DE102004001046B4

DE102004001046B4 - Sensor for traffic route surfaces

Info

Publication number: DE102004001046B4
Application number: DE200410001046
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-03
Filing date: 2004-01-03
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2024-01-04
Also published as: DE102004001046A1

Abstract

Verfahren zur Feststellung und Quantifizierung von Wasser, Schnee, Matsch, Eis und Raureif auf Verkehrswegsoberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass Halbleiterstrahlungsquellen unterschiedlicher Emissionswellenlängen so der Reihe nach ein- und wieder ausgeschaltet werden, dass jeweils maximal eine zu einem Zeitpunkt eingeschaltet ist, deren Licht auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt wird und das zurückgestreute Licht außerhalb des Glanzreflexes eingesammelt und auf ein Empfangselement geleitet wird, dessen Photostrom verstärkt und von einer Auswerteeinheit mit dem Ein- und Ausschalten der Quellen korreliert registriert wird, wobei ein Teil des Messlichts als Referenz direkt aus den Halbleiterstrahlungsquellen einem separaten Empfänger zugeleitet wird und jedes von der Fahrbahnoberfläche aufgenommene Spektrum durch dieses Referenzspektrum geteilt wird.A method for the detection and quantification of water, snow, mud, ice and hoarfrost on traffic route surfaces, characterized in that semiconductor radiation sources of different emission wavelengths are switched on and off in sequence so that a maximum of one is switched on at a time whose light is on the surface to be measured is steered and the backscattered light outside the specular reflection is collected and directed to a receiving element, the photocurrent of which is amplified and registered by an evaluation unit in a correlation with the switching on and off of the sources, with part of the measurement light as a reference directly from the semiconductor radiation sources is fed to a separate receiver and each spectrum recorded from the road surface is divided by this reference spectrum.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur schnellen, berührungslosen Anzeige von Wasser, Matsch, Schnee, Reif und Eis auf Straßen und Schienen oder ähnlichen Oberflächen, die durch charakteristische spektral aufgelöste Veränderungen reflektierten Infrarotlichts sicher und zuverlässig erfaßt wird.The invention is directed to a method for the rapid, non-contact display of water, mud, snow, frost and ice on roads and rails or similar surfaces, which is detected by characteristic spectrally resolved changes reflected infrared light safely and reliably.

