DE19608535A1 - Apparatus for identifying ice on road - Google Patents

Apparatus for identifying ice on road

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DE19608535A1
DE19608535A1 DE19608535A DE19608535A DE19608535A1 DE 19608535 A1 DE19608535 A1 DE 19608535A1 DE 19608535 A DE19608535 A DE 19608535A DE 19608535 A DE19608535 A DE 19608535A DE 19608535 A1 DE19608535 A1 DE 19608535A1
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Germany
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receiver
reception
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microwave
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DE19608535A
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Tobias Kippenberg
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R16/00—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for
    • B60R16/02—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements
    • B60R16/023—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for transmission of signals between vehicle parts or subsystems
    • B60R16/0237—Electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for; Arrangement of elements of electric or fluid circuits specially adapted for vehicles and not otherwise provided for electric constitutive elements for transmission of signals between vehicle parts or subsystems circuits concerning the atmospheric environment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B19/00—Alarms responsive to two or more different undesired or abnormal conditions, e.g. burglary and fire, abnormal temperature and abnormal rate of flow
    • G08B19/02—Alarm responsive to formation or anticipated formation of ice

Abstract

The apparatus has a receiver which receives in the optical range. This is operated together with a microwave transmitter and receiver and a reference wave transmitter and receiver. A wide and narrow band transmitter is used which transmits in the optical and infrared range. The microwave value is compared with the threshold value for water. The reception of the optical sensor is compared with a reference value. The logical results of the comparison in the microwave and infrared range are reduced by logic combination to an unequivocal message. When ice is detected an acoustic or optical signal is output. The infrared water absorption band receiver does not receive the part which is reflected at the road surface. Preferably two sensors are used. One of these is adjusted such that a reflected component of the radiation is received when it is wet or icy. The values received by both sensors may then be compared and from the ratio of the two values the state of the drive surface is determined.

Description

Stand der TechnikState of the art

Nach der Offenlegungsschrift des Patentes DE 40 40 842 A1 ist eine Vorrichtungen zum Erkennen des Straßenzustandes bekannt. Bei der genannten Vorrichtung handelt es sich um ein Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zur Erkennung des Straßenzustandes.According to the published patent application DE 40 40 842 A1, a device for recognizing the Street condition known. The device mentioned is an infrared microwave sensor system for the detection of the road condition.

Nachteil des Standes der TechnikDisadvantage of the state of the art

Das Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zur Erkennung des Straßenzustandes (Patent DE 40 40 842 A1) hat den Nachteil, daßThe infrared microwave sensor system for recognizing the road condition (patent DE 40 40 842 A1) has the Disadvantage that

  • - es nur als statisches Straßenzustand-Erkennungsgerät benutzt werden kann, nicht jedoch als dynamisches, in Fahrzeuge eingebautes System, weil die Auswertungsalgorithmen dazu nicht ausreichend sind- It can only be used as a static road condition detection device, but not as dynamic system installed in vehicles because the evaluation algorithms are not sufficient for this
  • - eventuelle Fremdstrahlung von Scheinwerfern oder der Sonne nicht von dem eigentlichen Signal unterschieden werden kann. Daher ist die Vorrichtung sehr anfällig für Fremdeinstrahlung und ihre Zuverlässigkeit nicht ausreichend- Possible external radiation from headlights or the sun not from the actual signal can be distinguished. Therefore, the device is very susceptible to external radiation and their Reliability is not sufficient
  • - im Mikrowellenbereich Interferenzen auftreten können, die das Ergebnis verfälschen.- Interferences can occur in the microwave range, which falsify the result.
  • - die Mikrowellenantennen und die Infrarot Detektoren Verschmutzung von außen unterliegen, die den Empfang beeinträchtigten.- The microwave antennas and the infrared detectors are subject to external pollution that affects reception impaired.
  • - bei nasser Fahrbahn der Infrarot Empfänger auch den spiegelreflektierte Teil empfängt, welcher keiner Wasserabsorption unterliegt, so daß es zu Fehlerkennungen kommen kann.- When the road is wet, the infrared receiver also receives the specularly reflected part, which none Water absorption is subject to, so that it can lead to error detection.
  • - der Prozeß des Gefrierens nicht nachgewiesen werden kann.- the process of freezing cannot be demonstrated.
  • - ein Eiswarnsignal schon bei einem einzigen Empfangswert im Mikrowellen und Infrarot Bereich gegeben wird.- An ice warning signal is given at a single reception value in the microwave and infrared range.
  • - auf die unterschiedlichen Reflexionsvermögen von Straßenbelägen keine Rücksicht genommen wird.- no consideration is given to the different reflectivities of road surfaces.
  • - nicht geprüft wird ob überhaupt ein Empfang vorhanden ist.- it is not checked whether there is any reception at all.
  • - Das Benutzen von Filtern äußerst kostspielig ist.- The use of filters is extremely expensive.
  • - es sich selbst nicht Ausschalten kann, so daß es ununterbrochen läuft.- it cannot switch itself off, so that it runs continuously.
  • - der benutzte Mikrowellensträhler mit einer Frequenz von weniger als 5 GHz zu viel Platz in Anspruch nimmt.- The microwave oven used with a frequency of less than 5 GHz takes up too much space.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin:The object of the invention is:

