DE19736138A1 - Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Fahrbahnoberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche nach dem Oberbegriff des An­ spruchs 1. Das Verfahren dient insbesondere dazu, das Vorhanden­ sein von Wasser oder Eis auf der Fahrbahnoberfläche qualitativ und vorzugsweise auch quantitativ zu erfassen und kann von einer in einem Fahrzeug montierten Vorrichtung durchgeführt werden. Dazu werden bei einem solchen Verfahren allgemein wenigstens ei­ ne Lichtwellenlänge ohne und eine Lichtwellenlänge mit signifi­ kanter Absorption durch Wasser oder Eis bzw. Schnee in ihrem Rückstreuverhalten verglichen. Mit der Bezeichnung "ohne signi­ fikante Absorption" ist dabei gemeint, daß zwar eventuell eine gewisse geringe Absorption vorhanden sein kann, diese jedoch je­ denfalls deutlich geringer ist als im Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption.

Ein Verfahren von im wesentlichen dieser Art ist in der Offenle­ gungsschrift DE 41 33 359 A1 beschrieben. Mit dem dortigen Ver­ fahren soll die Dicke einer Wasserschicht auf einer Fahrbahn be­ rührungslos erfaßt werden können. Das auf die Fahrbahnoberfläche eingestrahlte Licht enthält dazu wenigstens zwei Wellenlängen aus dem nahen Infrarotbereich, die einer unterschiedlich starken Wasserabsorption unterliegen. Beispielsweise sind für einen emp­ findlichen Meßbereich eine Meßwellenlänge bei 1450 nm und eine Vergleichswellenlänge bei 1190 nm mit demgegenüber schwächerer Absorption und für einen unempfindlicheren Meßbereich eine Meß­ wellenlänge von 1190 nm und eine demgegenüber noch schwächer ab­ sorbierte Vergleichswellenlänge von 1080 nm gewählt. Unter der Annahme eines exponentiellen Absorptionsgesetzes und einer "grauen" Fahrbahnoberfläche, d. h. einer solchen, die alle Wel­ lenlängen mit gleichem Anteil absorbiert, wird dann die Dicke einer auf der Fahrbahnoberfläche vorhandenen Wasserschicht be­ stimmt.

Die Annahme eines grauen Strahlers für die Fahrbahnoberfläche ist kritisch, denn Messungen an verschiedenen Fahrbahnbelägen haben ergeben, daß sie nur beschränkt gültig ist und z. B. manche Fahrbahnbeläge einen merklichen Anstieg ihres spektralen Refle­ xionsvermögens mit wachsender Wellenlänge zeigen. Es besteht da­ her Bedarf an einem vom spektralen Reflexionsvermögen der jewei­ ligen Fahrbahnoberfläche weitestgehend unabhängigen Verfahren. Wünschenswert ist zudem ein Verfahren, das bei Bedarf so ausge­ legt werden kann, daß es sich auch zur Erkennung eines Eis- oder Schneebelags auf der Fahrbahnoberfläche eignet.

Aus der Patentschrift DE 41 41 446 C1 ist ein Verfahren zur Mes­ sung der Dicke einer Schicht aus Wasser, Schnee oder Eis auf ei­ ner Fahrbahnoberfläche bekannt, das auf Laufzeitmessungen ba­ siert.

Eine in der Offenlegungsschrift DE 30 23 444 A1 offenbarte Stra­ ßenzustandsermittlungseinrichtung arbeitet dergestalt, daß In­ frarotstrahlung mit einer Wellenlänge, bei der das Reflexions­ vermögen von Schnee geringer als dasjenige der trockenen Fahr­ bahnoberfläche ist, auf die Fahrbahnoberfläche eingestrahlt und das rückgestreute Licht mit Referenzsignalpegeln verglichen wird, die in bestimmter Weise vorab klassifizierten Zuständen der Fahrbahnoberfläche entsprechen.

