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Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System zur Erkennung des winterlichen Straßenzustands.
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Solche Sensoren sind nicht neu. So wird beispielsweise in
Jonsson, P. "Remote sensor for winter road surface status detection", Sensors, 2011 IEEE, Digital Object Identifier: 10.1109/ICSENS.2011.6127089, 2011, Page(s): 1285–1288 ausführlich die Erkennung von Eis und Schnee diskutiert. Im Folgenden wird diese Schrift zur Abkürzung mit L1 bezeichnet.
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Das dort beschriebene System weist Sensoren auf, die bei ca. 2000 nm, 1500 nm und 1000 nm arbeiten.
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Ein wesentlicher Nachteil des Systems ist, dass es nicht sehr gut zwischen einer nassen und einer mit Schneematsch bedeckten Straße unterscheiden kann. Dies ist in L1 klar beschreiben.
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Außerdem ist es gegenüber Fremdlichteinflüssen und Sensorverschmutzung nicht abgesichert.
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Es ist eine wesentliche Eigenschaft des erfindungsgemäßen Systems, dass dieses gegenüber einer Verschmutzung der Optiken und Sensordrift unempfindlich ist. Diese Eigenschaft ist bei einem Automobil von besonderer Bedeutung. Die Verschmutzungen der Optiken ist ein wesentliches Problem des realen Betriebs der Sensoren. Bei einem Eissensor handelt es sich darüber hinaus um einen möglicherweise sicherheitsrelevanten Sensor. Verschmutzungen, die zu Fehlmessungen führen können, sind daher von besonderer Bedeutung.
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Aus
DE 10 2004 001 046 B4 ist ein Verfahren zur Feststellung und Quantifizierung von Wasser, Schnee, Matsch, Eis und Raureif auf Verkehrswegsoberflächen bekannt. Das wesentliche Merkmal des dort offenbarten Verfahrens ist, 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 Fotostrom verstärkt und von einer Auswerteeinheit mit dem Ein- und Ausschalten der Quellen korreliert registriert wird. Dabei wird ein Teil des Messlichts als Referenz direkt aus den Halbleiterstrahlungsquellen einem separaten Empfänger zugeleitet wird. Jedes von der Fahrbahnoberfläche aufgenommene Spektrum wird dann durch dieses Referenzspektrum geteilt. Dieses Verfahren in der Patentschrift
DE 10 2004 001 046 B4 ist wie das in L1 offenbarte Verfahren nicht robust gegen Fremdlicht und empfindlich gegenüber Sensordrift und Sensorverschmutzung. Die kürzeste verwendet Wellenlänge ist 800 nm, weshalb das Verfahren die mikrokristalline Struktur, die Schnee seine weiße Farbe gibt, nicht auswerten kann.
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In der Offenbarung
DE 19816004 A1 wird eine Anordnung zur Fahrbahnzustandserkennung mit einer Infrarot(IR)-Anordnung offenbart, welche mittels einer IR-Sendeeinrichtung einen Fahrbahnbereich ausleuchtet und mittels einer IR-Empfangseinrichtung Strahlung von der Fahrbahn aufnimmt und die Intensität rückgestreuter IR-Strahlung in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen für eine Aussage über den Fahrbahnzustand auswertet. Wesentliches Merkmal der Anordnung ist, dass die Sendeeinrichtung die emittierte IR-Strahlung in zumindest einem der beiden Wellenlängenbereiche zeitlich in der Intensität variiert und die Empfangseinrichtung zumindest einen Teil der rückgestreuten Strahlung mit dem Zeitverlauf der Intensitätsvariation der emittierten Strahlung korreliert. Diese Anordnung in der Anmeldung
DE 19816004 A1 ist wie das in L1 offenbarte Verfahren nicht robust gegen Fremdlicht und empfindlich gegenüber Sensordrift und Sensorverschmutzung. Die kürzeste verwendet Wellenlänge ist 950 nm, weshalb das Verfahren die mikrokristalline Struktur, die dem Schnee seine weiße Farbe gibt, ebenfalls nicht auswerten kann.
