和接收的超声波的能量比较以及计算在物体表面内的弯曲弹性波来来估测冰层厚度，通过资料查询以及前辈的实验结果可以表明，该方法测量结果可靠，且可测量冰层厚度较高。
5. 红外线式结冰传感器：利用红外线的波长在水中或冰中的关吸收系数不同来确定和检测冰或水的厚度。
以上介绍的各种结冰检测方式均有其不同的利弊，在实际应用中需要考虑各种恶劣环境因素以及汽车碾压等各种情况，所以上述情况均存在各种各样的不足。在接下来的文章中，我们主要介绍基于红外线的检测技术，因红外线发射、接收器成本低廉，建立合适的算法进行内部运算，能够得到相对真实的结果。由于红外线功能特殊性，可以间接实现很多其他效用，例如：作为高速公路自动化路灯的控制；监测高速公路路面温度；测量两车间距等等功能，可以为以后进一步信息化提供良好的技术基础。而且其对建设成本控制和可靠性都可以得到兼顾的一种检测方式方法。
主动式红外线传感器其原理是将红外线以一个特定的波长、能量直接照射在物体的结冰（水层）表面，通过红外光电接收器接收到道路结冰表面返回的光的波长以及能量，通过理论运算得到不同入射角和观测角下的结冰或水层表面的反射系数，根据结冰系数推断物体表面的结冰（水层）情况。如图1所示：
当入射波长相同时，物体表面的冰（水）层越厚，冰（水）层散射掉的光越多，接收到的反射光的能量越少。若光从不同角度入射被冰覆盖的物体，利用光电接收器接收到的不同波长下的红外光回波能量，并通过比较器及模拟器将光信号转换为电信号。通过对电信号的放大、过滤，由MSP430单片机进行数据分析处理，通过通信模块将数据实时发送至管理部门并广播。其反射系数计算公式如下：
其中，为红外线发射器发射的光能量；
为光电接收器接收被红外线照射冰（水）表面反射回来的光能量；
、分别为入射角、反射角。
该红外传感器通过对结冰表面的反射系数，可对结冰（水）情况进行度量分析，建立相应分析标准进行等级划分，通过信息化的高速公路信息推送，及时给予司机反馈相应道路信息。
总结：
随着高速公路的普及度迅速增强，以及人们对道路的信息化以及安全可靠性的要求不断加强，路况信息监测系统得到不断重视。作为路况信息的分支，道路结冰、积水监测成为了及其重要的一部分。本文通过分析国内外最新成果，提出了一种适宜于高速公路信息化建设的可行方案，经过不断试验和调试，证明此方案可行。同时其设计便于安装于推广，该方案也为高速公路其他子路况检测及控制提供拓展空间。
参考文献
[1] 崔丽琴.基于CAV444的电容式冰厚传感器及其检测系统的研究[D].太原理工大学，2010.
[2] 冯金龙.高速公路路面结冰检测系统的研究[D].南京信息工程大学，2011.
[3] 李薇，叶林，张杰，张洪.光纤式结冰传感器的试验研究[J].华中科技大学学报（自然科学版），2009，08：16-18+22.