  • - den Kraftzeugführer während der Fahrt mit Hilfe von Signalanzeigen die Straßenverhältnisse (trocken, naß und vereist) anzuzeigen und diese Informationen auch an andere Bordsysteme weiterzuleiten.- The driver of the vehicle while driving with the help of signal displays the road conditions (dry, wet and iced) and to forward this information to other on-board systems.
  • - den Unterschied im Reflexionsvermögen von Wasser und Eis im Vergleich zum Mikrowellenbereich, durch geeignete Wahl der Wellenlänge zu vergrößern, um die Nachweissicherheit zu erhöhen.- The difference in the reflectivity of water and ice compared to the microwave range, by appropriate choice of wavelength to increase in order to increase the reliability of detection.
  • - die Auswirkungen der auftretenden Interferenzen im Mikrowellenbereich zu minimieren.- to minimize the effects of the interference occurring in the microwave range.
  • - das Risiko der Falschaussagen zu minimieren und somit die Zuverlässigkeit des Eiswarnsystems zu erhöhen.- minimize the risk of false statements and thus increase the reliability of the ice warning system.
  • - Fremdeinstrahlung zu erkennen bzw. zu vermeiden.- To recognize or avoid external radiation.
  • - das Problem der Verschmutzung zu lösen.- solve the pollution problem.
  • - trotz Eigenschwingung des Autos einwandfrei zu funktionieren.- to function perfectly despite the natural vibration of the car.
  • - Möglichst klein und somit leicht in ein Fahrzeug einbaubar zu sein.- As small as possible and therefore easy to install in a vehicle.
  • - nur dem am Asphalt gestreuten Teil der Infrarotstrahlung zu empfangen und den am ggf. vorhandenen Wasser oder Eis spiegelreflektierten nicht zu empfangen.- To receive only the part of the infrared radiation scattered on the asphalt and the water that may be present or ice mirror-reflected not to be received.
Lösung der AufgabeSolution to the task

Die Aufgaben wurden erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ergänzungen. Die gemäß der Erfindung gestellte Aufgabe wurde erfindungsgemäß nach Anspruch 1 gelöst, indem ein Mikrowellen (MW)Sender und Empfänger, ein Infrarot Sender und Empfänger, der im Wasserabsorptionsbereich empfängt sowie ein Referenz Sender und Empfänger zusammen betrieben werden. The objects were achieved according to claim 1. The subclaims contain advantageous additions. The object set according to the invention was achieved according to the invention by claim 1 by using a microwave (MW) transmitter and receiver, an infrared transmitter and receiver that receives in the water absorption area as well a reference transmitter and receiver can be operated together.  

Der Mikrowellenstrahler arbeitet vorzugsweise mit X-Band Mikrowellen. Der IR-Sender und Empfänger arbeitet in der Wasserabsorptionsbande, die sich von ca. 1,5-3,5 µm Wellenlänge erstreckt. Der Referenzstrahl arbeitet außerhalb der Wasserabsorptionsbande, vorzugsweise im Bereich von 900-1400 nm.The microwave radiator preferably works with X-band microwaves. The IR transmitter and receiver are working in the water absorption band, which extends from a wavelength of approx. 1.5-3.5 µm. The reference beam is working outside the water absorption band, preferably in the range of 900-1400 nm.

Durch die erfinderische Wahl von X-Band Mikrowellen sind die Dimensionen des Mikrowellenstrahlers klein. Ferner ermöglicht die Wahl der X-Band Mikrowellen eine bessere Unterscheidung zwischen nassem und trockenem bzw. vereistem Asphalt, da die dielektrischen Unterschiede, und somit auch die Reflexionsunterschiede, in diesem Wellenbereich am deutlichsten hervortreten. Ferner sind die Auswirkungen von Interferenzen im Mikrowellenbereich minimal, aufgrund der Langwelligkeit der Strahlung im Vergleich zur Asphaltrauhigkeit.Due to the inventive choice of X-band microwaves, the dimensions of the microwave radiator are small. Further the choice of X-band microwaves enables a better distinction between wet and dry or icy asphalt because of the dielectric differences, and thus also the reflection differences, in this Highlight the waveband most clearly. Furthermore, the effects of interference in the microwave range minimal, due to the long ripple of the radiation compared to the asphalt roughness.

Die Signale des MW und IR Empfängers sowie der Empfang der Referenzstrahlung werden durch einen A/D Wandler umgewandelt und einem Prozessor übergeben. Dieser vergleicht das IR mit dem Referenz Empfangswert, sowie den MW-Wert mit einem vorgegeben Vergleichswert. Das logische Ergebnis wird mit vorherigen Ergebnissen verglichen. Hat eines der logischen Ergebnisse eine bestimmte Häufigkeit und Konstanz, so wird das Ergebnis vom Prozessor über optische oder akkustische Signalgeber angezeigt und ggf. an andere Bordsysteme übergeben. Hierdurch wird das Risiko der Fehlanzeigen minimiert. In den Nebenansprüchen 6 und 9 ist dieser Algorithmus beschrieben.The signals of the MW and IR receiver as well as the reception of the reference radiation are processed by an A / D converter converted and handed over to a processor. This compares the IR with the reference reception value and the MW value with a specified comparison value. The logical result is with previous results compared. If one of the logical results has a certain frequency and constancy, the result will be from Processor displayed via optical or acoustic signal transmitter and, if necessary, transferred to other on-board systems. This minimizes the risk of false reports. This algorithm is in the dependent claims 6 and 9 described.

