DE102008030611B4 - Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach dem Laufzeitverfahren - Google Patents
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Abstract
Optischer Sensor nach dem Pulslaufzeitverfahren mit mehreren Messstrahlen, der die Sichtweitenmessung durch Bewertung der Pulsform und Amplitude durchführt und zugleich mit mindestens einem Messstrahl die Zahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf der Fahrbahn registriert. Durch eine interne und oder externe Referenzanordnung werden die relevanten Daten der Sendeeinheiten und Empfangseinheiten sowie der Durchtrittsfenster gemessen und in der Auswertung berücksichtigt.
Description
- Stand der Technik
- 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.
- Darüber hinaus und sind noch folgende Schriften bekannt.
- DE 37 35 267 A1
- Bei dieser Schrift wird das wichtige Verhältnis Sendeleistung zu Empfangsleistung nicht berücksichtigt. Damit ist das System für eine definierte Messung nicht brauchbar.
- DE 196 29 713 A1
- Zeigt eine Messung mit einer Lichtquelle und Messung der Rückstreuung aller Teilchen aus einem sehr kleinen Volumen ohne Kalibrierung der Messanordnung und ohne Beobachtung der Verteilung über der Strecke.
- Das System ist kein Pulslaufzeitverfahren.
DE 10 2004 048 346 A1
DE 38 01 368 C2
DE 1 147 409 B
DE 195 30 289 A1 - Bei diesen weiteren Schriften ist weder gezeigt wie das System über alle Einflussparameter kalibriert wird noch dass zugleich mit einem solchen System die Verkehrssituation überwacht oder registriert wird.
- Aufgabe der Erfindung
- 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.
- Beschreibung der Erfindung
- Die Erfindung wird anhand der
1 bis5 beschrieben. - In
1 ist der Einbau eines Sensors110 in ein Fahrzeug101 hinter der Windschutzscheibe102 dargestellt. - Um die Dämpfung der Windschutzscheibe
102 für die Messung zu berücksichtigen, hat der Sensor110 mindestens 2 Messkanäle108 und109 . Am Fahrzeug ist eine kleine Referenztafel103 angebracht, die über den Messkanal109 als Referenz dient. Da die Entfernung vom Sensor110 zur Referenztafel103 sehr gering ist, wird sich die Dämpfung und Rückstreuung des z. B. Nebels nahezu nicht auswirken. Der Kanal108 dagegen detektiert die volle Rückstreuung aus dem sichtweiteeinschränkenden Medium. In gleicher Weise kann der Sensor110a auch außen z. B. am Rückspiegel des Fahrzeuges angebracht werden, wobei die Dämpfung durch Verschmutzung oder Beschlag der Linsen des Sensors110a über eine Referenztafel103a im zweiten Kanal109a gemessen wird, während die eigentliche Sichtweite mit dem Kanal108a vermessen wird. Zur genauen Kalibrierung der Referenztafeln103 und103a wird eine Normtafel107 verwendet, die in einem Abstand von z. B. 20–50 m vor dem Fahrzeug101 aufgestellt wird. Um Glanzwinkelproblem zu vermeiden, wird diese Normtafel107 in einem Winkel107a von z. B. 10% zur Strahlrichtung aufgestellt. Damit kann auch ein mehrstrahliges System genau kalibriert werden, indem der Strahl109 auf die Referenztafel103 abgebildet ist und die Mess-Strahlen104 und105 auf die Normtafel107 . Durch die Wahl des Elevationswinkels105a und der Azimutwinkel104 ,105 und108 kann das zu betrachtende Volumen der Sichtweitenmessung bestimmt werden. Ein stationäres System ist mit110b dargestellt, das mit mehreren Mess-Strahlen ausgestattet sein kann z. B. 3–32. Ein Referenzstrahl109 wird z. B. auf eine Referenztafel111 gerichtet, über die eine Kalibrierung bei guter Sicht erfolgt und über die Rückstreuung bei eingeschränkter Sicht die Dämpfung gemessen wird. Im gleichen Strahl109 und den anderen Strahlen112 und113 wird zugleich die Rückstreuung gemessen. Mehrere Strahlen z. B.112 und113 können über die Fahrbahn114 und115 gerichtet sein, um dort neben der Sichtweitenmessung die zugleich die Zahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen z. B.116 und117 auf beiden Fahrbahnen zu registrieren. - Entsprechend
