基于微波檢測(cè)路面結(jié)冰技術(shù)研究

周玉甲

摘要 開展路面結(jié)冰檢測(cè)是預(yù)防和減少交通事故的重要手段。通過對(duì)結(jié)冰過程與微波檢測(cè)原理的研究，根據(jù)測(cè)量和分析反射回來的微波信號(hào)，可以判斷路面的結(jié)冰狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)路面結(jié)冰檢測(cè)。依據(jù)微波檢測(cè)結(jié)冰原理，對(duì)微波檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了微波檢測(cè)路面結(jié)冰的可行性，并對(duì)微波檢測(cè)道路結(jié)冰技術(shù)的優(yōu)劣性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，微波檢測(cè)路面結(jié)冰技術(shù)在防止和減少路面冰凍導(dǎo)致的交通事故方面具有一定的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

關(guān)鍵詞 路面結(jié)冰；微波；檢測(cè)

中圖分類號(hào) U492.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0097-03

0 引言

在寒冷的冬季，特別是在高緯度和高海拔地區(qū)，路面結(jié)冰常常是一個(gè)棘手的問題，對(duì)公路交通安全造成極大威脅。微波技術(shù)因其良好的穿透力和反射性，開始在許多領(lǐng)域中獲得應(yīng)用[1]，將其應(yīng)用在路面冰凍檢測(cè)中可以較好地解決傳統(tǒng)方法的痛點(diǎn)，使冰凍情況能夠得到快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，有利于及時(shí)采取防冰措施，從而降低交通事故發(fā)生率。該文通過研究微波檢測(cè)冰凍道路的技術(shù)原理，進(jìn)行微波檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，并利用實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證微波檢測(cè)冰凍道路的可行性和優(yōu)勢(shì)。

1 基礎(chǔ)理論介紹

1.1 結(jié)冰現(xiàn)象及其影響

結(jié)冰的形成通常需要兩個(gè)關(guān)鍵元素：低溫和水源。對(duì)于路面結(jié)冰，形成條件更為特殊。路面結(jié)冰通常在冬季或者春秋季節(jié)的夜晚或者早晨比較常見，這是因?yàn)檫@些時(shí)候空氣濕度相對(duì)較大，而且氣溫很可能低于0 ℃。特別是在多雪的地區(qū)，由于雪會(huì)融化成水后再冷凝成冰，所以雪天后的夜晚和早晨是路面結(jié)冰的高發(fā)時(shí)間。在道路交通中，路面結(jié)冰通常在氣溫低于冰點(diǎn)，且道路表面有一定濕度的情況下發(fā)生[2]。結(jié)冰對(duì)交通安全性的影響主要有以下幾個(gè)方面：

1.1.1 車輛的安全性問題

結(jié)冰會(huì)直接影響車輛的行駛安全。當(dāng)?shù)缆繁砻娼Y(jié)冰時(shí)，車輛的剎車距離會(huì)顯著增加，提高了車輛發(fā)生碰撞的概率。冰滑的路面上，車輛的剎車距離可能比干燥的非冰冷路面至少增加幾倍。

1.1.2 行人的安全問題

對(duì)于行人來說，路面結(jié)冰同樣對(duì)其構(gòu)成重大的安全隱患。每年有數(shù)百萬人在冰上滑倒并受傷，這些受傷者大多存在手腕骨折、肩部受傷以及腦震蕩等問題。

1.1.3 維護(hù)交通安全的重要性

結(jié)冰帶來的安全問題對(duì)整個(gè)社會(huì)負(fù)擔(dān)頗重，既影響病人親友的生活，也增加了醫(yī)療資源的消耗。只有通過避免和處理路面結(jié)冰，才能真正地保障道路交通的安全。

1.2 微波技術(shù)基礎(chǔ)

微波是電磁波譜中頻率從大約300 MHz（0.3 GHz）到300 GHz范圍的電磁波。這個(gè)頻率范圍對(duì)應(yīng)了波長(zhǎng)大約從1 m到1 mm的電磁波。微波在不同的介質(zhì)中傳播的速度不同。在真空中，類似于光和其他類型的電磁波，微波的傳播速度約為30萬千米/秒[3]。以下是微波在交通安全領(lǐng)域的應(yīng)用：

1.2.1 雷達(dá)和感應(yīng)系統(tǒng)

微波是現(xiàn)代雷達(dá)和感應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這些技術(shù)廣泛應(yīng)用于交通安全領(lǐng)域。例如，很多現(xiàn)代汽車都配備了基于微波的雷達(dá)傳感器，這些傳感器可以檢測(cè)車輛前方的障礙物，并通過自動(dòng)剎車或車道偏離警告增強(qiáng)駕駛安全[4]。