Die Aufgabe der Fremdsignalerkennung wurde mittels der in Nebenanspruch 7 beschriebenen Methode gelöst, indem die Sender abwechselnd senden und ruhen, so daß die Empfänger in den Ruhephasen ausschließlich die Fremdeinstrahlung empfangen.The task of external signal detection was achieved by means of the method described in the independent claim 7, by the transmitters send and rest alternately, so that the receivers only the Received external radiation.

Die Aufgabe der Verhinderung von Verschmutzung wurde erfindungungsgemäß nach Nebenanspruch 8 gelöst, durch eine Schutzvorrichtung, die bei Nässe das Fenster des IR Empfängers und Senders schließt und hierdurch wasserbedingte Verschmutzung verhindert.The object of preventing pollution was achieved according to the invention according to independent claim 8, by a protective device that closes the window of the IR receiver and transmitter when wet and thereby prevents water-related pollution.

Das Problem der Verschmutzung der Mikrowellenantennen wurde gemäß Anspruch 16, durch Verwendung von Hohlleitermaterial gelöst, die die Antennen vor direkter Verschmutzung schützen.The problem of contamination of the microwave antennas was solved according to claim 16, by using Waveguide material solved, which protect the antennas from direct contamination.

Die Aufgabe, daß die Erfindung trotz der Eigenschwingungen des Autos einwandfrei funktioniert, wurde im Mikrowellenbereich durch die Benutzung eines Empfangs- und eines Sendehorns gelöst, wobei das Empfangshorn durch erfinderische Wahl der Dimensionen größer ist, als das Sendehorn. Hierdurch kann gewährleistet werden, daß auch gestreute Mikrowellen bzw. Mikrowellen, die durch die Eigenschwingungen des Autos unterschiedlich reflektiert wurden, dennoch empfangen werden. (Siehe Anspruch 1).The task that the invention works perfectly despite the natural vibrations of the car was in Microwave range solved by the use of a receiver and a transmitter horn, the receiving horn through the inventive choice of dimensions is larger than the transmitter horn. This can ensure that also scattered microwaves or microwaves that differ due to the natural vibrations of the car have been reflected, yet received. (See claim 1).

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

  • - Die Erfindung hat den Vorteil, daß- The invention has the advantage that
  • - Mikrowellen Sender und Empfänger sehr kostengünstig sind.- Microwave transmitters and receivers are very inexpensive.
  • - die Auswirkungen von Interferenzen durch den Gebrauch von Mikrowellen minimiert werden.- the effects of interference from the use of microwaves are minimized.
  • - durch den Gebrauch einer Schutzvorrichtung, nach Anspruch 3, keine Verschmutzung der IR-Sender und Empfänger durch Wasserspritzer möglich ist.- By using a protective device, according to claim 3, no pollution of the IR transmitter and Receiver by water splash is possible.
  • - durch geeignete Wahl des Infrarot Empfängers auf Filter verzichtet werden kann.- Filters can be dispensed with by suitable selection of the infrared receiver.
  • - durch die Benutzung eines Prozessors umfangreiche und leistungsfähige Algorithmen benutzt werden können.- Extensive and powerful algorithms can be used by using a processor.
  • - durch den Gebrauch eines Prozessors, der nur dann Signalleuchten aktiviert bzw. deaktiviert, wenn eine bestimmte Signalhäufigkeit vorliegt, die Falschaussagen minimiert werden.- through the use of a processor that only activates or deactivates signal lights when one certain signal frequency is present, the false statements are minimized.
  • - durch das, in Nebenanspruch 5 beschriebene, größere Empfangshorn auch am Asphalt gestreute Signale empfingen werden, so daß sich die Meßgenauigkeit und die Nachweissicherheit erhöht. Ferner hat dies den Vorteil, daß wenig elektromagnetische Strahlung als Störsignale vom Gerät erzeugt werden.- By the, described in the dependent claim 5, larger horn also scattered on the asphalt signals are received, so that the measurement accuracy and the detection reliability increases. Furthermore, this has the Advantage that little electromagnetic radiation is generated as interference signals from the device.
  • - durch den in Anspruch 6 beschriebenen Algorithmus der Gefrierprozeß des Wassers nachgewiesen werden kann, und somit eine Frühwarnung gegeben werden kann.the freezing process of the water can be detected by the algorithm described in claim 6, and thus an early warning can be given.
  • - die Vorrichtung Sende- und Ruhephasen besitzt, und somit Fremdeinstrahlung erkennt. (Siehe Anspruch 2)- The device has transmission and rest phases, and thus detects external radiation. (See claim 2)
  • - durch den Gebrauch von X Band Mikrowellen der Unterschied von Eis und Wasser größer ist als im Mikrowellenbereich, wodurch die Nachweissicherheit erhöht wird.- by using X band microwaves the difference between ice and water is greater than in Microwave range, which increases the security of detection.
  • - durch die Benutzung eines Referenzstrahls die Asphaltrauhigkeit berechnet werden kann, und diese vom Prozessor in die Auswertung miteinbezogen wird.- The asphalt roughness can be calculated by using a reference beam, and this can be calculated by the processor is included in the evaluation.
  • - durch die Benutzung eines Referenzstrahls die Meßergebnisse nicht mehr durch die Asphaltrauhigkeit beeinflußt werden können.- By using a reference beam, the measurement results are no longer influenced by the asphalt roughness can be.
  • - durch die Benutzung des größeren Empfangshorn auch unterschiedlich reflektierte Signale empfangen werden können.- Different reflected signals can be received by using the larger receiver horn can.
  • - durch den Rückkopplungsprozeß zwischen Sender und Prozessor die Sender durch Reduzierung der Signaldichte geschont werden können. Andererseits kann die Signaldichte vom Prozessor auch erhöht werden, um die Nachweissicherheit zu erhöhen. - By the feedback process between the transmitter and processor, the transmitter by reducing the signal density can be spared. On the other hand, the signal density can also be increased by the processor by the Increase detection security.  
  • - durch die Übergabe der Daten an andere Bordsysteme die Funktionsfähigkeit anderer Bordsysteme zunimmt.- The functionality of other on-board systems increases due to the transfer of the data to other on-board systems.
  • - der spiegelreflektierte Teil nicht empfangen wird, sondern nur der am Asphalt gestreute Anteil, welcher einer Wasser bzw. Eisabsorption unterliegt.- The specularly reflected part is not received, but only the part scattered on the asphalt, which one Water or ice absorption is subject.
  • - durch den in Anspruch 3 beschriebene optische Sensor auf Wasserabsorptionsbandpaßfilter verzichtet werden kann, was das Gesamtsystem erheblich vergünstigt.- By the optical sensor described in claim 3 on water absorption bandpass filter can be dispensed with, which significantly reduces the overall system.
  • - durch das in Anspruch 3 beschriebene Sensorsystem auf die Benutzung von kostspieligen längerwelligen Infrarot Empfängen verzichtet werden kann.- By the sensor system described in claim 3 on the use of expensive longer-wave infrared Receipts can be dispensed with.
Beschreibung der Erfindung anhand eines AusführungsbeispielesDescription of the invention using an exemplary embodiment

