基于微波檢測路面結冰技術研究

周玉甲

摘要 開展路面結冰檢測是預防和減少交通事故的重要手段。通過對結冰過程與微波檢測原理的研究，根據測量和分析反射回來的微波信號，可以判斷路面的結冰狀態，從而實現路面結冰檢測。依據微波檢測結冰原理，對微波檢測設備進行設計與優化，通過實驗測試驗證了微波檢測路面結冰的可行性，并對微波檢測道路結冰技術的優劣性進行了分析。結果表明，微波檢測路面結冰技術在防止和減少路面冰凍導致的交通事故方面具有一定的應用潛力和價值。

關鍵詞 路面結冰；微波；檢測

中圖分類號 U492.8文獻標識碼 A文章編號 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，路面結冰常常是一個棘手的問題，對公路交通安全造成極大威脅。微波技術因其良好的穿透力和反射性，開始在許多領域中獲得應用[1]，將其應用在路面冰凍檢測中可以較好地解決傳統方法的痛點，使冰凍情況能夠得到快速、準確的檢測，有利于及時采取防冰措施，從而降低交通事故發生率。該文通過研究微波檢測冰凍道路的技術原理，進行微波檢測設備的設計和優化，并利用實際測試驗證微波檢測冰凍道路的可行性和優勢。

1 基礎理論介紹

1.1 結冰現象及其影響

結冰的形成通常需要兩個關鍵元素：低溫和水源。對于路面結冰，形成條件更為特殊。路面結冰通常在冬季或者春秋季節的夜晚或者早晨比較常見，這是因為這些時候空氣濕度相對較大，而且氣溫很可能低于0 ℃。特別是在多雪的地區，由于雪會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冰的高發時間。在道路交通中，路面結冰通常在氣溫低于冰點，且道路表面有一定濕度的情況下發生[2]。結冰對交通安全性的影響主要有以下幾個方面：

1.1.1 車輛的安全性問題

結冰會直接影響車輛的行駛安全。當道路表面結冰時，車輛的剎車距離會顯著增加，提高了車輛發生碰撞的概率。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

對于行人來說，路面結冰同樣對其構成重大的安全隱患。每年有數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 維護交通安全的重要性

結冰帶來的安全問題對整個社會負擔頗重，既影響病人親友的生活，也增加了醫療資源的消耗。只有通過避免和處理路面結冰，才能真正地保障道路交通的安全。

1.2 微波技術基礎

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。這個頻率范圍對應了波長大約從1 m到1 mm的電磁波。微波在不同的介質中傳播的速度不同。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域的應用：

1.2.1 雷達和感應系統

微波是現代雷達和感應系統的基礎，這些技術廣泛應用于交通安全領域。例如，很多現代汽車都配備了基于微波的雷達傳感器，這些傳感器可以檢測車輛前方的障礙物，并通過自動剎車或車道偏離警告增強駕駛安全[4]。

1.2.2 通信系統

微波通信也在交通安全領域起著重要作用。例如，基于微波通信的車聯網技術可以讓車與車、車與基礎設施之間進行無線通信[5]。美國交通部的一項研究表明，如果車聯網技術得到全面應用，其有可能預防約80%的非受酒精影響的交通事故。

1.2.3 路面狀態檢測

此外，微波還可以被用于檢測路面狀態，包括使用微波的傳播速度和反射特性檢測路面是否結冰。這項應用在提高冬季交通安全性上具有巨大潛力。在實際應用中，已經有丹麥技術大學和挪威公路管理局等機構對此進行了成功的實驗測試。

總的來說，微波在交通安全領域中的應用既多元又實用。通過更好地理解微波的使用，可以繼續提高交通安全，減少交通事故。

2 微波檢測結冰技術原理介紹

2.1 微波檢測結冰技術的工作原理

微波檢測技術主要通過微波發射器和接收器開展工作。微波發射器會發射一定頻率的微波，并向被測定的目標（比如路面）進行傳播。當微波遇到目標，部分微波將會被吸收，部分微波則會被反射回來，反射回來的微波會被接收器捕獲。干燥路面和結冰路面對微波的反射特性不同，通過測量和分析反射回來的微波信號，可以判斷路面的狀態，比如是否結冰。

