DE19635934A1 - Laserradar-Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung von Verkehrsgrößen wie des Geschwindigkeitsvektors und der Fahrzeugklasse eines Fahrzeugs zur Verkehrskontrolle sowie zur Informationsgewinnung für Verkehrsleitsysteme.

Aus der Patentschrift US 5321490 ist ein optisches Meßverfahren bekannt, das mit zwei divergenten Meßstrahlen arbeitet, die von einer gemeinsamen gepulsten Halbleiterlaserquelle erzeugt werden. Bei der genannten Meßvorrichtung ist die Laserquelle über der Fahrbahn so angeordnet, daß die Meßstrahlen, deren Richtungen von der Normalen zur Fahrbahnebene abweichen, mit der Fahrbahndecke spitze Winkel bilden. Die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs ergibt sich aus der Zeit, die diese zum Durchfahren der Meßbasis (Meßstrecke) zwischen den beiden Meßstrahlen benötigt. Die Durchführung des Verfahrens ist dadurch erschwert, daß die Meßbasis nicht konstant ist. Sie kann erst bei Kenntnis der gemessenen fahrzeugbezogenen Entfernung geometrisch berechnet werden. Da die gemessenen Entfer­ nungswerte aufgrund der unterschiedlichen Formen der Fahrzeugkarossen zeitabhängig sind, wird die Meßbasis näherungsweise über einen durchschnittlichen Meßentfernungswert abgeleitet, wodurch die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung prinzipiell eingeschränkt wird.

Ein weiterer Nachteil der in der genannten Patentschrift verwendeten divergenten Meßstrahlen ist darin zu sehen, daß die Länge der Meßbasis linear mit dem Meßabstand zunimmt. Eine Messung von der Fahrbahnseite ist daher nur aus unmittelbarer Nähe oder bei größerem Fahrbahnabstand nur in freiem Gelände durchführbar. Eine zuverlässige Verkehrskontrolle in Fahrbahnkurven ist aus den genannten Gründen kaum denkbar. Eine Messung in sehr geringem Abstand zum Fahrzeug führt zu einer erheblich reduzierten Meßbasis und somit zu einer Erhöhung der Meßunsicherheit.

Das in der genannten Patentschrift vorgeschlagene Laserradar verwendet einen gepulsten Lasersender mit einem Laserdiodenarray als Laserquelle. Die Pulsrate beträgt 3 kHz, die optische Ausgangsleistung 180 W und die optische Impulsbreite 10 ns, wenn angenommen wird, daß die Laserimpulsbreite näherungsweise der Stromimpulsbreite entspricht. Diese Laseremissionswerte sind in Bezug auf die internationalen Grenzwerte zur Augensicherheit sehr kritisch zu bewerten. Zudem ist ein Laserdiodenarray extrem teuer und seine Baugröße für einen kompakten Aufbau des Senders weniger geeignet, wodurch beispielsweise Maßnahmen zur Temperaturstabilisierung mit einem größeren Aufwand verbunden sind. Die Auffächerung der Meßstrahlen beträgt 165 mrad, so daß bei einer Installation des Radars über der Fahrbahn diese mit einem breiten Meßstreifen beleuchtet wird. Bei einer Installation seitlich der Fahrbahn kann die Strahlauffächerung leicht zu parasitären Reflexionen von der Fahrbahndecke und von Bodenhindernissen und somit zu weiteren Meßfehlern führen.

Es ist bekannt, daß sich die Meßunsicherheit eines Pulsradars proportional zur Anstiegszeit der Radarimpulse verhält. In der genannten Patentschrift werden relativ langsame Meßimpul­ se mit einer Anstiegszeit von einigen Nanosekunden verwendet, die erfahrungsgemäß keine sehr hohe Meßgenauigkeit liefern.

