DE19718623A1 - Verfahren zur polarimetrischen Fahrbahnerkennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Fahrbahnoberfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.

Aus der DE 40 40 842 A1 ist eine Anordnung zur Erkennung von insbesondere vereisten Fahrbahnoberflächen bekannt. Dabei werden die unterschiedlichen Infrarotabsorptionseigenschaften verschiedener Fahrbahnzustände sowie deren Mikrowellen-Streueigenschaften verknüpft, um eine Unterscheidung zwischen den Oberflächenzuständen trocken, naß und vereist zu gewinnen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erkennung der Fahrbahnoberfläche anzugeben, bei dem das Mikrowellen-System im Sende-und/oder Empfangsfall polarisationsselektiv arbeitet und aus den Depolarisationseigenschaften der Straßenzustand bestimmt wird.

Die Erfindung ist in Patentanspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sich die Depolarisationseigenschaften des ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs anschaulich z. B. in einer Poincare-Kugel-Darstellung abbilden lassen und mittels eines Klassifikationsschema der Nässe-, Vereisungs- und Verschmutzungsgrad sowie die Rauhigkeit der Fahrbahnoberfläche bestimmt wird. Aus theoretischen Arbeiten betreffend die Interferenzeigenschaften von Strahlen in Kristallen, ist es bekannt, daß durch Überlagerung von zwei polarisierten elektromagnetischen Wellen, die Polarisation einen Kreis auf der Poincare-Kugel bildet, wenn die relative Phasenbeziehung sich ändert (Pancharatnam S.: Proc. of the Indian Accademy of Sciencies, Bangalore, Vol. 44, 1956, S. 247). Die Erfindung korreliert diese Phasenbeziehung direkt mit der Schichtdicke der auf der Fahrbahn gegebenenfalls befindlichen Wasser-, Eis- oder Schmutzschicht (z. B. Ölschicht). Außerdem kann in vorteilhafterweise aus den Depolarisationseigenschaften von zirkular polarisierten Wellen, die einem kleineren Einfallswinkel als den Brewster Winkel für trockenen Fahrbahn besitzen, aus der Änderung des Drehsinns der reflektierten Welle auf den Übergang von trockener zu vereisten Fahrbahn geschlossen werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

In Fig. 1 ist die Poincare-Kugel Darstellung der Polarisationszustände der reflektierten Wellen mit zunehmender Eisschichtdicke angegeben, wobei die einfallenden Wellen (i) linkszirkular, (ii) -45° linear und (iii) rechtszirkular polarisiert sind.

In Fig. 2 sind die Meßergebnisse für rauhen, trockenen Fahrbahnbelag für die in Fig. 1 angegebenen einfallenden Wellen dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Meßergebnisse für rauhen, mit einer dünnen Eisschicht bedeckten Fahrbahnbelag, für die in Fig. 1 angegebenen einfallenden Wellen.

Um die Fahrbahnzustandserkennung gemäß der Erfindung durchführen zukönnen, werden Sender und Empfänger an zwei verschiedenen Orten, d. h. bistatisch aufgebaut. Die Sender werden für einen Einfallswinkels der gesendeten Wellen bzgl. der Fahrbahn leicht unterhalb des Brewster Winkels für trockenen Fahrbahn (etwa 64°) eingestellt. Der Einfallswinkel liegt für diesen Fall zwischen 59 und 60°. Die gesendeten Signale müssen vertikal und horizontal polarisierte Anteile besitzen. Vorteilhaft ist die Verwendung von zirkularpolarisierten Sendesignalen.

In folgenden Ausführungsbeispiel wird eine zirkular polarisierte Welle ausgesendetet. Gemäß Fig. 1. wird der Polarisationszustand nach der Reflektion bei trockener Fahrbahn in der Nähe des Äquators auf der Poincare-Kugel als Projektionspunkt abgebildet. Wird die Fahrbahn mit einer Eisschicht bedeckt, so wird die reflektierte Welle aus einer Überlagerung einer an der Oberfläche der Eisschicht reflektierten Welle und einer an der darunterliegenden Fahrbahn reflektierten Welle gebildet. Mit zunehmender Eisschichtdicke ändert sich die Phasenbeziehung zwischen den überlagerten Wellen, während die Intensität der Wellen im wesentlichen gleich bleibt. Die Projektion der Polarisationszustände der reflektierten Wellen auf der Poincare-Kugel ergibt somit eine Kreisbahn. Ein Umlauf auf der Kreisbahn entspricht in etwa der Änderung der Eisschichtdicke um eine viertel Wellenlänge der einfallenden Welle. Für einen polarimetrisches Millimeterwellen-System, das z. B. bei 76 GHz arbeitet, hat die einfallende Welle eine Wellenlänge von 4 mm. Bei einer Eisschichtdickenänderung von 1 mm legt der auf die Poincare-Kugel projizierte Polarisationszustand einem kompletten Kreisumlauf zurück (siehe Fig. 1 (i)). Für -45° linear oder rechtszirkular polarisierte Wellen sind die Kreisbewegungen auf der Poincare-Kugel entsprechend dargestellt (siehe Fig. 1 (ii) und (iii)).