Aus den Dielektrischen Eigenschaften läßt sich das Reflexionsvermögen von nassem, trockenem und vereistem Asphalt berechnen:
Eis: ρe = 0.07
Wasser: ρw = 0.64
Asphalt: ρa = 0.13.The reflectivity of wet, dry and icy asphalt can be calculated from the dielectric properties:
Ice: ρ e = 0.07
Water: ρ w = 0.64
Asphalt: ρ a = 0.13.

Der Unterschied zwischen Eis bzw. Asphalt und Wasser beträgt:
Δρ = 0.57-0.51.The difference between ice or asphalt and water is:
Δρ = 0.57-0.51.

Dies zeigt, daß die Reflexionsvermögen von Wasser und von Asphalt bzw. Eis sich deutlich unterscheiden; man erhält für Wasser ein Reflexionsvermögen welches 5-9 mal so groß ist wie das für trockenen bzw. überfrorenen Asphalt.This shows that the reflectivity of water and of asphalt or ice differ significantly; one receives a reflectivity for water which is 5-9 times as large as that for dry or frozen Asphalt.

Weiter erkennt man am Verlauf der Kurven, daß das Reflexionsvermögen für kleine Einfallswinkel, d. h. nahezu senkrechtem Einfall zur Fahrbahnoberfläche kaum Veränderungen im Reflexionsvermögen verursachen. Bei einem Auto das periodisch 5° nach vorne und hinten neigt, liegt die Reflexionsvermögensdifferenz bei unter 6%. Daher sind die unterschiedlichen Reflexionsvermögen von Wasser und Eis bzw. Asphalt in diesem elektromagnetischen Bereich - trotz sich ändernden Rahmenbedingungen - unterscheidbar. Ferner haben bei Eis und Wasser auftretenden Interferenzen durch erfindungsgemäße Wahl der Mikrowellen keine Auswirkungen auf das Meßergebnis. Auch die durch die Fahrbahnrauhigkeit verursachte Streuung, kann durch die erfinderische Wahl der langwelligen Mikrowellen vernachlässigt werden. Ferner fallen die Eigenschwingungen des Wagens, bei erfinderischer Wahl von sehr kleinen Einfallswinkeln, nicht ins Gewicht, da das Reflexionsvermögens für kleine Einfallswinkel nur minimal ansteigt, so daß bei unterschiedlichen Einfallswinkeln, aufgrund der Eigenschwingungen des Autos kaum eine Veränderung des Reflexionsvermögens zu verzeichnen ist. Durch die Wahl der Mikrowellen ist eine optimale Unterscheidung von Wasser und vereister bzw. trockener Fahrbahn möglich, trotz Asphaltrauhigkeit und Eigenschwingungen des Wagens. Es ist zu beobachten, daß im Infrarot eine starke Absorptionsbande für Wasser und Eis vorliegt. Die Brechzahlen sind für Wasser und Eis im Infrarotbereich nahezu konstant; 1,33. Daraus ergibt sich ein Reflexionsvermögen für die Grenzschicht von weniger als 3%. Entscheidend für den gesamten reflektierten Strahl sind jedoch die Absorptionskoeffizienten. Durch die Wahl des Infrarots mit einer Wellenlänge von mehr als 1,5 µm, wird gewährleistet, daß schon eine Eis- bzw. Wasserschicht von 1 mm Schichtdicke ausreicht, um mehr als 80% des an der Oberfläche gebrochenen Strahls zu absorbieren. Dadurch kommt es nicht zu Vielfachreflexionen im Eis oder Wasser.It can also be seen from the course of the curves that the reflectivity for small angles of incidence, i. H. nearly vertical incidence to the road surface hardly cause changes in reflectivity. At a Cars that periodically tilt 5 ° forwards and backwards, the reflectivity difference is less than 6%. Therefore are the different reflectivities of water and ice or asphalt in this electromagnetic area - despite changing framework conditions - distinguishable. Furthermore, ice and water have occurred Interference caused by the choice of microwaves according to the invention has no effect on the measurement result. Also the Scattering caused by the road surface roughness can be achieved by the inventive choice of long-wave microwaves be ignored. Furthermore, the natural vibrations of the car fall, with the inventive choice of very small ones Angles of incidence, not significant, since the reflectivity increases only minimally for small angles of incidence, so that at different angles of incidence, due to the natural vibrations of the car, hardly any change in the Reflectivity is recorded. The choice of microwaves makes it easy to distinguish between Water and icy or dry road surface possible, despite asphalt roughness and natural vibrations of the car. It can be observed that there is a strong absorption band for water and ice in the infrared. The refractive indices are almost constant for water and ice in the infrared range; 1.33. This results in a reflectivity for the boundary layer of less than 3%. However, they are crucial for the entire reflected beam Absorption coefficient. By choosing the infrared with a wavelength of more than 1.5 µm, it is guaranteed that an ice or water layer of 1 mm layer thickness is sufficient by more than 80% of that on the surface to absorb the broken beam. This means that there are no multiple reflections in ice or water.