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Die internationale Anmeldung
WO 96264301 offenbart ein Verfahren zum Feststellen des Oberflächenzustands, insbesondere von Verkehrswegen hinsichtlich Trockenheit, Nässe oder Vereisung, bei dem die Oberfläche mit einer Strahlungsquelle mit Infrarotanteil bestrahlt wird und die reflektierte Strahlung gleichzeitig in verschiedenen Wasser und Eis charakterisierenden Wellenlängenbereichen gemessen wird, wobei abhängig von den gemessenen Signalen eine Aussage über den Oberflächenzustand getroffen wird. Wesentliches Merkmal dieser internationalen Anmeldung ist, dass die reflektierte Strahlung gleichzeitig in mindestens vier Wellenlängenbereichen selektiv gemessen wird, die eine genügende Eindringtiefe der Strahlung in die Oberfläche zulassen, wobei ein erster und ein zweiter Wellenlängenbereich so gewählt werden, dass sie von einer Absorption der Wassermoleküle, unabhängig vom Aggregatzustand, wenig beeinflusst werden, und ein dritter und vierter Wellenlängenbereich so gewählt werden, dass sie kennzeichnend für Wasser und Eis sind, und dass ein durch die Eindringtiefe hervorgerufener Einfluss des Untergrundes auf die im dritten und vierten Wellenlängenbereich gemessenen Signale mittels der Information der im ersten und zweiten Wellenlängenbereich gemessenen Signale kompensiert wird.
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Diese Anordnung in der internationalen Anmeldung
WO 96264301 ist wie das in L1 offenbarte Verfahren nicht robust gegen Fremdlicht und empfindlich gegenüber Sensordrift und Sensorverschmutzung. Die kürzeste verwendet Wellenlänge ist 800 nm, weshalb auch dieses Verfahren die mikrokristalline Struktur, die dem Schnee seine weiße Farbe gibt, ebenfalls nicht auswerten kann. Besonders muss hier darauf hingewiesen werden, dass zwar eine Kompensation vorgenommen wird. Diese führt jedoch nicht zu einem Verschwinden der Empfangssignale. Insbesondere bei starker Sonneneinstrahlung kann es daher zu einer Übersteuerung der Eingangsverstärker kommen. Der Untergrund wird hier in einem anderen Spektralbereich gemessen und von einem zweiten Spektralbereich abgezogen. Dies setzt voraus, dass hier eine mehr oder weniger konstante Korrelation vorliegt, was aber in der Regel nicht der Fall ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Es die Aufgabe der Erfindung, zusätzlich eine sichere Unterscheidung zwischen Schneematsch und einer nassen Straße bei gleichzeitiger Fremdlichtrobustheit herzustellen.
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Die sichere Unterscheidung zwischen Schneematsch und einer nassen Straße wird dabei durch ein System gemäß dem Anspruch 1 erreicht. Die Fremdlichtrobustheit wird ebenfalls durch ein System gemäß dem Anspruch 1 erreicht.
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Grundgedanke der Erfindung
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Es ist eine wesentliche Erkenntnis im Rahmen dieser Erfindung, dass Schneematsch und eine nasse Straße aufgrund der mikrokristallinen Struktur visuell unterschieden werden können. Dies ist auf die erhöhte Reflektivität des Schneematschs im optisch sichtbaren Wellenlängenbereich zurückzuführen. Aus diesem Grund muss der spektrale Bereich eines Straßensensors entsprechend der im Stand der Technik genannten Schriften, die ohne Ausnahme keine Wellenlänge kleiner als 800 nm verwenden und empfehlen, über den NIR Bereich so erweitert werden, dass der Bereich des visuellen Lichts miterfasst wird. Es ist die wesentliche Erkenntnis dieser, dass es Erfindung im Gegensatz zum Stand der Technik eben nicht ausreichend ist, nur den NIR Spektralbereich zu untersuchen.
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Es ist also zusätzlich zu den drei Bereichen, die beispielsweise in der Schrift L1 genannt sind, mindestens ein weiterer spektraler Bereich im Bereich von 800 nm bis 100 nm notwendig. Vorzugsweise sollten natürlich mehrere Bereiche untersucht werden. Da Schnee typischerweise eher im blauen Bereich reflektiert, ist es beispielsweise sinnvoll im Bereich von 300 nm bis 200 nm eine blaue LED als Sendediode oder einen geeigneten Detektor mit Filterscheibe zu benutzen.
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Ein solches Sensorsystem muss also über mindestens vier Messkanäle verfügen. Im Gegensatz zum Stand der Technik muss im Falle eines erfindungsgemäßen Systems jedoch mindestens einer der mindestens vier Messkanäle ein Messkanal im Bereich von 800 nm bis 100 nm sein. Jeder der mindestens vier Messkanäle liefert einen Messwert.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn ein Messkanal einen Reflexionswert der Straße innerhalb des elektromagnetischen Spektrums von in etwa 1750 nm bis 2250 nm erfasst, wobei der Wert von 1950 nm als gut geeignete Peak-Empfindlichkeit aus der Literatur (L1) bekannt ist.