Problembeschreibung und Stand der TechnikProblem description and prior art

Die einfachste aber auch unzuverlässigste Art der Eiswarnung im Straßenverkehr besteht in der Aufstellung entsprechender Verkehrswarnschilder mit den betreffenden bekannten Warn-Symbolen an besonders gefährdeten Strecken. Diese werden jedoch, wie die allgemeine Erfahrung lehrt, nicht immer beachtet, da die Gefahr nicht stets gegeben ist. Besser sind hier schon modernere Verkehrszeichen, die gesteuert durch eine aktuelle Temperaturmessung der betreffenden Straßenoberfläche oder Niederschlagsmengen-Messung, nur bei aktueller Eis-Gefahr oder starkem Regen die Warnanzeige aktivieren. Dies ist jedoch auch unzuverlässig und verführt den Autofahrer zur Nichtbeachtung, weil es entweder bei trockenen Straßen zu keiner Eisbildung kommen kann oder weil eine durch Salz und andere Verunreinigungen ausgelöste Gefrierpunktserniedrigung des Wassers noch tiefere Temperaturen zur Erstarrung notwendig macht. Der Stand der Technik bezüglich der Eisbildung ist weiterhin auch noch beschreibbar mit dem Versuch über ein kurz über die Straßenoberfläche gleitendes, am Wagen befestigtes Thermometer die Außentemperatur zu erfassen. Diese äußere Temperaturanzeige arbeitet jedoch bezüglich einer Eiswarnung auch ähnlich unzuverlässig. Einmal wird es durch die Strahlungswärme des Motors und/oder der Auspuffanlage beeinflußt oder es erfaßt nicht die Temperatur in der Nähe der Straßenoberfläche. Bekanntester Nachteil dieser Außenthermometer ist aber ihre träge Anzeige und das Nichterfassen von Brückenabschnitten bei der die Straßenoberfläche rasch eine andere Temperatur einnehmen kann als die Lufttemperatur über befestigten Straßen mit größerer Wärmekapazität. Auch führt die Interpretation der gemessenen Außentemperatur bezüglich einer Eisbildung, die der Fahrer allein zu treffen hat, zu großen Unsicherheiten. In der Regel weiß der Durchschnitts-Autofahrer nichts von den physikalisch-chemischen Vorgängen, die zu einer Gefrierpunktserniedrigung durch Streusalz und anderen Stoffen führen. Auch hängt letztere stark von den Konzentrationen dieser Wasserinhaltsstoffe ab, die unbekannt sind. Bei scheinbar trockener Straße, wird auch mit einem eingebauten Außenthermometer die Eisgefahr unterschätzt. Reifbildungen auf bestimmten Streckenabschnitten bleiben so häufig unerkannt.The simplest but also the most unreliable type of ice warning in road traffic is the establishment of appropriate traffic warning signs with the relevant known warning symbols on particularly vulnerable routes. However, as the general experience teaches, these are not always observed because the danger is not always present. Even more modern traffic signs are better here, which activate the warning display, controlled by a current temperature measurement of the relevant road surface or precipitation amount measurement, only in the case of current ice danger or heavy rainfall. However, this is also unreliable and misleads the driver to disregard, because it can occur either on dry roads to no ice formation or because of salt and other impurities triggered freezing point depression of the water makes even lower temperatures necessary for solidification. The state of the art with regard to the formation of ice is still describable with the attempt to detect the outside temperature via a thermometer which glides over the road surface and is fastened to the carriage. However, this external temperature gauge also operates similarly unreliable with respect to ice warning. Once it is affected by the radiant heat of the engine and / or the exhaust system or it does not detect the temperature near the road surface. However, the most well-known disadvantage of these outdoor thermometers is their sluggish display and the non-detection of bridge sections in which the road surface can quickly assume a different temperature than the air temperature over paved roads with greater heat capacity. Also, the interpretation of the measured outdoor temperature with respect to ice formation, which the driver alone has to make, leads to great uncertainties. As a rule, the average car driver knows nothing about the physicochemical processes that lead to a freezing point depression by road salt and other substances. Also, the latter strongly depends on the concentrations of these water constituents, which are unknown. In apparently dry road, even with a built-in outdoor thermometer, the risk of ice is underestimated. Tire formations on certain sections of the route remain so often unrecognized.

Aus diesen Gründen ist eine direkte berührungsfreie und schnelle Messung von Wasser-, Matsch-, Eis- oder Reifschichten auf der Oberfläche wünschenswert.For these reasons, a direct non-contact and rapid measurement of water, mud, ice or frost layers on the surface is desirable.

Ein früher technischer Ansatz hierzu ( DE 2912645 , Spinner) schlägt die Erfassung wellenlängenspezifischer Mikrowellenabsorption vor. Hierdurch kann allerdings nur die Anwesenheit von flüssigem Wasser zweifelsfrei nachgewiesen werden, da die Dielektrizitätskonstante von Eis derer von trockenem Asphalt zu ähnlich ist. Um diesen Mangel zu beheben, wurde von verschiedenen Autoren ( DE 4040846 , Schmitt; DE 19608535 , Kippenberg et al.; DE 19932094 ) vorgeschlagen, zusätzlich ein Wellenlängenintervall des nahen Infrarotlichts hinzuzuziehen, um auch die Anwesenheit von gefrorenem Wasser detektieren zu können. Diese Methode reagiert empfindlich auf Fahrzeugbewegungen und kann das detektierte Eis/Wasser nicht quantifizieren. Ähnlich Einschränkungen gelten für die Idee, einen breitbandigen IR-Kanal mit einer Helligkeitsermittlung im sichtbaren Spektralbereich und einer Lufttemperaturmessung zu verbinden ( DE 3023411 , Fukamizu et al.)An early technical approach to this ( DE 2912645 , Spinner) proposes the detection of wavelength-specific microwave absorption. As a result, however, only the presence of liquid water can be proved beyond doubt since the dielectric constant of ice is too similar to that of dry asphalt. To remedy this deficiency, various authors ( DE 4040846 Schmitt; DE 19608535 , Kippenberg et al .; DE 19932094 ) proposed to additionally use a wavelength interval of the near infrared light in order to be able to detect the presence of frozen water. This method is sensitive to vehicle movement and can not quantify the detected ice / water. Similar restrictions apply to the idea of connecting a broadband IR channel with a brightness determination in the visible spectral range and an air temperature measurement ( DE 3023411 , Fukamizu et al.)

