本發明涉及道路交通安全氣象要素探測技術領域，具體是一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置及其測量方法。

背景技術：

隨著道路交通的發展和車輛的激增，路面氣象狀態對交通運輸的影響也越來越廣泛，惡劣的路面氣象狀態造成了較多的交通事故，甚至威脅人們的生命財產安全。

路面溫度是路面氣象狀態中很重要的一項指標。隨著溫度的變化，路面的材料強度和剛度也會隨之發生變化。由于路面材料熱傳導性能差，溫度變化時，結構表面溫度變化迅速，結構內部溫度變化很小，各個部分處于不同的溫度狀態，材料的體積也會產生膨脹和收縮，當這種膨脹和收縮受到阻礙時，會產生很大的溫度應力，引起結構變形、開裂，進而破壞道路結構，影響行車安全。同時，高溫是誘發車輛“爆胎”的元兇，夏季的地面溫度會達到50℃以上，汽車長時間在高溫路面行駛致使胎壓增加極易引發爆胎事故，發生嚴重交通事故。

目前國內外對路面溫度的測量主要有接觸式和非接觸式兩種方法。前者，采用熱電偶、熱電阻等埋入路面測量，通過感知物理特性的某些變化來判斷路面溫度，該類測量裝置都需要埋入路面使用，一方面會對路面造成破壞，安裝維護也不便；另一方面，接觸式測溫需要與被測物體進行充分的熱交換，經過一定的時間后才能達到熱平衡，存在延遲現象。

非接觸式測量大多是通過紅外輻射來反演路面溫度?；驹硎牵杭t外輻射存在于自然界的任何一個角落，在自然界中，任何溫度超過零度的物體都會不斷地向周圍空間發出紅外輻射，這種輻射具有光反射與折射等一系列特征，且輻射強度與溫度大小存在確定的關系。該類測量裝置可以直接安裝在道路、橋梁、高架兩側，安裝維護簡單，準確度高。我國高速公路承載的運輸量大，破損較快，路面經常性翻新或維修，接觸式更易損壞，增加了維護成本。此外，非接觸式測溫還具有響應速度快、測溫范圍寬、無需接觸被測物體、不干擾被測溫度場的優點。因此，非接觸式更具有應用前景。然而，目前國內尚無成熟的該類產品，國外進口產品價格昂貴，因此有必要對路面溫度狀態的非接觸式實時監測進行研究。

現有技術中，通過探測物體發出的紅外輻射量，可以通過相應的算法得到其相應的溫度值。但是，用于路面溫度測量的紅外測溫儀器，安裝在野外用于長期不間斷的實時測量，而外界的溫度變化很大，晝夜溫差、不同季節的溫差都造成儀器本身發生較大溫度波動，而本身也是輻射體，隨著溫度的變化輻射量也會發生變化，并且由于儀器本身距離探測器較近，對探測器測量到的信號貢獻較大，其自身輻射會疊加到探測器上，對實際目標物輻射量的檢測產生影響，影響路面溫度的反演，因此，這部分的影響因素一定要扣除。

一般的修正方法是通過接觸式溫度傳感器測量儀器某部件的溫度后，反推出儀器的輻射量，再在測量中扣除這部分輻射量，進行目標物溫度反演。但實際上，儀器本身材料是由金屬等多種材料組成，具有不同的輻射特性，通過上述方法反推得到的儀器本身的輻射量是不準確的；同時，在儀器中外殼、光學透鏡甚至是腔體內的空氣都會產生紅外輻射，只用測量儀器本身某部件的溫度，不能全面反映出該干擾因素的確定值。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置及其測量方法。采用雙探測器扣除裝置本身的輻射影響，即采用一個探測器直接測量裝置本身的紅外輻射量，而采用另一個探測器測量目標路面的紅外輻射量和裝置本身的紅外輻射量，通過扣除裝置本身背景輻射的方法，直接精確測量到目標路面的紅外輻射量，以保證目標路面的實際溫度的準確反演。

本發明的技術方案為：

一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置，該裝置包括紅外光信號探測模塊、信號調理模塊以及信號采集與處理模塊；所述紅外光信號探測模塊包括紅外光透鏡、窗口濾光片、主探測器、副探測器、主探測器濾光片和副探測器濾光片；所述紅外光透鏡位于窗口濾光片的前端，所述窗口濾光片位于主探測器濾光片和副探測器濾光片的前端，所述主探測器濾光片位于主探測器的前端，所述副探測器濾光片位于副探測器的前端；

