DE102017101259B4 - Optischer Sensor zur Vermessung der optischen Reflexionseigenschaften eines Objekts und/oder der Transmissionseigenschaften einer Übertragungsstrecke für die Verwendung in Kfz - Google Patents

Abstract

Optischer Sensor zur Vermessung der optischen Reflexionseigenschaften eines Objekts (O) und/oder der Transmissionseigenschaften einer Übertragungsstrecke (l1, I2, I3, I4) unter Ermittlung eines Messwertes, gekennzeichnet durcha. einen ersten Signalgenerator (G1), der ein Sendesignal (S9) erzeugt,b. einen ersten optischen Sender (H1)c. zur Aussendung eines ersten optischen Signals (s1) durch diesen ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine erste und/oder zweite Übertragungsstrecke (l1, I2),d. wobei die erste und/oder zweite Übertragungsstrecke (l1, I2) ein Objekt (O) enthalten kann unde. wobei des erste optische Signal (s1) beim Durchgang durch die erste und/oder zweite Übertragungstrecke (I1, I2) zu einem zweiten optischen Signal (s2) modifiziert wird, undf. zur Aussendung eines dritten optischen Signals (s3) durch diesen ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine dritte und/oder vierte Übertragungsstrecke (I3, I4),g. wobei die dritte und/oder vierte Übertragungsstrecke (l1, I2) das Objekt (O) und/oder ein weiteres Objekt (O2) enthalten kann undh. wobei des dritte optische Signal (s3) beim Durchgang durch die dritte und/oder vierte Übertragungstrecke (I3, I4) zu einem vierten optischen Signal (s4) modifiziert wird, undi. einen ersten Empfänger (D1), der ein zweites optisches Signal (s2) am Ausgang der zweiten Übertragungsstrecke (I2) empfängt und ein erstes Empfängerausgangssignal (S0A) in Abhängigkeit von dem zweiten optischen Signal (s2) erzeugt, undj. einen zweiten Empfänger (D2), der ein viertes optisches Signal (s4) am Ausgang der vierten Übertragungsstrecke (I4) empfängt und ein zweites Empfängerausgangssignal (S0B) in Abhängigkeit von dem vierten optischen Signal (s4) erzeugt;k. eine erste Multiplikationsvorrichtung (M1A), die ein erstes Empfängerausgangssignal (S0A) oder ein davon abhängigen Signal (S1A, S2A) mit dem Sendesignal (S9) in zu einem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3A) multipliziert;l. eine zweite Multiplikationsvorrichtung (M1B), die ein zweites Empfängerausgangssignal (S0B) oder ein davon abhängiges Signal (S1B, S2B) mit dem Sendesignal (S9) zu einem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3B) multipliziert;m. eine dritte Multiplikationsvorrichtung (M3), die in Abhängigkeit von einem Rückkopplungssignal (S8) zwischen dem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3A) und dem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3B) zur Bildung eines Filtereingangssignals (S4) umschaltet oder umsteuert, wobei dieses Umsteuern auch stufenweise oder fließend durch ein zum einen wertdiskretes oder wertkontinuierliches und zum anderen zeitdiskretes oder zeitkontinuierliches Rückkopplungssignal (S8) erfolgen kann;n. einen Filter (F1), der das Filtereingangssignal (S4) zu einem Filterausgangssignal (S5) filtert;o. eine Spiegelungseinheit (INV1), die das Filterausgangssignal (S5) mit dem Wert (‐1) multipliziert, wobei die Spiegelungseinheit (INV1) das besagte Rückkopplungssignal (S8) erzeugt;p. wobei die Amplitude und/oder die mittlere Amplitude des Filterausgangssignals (S5) den Messwert darstellen, und/oder wobei die Amplitude und/oder die mittlere Amplitude des Rückkopplungssignals (S8) den Messwert oder einen weiteren Messwert darstellen.