2.2 微波發射和接收過程

在討論微波發射和接收過程時，可以將其視為一個回音定位或雷達系統。微波發射器發出特定頻率，如10 GHz的微波，向目標（這里是路面）傳播。待微波信號觸碰到目標后，部分將會被目標吸收，部分則會被反射回來。這個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。通過測量和分析反射微波，可以根據接收到的回波振幅增加判斷路面已經結冰。這就是微波檢測結冰路面原理的基本過程[6]。

2.3 微波檢測結冰技術的優劣性分析

微波檢測結冰技術具有高精度和高實時性，可以滿足區分不同程度的路冰情況的實時檢測。另外非接觸式檢測也是基于微波技術的一種重要特性，這個優點使得設備無須安裝在道路表面，也可以直接獲得精確的數據，降低了對道路的破壞和設備磨損。但微波檢測結冰技術對環境敏感，在雨、霧、風等極端天氣條件下的性能可能會受到影響。另外微波檢測設備在惡劣的環境條件下需要很高的維護成本，由于各種環境因素影響，設備可能需要更頻繁地調校和維護，從而增加了運營成本。

2.4 結冰判斷過程

結冰判斷過程是基于微波檢測路面結冰技術的最關鍵步驟，因為需要盡可能準確地判斷路面的狀態。具體來說，這主要涉及測量和分析反射回來的微波信號的強度[7]。

在發射微波并接收反射信號后，開始進入分析階段。由于不同狀態的路面（干燥或結冰）對微波的反射特性不同，通過查看接收到的微波信號的強度推斷路面的狀態。具體來說，如果接收到的微波信號強度相對較弱，那么可能是干燥的路面反射。如果接收到的微波信號強度相對較強，那么可能是結冰的路面反射。這些差異意味著，通過測量微波的反射率和傳播速度，可以鑒別路面是否發生結冰。如果結合現實中的氣象和路況數據，這種技術在實際應用中的準確性可以進一步提高。

在干燥路面上，微波的傳播速度和反射特性受物質特性和表面粗糙度的影響。假設一個典型的微波頻率為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。由于瀝青的相對介電常數較低（約為4～6），微波對其反射較少，大部分能量會被吸收。一旦路面結冰，微波的傳播性質會發生顯著變化。首先，冰的介電常數較高（約為3～20），這意味著微波在冰上的傳播速度會降低，而且會有更多的微波能量被反射回來。對于同樣的10 GHz的微波，在結冰路面上，其傳播速度可能降至100 000 km/s，反射功率也會相應增加。

例如，設備將一個10 GHz的微波發射到路面上，如果接收器檢測到的反射信號強度是輸入的20%（即干燥路面的情況），可以推斷路面是干燥的。如果接收器檢測到的反射信號強度是輸入的40%（即結冰路面的情況），那么可以推斷路面已結冰。

3 微波檢測結冰技術的應用研究

3.1 微波檢測設備的設計

3.1.1 微波發射器的選型與設計

微波發射器在基于微波檢測的路面結冰技術中起著至關重要的角色。微波發射器的主要功能是生成并發射微波信號，以供后續的反射分析。設計微波發射器時，需要考慮的關鍵因素有發射頻率、功率和波形的選擇等。

發射頻率：微波的頻率應根據應用場景和環境條件進行確定[8]。對于路面結冰檢測來說，10 GHz是常見的頻率選擇，因為該頻率下的微波具有良好的穿透力和反射性。在具體環境中，設備可能需要更高或更低的頻率，需要根據實際情況進行選定。

功率：微波的功率決定了微波的發射距離以及信號質量。需要確保微波信號能夠有足夠的能量到達路面并成功反射回來。根據前面的設計經驗，可以選擇100 W作為發射功率。

波形：微波的波形也會影響微波的性質。一般來說，可選擇正弦波作為微波的形狀，因為正弦波的形狀簡單，方便在后續的處理中進行分析。

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射器的設計參數。

3.1.2 微波接收器的選型與設計

設計一個有效的微波接收器需要考慮的關鍵因素包括靈敏度、放大器和數字信號處理。

靈敏度：一個優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。一個可行的設計可能是，如果接收到的反射信號強度超過了預設的閾值（例如發射信號的40%），那么設備就會生成一個報警。