Das spektrale Streuvermögen der zu vermessenden Oberfläche bei mehreren verschiedenen Wellenlängen im infraroten Spektralgebiet zu erfassen und entsprechend auszuwerten, wird erstmalig in der Patentanmeldung des Herrn Decker ( DE 2712199 ) im Jahre 1977 vorgeschlagen: Das Meßlicht durchdringt hierbei die zu vermessende Eis/Wasserschicht, wird an der Fahrbahnoberfläche diffus gestreut, durchdringt die Schicht nochmals und wird spektral selektiv nachgewiesen. Aus der Stärke der Absorption wird auf die Schichtdicke geschlossen und aus ihrer spektralen Lage auf den Gefriergrad. Diese Grundidee wird dann aber mehr als zehn Jahre lang nicht weiter verfolgt, bis sie in den 90-ger Jahren von fünf verschiedenen Gruppen aufgegriffen wird:

1. In DE 4205629 (Stork et al. wird eine spektrometrische Anordnung beschrieben, mit deren Hilfe das spektrale Reflektionsvermögen einer Fahrbahnoberfläche im mittleren Infrarot beschrieben wird. Dort wird die Fundamentale der H₂O-Streckschwingung angeregt, die sehr übergangsstark ist, wodurch das Messlicht in der Schicht bereits nach wenigen Mikrometern vollständig absorbiert wird. Hierdurch ist eine Schichtdickenmessung und somit eine Warnung vor Aquaplaninggefahr unmöglich.
2. In der Schrift DE 4133359 (Holzwarth et al.) werden die Ergebnisse eines Forschungsverbundes der Automobilindustrie dargelegt: Eine breitbandige Lichtquelle bestrahlt die Fahrbahn und das zurückgestreute Licht wird nach drei Wellenlängenbereichen selektiert nachgewiesen und aus den unterschiedlichen Absorptionen die Dicke einer eventuell auf der Fahrbahn befindlichen Wasserschicht bestimmt. In diesem Ansatz wird schon der Gedanke benutzt, zwei unterschiedlich intensive Resonanzen (1. die zweite Harmonische der Streckschwingung des Wassermoleküls bei ca. 1450 nm und 2. die Kombinationsschwingung bei ca. 1190 nm dieser Oberwelle mit einer Grundbiegeschwingung) zu benutzen. Selbst im unempfindlicheren der hier benutzten Spektralbereiche ist die Eindringtiefe des Lichts noch immer zu gering, um Glatteis unter Wasserpfützen zu detektieren. Weitere Nachteile dieses Ansatzes waren die Bewegungsempfindlichkeit des Aufbaus, sowie die Unmöglichkeit, die thermische Drift der parallel benutzten Verstärkerkanäle langfristig zu beherrschen.
3. In der Schrift WO 96/26430 (Huth-Fehre et al.) wird erstmalig die 3. Harmonische der Streckschwingung bei ca. 980 nm Wellenlänge benutzt, mit deren Hilfe man auf Grund der viele Zentimeter betragenden Eindringtiefe auch Unterfrierungen in Pfützen feststellen kann. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass diese Resonanz komplett im durch preiswerte Siliziumdetektoren messbaren Wellenlängenbereich unter 1050 nm liegt. Der in dieser Schrift vorgestellte Ansatz hat allerdings zwei andere Probleme: 1. Die parallel benutzten Verstärkerkanäle driften zu stark und 2. Der Einfluß des Sonnenlichts, das alle Wasserabsorbtionen der Atmosphäre ”mitbringt”, wird dort nicht kompensiert.
4. Diese beiden Nachteile werden in der Schrift DE 19736138 (Griesinger), die eine Parallelentwicklung zu 3. darstellt, teilweise umgangen, da hier anstatt diskreter Filter und Einzelverstärker ein Gitterspektrometer mit integriertem Zeilendetektor zum Einsatz kommt. Durch die frühe Serialisierung des Signalwegs werden die Driftprobleme beherrschbar, aber der optische Durchsatz eines Gitterspektrometers ist prinzipiell kleiner als der einer Filtereinheit. Dies hat zur Folge, dass mit dieser Technologie dünne Eis- und Wasserschichten bei kurzen Meßzeiten nicht genügend genau erfasst werden können. Zur Kompensation der Sonnenlichteinflüße wird ein Softwarealgorithmus vorgeschlagen, der allerdings nur bei einer genormten Wetterlage funktioniert.
5. Zur Verbesserung der Systeme in 3. und 4. wird in der Schrift DE 19747017 (Diebold et al.) die Verwendung einer Xenonblitzlampe als Lichtquelle vorgeschlagen. Durch die hierdurch mögliche sehr kurzfristige Beleuchtung ist eine gute Diskriminierung gegen Umgebungslicht erreichbar, aber Blitzlampen haben im Wellenlängengebiet zwischen 800 und 1100 nm eine sehr schlechte Effizienz, was die Rauschprobleme an dünnen Schichten verstärkt.