Das genannte Verfahren verwendet die Fahrbahndecke als physikalische Referenzebene. Der Meßvorgang zur Geschwindigkeitsbestimmung wird dann ausgelöst, wenn der aktuelle Entfernungsmeßwert abzüglich der Entfernung zur Fahrbahndecke einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Das vorgeschlagene Verfahren ist dann nicht mehr verwendbar, wenn bei einer von der Fahrbahnseite durchgeführten Messung eine solche Referenzebene (Hauswand oder dgl.), wie dies beispielsweise für ein offenes Gelände zutrifft, nicht verfügbar ist.

Aus einer weiteren Patentschrift DE 43 11 991 A1 ist ein Meßverfahren bekannt, bei dem die Verkehrsgrößenerfassung mittels in Längsrichtung der Fahrbahn angeordneten Triangula­ tionssystemen ermittelt wird. Die Geschwindigkeit wird aus der Zeitnahme für das Durch­ fahren einer bekannten Meßstrecke berechnet. Für die Realisierung eines Meßstrahls wird jeweils ein separates Triangulationssystem verwendet, was einen erheblichen technischen Aufwand bedeutet. Zudem sind jeweils zwei Meßsysteme zu synchronisieren, was besondere Kontrolleinrichtungen zur Betriebssicherheit erfordert oder eine zusätzliche Redundanz der Messung notwendig macht, indem beispielsweise mit mehr als zwei Triangulationssystemen pro Fahrbahn gearbeitet wird, wodurch der technische Aufwand erhöht wird.

Prinzipiell gilt die Meßgenauigkeit von Lichtschranken-Geschwindigkeitsmeßsystemen als sehr hoch. Dabei wird die Meßbasis durch mindestens zwei parallele Lichtstrahlen quer zur Fahrbahnrichtung gebildet. Die Geschwindigkeit berechnet sich auf einfache Weise aus der bekannten Meßbasis und dem Zeitintervall, das sich aus den zeitsignifikanten transienten Strahlunterbrechungen beider Meßstrahlen durch ein vorbeifahrendes Fahrzeug bestimmen läßt. Allgemein bestehen Lichtschrankensysteme aus einem Lichtwerfer und einem Licht- Empfänger, die getrennt beiderseits der Fahrbahn positioniert werden. Erfahrungsgemäß ist die genaue Ausrichtung der genannten Komponenten zueinander (Kalibrierung) insbesondere bei größeren Fahrbahnbreiten sehr zeitaufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, die den technischen Aufwand zur Realisierung der Anordnung sowie den Installationsaufwand zur Durchführung des Verfahrens erheblich reduziert, die eine kostengünstige Realisierung der Anordnung erlaubt, und die eine sehr genaue Bestimmung von Verkehrsgrößen mit einer sehr kurzen Meßbasis auch aus einer größeren Entfernung der Meßvorrichtung zur Fahrbahn ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 niedergelegten Merkmale vor. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind neben den Ansprüchen in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels dargelegt.

In der Zeichnung Fig. 1 ist das Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt und zwar zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch­ führung des Verfahrens. Die Vereinfachung besteht insbesondere darin, daß nur das Radar- Fronend der der Erfindung zugrunde liegenden Vorrichtung skizziert ist. Die vollständige Vorrichtung enthält insbesondere weitere signalverarbeitende Funktionseinheiten zur Laufzeit- und Entfernungsbestimmung und Bestimmung der Zeitspanne zum Durchfahren der Meß­ strecke durch logische Verknüpfung der Radarsignale beider Meßstrahlen. Auch sind spezielle Funktionseinheiten zur Bewertung der gemessenen Profildiagramme im Sinne einer Fahrzeug-Klassifizierung nicht näher dargestellt.