Bei einem in der Patentschrift DE 38 41 333 C2 beschriebenen Verfahren wird zur Überwachung des Zustands einer Fahrbahn elek­ tromagnetische Strahlung auf eine Lauffläche eines auf der Fahr­ bahn laufenden Rades eines Fahrzeugs eingestrahlt und die von dieser Lauffläche rückgestreute Strahlung analysiert.

In der Offenlegungsschrift DE 35 45 366 A1 ist eine Meßvorrich­ tung zur optischen Bestimmung der Dicke eines z. B. auf einer Me­ talloberfläche befindlichen Wasserfilms offenbart, bei dem auf den Wasserfilm Licht eingestrahlt wird, das einen Meßstrahl mit einer Wellenlänge, die vom Wasserfilm absorbiert wird, und einen Referenzstrahl mit einer Wellenlänge, die keiner Wasserabsorpti­ on unterworfen ist, beinhaltet. Die Wasserfilmdicke wird dann aus dem Verhältnis des den rückgestreuten Meßstrahlanteil reprä­ sentierenden Meßsignalpegels zum den rückgestreuten Referenz­ strahlanteil repräsentierenden Referenzsignalpegel multipliziert mit einem Temperaturkorrekturkoeffizienten ermittelt, wobei der Meßsignalpegel und der Referenzsignalpegel ggf. über mehrere Meßvorgänge gemittelt werden.

In der Offenlegungsschrift DE 40 40 842 A1 ist ein Infrarot- Mikrowellen-Sensorsystem zur Fahrbahnzustandserkennung, insbe­ sondere zur Erkennung, ob die Fahrbahn trocken, naß oder vereist ist, beschrieben, das Netzwerke aus einem oder mehreren Kompara­ toren bzw. einem oder mehreren Gattern bzw. Flip-Flops zur Auf­ bereitung der Signale eines Infratrot- bzw. Mikrowellenempfän­ gers enthält. Dabei wird die rückgestreute Intensität der elek­ tromagnetischen Strahlung für zwei unterschiedliche Wellenlängen bzw. schmale Wellenlängenbänder ausgewertet und der Quotient dieser beiden Intensitäten bzw. von davon abgeleiteten Detektor­ signalspannungen gebildet. Je nach Wert des ermittelten Quotien­ ten wird auf eine trockene, nasse oder vereiste Fahrbahn ge­ schlossen.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem der Zustand einer Fahrbahnoberfläche insbesondere hinsichtlich Vorhandenseins von Wasser, Eis und/oder Schnee mit relativ ge­ ringem Aufwand sehr zuverlässig und genau sowie unabhängig vom Fahrbahnbelag bestimmt werden kann.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah­ ren wird auf die Fahrbahnoberfläche Licht eingestrahlt, das min­ destens einen ersten Lichtanteil aus einem ersten Wellenlängen­ bereich ohne signifikante Absorption durch Wasser oder Eis ein­ schließlich Schnee und einen zweiten Lichtanteil aus einem zwei­ ten Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption durch Wasser/Eis bzw. Schnee beinhaltet, wobei wenigstens der erste Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen ent­ hält. Das von der Fahrbahnoberfläche rückgestreute Licht wird erfaßt und spektral ausgewertet. Dazu wird anhand mindestens des sich für einen ersten, zu den mehreren unterschiedlichen Wellen­ längen des ersten Lichtanteils gehörigen Rückstreulichtanteils ergebenden Spektraldaten eine Näherungs-Referenzkurve ermittelt. Dies kann z. B. durch Bestimmung der Näherungs-Referenzkurve als einer parametrisierten Ausgleichskurve über die einzelnen Meß­ punkte dieser Spektraldaten hinweg unter Verwendung einer übli­ chen Ausgleichsrechnung erfolgen. Die Näherungs-Referenzkurve erstreckt sich dabei über den gesamten Spektralverlauf des rück­ gestreuten Lichtes, also auch über den Wellenlängenbereich des zweiten Lichtanteils mit signifikanter Absorption durch Was­ ser/Eis, wobei sie ausgehend von den Meßpunkten im Wellenlängen­ bereich des ersten Lichtanteils ohne signifikante Wasser/Eis- Absorption in diesen Wellenlängenbereich des zweiten Lichtan­ teils hinein interpoliert bzw. extrapoliert ist.

