DE102021111221A1

DE102021111221A1 - System und Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE102021111221A1
Application number: DE102021111221.4A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-03
Also published as: GB2608675A; GB202206354D0

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung, insbesondere ein System und ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit von das System durch zwei Sichtbereiche des Systems hindurch passierenden Objekten.Ein erfindungsgemäßes System zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten (O) umfasst ein Mittel zur Steuerung (40) eines ersten optischen Sensors (10) und eines zweiten optischen Sensors (20), wobei das Mittel zur Steuerung (40) kontinuierlich zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase wechselt, wobei in der Messphase bei einer vorab in der Abgleichsphase angepassten Verstärkungen V1set, V2seteines jeweils mit dem ersten und zweiten optischen Sensor (10, 20) verbundenen ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers (14, 24) zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten (O) eine Messung der zeitlichen Verläufe der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung, insbesondere ein System und ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit von das System durch zwei Sichtbereiche des Systems hindurch passierenden Objekten. Die Erfindung ermöglicht eine Erfassung und Auswertung von zeitversetzten Lichtsignalmustern mit dem Ziel, aus dem zeitlichen Versatz von mindestens zwei Lichtsignalmustern und einem bekanntem Sichtbereichsabstand eine Geschwindigkeit von zuvor in den Lichtmustern identifizierten oder klassifizierten Objektpassagen unter veränderlichen Umgebungsbedingungen zu ermitteln.
Ein praktisches Beispiel für die Anwendung entsprechender Systeme und Verfahren ist die Erfassung und Bereitstellung von Daten für die Verkehrsplanung und -analyse. Es existiert daher bereits eine vielfältige Auswahl an Methoden und Verfahren zur Messung von Geschwindigkeiten, insbesondere von passierenden Kraftfahrzeugen an Straßen und anderen Verkehrswegen.
Hierzu zählen solche unter Verwendung von Induktionsmessschleifen (z. B. CH 0 201 126 A , DE 01 574 053 B ); Radar- (z. B. DE 03 727 562 C2 , DE 3 902 582 A1 , EP 033 509 A2 ), oder laser-basierten Verfahren (Dopplereffekt); Druckschläuchen, welche zum Überfahren quer über die Fahrbahn gelegt werden; oder weiteren Ansätzen mit akustischen (z. B. DE 10 2015 120 533 A1 ), magnetischen (Hall-Effekt, z. B. DE 3 830 598 A1 ) und optischen Sensoren (z. B. DE 196 004 338 B4 , EP 0 042 546 A1 , EP 0 877 253 A1 , EP 2 503 342 B1 ). Auch die Abschwächung von äußeren Funkfeldern durch passierende Objekte (z. B. DE 10 2018 109 990 A1 ) wird für eine Geschwindigkeitsermittlung von Kraftfahrzeugen herangezogen. Ebenso existieren Methoden auf der Basis von Mobilfunkeinrichtungen mit in den Fahrzeugen integrierten Sendeeinheiten (z. B. DE 19 604 084 A1 ).
Besonders bevorzugt sind aufgrund ihrer Einfachheit dabei jedoch optische Verfahren. Hierunter fallen beispielsweise Videokamera-basierte Systeme (z. B. DE 29 809 288 U1 , EP 0 651 364 A1 ), Systeme unter Verwendung von Lichtschranken mit mindestens einer Sender-/Empfängerkombination auf unterschiedlichen Fahrbahnseiten sowie Einseitensensorsysteme. Letztere lassen sich in aktive und passive Ansätze unterteilen.
Aktive Verfahren senden selbst Licht bestimmter Wellenlänge aus, welches von einem zumeist im gleichen Gehäuse verbauten Empfänger durch Reflexion auf einer Gegenseite der Fahrbahn oder an einem senkrecht zum Empfänger passierenden Zielobjekt zurückgeworfen wird. Das betreffende Licht kann dabei auf verschiedene Weise in seinen Eigenschaften angepasst sein, z. B sind die Verwendung spezifischer Wellenlängen, sowie von gepulstem oder frequenzmoduliertem Licht im Stand der Technik bekannt. Passive Verfahren verwenden dagegen das reine Umgebungslicht. Passive Verfahren werden jedoch im Allgemeinen als störempfindlich betrachtet, weshalb aktive Systeme zumeist bevorzugt sind (z. B. EP 2 503 342 B1 ).
Das grundlegende Funktionsprinzip von optischen Seitensensoren besteht darin, die Zeitverschiebung Δt von Signalverläufen beim Passieren eines Objekts zwischen mindestens zwei Markierungslinien bzw. Sensoren in einem bekannten Abstand Δs zu ermitteln und daraus die Geschwindigkeit v = Δs/Δt zu berechnen. Im Fall von Reflexionslichtschranken dient die Unterbrechung des Lichtsignals zumeist als Auslöseereignis für eine Start-/Stopp-Messung des Zeitintervalls für die Passage eines Objekts. Im Fall von Einseitensensoren, d. h. von Systemen die nur auf einer Seite der Objektpassage angeordnet werden, ist dies schwieriger. Hier werden Lichtsignalmuster senkrecht zur Fahrbahn nahezu zeitsynchron von mindestens zwei Sensoren aufgezeichnet sobald ein Objekt den überwachten Bereich des Systems passiert. Messungen werden daher zumeist bei Auslösung durch ein Trigger-Signal infolge des Passierens eines Objekts gestartet (z. B. EP 0 877 253 A1 ).
Bei Aufzeichnungen dieser Art müssen die Daten im Anschluss miteinander verglichen werden, um daraus die Zeitdifferenz zu ermitteln. Typischerweise werden dabei Korrelationsverfahren zum Vergleichen solcher Datensätze und zur Ermittlung der Zeitdifferenz verwendet (z. B. DE 3 830 598 A1 , EP 0 357 893 A2 , DE 3 902 582 A1 , DE 10 2015 120 533 A1 ). Die Qualität des Ergebnisses von Korrelationsverfahren hängt jedoch wesentlich von der Beschaffenheit der Signalverläufe ab. Die besten Ergebnisse werden erreicht, wenn die zugrundeliegenden Daten pseudo-stochastischer Natur sind (vgl. EP 0 877 253 A1 ).
Erfahrungsgemäß sind die mit Einseitensensoren gemessenen Helligkeitsschwankungen senkrecht zur Fahrbahn beim Passieren eines Zielobjekts relativ groß. Die Signalverläufe sind daher für das Anwendungsfeld von Korrelationsverfahren eher untypisch. Folglich sind größere Abweichungen von den wahren Geschwindigkeiten im Messergebnis zu erwarten. Vor allem Gradienten im Datensatz verschlechtern die Genauigkeit von solchen Korrelationsmessung. Verfahren dieser Art lassen sich folglich nur an kurzen Datensegmenten des passierenden Messobjekts durchführen, welche dann allerdings in hoher Punktdichte vorliegen müssen, was wiederum einen erhöhten Messaufwand erfordert. Nachteilig ist weiterhin, dass kurze pseudostochastische Datensatzsegmente für Außenstehende nicht wirklich der Passage eines Zielobjekts als plausibel zugeordnet anerkannt werden können.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Probleme des Standes der Technik zu überwinden oder zumindest zu verringern und ein einfaches und kompaktes, einseitig arbeitendes, passives System und ein zugehöriges Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines das System durch zwei Sichtbereiche des Systems hindurch passierenden Objekts zur Verfügung zu stellen, welche eine höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit als vergleichbare Systeme und Verfahren bieten.