Ein Lasersender 1 erzeugt einen Laserstrahl 2, der nach einer nicht näher gekennzeichneten Strahlbündelung über einen Strahlteiler 3 in zwei gebündelte Meßstrahlen 4 und 5 aufgeteilt wird. Mittels der optischen Umlenkeinheiten 6 und 7 werden die beiden Meßstrahlen parallel ausgerichtet. Den Meßstrahlen 4 und 5 ist ggfs. durch zusätzliche konstruktive Maßnahmen funktionsmäßig jeweils nur ein Photoempfänger 8 bzw. 9 eindeutig zugeordnet. Trifft beispielsweise der Meßstrahl 4 auf die Karosse eines Fahrzeugs, so gelangt ein Teil des reflektierten Signals 10 nur auf den Detektor 8. Ebenso gelangen zum Detektor 9 nur solche Reflexionssignale 11, die vom Meßstrahl 5 durch Reflexion an einem Fahrzeug entstehen. Durch den in Fig. 1 skizzierten Straßenabschnitt wird die bevorzugte Meßposition verdeutlicht. Die Meßvorrichtung ist quer zur Fahrbahnrichtung ausgerichtet. Somit entspricht der Meßstrahlenverlauf prinzipiell dem eines Lichtschrankengeschwindigkeitsmeß­ systems. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise mit ultra-kurzen Laserimpulsen hoher Leistung arbeitet, wie sie in der Patentanmeldung DE 195 13 823.6 beschrieben sind, kann eine Detektion der Fahrzeuge nach dem Reflexionsprinzip erfolgen. Damit entfällt praktisch der wesentliche Anteil des Zeitaufwands, der mit der Einrichtung, d. h. der Kalibrierung einer herkömmlichen Lichtschranke verbunden ist. Die gebündelten Meßstrahlen erlauben eine exakte Bestimmung des jeweiligen Zeitpunkts der Stahlunterbrechung. Eine einfache Geschwindigkeitsbestimmung von Fahrzeugen könnte damit in der bei Lichtschranken üblichen Form durchgeführt werden. Eine Klassifizierung der detektierten Fahrzeuge (z. B. Lkw, Pkw, Motorrad) ist bei einer solchen Auswertung nicht möglich.

Die Laserstrahlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist hochfrequenzmäßig moduliert, so daß beim Auftreffen eines Meßstrahls auf ein Fahrzeug deren Abstand zur Meßvorrichtung bestimmt werden kann. So bilden die gestrichelt gezeichneten und stark vereinfachten Funktionseinheiten 12 und 13 zwei separate vorzugsweise baugleiche Entfernungsmeßeinhei­ ten dar, die über die gemeinsame Strahlenquelle 1 zeitlich synchronisiert sind. Bei der vorzugsweise verwendeten Pulsmodulation des Senders wird sichergestellt, daß beide Meßstrahlen mit der gleichen Meßimpulsform arbeiten. Die parallele Ausrichtung der Meßstrahlen sowie ihre zur Fahrbahn horizontale Lage führt dazu, daß sich auch die reflektierten Signale 10 und 11 in ihrer Form sehr ähneln. Im Idealfall stimmen sie sogar überein. Dies wiederum hat zur Folge, daß sich mögliche Dynamikfehler in den Photoempfängern 8 und 9 in gleicher Weise auswirken und diese somit keinen Einfluß auf die sehr genaue Zeitintervallmessung mittels der beiden Meßstrahlen haben.

Die Bestimmung der Zeitspanne, die ein Fahrzeug benötigt, um die Strecke der Meßbasis bei gegebener Geschwindigkeit zurückzulegen, kann auf unterschiedliche Art und Weise nach der Erfindung erfolgen.

Bei einer Schnellvermessung wird lediglich jeweils nur eine begrenzte Anzahl von Meßpunkten aus den gemessenen Profildiagrammen zur Geschwindigkeitsbestimmung herangezogen. Es liegt nahe, den zeitbezogenen Meßpunkt zu wählen, der eine erstmalige Reflexion an einem Fahrzeug signalisiert.

Mit Impulsradarsystemen lassen sich gleichzeitige mehrere Objekte erfassen. Es ist üblich, Störer mittels eines geeigneten Zeitfensters auszublenden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dieses Zeitfenster vorzugsweise auf die Breite der Fahrbahn beschränkt. Damit kommen nur Echoimpulse zur Auswertung, die in das vorgegebene Zeitfenster fallen. Trifft der Meßstrahl auf kein Hindernis, wie das in Fig. 1 durch den Meßstrahl 5 verdeutlicht ist, so wird kein Reflexionsstrahl 11 (gestrichelt gezeichnet) empfangen. Eine Reflexions­ ebene, die bei Nicht-Vorhandensein eines Fahrzeugs Reflexionsimpulse liefert, ist daher prinzipiell nicht erforderlich.