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Des Weiteren ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn ein zweiter Messkanal einen Reflexionswert der Straße innerhalb des elektromagnetischen Spektrums von in etwa 1250 nm bis 1750 nm erfasst, wobei der Wert von 1550 nm als gut geeignete Peak-Empfindlichkeit aus der Literatur (L1) bekannt ist.
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Sodann ist es ebenfalls als besonders vorteilhaft bekannt, wenn ein dritter Messkanal einen Reflexionswert der Straße innerhalb des elektromagnetischen Spektrums von in etwa 750 nm bis 1250 nm erfasst, wobei der Wert von 960 nm als gut geeignete Peak-Empfindlichkeit aus der Literatur (L1) bekannt ist.
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Über diesen Stand der Technik hinaus und im Gegensatz zu diesem ist es jedoch zusätzlich besonders vorteilhaft, wenn ein erfindungsgemäßer vierter Messkanal einen Reflexionswert der Straße innerhalb des elektromagnetischen Spektrums von in etwa 100 nm bis 750 nm erfasst, wobei der Wert einer InGaN LED als Sender mit 420 nm als Sendewellenlänge in Kombination mit einer Fotodiode als besonders gut geeignet erscheint.
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Die Erfindung wird weiter zunächst anhand eines ersten Messkanals erläutert. Dessen Komponenten sind mit der Zahl 1 bezeichnet. Das Prinzip wird im Verlauf auf komplexere Systemstrukturen übertragen. Jeder Messkanal besteht aus einem Sender H1 und einem Empfänger D1. Der Sender H1 wird mit dem Speisesignal S5 eines Generators G1 betrieben. Der Sender sendet in eine erste Übertragungsstrecke I1 hinein, an deren Ende sich die zu vermessende Straße, das Objekt O1, befindet. Dieses reflektiert in eine zweite Übertragungsstrecke I2 hinein, an dessen Ende sich der Empfänger D1 befindet. Dieser wandelt das empfangene Signal S1 nach Durchgang und Modifikation durch die Übertragungsstrecken I1 und I2 und nach Reflektion am Objekt O1 in das Empfängerausgangssignal S1 um. Aus diesem erzeugt der Regler CT1 das Kompensationssendesignal S3 mit dem ein Kompensationssender K1 gespeist wird, der über eine typischerweise bekannte Übertragungsstrecke I3 ebenfalls in den Empfänger D1, vorzugsweise linear überlagernd einstrahlt. Hierbei wird der Regler CT1 so ausgestaltet, dass der Signalanteil des Empfängerausgangssignals S1, der proportional zum Sendesignal S5 ist, bis auf den unvermeidlichen Regelfehler und das unvermeidliche Systemrauschen Null ist.
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Aus der europäischen Patentanmeldung
EP 12174144.1 , deren Offenlegungsumfang und deren Ansprüche Teil dieser Anmeldung sein sollen, ist bekannt, dass mit Hilfe von Skalar-Produkten ein solcher Regler sehr einfach realisiert werden kann.
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Hierbei werden die Signale S1 und S5 als Vektoren aufgefasst. Durch Bildung des Skalar-Produkts zwischen S1 und S5 – man spricht auch von einer Hilbert-Projektion von S1 auf S5 – wird der Anteil von S5 in S1 bestimmt. Dies geschieht real durch Multiplikation des Signals S1 mit dem Signal S5 zum Signal S8 mit einer Multiplikationseinheit M1 und anschließende Filterung mit einem Filter F und/oder Integration. Dies entspricht einer Transformation des Signals S1 in den S5 Raum. Ein solches Skalar-Produkt zweier Signale S1 und S5 wird im Folgenden durch den Ausdruck <S1, S5> bezeichnet.
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Nach der Skalar-Produktbildung wird das so erhaltene Filterausgangssignal S9 zum Verstärkerausgangssignal S4 verstärkt.
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Dieses wird durch Multiplikation mit dem Signal S5 in den Zeit-Bereich zurück transformiert. Es ergibt sich das Kompensationsvorsignal S6, das durch Addition des optionalen Offsets B1 zum Kompensationssendesignal S3 wird.
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Im Folgenden wird ein System mit vier Messkanälen beschrieben. Die Verwendung von mehr Messkanälen ist möglich und äußerst sinnvoll, da hierdurch die Genauigkeit erhöht wird.