Insbesondere soll die Erfindung auch eine autarke Langzeitbeobachtung beispielsweise des Tagesverlaufs von Verkehrsflüssen ohne weitere manuelle Eingriffe oder Anpassungen ermöglichen und die Messergebnisse unmittelbar vor Ort analysieren, auswerten und präsentieren können. Dabei sollen die Messdaten in für Außenstehende nachvollziehbarer und nachprüfbarer Art und Weise im System verarbeitet werden, insbesondere sollen diese für Außenstehenden der Passage eines Zielobjekts als plausibel zugeordnet anerkannt werden können. Insbesondere sollen ein System und ein Verfahren zur Erfassung und Kriterien zur Auswertung von Lichtsignalmustern für optisch-passive Geschwindigkeitsmesssysteme auf Einseitensensorbasis angegeben werden. Zielstellung ist somit ein System und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches mit vertretbarem technischen Aufwand Zeitdifferenzwerte für Einseitensensorsysteme ohne die im Stand der Technik für entsprechende Korrelationsverfahren genannten Nachteile ermitteln kann.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gemäß den unabhängigen Patentansprüchen 1 und 7 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung der Geschwindigkeit von durch zwei Sichtbereiche des Systems hindurch passierenden Objekten, umfassend einen ersten optischen Sensor, eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem ersten Sichtbereich, wobei ein Signalausgang des ersten optischen Sensors mit einem ersten Transimpedanzverstärker mit verstellbarer Verstärkung V_1var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im ersten Sichtbereich proportionales Ausgangssignal I₁ zu erzeugen; einen zweiten optischen Sensor, eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem zweiten Sichtbereich, wobei der erste Sichtbereich und der zweite Sichtbereich im Wesentlichen parallel zueinander in einem festen Abstand zueinander ausgerichtet sind, wobei ein Signalausgang des zweiten optischen Sensors mit einem zweiten Transimpedanzverstärker mit verstellbarer Verstärkung V_2var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im zweiten Sichtbereich proportionales Ausgangssignal I₂ zu erzeugen; ein Mittel zur Steuerung des ersten und des zweiten optischen Sensors, wobei das Mittel zur Steuerung kontinuierlich zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase wechselt, wobei in der Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich erfolgt, wobei in der nachfolgenden Messphase bei den vorab angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten eine Messung der zeitlichen Verläufe der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich erfolgt.
Bei optischen Sensoren kann es sich vorzugsweise um Photodioden, aber auch um Ein- oder Mehrkanaldetektoren, insbesondere als Zeilen- oder Array-Detektoren handeln. Bei Mehrkanaldetektoren kann ein einzelner Kanal für die Messungen genutzt werden. Es können auch zwei oder mehr Kanäle für eine entsprechende Einkanaldetektion gebündelt werden. Der Sichtbereich (engl. „fieid-of-view“, FoV) eines optischen Sensors beschreibt denjenigen Raumbereich, aus dem Licht auf den optischen Sensor zur Messung der Helligkeit in diesem Bereich einfallen kann. Es findet somit eine Aufsummierung aller aus diesem Raumbereich einfallenden Lichtstrahlen zu einer gemessenen Gesamthelligkeit innerhalb des Sichtbereichs statt. Typischerweise weitet sich der Sichtbereich mit zunehmenden Abstand von der aktiven Fläche des optischen Sensors auf, so dass die Helligkeit trotz kleiner aktiver Flächen der optischen Sensoren dennoch über relativ große Raumvolumina integriert werden kann. Da mit zunehmender Entfernung von einer Lichtquelle deren Helligkeit quadratisch abfällt, ist die Tiefe des erfassten Bereichs (engl. „depth-of-view“, DoV) jedoch auf zumeist einige Meter nach vorn beschränkt.
Vorzugsweise erfolgt eine räumliche Einengung des vom optischen Sensor erfassten Sichtbereichs, beispielsweise durch eine dicke Blende vor dem optischen Sensor oder mit Hilfe einer Linse bzw. mittels eines optischen Abbildungssystems. Vorzugsweise kann mit Hilfe einer Linse oder eines optischen Abbildungssystems auch ein bevorzugter Tiefenbereich innerhalb des Sichtbereichs des optischen Sensors eingestellt werden, beispielsweise um die Helligkeitserfassung auf einen bestimmten Abstand zwischen dem optischen Sensor und einem bestimmten Fahrstreifen hin zu optimieren. Abhängig vom Öffnungswinkel der jeweiligen Sichtbereiche und dem Abstand zwischen den optischen Sensoren können sich die jeweiligen effektiven Sichtbereiche in der Tiefe auch teilweise überlagern.
Die Achse des Sichtbereichs steht im Allgemeinen senkrecht auf der aktiven Fläche des optischen Sensors. Deren Ausrichtung kann jedoch durch eine vor dem optischen Sensor angeordnete Linse oder ein Abbildungssystem auch gegenüber der aktiven Fläche des optischen Sensors gekippt angeordnet sein. Unabhängig von der genauen Form und Ausrichtung der einzelnen Sichtbereiche ist eine weitgehend parallele Ausrichtung des ersten Sichtbereichs und des zweiten Sichtbereichs insbesondere dann anzunehmen, wenn durch bloße Verschiebung eines der beiden Sichtbereiche einer der beiden Sichtbereiche vollständig im anderen Sichtbereich enthalten ist. Bei identischer Form und Ausrichtung der einzelnen Sichtbereiche überlagern sich diese dann entsprechend gegenseitig. Als Abstand zwischen den Sichtbereichen kann die Entfernung zwischen den jeweiligen Strahlachsen der Sichtbereich angenommen werden. Bei einer parallelen Ausrichtung der optischen Sensoren und ohne eine Verkippung oder einen Versatz durch zusätzliche optische Komponenten entspricht der Abstand somit im Allgemeinen dem Mittenabstand der aktiven Flächen der optischen Sensoren und näherungsweise einer allgemeinen Abstandsdefinition zwischen den beiden optischen Sensoren.