Die Näherungs-Referenzkurve bildet auf diese Weise im Wellenlän­ genbereich des zweiten Lichtanteils eine Referenzkurve, die min­ destens näherungsweise den Spektralverlauf des rückgestreuten Lichtes in diesem Wellenlängenbereich bei trockener Fahrbahn­ oberfläche wiedergibt. Bei nasser oder vereister Fahrbahn wei­ chen folglich die Spektraldaten des rückgestreuten Lichtes im zweiten Wellenlängenbereich aufgrund einer entsprechenden Absorp­ tion des zweiten Lichtanteils durch das Wasser bzw. Eis merklich von der Näherungs-Referenzkurve ab. Dementsprechend sieht das Verfahren weiter vor, die Differenz zwischen den Spektraldaten des vom zweiten Lichtanteil stammenden, zweiten Rückstreulichtan­ teils und den entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve für wenigstens eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs zu ermitteln. Die so ermittelte Differenz wird, um unabhängig von der Gesamtlichtintensität zu werden, vorzugsweise auf die Ge­ samtlichtintensität oder auf die Anteile in den nicht absorbie­ renden Wellenlängenbereichen normiert und ist ein zuverlässiges qualitatives und auch quantitatives Maß für das Vorhandensein von Wasser oder Eis auf der Fahrbahnoberfläche.

Je nach Anwendungsfall können zur Ermittlung der Näherungs- Referenzkurve nur die zum Wellenlängenbereich ohne signifikante Absorption durch Wasser oder Eis gehörigen Rückstreulichtanteile oder aber zusätzlich auch Rückstreulichtanteile herangezogen werden, die zum Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption durch Wasser/Eis gehören. In letzterem Fall können die Informa­ tionen über den Kurvenverlauf bei trockener Fahrbahn und den ab­ sorptionsbedingten Einbruch des Spektralverlaufs des rückge­ streuten Lichts gemischt in den Empfängersignalen vorliegen und durch eine geeignete Auswertung voneinander getrennt und damit wiederum die Näherungs-Referenzkurve sowie die gesuchte Diffe­ renz zwischen dieser und dem Spektralverlauf bestimmt werden, der dem momentan abgetasteten Fahrbahnzustand entspricht. In seiner allgemeinen Form läßt sich das Verfahren dahingehend cha­ rakterisieren, daß mehrere Detektoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit und/oder mehrere Lichtquellen mit un­ terschiedlicher spektraler Emission verwendet werden, die je­ weils einen eigenen Beitrag zum Rückstreulicht liefern, der sich als Integral der Wellenlänge über das Produkt der spektralen Empfindlichkeit des jeweiligen Detektors mit der jeweiligen spektralen Lichtintensität ergibt. Unter der gerechtfertigten Annahme, daß die Beiträge voneinander unabhängig sind, liefert jeder Beitrag eine Gleichung für ein Gleichungssystem, in wel­ ches als zu bestimmende Parameter diejenigen einer Parametrisie­ rung der Näherungs-Referenzkurve sowie die gesuchte Differenz bzw. die Dicke einer Wasserschicht eingehen. Folglich werden bei Vorgabe einer Anzahl n von Parametern für die Näherungs- Referenzkurve eine Anzahl n+1 verschiedener Detektoren und/oder Lichtquellen benötigt, um das Gleichungssystem eindeutig lösen zu können. Die zugehörige Auswertung vereinfacht sich z. B. dann, wenn δ-Funktionen für die spektrale Empfindlichkeit bzw. die spektrale Lichtintensität verwendet werden, d. h. wenn der Spek­ tralverlauf punktuell bei verschiedenen diskreten Wellenlängen ausgewertet wird.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren liegen der ersten und der zweite Lichtanteil, die für die Auswertung des rückgestreuten Lichtes relevant sind, im Wellenlängenbereich zwischen etwa 800 nm und etwa 1100 nm. Dies hat u. a. den Vorteil, daß kostengünstige Silizium-Fotoempfänger als Rückstreulicht­ detektoren eingesetzt werden können und keine speziellen Infra­ rot-Detektoren erforderlich sind.

Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren besteht der Wellenlängenbereich ohne signifikante Wasser/Eis-Absorption aus zwei Teilbereichen unterhalb bzw. oberhalb des zweiten Wellen­ längenbereichs. Dadurch liegen beidseits des zweiten Wellenlän­ genbereichs Meßpunkte für die Ermittlung der Näherungs- Referenzkurve für den Spektralverlauf des rückgestrahlten Lich­ tes bei trockener Fahrbahn vor, wodurch dieser Spektralverlauf für den Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorp­ tion mit guter Genauigkeit interpoliert werden kann.

Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren beinhaltet auch der zweite Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen, und die Differenz zwischen den Spektraldaten des vom zweiten Lichtanteil stammenden Rückstreulichtanteils und den entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve wird nicht nur an einem einzelnen Punkt, sondern an entsprechend vielen Punkten als Differenzkurve ermittelt. Aus dem Verlauf der Differenzkurve läßt sich der Zustand der Fahrbahnoberfläche vergleichsweise ge­ nau qualitativ und quantitativ bestimmen. Bei einer ersten wei­ teren Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 5 das Integral der Differenzkurve über den zweiten Wellenbereich er­ mittelt. Das resultierende, vorzugsweise normierte Integral bil­ det ein sehr genaues Maß für die Dicke eines ggf. auf der Fahr­ bahnoberfläche gebildeten Wasserfilms. In einer zweiten weiteren Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 6 der Schwer­ punkt der Differenzkurve ermittelt. Es zeigt sich, daß durch diese Kenntnis der Schwerpunktlage entschieden werden kann, ob es sich bei einem auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Belag um eine Wasser- oder eine Eis/Schnee-Schicht handelt. Für den Fall von Schnee sieht die Differenzkurve ähnlich aus wie für Eis, jedoch mit geringerer Amplitude, so daß eine zusätzliche Diskriminierung zwischen Eis und Schnee möglich ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer Vor­ richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflä­ che,

Fig. 2 ein Diagramm mit idealisiert dargestellten, von der Vor­ richtung von Fig. 1 gewonnenen Rückstreulicht-Spektral­ daten und

Fig. 3 ein Diagramm mit zwei durch die Vorrichtung von Fig. 1 gewonnenen Spektraldaten-Differenzkurven

Fig. 1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeignete Vorrichtung. Diese umfaßt eine Lichterzeugungs­ einheit 1 mit einer in Brennpunktnähe eines Reflektors 2 ange­ ordneten Lichtquelle 3, die von einer 12V-Speisespannung, z. B. aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, gespeist wird und breitbandig Licht in einem Wellenlängenbereich abgibt, der ins­ besondere den Bereich zwischen etwa 800 nm und etwa 1150 nm um­ faßt. Das emittierte Licht verläßt den Reflektor 2 als ein Bün­ del 4 von im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen, das auf eine nicht gezeigte Fahrbahnoberfläche eingestrahlt wird. Ein Empfän­ ger 5 empfängt das zu ihm von der Fahrbahnoberfläche rückge­ streute Licht 6 über eine Optik und/oder Lichtleiter, von wo es auf ein dispersives Element 7 des Empfängers 5 fällt und auf diese Weise spektral zerlegt auf einen Silizium-Photoempfänger in Form einer CCD-Sensorzeile 8 reflektiert wird. Das dispersive Element 7 kann z. B. von einem Beugungsgitter, einem Interferenz­ filter oder einem Prisma gebildet sein. Das Ausgangssignal 9 der CCD-Zeile 8 wird einer Auswerteeinheit 10 zugeführt, die eben­ falls von der 12V-Speisespannung gespeist wird und an einen Da­ tenbus 11, z. B. einen CAN-Bus, angeschlossen ist.