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Wird jeder Sender H1 bis H4 eines der vier Messkanäle mit jeweils einem Generator G1 bis G4 betrieben, und sind alle Regler CT1 bis CT4 gleich ausgelegt, so ist es besonders sinnvoll die Signale S5_1 bis S5_4 der Generatoren G1 bis G4 so auszulegen, dass für zwei beliebige Sendesignale S5_1 und S5_j mit 0 < i < 5 und 0 < j < 5 und i ≠ j gilt:
<S5_i, S5_j> = 0
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Zwei solche Signale sind orthogonal zueinander, da deren Skalar-Produkt Null ist.
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Dies hat den Vorteil, dass durch die Orthogonalität der Sendesignale S5_1 bis S5_4 die Kanäle durch die zugeordneten Regler CT_1 bis CT_4 getrennt werden können.
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In der Regel beschränkt sich die Abstrahlung jedes der Sender H1 bis H4 jedoch nicht auf einen spezifischen Wellenlängenbereich. Vielmehr werden sich die Abstrahlungsbereiche teilweise in unterschiedlicher Weise überlappen.
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Ebenso beschränkt sich in der Regel die Empfindlichkeit jedes der Empfänger D1 bis D4 nicht auf einen spezifischen Wellenlängenbereich. Vielmehr werden sich die Empfindlichkeitsbereiche der Empfänger ebenfalls teilweise in unterschiedlicher Weise überlappen.
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Es ergeben sich für das hier diskutierte vierkanalige Beispiel somit 4 × 4, also 16, Paarungen von Sendern H1 bis H4 mit Empfängern D1 bis D4. Es ist sinnvoll, für jedes dieser Paare aus einem Sender Hi und einem Empfänger Dj einen Regler CT_i_j vorzusehen (mit 0 < i < 5 und 0 < j < 5). Der Regler CT_i_j bildet das Skalar-Produkt aus dem Sendesignal S5_i des zugehörigen Senders Hi und dem Empfängerausgangssignal S1_j des zugehörigen Empfängers Dj. Somit werden im beispielhaften Fall eines Systems mit vier Sendern H1 bis H4, vier verschiedene Kompensationsvorsignale S6_i_j mit i von 1 bis 4 für den Empfänger Dj und den zugehörigen Kompensationssenden Kj gebildet. Um hieraus jeweils ein einzelnes Kompensationssignal S3_J bilden zu können, werden diese Signale S6_1_j bis S6_4_j und ein optionaler Offset B1_j zum Kompensationssignal S3_j summiert. Mit diesem wird der Kompensationssender Kj betrieben. Dieser strahlt typischerweise summierend in den Empfänger Dj ein. Hierdurch wird für den Empfänger Dj die Regelschleife geschlossen. Das beispielhafte System verfügt somit über vier Regelschleifen, wobei jede Regelschleife vier Regler aufweist.
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Jeder der Regler CT_i_j liefert ein Signal S4_i_j, das ein Ausgangssignal des Systems darstellt. Gleichzeitig werden die Regelparameter aller Regler CT_i_j typischerweise gleich gewählt und zwar in der Art, dass die jeweiligen Empfängerausgangssignale S1_j keine Anteile der Sendesignale S5_1, S5_2, S5_3 und S5_4 des beispielhaften Systems mehr aufweisen. Von den unvermeidlichen Regelfehlern und dem Systemrauschen sei hierbei abgesehen.
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Diese Vorgehen hat im Gegensatz zum Stand der Technik und insbesondere zur
WO 96264301 den Vorteil, dass das die Eingangsstufen der Regler nicht übersteuert werden, da das Eingangssignal, wenn kein Störer mit einer zu einem der S5_1 bis S5_4 korrelierten Signalanteil in einen der Empfänger D1 bis D4 einstrahlt, im Idealfall nur ein Gleichsignal ist. Das oben beschriebene Skalarprodukt im Regler ist daher Null und kann beliebig verstärkt werden, wodurch das System insbesondere im Gegensatz zum Stand der Technik sehr linear wird. Durch die Summation in den Empfängern D1 bis D4 ist das System gegen Verschmutzung resistent, was ebenfalls ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik ist. Eine Summation ist zwar auch in der
DE 19816004 A1 , insbesondere in deren
2 beschrieben, dort erfolgt die Summation aber nicht in der Art, dass die Überlagerung zweier Sendesignale ein Gleichsignal ergibt. Sind Störer mit von 0 Hz verschiedenen Frequenzanteilen vorhanden, so werden beim erfindungsgemäßen System zumindest die Signalanteile der Sendersignale eliminiert, was ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist. Außerdem führt die Linearisierung durch die große mögliche Verstärkung des verbleibenden Regelfehlers zu einer geringeren Temperaturdrift, was ebenfalls ein wesentlicher Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, in dem beispielsweise explizit die Verwendung eines Temperatursensors vorgeschlagen wird.
