DE19530289A1 - Sensor zur Sichtweiten- und Regenbelagsermittlung - Google Patents

Sensor zur Sichtweiten- und Regenbelagsermittlung

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Description

Stand der Technik zur Sichtweitenmessung
Für die Sichtweitenmessung sind drei Prinzipien zu unterscheiden: Kontrast-, Absorptions- und Reflexionsmessungen. Für das erste Prinzip benötigt man einen Gegenstand, den eine definierte Helligkeit auszeichnet, vor einem schwarzen Hintergrund. Kann dieser Gegenstand noch vom menschlichen Auge unterschieden werden, so ist er innerhalb der Sichtweite. Dieses Prinzip kann mit Hilfe der Foto- und Videotechnik automatisiert werden, doch nicht für den mobilen Einsatz, da kein geeignetes Objekt für die Kontrast gewährleistet werden kann. Das zweite Prinzip findet bei Autobahnmeßstellen Anwendung. Hier wird von einer Seite ein Lichtstrahl (mit i. allg. unsichtbarem Infrarotlicht) ausgesendet, der von einer ca. 2 m entfernten Gegenseite empfangen wird. Bei Nebel sinkt die empfangene Lichtleistung ab. Die Abschwächung ist dann ein Maß für die Sichtweite. Für die autarke Detektierung im bewegten Fahrzeug ist auch dieses Prinzip praktisch nicht anwendbar. Hier kann das, allerdings weniger aussagekräftige Reflexionsprinzip genutzt werden. Es basiert auf der Rückstreuung von ausgesendetem Licht durch die Nebeltröpfchen. Dieser Effekt führt auch zu der bekannten Eigenblendung durch Fernlicht bei Nebel. Zumindest für eine grobe Klassifizierung der Sichtweite reicht aber eine Messung der Reflexion aus. Für die Messung genügt grundsätzlich eine einfache Meßanordnung aus, die wie eine Reflexionslichtschranke arbeitet. Allerdings sind die Ergebnisse sehr leicht zu stören und von vielen Parametern abhängig. Eine erhebliche Verbesserung der Robustheit erreicht man durch eine örtlich auflösende Rückstreumessung, bei der die abstandsabhängige Rückstreuverteilung zur Sichtweitenbestimmung herangezogen werden kann. Ein solches Meßverfahren ist die Messung der Rückstreuung in mehreren Entfernungszellen. Diese werden durch Korrelationstechniken unterscheidbar. Dieses Meßverfahren entspricht auch dem verbreiteter LIDAR-Sensoren, die als Abstandssensoren für Abstandswarnung und ACC vorgesehen sind. Die LIDAR-Sensoren zeigen eine gute Eignung für die Sichtweitenbestimmung. Aber gerade die nebelbedingte Rückstreuung führt zum größten Nachteil dieser Sensoren, nämlich zur starken Reduktion der Detektionsreichweite.
Ein alternatives Verfahren zur Entfernungsauflösung ist die Triangulationstechnik, bei der Sender und/oder Empfänger um eine sog. Basisbreite voneinander getrennt sind. Die stark gerichteten Sende- und Empfangskeulen überlappen sich in einem definierten Gebiet, so daß Rückstreuungen nur aus diesem Gebiet detektiert werden. Mit mehreren Sende- oder Empfangskeulen lassen sich so mehrere Rückstreugebiete erfassen.
Eine besondere Schwierigkeit bei der einfachen Sichtweitenbestimmung besteht darin, daß nur schwer unterschieden werden kann, ob eine gute Sichtweite herrscht oder ob wichtige Sensorteile ausgefallen sind. Eine indirekte Prüfung kann durch die Prüfung von Sender oder Empfänger durch Vergleich mit einem der mehreren Referenzlichtkanälen geschehen, wodurch ein Großteil der möglichen Fehler detektiert werden.