所述紅外光透鏡用于對目標路面的紅外輻射信號進行聚焦；所述窗口濾光片用于對經過紅外光透鏡聚焦的目標路面的紅外輻射信號進行濾光；所述主探測器濾光片和副探測器濾光片均用于對裝置本身的紅外輻射信號和透過窗口濾光片的目標路面的紅外輻射信號進行濾光，其中，目標路面的紅外輻射信號在副探測器濾光片上被截止；所述主探測器用于接收透過主探測器濾光片的裝置本身的紅外輻射信號和目標路面的紅外輻射信號，所述副探測器用于接收透過副探測器濾光片的裝置本身的紅外輻射信號；所述主探測器和副探測器均用于將接收到的紅外輻射信號轉換成電信號，所述電信號經過信號調理模塊調理后進入信號采集與處理模塊。

所述的高精度非接觸式路面溫度測量裝置，所述信號調理模塊包括前置放大電路、二級放大電路和低通濾波電路，所述信號采集與處理模塊包括溫濕度補償電路、模數轉換電路、中央處理器和信號輸出電路；

所述前置放大電路用于對主探測器和副探測器輸出的電信號進行電流到電壓的轉換和放大；所述二級放大電路用于對前置放大電路輸出的電壓信號進行二級放大；所述低通濾波電路用于對二級放大電路輸出的電壓信號中的高頻交流干擾成分進行隔離；所述溫濕度補償電路用于測量大氣溫度和濕度并傳輸至中央處理器；所述模數轉換電路用于將低通濾波電路傳輸過來的信號進行模數轉換，再傳輸至中央處理器；所述信號輸出電路用于將中央處理器處理得到的測量結果輸出顯示。

所述的高精度非接觸式路面溫度測量裝置，所述紅外光透鏡采用菲涅爾透鏡。

所述的高精度非接觸式路面溫度測量裝置，所述窗口濾光片采用主要透過波長為5～8um的紅外輻射信號的濾光片；所述主探測器濾光片采用主要透過波長為5～14um的紅外輻射信號的濾光片；所述副探測器濾光片采用主要透過波長為8～14um的紅外輻射信號的濾光片。

所述的高精度非接觸式路面溫度測量裝置，所述主探測器和副探測器均采用熱電堆光電探測器。

一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置的測量方法，該方法包括以下步驟：

a、目標路面的紅外輻射信號依次經過紅外光透鏡聚焦、窗口濾光片濾光后在副探測器濾光片上被截止，僅經過主探測器濾光片濾光后照射到主探測器上；

裝置本身的紅外輻射信號經過主探測器濾光片濾光后照射到主探測器上，經過副探測器濾光片濾光后照射到副探測器上；

b、主探測器和副探測器將接收到的紅外輻射信號轉換成電信號，所述電信號經過信號調理模塊調理后進入信號采集與處理模塊；

c、信號采集與處理模塊對來自于主探測器和副探測器的兩路信號數值按照預先標定的主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值與副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值之間的關系進行計算，得到目標路面的紅外輻射量值；

d、根據得到的目標路面的紅外輻射量值，從預存的目標路面的紅外輻射量值與溫度值的對應表中，查詢出對應的目標路面的溫度值。

所述的高精度非接觸式路面溫度測量裝置的測量方法，步驟c中，所述主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值與副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值之間的關系，通過以下步驟獲得：

c1、用黑色塑料堵頭將紅外光透鏡的前端完全擋住，將裝置放置于溫控箱內，控制溫度從-20℃逐步上升到50℃，在上升過程中每隔5℃記錄下主探測器、副探測器接收到的紅外輻射信號經過信號調理模塊調理、信號采集與處理模塊處理得到的兩路信號數值L1′(n)、L2(n)，n＝0，1，2，…，14，共15組數據，其中，L1′(n)表示第n組數據中主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值，L2(n)表示第n組數據中副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值；

c2、采用線性內插法得到在第n組數據與第n+1組數據之間，即L1′(n)、L2(n)與L1′(n+1)、L2(n+1)之間，主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值L1′與副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值L2之間的函數關系：

其中，L1′(n+1)、L2(n+1)分別表示第n+1組數據中主探測器、副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值；L1′介于L1′(n)與L1′(n+1)之間，L2介于L2(n)與L2(n+1)之間；

即得到裝置溫度從-20℃到50℃上L1′和L2之間的分段函數：

L1′＝F₁(L2)

其中，為以L2為自變量的分段函數；

步驟c中，所述目標路面的紅外輻射量值通過以下公式獲得：

LC＝L1-F₁(L2)