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Für die Realisierung des Straßenzustandssensors ist es vorteilhaft, das Spektrum von 100 nm bis 2000 nm in mindestens vier, beispielsweise gleich große Bereiche von ungefähr 500 nm einzuteilen. Die Reflektivitäten seinen mit R1 bis R4 bezeichnet. Diese spannen einen vierdimensionalen Raum auf. Der Strahlungsuntergrund wird in den verschiedenen Spektralbereichen als unterschiedlich angenommen. Das erfindungsgemäße System benötigt im Gegensatz zum Stand der Technik keine Annahme eines vergleichbaren Strahlungsuntergrundes, um eine Kompensation, wie beispielsweise in der
WO 9626430 , vornehmen zu können.
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Es ist nun besonders wichtig, dass das System durch zu einander orthogonale oder zumindest nicht kollineare Vektoren zu kalibrieren. Hierzu werden verschiedene Norm-Reflektionen mit dem System vermessen.
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Man erhält so eine 16×4 Kalibartionsmatrix, mit der die spektralen Messbereiche getrennt werden können.
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Eine andere Möglichkeit ist es, statistische Daten der 16-dimensionalen Ergebnisvektoren von Norm-Straßenzuständen in einer Datenbank mit Schwerpunkt und Streuung (Sigma) für jeden Norm-Straßenzustand abzulegen und durch die euklidische Bestimmung des gewichteten Abstands zwischen diesen Prototypen in besagter Datenbank und einem gemessenen und zu bewertenden Ausgangsvektor der S4_i_j Signale (mit 0 < i < 5 und 0 < j < 5) und anschließendem Vergleich dieses Abstands mit einem Schwellwert die Zuordnung zu einem dieser prototypischen Norm-Straßenzustände zu treffen.
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Abschließend sind noch einige Bemerkungen zur Wahl der Sender und Empfänger sinnvoll.
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Es ist besonders sinnvoll, wenn sich die Schwerpunkte der Abstrahlungsmaxima der Sender innerhalb des Spektralbereiches von 100 nm bis 2250 nm unterscheiden und möglichst gleichmäßig verteilen.
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Gleiches gilt für die Empfindlichkeitsschwerpunkte der Empfänger.
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Noch besser ist es, wenn die Empfindlichkeitsschwerpunkte der Empfänger sich von denen der Sender unterscheiden, wobei es jedoch für jeden Sender mindestens einen Empfänger geben muss, der dessen Strahlung empfangen kann und für jeden Empfänger mindestens einen Sender geben muss, der eine durch diesen empfangbare Strahlung aussendet.
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Als Letztes soll noch angegeben werden, inwieweit das System sich vereinfachen lässt.
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Je nach der gewünschten Reaktionsgeschwindigkeit des Systems ist es sinnvoll, statt eines Raummultiplex, im beispielhaften Fall durch 16 Regler realisiert, einen Zeitmultiplex durch wenige oder sogar nur einen Regler vorzusehen und durch Multiplexer die Sender und Empfänger dem Regler jeweils zuzuschalten.
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Schließlich sei noch erwähnt, dass die Anzahl der Sender nicht unbedingt 4 betragen muss, sondern auch kleiner oder größer sein kann.
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Auch die Anzahl der Empfänger muss nicht unbedingt 4 betragen, sondern auch kleiner oder größer sein kann.
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Wichtig ist, dass der Rang der Kalibrationsmatrix mindestens 4 beträgt, also mindestens 4 unabhängige Messkanäle bestehen, und dass diesen Messkanälen für die aufgabengemäße Verwendung als Straßenzustandssensor vier Spektralbereiche zugeordnet werden können.
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Es ist daher denkbar, dass
- • zwei Sender und zwei Empfänger ausreichend sein könnten oder
- • ein breitbandiger Empfänger und vier schmalbandige Sender oder
- • ein breitbandiger Sender und vier schmalbandige Empfänger.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Regler. Dieser wird im Folgenden mit CT1, CT2, CT3, CT4, CT_1_1, CT_1_2, CT_1_3, CT_1_4, CT_2_1, CT_2_2, CT_2_3, CT_2_4, CT_3_1, CT_3_2, CT_3_3, CT_3_4, CT_4_1, CT_4_2, CT_4_3 und CT_4_4 bezeichnet.
