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Stand der Technik
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Es
sind eine Reihe von Sichtweitenmessgeräten bekannt, die
meistens nach dem Transmissionsprinzip arbeiten. Der Nachteil ist,
dass dabei eine Mess-Strecke im Bereich zwischen 3 bis 20 m benützt
werden muss. Bei Systemen, die die Rückstreuung z. B. im
Nebel ausnützen, wird in nahezu allen Fällen ein
sehr kleines Volumen im streuenden oder absorbierenden Medium betrachtet.
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Auch
eine Kombination eines Abstandssensors mit Sichtweitendetektion
ist bekannt z. B. in
DE 197
17 399 C2 .
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es über die Rückstreuung eines
Lichtimpulses durch sichtweitenvermindernde Medien die Sichtweiteneinschränkung
zu detektieren und zugleich im System eine kontinuierliche Kalibrierung
durchzuführen. Dabei soll das System so gestaltet sein,
dass es sowohl stationär als auch an einem Fahrzeug oder
einem anderen bewegten Verkehrsmittel angebracht werden kann ohne
Einschränkung der Funktion.
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Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird anhand der 1 bis 5 beschrieben.
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In 1 ist
der Einbau eines Sensors 110 in ein Fahrzeug 101 hinter
der Windschutzscheibe 102 dargestellt.
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Um
die Dämpfung der Windschutzscheibe 102 für
die Messung zu berücksichtigen, hat der Sensor 110 mindestens
2 Messkanäle 108 und 109. Am Fahrzeug
ist eine kleine Referenztafel 103 angebracht, die über
den Messkanal 109 als Referenz dient.
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Da
die Entfernung vom Sensor 110 zur Referenztafel 103 sehr
gering ist, wird sich die Dämpfung und Rückstreuung
des z. B. Nebels nahezu nicht auswirken. Der Kanal 108 dagegen
detektiert die volle Rückstreuung aus dem sichtweiteeinschränkenden
Medium. In gleicher Weise kann der Sensor 110a auch außen
z. B. am Rückspiegel des Fahrzeuges angebracht werden,
wobei die Dämpfung durch Verschmutzung oder Beschlag der
Linsen des Sensors 110a über eine Referenztafel 103a im
zweiten Kanal 109a gemessen wird, während die
eigentliche Sichtweite mit dem Kanal 108a vermessen wird.
Zur genauen Kalibrierung der Referenztafeln 103 und 103a wird
eine Normtafel 107 verwendet, die in einem Abstand von
z. B. 20–50 m vor dem Fahrzeug 101 aufgestellt
wird. Um Glanzwinkelproblem zu vermeiden, wird diese Normtafel 107 in
einem Winkel 107a von z. B. 10% zur Strahlrichtung aufgestellt.
Damit kann auch ein mehrstrahliges System genau kalibriert werden,
indem der Strahl 109 auf die Referenztafel 103 abgebildet
ist und die Mess-Strahlen 104 und 105 auf die
Normtafel 107. Durch die Wahl des Elevationswinkels 105a und
der Azimutwinkel 104, 105 und 108 kann
das zu betrachtende Volumen der Sichtweitenmessung bestimmt werden.
Ein stationäres System ist mit 110b dargestellt,
das mit mehreren Mess-Strahlen ausgestattet sein kann z. B. 3–32.
Ein Referenzstrahl 109 wird z. B. auf eine Referenztafel 111 gerichtet, über
die eine Kalibrierung bei guter Sicht erfolgt und über
die Rückstreuung bei eingeschränkter Sicht die
Dämpfung gemessen wird. Im gleichen Strahl 109 und
den anderen Strahlen 112 und 113 wird zugleich
die Rückstreuung gemessen. Mehrere Strahlen z. B. 112 und 113 können über
die Fahrbahn 114 und 115 gerichtet sein, um dort
neben der Sichtweitenmessung die zugleich die Zahl und Geschwindigkeit
von Fahrzeugen z. B. 116 und 117 auf beiden Fahrbahnen
zu registrieren.
