0 引言

    隨著道路交通的發(fā)展和車(chē)輛的激增，道面氣象狀態(tài)對(duì)交通運(yùn)輸?shù)挠绊懺絹?lái)越顯著，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(cái)產(chǎn)安全。

    冬季道路表面低溫結(jié)冰，摩擦系數(shù)顯著降低，制動(dòng)距離變大，危險(xiǎn)系數(shù)增高。夏季道面溫度會(huì)達(dá)到50℃以上，汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間在高溫路面行駛會(huì)使胎壓增加，極易引發(fā)爆胎，進(jìn)而發(fā)生交通事故^[1]。

    目前國(guó)內(nèi)外對(duì)道面溫度的測(cè)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(cè)量，通過(guò)感知物理特性的某些變化來(lái)判斷路面溫度，如Lufft WST1/2、Vaisala FP2000、Vaisala DRP110等，需埋入路面使用，對(duì)路面造成破壞，安裝維護(hù)也不方便，而且接觸式測(cè)溫需要與被測(cè)物體進(jìn)行充分的熱交換，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后才能達(dá)到熱平衡，存在延遲現(xiàn)象。非接觸式測(cè)溫大多是通過(guò)紅外輻射來(lái)反演溫度，在潮濕積水、下雪結(jié)冰時(shí)，非接觸式測(cè)量更為準(zhǔn)確^[2-3]。它直接安裝在道路、橋梁、高架兩側(cè)，安裝維護(hù)使用方便。我國(guó)高速公路運(yùn)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(hù)成本，非接觸式更有優(yōu)勢(shì)。此外，非接觸式還具有響應(yīng)速度快、測(cè)溫范圍寬、無(wú)需接觸被測(cè)物體、不干擾被測(cè)溫場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    道面溫度測(cè)量系統(tǒng)安裝在道路兩旁，在道路上方對(duì)路面進(jìn)行2～15 m遠(yuǎn)距離測(cè)量，同時(shí)，要避免車(chē)輛在道路上往來(lái)的遮擋，需選擇較小的測(cè)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(zhǎng)很短的范圍內(nèi)，其輻射很微弱，給探測(cè)器檢測(cè)和信號(hào)處理帶來(lái)困難。全輻射測(cè)溫法通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)從零到無(wú)窮大的整個(gè)光譜范圍內(nèi)的輻射功率來(lái)確定物體的輻射溫度，實(shí)現(xiàn)方便、精度較高、造價(jià)便宜。因此選用全輻射法進(jìn)行測(cè)量^[4]。

    道面溫度測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、斬波器、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大及處理部分和顯示輸出部分組成。光學(xué)系統(tǒng)接收匯聚測(cè)溫視場(chǎng)內(nèi)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射，通過(guò)斬波器的輻射調(diào)制，由紅外探測(cè)器接收，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號(hào)，信號(hào)處理電路對(duì)來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償，再做進(jìn)一步標(biāo)定和校準(zhǔn)，從而獲得被測(cè)目標(biāo)的溫度值^[5]。

1.1 紅外探測(cè)器

    系統(tǒng)采用Excelitas公司LHI878紅外熱釋電探測(cè)器，該探測(cè)器探測(cè)率高、響應(yīng)快，雙探測(cè)元的互補(bǔ)作用可減小溫度變化的干擾，提高測(cè)量的精準(zhǔn)度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    熱釋電探測(cè)器基于熱釋電效應(yīng)，當(dāng)熱釋電元件接收的輻射發(fā)生變化時(shí)，兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電子形成電流，電流經(jīng)場(chǎng)效應(yīng)管后放大輸出電壓信號(hào)^[5]。它只能響應(yīng)交變的輻射，其輸出的信號(hào)電壓為交流。因此需要在探測(cè)器前增加斬波器，將目標(biāo)輻射調(diào)制為交流。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)

    光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)的紅外輻射，并將其聚焦于探測(cè)器上。采用透視式光學(xué)系統(tǒng)，用透紅外的菲涅爾透鏡簡(jiǎn)化物鏡結(jié)構(gòu)，減小探測(cè)器發(fā)散角，確定探測(cè)視場(chǎng)大小，增加可探測(cè)距離。圖2中L為菲涅爾透鏡，其邊框?yàn)榭讖焦怅@，S1、S2為消雜光光闌，S3為視場(chǎng)光闌，可有效地消除雜散輻射。

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

    熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)式為：

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

1.3 信號(hào)處理電路

    信號(hào)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(bǔ)償電路。

    由于目標(biāo)輻射強(qiáng)度非常微弱，大多掩埋在強(qiáng)噪聲中^[7]，為了獲得高信噪比、高精度的測(cè)量值，采用常規(guī)小信號(hào)檢測(cè)方法較難實(shí)現(xiàn)。本文采用了電子開(kāi)關(guān)型相敏檢波器來(lái)實(shí)現(xiàn)微弱光信號(hào)檢測(cè)，它相當(dāng)于參考信號(hào)為方波情況下的模擬乘法器^[8]。