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Das am Anschluss b in den Regler eingespeiste Eingangssignal S1(t), typischerweise das Empfängerausgangssignal, wird mit dem am Anschluss a eingespeisten Sendesignal S5(t) im Multiplizierer M1 zum Ausgangssignal S8(t) multipliziert. Durch eine Filterung im Filter F werden die höheren Frequenzanteile weggefiltert. Es handelt sich beim Filter F typischerweise um ein Tiefpassfilter. Das Filter sollte typischerweise die Sendesignale S5(t) deutlich unterdrücken und Gleichanteile durchlassen. Die Bandbreite des Filters F bestimmt die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems. Eine Realisierung des Filters F als reiner Integrator ist möglich. Die Multiplikation M1 und die anschließende Filterung durch das Filter F bilden das Skalar-Produkt <S1(t), S5(t)> aus den beiden Signalen S1(t) und S5(t). Das Ergebnis dieses Skalar-Produktes ist das Filterausgangssignal S9(t). Es repräsentiert die Projektion des Eingangssignals S1(t) auf das Sendesignal S5(t) und gibt damit an, wie viel von S5(t) im Signal S1(t) enthalten ist. Das Filterausgangssignal S9(t) wird im Verstärker V1 zum Verstärkerausgangssignal S4(t) verstärkt. Dieses bildet gleichzeitig das Ausgangssignal. Es wird am Anschluss d ausgegeben.
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Das Signal S4(t) wird mit dem Sendesignal S5(t) multipliziert und durch Addition des am Anschluss c eingespeisten Kompensationsvorsignals S6v(t) des vorhergehenden Reglers zum Kompensationsvorsignal S6(t). Dieses wird am Anschluss e an den nachfolgenden Regler weitergegeben.
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2 zeigt ein beispielhaftes System unter Verwendung von vier Reglern CT1, CT2, CT3, CT4 gemäß 1. Ein Generator G1 erzeugt das Sendesignal S5 mit dem der breitbandige Sender H1 betrieben wird. Dieser strahlt in die schmalbandigen Empfänger D1, D2, D3 und D4 ein. Dabei wird dessen Strahlung zuvor an dem Messobjekt, beispielsweise der Straßenoberfläche, reflektiert. Dieses Messobjekt ist zur Vereinfachung und Übersichtlichkeit der Zeichnung nicht eingefügt. Die Empfänger werden durch eine Kombination aus einer Diode und einem Widerstand symbolisiert.
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Das Ausgangssignal S1_1 des Empfängers D1 ist mit dem Anschluss a des Reglers CT1 verbunden.
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Das Ausgangssignal S1_2 des Empfängers D2 ist mit dem Anschluss a des Reglers CT2 verbunden.
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Das Ausgangssignal S1_3 des Empfängers D3 ist mit dem Anschluss a des Reglers CT3 verbunden.
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Das Ausgangssignal S1_4 des Empfängers D4 ist mit dem Anschluss a des Reglers CT4 verbunden.
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Der Regler CT1 erzeugt ein Kompensationssignal S3_1 mit dem der Kompensationssender K1 gesteuert wird, der ebenfalls in den Empfänger D1 einstrahlt.
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Der Regler CT2 erzeugt ein Kompensationssignal S3_2 mit dem der Kompensationssender K2 gesteuert wird, der ebenfalls in den Empfänger D2 einstrahlt.
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Der Regler CT3 erzeugt ein Kompensationssignal S3_3 mit dem der Kompensationssender K3 gesteuert wird, der ebenfalls in den Empfänger D3 einstrahlt.
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Der Regler CT4 erzeugt ein Kompensationssignal S3_4 mit dem der Kompensationssender K4 gesteuert wird, der ebenfalls in den Empfänger D4 einstrahlt.
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Die Empfänger D1, D2, D3 und D4 empfangen also ein überlagertes Signal des jeweiligen Senders H1 bzw. H1, H3 oder H4 nach Durchgang durch die Übertragungsstrecke und Reflektion am Objekt und das Signal des Kompensationssender K1 bzw. K2, K3 oder K4. Diese Überlagerung ist vorzugsweise linear.
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Die Kompensationssignale S3_1, S3_2, S3_3 und S3_4 werden von den zugehörigen Reglern CT1, CT2, CT3 und CT4 in der Art erzeugt, dass die jeweiligen Empfängerausgangssignale S1_1, S1_2, S1_3 und S3_4 keine Anteile des Speisesignals S5 mehr bis auf solche, die auf die unvermeidlichen Regelfehler und das Systemrauschen zurückzuführen sind, enthalten.
