0 引言

    隨著道路交通的發(fā)展和車輛的激增，道面氣象狀態(tài)對交通運輸?shù)挠绊懺絹碓斤@著，惡劣的道面氣象狀態(tài)易造成交通事故，威脅人們的生命財產(chǎn)安全。

    冬季道路表面低溫結冰，摩擦系數(shù)顯著降低，制動距離變大，危險系數(shù)增高。夏季道面溫度會達到50℃以上，汽車長時間在高溫路面行駛會使胎壓增加，極易引發(fā)爆胎，進而發(fā)生交通事故^[1]。

    目前國內(nèi)外對道面溫度的測量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，如Lufft WST1/2、Vaisala FP2000、Vaisala DRP110等，需埋入路面使用，對路面造成破壞，安裝維護也不方便，而且接觸式測溫需要與被測物體進行充分的熱交換，經(jīng)過一定時間后才能達到熱平衡，存在延遲現(xiàn)象。非接觸式測溫大多是通過紅外輻射來反演溫度，在潮濕積水、下雪結冰時，非接觸式測量更為準確^[2-3]。它直接安裝在道路、橋梁、高架兩側，安裝維護使用方便。我國高速公路運輸量大，路面破損較快，需經(jīng)常性翻新或維修，接觸式更易損壞，增加了維護成本，非接觸式更有優(yōu)勢。此外，非接觸式還具有響應速度快、測溫范圍寬、無需接觸被測物體、不干擾被測溫場的優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設計

    道面溫度測量系統(tǒng)安裝在道路兩旁，在道路上方對路面進行2～15 m遠距離測量，同時，要避免車輛在道路上往來的遮擋，需選擇較小的測量范圍，要求系統(tǒng)距離系數(shù)較大。

    道面溫度為中低溫，在波長很短的范圍內(nèi)，其輻射很微弱，給探測器檢測和信號處理帶來困難。全輻射測溫法通過測量波長從零到無窮大的整個光譜范圍內(nèi)的輻射功率來確定物體的輻射溫度，實現(xiàn)方便、精度較高、造價便宜。因此選用全輻射法進行測量^[4]。

    道面溫度測量系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由光學系統(tǒng)、斬波器、紅外探測器、信號放大及處理部分和顯示輸出部分組成。光學系統(tǒng)接收匯聚測溫視場內(nèi)待測目標的紅外輻射，通過斬波器的輻射調(diào)制，由紅外探測器接收，并轉換為相應電信號，信號處理電路對來自探測器的信號進行放大、濾波等處理后，經(jīng)過溫度補償，再做進一步標定和校準，從而獲得被測目標的溫度值^[5]。

1.1 紅外探測器

    系統(tǒng)采用Excelitas公司LHI878紅外熱釋電探測器，該探測器探測率高、響應快，雙探測元的互補作用可減小溫度變化的干擾，提高測量的精準度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    熱釋電探測器基于熱釋電效應，當熱釋電元件接收的輻射發(fā)生變化時，兩個電極上會產(chǎn)生電子形成電流，電流經(jīng)場效應管后放大輸出電壓信號^[5]。它只能響應交變的輻射，其輸出的信號電壓為交流。因此需要在探測器前增加斬波器，將目標輻射調(diào)制為交流。

1.2 光學系統(tǒng)

    光學系統(tǒng)收集目標的紅外輻射，并將其聚焦于探測器上。采用透視式光學系統(tǒng)，用透紅外的菲涅爾透鏡簡化物鏡結構，減小探測器發(fā)散角，確定探測視場大小，增加可探測距離。圖2中L為菲涅爾透鏡，其邊框為孔徑光闌，S1、S2為消雜光光闌，S3為視場光闌，可有效地消除雜散輻射。

    探測器前用斬波器進行輻射調(diào)制，將連續(xù)的輻射信號變?yōu)榻惶孀兓妮椛湫盘?，?jīng)探測器產(chǎn)生交流電壓信號，探測器輸出信號電壓正比于目標輻射與斬波器輻射之差^[6]。