Asphalt bzw. Beton hingegen besitzen in diesem Infrarot Bereich [1.5-3.5] µm nahezu konstante Reflexionswerte, die deutlich oberhalb von 20% liegen, so daß man trockenen Asphalt mit Wellenlängen zwischen 1.5-3.5 µm eindeutig von feuchtem bzw. überfrorenem Asphalt unterscheiden kann. Daher eignet sich dieser Teil des Infrarot Spektrums besonders zur Unterscheidung von trockenem Asphalt und überfrorenem bzw. nassen Asphalt. Auch dieses System liefert keine Unterscheidung aller drei Oberflächen.Asphalt or concrete, on the other hand, have almost constant reflection values in this infrared range [1.5-3.5] µm are clearly above 20%, so that one clearly dry asphalt with wavelengths between 1.5-3.5 microns can distinguish from moist or frozen asphalt. This part of the infrared spectrum is therefore suitable especially to distinguish between dry asphalt and frozen or wet asphalt. This too System does not provide a distinction between all three surfaces.

An der Fahrbahnoberfläche kommt es jedoch zu einer diffusen Reflexion, so daß Infrarot kugelförmig in alle Richtungen reflektiert wird. Bei einem Wasserfilm jedoch kommt es zu einer gespiegelten Reflexion. Dies kann unter Umständen dazu führen, daß die Reflexionswerte für nasse und trockene Fahrbahn sich nicht unterscheiden lassen. Durch die erfindungsgemäße Einführung eines Referenzstrahls können solche Effekte vermieden werden. Ein Referenzstrahl, der für Wasser und Eis transparent ist und dessen Intensität somit ausschließlich von der Straßenrauhigkeit abhängt, wird unmittelbar neben den IR Sender montiert. Der Empfang dieses Referenzstrahls gibt Auskunft über die Fahrbahnrauhigkeit und Farbe. Sind die gesendeten Intensitäten im IR Bereich und im Referenz Wellenlängenbereich gleich, so kann durch Vergleich der beiden Empfangswerte auf den Fahrbahnzustand geschlossen werden. Ist der Empfang in beiden Kanälen gleich, so wurde die Strahlung in beiden Kanälen gleichartig reflektiert. Ist dies nicht der Fall und ist der IR Empfang kleiner, so ist dies ein Indiz für einen Eis oder Wasserfilm.However, there is a diffuse reflection on the road surface, so that infrared spherical in all Directions is reflected. With a film of water, however, there is a mirrored reflection. This can be done under Under certain circumstances, the reflection values for wet and dry road surfaces cannot be distinguished. Such effects can be avoided by introducing a reference beam according to the invention. On Reference beam that is transparent to water and ice and whose intensity is therefore exclusively from the Road roughness depends, is mounted directly next to the IR transmitter. The reception of this reference beam gives Information about road surface roughness and color. Are the intensities sent in the IR range and in the reference The same wavelength range can be compared to the state of the road by comparing the two received values getting closed. If the reception is the same in both channels, the radiation became the same in both channels reflected. If this is not the case and the IR reception is lower, this is an indication of an ice or water film.

Mit Hilfe eines Prozessors kann man die gewonnenen Aussagen des Infrarot-Referenzstrahl Systems zusammen mit der Mikrowellen Aussage zu einer eindeutigen Unterscheidung der drei Straßenzustände benutzen. With the help of a processor, the statements made by the infrared reference beam system can be obtained together with use the microwave statement to clearly differentiate between the three road conditions.  