Ein Signalausgang der optischen Sensoren ist jeweils mit einem Transimpedanzverstärker mit verstellbarer Verstärkung V_1var, V_2var verbunden. Die Transimpedanzverstärker erzeugen ein zur Helligkeit im jeweiligen Sichtbereich proportionales Ausgangssignal I₁,I₂. Durch die verstellbare Verstärkung V_1var, V_2var können die optischen Sensoren optimal an unterschiedliche Lichtverhältnisse in der Umgebung angepasst werden, insbesondere an eine sich im Tagesverlauf häufig ändernde Bestrahlungsstärke bei der Sonneneinstrahlung. Unter einem Transimpedanzverstärker mit verstellbarer Verstärkung V_1var, V_2var wird dabei ganz allgemein jede zur Erzeugung eines zur Helligkeit im jeweiligen Sichtbereich proportionalen Ausgangssignals I₁, I₂ als Strom-Spannungs-Wandler (I-U-Wandler) eingerichtete stromgesteuerte Spannungsquelle verstanden.
Unter dem Arbeitsbereich eines Verstärkers wird allgemein derjenige Bereich innerhalb des zugehörigen Kennlinienfelds verstanden, innerhalb dem eine weitgehende Linearität zwischen ein Eingangssignal und dem zugehörigen verstärkten Ausgangssignal für alle zulässigen bzw. anzunehmenden Betriebszustände sichergestellt ist. Als optimaler Arbeitsbereich wird vorliegend insbesondere derjenige Teilbereich daraus verstanden, bei dem eine ausreichend hohe Verstärkung bei gleichzeitig geringem Rauschen und einer geringen Wahrscheinlichkeit für eine Übersteuerung des Verstärkerausgangs zu erwarten ist. Die Lage des optimalen Arbeitsbereichs im Kennlinienfeld hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab und kann für jede Kombination aus optischem Sensor und Transimpedanzverstärker individuell festgestellt bzw. definiert werden. Der bevorzugte Arbeitsbereich kann für eine bestimmte Systemkombination individuell festgelegt sein.
Über das Mittel zur Steuerung des ersten und des zweiten optischen Sensors erfolgt eine dynamische Anpassung an eine unterschiedliche bzw. sich zeitlich verändernde Umgebungshelligkeit. Dazu wechselt das Mittel zur Steuerung erfindungsgemäß kontinuierlich zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase hin und her. Bevorzugt erfolgt in jeder Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich.
Die Abgleichsphasen werden ausschließlich zur Anpassung des Systems an die aktuellen äußeren Gegebenheiten genutzt, d. h., eine Geschwindigkeitsmessung findet innerhalb dieser Phasen nicht statt. In einer auf eine Abgleichsphase folgenden Messphase erfolgt bei den vorab an die aktuellen Umgebungsbedingungen angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten eine Messung der zeitlichen Verläufe (Signalverläufe) der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine Anpassung insbesondere an eine sich zeitlich verändernde Umgebungshelligkeit dadurch zu ermöglichen, dass die Messung periodisch durch Abgleichsphasen unterbrochen wird, in denen die Verstärkung der Transimpedanzverstärker angepasst wird. Die eigentliche Messung erfolgt ausschließlich in den dazwischenliegenden Messphasen.
Vorzugsweise ist die Dauer einer Abgleichsphase kürzer als die Dauer der nachfolgenden Messphase. Bevorzugt ist dabei insbesondere, dass die Dauer der Abgleichsphase kürzer als 10 % der Dauer der Messphase, bevorzugt kleiner als 1 % der Dauer der Messphase und noch bevorzugter kleiner als 0,1 % der Dauer der Messphase ist. Die Dauer der Abgleichsphasen und die Dauer der Messphasen können jeweils konstant sein, wobei jedoch eine Anpassbarkeit des Verhältnisses der Zeitdauern vorgesehen sein kann.
Alternativ kann die Dauer der Abgleichsphase und die Dauer der Messphase auch während des Betriebs, d. h. während einer Messreihe bestehend aus mehreren hintereinander folgenden Messphasen, parametrisch angepasst werden. Beispielsweise kann abhängig von der Tageszeit; einem bekannten, angenommenen oder bisher gemessenen Verkehrsaufkommen; einer Änderungsrate der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich; oder gekoppelt an externe Trigger (z. B Ampelphasen, Sperrzeiten) das Verhältnis der Zeitdauern angepasst werden. Eine Anpassbarkeit hat den Vorteil, dass die Auswirkungen der effektiven Totzeit des Messsystems minimiert und das System optimal an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann. Ansonsten ist der Abstand der Abgleichsphasen bevorzugt derart zu wählen, dass Veränderungen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich mit ausreichender Genauigkeit zuverlässig erfasst werden können ohne dabei die Totzeit der Messreihe unnötig zu erhöhen.
Vorzugsweise umfasst das System weiterhin ein Mittel zur Auswertung, dazu ausgebildet, aus den in einer Messphase gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich auf Grundlage analytischer und/oder statistischer Verfahren unter Verwendung von festgelegten Parametern eine Objektpassage in den zeitlichen Verläufen zu identifizieren oder zu klassifizieren. Da während der einzelnen Messphasen die Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich kontinuierlich erfasst wird, ohne dass einzelne Objektpassagen bereits während der Messung erfasst oder in den Verläufen markiert bzw. identifiziert werden, müssen diese auf anderem Wege ermittelt werden. Hierzu können verschieden analytische und/oder statistische Verfahren für die Auswertung herangezogen werden. Vorzugsweise können dabei auch aus dem Stand der Technik bekannte Korrelationsverfahren auf die beiden Verläufe angewendet werden. Diese werden erfindungsgemäß jedoch ausschließlich zur Identifizierung oder Klassifizierung von Objektpassagen in den Verläufen und nicht zur Ermittlung der Geschwindigkeit genutzt.
Das Mittel zur Auswertung hat somit die Aufgabe, in den zeitlichen Verläufen der Messsignale nach Zusammenhängen zu suchen, die mit hoher Wahrscheinlichkeit Objektpassagen betreffen. Insbesondere lässt sich bei Kenntnis bestimmter charakteristischer Korrelationsparameter und unter Zuhilfenahme weiterer Parameter (z. B. Abstand des Systems von der bevorzugten Achse der Objektpassagen, d. h., von beispielsweise einer Straße) auch auf die Art der einzelnen identifizierte Objekte schließen. Dieser Vorgang wird als Klassifizierung bezeichnet, wobei eine Klassifizierung notwendigerweise auch eine Identifizierung beinhaltet bzw. voraussetzt. Eine Identifizierung bedeutet hingegen lediglich, dass in bzw. zwischen den einzelnen Signalverläufen nach auf Objektpassagen hindeutenden Merkmalen gesucht wird und diese Merkmale nach bestimmten Kriterien tatsächlichen Objektpassagen zugeordnet oder beispielsweise aus Plausibilitätsgründen (z. B. unrealistischer Geschwindigkeitsbereich, zu kurzes oder zu langes Objekt) als unzulässig oder fehlerhaft verworfen werden.