Die Auswerteeinheit 10 ist in geeigneter Weise zur Auswertung des Ausgangssignals 9 der CCD-Zeile 8 gemäß dem erfindungsgemä­ ßen Verfahren ausgelegt. Im einzelnen ergibt sich dabei folgen­ der Verfahrensablauf. Jedes Pixel, d. h. jede Abtast-Einheits­ zelle der CCD-Zeile 8 empfängt vom dispersiven Element 7 Rück­ streulicht einer jeweils zugehörigen Wellenlänge bzw. einer zu­ gehörigen schmalen Spektrallinie. Der Beitrag jedes solchen Pi­ xels zum Ausgangssignal 9 entspricht somit der rückgestreuten Lichtintensität bei der betreffenden Wellenlänge. Auf diese Wei­ se vermag die Auswerteeinheit 10 für die verschiedenen Meßwel­ lenlängen aus den Signalen der betreffenden Pixel der CCD-Zeile 8 die zugehörige Rückstreuintensität zu ermitteln. In Fig. 2 ist der weitere Auswertevorgang in Diagrammform idealisiert veran­ schaulicht.

Wie aus Fig. 2 zu erkennen, ermittelt die Auswerteeinheit 10 zu­ nächst die Spektraldaten des rückgestreuten Lichtes in Form von Meßwerten der relativen spektralen Rückstreulichtintensität S, entsprechend dem Ausgangssignalbeitrag des jeweiligen CCD-Zei­ lenpixels, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für eine Mehrzahl von Meßpunkten entsprechend der Anzahl von CCD- Zeilenpixeln. Das System ist so ausgelegt, daß jeweils eine Mehrzahl von Meßpunkten M1, M2, M3 in einem von drei aufeinan­ derfolgenden Wellenlängenintervallen A, B, C liegt. Dabei schließt sich an einen vorgegebenen unteren Grenzwert λ_G1 unter­ halb ein erstes Wellenlängenintervall A an, während sich ober­ halb von diesem ein zweites Wellenlängenintervall B anschließt, das bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert λ_G2 reicht, an den sich nach oben das dritte Wellenlängenintervall c anschließt. Die beiden Grenzwerte λ_G1, λ_G2 sind so gewählt, daß das von ihnen eingeschlossene Wellenlängenintervall B einen Wellenlängenbe­ reich mit signifikanter Lichtabsorption durch Wasser oder Eis bzw. Schnee darstellt, während die beiden äußeren Wellenlängen­ intervalle A, C zwei Teilbereiche eines Wellenlängenbereiches bilden, in welchem das Licht durch Wasser oder Eis bzw. Schnee nicht merklich absorbiert wird. Eine derartige Situation ergibt sich beispielsweise durch eine Wahl des unteren Grenzwertes λ_G1 bei ungefähr 900 nm und des oberen Grenzwertes λ_G2 bei ungefähr 1050 nm, da dazwischen bekanntermaßen eine Absorptionslinie von Wasser/Eis liegt, während in einem an diesen unteren Grenzwert λ_G1 nach unten anschließenden und einem an diesen oberen Grenz­ wert λ_G2 nach oben anschließenden Bereich keine signifikante Ab­ sorption durch Wasser/Eis auftritt.

