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(jié)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(jié)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(cè),，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(yīng)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(shè)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(zhuǎn)換為相應(yīng)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(yīng)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(yīng),，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(yīng)管后放大輸出電壓信號^[5],。它只能響應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(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(guān)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(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(zhuǎn)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(gòu)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(zhuǎn)換輸入微處理器進行處理，通過標定計算得到相應(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(guān)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(yīng)用中,，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學習自適應(yīng)的特性,，能更加準確地進行擬合計算^[10]。

    BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ柧毜亩鄬忧梆伨W(wǎng)絡(luò),，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(luò)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)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(quán)值和閾值,，使誤差平方和最小^[11],。

3 實驗結(jié)果及分析

    通過最小二乘法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(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,，訓練次數(shù)為500^[12],。通過多次重復(fù)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(luò)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(jié)果的優(yōu)劣,。表1列出部分計算結(jié)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(luò)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(luò)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(jié)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(guān)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(jié)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(yīng)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(luò)進行擬合,。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)測量誤差在1%以內(nèi)。最后,，將系統(tǒng)測量結(jié)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,。

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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(shù)重點實驗室,，安徽 合肥230031；

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