Vorzugsweise verwenden die analytischen und/oder statistischen Verfahren zur Identifizierung oder Klassifizierung von Objektpassagen mindestens ein Kriterium aus der folgenden Gruppe:

Änderung des Differenzsignals zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich um einen definierten Betrag;
Mittelwerte und/oder Standardabweichungen oder daraus berechnete Größen im Differenzsignal zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich;
Differenzen zwischen arithmetischen Mittelwerten, der Konfidenzintervalle oder der Differenz der Standardabweichungen von Mittelwerten in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich;
eine Halbwertsbreite in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich;
eine Anzahl an Maxima und/oder Minima in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich.

In EP 0 042 546 A1 wird eine Objekterkennung dadurch realisiert, dass Zeitdifferenzen mit einem Drei-Sensor- bzw. Drei-Schranken-System durch Vergleich der Δt-Werte zwischen den Schranken 1 und 2 und den Schranken 2 und 3 erfolgen. Ist die Abweichung beider Zeiten zu groß, gilt die Messung als ungültig. Bei einen erfindungsgemäßen System kann diese Funktion bereits mit zwei optischen Sensoren durch Beurteilung von Merkmalen einer Korrelationsfunktion der beiden Sensorsignale erfolgen. Insbesondere kann es sich um eine Kreuzkorrelation zwischen beiden Sensorsignalen handeln. Es ist aber durchaus auch eine Autokorrelation jeweils eines Sensorsignals geeignet, um eine gültig/ungültig-Beurteilung auf Grundlage der Halbwertsbreiten zu ermöglichen.
Erfolgt beispielsweise eine durch natürliche Effekte hervorgerufene spontane Helligkeitsveränderung (z. B. durch Wolken im Sonnenlicht) gleichzeitig auf beiden optischen Sensoren, so resultiert dies in einer Korrelationsfunktion mit einer größeren Halbwertsbreite im Vergleich zur normalen Passage eines Fahrzeugs. Wird hingegen nur an einem optischen Sensor ein Ereignis detektiert bzw. sind die Signale auf den Sensoren nicht allein zeitlich versetzt, sondern auch in ihrer Intensität merklich unterschiedlich, so kann dies durch Betrachtung der Kreuzkorrelationsfunktion (z. B. Anzahl der auftretenden Maxima und Minima) sowie durch statistische Methoden angewandt auf die Lichtsignalverläufe aufgezeigt werden. Im letzteren Fall kommt die Betrachtung der Größen Mittelwert, Standardabweichung sowie daraus berechneter Größen wie z. B. der Variationskoeffizienten, der Abweichungen des arithmetischen Mittels, der Differenz zwischen arithmetischen Mittelwerten, Konfidenzintervalle oder auch eine normierte Standardabweichungsdifferenz (sd_diff) der Standardabweichungen der einzelnen Signalverläufe (erster optischer Sensor: sd₁, zweiter optischer Sensor: sd₂) gemäß Gleichung (1) in Betracht: $s d_{d i f f} = \frac{| s d_{1} - s d_{2} |}{0,5 \cdot (s d_{1} + s d_{2})} .$
Vorzugsweise führt das Mittel zur Auswertung für eine identifizierte oder klassifizierte Objektpassage die Geschwindigkeit des Objekts auf Grundlage jeweils einer polynomischen Anpassung („Polynomfit“) an den zu der ermittelten oder klassifizierten Objektpassage gehörenden Extrempunkten in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich durch, ermittelt die genaue zeitliche Lage der Extrempunkte analytisch durch Bildung der Ableitung der jeweiligen polynomischen Anpassung, und ermittelt mit der sich aus der Lage der Extrempunkte durch Differenzbildung ergebenden Zeitdifferenz zusammen mit dem bekannten Abstand zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich die Geschwindigkeit des Objekts. Im Gegensatz zu den auf Korrelationsfunktionsberechnungen basierenden Verfahren im Stand der Technik wird die Geschwindigkeit eines Objekts somit durch den zeitlichen Abstand der jeweils zu einer einzelnen Objektpassage gehörenden und einander als zugehörig identifizierten oder klassifizierten Merkmale unmittelbar in beiden Signalverläufen ermittelt.
Gerade weil die Lichtsignalverläufe in ihrem jeweiligen zeitlichen Verlauf deutliche Unterschiede zeigen können, das Sensorsignal also nicht pseudo-stochastisch ist, ist die Ermittlung einer Zeitdifferenz bzw. einer zeitlichen Verschiebung über eine Kreuzkorrelation unzureichend. Auf anschauliche Weise kann gezeigt werden, dass ein gleichmäßiger Gradient in beiden Signalverläufen zu fehlerhaften Ergebnissen bei Anwendung einer Kreuzkorrelation führt. Aus diesem Grund werden in dem vorgestellten erfindungsgemäßen System vorzugsweise direkt im Signalverlauf von den Nulllinien Hintergrundhelligkeits-bereinigter Differenzverstärkersignallinien (Bereinigung beispielsweise mittels eines während einer vorhergehenden Abgleichsphase entsprechend gesetzten „Sample-and-Hold“-Glieds) abweichende Maxima oder Minima analytisch präzise mittels polynomischer Anpassungen und deren mathematischer Ableitungen berechnet.
Insbesondere kann die Geschwindigkeitsberechnung eines erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmesssystems somit präzise auf Grundlage von Polynomfits (beispielsweise über ein Polynom 3. Grades) an Extrempunkten im Lichtsignalverlauf (Maxima oder Minima) beider Signale erfolgen, wobei die exakte Lage jeweils analytisch durch Bildung der Ableitung ermittelt wird und die daraus ermittelte Zeitdifferenz zusammen mit dem bekannten Sensor- bzw. Sichtfeldabstand zur Geschwindigkeitsermittlung verwendet wird.
Ausgangspunkt hierfür kann die Bestimmung des allgemeinen Maximums bzw. Minimums oder mehrere Maxima oder Minima des Messwertkanals sein, wobei der Datensatz mindestens einmal Durchlaufen und danach durchsucht werden kann. Die Grenzen eines Polynomfits können daraufhin auf eine bestimmte Anzahl Datenpunkte vor bzw. nach diesem Maximum bzw. Minimum festgelegt werden. Nach Durchführung des Polynomfits kann der erhaltene rms-Wert (Mittelwert der Standardabweichung, engl. „root mean square“) mit einem minimalen Sollwert verglichen werden. Falls der durch den Polynomfit erhaltene rms-Wert größer als der Sollwert ist, so können die Fitgrenzen rechts- und linksseitig des grob ermittelten Maximums bzw. Minimums verkleinert und der Polynomfit zur besseren Anpassung an den Extremwert erneut durchgeführt werden. Der Vorgang kann anschließend so lange wiederholt werden, bis entweder der Sollwert erreicht ist oder eine minimale für den Polynomfit erforderliche Datenpunktanzahl erreicht bzw. unterschritten wird. Dieses Vorgehen ist somit hervorragend dazu geeignet, für Extremwerte unterschiedlicher Gestalt eine gute Übereinstimmung zum Polynom zu erreichen. Bezüglich der Erfassung der Messwerte sollten Messfrequenz und Signalaufbereitung dabei so gewählt sein, dass die Passage eines Objekts durch einen möglichst gleichmäßig und glatten Verlauf im Bereich des Extremwerts (vergleichbar mit einem tiefpassgefilterten Signal) wiedergegeben wird, welcher die Helligkeitsveränderung der Umgebung während der Annäherung eines Objekts und während dessen Entfernung vom System mit abbildet.