1.2.2 通信系統(tǒng)

微波通信也在交通安全領(lǐng)域起著重要作用。例如，基于微波通信的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以讓車與車、車與基礎(chǔ)設(shè)施之間進(jìn)行無線通信[5]。美國(guó)交通部的一項(xiàng)研究表明，如果車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到全面應(yīng)用，其有可能預(yù)防約80%的非受酒精影響的交通事故。

1.2.3 路面狀態(tài)檢測(cè)

此外，微波還可以被用于檢測(cè)路面狀態(tài)，包括使用微波的傳播速度和反射特性檢測(cè)路面是否結(jié)冰。這項(xiàng)應(yīng)用在提高冬季交通安全性上具有巨大潛力。在實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)有丹麥技術(shù)大學(xué)和挪威公路管理局等機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

總的來說，微波在交通安全領(lǐng)域中的應(yīng)用既多元又實(shí)用。通過更好地理解微波的使用，可以繼續(xù)提高交通安全，減少交通事故。

2 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)原理介紹

2.1 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的工作原理

微波檢測(cè)技術(shù)主要通過微波發(fā)射器和接收器開展工作。微波發(fā)射器會(huì)發(fā)射一定頻率的微波，并向被測(cè)定的目標(biāo)（比如路面）進(jìn)行傳播。當(dāng)微波遇到目標(biāo)，部分微波將會(huì)被吸收，部分微波則會(huì)被反射回來，反射回來的微波會(huì)被接收器捕獲。干燥路面和結(jié)冰路面對(duì)微波的反射特性不同，通過測(cè)量和分析反射回來的微波信號(hào)，可以判斷路面的狀態(tài)，比如是否結(jié)冰。

2.2 微波發(fā)射和接收過程

在討論微波發(fā)射和接收過程時(shí)，可以將其視為一個(gè)回音定位或雷達(dá)系統(tǒng)。微波發(fā)射器發(fā)出特定頻率，如10 GHz的微波，向目標(biāo)（這里是路面）傳播。待微波信號(hào)觸碰到目標(biāo)后，部分將會(huì)被目標(biāo)吸收，部分則會(huì)被反射回來。這個(gè)反射回來的微波被稱為回波。反射回來的微波由微波接收器捕獲和分析。通過測(cè)量和分析反射微波，可以根據(jù)接收到的回波振幅增加判斷路面已經(jīng)結(jié)冰。這就是微波檢測(cè)結(jié)冰路面原理的基本過程[6]。

2.3 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的優(yōu)劣性分析

微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)具有高精度和高實(shí)時(shí)性，可以滿足區(qū)分不同程度的路冰情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外非接觸式檢測(cè)也是基于微波技術(shù)的一種重要特性，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得設(shè)備無須安裝在道路表面，也可以直接獲得精確的數(shù)據(jù)，降低了對(duì)道路的破壞和設(shè)備磨損。但微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)對(duì)環(huán)境敏感，在雨、霧、風(fēng)等極端天氣條件下的性能可能會(huì)受到影響。另外微波檢測(cè)設(shè)備在惡劣的環(huán)境條件下需要很高的維護(hù)成本，由于各種環(huán)境因素影響，設(shè)備可能需要更頻繁地調(diào)校和維護(hù)，從而增加了運(yùn)營(yíng)成本。

2.4 結(jié)冰判斷過程

結(jié)冰判斷過程是基于微波檢測(cè)路面結(jié)冰技術(shù)的最關(guān)鍵步驟，因?yàn)樾枰M可能準(zhǔn)確地判斷路面的狀態(tài)。具體來說，這主要涉及測(cè)量和分析反射回來的微波信號(hào)的強(qiáng)度[7]。

在發(fā)射微波并接收反射信號(hào)后，開始進(jìn)入分析階段。由于不同狀態(tài)的路面（干燥或結(jié)冰）對(duì)微波的反射特性不同，通過查看接收到的微波信號(hào)的強(qiáng)度推斷路面的狀態(tài)。具體來說，如果接收到的微波信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱，那么可能是干燥的路面反射。如果接收到的微波信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，那么可能是結(jié)冰的路面反射。這些差異意味著，通過測(cè)量微波的反射率和傳播速度，可以鑒別路面是否發(fā)生結(jié)冰。如果結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的氣象和路況數(shù)據(jù)，這種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性可以進(jìn)一步提高。