其中，LC表示目標路面的紅外輻射量值，L1表示來自于主探測器的信號數值即主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值與目標路面的紅外輻射量值之和，L2表示來自于副探測器的信號數值即副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值；

步驟d中，所述目標路面的紅外輻射量值與溫度值的對應表，通過以下步驟獲得：

d1、將面積大于裝置視場的路面模擬物作為目標路面放置在溫控箱內，將裝置對準所述目標路面以測量其紅外輻射信號，控制溫度從-20℃逐步上升到50℃，在上升過程中每隔5℃記錄下主探測器、副探測器接收到的紅外輻射信號經過信號調理模塊調理、信號采集與處理模塊處理得到的兩路信號數值L1(n)、L2(n)以及對應的溫度值T(n)，n＝0，1，2，…，14，共15組數據，L1(n)表示第n組數據中主探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值與目標路面的紅外輻射量值之和，L2(n)表示第n組數據中副探測器測量的裝置本身的紅外輻射量值，T(n)表示第n組數據中溫控箱的溫度值，并將其作為此時目標路面的標準溫度值；

d2、采用以下公式，得到每組數據對應的目標路面的紅外輻射量值：

LC(n)＝L1(n)-F₁(L2(n))

其中，LC(n)表示第n組數據對應的目標路面的紅外輻射量值；

d3、將LC(n)與T(n)采用以下公式進行二次多項式擬合,得到擬合系數a、b、c：

LC(n)＝a+bT(n)+cT(n)²

進而，得到目標路面的紅外輻射量值LC與溫度值T之間的方程式：

LC＝a+bT+cT²

d4、根據上述方程式計算出溫度值在-20℃至50℃范圍內，間隔0.1℃的所有溫度值對應的目標路面的紅外輻射量值，形成目標路面的紅外輻射量值與溫度值的對應表。

本發明的有益效果為：

由上述技術方案可知，本發明采用雙探測器測量系統，通過其中一個探測器直接檢測裝置本身溫度引起的紅外輻射，在測量目標路面的紅外輻射時扣除其影響，準確得到目標路面的紅外輻射量，實現目標路面溫度的準確反演，避免在外界環境溫度波動較大的情況下裝置本身溫度變化對測量準確性帶來的影響。本發明的裝置結構簡單、調試方便、穩定性高，有效地提高了路面溫度測量系統的準確性和實用性，為其它路面氣象狀態的判斷提供了有效依據。

附圖說明

圖1是本發明的裝置結構示意圖；

圖2是本發明中窗口濾波片的光譜透過率曲線；

圖3是本發明中主探測器濾波片的光譜透過率曲線；

圖4是本發明中副探測器濾波片的光譜透過率曲線。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例進一步說明本發明。

如圖1所示，一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置，包括紅外光信號探測模塊100、信號調理模塊200以及信號采集與處理模塊300。紅外光信號探測模塊100包括紅外光透鏡101、窗口濾光片102、主探測器104、副探測器106、主探測器濾光片103和副探測器濾光片105。信號調理模塊200包括前置放大電路201、二級放大電路202和低通濾波電路203。信號采集與處理模塊300包括溫濕度補償電路301、模數轉換電路302、中央處理器303和信號輸出電路304。其中，紅外光透鏡101采用菲涅爾透鏡，具有體積小、紅外透過率高的優點。主探測器104和副探測器106均采用熱電堆光電探測器，具有靈敏度高、抗干擾能力強的優點。

紅外光透鏡101位于窗口濾光片102的前端，窗口濾光片102位于主探測器濾光片103和副探測器濾光片105的前端，主探測器濾光片103位于主探測器104的前端，副探測器濾光片105位于副探測器106的前端。目標路面的紅外輻射信號經過紅外光透鏡101聚焦后照射到窗口濾光片102上，經過窗口濾光片102濾光后照射到主探測器濾光片103和副探測器濾光片105上，經過主探測器濾光片103濾光后照射到主探測器104上，在副探測器濾光片105上被截止，因此，不會照射到副探測器106上。裝置本身的紅外輻射信號照射到主探測器濾光片103和副探測器濾光片105上，經過主探測器濾光片103和副探測器濾光片105濾光后照射到主探測器104和副探測器106上。主探測器104和副探測器106對接收到的紅外輻射信號進行光電轉換，產生微弱電流信號。