Die mathematischen Zusammenhänge für die präzise Bestimmung der Extremwerte können durch die folgenden drei Gleichungen beispielhaft veranschaulicht werden: $y (x) = a_{0} + a_{1} x + a_{2} x^{2} + a_{3} x^{3}$
$x_{1,2} = \frac{- a_{1}}{2 a_{2}} \pm \sqrt{{(\frac{a_{1}}{2 a_{2}})}^{2} - \frac{a_{0}}{a_{2}}}$
$y'' (x) = 2 a_{2} + 6 a_{3} x_{1,2}$
Dabei zeigt Gleichung (2) ein allgemeines Polynom 3. Grades als Fitgleichung, Gleichung (3) die Lösungen der 1. Ableitung zur Bestimmung der Extremwerte und Gleichung (4) die 2. Ableitung zur Bestimmung der Art des vorliegenden Extremwerts und zum Vergleich bzw. zur Überprüfung mit dem Datensatz.
Die Ermittlung der Extrempunkte in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich kann durch Anpassung an ein Polynom sehr schnell, effizient und präzise durchgeführt werden. Dadurch können die bei vergleichbaren Systemen auf der Grundlage von Korrelationsfunktionsberechnungen zur Ermittlung der Geschwindigkeit auftretenden Abweichungen von der realen Geschwindigkeit sowie das Auftreten von Fehlmessungen bzw. -erkennungen deutlich minimiert werden. Zudem kann die eigentliche Ermittlung der Geschwindigkeit der identifizierten oder klassifizierten Objekte auch von Außenstehenden sehr einfach und transparent nachvollzogen werden. Mögliche Probleme mit der Nachvollziehbarkeit einer Geschwindigkeitsmessung ergeben sich für Außenstehende dann höchstens auf Ebene der Identifizierung und Klassifizierung von einzelnen Objekten. Durch Verwendung eines analytischen Polynom-basierten Berechnungsansatzes ist das Verfahren auch für Gradienten-behaftete zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich geeignet, welche bei Anwendung der üblichen Korrelationsverfahren für eine Ermittlung der Objektgeschwindigkeit sonst zu ungenaueren und unsichereren Ergebnissen führen.
Die Vorteile eines erfindungsgemäßen Systems liegen insbesondere in einer simplen, auf Standardprinzipien basierende Auswerteschaltung, einer konstant hohe Empfindlichkeit auch unter unterschiedlichen und sich zeitlich verändernden Messbedingungen, einer weitgehenden Plausibilität der Messdaten für Außenstehende sowie einer erhöhten Präzision bei den ermittelten Zeitdifferenzen im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Korrelationsverfahren bei einer gleichzeitig erhöhter Robustheit gegenüber Störeinflüssen. Durch seine simple und datensparsame Funktionsweise ist das entwickelte Messsystem zudem auch für die Datenschutz-konforme Geschwindigkeitsmessung ohne Erfassung von personenbezogenen Daten der Verkehrsteilnehmer sowohl von öffentlichen als auch von privaten Grundstücken aus geeignet.
Vorzugsweise umfasst das System weiterhin ein Mittel zur Lagebestimmung, dazu eingerichtet, eine Verkippung der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Sichtbereich in Bezug auf eine vorgegebene Achse der Objektpassagen zu ermitteln und als Korrekturgröße zum Abstand zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich dem Mittel zur Auswertung zu übergeben. Insbesondere können hierzu mikroelektromechanische Systeme (MEMS) am System vorhanden sein und entsprechend ausgewertet werden. Hierfür können beispielsweise Neigungssensoren, Lagesensoren und/oder barometrische Drucksensoren verwendet werden. Eine Bestimmung der Lage kann auch mit Hilfe eines Satelliten-gestützten Navigationssystems (GPS oder ähnlich) erfolgen. Beispielsweise kann durch das Mittel zur Lagebestimmung auch die Lage/Verkippung der einzelnen optischen Sensoren bzgl. der Fahrbahn und/oder untereinander bestimmt werden. Dadurch kann ein fehlerhaftes Aufstellen des erfindungsgemäßen Geschwindigkeitsmesssystems automatisch erkannt und über entsprechend im System hinterlegte oder ermittelte Korrekturparameter bei der Ermittlung der Geschwindigkeit eines Objekts rechnerisch kompensiert werden.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße System ausgebildet, dass es sich zur Integration in an Straßen angrenzende Gebäudebestandteile oder Einfriedungen eignet sowie innerhalb eines Gebäudes hinter Fensterglas oder in Fenstern oder in Fensterdekorationen integriert werden kann, und somit nicht eines zusätzlichen Messbalkens oder Trägers/Halters bedarf. Insbesondere kann somit auch eine Integration in Gebäudekomponenten (Fensterrahmen oder Messbalken im Innenbereich, als Fensterdekoration, an/in Säulen oder Mauern) oder auch z. B. im Front- oder Seitenbereich von Fahrzeugen vorgenommen werden. Insbesondere in autonomen Fahrzeugen kann ein erfindungsgemäßes System auch als eine Komponente zur Umgebungserfassung, eventuell in Verbindung mit den Daten eines LiDAR (engl. „light detection and ranging“) oder Kamerasystems, herangezogen werden.
Vorzugsweise umfasst das System weiterhin ein Mittel zur automatischen Aufbereitung insbesondere von ermittelten Geschwindigkeiten, den Zeitpunkten einer Objektpassage und/oder von Klassifikationsergebnissen. Das Mittel zur automatischen Aufbereitung kann zudem über diese Daten hinaus weitere statistisch relevante Daten wie Verkehrsflussdichten, Hauptverkehrszeiten, Stauprognosen oder Ähnliches ableiten. Das Ergebnis einer automatischen Aufbereitung kann einem Systembetreiber unmittelbar im Anschluss an eine Messreihe in elektronischer oder anderer Form als Auswertungsreport zur Verfügung gestellt werden. Für eine Fernüberwachung kann ein erfindungsgemäßes System mit einer entsprechenden Kommunikationsreinrichtung (z. B. über LAN, WiFi, Bluetooth, NFC) ausgestattet sein. Der Auswertungsreport kann insbesondere cloud-basiert oder per Email einem Systembetreiber zugestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit von durch zwei Sichtbereiche des Systems hindurch passierenden Objekten, umfassend das Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung der Geschwindigkeit von Objekten; und ein kontinuierliches Wechseln zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase des Systems, wobei in der Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich erfolgt, wobei in der anschließenden Messphase bei den vorab angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers zur Ermittlung der Geschwindigkeit anhand von identifizierten oder klassifizierten Objektpassagen eine durchgehende Messung der Verläufe der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich erfolgt.