The spectral scattering power of the surface to be measured at several different wavelengths in the infrared spectral region to detect and evaluate accordingly, is the first time in the patent application of Mr. Decker ( DE 2712199 ) proposed in 1977: The measuring light penetrates the ice / water layer to be measured, is diffused at the road surface, penetrates the layer again and is spectrally selectively detected. From the strength of the absorption is closed to the layer thickness and from their spectral position on the degree of freezing. However, this basic idea will not be pursued for more than ten years until it is taken up by five different groups in the 1990s:

1. In DE 4205629 (Stork et al., Describe a spectrometric arrangement describing the spectral reflectivity of a road surface in the mid-infrared, where the fundamental of the H ₂ O stretching vibration is excited, which is highly transient, thereby reducing the measurement light in the layer is completely absorbed by a few micrometers, which makes it impossible to measure the thickness of the layer and thus warn against aquaplaning.
2. In Scripture DE 4133359 (Holzwarth et al.), The results of a research network of the automotive industry are presented: A broadband light source irradiates the road and the backscattered light is selectively selected after three wavelength ranges and from the different absorptions the thickness of a possibly on the road located water layer determined. In this approach, the idea is already used to use two different intense resonances (1. the second harmonic of the stretching of the water molecule at about 1450 nm and 2. the combination oscillation at about 1190 nm of this harmonic with a fundamental bending vibration). Even in the less sensitive of the spectral ranges used here, the penetration depth of the light is still too low to detect black ice under puddles of water. Other disadvantages of this approach were the motion sensitivity of the structure, as well as the impossibility of long-term control of the thermal drift of the amplifier channels used in parallel.
3. In Scripture WO 96/26430 (Huth-Fehre et al.) For the first time, the third harmonic of the stretching vibration at 980 nm wavelength is used, with the help of which one can determine due to the many centimeters penetrating depth also underneath puddles in puddles. Another advantage is that this resonance is completely in the measurable by inexpensive silicon detectors wavelength range below 1050 nm. The approach presented in this document, however, has two other problems: 1. The parallel used amplifier channels drift too strong and 2. The influence of sunlight, which "brings" all the water absorbances of the atmosphere, is not compensated there.
4. These two disadvantages are in the Scriptures DE 19736138 (Griesinger), which represents a parallel development to 3, partially bypassed, because here, instead of discrete filters and single amplifier, a grating spectrometer with integrated line detector is used. The early serialization of the signal path makes the drift problems manageable, but the optical throughput of a grating spectrometer is in principle smaller than that of a filter unit. As a result, with this technology, thin ice and water layers can not be detected with sufficient accuracy for short measuring times. To compensate for the effects of sunlight, a software algorithm is proposed, which works only in a standardized weather situation.
5. To improve the systems in 3rd and 4th will be in Scripture DE 19747017 (Diebold et al.) Proposed the use of a xenon flash lamp as a light source. The resulting very short-term illumination achieves good ambient light discrimination, but flash lamps have very poor efficiencies in the 800- to 1100-nm wavelength range, which enhances the noise problems on thin films.