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Die vier Regler CT1, CT2, CT3 und CT4 erzeugen die vier Ausgangssignale S4_1, S4_2, S4_3 und S4_4. Aus diesen erzeugt das Interface IF eine Aussage über den Straßenzustand.
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Beispielhaft sind Empfindlichkeitsmaxima für die verschiedenen Empfänger D1, D2, D3 und D4 angegeben. Solche Empfindlichkeitsmaxima können im einfachsten Fall durch Filterscheiben in Kombination mit geeigneten Detektoren erreicht werden.
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3 zeigt eine komplexere beispielhafte Vorrichtung mit vier Sendern H1 bis H4 mit unterschiedlichen Abstrahlungsschwerpunkten und vier Empfängern D1 bis D4 mit unterschiedlichen Empfindlichkeitsschwerpunkten.
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Die Zeichnung ist vereinfacht, um eine gewisse Übersicht zu ermöglichen.
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Jedem Sender Hi mit 0 < i < 5 ist ein Generator Gi zugeordnet. Die vier Generatoren G1 bis G4 erzeugen vier Sendesignale S5_1 bis S5_4. Diese sind zueinander bezüglich des in den Reglern CT_i_j (mit 0 < i < 5 und 0 < j < 5) realisierten Skalar-Produkts orthogonal.
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Es wird angenommen, dass jeder Sender H1 bis H4 in jeden Empfänger D1 bis D4 einstrahlt und dort auch ein mehr oder minder großes Signal S1_1 bis S1_4 erzeugt.
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Die Empfänger D1 bis D4 sind wieder durch die Kombination einer Diode und eines Widerstands symbolisiert.
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Zu jedem Paar aus Empfänger Ausgangssignal S1_i (mit 0 < i < 5) und Sendesignal S5_j (mit 0 < j < 5) ist ein Regler CT_i_j vorgesehen, der diese Signale durch das bereits besprochene Skalar-Produkt als Transformation verknüpft und die Rücktransformation durch Multiplikation mit S5_j vornimmt. Um nun ein Kompensationssignal S3_j zu erzeugen, wird in den ersten Regler CT_j_1 am Anschluss b das zugehörige Signal S1_j eingespeist. In der Zeichnung ist das so dargestellt, dass die Leitung am jeweils rechten Rand der Box, die den jeweiligen Regler darstellt, einen ausgefüllten schwarzen Kreis zeigt, was die Verbindung symbolisieren soll.
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Die jeweilige Leitung S1_j wird auf diese Weise mit den jeweiligen anderen drei Reglern CT_j_2, CT_j3 und CT_j_4 in 2 verbunden.
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Am jeweiligen Anschluss a wird jeweils das jeweilige Signal S5_1 in den jeweiligen Regler CT_j_1, das jeweilige Signal S5_2 in den jeweiligen Regler CT_j_2, das jeweilige Signal S5_3 in den jeweiligen Regler CT_j_3 und das jeweilige Signal S5_4 in den jeweiligen Regler CT_j_4 eingespeist.
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Darüber hinaus wird in den jeweiligen ersten Regler CT_j_1 am jeweiligen Anschluss c ein Masse-Signal eingespeist, da diese Regler jeweils keinen Vorgänger haben.
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Der jeweilige Anschluss e des jeweiligen Reglers CT_j_1 wird über die jeweilige Leitung S6_j_1 mit dem jeweiligen Anschluss c des jeweiligen Reglers CT_j_2 verbunden.
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Der jeweilige Anschluss e des jeweiligen Reglers CT_j_2 wird über die jeweilige Leitung S6_j_2 mit dem jeweiligen Anschluss c des jeweiligen Reglers CT_j_3 verbunden.
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Der jeweilige Anschluss e des jeweiligen Reglers CT_j_3 wird über die jeweilige Leitung S6_j_3 mit dem jeweiligen Anschluss c des jeweiligen Reglers CT_j_4 verbunden.
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Am jeweiligen Anschluss e des jeweiligen Reglers CT_j_4 wird aus dem jeweiligen Signal S6_j_4 durch Addition einer jeweiligen optionalen Konstante B1_j das jeweilige Kompensationssendesignal S3_j gebildet. Die jeweiligen Signale S5_j_4, die jeweiligen Addierer und die jeweiligen Konstanten B1_j sind zur besseren Übersichtlichkeit jeweils nicht eingezeichnet.