Description

• Einleitung
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von Wassertropfen auf der Windschutzscheibe eines Kfz. Hierzu sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen bekannt, die die optische Reflexion auswerten. Diese weisen aber meist mehr als eine Leuchtdiode als Lichtquelle auf.
• Aus der DE 11 2014 000 494 T5 , der DE 198 03 694 C1 und der EP 2 602 635 B1 ist in der Zusammenschau ein Verfahren zur optisch quantitativen Detektion von Wasser auf der Scheibe eines Kraftfahrtzeuges bekannt, bei dem die optischen Reflexionseigenschaften eines Objekts (O), insbesondere von Wassertropfen, und/oder der Transmissionseigenschaften einer Übertragungsstrecke (I1, I2, I3, I4) unter Ermittlung eines Messwertes erfasst werden. Ein solchermaßen aus dem Stand der Technik zusammenstellbares Verfahren würde folgende Schritte umfassen:
1. a. Erzeugung eines Sendesignals (S9) durch einen ersten Signalgenerator (G1),
2. b. Aussenden eines ersten optischen Signals (s1) durch einen ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine erste Übertragungsstrecke (I1);
3. c. Reflexion des ersten optischen Signals (s1) nach Durchlaufen der ersten Übertragungsstrecke an dem Objekt (O) als zweites optisches Signal (s2) in eine zweite Übertragungsstrecke (I2) hinein;
4. d. Gleichzeitiges Aussenden eines dritten optischen Signals (s3) durch den ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine dritte Übertragungsstrecke (I3);
5. e. Reflexion des dritten optischen Signals (s3) nach Durchlaufen der dritten Übertragungsstrecke (I3) an dem Objekt (O) oder einem zweiten davon beabstandeten Objekt (O2) als viertes optisches Signal (s4) in eine vierte Übertragungsstrecke (I4) hinein;
6. f. Empfang des zweiten optischen Signals (s2) am Ausgang der zweiten Übertragungsstrecke (I2) durch einen ersten Empfänger (D1) und Erzeugung eines ersten Empfängerausgangssignals (S0A) in Abhängigkeit von dem zweiten optischen Signal (s2);
7. g. Empfang des vierten optischen Signals (s4) am Ausgang der vierten Übertragungsstrecke (I4) durch einen zweiten Empfänger (D2) und Erzeugung eines zweiten Empfängerausgangssignals (S0B) in Abhängigkeit von dem vierten optischen Signal (s4);
• Dabei erfordert die EP 2 602 635 B1 mehr als eine LED und verfügt nur über einen Empfänger. Daher ist die EP 2 602 635 B1 nicht zur Verwendung mit einem Fotodioden-Array geeignet.
• Aus der DE 198 03 694 C1 ist ein Bildverarbeitungssystem bekannt, bei dem zwei Kamerabilder zur Auswertung der Scheibenbenetzung herangezogen werden (siehe 1, 2 der DE 198 03 694 C1 ).
• Die Ermittlung eines Differenzbildes (siehe Anspruch 1 der DE 198 03 694 C1 ) führt zu einem massiv erhöhten Hardware-Aufwand und damit zu erhöhtem Kosten- und Energieaufwand.
• Das aus der DE 11 2014 000 494 T5 bekannte Verfahren arbeitet mit mehreren Sendern und einem Empfänger und scheidet daher auch aus, da die Verwendung eines einzelnen Senders und eines Empfangs-Arrays nicht vorgeschlagen wird. Es sollen aber unterschiedliche Messpfade verglichen werden, um ein Messsignal zu erhalten.
• Aufgabe der Erfindung
• Aufgabe der Erfindung ist die Ermittlung eines Messwertes in Abhängigkeit von der Benetzung der Frontscheibe des Kfz.
• Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
• Beschreibung der Erfindung
• Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass mit dem folgenden Verfahren sehr leicht ein Messwert ermittelt werden kann, der die Benetzung der Frontscheibe mit Wasser widerspiegelt.
• Der Generator (G1) erzeugt das Sendesignal (S9). Ein erster Sender (H1) erzeugt in Abhängigkeit von diesem Sendesignal (S9) ein erstes optisches Signal (s1), das er in eine erste Übertragungsstrecke (11) hineinsendet. Dies kann linearisiert durch die folgende Gleichung angenähert werden: $$s1=h_0+h_{1}S9$$

  
• Ein zweiter Sender (H2) erzeugt in Abhängigkeit von diesem Sendesignal (S9) ein drittes optisches Signal (s3), das er in eine dritte Übertragungsstrecke (I3) hineinsendet. Dies kann linearisiert durch die folgende Gleichung angenähert werden: $$s3=h_0+h_{1}S9$$