Das Verfahren ist auf die Anwendung eines erfindungsgemäßen Systems gerichtet und bezieht sich daher unmittelbar auf die Funktionen der einzelnen Merkmale. Die diese Merkmale des Systems betreffenden Beschreibungsteile gelten daher auch unmittelbar für das Verfahren. Dies gilt ebenfalls für die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen inklusive der zugehörigen Beispiele und der hierzu jeweils genannten Vorteile.
Die Erfindung betrifft somit ein System und ein Verfahren zur Erfassung und Kriterien zur Auswertung von Lichtsignalmustern für optisch-passive Geschwindigkeitsmesssysteme auf Einseitensensorbasis. Zur Messung werden in einer Ausführungsform ein optischer Sensor (z. B. Photodiode) in Kombination mit einem Transimpedanzverstärker mit anpassbarer Empfindlichkeit bzw. Verstärkung eingesetzt. Die Arbeitsweise der Erfassung von Lichtsignalmustern erfolgt diskontinuierlich innerhalb einer Abgleichs- und einer Messphase, wobei die Dauer der Abgleichsphasen vorzugsweise klein gegenüber jener der Messphase ist. Die Lichtsignalmuster in den zeitlichen Verläufen können in Folge durch Differenzbildung aus einem in der Abgleichsphase über ein „Sample-and-Hold“-Glied ermitteltes Referenzsignal und einem zum Zeitpunkt der Messung aktuellen Lichtsignal erhalten werden.
Ein Mittel zur Auswertung kann anschließend die Signalverläufe von mindestens zwei optischen Sensoren vorzugsweise anhand der Halbwertsbreite von Kreuz- oder Autokorrelationsfunktionen, der normierten Standardabweichung, des Variationskoeffizienten und/oder durch Zählung von Maxima und Minima der Kreuzkorrelationsfunktion zur Beurteilung ob ein reales Zielobjekt die Sensoren passiert hat, auswerten. Das Mittel zur Auswertung kann weiterhin analytisch über ein Polynom und dessen Ableitungen die Zeitdifferenz an einem in beiden Lichtsignalverläufen zeitversetzten Extremwert ermitteln. Durch Verwendung eines analytischen Polynom-basierten Berechnungsansatzes ist das Verfahren auch für Gradienten-behaftete Lichtsignalmuster geeignet, welche bei üblichen Korrelationsverfahren zu ungenaueren und unsichereren Ergebnissen bei der Geschwindigkeitsermittlung führen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten;
2 eine schematische Darstellung eines optischen Sensors mit Transimpedanzverstärker (TIA), „Sample-and-Hold“-Glied (S&H) und Instrumentenverstärker (INA);
3 eine Darstellung der relativen Häufigkeit von Halbwertsbreiten der Kreuzkorrelationsfunktion anhand eines exemplarischen Datensatzes;
4 normierte Kreuzkorrelationsfunktionen verschiedener Signalverläufe (a-c) sowie zugehörige Signalverläufe (d-f); und
5 schematische Darstellung einer polynomischen Anpassung von Extremwerten.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten O. Das gezeigte System umfasst einen ersten optischen Sensor 10, eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem ersten Sichtbereich 12, wobei ein Signalausgang des ersten optischen Sensors 10 mit einem ersten Transimpedanzverstärker 14 mit verstellbarer Verstärkung V_1var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im ersten Sichtbereich 12 proportionales Ausgangssignal I₁ zu erzeugen; einen zweiten optischen Sensor 20, eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem zweiten Sichtbereich 22, wobei der erste Sichtbereich 12 und der zweite Sichtbereich 12 im Wesentlichen parallel zueinander in einem festen Abstand B zueinander ausgerichtet sind, wobei ein Signalausgang des zweiten optischen Sensors 20 mit einem zweiten Transimpedanzverstärker 24 mit verstellbarer Verstärkung V_2var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im zweiten Sichtbereich 24 proportionales Ausgangssignal I₂ zu erzeugen; ein Mittel zur Steuerung 40 des ersten und des zweiten optischen Sensors 10, 20, wobei das Mittel zur Steuerung 40 kontinuierlich zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase wechselt, wobei in der Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers 14, 24 jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 erfolgt, wobei in der nachfolgenden Messphase bei den vorab angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers 14, 24 zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten O eine Messung der zeitlichen Verläufe der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 erfolgt.
Der erste und zweite optische Sensor 10, 20 können mittels einen Messbalkens 30 (bzw. einen Träger oder Halter) in einem festen Abstand zueinander angeordnet sein. Ein solcher Messbalken 30 ist jedoch nicht erforderlich wenn der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich auf andere Weise festgelegt und dem System zur weiteren Auswertung bekannt ist. Insbesondere können der erste und zweite optische Sensor 10, 20 somit auch unabhängig voneinander positionierbar ausgebildet sein, so dass diese beispielsweise auch in/an unterschiedlichen Fenstern bzw. Fensteröffnungen innerhalb eines Zimmers oder einer Wohnung angeordnet werden können.
Das gezeigte System umfasst weiterhin ein Mittel zur Auswertung 50, dazu ausgebildet, aus den in einer Messphase gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 auf Grundlage analytischer und/oder statistischer Verfahren unter Verwendung von festgelegten Parametern eine Objektpassage P in den zeitlichen Verläufen zu identifizieren oder zu klassifizieren. Das Mittel zur Auswertung 50 kann weiterhin dazu ausgebildet sein, für eine identifizierte oder klassifizierte Objektpassage P die Geschwindigkeit des Objekts O auf Grundlage jeweils einer polynomischen Anpassung an den zu der ermittelten oder klassifizierten Objektpassage P gehörenden Extrempunkten in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 durchzuführen, die genaue zeitliche Lage der Extrempunkte analytisch durch Bildung der Ableitung der jeweiligen polynomischen Anpassung zu ermitteln, und mit der sich aus der Lage der Extrempunkte durch Differenzbildung ergebenden Zeitdifferenz zusammen mit dem Abstand B zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 die Geschwindigkeit des Objekts O zu ermitteln.