前置放大電路201對主探測器104和副探測器106光電轉換后的微弱電流信號進行電流到電壓的轉換和放大。二級放大電路202對前置放大電路201輸出的電壓信號進行二級放大，以滿足模數轉換電路302的電壓范圍要求。低通濾波電路203對二級放大電路202輸出的電壓信號中的高頻交流干擾成分進行隔離，實現低頻信號的通過。低通濾波電路203的輸出端連接模數轉換電路302的輸入端。模數轉換電路302實現模擬信號到數字信號的轉換，溫濕度補償電路301實現大氣中溫度和濕度的測量，中央處理器303接收模數轉換電路302和溫濕度補償電路301的數據，實現數字信號處理、電壓值到實際溫度的轉換，并通過信號輸出電路304將測量到的目標路面溫度實時輸出。

本發明的裝置采用紅外輻射測溫原理，其主探測器104接收到的紅外輻射量是：

L1＝ε(T₀)L(T₀)+ε_q(T_q)L(T_q) (1)

即目標路面的紅外輻射量和裝置本身的紅外輻射量之和。其中，L1是主探測器106接收到的紅外輻射量，T₀是目標路面的溫度，T_q是裝置本身腔體的溫度，ε(T₀)是目標路面的表面輻射率，L(T₀)是目標路面的紅外輻射量，ε_q(T_q)是裝置本身腔體的表面輻射率，L(T_q)是裝置本身的紅外輻射量。

本發明采用了雙探測器測量的設計方案，濾光片的設計如圖2～圖4所示，窗口濾光片102在紅外透過率大于80％的范圍主要在5～8um波長范圍上，主探測器濾光片103在紅外透過率大于80％的范圍主要在5～14um波長范圍上，副探測器濾光片105在紅外透過率大于80％的范圍主要在8～14um波長范圍上。

可以看出，在窗口濾光片102的濾光作用下，目標路面發射的5～8um波長范圍上的紅外輻射信號可以進入裝置內部，并經過主探測器濾光片103照射到主探測器104上；裝置本身發射的5～14um波長范圍上的紅外輻射信號可以經過主探測器濾光片103照射到主探測器104上；裝置本身發射的8～14um波長范圍上的紅外輻射信號可以經過副探測器濾光片105照射到副探測器106上，但目標路面發射的紅外輻射信號經過窗口濾光片102濾光后無法照射到副探測器106上，即副探測器106只用于探測裝置本身的紅外輻射量。

因此，副探測器106接收的紅外輻射能量如公式(2)所示：

主探測器104測量目標路面的紅外輻射量，為第一部分即目標路面的紅外輻射量和第二部分裝置本身的紅外輻射量之和，如公式(3)所示，其中，λ₁＝5um、λ₂＝8um、λ₃＝14um：

主探測器104測量目標路面的紅外輻射量是：

因此，在反演目標路面的實際溫度時，需要從主探測器104測量目標路面的紅外輻射量中扣除即裝置本身的紅外輻射部分。

因此，本發明的測量方法目標是用副探測器106測量裝置本身的紅外輻射量，再計算出主探測器104測量值中裝置本身的紅外輻射量，扣除后得到實際的目標路面的紅外輻射量，再通過該值反演出目標路面的溫度值。

由于采用同樣的探測器、光學系統、信號調理模塊200、信號采集與處理模塊300，副探測器106接收到的紅外輻射量與主探測器106接收的部分大小是相等的。

因此，為了得到和之間的量值關系，對雙探測器進行標定，目的是對兩個探測器測量的裝置本身的紅外輻射量進行標定，得到無目標路面的紅外輻射影響下和兩者之間的數值關系，以便在后續測量目標路面溫度時，通過副探測器106的測量值來反推出主探測器104上裝置本身對其的紅外輻射量值，扣除該值后得到目標路面的紅外輻射量值。具體的標定步驟如下：

A1、用黑色塑料堵頭將紅外光透鏡101的前端完全擋住，在該情況下，主探測器104和副探測器106都是只近似接收裝置本身的紅外輻射。

B1、將裝置放置于溫控箱內，控制溫度從-20℃逐步上升到50℃，在上升過程中每隔5℃記錄下主探測器104、副探測器106接收到的紅外輻射信號經過信號調理模塊200調理、信號采集與處理模塊300處理得到的兩路信號數值L1′(n)、L2(n)，n＝0，1，2，…，14，共15組數據，其中，L1′(n)表示第n組數據中主探測器104測量的裝置本身的紅外輻射量值，L2(n)表示第n組數據中副探測器106測量的裝置本身的紅外輻射量值。