Die Auswerteeinheit 10 benutzt nun die Meßpunkte M1 und M3 in den beiden Teilbereichen des ersten Wellenlängenbereichs, d. h. desjenigen ohne signifikante Absorption durch Wasser/Eis dazu, eine Näherungs-Referenzkurve R für den Spektralverlauf des rück­ gestreuten Lichtes bei trockener Fahrbahn in Form einer Approxi­ mationskurve mittels eines üblichen Approximationsverfahrens zu ermitteln. Dazu wird eine mathematische Funktion, z. B. ein Po­ lynom, mit einer vorgebbaren Anzahl freier Parameter vorgegeben, und die Parameter werden durch das Approximationsverfahren fest­ gelegt. Wenn die Funktion eine Anzahl n von Parametern enthält und die Wasserhöhe als weitere unbekannte, zu bestimmende Größe vorgegeben wird, sind hierfür eine Anzahl n+1 von Meßkanälen, d. h. Meßpunkten M1, M3 im ersten wellenlängenbereich, erforder­ lich. Im einfachsten Fall der Verwendung einer Geraden als Nähe­ rungs-Referenzkurve sind folglich mindestens drei Meßpunkte M1, M3 erforderlich. Vorzugsweise werden insgesamt wesentlich mehr Meßpunkte verwendet, z. B. zwischen 20 und 30 Meßpunkte M1, M2, M3 gleichmäßig verteilt über den gesamten beobachteten Wellen­ längenbereich, d. h. über die drei Wellenlängenintervalle A, B, C. Wenn mehr Meßpunkte M1, M3 in den beiden Teilbereichen A, C des ersten Wellenlängenbereichs vorhanden sind als freie Parame­ ter der vorgegebenen Funktion, ist das Gleichungssystem zur Be­ stimmung der Parameter überbestimmt, so daß in diesem Fall durch eine Ausgleichsrechnung eine an die Meßpunkte M1, M3 z. B. hin­ sichtlich des kleinsten quadratischen Fehlers bestangepaßte Lö­ sung gefunden werden kann. Die Ermittlung der Näherungs-Refe­ renzkurve in dieser Weise als eine Ausgleichskurve verringert den Einfluß von Signalrauschen und erhöht die Genauigkeit.

Ausgehend von ihrer Festlegung durch die Meßpunkte M1, M3 in den beiden Teilbereichen A, C des ersten Wellenlängenbereichs er­ streckt sich die Näherungs-Referenzkurve R auch im zwischenlie­ genden zweiten Wellenlängenbereich B, in welchem sie folglich eine Interpolationskurve darstellt. Da die Näherungs-Referenz­ kurve R anhand der Meßpunkte M1, M3 des Wellenlängenbereichs oh­ ne signifikante Wasser/Eis-Absorption bestimmt wurde, stellt sie im Wellenlängenbereich B mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption eine Approximationskurve für den Fall einer trockenen Fahrbahn­ oberfläche dar und eignet sich somit als Referenz zur Feststel­ lung von demgegenüber ggf. vorliegenden Abweichungen der in die­ sem Wellenlängenbereich B gemessenen Spektraldaten. So ist in Fig. 1 der Fall einer nassen Fahrbahn veranschaulicht, für wel­ che die spektralen Rückstreuintensitäten im zweiten Wellenlän­ genbereich B, d. h. die Meßwerte der dortigen Meßpunkte M2, wegen teilweiser Absorption des Lichts aus diesem Wellenlängenbereich B durch das Wasser der Fahrbahnoberfläche merklich unterhalb der Näherungs-Referenzkurve R liegt. Der Abstand der zu den Meßpunk­ ten M2 des zweiten Wellenlängenbereichs B gehörigen Meßwerte zur Näherungs-Referenzkurve R ist somit ein eindeutiges qualitatives und quantitatives Maß für das Vorhandensein von Wasser auf der bestrahlten Fahrbahnoberfläche. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei, daß die solchermaßen erhaltene Differenz zwischen der Nä­ herungs-Referenzkurve und den gemessenen spektralen Rückstreuin­ tensitäten im Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis- Absorption unabhängig vom jeweils vorliegenden Fahrbahnbelag ist, d. h. von einem möglicherweise nicht für alle Wellenlängen konstanten spektralen Reflexionsvermögen der Fahrbahn unbeein­ flußt bleibt. Dadurch liefert das Verfahren mit relativ geringem Aufwand deutlich bessere Resultate als Vorgehensweisen, die auf der Annahme beruhen, daß sich der Fahrbahnbelag als grauer Strahler verhält. Von Vorteil ist bei diesem Verfahren außerdem, daß es auch dann noch anwendbar ist, wenn das tatsächliche Ab­ sorptionsverhalten von einem exakten, einfachen Exponentialge­ setz abweicht.