Aufgabe der hier beschriebenen ErfindungObject of the invention described here

ist es, ein Messverfahren darzustellen, mit dem Wasser-, Matsch-, Schnee- und Eis-Schichten auf Fahrbahnoberflächen von Stärken zwischen 50 Mikrometern und 50 Millimetern mit hoher Genauigkeit innerhalb weniger Millisekunden berührungsfrei vermessen werden können, ohne dass das Meßergebnis von der spektralen Beschaffenheit des Untergrundes oder Fremdlicht beeinflußt wird.is to present a measurement method with which water, mud, snow and ice layers on road surfaces of thicknesses between 50 microns and 50 millimeters can be measured without contact with high accuracy within a few milliseconds, without the measurement result of the spectral nature background or extraneous light.

Das erfindungsmäßige SystemThe inventive system

Hebt sich im Wesentlichen dadurch vom oben genannten Stand der Technik ( DE0019927015A1 ) ab, dass:

1. ähnlich wie in der Anmeldung DE 10315676.3 (Huth-Fehre) beschrieben, Halbleiterstrahlungsquellen unterschiedlicher Emissionswellenlängen – vorzugsweise preiswerte Leuchtdioden – so der Reihe nach ein- und wieder ausgeschaltet werden, dass jeweils maximal eine zur Zeit eingeschaltet ist,
2. deren Licht auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt wird und das zurückgestreute Licht außerhalb des Glanzreflexes eingesammelt und Empfangselement – vorzugsweise eine Photodiode – geleitet wird.
3. Der Photostrom verstärkt und von einer Auswerteeinheit – vorzugsweise einem Mikrocontroler – mit dem Ein- und Ausschalten der Quellen korreliert registriert wird.
4. Mindestens fünf verschiedene Resonanzen/Wellenlängenbereiche benutzt werden: a) Die zweite Harmonische der Streckschwingung in Eis bei ca. 1520 nm, b) die zweite Harmonische der Streckschwingung in flüssigem Wasser bei ca. 1450 nm, c) ein Referenzpunkt für a) und b) bei ca. 1100 nm, d) die dritte Harmonische der Streckschwingung in flüssigem Wasser bei ca. 980 nm, e) ein Referenzpunkt für d) bei ca. 890 nm.
5. Die Quellen so hochfrequent umgeschaltet werden, dass ein ”komplettes Spektrum” aller Wellenlängenbereiche in weniger Zeit aufgenommen wird, als die mittlere Schwankungsperiode der Reflektivität der Oberfläche beträgt. Dies ist bei Meßraten von mehreren Kiloherz sichergestellt.
6. Ein Teil des Meßlichts direkt aus den Quellen einem separaten Empfänger zugeleitet wird, um als ”Referenzspektrum” langfristige Veränderungen der Quellintensitäten kompensieren zu können.
7. Entweder nach jedem Durchlauf der verschiedenen Quellen (einem ”kompletten Spektrum”) oder nach jedem Einschalten einer Quelle eine Pause gemacht wird, in der keine Quelle leuchtet und somit Fehlerströme des Empfängers und eventuell vorhandenes Fremdlicht erfasst und abgezogen werden können.

Essentially different from the above-mentioned prior art ( DE0019927015A1 ) that:

1. similar to the application DE 10315676.3 (Huth-Fehre) described, semiconductor radiation sources of different emission wavelengths - preferably inexpensive LEDs - so turn on and off again in such a way that at most one is currently turned on,
2. whose light is directed to the surface to be measured and the backscattered light collected outside the gloss reflection and receiving element - preferably a photodiode - is passed.
3. The photocurrent is amplified and registered by an evaluation unit - preferably a microcontroller - correlated with the switching on and off of the sources.
4. At least five different resonances / wavelength ranges are used: a) the second harmonic of the stretching vibration in ice at about 1520 nm, b) the second harmonic of the stretching vibration in liquid water at about 1450 nm, c) a reference point for a) and b) at approx. 1100 nm, d) the third harmonic of the stretching vibration in liquid water at approx. 980 nm, e) a reference point for d) at approx. 890 nm.
5. The sources are switched so high frequency that a "complete spectrum" of all wavelength ranges is recorded in less time than the mean fluctuation period of the reflectivity of the surface is. This is ensured at measurement rates of several kilohertz.
6. A part of the measuring light is fed directly from the sources to a separate receiver in order to be able to compensate as a "reference spectrum" long-term changes in the source intensities.
7. Either after every run of the different sources (a "complete spectrum") or after each switching on of a source a break is made, in which no source shines and thus error currents of the receiver and possibly existing extraneous light can be detected and subtracted.

Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindungsgedanken ist in 1 schematisch dargestellt und soll im folgenden erläutert werden:
Eine elektronische Kontroll- und Auswerteeinheit 1, vorzugsweise ein Mikrocontroller oder Pc, schaltet mittels einer Ausgabeeinheit 2 und einer Treiberelektronik 3 lichtemittierende Halbleiter (Leuchtdioden oder Laser) 4 so der Reihe nach ein und aus, dass immer nur ein Emitter zur Zeit eingeschaltet ist. Die verschiedenen Leuchtdioden emittieren bei unterschiedlichen Wellenlängen ausserhalb und innerhalb der Wasser-Absorptionsbanden. Vorzugsweise werden die oben genannten Wellenlängen im Bereich der zweiten und dritten Harmonischen der O-H-Streckschwingung zwischen 800 und 1500 nm benutzt. Das Licht der mindestens fünf Emitter wird mittels Abbildungsoptiken 5, die mindestens eine Linse enthalten, auf einen Meßfleck auf der zu überwachenden Oberfläche 6 gebündelt. Das von der Oberfläche zurückgestreute Messlicht wird von einer Empfangskoppeloptik 7, die mindestens eine Linse enthält, eingefangen und direkt zu einem Fotoempfänger 9, vorzugsweise einer Fotodiode geleitet. Dessen Fotostrom wird durch einen Verstärker 10 in eine Spannung umgewandelt, die durch einen Analog/Digitalwander 11 der Auswerteeinheit 1 zur Kenntnis gebracht wird. So können die Werte des Reflektionsvermögens der Oberfläche für die verschiedenen Wellenlängen in rascher Abfolge nacheinander ermittelt werden. Fügt man nun zwischen den Anschaltperioden der Emitter Pausen ein, so lassen sich in diesen Pausen die Intensität aller Empfängerblindströme sowie die des eventuell vorhandenen Umgebungs-(hauptsächlich Sonnen-Lichts)vermessen. Subtrahiert man nun von dem Messwert einer Messperiode mit eingeschaltetem Emitter den Mittelwert der Messwerte der zwei die Periode einfassenden Pausen, so ist der Einfluß dieser Störgrößen auf die Messergebnisse eliminiert. Wenn alle Emitter einmal angeschaltet waren und die jeweiligen Signale des Empfängers 9 gespeichert wurden, ist im Speicher der Auswerteeinheit 1 ein ”Mini-Rohspektrum” vorhanden. Da zur Aufnahme eines solchen Minispektrums nur viel weniger als eine Millisekunde benötigt wird, können zur Rauschminderung mehrere solcher Rohspektren aufsummiert oder gemittelt werden, ohne dass die Gesamtmessrate zu gering wird. Ein Teil des Meßlichts wird als Referenz direkt aus den Halbleiterstrahlungsquellen einem separaten identisch gebauten Empfänger zugeleitet und jedes von der Fahrbahnoberfläche aufgenommene Rohspektrum wird durch dieses Referenzspektrum geteilt, wodurch die so erhaltenen Reflektivitätsspektren nur noch Spektralinformation der Oberfläche, aber nicht mehr der Quellen und des Detektors enthalten. Die gemittelten Reflektivitätsspektren können dann von der Auswerteeinheit 1 durch Logarithmierung in Extinktionswerte umgerechnet werden. Subtrahiert man dann den bei 890 nm ermittelten Wert von dem bei 980 nm ermittelten, und den bei 1100 nm gemessenen von den beiden bei 1450 nm und 1520 nm, so erhält man drei untergrundkompensierte stoffabhängige Extinktionswerte, die direkt proportional zu den vorhandenen Schichtdicken sind: bei 980 lässt sich so flüssiges Wasser in Schichtdicken zwischen 0,5 und 50 mm quantifizieren, was zur Warnung vor Aquaplaninggefahr nützlich ist, bei 1450 nm flüssiges Wasser in Schichtdicken zwischen 10 und 1000 μm, deren Kenntnis für die Einschätzung von zu erwartenden Reibwerten wichtig ist, da diese schon von Wasserfilmen ab 50 μm Stärke messbar vermindert werden, und bei 1520 nm werden selbst dünnste Glatteisschichten ab 20 μm Stärke angezeigt. Dieses so ermittelte Ergebnis kann nun in regelmäßigen kurzen Abständen von der Auswerteeinheit 1 per Datenübertagung an das Steuersystem des Fahrzeugs, oder bei stationärem Einsatz z. B. an ein Verkehrsleitsystem übermittelt werden. A preferred embodiment of this inventive concept is in 1 is shown schematically and will be explained in the following:
An electronic control and evaluation unit 1 , preferably a microcontroller or Pc, switches by means of an output unit 2 and a driver electronics 3 light emitting semiconductors (light emitting diodes or lasers) 4 so in turn on and off, that only one emitter is currently on. The different LEDs emit at different wavelengths outside and within the water absorption bands. Preferably, the above wavelengths are used in the second and third harmonic ranges of the OH stretch between 800 and 1500 nm. The light of the at least five emitters is produced by means of imaging optics 5 containing at least one lens onto a measuring spot on the surface to be monitored 6 bundled. The backscattered from the surface measuring light is from a receiving coupling optics 7 that contains at least one lens captured and sent directly to a photoreceiver 9 , preferably a photodiode passed. Its photocurrent is through an amplifier 10 converted into a voltage by an analog / digital walker 11 the evaluation unit 1 brought to the knowledge. Thus, the reflectance values of the surface for the different wavelengths can be sequentially determined in rapid succession. If one now inserts between the turn-on periods of the emitter pauses, then in these pauses the intensity of all receiver reactive currents as well as those of the possibly present ambient (mainly solar light) can be measured. If the mean value of the measured values of the two periods comprising the period is subtracted from the measured value of a measurement period with the emitter switched on, the influence of these disturbance variables on the measurement results is eliminated. When all the emitters have been switched on and the respective signals of the receiver 9 are stored in the memory of the evaluation unit 1 a "mini-Rohspektrum" available. Since only a little less than a millisecond is required to record such a mini-spectrum, several such raw spectra can be summed or averaged for noise reduction without the overall measurement rate becoming too low. A portion of the measuring light is fed as a reference directly from the semiconductor radiation sources a separate identically built receiver and each recorded from the road surface Rohspektrum is divided by this reference spectrum, whereby the reflectivity spectra thus obtained only spectral information of the surface, but no longer contain the sources and the detector , The averaged reflectivity spectra can then be determined by the evaluation unit 1 converted into extinction values by logarithmization. If one then subtracts the value determined at 890 nm from that determined at 980 nm and that measured at 1100 nm from the two at 1450 nm and 1520 nm, one obtains three background-compensated substance-dependent extinction values which are directly proportional to the layer thicknesses present 980 can quantify liquid water in layer thicknesses between 0.5 and 50 mm, which is useful for warning against risk of aquaplaning, at 1450 nm liquid water in layer thicknesses between 10 and 1000 microns, whose knowledge is important for the assessment of expected coefficients of friction Since these are already measurably reduced by water films from 50 microns thickness, and at 1520 nm even thinnest slices of ice are displayed from 20 microns thickness. This result can now be determined at regular intervals by the evaluation unit 1 by data transfer to the control system of the vehicle, or in stationary use z. B. transmitted to a traffic control system.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen:Advantageous further developments:

