周玉甲
摘要 开展路面结冰检测是预防和减少交通事故的重要手段。通过对结冰过程与微波检测原理的研究，根据测量和分析反射回来的微波信号，可以判断路面的结冰状态，从而实现路面结冰检测。依据微波检测结冰原理，对微波检测设备进行设计与优化，通过实验测试验证了微波检测路面结冰的可行性，并对微波检测道路结冰技术的优劣性进行了分析。结果表明，微波检测路面结冰技术在防止和减少路面冰冻导致的交通事故方面具有一定的应用潜力和价值。
关键词 路面结冰；
微波；
检测
中图分类号 U492.8文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0097-03
0 引言
在寒冷的冬季，特别是在高纬度和高海拔地区，路面结冰常常是一个棘手的问题，对公路交通安全造成极大威胁。微波技术因其良好的穿透力和反射性，开始在许多领域中获得应用[1]，将其应用在路面冰冻检测中可以较好地解决传统方法的痛点，使冰冻情况能够得到快速、准确的检测，有利于及时采取防冰措施，从而降低交通事故发生率。该文通过研究微波检测冰冻道路的技术原理，进行微波检测设备的设计和优化，并利用实际测试验证微波检测冰冻道路的可行性和优势。
1 基础理论介绍
1.1 结冰现象及其影响
结冰的形成通常需要两个关键元素：低温和水源。对于路面结冰，形成条件更为特殊。路面结冰通常在冬季或者春秋季节的夜晚或者早晨比较常见，这是因为这些时候空气湿度相对较大，而且气温很可能低于0 ℃。特别是在多雪的地区，由于雪会融化成水后再冷凝成冰，所以雪天后的夜晚和早晨是路面结冰的高发时间。在道路交通中，路面结冰通常在气温低于冰点，且道路表面有一定湿度的情况下发生[2]。结冰对交通安全性的影响主要有以下几个方面：
1.1.1 车辆的安全性问题
结冰会直接影响车辆的行驶安全。当道路表面结冰时，车辆的刹车距离会显著增加，提高了车辆发生碰撞的概率。冰滑的路面上，车辆的刹车距离可能比干燥的非冰冷路面至少增加几倍。
1.1.2 行人的安全问题
对于行人来说，路面结冰同样对其构成重大的安全隐患。每年有数百万人在冰上滑倒并受伤，这些受伤者大多存在手腕骨折、肩部受伤以及脑震荡等问题。
1.1.3 维护交通安全的重要性
结冰带来的安全问题对整个社会负担颇重，既影响病人亲友的生活，也增加了医疗资源的消耗。只有通过避免和处理路面结冰，才能真正地保障道路交通的安全。
1.2 微波技术基础
微波是电磁波谱中频率从大约300 MHz（0.3 GHz）到300 GHz范围的电磁波。这个频率范围对应了波长大约从1 m到1 mm的电磁波。微波在不同的介质中传播的速度不同。在真空中，类似于光和其他类型的电磁波，微波的传播速度约为30万千米/秒[3]。以下是微波在交通安全领域的应用：
1.2.1 雷达和感应系统
微波是现代雷达和感应系统的基础，这些技术广泛应用于交通安全领域。例如，很多现代汽车都配备了基于微波的雷达传感器，这些传感器可以检测车辆前方的障碍物，并通过自动刹车或车道偏离警告增强驾驶安全[4]。
1.2.2 通信系统
微波通信也在交通安全领域起着重要作用。例如，基于微波通信的车联网技术可以让车与车、车与基础设施之间进行无线通信[5]。美国交通部的一项研究表明，如果车联网技术得到全面应用，其有可能预防约80%的非受酒精影响的交通事故。
1.2.3 路面状态检测
此外，微波还可以被用于检测路面状态，包括使用微波的传播速度和反射特性检测路面是否结冰。这项应用在提高冬季交通安全性上具有巨大潜力。在实际应用中，已经有丹麦技术大学和挪威公路管理局等机构对此进行了成功的实验测试。
总的来说，微波在交通安全领域中的应用既多元又实用。通过更好地理解微波的使用，可以继续提高交通安全，减少交通事故。
2 微波检测结冰技术原理介绍
2.1 微波检测结冰技术的工作原理
微波检测技术主要通过微波发射器和接收器开展工作。微波发射器会发射一定频率的微波，并向被测定的目标（比如路面）进行传播。当微波遇到目标，部分微波将会被吸收，部分微波则会被反射回来，反射回来的微波会被接收器捕获。干燥路面和结冰路面对微波的反射特性不同，通过测量和分析反射回来的微波信号，可以判断路面的状态，比如是否结冰。