2 besteht das Sichtweitenmessgerät101 aus der Sendeoptik201 über die z. B. zwei Laser202 und203 auf die Szene abgebildet werden. Die Laser werden über den Pulsformer204 angesteuert. Das rückgestreute Signal gelangt über die Empfangsoptik205 und dem Filter206 auf eine oder mehrere Fotodioden207 deren Signal im Verstärker208 konditioniert wird. In der Einheit215 ist die Zeitsteuerung, die Ansteuerung der Laser über die Schnittstelle225 und die Digitalisierung und Auswertung der Empfängersignale, die über die Schnittstelle224 in die Einheit215 gelangen. Zur genauen Kalibrierung werden über diese Einheit215 in bestimmten Zeiteinheiten z. B. bei jeder Messung oder jede Sekunde die Laser202 und203 ausgeschaltet und in den Empfänger207 über das Filter206 und den Lichtleiter210 ein Signal aus einem Referenzlaser eingekoppelt. Dabei wird die Leistung des Lasers213 über ein Dämpfungsglied212 und die Linse211 auf den Lichtleiter abgebildet. Die Ansteuerung dieses Lasers213 erfolgt über den Pulsformer214 . Das Signal des Lasers213 wird über die Monitordiode213a gemessen. Damit kann die gesamte Empfangseinheit bis hin zur Digitalisierung im Baustein215 kalibriert werden. Die Stromversorgung des Systems erfolgt über den Eingang220 z. B. mit 12–24 V. Der Baustein216 bereitet daraus die erforderlichen internen Spannungen, die über die Schnittstellen216a in die einzelnen Baugruppen eingespeist werden. Außerdem übernimmt dieser Baustein die Steuerung der Heizung der Linsen201 und205 oder der Durchtrittsfenster227a und oder des Gesamtsystems mit den Heizwiderständen229 und230 . Die Steuerung erfolgt durch die Temperaturmessung über den Temperaturfühler und oder über die Messung der Dämpfung der Linsen oder Durchtrittsfenster. - Die Auswertung der Sichtweite und die Abstandsmessung zu den Fahrzeugen erfolgt in der Einheit
215 , die die Informationen über den Bus226 an die Einheit216 weitergibt. Die Einheit216 beinhaltet das Tracking der Fahrzeuge und die Schnittstellen221 zu einem externen Interface217 mit Datenlink218 und Rechner219 . - Die Auswertung der Signale erfolgt gemäß
3 . Dabei ist mit der Achse301 die Entfernung dargestellt und mit der Achse302 die jeweilige Amplitude. Der Referenzimpuls aus dem Laser213 ist durch den Impuls303 dargestellt, der Referenzimpuls von der Normtafel107 mit dem Impuls307 . Das Rückstreusignal des Nebels ergibt die Impulsform305 . Das Rückstreusignal vom Nebel und einem Objekt ist im Impuls304 dargestellt. Ohne Nebel ergibt sich die Kurvenform306 . In der gleichen Darstellung sind die Impulse des Referenzsignals aus den Referenztafeln103 und103a aus1 dargestellt. - Dieses Signal hat den zeitlichen Abstand
310 der sich aus dem Abstand zu den Referenztafeln103 und103a ergibt. Bei normal klarer Scheibe wird das Empfangssignal die Form und Amplitude309 haben. Bei verschmutzter Scheibe wird dieses Signal auf die Amplitude308 verringert. Aus der Differenz311 beider Amplituden kann die Scheibendämpfung ermittelt werden und damit das Nebelsignal trotz verschmutzter Scheibe zur Sichtweite ausgewertet werden. - Im System
110 gemäß2 ist optional eine CCD- oder CMOS-Kamera227 installiert, über die durch das Durchtrittsfenster227a die Szene vermessen wird. Die Kamera gibt ihre Bildsequenzen an die Interfaceeinheit216 über die Verbindung222 weiter. Die Sichtweitenmessung kann durch die Auswertung der Kontrastreduktion aus dem Kamerabild durch Einbeziehung der Beleuchtungsstärke gestützt werden. Für diese Messungen werden entsprechend2 die Referenztafeln111 ,103 und103a so ausgestattet, dass sie aus einer transparenten, weißen oder grauen Fläche bestehen. Die Referenztafeln können auch entsprechend2 aus einer transparenten Fläche231 bestehen, auf der schwarze, nicht reflektierende, nicht transparente Flächen232 z. B. Punkte unterschiedlicher Größe aufgebracht sind. Ein