    熱釋電探測器的響應式為：

其中，S為與熱釋電響應特性以及物體表面發(fā)射率有關的常數(shù)，T₀為物體表面溫度，T_a為環(huán)境溫度。

1.3 信號處理電路

    信號處理電路包括前置放大器、帶通濾波器、主放大器、相敏檢波器、低通濾波器等，以及環(huán)境溫度補償電路。

    由于目標輻射強度非常微弱，大多掩埋在強噪聲中^[7]，為了獲得高信噪比、高精度的測量值，采用常規(guī)小信號檢測方法較難實現(xiàn)。本文采用了電子開關型相敏檢波器來實現(xiàn)微弱光信號檢測，它相當于參考信號為方波情況下的模擬乘法器^[8]。

    由于目標紅外輻射信號為微弱慢變化信號，為得到很好的功率放大倍數(shù)，采用了探測器多極放大的連接電路。如圖3所示，前置放大器選用BB公司高速高精度電介隔離型場效應管OPA602，低偏置電壓最大為±250 μV，低偏置電流最大為±1 pA，具有快速的還原時間1 μs→0.01%、高轉換速率35 V/μs，以及較寬的帶寬6.5 MHz。

    本系統(tǒng)前置放大器轉折頻率下限f_L=1/(2πC₆·R₆)，上限f_H=1/(2πC₇·R₇)；放大器增益由R₇和R₆的比值決定，帶通頻率的選擇取決于探測器的頻率響應和斬波器的調(diào)制頻率。前置電路放大后的電壓信號強度約為毫伏量級，再經(jīng)過一定倍數(shù)的二級放大得到一個后續(xù)的信號為轉換電路提供適合的電壓量級。

    信號放大后，經(jīng)過帶通濾波器抑制噪聲，提高信噪比。再經(jīng)過集成運算放大器OP07構成的主放大器進一步放大，通過相敏檢波器后再送入低通濾波器，濾去高于待測信號的噪聲和干擾^[9]。系統(tǒng)中控制產(chǎn)生相敏檢波器參考方波信號頻率與目標信號頻率相同。低通濾波器輸出電壓正比于目標輻射和斬波器輻射之差。用熱敏電阻來測量斬波器調(diào)制盤的溫度，其產(chǎn)生電壓經(jīng)放大后作為環(huán)境溫度補償電壓輸入加法器，與低通濾波器輸出電壓相加，此時加法器輸出的電壓正比于目標電壓。目標電壓經(jīng)A/D轉換輸入微處理器進行處理，通過標定計算得到相應的溫度。圖4為系統(tǒng)檢波原理圖。

2 系統(tǒng)標定

    測溫系統(tǒng)需要通過正確標定來顯示被測物體溫度。利用高精度面源黑體作為標準輻射源，用測溫系統(tǒng)對黑體溫度進行測量，并對每一個溫度點進行多次測量，經(jīng)過多組數(shù)據(jù)處理后計算其均值，然后用黑體溫度與系統(tǒng)輸出信號的關系曲線進行標定。

    標定的一般方法有查表法和曲線擬合法。查表法工作量大但精度不高。曲線擬合一般根據(jù)最小二乘法，用測得數(shù)據(jù)得到一條最佳近似曲線，簡單易行，但測量精度較低。實際應用中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡自學習自適應的特性，能更加準確地進行擬合計算^[10]。

    BP神經(jīng)網(wǎng)絡是按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ柧毜亩鄬忧梆伨W(wǎng)絡，包括輸入層、隱含層和輸出層。根據(jù)實際問題，選擇合適的網(wǎng)絡結構和相應算法可提高運算精度和效率。通過學習實現(xiàn)從輸入到輸出的映射，在反向傳播中不斷調(diào)整權值和閾值，使誤差平方和最小^[11]。

3 實驗結果及分析

    通過最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡兩種方法進行曲線擬合并比較其擬合效果。為了方便，將測量值作為自變量、溫度作為因變量得到其變化曲線，計算不同信號值時對應的溫度值，并對其準確度進行分析。采用最小二乘法進行二次擬合，由圖5可以看出其在25 ℃～40 ℃偏差較明顯，擬合度較差。

    理論已證明，具有非線性sigmoid型激活函數(shù)的三層神經(jīng)網(wǎng)絡可以任意精度逼近非線性連續(xù)函數(shù)。本系統(tǒng)采用三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構，其結構為1-5-1，第一層采用正切S型神經(jīng)元，第二層采用線型神經(jīng)元，訓練次數(shù)為500^[12]。通過多次重復計算，可以不斷減小偏差，提高擬合精度。對比圖5、圖6可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡擬合度優(yōu)于最小二乘法。