1. Be the emitter 4 not only switched alternately, but additionally clocked at higher frequency, and in the receiver amplifier 10 preferably amplifies this clock frequency, the signal / noise performance of the entire system improves and the insensitivity to sunlight is further improved.
2. If the third harmonic of the stretching vibration in ice at approx. 1020 nm is used as the sixth wavelength channel, both ice layer thicknesses above one millimeter can be better quantified, and by comparison with the extinction at 980 nm the degree of freezing and the amount of slush closer determine.
3. The molar absorptions of the 3rd harmonic are so small that at thicknesses of less than one millimeter the extinction values are still strongly distorted by the wavelength dependence of the light scattering at the solid measuring surface. Therefore, it is advisable to use not only a reference wavelength (890 nm) for the background subtraction, but the values measured at 1100 nm as the second interpolation point of an underground line such. B. in the Scriptures US 5,962,853 recommended to use.
4. If one uses superluminiszente instead of simple light-emitting diodes, the entire device gains three times the signal intensity: a) because the spectral half-widths of the emitted bundles become narrower than the resonances to be measured, redundant overlap is reduced, b) by incorporating stimulated emission, the electro-optical efficiency can be improved, which leads to higher overall power ratings and c) the light leaves the diode in a smaller solid angle, so that it can be passed lossless on the measuring surface.
5. Through the use of semiconductor lasers, the aforementioned advantages can be increased; but they have to be paid for with higher component prices and higher self-noise.
6. If the illuminating rays are not focused on perfectly the same spot by vehicle movements, they can fall on directly adjacent, differently reflecting parts of the surface, which leads to strong signal distortions. In order to minimize this effect, it is advisable to mount all semiconductor radiation sources already in their shape as naked wafer chips, the so-called "chips", spatially close together in the same housing and to let them appear on the measurement surface by a common coupling optics.
7. Another possibility to reduce the aforementioned disturbing effect of the spatial inhomogeneity of the lighting, is to couple each source to a separate short optical fiber, these fibers together at their free ends to form a fiber bundle and the light emerging there through a common Coupling optics on the measurement surface to bundle.
8. The effectiveness of the measures in 6. and 7. can be further increased by the coupling optics a mixing element, z. B. a bundle of thin optical fibers as in US 4150287 described, or is preceded by a common thicker glass fiber or a diffuser.
9. The beam homogenization described in 8. can also be used, as in DE 4220705 described by the use of segmented lenses as part of the coupling optics.