Erklärung der Funktionsweise anhand eines FlußdiagrammExplanation of the operation using a flow chart

  • 1. Schritt: Die drei Sender befinden sich in Sendephase d. h. emittieren elektromagnetische Strahlung.Step 1: The three transmitters are in the transmission phase d. H. emit electromagnetic radiation.
  • 2. Schritt: Die drei Empfänger empfangen die reflektierte Strahlung und diese wird in eine Spannung umgewandelt.
    Diese Spannung wird anschließend in einem Analog-Digitalwandler in einen binären Wert umgewandelt und dem Prozessor übergeben.    Step 2: The three receivers receive the reflected radiation and this is converted into a voltage.
    This voltage is then converted into a binary value in an analog-digital converter and transferred to the processor.
  • 3. Schritt: Der Prozessor vergleicht den binären Wert des Referenzstrahlers und überprüft, ob dieser größer als ein Richtwert ist. Ist dies der Fall so kann von einer guten Reflektion ausgegangen werden und somit werden die Werte der anderen beiden Empfänger weiterverarbeitet.Step 3: The processor compares the binary value of the reference radiator and checks whether it is larger than one Is a guide. If this is the case, a good reflection can be assumed and thus the values processed by the other two recipients.
  • 4. Schritt: Die Reflexionsvermögen für die beiden Unterscheidungs-Wellenlängen (In diesem Beispiel Mikrowellen und IR-Wellen) werden mit Richtwerten verglichen. Liegen die Werte in einem bestimmten Intervall so wird eine Aussage getroffen. Bei den Mikrowellen deutet ein Reflektionsvermögen von mehr als 50% auf Wasser hin. Die Aussage "Wasser vorhanden" wird daher auf WAHR gesetzt. Bei einem Infrarot Reflektionswert von weniger als 10% deutet dies die Existenz von Wasser oder Eis an, daher wird die Aussage "trockene Fahrbahn" als FALSCH eingestuft.Step 4: The reflectivity for the two different wavelengths (in this example microwaves and IR waves) are compared with standard values. If the values are within a certain interval, then a Statement made. In the case of microwaves, a reflectivity of more than 50% indicates water. The Statement "water available" is therefore set to TRUE. With an infrared reflection value of less than 10% indicates the existence of water or ice, so the statement "dry road" is FALSE classified.
  • 5. Schritt: Aus den beiden mehrdeutigen Aussagen wird eine eindeutige Aussage über den Fahrbahnboden gemachtStep 5: The two ambiguous statements make a clear statement about the road surface
  • 6. Schritt: Falls eine eindeutige Aussage gemacht wurde, so wird diese gespeichert in einem entsprechenden Arbeitsspeicher oder Zwischenspeicher. Sind die Aussagen der Empfänger widersprüchlich, so tritt keine Speicherung ein und Schritt 7 wird übersprungen.Step 6: If a clear statement has been made, it is saved in a corresponding one RAM or cache. If the statements of the recipients are contradictory, none will occur Save on and step 7 is skipped.
  • 7. Schritt: Der Zwischenspeicher wird überprüft. Sind mehr als ein bestimmter Prozentsatz der zuletzt gespeicherten Aussagen solche die auf Eis hinweisen, so aktiviert der Prozessor einen Schaltkreis, der ein Eiswarnsignal auslöst. Das Signal bleibt solange erhalten, bis die Eiswarnsignale die oben genannte Prozent-Schwelle unterschreiten.Step 7: The buffer is checked. Are more than a certain percentage of the last saved Statements that indicate ice, the processor activates a circuit that triggers an ice warning signal. The signal remains until the ice warning signals fall below the above-mentioned percentage threshold.
  • 8. Schritt: Der Prozessor schaltet die Sender in Ruhephase, d. h. diese senden nicht und die Empfänger empfangen somit nur die Störsignale bzw. die Fremdeinstrahlung. Diese werden umgewandelt und falls die Werte zu hoch sind, können die Empfänger in Sendephase nicht ausgewertet werden.Step 8: The processor switches the transmitters to the idle phase, i.e. H. these do not send and the recipients receive thus only the interference signals or external radiation. These are converted and if the values are too high, the recipients cannot be evaluated in the transmission phase.
  • 9. Schritt: Die Empfänger werden in Sendephase geschaltet. Siehe Schritt 1.Step 9: The receivers are switched to the transmission phase. See step 1.

Claims (20)