    由于目標(biāo)紅外輻射信號(hào)為微弱慢變化信號(hào)，為得到很好的功率放大倍數(shù)，采用了探測(cè)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(chǎng)效應(yīng)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(shí)間1 μs→0.01%、高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(cè)器的頻率響應(yīng)和斬波器的調(diào)制頻率。前置電路放大后的電壓信號(hào)強(qiáng)度約為毫伏量級(jí)，再經(jīng)過(guò)一定倍數(shù)的二級(jí)放大得到一個(gè)后續(xù)的信號(hào)為轉(zhuǎn)換電路提供適合的電壓量級(jí)。

    信號(hào)放大后，經(jīng)過(guò)帶通濾波器抑制噪聲，提高信噪比。再經(jīng)過(guò)集成運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成的主放大器進(jìn)一步放大，通過(guò)相敏檢波器后再送入低通濾波器，濾去高于待測(cè)信號(hào)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(hào)頻率與目標(biāo)信號(hào)頻率相同。低通濾波器輸出電壓正比于目標(biāo)輻射和斬波器輻射之差。用熱敏電阻來(lái)測(cè)量斬波器調(diào)制盤(pán)的溫度，其產(chǎn)生電壓經(jīng)放大后作為環(huán)境溫度補(bǔ)償電壓輸入加法器，與低通濾波器輸出電壓相加，此時(shí)加法器輸出的電壓正比于目標(biāo)電壓。目標(biāo)電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換輸入微處理器進(jìn)行處理，通過(guò)標(biāo)定計(jì)算得到相應(yīng)的溫度。圖4為系統(tǒng)檢波原理圖。

2 系統(tǒng)標(biāo)定

    測(cè)溫系統(tǒng)需要通過(guò)正確標(biāo)定來(lái)顯示被測(cè)物體溫度。利用高精度面源黑體作為標(biāo)準(zhǔn)輻射源，用測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)黑體溫度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)每一個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，經(jīng)過(guò)多組數(shù)據(jù)處理后計(jì)算其均值，然后用黑體溫度與系統(tǒng)輸出信號(hào)的關(guān)系曲線進(jìn)行標(biāo)定。

    標(biāo)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(cè)得數(shù)據(jù)得到一條最佳近似曲線，簡(jiǎn)單易行，但測(cè)量精度較低。實(shí)際應(yīng)用中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)自適應(yīng)的特性，能更加準(zhǔn)確地進(jìn)行擬合計(jì)算^[10]。

    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層前饋網(wǎng)絡(luò)，包括輸入層、隱含層和輸出層。根據(jù)實(shí)際問(wèn)題，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)算法可提高運(yùn)算精度和效率。通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)從輸入到輸出的映射，在反向傳播中不斷調(diào)整權(quán)值和閾值，使誤差平方和最小^[11]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

    通過(guò)最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法進(jìn)行曲線擬合并比較其擬合效果。為了方便，將測(cè)量值作為自變量、溫度作為因變量得到其變化曲線，計(jì)算不同信號(hào)值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值，并對(duì)其準(zhǔn)確度進(jìn)行分析。采用最小二乘法進(jìn)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(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(xùn)練次數(shù)為500^[12]。通過(guò)多次重復(fù)計(jì)算，可以不斷減小偏差，提高擬合精度。對(duì)比圖5、圖6可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合度優(yōu)于最小二乘法。

    通過(guò)絕對(duì)誤差、相對(duì)誤差、誤差平方和及誤差標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)比較兩種方法擬合結(jié)果的優(yōu)劣。表1列出部分計(jì)算結(jié)果，圖7為兩種方法對(duì)比圖。

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

4 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

    用標(biāo)定后的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并與表面溫度傳感器PT100進(jìn)行對(duì)比。

    將系統(tǒng)安裝至安光所綜合樓樓頂天臺(tái)，對(duì)地面進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量距離8.85 m，測(cè)量角度38.7°。圖8為2016年3月31日24小時(shí)測(cè)量結(jié)果，每分鐘測(cè)量一組數(shù)據(jù)。圖9為系統(tǒng)所測(cè)數(shù)據(jù)與PT100數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)基本一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.999。測(cè)溫系統(tǒng)所測(cè)溫度與PT100的所得的參考溫度在0～24時(shí)的變化趨勢(shì)大體一致，0～10時(shí)及16～24時(shí)的測(cè)量誤差較小，不超過(guò)1 ℃；10～16時(shí)測(cè)量誤差最大，達(dá)3 ℃。這是由于中午時(shí)日照較強(qiáng)，道面升溫明顯，而PT100有部分暴露在空氣中，因此測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫度比PT100參考溫度較高。

5 結(jié)論

    本文提出了一種用于道面溫度測(cè)量的非接觸式熱釋電紅外測(cè)溫系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)度高、安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，采用最小二乘法和三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擬合。可以看出，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合效果更好，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)測(cè)量誤差在1%以內(nèi)。最后，將系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果與PT100進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

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作者信息：

解  樂(lè)1，2，3，劉建國(guó)1，2，3，程  寅1，3，桂華僑1，3，陸亦懷1，3

（1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所 環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031；

2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥230026；3.安徽省環(huán)境光學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥230031）