Claims

Method for detecting and quantifying water, snow, mud, ice and hoarfrost on traffic route surfaces , characterized in that semiconductor radiation sources of different emission wavelengths are switched on and off in turn so that at most one is switched on at a time whose light is on the is directed to the surface to be measured and the backscattered light collected outside the glossy reflection and directed to a receiving element whose photocurrent is amplified and registered by an evaluation unit with the switching on and off of the sources is registered, with a portion of the measuring light as a reference directly from the semiconductor radiation sources a separate receiver is fed and each spectrum recorded by the road surface spectrum is divided by this reference spectrum.

Method according to claim 1, characterized in that at least five different resonances / wavelength ranges are used: a) The second harmonic of the stretching vibration in ice at about 1520 nm, b) the second harmonic of the stretching vibration in liquid water at about 1450 nm, c) a reference point for a) and b) at about 1100 nm, d) the third harmonic of the stretching vibration in liquid water at approx. 980 nm, e) a reference point for d) at about 890 nm.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor radiation sources are switched so high frequency that a "complete spectrum" of all wavelength ranges is recorded in less time than the mean fluctuation period of the reflectivity of the surface is.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that either after each pass of the various sources (a "complete spectrum") or after each switching on a source is paused, in which no source lights and thus fault currents of the receiver and any existing extraneous light and can be subtracted from all photo-currents in the "bright intervals" in which a semiconductor source is switched on.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor radiation sources are simple light-emitting diodes.

Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor radiation sources are super-luminescent LEDs.

Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor radiation sources are edge emitting semiconductor lasers.

Method according to one of the preceding claims 1 to 4, che, characterized in that the semiconductor radiation sources are surface emitting semiconductor lasers.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor radiation sources are not only switched alternately, but additionally clocked at higher frequency and this clock frequency is preferably amplified in the receiver amplifier.

Method according to one of the preceding claims 2 to 9, characterized in that is used as the sixth wavelength channel, the third harmonic of the stretching vibration in ice at about 1020 nm.

Method according to one of the preceding claims 2 to 10, characterized in that not only a reference wavelength (890 nm) will be used for the background subtraction for the resonances of the 3rd harmonic, but the values measured at approx. 1100 nm as the second interpolation point for calculating a substraction line is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that all semiconductor radiation sources are already mounted in their form as bare Waferstückchen, so-called "chips", spatially close to each other in the same housing and their light is bundled by a common coupling optics on the measuring surface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that each semiconductor radiation source is coupled to a separate short optical fiber, these fibers are taken together at their free ends to form a fiber bundle and the light emerging there is bundled by a common coupling optics on the measurement surface.

A method according to claim 13, characterized in that the coupling optics a mixing member, for. B. upstream as a separate bundle of thin optical fibers, or in the form of a common thicker glass fiber or a diffuser.

A method according to claim 14, characterized in that the mixing member is formed by the use of segment lenses as part of the coupling optics.

Device for the detection and quantification of water, snow, mud, ice and hoarfrost on traffic route surfaces, having all the features for carrying out the method according to one of claims 1 to 15.