Bei Übergang von trockener nach vereister Fahrbahn findet ein Wechsel im Drehsinn der reflektierten Welle statt. Für den Fall einer linkszirkular polarisierten Welle werden die Projektionspunkte auf der Poincare-Kugel deshalb im Uhrzeigersinn die Kreisbahn durchlaufen. Beobachtet man ständig den Verlauf der Projektionspunkte, so kann bei mehrmaligem Durchlauf der Kreisbahn aufgrund Eisschichtdicken von mehr als 1 mm aus dem Drehsinn unterschieden werden, ob es sich um eine trockene oder vereiste Fahrbahn handelt. Die Rauhigkeit der Fahrbahnoberfläche spiegelt sich in der Projektion auf der Poincare-Kugel als Streuung der Projektionspunkte wieder. Es bilden sich Cluster, deren Zentren dabei im wesentlichen an derselben Stelle bleiben, an der der Projektionspunkt, der an einer glatten Oberfläche reflektierten Welle abgebildet wird, dargestellt ist. Um eine Klassifikation für den Rauhigkeitszustand zu erhalten, wird der aus der Streuung resultierende Depolarisationsgrad der Welle berechnet.

Bei zunehmender Eisschichtdicke der rauhen Fahrbahn wandern die Cluster auf Kreisbahnen wie oben beschrieben (Fig. 3).

Bei Nässe oder Verschmutzung der Fahrbahn wandern die Projektionspunkte vom Äquator der Poincare-Kugel in Richtung der Projektionspunkte, die den Polarisationszuständen zugeordnet sind, die orthogonal zu der ausgesendeten Polarisationszuständen sind. Für linkszirkular gesendete Polarisationszustände wandert z. B. der Projektionspunkt in Richtung des Pols der der rechtsdrehenden zirkularen Polarisation zugeordnet ist. Die Klassifikation des Nässe- oder Verschmutzungsgrades erfolgt über die Korrelation mit der vertikalen Komponente der reflektierten Welle. Ist z. B. die einfallende Welle vertikal polarisiert, so wird auf Grund der Lage des Einfallswinkels in der Nähe des Brewsterwinkels für trockene Fahrbahnen, fast kein vertikal polarisierter Anteil der Welle reflektiert. Mit zunehmendem Feuchtigkeitsgrad ändert sich die Dielektrizitätskonstante der Oberfläche dahingehend, daß der vertikale Anteil der reflektierten Welle proportional ansteigt.

Für die um -45° linear und die rechtszirkular polarisierten einfallenden Wellen sind die Verteilungen und Bewegungen der Projektionspunkte auf der Poincare-Kugel in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellt. Eine Klassifikation und Auswertung erfolgt analog den oben beschrieben Beispielen.

Die Erfindung ist nicht auf die mathematische Darstellung mittels der Poincare-Kugel beschränkt, sondern es können andere mathematische Darstellungen z. B. mit kartesischen Koordinaten verwendet werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Erkennung des Zustandes einer Fahrbahnoberfläche mit einem Mikrowellen-Sende-Empfangs-System, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikrowellen-System polarisationsselektiv betrieben wird und die Depolarisationseigenschaften des ausgeleuchteten Fahrbahnbereiches in einer mathematischen Darstellung aufgenommen werden und daraus der Zustand der Fahrbahnoberfläche bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Mikrowellen-System gesendeten Signale unter einem Einfallswinkel kleiner als dem Brewster Winkel für trockene Fahrbahn auf der Fahrbahn auftreffen.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Fahrbahnoberfläche reflektierten Signale verschiedene Polarisationszustände besitzen, die die als Projektionspunkte auf einer Poincare-Kugel abgebildet werden, und daß aus der Verteilung und der Bewegung der Projektionspunkte die Rauhigkeit, der Nässe-, Verschmutzungs- und Vereisungsgrad der Fahrbahnoberfläche bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauhigkeit der Fahrbahnoberfläche aus einer größeren Streuung der Projektionspunkte um den Projektionspunkt für glatte Fahrbahn bestimmt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nässe, Vereisung und Verschmutzung der Fahrbahnoberfläche die Projektionspunkte auf der Poincare-Kugel auf links- oder rechtsdrehenden Kreisbahnen bewegt werden und aus der Richtung und Länge der Drehbewegung das die Fahrbahn bedenkende Material und die Schichtdicke des Materials bestimmt wird.