  
• Ein erstes Objekt (O) reflektiert das erste optische Signal (s1) nach Austritt aus der ersten Übertragungsstrecke (I1) in eine zweite Übertragungsstrecke (I2) als zweites optisches Signal (s2) hinein.
• Dies kann linearisiert durch die folgende Gleichung angenähert werden: $$s2=t_0+t_{1}s1$$

  
• Ein zweites Objekt (O2) reflektiert das dritte optische Signal (s3) nach Austritt aus der dritten Übertragungsstrecke (I3) in eine vierte Übertragungsstrecke (I4) als viertes optisches Signal (s4) hinein.
• Dies kann linearisiert durch die folgende Gleichung angenähert werden: $$s4=t_0+t_{1}s3$$

  

  Hierbei nehmen wir vereinfachend an, dass die Reflexionseigenschaften des ersten Objekts (O) und zweiten Objekts (O2) übereinstimmen, ohne die Offenbarung auf diesen Fall zu beschränken. Dem Fachmann wird es ein leichtes sein, die analogen Berechnungen für den Fall ungleicher Reflexionseigenschaften der relevanten Oberflächen des ersten Objekts (O) und des zweiten Objekts (O2) durchzuführen. Auch wird dem Fachmann klar sein, dass diese Modifikationen durch die Faktoren t₀ und t₁ auch genutzt werden können, um beispielsweise ergänzend oder alternativ die Übertragungseigenschaften einer oder mehrerer Übertragungsstrecken zu beschreiben. Insgesamt können die sechs Elemente (erstes optisches Signal s1, zweites optisches Signal s2, drittes optisches Signal s3, viertes optisches Signal s4, erstes Objekt O, zweites Objekt O2) somit für die einfache Linearisierung durch 3x6=18 Parameter beschrieben werden, was hier zur Vereinfachung im Folgenden nicht berücksichtigt wird, um die Sache nicht zu verkomplizieren.
• Das Objekt (O) ist typischerweise gleich der Frontscheibe des Kfz mit den Wassertropfen darauf.
• Das zweite optische Signal (s2) tritt aus der zweiten Übertragungsstrecke (I2) aus und wird durch einen ersten Empfänger (D1) zum ersten Empfängerausgangssignal (S0_A ) gewandelt. Dies kann durch die folgende Gleichung linearisiert angenähert werden: $$S{0}_A=d_0+d_{1}s2$$

  
• Das vierte optische Signal (s4) tritt aus der vierten Übertragungsstrecke (I4) aus und wird durch einen zweiten Empfänger (D2) zum zweiten Empfängerausgangssignal (S0_B ) gewandelt. Die kann durch die folgende Gleichung linearisiert angenähert werden: $$S{0}_B=d_0+d_{1}s4$$

  
• Hierbei nehmen wir wieder vereinfachend an, dass der erste Empfänger (D1) und der zweite Empfänger (D2) Linearisierungsparameter aufweisen, die sich bezüglich der Anwendung nur unwesentlich unterscheiden und damit als gleich angenommen werden können. Dem Fachmann wird es ein leichtes sein, die entsprechende Berechnung für den Fall der Ungleichheit durchzuführen.
• Es folgt die Multiplikation des ersten Empfängerausgangssignals (S0_A ) oder eines davon abhängigen Signals (S1_A , S2_A ) mit dem Sendesignal (S9) in einer ersten Multiplikationsvorrichtung (M1_A ) zu einem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3_A ). Dies kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden: $$S{3}_A=S{0}_{A}S9$$

  
• Ebenso folgt die Multiplikation des zweiten Empfängerausgangssignals (S0_B ) oder eines davon abhängigen Signals (S1_B , S2_B ) mit dem Sendesignal (S9) in einer zweiten Multiplikationsvorrichtung (M1_B ) zu einem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3_B ). Dies kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden: $$S{3}_B=-S{0}_{A}S9$$

  
• Nun wird in Abhängigkeit von einem später erläuterten Rückkopplungssignal (S8) zwischen dem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3_A ) und dem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3_B ) durch eine dritte Multiplikationsvorrichtung (M3) umgeschaltet und hierdurch ein Filtereingangssignal (S4) gebildet. Ggf. kann dieses Umschalten abrupt durch einen Umschalter oder stufenweise oder sogar fließend erfolgen. Dieses Umschalten kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: $$S4=S{3}_{A}S8+S{3}_B\left(1-S8\right)$$