C1、將記錄的數據存儲在中央處理器303的存儲單元中，采用線性內插法就能得到間隔點L1′(n)、L2(n)與L1′(n+1)、L2(n+1)之間，主探測器104測量的裝置本身的紅外輻射量值L1′與副探測器106測量的裝置本身的紅外輻射量值L2之間的關系：

即：

其中，L1′(n+1)、L2(n+1)分別表示第n+1組數據中主探測器(104)、副探測器(106)測量的裝置本身的紅外輻射量值；L1′介于L1′(n)與L1′(n+1)之間，L2介于L2(n)與L2(n+1)之間；

這樣得到溫度從-20℃逐步上升到50℃的分段函數公式：

即通過L2反演出L1′。

在實際測量過程中，主探測器104接收的紅外輻射量為：

因此，得到：

LC＝L1-F₁(L2) (8)

本發明測量目標路面溫度的標定方法是通過將面積大于裝置視場的柏油路面模擬物作為目標路面放置在溫控箱內，裝置對準目標路面采集不同溫度下的紅外輻射信號轉化的電壓大小，再用多項式對采集到的數據進行擬合，然后再進行標定，即得到目標路面的紅外輻射量值和對應的溫度值，通過擬合公式(9)反演目標路面的溫度T。

擬合方程為：

LC＝a+bT+cT²+dT³+eT⁴ (9)

二次、三次和四次多項式擬合得都較好，因此在實際應用中，運用二次多項式擬合精度已經足夠，得到擬合曲線后，便可根據方程求出其它點的值，存入中央處理器303的存儲單元供查詢使用。

具體步驟如下：

A2、將面積大于裝置視場的路面模擬物作為目標路面放置在溫控箱內，將裝置對準所述目標路面以測量其紅外輻射信號，控制溫度從-20℃逐步上升到50℃，在上升過程中每隔5℃記錄下主探測器104、副探測器106接收到的紅外輻射信號經過信號調理模塊200調理、信號采集與處理模塊300處理得到的兩路信號數值L1(n)、L2(n)以及對應的溫度值T(n)，n＝0，1，2，…，14，共15組數據，L1(n)表示第n組數據中主探測器104測量的裝置本身的紅外輻射量值與目標路面的紅外輻射量值之和，L2(n)表示第n組數據中副探測器106測量的裝置本身的紅外輻射量值，T(n)表示第n組數據中溫控箱的溫度值，并將其作為此時目標路面的溫度值；

B2、采用以下公式，得到每組數據對應的目標路面的紅外輻射量值：

LC(n)＝L1(n)-F₁(L2(n))

其中，LC(n)表示第n組數據對應的目標路面的紅外輻射量值；

C2、將LC(n)與T(n)采用以下公式進行二次多項式擬合,得到擬合系數a、b、c：

LC(n)＝a+bT(n)+cT(n)² (10)

進而，得到目標路面的紅外輻射量值LC與溫度值T之間的方程式：

LC＝a+bT+cT²

D2、根據上述方程式計算出溫度值在-20℃至50℃范圍內，間隔0.1℃的所有溫度值對應的目標路面的紅外輻射量值，形成目標路面的紅外輻射量值與溫度值的對應表，存儲備用。

在實際測量過程中，主探測器104、副探測器106探測的紅外輻射信號經過信號調理模塊200調理、信號采集與處理模塊300處理后的數字信號L1、L2，通過公式(8)計算LC，根據LC的值進行查詢，得到對應的溫度值T。

一種高精度非接觸式路面溫度測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

S1、目標路面的紅外輻射信號依次經過紅外光透鏡101聚焦、窗口濾光片102濾光后在副探測器濾光片105上被截止，僅經過主探測器濾光片103濾光后照射到主探測器104上；

裝置本身的紅外輻射信號經過主探測器濾光片103濾光后照射到主探測器104上，經過副探測器濾光片105濾光后照射到副探測器106上。

S2、主探測器104和副探測器106將接收到的紅外輻射信號轉換成電信號，所述電信號經過信號調理模塊200調理后進入信號采集與處理模塊300。

S3、信號采集與處理模塊300對來自于主探測器104和副探測器106的兩路信號數值按照預先標定的主探測器104測量的裝置本身的紅外輻射量值與副探測器106測量的裝置本身的紅外輻射量值之間的關系進行計算，得到目標路面的紅外輻射量值。

S4、根據得到的目標路面的紅外輻射量值，從預存的目標路面的紅外輻射量值與溫度值的對應表中，查詢出對應的目標路面的溫度值。

以上所述實施方式僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。