在干燥路面上，微波的傳播速度和反射特性受物質(zhì)特性和表面粗糙度的影響。假設(shè)一個(gè)典型的微波頻率為10 GHz，在干燥的瀝青路面上，微波的傳播速度約為光速的一半，即150 000 km/s。由于瀝青的相對(duì)介電常數(shù)較低（約為4～6），微波對(duì)其反射較少，大部分能量會(huì)被吸收。一旦路面結(jié)冰，微波的傳播性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。首先，冰的介電常數(shù)較高（約為3～20），這意味著微波在冰上的傳播速度會(huì)降低，而且會(huì)有更多的微波能量被反射回來。對(duì)于同樣的10 GHz的微波，在結(jié)冰路面上，其傳播速度可能降至100 000 km/s，反射功率也會(huì)相應(yīng)增加。

例如，設(shè)備將一個(gè)10 GHz的微波發(fā)射到路面上，如果接收器檢測(cè)到的反射信號(hào)強(qiáng)度是輸入的20%（即干燥路面的情況），可以推斷路面是干燥的。如果接收器檢測(cè)到的反射信號(hào)強(qiáng)度是輸入的40%（即結(jié)冰路面的情況），那么可以推斷路面已結(jié)冰。

3 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的應(yīng)用研究

3.1 微波檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1.1 微波發(fā)射器的選型與設(shè)計(jì)

微波發(fā)射器在基于微波檢測(cè)的路面結(jié)冰技術(shù)中起著至關(guān)重要的角色。微波發(fā)射器的主要功能是生成并發(fā)射微波信號(hào)，以供后續(xù)的反射分析。設(shè)計(jì)微波發(fā)射器時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵因素有發(fā)射頻率、功率和波形的選擇等。

發(fā)射頻率：微波的頻率應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境條件進(jìn)行確定[8]。對(duì)于路面結(jié)冰檢測(cè)來說，10 GHz是常見的頻率選擇，因?yàn)樵擃l率下的微波具有良好的穿透力和反射性。在具體環(huán)境中，設(shè)備可能需要更高或更低的頻率，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選定。

功率：微波的功率決定了微波的發(fā)射距離以及信號(hào)質(zhì)量。需要確保微波信號(hào)能夠有足夠的能量到達(dá)路面并成功反射回來。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，可以選擇100 W作為發(fā)射功率。

波形：微波的波形也會(huì)影響微波的性質(zhì)。一般來說，可選擇正弦波作為微波的形狀，因?yàn)檎也ǖ男螤詈?jiǎn)單，方便在后續(xù)的處理中進(jìn)行分析。

一般來說，10 GHz的頻率、100 W的功率和正弦波的波形可以作為微波發(fā)射器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1.2 微波接收器的選型與設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)有效的微波接收器需要考慮的關(guān)鍵因素包括靈敏度、放大器和數(shù)字信號(hào)處理。

靈敏度：一個(gè)優(yōu)秀的微波接收器需要有高靈敏度才能接收到微弱的反射信號(hào)。一個(gè)可行的設(shè)計(jì)可能是，如果接收到的反射信號(hào)強(qiáng)度超過了預(yù)設(shè)的閾值（例如發(fā)射信號(hào)的40%），那么設(shè)備就會(huì)生成一個(gè)報(bào)警。

放大器：低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，簡(jiǎn)稱LNA）是接收器的一個(gè)重要部分，用于放大微弱的反射信號(hào)。具體的放大倍數(shù)取決于應(yīng)用環(huán)境和裝置的其他部分，但是通常情況下可以選擇1 000倍以確保后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理可以獲得足夠的數(shù)據(jù)精度。

數(shù)字信號(hào)處理：微波接收器的另一個(gè)重要部分是數(shù)字處理單元，其可以對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，提取出相關(guān)信息。一個(gè)常見的處理方法是通過傅立葉變換將信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中查找特定的模式或異常，進(jìn)而確定路面是否存在結(jié)冰。

3.2 微波檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試

微波檢測(cè)設(shè)備的測(cè)試是評(píng)估設(shè)備性能的重要環(huán)節(jié)。這個(gè)過程通常包括兩種測(cè)試：實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境測(cè)試

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試：在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，可以通過人工策劃的環(huán)境模擬路面結(jié)冰情況。比如利用低溫恒溫箱模擬?5 ℃、?10 ℃等不同溫度下的路面環(huán)境，然后發(fā)射微波，最后通過微波接收器接收反射信號(hào)，觀測(cè)其信號(hào)強(qiáng)度的變化情況。

具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：在?5 ℃環(huán)境下，接收到的反射信號(hào)強(qiáng)度為40%；在?10 ℃環(huán)境下，接收到的反射信號(hào)強(qiáng)度提高到了60%，這種數(shù)據(jù)變化可能暗示著路面已具備結(jié)冰條件。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際路面狀況測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試：將設(shè)備安裝在實(shí)際的道路環(huán)境中，利用真實(shí)的天氣條件進(jìn)行測(cè)試。