Stand der Technik für Regenbelagsermittlung
Das z. Zt. aussichtsreichste Verfahren basiert auf der Auskopplung eines Lichtstrahls aus einem Lichtkanal, der von den Windschutzscheibenrandflächen begrenzt wird. Diese Randflächen reflektieren das mit Hilfe eines Prismas eingebrachte Licht, da der Lichtstrahlwinkel zu klein ist, um eine Transmission zu erlauben. Benetzt nun ein Regentropfen den Lichtkanal, so gilt diese Reflexionsbedingung (Scheibe-Luft) nicht mehr, sondern es tritt nun ein großer Teil des Lichts über diesen Tropfen aus. Die nachlassende Lichtleitfähigkeit des Kanals wird an der Auskoppelstelle (wieder Prisma o. ä.) mit Hilfe von Fotodioden oder Fototransistoren gemessen. Zur Gleichlicht- und Rauschunterdrückung wird i. allg. die Sendeleistung moduliert und das Empfängersignal phasenempfindlich gemessen.
Aufgabe
Um einer zu schnellen Fahrweise bei ungünstigen Sichtbedingungen sowie einer Nutzung von automatischen abstandsregelnden Geschwindigkeitsreglern (Adaptive Cruise Control/ACC) zu einem "Blindflug" zu begegnen, wird ein System vorgesehen, das den Fahrer bei nicht sichtweitenangepaßter Fahrgeschwindigkeit informiert. Eine solche Information zu liefern, die auch dem ACC-System zugeführt werden kann, ist die Aufgabe eines Sichtweitensensors.
Vorteile der Erfindung
Funktionelle Kombination und räumliche Integration von Regenbelags- und Sichtweitensensor.
Trennung durch optische Separation oder Laufzeitunterschiede.
Fehlerüberprüfung Regenbelagssensor ermöglich Fehlerdetektion bei Sichtweitenbestimmung.
Sichtweitenbestimmung über einen Wert oder mehrere entfernungsverschiedene Rückstreuwerte.
Kostengünstige Verwendung von Komponenten für verschiedene Aufgaben (Regenbelags- und Sichtweitensensierung).
Zwei Funktionen an einem Platz durch Integration.
Fehlererkennung bei Sichtweitenmessung durch den Referenzkanal, der den Regenbelag sensiert.
Beschreibung der Erfindung
In dieser Erfindung sind als Neuheit die Funktionen Sichtweitenermittlung und Regenbelagsmessung in einer Einheit verknüpft. Eine mögliche Ausführungsform ist in Abb. 1 ausgeführt: Das Licht der Lichtquelle (1), z. B einer LED oder eines HL-Lasers, wird über das Einkoppelmedium, z. B. eine Art Prisma in die Windschutzscheibe unter mehreren Winkeln eingekoppelt. Der am stärksten geneigte Lichtstrahlteil verbleibt in der Scheibe und wird zur Messung des Regenbelags genutzt. Die Ausbreitung dieses Strahls geschieht zickzackförmig, zumindest solange kein Regenbelag zur Auskopplung führt. Die mehrfach an den Scheibenbegrenzungen reflektierten Strahlen werden mittels eines Auskoppelmediums (4) dem Lichtempfänger (5) z. B. einer Photodiode zugeführt, der die Lichtleistung in ein elektrisches Signal umsetzt.
Die zuletzt beschriebene Teilfunktion entspricht der konventionellen Regenbelagsmessung. Für die Sichtweitensensierung werden die Strahlteile genutzt, die auch bei regenbelagsfreier Scheibe auskoppeln. Diese Strahlen werden bei Nebel oder Gischt diffus reflektiert (gestreut). Ein Teil des gestreuten Lichts kommt auch zum Lichtempfänger durch. Ohne weitere Maßnahmen ist dieser Anteil nicht trennbar von dem Licht, das innerhalb der Scheibe geführt wurde. Dazu stehen zwei grundsätzliche Wege offen, die Trennung zu erreichen:
  • 1. optische Trennung der beiden Strahlen,
  • 2. Modulation der Lichtquelle und Trennung der Lichtstrahlen über die unterschiedliche Laufzeit.