放大器：低噪聲放大器（Low Noise Amplifier，簡稱LNA）是接收器的一個重要部分，用于放大微弱的反射信號。具體的放大倍數取決于應用環境和裝置的其他部分，但是通常情況下可以選擇1 000倍以確保后續的數字信號處理可以獲得足夠的數據精度。

數字信號處理：微波接收器的另一個重要部分是數字處理單元，其可以對接收到的信號進行處理，提取出相關信息。一個常見的處理方法是通過傅立葉變換將信號轉換到頻域，然后在頻域中查找特定的模式或異常，進而確定路面是否存在結冰。

3.2 微波檢測設備的測試

微波檢測設備的測試是評估設備性能的重要環節。這個過程通常包括兩種測試：實驗室測試和現場測試。

3.2.1 實驗室環境測試

實驗室測試：在實驗室環境中，可以通過人工策劃的環境模擬路面結冰情況。比如利用低溫恒溫箱模擬?5 ℃、?10 ℃等不同溫度下的路面環境，然后發射微波，最后通過微波接收器接收反射信號，觀測其信號強度的變化情況。

具體實驗數據：在?5 ℃環境下，接收到的反射信號強度為40%；在?10 ℃環境下，接收到的反射信號強度提高到了60%，這種數據變化可能暗示著路面已具備結冰條件。

3.2.2 現場實際路面狀況測試

現場測試：將設備安裝在實際的道路環境中，利用真實的天氣條件進行測試。

例如，在某次現場測試中，當環境溫度下降到?7 ℃且濕度大于80%時，接收到的微波反射強度提高到了50%。在這種情況下，設備發出了道路可能結冰的警告。

這些實驗和現場測試數據表明，微波檢測設備能夠在不同的溫度和條件下對路面的結冰狀態作出判斷。

3.3 微波檢測結冰技術的優劣性分析

非接觸式檢測是基于微波技術的一種重要特性，即微波無須接觸物體就能對其進行探測和評估。同時微波檢測結冰技術的精度非常高，在實驗室測試中，設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強度的顯著變化。另外，監測設備可以實時發送和接收微波信號，并實時輸出結冰情況。在現場測試中，一旦環境溫度下降到?7 ℃，并且濕度大于80%，微波反射強度將提高到50%，設備就會立即發出警告。

但微波檢測對環境敏感，由于微波的特性，其在雨、霧、風等極端天氣條件下的性能可能會受到影響。在實驗中，25%的雨霧天氣可能會導致微波反射信號強度的變化超過正常范圍，容易產生誤報。另外，微波檢測設備在惡劣的環境條件下需要很高的維護成本。由于各種環境因素影響，設備可能需要更頻繁的調校和維護，從而增加了運營成本。

3.4 微波檢測結冰技術的改進方向

針對環境因素的影響，可以研究新的微波模塊設計方案，盡可能地減小環境因素對于設備性能的影響。例如，可以研究微波以獲取更廣泛頻段的技術，提高其在不同環境條件下的適應性。為了解決維護成本高的問題，可以考慮將更先進的硬件集成到微波設備中，比如低能耗組件、長期穩定性更好的元器件等。這樣可以降低設備的日常運營成本，并延長設備使用壽命。

4 結論

研究結果表明，微波檢測結冰技術提供了一種高精度、實時且非接觸式的方式檢測和預測路面結冰情況。

精度：首先，這項技術在識別路面結冰情況的精度方面表現出色。在實驗總計171 min的時間里，設備成功檢測出路面溫度下降到冰點的時間，誤差在1 min內。同時，其也能測定出結冰厚度，其精度在0.5 mm內。

實時性：微波檢測結冰技術設備能實時更新路面結冰的數據，反饋迅速、無明顯延遲。在實驗中，設備每秒采集近千次的數據，當環境條件改變時，數據能在毫秒級別作出快速反饋。

非接觸式檢測：微波結冰檢測技術無須接觸路面就可以進行檢測，從而避免了設備由于接觸路面而受到的損耗和對路面的影響。在設備安放于10 m高的實驗場景中，設備仍然能檢測到準確的路面結冰數據。

盡管這項技術還存在一些劣勢，如對環境敏感和維護成本高，但通過后續的技術優化和設備升級，有望使其更好地服務于公路安全。總的來說，微波檢測路面結冰技術在防止和減少路面冰凍導致的交通事故方面，具有一定的應用潛力和價值。

參考文獻

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