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Entsprechend 2 besteht
das Sichtweitenmessgerät 101 aus der Sendeoptik 201 über
die z. B. zwei Laser 202 und 203 auf die Szene
abgebildet werden. Die Laser werden über den Pulsformer 204 angesteuert.
Das rückgestreute Signal gelangt über die Empfangsoptik 205 und
dem Filter 206 auf eine oder mehrere Fotodioden 207 deren
Signal im Verstärker 208 konditioniert wird. In
der Einheit 215 ist die Zeitsteuerung, die Ansteuerung
der Laser über die Schnittstelle 225 und die Digitalisierung
und Auswertung der Empfängersignale, die über
die Schnittstelle 224 in die Einheit 215 gelangen.
Zur genauen Kalibrierung werden über diese Einheit 215 in
bestimmten Zeiteinheiten z. B. bei jeder Messung oder jede Sekunde
die Laser 202 und 203 ausgeschaltet und in den
Empfänger 207 über das Filter 206 und den
Lichtleiter 210 ein Signal aus einem Referenzlaser eingekoppelt.
Dabei wird die Leistung des Lasers 213 über ein
Dämpfungsglied 212 und die Linse 211 auf
den Lichtleiter abgebildet. Die Ansteuerung dieses Lasers 213 erfolgt über
den Pulsformer 214. Das Signal des Lasers 213 wird über
die Monitordiode 213a gemessen. Damit kann die gesamte
Empfangseinheit bis hin zur Digitalisierung im Baustein 215 kalibriert
werden.
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Die
Stromversorgung des Systems erfolgt über den Eingang 220 z.
B. mit 12–24 V. Der Baustein 216 bereitet daraus
die erforderlichen internen Spannungen, die über die Schnittstellen 216a in
die einzelnen Baugruppen eingespeist werden. Außerdem übernimmt
dieser Baustein die Steuerung der Heizung der Linsen 201 und 205 oder
der Durchtrittsfenster 227a und oder des Gesamtsystems
mit den Heizwiderständen 229 und 230.
Die Steuerung erfolgt durch die Temperaturmessung über
den Temperaturfühler und oder über die Messung
der Dämpfung der Linsen oder Durchtrittsfenster.
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Die
Auswertung der Sichtweite und die Abstandsmessung zu den Fahrzeugen
erfolgt in der Einheit 215, die die Informationen über
den Bus 226 an die Einheit 216 weitergibt. Die
Einheit 216 beinhaltet das Tracking der Fahrzeuge und die
Schnittstellen 221 zu einem externen Interface 217 mit
Datenlink 218 und Rechner 219.
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Die
Auswertung der Signale erfolgt gemäß 3.
Dabei ist mit der Achse 301 die Entfernung dargestellt
und mit der Achse 302 die jeweilige Amplitude. Der Referenzimpuls
aus dem Laser 213 ist durch den Impuls 303 dargestellt,
der Referenzimpuls von der Normtafel 107 mit dem Impuls 307.
Das Rückstreusignal des Nebels ergibt die Impulsform 305.
Das Rückstreusignal vom Nebel und einem Objekt ist im Impuls 304 dargestellt.
Ohne Nebel ergibt sich die Kurvenform 306.
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In
der gleichen Darstellung sind die Impulse des Referenzsignals aus
den Referenztafeln 103 und 103a aus 1 dargestellt.
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Dieses
Signal hat den zeitlichen Abstand 310 der sich aus dem
Abstand zu den Referenztafeln 103 und 103a ergibt.
Bei normal klarer Scheibe wird das Empfangssignal die Form und Amplitude 309 haben. Bei
verschmutzter Scheibe wird dieses Signal auf die Amplitude 308 verringert.
Aus der Differenz 311 beider Amplituden kann die Scheibendämpfung
ermittelt werden und damit das Nebelsignal trotz verschmutzter Scheibe
zur Sichtweite ausgewertet werden.