  

  Hierbei haben wir angenommen, dass die Maximalamplitude des Rückkopplungssignals (S8) 1 und die Minimalamplitude 0 ist.
• Im nächsten Schritt erfolgt die Filterung des Filtereingangssignals (S4) durch einen linearen Filter (F1) zu einem Filterausgangssignal (S5). Ein Filter (F1) ist im Sinne dieser Offenbarung dann linear, wenn für zwei beliebige Filtereingangssignale A(t) und B(t) und eine beliebige Konstante α gilt: $$\begin{array}{c}F\left[A\left(t\right)+B\left(t\right)\right]=F\left[A\left(t\right)\right]+F\left[B\left(t\right)\right]\\ F\left[\alpha A\left(t\right)\right]=\alpha F\left[A\left(t\right)\right]\end{array}$$

  
• Dementsprechend kann die Wirkung des Filters (F1) auf das Filtereingangssignal (S4) beschrieben werden durch die Gleichung $$S5=F\left[S4\right]$$

  
• Dann folgt in dieser Realisierung der Erfindung die Analog-zu-Digital-Wandlung des Filterausgangssignals (S5) durch einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) zu einem wertdiskreten Filterausgangssignal (S6). Hierbei entsteht ein Digitalisierungsfehler E. Daher kann dieser Schritt beschrieben werden durch: $$S6=S5+\frac{E}{n}$$

  
• Dabei gibt n die Bit-Breite des wertdiskreten Filterausgangssignals (S6) an.
• Es folgt das Synchronisieren des wertdiskreten Filterausgangssignals (S6), insbesondere durch ein mit dem Sendesignal (S9) getaktetes Flipflops (FF) oder ein mit dem Sendesignal (S9) getaktetes Register, zum synchronisierten Filterausgangssignal (S7). Die Bit-Breite des Registers richtet sich dabei nach der Bit-Breite des wertdiskreten Filterausgangssignals (S6). Das synchronisierte Filterausgangssignal (S7) ist somit ein zeitdiskretes Signal. Dies erfolgt typischerweise mit einer steigenden und/oder fallenden Flanke des Sendesignals (S9).
• Zur Vereinfachung vernachlässigen wir hier den Einfluss dieses zeitlichen Diskretisierungsschrittes und nehmen an, dass er bereits in dem Wert E enthalten ist: $$S7=S6$$

  
• Schließlich wird eine Multiplikation des Filterausgangssignals (S7) mit dem Wert (-1) durch eine Spiegelungseinheit (INV1) und ggf. Digital-zu-Analog-Wandlung durchgeführt, wobei die Spiegelungseinheit (INV1) das Rückkopplungssignal (S8) erzeugt.
• Dies kann beschrieben werden durch: $$S8=\left(1-S7\right)$$

  
• Sofern man sich nur auf Kleinsignal werte beschränkt kann hier auch $$S8=-S7$$

  
• Verwendet werden, was zum gleichen Ergebnis führt. Es kommt also nur auf die Multiplikation des Wertes mit -1 an, die in der affinen Abbildung der vorhergehenden Formel auch enthalten ist. Die Erfindung umfasst also nicht nur die Multiplikation des absoluten Wertes von S8 mit -1, sondern auch die Multiplikation eines Kleinsignals S8 oder eines entsprechenden Signalanteils mit -1. Durch eine entsprechend hohe Verstärkung kann die Äquivalenz der vorletzten mit der letzten Gleichung hinsichtlich ihrer technischen Wirkung erreicht werden, wie im Folgenden Abschnitt ausgeführt wird.
• Die Formeln werden zur besseren Übersichtlichkeit hier noch einmal aufgelistet: $$\begin{array}{c}1.s1=h_0+h_{1}S9\\ 2.s3=h_0+h_{1}S9\\ 3.s2=t_{0A}+t_{1A}s1\\ 4.s4=t_{0B}+t_{1B}s3\\ 5.S{0}_A=d_0+d_{1}s2\\ 6.S{0}_B=d_0+d_{1}s4\\ 7.S{3}_A=S{0}_{A}S9\\ 8.S{3}_B=-S{0}_{B}S9\\ 9.S4=S{3}_{A}S8+S{3}_B\left(1-S8\right)\\ 10.S5=F\left[S4\right]\\ 11.S6=S5+\frac{E}{n}\\ 12.S7=S6\\ 13.S8=\left(1-S7\right)\end{array}$$