Der Abstand der Meßstrahlen ist sehr gering, vorzugsweise 25 cm. Diese kurze Meßbasis ermöglicht auch eine Messung in engeren Kurven. Die Meßbasis ist zudem konstant, so daß auch die Meßunsicherheit im wesentlichen von dem Meßabstand unabhängig ist. Weiterhin ermöglicht die kurze Meßbasis die Messung auch in einem Gelände mit Sichthindernissen (Bäume, Buschwerk usw.), da nur ein relativ kleiner Sichtschlitz erforderlich ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung arbeitet vorzugsweise mit Laserimpulsen, wie sie in der Patentanmeldung DE 195 13 823.6 beschrieben sind. Sie werden mit Hilfe schwach index­ geführter Halbleiterlaser nach der Methode der schnellen und starken Injektion von Ladungs­ trägern erzeugt. Ein besonders kostengünstiger Vertreter ist der Einfach-Heterostrukturlaser. Der verwendete Einzelchip hat eine extrem kleine Bauform, so daß ein mikromechanischer Aufbau des Lasersenders ermöglicht wird. Der eigentliche Vorteil liegt in den charakteristi­ schen Emissionsdaten. Laserimpulse mit den Leistungen der eingangsgenannten Patentschrift lassen sich mit Impulsbreiten von weniger als 100 Pikosekunden erzeugen. Diese erhebliche Reduzierung der Laserimpulsbreite wird der Forderung nach Augensicherheit im Sinne der Laserschutzvorschriften gerecht.

Eine sehr genaue Geschwindigkeitsanalyse erfolgt dadurch, daß alle Meßdaten der beiden Profildiagramme zur Auswertung herangezogen werden. Die Zeitverschiebung der Profildia­ gramme, die der gesuchten Meßzeit entspricht, läßt sich über die entsprechende Autokor­ relationsfunktion der Profildiagramme nach den geläufigen Methoden der Korrelationstechnik einfach bestimmen.

Claims (12)

1. Verfahren und Anordnung zur Bestimmung von Verkehrsgrößen wie des Geschwindig­ keitsvektors und der Fahrzeugklasse, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung von Verkehrsgrößen mindestens zwei parallel verlaufende Radar-Meßstrahlen mit bekanntem Abstand verwendet werden, daß vorzugsweise beide Meßstrahlen in gleicher Höhe zur Fahrbahnebene und normal zum Fahrbahnverlauf in Fahrzeughöhe ausgerichtet sind und daß die Reflexion der Meßstrahlen an seitlich vorbeifahrenden Fahrzeugen zu geschwindigkeitsab­ hängigen und fahrzeugtypischen Profildiagrammen führt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussage über die Verkehrsgröße aus den gemessenen Profildiagrammen beider Meßstrahlen ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar-Meßstrahlen aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle gewonnen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar-Meßstrahlen vorzugsweise pulsmoduliert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Radar-Meßstrahlen vorzugsweise gebündelte optische Strahlen mit geringem Strahldurchmesser sind.

6. Verfahren nach Anspruch der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Meßstrahlen sehr gering ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Profildiagramme auf einen vorgegebenen Entfernungsbereich beschränkt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle vorzugsweise ein Halbleiterlaser dient.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterlaser vorzugsweise ein schwach index-geführter Halbleiterlaser verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5, 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise verwendeten Laserimpulse eine hohe Spitzenleistung, eine extrem kurze Impulsbreite sowie eine hohe Impulsrate aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussage über die Geschwindigkeit über eine begrenzte Anzahl von Meßwerten, mindestens jedoch über einen Meßwert aus den jeweiligen Profildiagrammen ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussage über die Geschwindigkeit mittels Bildung der Autokorrelationsfunktion beider Profildiagramme gefunden wird.