1. Optische Trennung zwischen Scheibeninnenstrahl und rückgestreutem Licht
Wie in Abb. 2 dargestellt, kann statt des einfachen Lichtempfängers ein Doppelempfänger für die Trennung sorgen. Der Lichtempfänger A mißt vor allem den rückgestreuten, der Empfänger B den Scheibeninnenstrahl. Grundlage dafür ist eine klare Trennung vor und bei der Auskopplung, so daß keine undefinierten Überkopplungen zwischen beiden Strahlen erfolgen können.
Dieses Prinzip kann weiter ausgebaut, in dem die rückgestreuten Lichtstrahlen durch weitere Lichtempfänger nach ihrem Rückstrahlwinkel getrennt werden. Über den unterschiedlichen Winkel läßt sich per Triangulation (mit Hilfe der Basisbreite B und der Kenntnis über Sendestrahlwinkel) eine Aussage über die Entfernung der Rückstreuung gewinnen, wodurch zuverlässigere Aussagen über die Sichtweite zu bekommen sind.
2. Modulation der Lichtquelle
Eine sehr einfache Art der Modulation ist die Pulsmodulation mit einem kurzen Puls. Dazu ist eine Pulslänge zu wählen, die kleiner oder in der Größenordnung der Laufzeit für die rückgestreuten Strahlen ist. Bei einer Rückstreuung in einer Entfernung von d=10 m beträgt die Laufzeit τ für Hin- und Rückweg ca. 66 ns (τ=2d/c). Dagegen beträgt die Laufzeit innerhalb der Scheibe nur etwa hundertstel davon. Wird nun das empfangene Licht mit dem ausgesendeten korreliert, so repräsentiert die mit einer kleinen Verzögerungszeit (T1) korrelierte Lichtleistung den in der Scheibe geführten Lichtstrahl, während das mit einer etwas größeren (T2) korrelierte dem rückgestreuten Strahlteils zugeordnet werden kann. Konkret sind die Korrelationsverzögerungszeiten abhängig von der Pulsdauer Δt und τ : T1≈Δt/2, T2≈Δt+τ/2. Messungen mit weiteren Korrelationsverzögerungszeiten können auch hier zu einer entfernungsauflösenden Rückstreumessung genutzt werden.
Weitere mögliche Modulationsarten sind Dauerstrich-Amplitudenmodulation der Lichtquelle mit hochfrequenter Modulationsfrequenz in der Größenordnung von 1 MHz sowie Pseudo- Random-Binary-Modulation, die als Abwandlung der Einfachpulsmodulation verstanden werden kann.
Auswertung der Signale
Nach der Trennung der Signale T(ti), der empfangenen Leistung vom in der Scheibe geführten Strahl, und R(dj,ti), der empfangenen Leistung des in der Entfernung dj rückgestreuten Strahls (alle zum Zeitpunkt ti gemessen), werden folgende Aussagen gewonnen oder Aktionen unternommen:
Sinkt T(ti) unter einem Schwellwert, wird der Scheibenwischer angesteuert. Dabei wird erwartet, daß T zumindest kurzzeitig über die Schwelle ansteigt, wenn nämlich der Wischer gerade den Sensierungsbereich überfährt. Bleibt dies auch nach mehrmaligem Wischen aus, muß auf einen Defekt innerhalb der Kette (elektrische Ansteuerung der Lichtquelle, die Lichtquelle selbst, Einkopplung, Auskopplung, Lichtempfänger, elektrische Signalaufbereitung) geschlossen werden und führt daher zum Setzen deines Fehlerflags. Das Überschreiten des Schwellwerts führt hingegen immer zum Rücksetzen dieses Flags.