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Das jeweilige Kompensationssendesignal S3_j steuerte den jeweiligen Kompensationssender Kj, der in den jeweiligen Empfänger Dj überlagernd einstrahlt.
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Die Regelung durch die jeweiligen Regler CT_i_j erfolgt wieder in der Art, dass das jeweilige Empfängerausgangssignal S1_j keine Anteile des jeweiligen Sendesignals S5_i mehr enthält. Von den unvermeidlichen Regelfehlern und dem Systemrauschen wird hierbei in erster Näherung abgesehen.
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Jeder der Regler CT_i_j liefert nun ein zugehöriges Ausgangssignal S4_i_j. Diese werden an das Interface IF gegeben, wo sie ggf. nach Umformung durch die beschriebene Matrixmultiplikation oder direkt ausgegeben werde oder gelesen werden können.
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Diese komplexe und aufwendige Anordnung kann durch Zeitmultiplex vereinfacht werden.
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4 zeigt eine beispielhafte Anordnung dafür. Hierbei werden die Sender Hi weiterhin mit jeweils einem Signal S5_i betrieben. Allerdings werden nun die Empfänger Dj und die Kompensationssender Kj nacheinander an einen einzigen Regler CT1 geschaltet. Dabei werden die Ausgangssignale der Empfänger nacheinander auf das Signal S1 gelegt. Ist zwischen zwei Empfängerausgangssignalen auf diese Art umgeschaltet worden, so werden nach einander die Sendesignale S5_i durch einen Multiplexer auf das Signal S5 gelegt und die Messung durchgeführt. Ist der Durchgang für die vier Sendesignale beendet, so wird das nächste Empfängerausgangssignal auf die Leitung S1 gelegt und so fort, bis der Zyklus von neuem beginnt.
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Mit jeder neuen Konfigurationseinstellung über die beiden Muxe nimmt das Signal S4 einen neuen Wert, den Messwert, an, der einer der Leitungen S4_i_j aus 3 entspricht.
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Der Vorteil diese Anordnung ist die Ressourcenschonung. Der Nachteil ist die geringere Geschwindigkeit.
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Die Steuerung der Muxe erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Logik im Interface IF.
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Liste der wichtigsten Bezugszeichen
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- B1
- optionaler Offset
- B1_1
- erster optionaler Offset
- B1_2
- zweiter optionaler Offset
- B1_3
- dritter optionaler Offset
- B1_4
- vierter optionaler Offset
- CT1
- erster Regler
- CT2
- zweiter Regler
- CT3
- dritter Regler
- CT4
- vierter Regler
- D1
- erster Empfänger
- D2
- zweiter Empfänger
- D3
- dritter Empfänger
- D4
- vierter Empfänger
- F
- Filter (typischerweise ein Tiefpassfilter)
- G1
- erster Signalgenerator
- G2
- zweiter Signalgenerator
- G3
- dritter Signalgenerator
- G4
- vierter Signalgenerator
- H1
- erster Sender
- H2
- zweiter Sender
- H3
- dritter Sender
- H4
- vierter Sender
- I1
- erste Übertragungsstrecke vom Sender H1 zum Objekt O1
- I2
- zweite Übertragungsstrecke vom reflektierenden Objet zum Empfänger D1
- I3
- dritte Übertragungsstrecke vom Kompensationssender K1 zum Empfänger D1
- K1
- Kompensationssender
- M1
- Multiplikationseinheit
- O1
- Zu vermessendes Objekt (Straßenoberfläche)
- S1
- Empfängerausgangssignal
- S3
- Kompensationssendesignal
- S4
- Verstärkerausgangssignal
- S5
- Speisesignal des Senders
- S5_1
- Speisesignal des Senders des Generators G1
- S5_2
- Speisesignal des Senders des Generators G2
- S5_3
- Speisesignal des Senders des Generators G3
- S5_4
- Speisesignal des Senders des Generators G4
- S6
- Kompensationsvorsignal
- S8
- Multiplikationsausgangssignal
- S9
- Filterausgangssignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004001046 B4 [0007, 0007]
- DE 19816004 A1 [0008, 0008, 0033]
- WO 96264301 [0009, 0010, 0033]
- EP 12174144 [0021]
- WO 9626430 [0034]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Jonsson, P. ”Remote sensor for winter road surface status detection”, Sensors, 2011 IEEE, Digital Object Identifier: 10.1109/ICSENS.2011.6127089, 2011, Page(s): 1285–1288 [0002]