  
• Kombination von Gleichung 1 mit Gleichung 3, 2 mit 4, 5 mit 7, 6 mit 8, 9 mit 10, 10 mit 11, 12 mit 13 ergibt: $$\begin{array}{c}1.s2=t_{0A}+t_{1A}\left(h_0+h_{1}S9\right)\\ 2.s4=t_{0B}+t_{1B}\left(h_0+h_{1}S9\right)\\ 3.S{3}_A=\left(d_0+d_{1}s2\right)S9\\ 4.S{3}_B=-\left(d_0+d_{1}s4\right)S9\end{array}$$

  

  $$5.S8=1-F\left[S{3}_{A}S8+S{3}_B\left(1-S8\right)\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Weitere Kombination führt auf: $$S8=1-F\left[\left(\left(d_0+d_1\left(t_{0A}+t_{1A}\left(h_0+h_{1}S9\right)\right)\right)S9\right)S8+\left(-\left(d_0+d_1\left(t_{0B}+t_{1B}\left(h_0+h_{1}S9\right)\right)\right)S9\right)\left(1-S8\right)\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Ausmultiplizieren ergibt: $$S8=1-F\left[\begin{array}{l}{d}_{0}S9S8+d_1{t}_{0A}+d_1{t}_{1A}{h}_{0}S9S8+d_1{t}_{1A}{h}_{1}S9S9S8\hfill \\ -d_{0}S9-d_1{t}_{0B}S9-d_1{t}_{1B}{h}_{0}S9-d_1{t}_{1B}{h}_{1}S9S9\hfill \\ +d_{0}S9S8+d_1{t}_{0B}S9S8+d_1{t}_{1B}{h}_{0}S9S8+d_1{t}_{1B}{h}_{1}S9S9S8\hfill \end{array}\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Dies ist gleich $$S8=1-F\left[\begin{array}{l}{d}_{0}S9\left(2S8-1\right)+d_1\left(t_{0A}+t_{0B}\right)S9S8+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{0}S9S8+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}S9S9S8\hfill \\ -d_1{t}_{0B}S9-d_1{t}_{1B}{h}_{0}S9-d_1{t}_{1B}{h}_{1}S9S9\hfill \end{array}\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Der Filter wird nun so eingestellt, dass er nur Frequenzen unterhalb der Frequenz des Sendesignals S9 durchlässt.
• Es gilt also $$0=F\left[S9\right]$$

  
• Das Rückkoppelsignal S8 wird als im eingeschwungenen Zustand nahezu konstant angesehen und wird daher durchgelassen.
• Damit finden wir vereinfacht: $$S8=1-F\left[d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}S9S9S8-d_1{t}_{1B}{h}_{1}S9S9\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Da das Rückkoppelsignal S8 als nahezu konstant angenommen wird, kann es vor das Filter gezogen werden. Wir erhalten: $$S8=1-d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]S8+d_1{t}_{1B}{h}_{1}F\left[S9S9\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Dies kann umgeformt werden zu: $$S8\left(1+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]\right)=1+d_1{t}_{1B}{h}_{1}F\left[S9S9\right]-\frac{E}{n}$$

  
• Dies kann umgeformt werden zu: $$S8=\frac{1+d_1{t}_{1B}{h}_{1}F\left[S9S9\right]}{1+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]}-\frac{E}{n\left(1+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]\right)}$$

  
• Dies ist für sehr große h₁ oder Verstärkungen äquivalent zu $$S8\approx \frac{d_1{t}_{1B}{h}_{1}F\left[S9S9\right]}{d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]}-\frac{E}{n\left(1+\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]\right)}$$

  
• Und damit zu $$S8\approx \frac{t_{1B}}{t_{1A}+t_{1B}}-\frac{E}{n\left(1+d_1\left(t_{1A}+t_{1B}\right)h_{1}F\left[S9S9\right]\right)}$$

  
• Durch geeignete Auslegung hinsichtlich Verstärkung h₁ und Bitbreite n kann der Einfluss des Quantisierungsfehlers E minimiert werden.
• Es verbleibt für den Fall einer ausreichend großen Signalamplitude die Beziehung $$S8\approx \frac{t_{1B}}{t_{1A}+t_{1B}}$$