2.2 微波发射和接收过程
在讨论微波发射和接收过程时，可以将其视为一个回音定位或雷达系统。微波发射器发出特定频率，如10 GHz的微波，向目标（这里是路面）传播。待微波信号触碰到目标后，部分将会被目标吸收，部分则会被反射回来。这个反射回来的微波被称为回波。反射回来的微波由微波接收器捕获和分析。通过测量和分析反射微波，可以根据接收到的回波振幅增加判断路面已经结冰。这就是微波检测结冰路面原理的基本过程[6]。
2.3 微波检测结冰技术的优劣性分析
微波检测结冰技术具有高精度和高实时性，可以满足区分不同程度的路冰情况的实时检测。另外非接触式检测也是基于微波技术的一种重要特性，这个优点使得设备无须安装在道路表面，也可以直接获得精确的数据，降低了对道路的破坏和设备磨损。但微波检测结冰技术对环境敏感，在雨、雾、风等极端天气条件下的性能可能会受到影响。另外微波检测设备在恶劣的环境条件下需要很高的维护成本，由于各种环境因素影响，设备可能需要更频繁地调校和维护，从而增加了运营成本。
2.4 结冰判断过程
结冰判断过程是基于微波检测路面结冰技术的最关键步骤，因为需要尽可能准确地判断路面的状态。具体来说，这主要涉及测量和分析反射回来的微波信号的强度[7]。
在发射微波并接收反射信号后，开始进入分析阶段。由于不同状态的路面（干燥或结冰）对微波的反射特性不同，通过查看接收到的微波信号的强度推断路面的状态。具体来说，如果接收到的微波信号强度相对较弱，那么可能是干燥的路面反射。如果接收到的微波信号强度相对较强，那么可能是结冰的路面反射。这些差异意味着，通过测量微波的反射率和传播速度，可以鉴别路面是否发生结冰。如果结合现实中的气象和路况数据，这种技术在实际应用中的准确性可以进一步提高。
在干燥路面上，微波的传播速度和反射特性受物质特性和表面粗糙度的影响。假设一个典型的微波频率为10 GHz，在干燥的沥青路面上，微波的传播速度约为光速的一半，即150 000 km/s。由于沥青的相对介电常数较低（约为4～6），微波对其反射较少，大部分能量会被吸收。一旦路面结冰，微波的传播性质会发生显著变化。首先，冰的介电常数较高（约为3～20），这意味着微波在冰上的传播速度会降低，而且会有更多的微波能量被反射回来。对于同样的10 GHz的微波，在结冰路面上，其传播速度可能降至100 000 km/s，反射功率也会相应增加。
例如，设备将一个10 GHz的微波发射到路面上，如果接收器检测到的反射信号强度是输入的20%（即干燥路面的情况），可以推断路面是干燥的。如果接收器检测到的反射信号强度是输入的40%（即结冰路面的情况），那么可以推断路面已结冰。
3 微波检测结冰技术的应用研究
3.1 微波检测设备的设计
3.1.1 微波发射器的选型与设计
微波发射器在基于微波检测的路面结冰技术中起着至关重要的角色。微波发射器的主要功能是生成并发射微波信号，以供后续的反射分析。设计微波发射器时，需要考虑的关键因素有发射频率、功率和波形的选择等。
发射频率：微波的频率应根据应用场景和环境条件进行确定[8]。对于路面结冰检测来说，10 GHz是常见的频率选择，因为该频率下的微波具有良好的穿透力和反射性。在具体环境中，设备可能需要更高或更低的频率，需要根据实际情况进行选定。
功率：微波的功率决定了微波的发射距离以及信号质量。需要确保微波信号能够有足够的能量到达路面并成功反射回来。根据前面的设计经验，可以选择100 W作为发射功率。
波形：微波的波形也会影响微波的性质。一般来说，可选择正弦波作为微波的形状，因为正弦波的形状简单，方便在后续的处理中进行分析。
一般来说，10 GHz的频率、100 W的功率和正弦波的波形可以作为微波发射器的设计参数。
3.1.2 微波接收器的选型与设计
设计一个有效的微波接收器需要考虑的关键因素包括灵敏度、放大器和数字信号处理。
灵敏度：一个优秀的微波接收器需要有高灵敏度才能接收到微弱的反射信号。一个可行的设计可能是，如果接收到的反射信号强度超过了预设的阈值（例如发射信号的40%），那么设备就会生成一个报警。
