[发明专利]基于尺度分解的沥青路面激光散射光强分布快速计算方法

说明书

本发明公开了一种基于尺度分解的沥青路面激光散射光强分布快速计算方法，该方法包括如下步骤：利用分形结构对沥青路面进行建模；利用自相似性进行尺度分解和单元分割；利用基尔霍夫近似方法结合有限元法计算单元散射场；利用几何坐标关系建立遮蔽函数，将小尺度单元散射场矢量叠加得到沥青路面的激光散射光强分布；为提高计算效率，对小尺度单元散射场采用并行计算。该方法在沥青路面散射光强计算中引入尺度分解的方法，解决了路面粗糙度量级远大于激光波长而导致的计算量巨大的问题，在提高计算速度的同时，同时提高了计算的精度，适用于沥青路面等粗糙度较大的激光散射光强分布的计算。

技术领域

本发明属于激光散射技术领域，特别是一种基于尺度分解的沥青路面激光散射光强分布快速计算方法。

背景技术

关于路面散射特性的研究逐渐增多，一方面，根据国家高速公路的设计规范，车辆通行对路面的粗糙度有着严格要求，路面的粗糙度大小关系到汽车在起动、制动、上下坡和高速行车时的安全性，路面散射特性可以反映路面粗糙度状况，保障行车安全。另一方面，随着辅助驾驶、自主驾驶技术的兴起，各类车载环境感知传感器的应用日益普及，路面散射特性直接影响其探测性能，因此对路面散射特性的研究越来越受关注。随着摄像头、激光雷达等光学传感器在车载应用中的普及，光波段尤其是激光散射特性的研究近年来尤其受到关注，但有关沥青路面的激光散射特性的研究相对缺乏。

在以往的研究中，常用高斯分布函数模拟粗糙表面轮廓特征，用基尔霍夫近似来进行路面散射特性的描述，一般来说，实际沥青路面粗糙度多为毫米量级，远超过激光波长量级，光波散射过程更加复杂，沿用原有的模型难以准确描述路面的激光散射特性，计算量巨大、计算精度低的问题尚未得到有效解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于尺度分解的沥青路面激光散射光强分布快速计算方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于尺度分解的沥青路面激光散射光强分布快速计算方法，包括以下步骤：

步骤1，利用分形结构对沥青路面进行建模；

步骤2，利用自相似性进行尺度分解和单元分割；

步骤3，利用基尔霍夫近似方法结合有限元法计算单元散射场；

步骤4，利用几何坐标关系建立遮蔽函数，将小尺度单元散射场矢量叠加得到沥青路面的激光散射光强分布。

优选地，利用一维WM分形结构模型函数对实际沥青路面进行建模。

优选地，一维WM分形模型函数的解析式为：

其中，C为幅度控制因子

δ表示粗糙表面的均方根高度，b为步进频率尺度系数，D表示的是分形维数，N 代表谐波数，N可以由入射波的频率来决定，K₀b^N-1＝k，其中k＝2π/λ，λ为入射波长,K₀为空间基波数，代表的是随机相位。

优选地，步骤2利用自相似性进行尺度分解和单元分割的具体方法为：

将沥青粗糙表面分为两个不同尺度的余弦量进行叠加的结果，包括大尺度表面和小尺度表面，大尺度表面为实际沥青路面的表面轮廓尺度，小尺度表面为满足基尔霍夫近似条件的粗糙面。

优选地，步骤3利用基尔霍夫近似方法结合有限元法计算单元散射场包括如下步骤：

步骤3.1，结合有限元法建立相应的小尺度单元散射模型并设定边界条件；

建立的小尺度单元散射模型包括空气层和沥青层，二者交汇处是沥青路面轮廓，最外层是能够吸收所有出射波的理想边界；