1. Vorrichtung zur Erkennung von auf der Fahrbahn befindlichem Eis für Fahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein Empfänger, der im optischen Bereich empfängt, zusammen mit einem Mikrowellen Sender und Empfänger und einem Referenzwellen Sender und Empfänger betrieben wird.
  • - ein breit- oder schmalbandiger Sender benutzt wird, der im optischen und infraroten Bereich sendet.
  • - der Mikrowellenwert mit einem Grenzwert für Wasser verglichen wird.
  • - der Empfang des optischen Sensors mit einem Referenzwert verglichen wird.
  • - die logischen Ergebnisse des Vergleichs im Mikrowellen- und Infrarotbereich durch logische Verknüpfungen zu einer eindeutigen Aussage vereinigt werden.
  • - bei detektiertem Eis ein akustisches oder optisches Signal gegeben wird.
  • - der Infarot Wasserabsorptionsbanden-Empfänger nicht den an der Fahrbahnoberfläche spiegelreflektierten Teil empfängt.
1. Device for detecting ice on the road for vehicles, characterized in that
  • - A receiver, which receives in the optical range, is operated together with a microwave transmitter and receiver and a reference wave transmitter and receiver.
  • - A broadband or narrowband transmitter is used, which transmits in the optical and infrared range.
  • - The microwave value is compared with a limit value for water.
  • - The reception of the optical sensor is compared with a reference value.
  • - The logical results of the comparison in the microwave and infrared range are combined by logical links to a clear statement.
  • - If ice is detected, an acoustic or optical signal is given.
  • - The infrared water absorption band receiver does not receive the part that is reflected on the road surface.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot Empfänger Wellenlängen aus der Wasserabsorptionsbande, von 1,5-3,5 µm, empfängt.2. Device according to claim 1, characterized in that the infrared receiver wavelengths from the Water absorption band, from 1.5-3.5 µm, receives. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - zwei Sensoren benutzt werden, die im optischen oder infraroten Bereich empfindlich sind.
  • - einer der beiden Sensoren so justiert ist, daß er den spiegelreflektierten Anteil der Strahlung bei Nässe oder Eis empfangen würde.
  • - der zweite der beiden Sensoren den am Asphalt gestreuten Anteil empfängt und den spiegelreflektierten Teil nicht empfangen kann.
  • - daß der Empfang der beiden Sensoren verglichen wird und aus dem Verhältnis der beiden Werte auf den Fahrbahnzustand geschlossen wird.
3. Device according to claim 1, characterized in that
  • - Two sensors are used that are sensitive in the optical or infrared range.
  • - One of the two sensors is adjusted so that it would receive the specularly reflected portion of the radiation when wet or ice.
  • - The second of the two sensors receives the part scattered on the asphalt and cannot receive the specularly reflected part.
  • - That the reception of the two sensors is compared and the state of the road is inferred from the ratio of the two values.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Meßergebnisse mittels eines Analog/Digital Wandlers umgewandelt werden und anschließend dem Prozessor übergeben werden.
  • - ein Prozessor die logische Auswertung der Meßergebnisse übernimmt.
    Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein zweiter Infrarot Empfänger, der in einem Wellenbereich außerhalb der Wasserabsorptionsbande empfindlich ist, zusätzlich betrieben wird.
  • - der Empfang dieses Interferenz-Sensors mit dem Empfang des Wasserabsorptionsbanden Empfängers verglichen wird.
  • - die Aussage "trockene Fahrbahn" dann als wahr eingestuft wird, wenn der Wasserabsorptionsbanden Empfänger um mehr als einen bestimmten Faktor kleiner ist als der Empfang des Referenzsensors.
4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that
  • - The measurement results are converted using an analog / digital converter and then transferred to the processor.
  • - A processor takes over the logical evaluation of the measurement results.
    Device according to claim 2, characterized in that
  • - A second infrared receiver, which is sensitive in a wave range outside the water absorption band, is additionally operated.
  • - The reception of this interference sensor is compared with the reception of the water absorption band receiver.
  • - The statement "dry road" is classified as true if the water absorption band receiver is more than a certain factor smaller than the reception of the reference sensor.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - durch den Vergleich des Mikrowellen Empfangswertes mit einem Grenzwert die logische Aussage "Wasser vorhanden" als wahr oder falsch eingestuft werden kann.
  • - die Aussage "Wasser vorhanden" als wahr eingestuft wird, wenn der Mikrowellenempfang größer ist als ein festgesetzter Grenzwert.
5. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that
  • - By comparing the microwave reception value with a limit value, the logical statement "water present" can be classified as true or false.
  • - The statement "water available" is classified as true if the microwave reception is greater than a set limit.
6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - durch den Vergleich vom Infrarot Wasserabsorptionsbanden Empfang mit dem Referenz Empfang oder einem konstanten Wert die logische Aussage "trockene Fahrbahn" als wahr oder falsch eingestuft werden kann.
  • - die logische Aussage "trockene Fahrbahn" dann als falsch eingestuft wird, wenn der Infrarot Empfang aus der Wasserabsorptionsbande mehr als einen bestimmten Faktor kleiner ist als der Referenzempfang.
6. The device according to claim 2, characterized in that
  • - By comparing the infrared water absorption band reception with the reference reception or a constant value, the logical statement "dry road" can be classified as true or false.
  • - The logical statement "dry road" is classified as false if the infrared reception from the water absorption band is more than a certain factor smaller than the reference reception.
7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - durch den Vergleich des Empfangs der beiden Sensoren die logische Aussage "trockene Fahrbahn" als wahr oder falsch eingestuft werden kann.
  • - die logische Aussage "trockene Fahrbahn" dann als falsch eingestuft wird, wenn der Sensor, der den spiegelreflektierten Teil empfängt, einen um mehr als einen bestimmten Faktor höheren Empfang hat, als der Sensor der den gestreuten Teil empfängt.
7. The device according to claim 2, characterized in that
  • - By comparing the reception of the two sensors, the logical statement "dry road" can be classified as true or false.