    通過絕對誤差、相對誤差、誤差平方和及誤差標準差來比較兩種方法擬合結果的優(yōu)劣。表1列出部分計算結果，圖7為兩種方法對比圖。

    最小二乘法的誤差平方和及誤差標準差分別為8.69和0.84，絕對誤差在1以內(nèi)，相對誤差在3.0%以內(nèi)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡的誤差平方和及誤差標準差分別為0.54和0.17，絕對誤差在0.2左右，相對誤差在1.0%以下、0.5%左右。BP神經(jīng)網(wǎng)絡的擬合效果更佳、測量精度更高。

4 外場實驗

    用標定后的系統(tǒng)進行實驗，并與表面溫度傳感器PT100進行對比。

    將系統(tǒng)安裝至安光所綜合樓樓頂天臺，對地面進行測量，測量距離8.85 m，測量角度38.7°。圖8為2016年3月31日24小時測量結果，每分鐘測量一組數(shù)據(jù)。圖9為系統(tǒng)所測數(shù)據(jù)與PT100數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)基本一致，相關系數(shù)達0.999。測溫系統(tǒng)所測溫度與PT100的所得的參考溫度在0～24時的變化趨勢大體一致，0～10時及16～24時的測量誤差較小，不超過1 ℃；10～16時測量誤差最大，達3 ℃。這是由于中午時日照較強，道面升溫明顯，而PT100有部分暴露在空氣中，因此測溫系統(tǒng)實測溫度比PT100參考溫度較高。

5 結論

    本文提出了一種用于道面溫度測量的非接觸式熱釋電紅外測溫系統(tǒng)，其優(yōu)點是響應度高、安裝簡單、維護方便。通過實驗進行標定，采用最小二乘法和三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行擬合?？梢钥闯?，BP神經(jīng)網(wǎng)絡擬合效果更好，能夠實現(xiàn)系統(tǒng)測量誤差在1%以內(nèi)。最后，將系統(tǒng)測量結果與PT100進行對比，驗證了系統(tǒng)的可行性和數(shù)據(jù)的準確性。

參考文獻

[1] BOGREN J，GUSTAVSSON T，POSTG R D U.Local temperature differences in relation to weather parameters[J].International Journal of Climatology，2000，20(2)：151-170.

[2] JONSSON P，RIEHM M.Infrared thermometry in winter road maintenance[J].Journal of Atmospheric & Oceanic Technology，2012，29(6)：846-856.

[3] TODESCHINI I，NAPOLI C D，PRETTO I，et al.Thermal mapping as a valuable tool for road weather forecast and winter road maintenance: an example from the Italian Alps[C].Proceedings of the International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment，F(xiàn)，2016.

[4] 楊宜汞.紅外系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)大學出版社，1995.

[5] 楊波，陳憂先.熱釋電紅外傳感器的原理和應用[J].儀表技術，2008(6)：66-68.

[6] DERENIAK E L，BOREMAN G D.Infrared detectors and systems[M].Wiley Interscience，1996：382-383.

[7] 劉建科，張海寧，馬毅.紅外測溫中檢測強噪聲下微弱信號的新途徑[J].物理學報，2000，49(1)：106-109.

[8] 高普占.微弱信號檢測[M].北京：清華大學出版社，2004.

[9] 唐慧強，王友鵬.基于LPC2132的紅外測溫儀的研究[J].壓電與聲光，2008，30(2)：161-163.

[10] 王建軍，黃晨，高昕，等.紅外輻射測量系統(tǒng)內(nèi)外標定技術[J].紅外與激光工程，2014，43(6)：1767-1771.

[11] 包健，趙建勇，周華英.基于BP網(wǎng)絡曲線擬合方法的研究[J].計算機工程與設計，2005，26(7)：1840-1841.

[12] 聞新.MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡應用設計[M].北京：科學出版社，2000.

作者信息：

解  樂1，2，3，劉建國1，2，3，程  寅1，3，桂華僑1，3，陸亦懷1，3

（1.中國科學院安徽光學精密機械研究所 環(huán)境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥230031；

2.中國科學技術大學，安徽 合肥230026；3.安徽省環(huán)境光學監(jiān)測技術重點實驗室，安徽 合肥230031）