  
• Die Vorrichtung ist also geeignet, den relativen Anteil des vom Objekt (O) über die dritte Übertragungsstrecke (I3) und die vierte Übertragungsstrecke (I4) erhaltenen optischen Signals am gesamten optischen Signal in Form des synchronisierten Filterausgangssignals (S7) zu ermitteln.
• Dem Fachmann ist offenbar, dass die zeitliche und wertmäßige Diskretisierung (Digitalisierung) nicht unbedingt notwendig ist und an verschiedenen Stellen im Signalpfad erfolgen kann. Auch ist es denkbar, die Digitalisierung direkt in den Empfangselementen vorzunehmen und den gesamten folgenden Signalpfad digitalisiert auszuführen. Die Signale können daher auch als Variablenwerte eines Programms aufgefasst werden, dass in einem Signalprozessor ausgeführt wird.
• Ggf. kann daher das Filterausgangssignal (S5) mit -1 multipliziert werden und direkt als Rückkoppelsignal (S8) verwendet werden. In dem Fall muss der dritte Multiplizierer (M3) in der Lage sein, dieses Rückkoppelsignal (S8) zu verarbeiten. In dem Fall wird das Filterausgangssignal (S5) an Stelle des synchronisierten Filterausgangssignals als Messwert verwendet.
• Das Filtern des Filtereingangssignals (S4) durch den Filter (F1) zu einem Filterausgangssignal (S5) erfolgt vorzugsweise durch eine Tiefpassfilterung mit einer Grenzfrequenz f_g , wobei der Tiefpassfilter auch ein Integrator sein kann. Damit die Filterbedingungen, die oben erläutert wurden, gelten ist das Sendesignal (S9) ein Sendesignal mit einer unteren Grenzfrequenz f_u und es gilt für die Beträge dieser Grenzfrequenzen: f_g<f_u.
• Figurenliste
• 1 zeigt das Signalschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schalter als dritten Multiplizierer M3
• 2 zeigt das Signalschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem n-bit-breiten Rückkoppelsignal (S8) zur Steuerung des dritten Multiplizierers M3
• Bezugszeichenliste

D1

erster Empfänger

D2

zweiter Empfänger

G1

Signalgenerator

H1

erster Sender

H2

zweiter Sender

F1

Filter, vorzugsweise ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz f_g oder ein Integrator

f_g

Grenzfrequenz des Tiefpassfilters (Filter F1)

f_u

untere Grenzfrequenz des Sendesignals (S9).

f_o

obere Grenzfrequenz des Sendesignals (S9). Vorzugsweise ist die obere Grenzfrequenz f_o kleiner als die doppelte untere Grenzfrequenz f_u .

FF

Synchronisier-Vorrichtung, vorzugsweise ein Flipflop. Im Falle eines n-bit-breiten wertdiskreten Filterausgangssignals (S6) kann es sich auch um ein Register, beispielsweise aus mehreren Flip-Flops handeln.

11

erste Übertragungsstrecke

12

zweite Übertragungsstrecke

13

dritte Übertragungsstrecke

14

vierte Übertragungsstrecke

INV1

Spiegelungseinheit, vorzugsweise ein Inverter

M1_A

erste Multiplikationsvorrichtung

M1_B

zweite Multiplikationsvorrichtung

M3

dritte Multiplikationsvorrichtung zum Umschalten (bei Realisierung als Schalter) oder stufenweisen oder kontinuierlichem Umsteuern zwischen dem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3_A ) und dem zweiten multiplizierten Zwischensignals (S3_B ) zur Bildung eines Filtereingangssignals (S4), wobei der Begriff Umschalten hier alle Arten des Umsteuerns mit einer streng monotonen Abhängigkeitsfunktion der Anteile des ersten multiplizierten Zwischensignals (S3_A ) und des zweiten multiplizierten Zwischensignals (S3_B ) an dem Filtereingangssignal (S4) in Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal (S8) umfasst. Das dermaßen breit aufgefasste Umschalten erfolgt in Abhängigkeit von dem besagten Rückkopplungssignal (S8). Die Realisierung eines mit einem ein-bit-breiten digitalen Rückkopplungssignal (S8) gesteuerten Schalters (z.B. eines Transfer-Gates) ist besonders bevorzugt.