  • - The logical statement "dry road" is classified as false if the sensor that receives the specularly reflected part has a more than a certain factor higher reception than the sensor that receives the scattered part.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Aussagen "trockene Fahrbahn" (B2) und die Aussage "Wasser vorhanden" (E1) durch die logischen Verknüpfungen
  • - NOT (E1 OR E2) verbunden werden müssen, um ein logisches Ergebnis für die Aussage "vereiste Fahrbahn" zu erhalten.
  • - (NOT E1) AND E2 verbunden werden müssen, um ein logisches Ergebnis für die Aussage "trocken Fahrbahn" zu erhalten.
  • - E1 AND (NOT E2) verbunden werden müssen, um ein logisches Ergebnis für die Aussage "nasse Fahrbahn" zu erhalten.
  • - E1 AND E2 verbunden werden müssen, um ein logisches Ergebnis für die Aussage "Fehler im Empfang" zu erhalten.
8. The device according to claim 4, characterized in that the two statements "dry road" (B2) and the statement "water present" (E1) by the logical connections
  • - NOT (E1 OR E2) must be connected in order to obtain a logical result for the statement "icy road".
  • - (NOT E1) AND E2 must be connected in order to obtain a logical result for the statement "dry roadway".
  • - E1 AND (NOT E2) must be connected in order to obtain a logical result for the statement "wet road".
  • - E1 AND E2 must be connected in order to obtain a logical result for the statement "error in reception".
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Eis nur dann signalisiert wird, wenn mehr als eine bestimmte Anzahl von wahren Aussagen "vereiste Fahrbahn" pro Zeiteinheit ermittelt wurde.9. The device according to claim 8, characterized in that ice is only signaled when more than one certain number of true statements "icy road" per unit of time was determined. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellen Sender und Empfänger die elektromagnetische Strahlung möglichst senkrecht auf die Fahrbahn emittieren, mit einem Einfallswinkel von weniger als 60° gegen die Normale.10. The device according to claim 1, characterized in that the microwave transmitter and receiver emit electromagnetic radiation as perpendicular as possible to the road, with an angle of incidence of less than 60 ° against the normal. 11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender abwechselnd senden und empfangen, um die Intensität der Fremdeinstrahlung zu registrieren, welche vom Prozessor in die Auswertung miteinbezogen wird.11. The device according to claim 4, characterized in that the transmitters send and receive alternately to to register the intensity of the external radiation, which is included by the processor in the evaluation. 12. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schutzvorrichtung bei Nässe das Fenster der optischen Sensoren vor Verdreckung schützt, indem das Fenster mechanisch mit einer Klappe verdeckt wird bzw. der Sender und Empfänger in eine Position gebracht werdend in der sie von Verschmutzung geschützt werden.12. The apparatus of claim 2 or 3, characterized in that a protective device when wet Protects the window of the optical sensors from fouling by mechanically opening the window with a flap is covered or the transmitter and receiver are brought into a position in which they are contaminated to be protected. 13. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fremdeinstrahlung im optischen und infraroten Bereich mittels eines gesonderten Empfängers gemessen wird, der so justiert ist, daß er nicht die vom Sender emittierte Strahlung empfängt, sondern die aus der Umgebung der Vorrichtung stammende Fremdeinstrahlung.13. The apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the external radiation in the optical and infrared range is measured by means of a separate receiver, which is adjusted so that it does not match that of the Transmitter emits radiation, but receives radiation from the surroundings of the device External radiation. 14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Mikrowellen Sender- und Empfängerhorn unterschiedliche Größen aufweisen.14. The apparatus according to claim 1, characterized in that the microwave transmitter and receiver horn have different sizes. 15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor die Mikrowellen Werte speichert, und bei einem schnellen und kontinuierlichen Absinken des Mikrowellen Empfangs ein Eissignal liefert.15. The apparatus according to claim 1, characterized in that the processor stores the microwave values, and provides an ice signal when the microwave reception drops rapidly and continuously. 16. Vorrichtung nach dem Anspruch 1 und dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Erkennen von Eis zusammen mit einem Abstandmeßgerät, welches den Abstand zum vorderen Fahrzeug berechnet, kombiniert wird.16. The apparatus according to claim 1 and the preceding claim, characterized in that the device to detect ice together with a distance measuring device that measures the distance to the front vehicle is calculated, combined. 17. Vorrichtungen nach den vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausschalten des Gerätes das IR-Sender und Empfängerpaar durch die in Anspruch 12 beschriebene Schutzvorrichtung geschützt werden.17. Devices according to the preceding claims, characterized in that when switching off the device the IR transmitter and receiver pair by the claim Protector described 12 are protected. 18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten einer bestimmten Maximaltemperatur, die mit einem Thermometer bestimmt werden kann, das System sich selbst ausschalten bzw. beim Unterschreiten selbst einschalten kann.18. The apparatus according to claim 1, characterized in that when a certain one is exceeded Maximum temperature that can be determined with a thermometer, the system switches itself off or can turn on when falling below. 19. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückkopplungsprozeß zwischen Prozessor und Sender stattfindet, der je nach Zustand die Signaldichte, d. h. die Länge und Anzahl der Sendephasen reguliert. 19. The apparatus according to claim 4, characterized in that a feedback process between the processor and Transmitter takes place, which, depending on the state, the signal density, d. H. regulates the length and number of broadcast phases.   20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellensender und die Empfangsantenne durch Hohlraumleiter vom Sende- bzw. Empfangshorn getrennt sind, so daß Schmutzpartikel die Sende- und Empfangsantenne nicht bzw. kaum erreichen können.20. The apparatus according to claim 1, characterized in that the microwave transmitter and the receiving antenna Cavity conductors are separated from the transmitter or receiver horn, so that dirt particles the transmitter and Can't or hardly reach the receiving antenna.
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