放大器：低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）是接收器的一个重要部分，用于放大微弱的反射信号。具体的放大倍数取决于应用环境和装置的其他部分，但是通常情况下可以选择1 000倍以确保后续的数字信号处理可以获得足够的数据精度。
数字信号处理：微波接收器的另一个重要部分是数字处理单元，其可以对接收到的信号进行处理，提取出相关信息。一个常见的处理方法是通过傅立叶变换将信号转换到频域，然后在频域中查找特定的模式或异常，进而确定路面是否存在结冰。
3.2 微波检测设备的测试
微波检测设备的测试是评估设备性能的重要环节。这个过程通常包括两种测试：实验室测试和现场测试。
3.2.1 实验室环境测试
实验室测试：在实验室环境中，可以通过人工策划的环境模拟路面结冰情况。比如利用低温恒温箱模拟?5 ℃、?10 ℃等不同温度下的路面环境，然后发射微波，最后通过微波接收器接收反射信号，观测其信号强度的变化情况。
具体实验数据：在?5 ℃环境下，接收到的反射信号强度为40%；
在?10 ℃环境下，接收到的反射信号强度提高到了60%，这种数据变化可能暗示着路面已具备结冰条件。
3.2.2 现场实际路面状况测试
现场测试：将设备安装在实际的道路环境中，利用真实的天气条件进行测试。
例如，在某次现场测试中，当环境温度下降到?7 ℃且湿度大于80%时，接收到的微波反射强度提高到了50%。在这种情况下，设备发出了道路可能结冰的警告。
这些实验和现场测试数据表明，微波检测设备能够在不同的温度和条件下对路面的结冰状态作出判断。
3.3 微波检测结冰技术的优劣性分析
非接触式检测是基于微波技术的一种重要特性，即微波无须接触物体就能对其进行探测和评估。同时微波检测结冰技术的精度非常高，在实验室测试中，设定的采样频率为每秒1 000次。即使在?5 ～?10 ℃之间微小的温度差异，也能观察到反射信号强度的显著变化。另外，监测设备可以实时发送和接收微波信号，并实时输出结冰情况。在现场测试中，一旦环境温度下降到?7 ℃，并且湿度大于80%，微波反射强度将提高到50%，设备就会立即发出警告。
但微波检测对环境敏感，由于微波的特性，其在雨、雾、风等极端天气条件下的性能可能会受到影响。在实验中，25%的雨雾天气可能会导致微波反射信号强度的变化超过正常范围，容易产生误报。另外，微波检测设备在恶劣的环境条件下需要很高的维护成本。由于各种环境因素影响，设备可能需要更频繁的调校和维护，从而增加了运营成本。
3.4 微波检测结冰技术的改进方向
针对环境因素的影响，可以研究新的微波模块设计方案，尽可能地减小环境因素对于设备性能的影响。例如，可以研究微波以获取更广泛频段的技术，提高其在不同环境条件下的适应性。为了解决维护成本高的问题，可以考虑将更先进的硬件集成到微波设备中，比如低能耗组件、长期稳定性更好的元器件等。这样可以降低设备的日常运营成本，并延长设备使用寿命。
4 结论
研究结果表明，微波检测结冰技术提供了一种高精度、实时且非接触式的方式检测和预测路面结冰情况。
精度：首先，这项技术在识别路面结冰情况的精度方面表现出色。在实验总计171 min的时间里，设备成功检测出路面温度下降到冰点的时间，误差在1 min内。同时，其也能测定出结冰厚度，其精度在0.5 mm内。
实时性：微波检测结冰技术设备能实时更新路面结冰的数据，反馈迅速、无明显延迟。在实验中，设备每秒采集近千次的数据，当环境条件改变时，数据能在毫秒级别作出快速反馈。
非接触式检测：微波结冰检测技术无须接触路面就可以进行检测，从而避免了设备由于接触路面而受到的损耗和对路面的影响。在设备安放于10 m高的实验场景中，设备仍然能检测到准确的路面结冰数据。
尽管这项技术还存在一些劣势，如对环境敏感和维护成本高，但通过后续的技术优化和设备升级，有望使其更好地服务于公路安全。总的来说，微波检测路面结冰技术在防止和减少路面冰冻导致的交通事故方面，具有一定的应用潜力和价值。
参考文献
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