O

Objekt (z.B. Windschutzscheibe mit Wassertropfen)

O2

ggf. zweites Objekt

S0_A

erstes Empfängerausgangssignal

S0_B

zweites Empfängerausgangssignal

s1

erstes optisches Signal

S1_A

erstes Eingangsverstärkerausgangssignal

S1_B

zweites Eingangsverstärkerausgangssignal

s2

zweites optisches Signal

S2_A

erstes Eingangsfilterausgangssignal

S2_B

zweites Eingangsfilterausgangssignal

s3

drittes optisches Signal

S3_A

erstes multipliziertes Zwischensignal

S3_B

zweites multipliziertes Zwischensignal

s4

viertes optisches Signal

S4

Filtereingangssignal

S5

Filterausgangssignal (Dieses spiegelt einen möglichen Messwert wider.)

S6

wertdiskretes Filterausgangssignal (Dieses spiegelt einen möglichen Messwert wider.) Das wertdiskrete Filterausgangssignal ist typischerweise, aber nicht notwendigerweise zeitkontinuierlich.

S7

synchronisiertes Filterausgangssignal (Dieses spiegelt einen möglichen Messwert wider.) Das synchronisierte Filterausgangssignal ist typischerweise wert- und zeitdiskret.

S8

Rückkoppelsignal(Dieses spiegelt einen möglichen Messwert wider.)

S9

Sendesignal. Das Sendesignal ist bevorzugt monofrequent oder bandbegrenzt mit einer unteren betragsmäßigen Grenzfrequenz f_u und einer oberen betragsmäßigen Grenzfrequenz f_o . Für die Beträge dieser Grenzfrequenzen gilt vorzugsweise:(|f₀-f_u|)<|f_g|<|f_u| . Vorzugsweise handelt es sich um ein PWM Signal mit 50% Duty-Cycle. Die Verwendung von PCM Signalen ist möglich. In dem Fall ist aber Sorge zu tragen, dass die Synchronisierung im Flipflop (FF) immer nur am Ende eines PCM-Codes erfolgt. Der PCM-Code sollte einen Füllfaktor von 50% haben. Das ist die zeitliche 1-Fläche im Vergleich zur zeitlichen 0-Fläche bezogen auf die Dauer der Aussendung des betreffenden PCM-Codes. Auch ist die Verwendung von bandbegrenzten Zufallssignalen möglich. In dem Fall muss ein Tiefpassfilter ähnlich dem Filter (F1) vorgesehen werden, das das Quadrat des Sendesignals filtert, und die mittlere Amplitude subtrahiert. Bei den dann folgenden Nulldurchgängen des Signals kann eine Synchronisierung erfolgen. In ähnlicher Weise können PFM-Modulationsverfahren etc. benutzt werden, wenn die Synchronisierung in der Synchronisier-Vorrichtung nur dann erfolgt, wenn die bis dahin pro Zeiteinheit ausgesendete Lichtmenge dem Zielwert, typischerweise 50%, entspricht.

Claims (4)