Vorzugsweise umfasst das System wie gezeigt ein Mittel zur Lagebestimmung 60, dazu eingerichtet, eine Verkippung der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Sichtbereich 12, 22 in Bezug auf eine vorgegebene Achse der Objektpassagen P zu ermitteln und als Korrekturgröße zum Abstand B zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich 12, 22 dem Mittel zur Auswertung 50 zu übergeben.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines optischen Sensors mit Transimpedanzverstärker (TIA), „Sample-and-Hold“-Glied (S&H) und Instrumentenverstärker (INA). Die Empfindlichkeit der Messung und somit die Verstärkung Vvar des TIA ist einstellbar. Bei Lichteinfall auf dem optischen Sensor (z. B. Photodiode) wird ein zur Helligkeit des einfallenden Lichts proportionales Ausgangssignal I₁ als Signalstärke vom TIA ausgegeben. Das „Sampleand-Hold“-Glied kann dazu genutzt werden, eine Hintergrundhelligkeit in den Messungen vom Ausgangssignal abziehen zu können (Hintergrundhelligkeitsbereinigung). Entsprechend weist das „Sample-and-Hold“-Glied einen Eingang zur Festlegung eines bestimmten „Hold“-Wertes aus. Als Ansteuersignal kann dabei insbesondere eine jeweils während einer Abgleichsphase bestimmte mittlere Helligkeit, eine maximale Helligkeit oder ein anderer aus der Abgleichsphase abgeleiteter Helligkeitswert als ungefährer Hintergrundhelligkeitswert für eine anschließende Messphase verwendet werden. Während einer Messphase bleibt der „Hold“-Wert vorzugsweise unverändert. Mittels des nachgeschalteten INA kann somit ein weitgehend von einer Hintergrundhelligkeit bereinigtes Differenzsignal abgeleitet und gespeichert werden.
Beispielsweise kann der Fotostrom einer Fotodiode als optischer Sensor 10, 20 über einen Transimpedanzverstärker (TIA) variabel verstärkt werden. In der Abgleichsphase kann der verstärkte Fotostrom unmittelbar als Messsignal zur Empfindlichkeitsregulierung (d. h. zur Anpassung der verstellbaren Verstärkung V_1var, V_2var) des TIA auf die aktuelle Umgebungssituation genutzt werden. Parallel dazu kann dieses Signal auf den Eingang eines „Sample-and-Hold“-Glieds (S&H) gelegt werden. In der darauf folgenden Messphase kann die Verbindung zwischen dem Transimpedanzverstärker und dem „Sample-and-Hold“-Glied unterbrochen werden. Das Messsignal des Transimpedanzverstärker und der aktuelle „Hold“-Wert des „Sample-and-Hold“-Glieds können dann in dem Mittel zur Auswertung, im einfachsten Fall mittels eines Differenz- oder Instrumentenverstärkers (INA), voneinander subtrahiert und verstärkt werden und ergeben dann das eigentliche Sensorsignal, welches über die Dauer einer Messphase aufgezeichnet werden kann. Nach Ende der Messphase kann das System über das Mittel zur Steuerung erneut in die Abgleichphase wechseln und der beschriebene Vorgang kann sich wiederholen.
Die Datenströme zweier solcher in einem bekannten Abstand angeordneter optischer Sensoren können vom Mittel zur Auswertung im Verlauf der Messphase gesammelt werden. Im Anschluss daran können darauf jeweils verschiedene Auswertemethoden zur Durchführung einer Objekterkennung bzw. einer Identifizierung oder Klassifizierung von Objektpassagen angewendet werden. Werden dabei entsprechende Ereignisse als gültig erkannt, kann das Mittel zur Auswertung die Zeitdifferenz zwischen den zu einer Objektpassage gehörenden Merkmalen in den zeitlichen Verläufen ermitteln.
3 zeigt eine Darstellung der relativen Häufigkeit von Halbwertsbreiten der Kreuzkorrelationsfunktion anhand eines exemplarischen Datensatzes. Die gezeigte Auswertung basiert auf einem Datensatz mit ca. 650 Einzelmessungen. Über diese Statistik lassen sich Aussagen zur Verteilung der Geschwindigkeiten der Objekte und zum zulässigen Auswertebereich treffen. Eine solche Auswertung kann jedoch auch zu einer verbesserten Identifizierung oder Klassifizierung von Objekten bei Anwendung entsprechender statistischer Methoden beitragen. Die weiß gezeigten Balken zeigen die Verteilung von Halbwertsbreiten, welche der Abstandsverteilung der Extremwerte zwischen den einzelnen Verläufen zuzuordnen sind. Die diesem Bereich zugehörigen Halbwertsbreiten sind zur Weiterverarbeitung mittels einer polynomischen Anpassung geeignet und entsprechen realen Objektpassagen. Die Halbwertsbreiten im Bereich der grau markierten Säulen werden hingegen als ungültig angesehen und verworfen, da es hierbei zu einer weitgehend zeitsynchronen Helligkeitsmodulation in beiden Sichtbereichen kam. Somit kann in dieses Beispiel die gezeigte statistische Auswertung dazu genutzt werden, ein automatisches Aussortieren von Halbwertsbreiten ab einem Schwellwert von 1,5 s vorzunehmen.
4 zeigt normierte Kreuzkorrelationsfunktionen verschiedener Signalverläufe (a-c) sowie zugehörige Signalverläufe (d-f). Insbesondere zeigt a) einen Funktionsverlauf mit großer Halbwertsbreite und b) einen Funktionsverlauf mit einer kleineren Halbwertsbreite. In c) ist ein Beispiel für das Auftreten mehrerer Maxima und Minima gezeigt. Die weiteren Abbildungen zeigen beispielhaft sich unter verschiedenen Bedingungen real ergebende zeitliche Signalverläufe der Helligkeit am ersten und zweiten optischen Sensor (Sensor 1, Sensor 2), wobei in d) auf beide optische Sensoren gleichmäßig schwankendes Umgebungslicht (z. B. aufgrund von Wolken, Berechnungsgrundlage für 4a), in 4e) das Vorbeifahren bzw. Passieren eines Personenkraftwagens (Zielobjekt, Berechnungsgrundlage für 4b), und in 4f) Helligkeitsänderung an nur einem Sensor (Spiegelung, asymmetrisches Scheinwerferlicht; Berechnungsgrundlage für 4c) auftretend dargestellt sind.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer polynomischen Anpassung von Extremwerten. Die Anpassung wird hierbei exemplarisch an den in 4 e) gezeigten zeitliche Verläufen der Helligkeit am ersten und zweiten optischen Sensor (Sensor 1, Sensor 2) für das Vorbeifahren bzw. Passieren eines Personenkraftwagens (Zielobjekt) demonstriert. Dabei zeigt a) die gesamte Ansicht der Signalverläufe und b) eine vergrößerte Ansicht der Verläufe um die Extrempunkte herum. Die polynomische Anpassung der Extremwerte erfolgt in einem engen Bereich um die jeweiligen Extremwerte herum. Insbesondere in b) ist dabei eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden polynomische Anpassung und den ursprünglichen Messkurven deutlich zu erkennen. Die genaue Lage der Extrempunkte kann dann anschließend durch einfache analytische Ableitung und Nullstellenberechnung des entsprechend angepassten Polynoms erfolgen.