Die Auswertung der Rückstreuung unterscheidet sich, falls nur ein einziger Wert oder mehrere Werte zu verschiedenen Rückstreuentfernungen vorhanden sind:
  • a) nur ein Wert
    Der Rückstreuwert wird mit gespeicherten Werten verglichen und eine Klassifizierung durchgeführt. Die Klassenbildung basiert auf Vergleichsmessungen in realem Nebel, bei denen eine Referenzmessung (z. B. Absorptions- oder Kontrastmessung) die Sichtweite festlegt. Einflüsse durch sich ändernde Lichtquellenintensitäten und Empfängerempfindlichkeiten können durch den Vergleich mit den Messungen des in der Scheibe geführten Strahls zumindest teilweise kompensiert werden. Nach der Klassifizierung wird insbesondere bei der Einstufung für die Klasse der größten Sichtweite geprüft, ob das oben eingeführte Fehlerflag gesetzt ist. Falls dieses nicht gesetzt ist, kann von voller Funktionstüchtigkeit ausgegangen werden und das Ausbleiben eines Rückstreusignals wirklich auf eine große Sichtweite zurückgeführt werden. Ohne die Überprüfung durch den in der Scheibe geführten Strahls wäre ein Defekt z. B. in der Lichtquelle nicht unterscheidbar von der korrekten Messung bei großer Sichtweite.
  • b) mehrere Werte bei verschiedenen Entfernungen
    Die Rückstreuung an Wassertröpfchen hat eine charakteristische Entfernungsabhängigkeit mit einem sichtweitenabhängigen Maximum (s. Literatur xy). Liegt die Information der Rückstreuung bei verschiedenen Entfernungen vor, so kann nicht nur die Stärke, sondern auch das Verhältnis der verschiedenen Rückstreuwerte ausgewertet werden. Fehler, die sich auf die Rückstreuleistung auswirken (z. B. nachlassende Lichtquellenleistung oder Empfängerempfindlichkeit, aber auch nachlassende Scheibentransmissivität) lassen sich genauso eliminieren wie Rückstreuungen durch andere Reflektoren (z. B. andere Fahrzeuge im Nahbereich). Wie bei der Auswertung mit nur einem Wert kann auch hier ein Vergleich mit Referenzwerten zu einer Klassifizierung der Sichtweite führen, zu dem für die Fehlererkennung das obige Fehlerflag hinzugezogen wird.
Mögliche Erweiterungen
Die in den Abb. 1 und 2 gezeigten Anordnungen haben den Nachteil einer sehr geringen Empfangsfläche, die durch den Empfänger gegeben ist. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit ist eine Fokussierung wünschenswert, so daß eine größere Empfangsfläche zur Verfügung stehen kann. Eine Umsetzungsmöglichkeit zeigt Abb. 3, die ausgehend von der Anordnung in Abb. 1 zusätzlich eine Sammellinse (in diesem Fall eine besonders flach bauende Fresnellinse) aufweist. Der Lichtempfänger befindet sich nun in etwas größerer Entfernung von der Scheibe im Brennpunkt dieser Linse. Eine wichtige Anforderung an die Linse ist die Entkopplung zum in der Scheibe geführten Strahl, damit von diesem kein Licht ausgekoppelt wird. Daher sollte im Regenbelags-Sensierungsbereich keine Linse direkt an der Scheibenbegrenzung angeordnet sein.

Claims (4)

1. Sensor zur Sichtweiten- und Regelbelagsermittlung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer Lichtquelle, dem Licht in eine Scheibe so eingekoppelt wird, daß ein Teil innerhalb der Scheibe reflektiert wird und zur Messung des Regenbelags ausgewertet wird, mit einem Lichtempfänger, dem über ein Auskoppelmedium Licht aus der Scheibe zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Lichtes, der auch bei regenbelagsfreier Scheibe ausgekoppelt wird, zur Ermittlung der Sichtweite ausgewertet wird, wobei das gestreute Licht, das zur Scheibe zurückgelangt, über das Auskoppelmedium zum Lichtempfänger geführt wird.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht unter einem vorgebbaren Winkel in die Scheibe eingekoppelt wird.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von Auskoppelmedium kommende Licht getrennt wird in gestreutes Licht und reflektiertes Licht.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Empfindlichkeit das gestreute und reflektierte Licht fokussiert wird.
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