1. Optischer Sensor zur Vermessung der optischen Reflexionseigenschaften eines Objekts (O) und/oder der Transmissionseigenschaften einer Übertragungsstrecke (l1, I2, I3, I4) unter Ermittlung eines Messwertes, gekennzeichnet durch a. einen ersten Signalgenerator (G1), der ein Sendesignal (S9) erzeugt, b. einen ersten optischen Sender (H1) c. zur Aussendung eines ersten optischen Signals (s1) durch diesen ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine erste und/oder zweite Übertragungsstrecke (l1, I2), d. wobei die erste und/oder zweite Übertragungsstrecke (l1, I2) ein Objekt (O) enthalten kann und e. wobei des erste optische Signal (s1) beim Durchgang durch die erste und/oder zweite Übertragungstrecke (I1, I2) zu einem zweiten optischen Signal (s2) modifiziert wird, und f. zur Aussendung eines dritten optischen Signals (s3) durch diesen ersten optischen Sender (H1) in Abhängigkeit von dem ersten Sendesignal (S9) in eine dritte und/oder vierte Übertragungsstrecke (I3, I4), g. wobei die dritte und/oder vierte Übertragungsstrecke (l1, I2) das Objekt (O) und/oder ein weiteres Objekt (O2) enthalten kann und h. wobei des dritte optische Signal (s3) beim Durchgang durch die dritte und/oder vierte Übertragungstrecke (I3, I4) zu einem vierten optischen Signal (s4) modifiziert wird, und i. einen ersten Empfänger (D1), der ein zweites optisches Signal (s2) am Ausgang der zweiten Übertragungsstrecke (I2) empfängt und ein erstes Empfängerausgangssignal (S0A) in Abhängigkeit von dem zweiten optischen Signal (s2) erzeugt, und j. einen zweiten Empfänger (D2), der ein viertes optisches Signal (s4) am Ausgang der vierten Übertragungsstrecke (I4) empfängt und ein zweites Empfängerausgangssignal (S0B) in Abhängigkeit von dem vierten optischen Signal (s4) erzeugt; k. eine erste Multiplikationsvorrichtung (M1_A), die ein erstes Empfängerausgangssignal (S0_A) oder ein davon abhängigen Signal (S1_A, S2_A) mit dem Sendesignal (S9) in zu einem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3_A) multipliziert; l. eine zweite Multiplikationsvorrichtung (M1_B), die ein zweites Empfängerausgangssignal (S0_B) oder ein davon abhängiges Signal (S1_B, S2_B) mit dem Sendesignal (S9) zu einem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3_B) multipliziert; m. eine dritte Multiplikationsvorrichtung (M3), die in Abhängigkeit von einem Rückkopplungssignal (S8) zwischen dem ersten multiplizierten Zwischensignal (S3_A) und dem zweiten multiplizierten Zwischensignal (S3_B) zur Bildung eines Filtereingangssignals (S4) umschaltet oder umsteuert, wobei dieses Umsteuern auch stufenweise oder fließend durch ein zum einen wertdiskretes oder wertkontinuierliches und zum anderen zeitdiskretes oder zeitkontinuierliches Rückkopplungssignal (S8) erfolgen kann; n. einen Filter (F1), der das Filtereingangssignal (S4) zu einem Filterausgangssignal (S5) filtert; o. eine Spiegelungseinheit (INV1), die das Filterausgangssignal (S5) mit dem Wert (‐1) multipliziert, wobei die Spiegelungseinheit (INV1) das besagte Rückkopplungssignal (S8) erzeugt; p. wobei die Amplitude und/oder die mittlere Amplitude des Filterausgangssignals (S5) den Messwert darstellen, und/oder wobei die Amplitude und/oder die mittlere Amplitude des Rückkopplungssignals (S8) den Messwert oder einen weiteren Messwert darstellen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet a. durch einen Analog-zu-Digital-Wandler zur Analog-zu-Digital-Wandlung des Filterausgangssignals (S5) zu einem digitalisierten Filterausgangssignal (S6) und b. durch eine Synchronisier-Vorrichtung, das ein durch ein mit dem Sendesignal (S9) getaktetes Flipflop (FF) oder ein mit dem Sendesignal (S9) getaktetes Register sein kann, zum Synchronisieren des wertdiskreten Filterausgangssignals (S6) zum synchronisierten Filterausgangssignal (S7) und c. durch eine Spiegelungseinheit (INV1) die eine Multiplikation des synchronisierten Filterausgangssignals (S7) mit dem Wert (-1) statt einer Multiplikation des Filterausgangssignals (S5) mit dem Wert (-1), d. wobei diese Spiegelungseinheit (INV1) nun im Gegensatz zum Anspruch 1 das Rückkopplungssignal (S8) erzeugt und e. wobei die Amplitude des synchronisierten Filterausgangssignals (S7) statt des Filterausgangssignals (S5) im Gegensatz zum Anspruch 1 den Messwert darstellt und/oder f. wobei die Amplitude des Rückkopplungssignals (S8) statt des Filterausgangssignals (S5) im Gegensatz zum Anspruch 1 den Messwert darstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch a. dass der Filter (F1) ein Integrator ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet dadurch a. dass der Filter (F1) ein Tiefpassfilter mit einer Grenzfrequenz f_g ist und b. dass das Sendesignal (S9) ein Sendesignal mit einer unteren Grenzfrequenz f_u und einer oberen Grenzfrequenz f_o ist und c. dass für die Beträge dieser Grenzfrequenzen gilt: (|f_o-f_u|)<|f_g|<|f_u|;

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