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Im
System 110 gemäß 2 ist optional
eine CCD- oder CMOS-Kamera 227 installiert, über
die durch das Durchtrittsfenster 227a die Szene vermessen
wird. Die Kamera gibt ihre Bildsequenzen an die Interfaceeinheit 216 über
die Verbindung 222 weiter. Die Sichtweitenmessung kann
durch die Auswertung der Kontrastreduktion aus dem Kamerabild durch Einbeziehung
der Beleuchtungsstärke gestützt werden. Für
diese Messungen werden entsprechend 2 die Referenztafeln 111, 103 und 103a so
ausgestattet, dass sie aus einer transparenten, weißen oder
grauen Fläche bestehen. Die Referenztafeln können
auch entsprechend 2 aus einer transparenten Fläche 231 bestehen,
auf der schwarze, nicht reflektierende, nicht transparente Flächen 232 z.
B. Punkte unterschiedlicher Größe aufgebracht
sind. Ein Teil 230 der Tafeln ist transparent weiß,
weitere Teile z. B. 237 und 238 sind transparent
in verschiedenen Graustufen ausgeführt. Bei Dunkelheit
werden diese Referenztafeln von hinten beleuchtet. Zur einfachen
Auswertung wird z. B. die oder eine Zeile des Kamerabildes 333 in
ihrem Kontrast ausgewertet. Die Signale ergeben bei guter Sichtweite
die Kurvenform 234, bei schlechter Sichtweite die Kurvenform 235.
Die grau transparenten Teile der Tafeln dienen der genaueren Kontrastbeurteilung.
Diese Unterschiede können bei der Referenztafel 111 direkt
in Sichtweite umgerechnet werden. Bei den Referenztafeln 103 und 103a am
Fahrzeug dienen die Kontrastwerte nur zum Vergleich mit der Fahrszene
mit und ohne Nebel. Außerdem kann durch Aufzeichnung der
Kamerabilder später eine visuelle Beurteilung der Sichtverhältnisse
und ihres zeitlichen Verlaufes erfolgen.
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Damit
ein solches Sichtweiten-System die Dämpfung von verschmutzten
Scheiben oder externer Referenz selbständig ermitteln kann,
wird es entsprechend 4 aufgebaut. Im Gehäuse 401 ist
der Lasertreiber 402 untergebracht, der die Laserdiode 403 ansteuert. Über
die Optik 404 wird die Laserdiode auf einen teildurchlässigen
Spiegel 405 und über das Fenster 403 auf
die zu vermessende Szene abgebildet. Ein Teil der Laserleistung
wird am teildurchlässigen Spiegel 405 auf die
Fotodiode 425 abgebildet, deren Signal in der Stufe 424 verstärkt
wird. Das vom Nebel oder Zielen rückgestreute Signal wird über
das Fenster 411, die Optik 410 und das Filter 409 auf
den Fotodetektor 408 abgebildet, dessen Signal im Verstärker 407 konditioniert
wird.
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Der
Baustein 431 dient der Zeitsteuerung, Ansteuerung des Pulsformers 402 über
den Bus 428 und des Pulsformers 413 und der Auswertung
des Signals des Verstärkers 417 über
den Bus 427. Darüber hinaus werden alle Signale
des Detektors 408 über den Bus 430 in
der Stufe 431 ausgewertet. Die Empfindlichkeit der Fotodiode 408 mit
der Verstärkerkette 407 wird über die
Laserdiode 414, die über das Dämpfungsglied 415,
dem Lichtleiter 416 und das Filter 409 auf diese
Fotodiode gekoppelt ist, kalibriert. Einen Wert für die
Durchlässigkeit der Fenster 406 und 411,
wird über die Laserdiode 422, die über
die Optik 423 durch beide Fenster 406 und 411 über
die Optik 420 und das Filter 419 auf die Fotodiode 418 abgebildet
wird, ermittelt. Das Signal der Fotodiode 418 wird der
Auswerteeinheit 431 über den Verstärker 417 über
den Bus 427 zugeführt. Dadurch, dass sowohl beide
Messungen der Sichtweite als auch bei der Durchlässigkeitsmessung
die Fenster 406 und 411 unter dem gleichen Winkel
von 45° und der gleichen Wellenlänge durchstrahlt
werden, kann die Scheibendämpfung hervorgerufen durch Verschmutzung,
Betauung oder Vereisung ermittelt und bei der Messung berücksichtigt
werden. Anstelle der Laserdiode 403 kann auch eine Laserdiodenzeile
mit mehreren Einzeldioden verwendet werden.