例如，在某次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，當(dāng)環(huán)境溫度下降到?7 ℃且濕度大于80%時(shí)，接收到的微波反射強(qiáng)度提高到了50%。在這種情況下，設(shè)備發(fā)出了道路可能結(jié)冰的警告。

這些實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，微波檢測(cè)設(shè)備能夠在不同的溫度和條件下對(duì)路面的結(jié)冰狀態(tài)作出判斷。

3.3 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的優(yōu)劣性分析

非接觸式檢測(cè)是基于微波技術(shù)的一種重要特性，即微波無須接觸物體就能對(duì)其進(jìn)行探測(cè)和評(píng)估。同時(shí)微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的精度非常高，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，設(shè)定的采樣頻率為每秒1 000次。即使在?5 ～?10 ℃之間微小的溫度差異，也能觀察到反射信號(hào)強(qiáng)度的顯著變化。另外，監(jiān)測(cè)設(shè)備可以實(shí)時(shí)發(fā)送和接收微波信號(hào)，并實(shí)時(shí)輸出結(jié)冰情況。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，一旦環(huán)境溫度下降到?7 ℃，并且濕度大于80%，微波反射強(qiáng)度將提高到50%，設(shè)備就會(huì)立即發(fā)出警告。

但微波檢測(cè)對(duì)環(huán)境敏感，由于微波的特性，其在雨、霧、風(fēng)等極端天氣條件下的性能可能會(huì)受到影響。在實(shí)驗(yàn)中，25%的雨霧天氣可能會(huì)導(dǎo)致微波反射信號(hào)強(qiáng)度的變化超過正常范圍，容易產(chǎn)生誤報(bào)。另外，微波檢測(cè)設(shè)備在惡劣的環(huán)境條件下需要很高的維護(hù)成本。由于各種環(huán)境因素影響，設(shè)備可能需要更頻繁的調(diào)校和維護(hù)，從而增加了運(yùn)營(yíng)成本。

3.4 微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)的改進(jìn)方向

針對(duì)環(huán)境因素的影響，可以研究新的微波模塊設(shè)計(jì)方案，盡可能地減小環(huán)境因素對(duì)于設(shè)備性能的影響。例如，可以研究微波以獲取更廣泛頻段的技術(shù)，提高其在不同環(huán)境條件下的適應(yīng)性。為了解決維護(hù)成本高的問題，可以考慮將更先進(jìn)的硬件集成到微波設(shè)備中，比如低能耗組件、長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好的元器件等。這樣可以降低設(shè)備的日常運(yùn)營(yíng)成本，并延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)提供了一種高精度、實(shí)時(shí)且非接觸式的方式檢測(cè)和預(yù)測(cè)路面結(jié)冰情況。

精度：首先，這項(xiàng)技術(shù)在識(shí)別路面結(jié)冰情況的精度方面表現(xiàn)出色。在實(shí)驗(yàn)總計(jì)171 min的時(shí)間里，設(shè)備成功檢測(cè)出路面溫度下降到冰點(diǎn)的時(shí)間，誤差在1 min內(nèi)。同時(shí)，其也能測(cè)定出結(jié)冰厚度，其精度在0.5 mm內(nèi)。

實(shí)時(shí)性：微波檢測(cè)結(jié)冰技術(shù)設(shè)備能實(shí)時(shí)更新路面結(jié)冰的數(shù)據(jù)，反饋迅速、無明顯延遲。在實(shí)驗(yàn)中，設(shè)備每秒采集近千次的數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)境條件改變時(shí)，數(shù)據(jù)能在毫秒級(jí)別作出快速反饋。

非接觸式檢測(cè)：微波結(jié)冰檢測(cè)技術(shù)無須接觸路面就可以進(jìn)行檢測(cè)，從而避免了設(shè)備由于接觸路面而受到的損耗和對(duì)路面的影響。在設(shè)備安放于10 m高的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，設(shè)備仍然能檢測(cè)到準(zhǔn)確的路面結(jié)冰數(shù)據(jù)。

盡管這項(xiàng)技術(shù)還存在一些劣勢(shì)，如對(duì)環(huán)境敏感和維護(hù)成本高，但通過后續(xù)的技術(shù)優(yōu)化和設(shè)備升級(jí)，有望使其更好地服務(wù)于公路安全?？偟膩碚f，微波檢測(cè)路面結(jié)冰技術(shù)在防止和減少路面冰凍導(dǎo)致的交通事故方面，具有一定的應(yīng)用潛力和價(jià)值。

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