Teil230 der Tafeln ist transparent weiß, weitere Teile z. B.237 und238 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 Kamerabildes333 in ihrem Kontrast ausgewertet. Die Signale ergeben bei guter Sichtweite die Kurvenform234 , bei schlechter Sichtweite die Kurvenform235 . Die grau transparenten Teile der Tafeln dienen der genaueren Kontrastbeurteilung. Diese Unterschiede können bei der Referenztafel111 direkt in Sichtweite umgerechnet werden. Bei den Referenztafeln103 und103a 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. - Damit ein solches Sichtweiten-System die Dämpfung von verschmutzten Scheiben oder externer Referenz selbständig ermitteln kann, wird es entsprechend
4 aufgebaut. Im Gehäuse401 ist der Lasertreiber402 untergebracht, der die Laserdiode403 ansteuert. Über die Optik404 wird die Laserdiode auf einen teildurchlässigen Spiegel405 und über das Fenster403 auf die zu vermessende Szene abgebildet. Ein Teil der Laserleistung wird am teildurchlässigen Spiegel405 auf die Fotodiode425 abgebildet, deren Signal in der Stufe424 verstärkt wird. Das vom Nebel oder Zielen rückgestreute Signal wird über das Fenster411 , die Optik410 und das Filter409 auf den Fotodetektor408 abgebildet, dessen Signal im Verstärker407 konditioniert wird. - Der Baustein
431 dient der Zeitsteuerung, Ansteuerung des Pulsformers402 über den Bus428 und des Pulsformers413 und der Auswertung des Signals des Verstärkers417 über den Bus427 . Darüber hinaus werden alle Signale des Detektors408 über den Bus430 in der Stufe431 ausgewertet. Die Empfindlichkeit der Fotodiode408 mit der Verstärkerkette407 wird über die Laserdiode414 , die über das Dämpfungsglied415 , dem Lichtleiter416 und das Filter409 auf diese Fotodiode gekoppelt ist, kalibriert. Einen Wert für die Durchlässigkeit der Fenster406 und411 , wird über die Laserdiode422 , die über die Optik423 durch beide Fenster406 und411 über die Optik420 und das Filter419 auf die Fotodiode418 abgebildet wird, ermittelt. Das Signal der Fotodiode418 wird der Auswerteeinheit431 über den Verstärker417 über den Bus427 zugeführt. Dadurch, dass sowohl beide Messungen der Sichtweite als auch bei der Durchlässigkeitsmessung die Fenster406 und411 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 Laserdiode403 kann auch eine Laserdiodenzeile mit mehreren Einzeldioden verwendet werden. - Das Gesamtsystem
401 kalibriert sich dadurch, dass folgende Werte gemessen werden: - – Leistung des Lasers
403 über die Fotodiode425 - – Empfindlichkeit der Fotodiode
408 mit nachgeschalteten Elementen407 und interner Wandlung in431 über die Laserdiode414 - – Durchlässigkeit der Fenster
406 und411 über die Strecke aus Laserdiode422 und Fotodiode418 - Die auf gleiche Weise wie in
2 beschrieben Rückstreumessungen werden in der Einheit431 mit den Kalibrierwerten umgerechnet und gehen den Schnittstellen und der Versorgungseinheit433 über den Bus432 zu. Diese Einheit übernimmt auch wie in2 beschrieben die Fenster- und Systemheizung. Dieser Baustein wird von außen über die Eingänge435 mit z. B. 12 V bis 24 V versorgt und liefert die internen Spannungen über die Anschlüsse434 . Die ausgewerteten Ergebnisse der Sichtweite gehen an einen Rechner über die Schnittstelle436 . Über den teildurchlässigen Spiegel405 kann auch eine CCD oder CMOS-Kamera438 über die Optik437 den Kontrast der zu vermessenden Szene registriert und wie bei2 beschrieben über die Schnittstelle439 dem Baustein431 zugeführt und dort ausgewertet werden. - Eine Weiterführung dieses Systems ist in
5 dargestellt. Bei dem System501 werden mehrere Laser503a und503b vom Pulsformer502 angesteuert. Die Ausgangsleistung wird über die Optik504 über den teildurchlässigen Spiegel505 durch das Fenster506 auf die zu vermessende Szene abgebildet. - Ein kleiner Teil der Ausgangsleistung wird auf ein Reflexionsstandard