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Das
Gesamtsystem 401 kalibriert sich dadurch, dass folgende
Werte gemessen werden:
- – Leistung
des Lasers 403 über die Fotodiode 425
- – Empfindlichkeit der Fotodiode 408 mit nachgeschalteten
Elementen 407 und interner Wandlung in 431 über
die Laserdiode 414
- – Durchlässigkeit der Fenster 406 und 411 über die
Strecke aus Laserdiode 422 und Fotodiode 418
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Die
auf gleiche Weise wie in 2 beschrieben Rückstreumessungen
werden in der Einheit 431 mit den Kalibrierwerten umgerechnet
und gehen den Schnittstellen und der Versorgungseinheit 433 über den
Bus 432 zu. Diese Einheit übernimmt auch wie in 2 beschrieben
die Fenster- und Systemheizung. Dieser Baustein wird von außen über
die Eingänge 435 mit z. B. 12 V bis 24 V versorgt
und liefert die internen Spannungen über die Anschlüsse 434.
Die ausgewerteten Ergebnisse der Sichtweite gehen an einen Rechner über
die Schnittstelle 436. Über den teildurchlässigen
Spiegel 405 kann auch eine CCD oder CMOS-Kamera 438 über
die Optik 437 den Kontrast der zu vermessenden Szene registriert
und wie bei 2 beschrieben über
die Schnittstelle 439 dem Baustein 431 zugeführt
und dort ausgewertet werden.
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Eine
Weiterführung dieses Systems ist in 5 dargestellt.
Bei dem System 501 werden mehrere Laser 503a und 503b vom
Pulsformer 502 angesteuert. Die Ausgangsleistung wird über
die Optik 504 über den teildurchlässigen
Spiegel 505 durch das Fenster 506 auf die zu vermessende
Szene abgebildet.
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Ein
kleiner Teil der Ausgangsleistung wird auf ein Reflexionsstandard 501 in
seiner begrenzenden Halterung 502 abgebildet und gelangt
von dort über den teildurchlässigen Spiegel 505 auf
den weiteren teildurchlässigen Spiegel 505a und
wird von dort über die Empfangsoptik 510 und das
Filter 509 auf die Fotodetektoren 508a und 508b geleitet.
Das Ausgangssignal wird in dem Vorverstärker 507 konditioniert
und von dort über die Verbindung 530 in die Steuer-
und Auswerteinheit 431 geführt, die bereits in 4 beschrieben
ist. Durch diese Anordnung werden Sender und Empfänger
in ihrer Leistungsübertragung gemessen und ein Kalibrierwert
gespeichert. Die teildurchlässigen Spiegel 505 und 505a und
das Reflexionsstandard 501 können in ihren optischen Daten
zuverlässig geeicht werden. Ein weiterer Teil der Sendeleistung
wird über das Fenster 506 das über den
Winkel von 45° als teilreflektierenden Spiegelwinkel auf
ein weiteres Reflexionsstandard 503 mit seiner begrenzenden
Halterung 504 geleitet. Die Reflexion geht von dort durch
die Fenster 506 und 511 auf die Optik 506 von
der sie über das Filter 506a auf die Fotodiode 507 geleitet
wird. Das entstehende Signal wird im Verstärker 508 konditioniert
und geht über die Verbindung 509 der Auswerteeinheit 431 zu. Damit
kann mit der Anordnung nach 5 sowohl das
Verhältnis Sendeleistung zu Empfangsleistung als auch die
Durchlässigkeit der Fenster exakt gemessen und in der Einheit 431 gespeichert
werden. Die Auswertung des Nebelsignals und der Referenzsignale
erfolgt wie in 3 beschrieben. Die Einheiten 431 und 433 mit
ihren entsprechenden Verbindungen und Funktionen sind in 4 bereits
beschrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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