Bezugszeichenliste

10: erster optischer Sensor
12: erster Sichtbereich
14: erster Transimpedanzverstärker
20: zweiter optischer Sensor
22: zweiter Sichtbereich
24: zweiter Transimpedanzverstärker
30: Messbalken
40: Mittel zur Steuerung
50: Mittel zur Auswertung
60: Mittel zur Lagebestimmung
O: Objekt
B: Abstand
P: Objektpassage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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EP 0357893 A2 [0007]

Claims

System zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten (O), umfassend: einen ersten optischen Sensor (10), eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem ersten Sichtbereich (12), wobei ein Signalausgang des ersten optischen Sensors (10) mit einem ersten Transimpedanzverstärker (14) mit verstellbarer Verstärkung V_1var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im ersten Sichtbereich (12) proportionales Ausgangssignal I₁ zu erzeugen; einen zweiten optischen Sensor (20), eingerichtet zu einer gerichteten Erfassung von Helligkeitswerten in einem zweiten Sichtbereich (22), wobei der erste Sichtbereich (12) und der zweite Sichtbereich (12) im Wesentlichen parallel zueinander in einem festen Abstand (B) zueinander ausgerichtet sind, wobei ein Signalausgang des zweiten optischen Sensors (20) mit einem zweiten Transimpedanzverstärker (24) mit verstellbarer Verstärkung V_2var verbunden ist, dazu eingerichtet, ein zu einer Helligkeit im zweiten Sichtbereich (24) proportionales Ausgangssignal I₂ zu erzeugen; ein Mittel zur Steuerung (40) des ersten und des zweiten optischen Sensors (10, 20), wobei das Mittel zur Steuerung (40) kontinuierlich zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase wechselt, wobei in der Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers (14, 24) jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) erfolgt, wobei in der nachfolgenden Messphase bei den vorab angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und des zweiten Transimpedanzverstärkers (14, 24) zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten (O) eine Messung der zeitlichen Verläufe der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) erfolgt.
System nach Anspruch 1, wobei die Dauer einer Abgleichsphase kürzer als die Dauer der nachfolgenden Messphase ist, wobei die Dauer der Abgleichsphasen und die Dauer der Messphasen jeweils konstant ist oder parametrisch angepasst werden kann.
System nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend: ein Mittel zur Auswertung (50), dazu ausgebildet, aus den in einer Messphase gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) auf Grundlage analytischer und/oder statistischer Verfahren unter Verwendung von festgelegten Parametern eine Objektpassage (P) in den zeitlichen Verläufen zu identifizieren oder zu klassifizieren.
System nach Anspruch 3, wobei die analytischen und/oder statistischen Verfahren zur Identifizierung oder Klassifizierung von Objektpassagen (P) mindestens ein Kriterium aus der folgenden Gruppe verwenden: Änderung des Differenzsignals zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) um einen definierten Betrag; Mittelwerte und/oder Standardabweichungen oder daraus berechnete Größen im Differenzsignal zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 24); Differenzen zwischen arithmetischen Mittelwerten, der Konfidenzintervalle oder der Differenz der Standardabweichungen von Mittelwerten in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22); eine Halbwertsbreite in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22); eine Anzahl an Maxima und/oder Minima in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22).
System nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Mittel zur Auswertung (50) für eine identifizierte oder klassifizierte Objektpassage (P) die Geschwindigkeit des Objekts (O) auf Grundlage jeweils einer polynomischen Anpassung an den zu der ermittelten oder klassifizierten Objektpassage (P) gehörenden Extrempunkten in den gemessenen zeitlichen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) durchführt, die genaue zeitliche Lage der Extrempunkte analytisch durch Bildung der Ableitung der jeweiligen polynomischen Anpassung ermittelt, und mit der sich aus der Lage der Extrempunkte durch Differenzbildung ergebenden Zeitdifferenz zusammen mit dem Abstand (B) zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) die Geschwindigkeit des Objekts (O) ermittelt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Mittel zur Lagebestimmung (60), dazu eingerichtet, eine Verkippung der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Sichtbereich (12, 22) in Bezug auf eine vorgegebene Achse der Objektpassagen (P) zu ermitteln und als Korrekturgröße zum Abstand (B) zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) dem Mittel zur Auswertung (50) zu übergeben.
Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit von passierenden Objekten (O), umfassend: Bereitstellen eines Systems zur Ermittlung der Geschwindigkeit von Objekten (O) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; kontinuierliches Wechseln zwischen einer Abgleichsphase und einer Messphase des Systems, wobei in der Abgleichsphase eine Anpassung der Verstärkungen V_1var, V_2var des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers (14, 24) jeweils auf einen festgelegten bevorzugten Arbeitsbereich entsprechend einer aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) erfolgt, wobei in der anschließenden Messphase bei den vorab angepassten Verstärkungen V_1set, V_2set des ersten und zweiten Transimpedanzverstärkers (14, 24) zur Ermittlung der Geschwindigkeit anhand von identifizierten oder klassifizierten Objektpassagen (P) eine durchgehende Messung der Verläufe der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: Identifizierung oder Klassifizierung von Objektepassagen (P) aus den in einer Messphase gemessenen Verläufen der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) auf Grundlage analytischer und/oder statistischer Verfahren unter Verwendung von festgelegten Parametern.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die analytischen und/oder statistischen Verfahren zur Identifizierung oder Klassifizierung von Objektpassagen (P) mindestens ein Kriterium aus der folgenden Gruppe verwenden: Änderung des Differenzsignals zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) um einen definierten Betrag; Mittelwerte und/oder Standardabweichungen oder daraus berechnete Größen im Differenzsignal zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich(12, 22); Differenzen zwischen arithmetischen Mittelwerten, der Konfidenzintervalle oder der Differenz der Standardabweichungen von Mittelwerten in den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22); eine Halbwertsbreite in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22); eine Anzahl an Maxima und/oder Minima in einer Korrelationsfunktion zwischen den gemessenen Verläufen der Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiterhin umfassend: polynomische Anpassungen jeweils an den zu der ermittelten oder klassifizierten Objektpassage (P) gehörenden Extrempunkten in den gemessenen Verläufen der aktuellen Helligkeit im ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22); analytische Bestimmung der genauen zeitlichen Lage der Extrempunkte durch Bildung der Ableitung der jeweiligen polynomischen Anpassung; Ermittlung der Geschwindigkeit des Objekts (O) mit der sich aus der zeitlichen Lage der Extrempunkte durch Differenzbildung ergebenden Zeitdifferenz zusammen mit dem Abstand (B), wobei eine Verkippung der Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Sichtbereich (12, 22) in Bezug auf eine vorgegebene Achse der Objektpassagen (P) als Korrekturgröße zum Abstand (B) zwischen dem ersten und zweiten Sichtbereich (12, 22) berücksichtigt werden kann.