501 in seiner begrenzenden Halterung502 abgebildet und gelangt von dort über den teildurchlässigen Spiegel505 auf den weiteren teildurchlässigen Spiegel505a und wird von dort über die Empfangsoptik510 und das Filter509 auf die Fotodetektoren508a und508b geleitet. Das Ausgangssignal wird in dem Vorverstärker507 konditioniert und von dort über die Verbindung530 in die Steuer- und Auswerteinheit431 geführt, die bereits in4 beschrieben ist. Durch diese Anordnung werden Sender und Empfänger in ihrer Leistungsübertragung gemessen und ein Kalibrierwert gespeichert. Die teildurchlässigen Spiegel505 und505a und das Reflexionsstandard501 können in ihren optischen Daten zuverlässig geeicht werden. Ein weiterer Teil der Sendeleistung wird über das Fenster506 das über den Winkel von 45° als teilreflektierenden Spiegelwinkel auf ein weiteres Reflexionsstandard503 mit seiner begrenzenden Halterung504 geleitet. Die Reflexion geht von dort durch die Fenster506 und511 auf die Optik506 von der sie über das Filter506a auf die Fotodiode507 geleitet wird. Das entstehende Signal wird im Verstärker508 konditioniert und geht über die Verbindung509 der Auswerteeinheit431 zu. Damit kann mit der Anordnung nach5 sowohl das Verhältnis Sendeleistung zu Empfangsleistung als auch die Durchlässigkeit der Fenster exakt gemessen und in der Einheit431 gespeichert werden. Die Auswertung des Nebelsignals und der Referenzsignale erfolgt wie in3 beschrieben. Die Einheiten431 und433 mit ihren entsprechenden Verbindungen und Funktionen sind in4 bereits beschrieben.
Claims (8)
- Optischer Sensor nach dem Pulslaufzeitverfahren mit mehreren Messstrahlen zur Sichtweitenmessung dadurch gekennzeichnet, dass die Daten der Sende- und Empfangseinheiten und die Dämpfung der Durchtrittsfenster mit einer internen und/oder externen Referenz gemessen wird und dass neben der Sichtweitenmessung mit mindestens einem weiteren Messstrahl zugleich die Zahl und die Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf der Fahrbahn gemessen wird.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach dem Pulslaufzeitverfahren, der die Sichtweitenmessung durch Bewertung der Pulsform und Amplitude des vom Sichtweiteneinschränkenden Mediums rückgestreuten Signals durchführt mit mindestens einem Sender (
503a ) und mindestens einem Empfänger (508a ) und mindestens einem Durchtrittsfenster (506 ,511 ) dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Sendeleistung zur Empfangsleistung jeweils intermittierend zur eigenen Sichtweitenmessung kalibriert wird und die Dämpfung der Durchtrittsfenster mit nur einem weiteren internen Empfänger gemessen wird und bei der Auswertung berücksichtigt wird. - Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung der Durchtrittsfenster durch eine Sende- und Empfangsanordnung kalibriert wird, die sich im Sichtweitensensor befinden.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung des Einflusses der Durchtrittsfenster ein zweiter Kanal und ein externes Rückstreustandard verwendet wird.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass neben der Dämpfung der Durchtrittsfenster auch die Streuung und Dämpfung durch Tropfen und/oder Eisbildung gemessen wird.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine CCD oder CMOS-Kamera die Szene registriert und daraus unter Berücksichtigung der Beleuchtungsstärke der Kontrast als zusätzliches Kriterium für die Sichtweitenmessung verwendet wird.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung der Sichtweite Referenztafeln benützt werden, die unterschiedliche Kontrastmuster aufweisen und beleuchtbar sind.
- Optischer Sensor zur Sichtweitenmessung nach Anspruch 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung der Linsen oder Durchtrittsfenster über die Umgebungstemperatur und oder die Rückstreuung dieser Elemente in das Innere des Sensors gesteuert wird.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20110923 |