Statt einer nur punktuellen Auswertung dieser Differenz der ge­ messenen Spektraldaten von den Daten der Näherungs-Referenzkurve R im zweiten Wellenbereich B ist vorzugsweise eine noch genauere Auswertung derselben in kontinuierlicher Form durch die Auswerte­ einheit 10 vorgesehen, die in Verbindung mit Fig. 3 erläutert wird. Dabei geht die Auswerteeinheit 10 so vor, daß sie die ge­ messenen Werte an den einzelnen Meßpunkten M1, M2, M3 aller be­ obachteten Wellenlängenintervalle A, B, C als Stützstellen einer kontinuierlichen Meßkurve M miteinander verbindet und die Diffe­ renzkurve zwischen der Näherungs-Referenzkurve R und der Meßkur­ ve M berechnet. In Fig. 3 ist zum einen eine auf diese Weise be­ rechnete Differenzkurve D1 dargestellt, die für den Fall einer nassen Fahrbahnoberfläche erhalten wurde. Zum anderen ist in Fig. 3 eine weitere Differenzkurve D2 wiedergegeben, die für den Fall einer vereisten Fahrbahnoberfläche erhalten wurde. Die Aus­ werteeinheit 10 wertet nun die jeweils erhaltene Differenzkurve D1, D2 weiter dahingehend aus, daß sie sowohl die Fläche F1, F2 unter der jeweiligen Differenzkurve D1, D2, d. h. das Integral derselben über die Wellenlänge λ, im Wellenlängenbereich mit sig­ nifikanter Wasser/Eis-Absorption, d. h. zwischen den beiden ge­ wählten Grenzwerten λ_G1, λ_G2, als auch die Lage des Schwerpunkts L1, L2 der betreffenden Differenzkurve D1, D2 ermittelt.

Es zeigt sich nun, daß bei Vorhandensein von Eis oder Schnee die Schwerpunktlage der erhaltenen Differenzkurve gegenüber dem Vor­ handensein von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche verschoben ist. Im Beispiel von Fig. 3 liegt daher der Schwerpunkt L2 der auf einen Eisbelag zurückzuführenden Differenzkurve D2 bei einer hö­ heren Wellenlänge als der Schwerpunkt L1 der auf einen Wasserbe­ lag zurückzuführenden Differenzkurve D1. Spezieller haben Unter­ suchungen ergeben, daß sich die Schwerpunktlage der auf Absorp­ tion durch Wasser zurückzuführenden Differenzkurve mit abnehmen­ der Wassertemperatur von kleineren zu größeren Wellenlängen hin verschiebt, daß jedoch die Schwerpunktlage der auf einen Eisbe­ lag bei 0°C zurückzuführenden Differenzkurve deutlich gegenüber der Schwerpunktlage einer auf einen Wasserbelag bei 0°C zurück­ zuführenden Differenzkurve zu größeren Wellenlängen hin verscho­ ben ist. Weiterhin zeigen Untersuchungen, daß bei einem auf der Fahrbahnoberfläche vorhandenen Schneebelag die sich dann erge­ bende Differenzkurve in ihrer Lage derjenigen für Eisbelag, d. h. D2, ähnlich ist, jedoch geringere Amplitudenwerte besitzt. Auf diese Weise erlaubt das Verfahren zudem die Erkennung eines Schneebelags auf der Fahrbahnoberfläche und dabei insbesondere die Unterscheidung von einem Wasser- oder einem Eisbelag.

Verfahrensgemäß ist daher vorgesehen, einen Wellenlängen- Schwellwert etwa in der Mitte zwischen den Schwerpunktlagen die­ ser beiden Differenzkurven bei 0°C festzulegen und, nachdem wäh­ rend eines Meßvorgangs zur Zustandsbestimmung einer Fahrbahn­ oberfläche durch die Auswerteeinheit 10 die zugehörige Diffe­ renzkurve berechnet wurde, zunächst festzustellen, ob diese überhaupt eine merkliche Amplitude im relevanten Wellenlängenbe­ reich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption aufweist. Ist dies nicht der Fall, wird richtigerweise auf einen trockenen Zustand der Fahrbahnoberfläche geschlossen. Wenn eine Differenzkurve mit merklicher Amplitude vorliegt, wie z. B. die Kurven D1 und D2 von Fig. 3, wird deren Schwerpunktlage ermittelt und festgestellt, ob diese unterhalb oder oberhalb des vorgegebenen Wellenlängen­ schwellwertes liegt. Im ersteren Fall ist auf einen vorhandenen Wasserbelag auf der Fahrbahnoberfläche zu schließen, in letzte­ rem Fall ist die Absorption durch eine Vereisung oder einen schneebelag der Fahrbahnoberfläche verursacht. Aus der genauen Lage des Differenzkurvenschwerpunktes im Fall eines Wasserbelags kann zudem auf die Temperatur des Wassers geschlossen werden. Ergibt die Schwerpunktlage einen Eis- oder Schneebelag, wird durch eine Analyse der Differenzkurvenamplitude entschieden, ob es sich um einen Eis- oder einen Schneebelag handelt.

Aus der ermittelten Differenzkurve ist weitergehend auch eine quantitative Aussage über die Wasserschichtdicke möglich. Denn es zeigt sich, daß vor allem im Fall einer Wasserschicht auf der Fahrbahnoberfläche die von der zugehörigen Differenzkurve, wie der Kurve D1 von Fig. 3, eingeschlossene Fläche F1 ein eindeuti­ ges Maß für die Dicke dieser Wasserschicht ist. Durch Berechnung des Integrals der Differenzkurve D1 im Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption durch Wasser, d. h. durch Bestimmung der Fläche F1 von Fig. 3, kann folglich die Dicke der erkannten Was­ serschicht auf der Fahrbahnoberfläche verhältnismäßig genau er­ mittelt werden.

Bei Bedarf kann das Verfahren zudem dahingehend ausgelegt wer­ den, daß mögliche Störeinflüsse durch Umgebungslicht kompensiert werden. Dazu werden zwei Referenzspektren aufgenommen, und zwar eines für Tageslicht bei abgeschalteter Lichterzeugungseinheit 1 von Fig. 1 und das andere bei fehlendem Umgebungslicht und akti­ vierter Lichterzeugungseinheit 1, jeweils für einen bestimmten Fahrbahnbelag. Messungen zeigen, daß sich der Verlauf des spek­ tralen Reflexionsvermögens für verschiedene Fahrbahnbeläge in sehr guter Näherung durch monotone, stetig verlaufende Kurven beschreiben läßt, die durch Multiplikation mit einer geeigneten, von bestimmten Parametern abhängigen Funktion ineinander überge­ führt werden können. Unter dieser Annahme gilt dann für das an einem beliebigen anderen Fahrbahnbelag gemessene Rückstreulicht­ spektrum, daß dieses für jede Wellenlänge multipliziert mit der parameterabhängigen Funktion gleich der Summe aus einem Bruch­ teil des ersten Referenzspektrums und einem Bruchteil des zwei­ ten Referenzspektrums ist. Mit ausreichend vielen Meßpunkten im Wellenlängenbereich ohne signifikante Wasser/Eis-Absorption kann durch eine Ausgleichsrechnung wieder die am besten approximie­ rende, parameterabhängige Funktion sowie der Bruchteilsfaktor errechnet werden, mit dem die beiden Referenzspektren zur oben genannten Summe beitragen. Mit dieser Kalibrierung des Meßsy­ stems können dann die Rückstreuintensitäten für die Meßpunkte im Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption im trockenen Fahrbahnoberflächenzustand, d. h. die Interpolations- bzw. Extrapolationspunkte der Näherungs-Referenzkurve in diesem Bereich, als Quotient der genannten Summe aus den Bruchteilen der beiden Referenzspektren dividiert durch die parameterabhän­ gige Funktion ermittelt werden.

Neben dem oben detailliert beschriebenen Verfahrensbeispiel und der dieses durchführenden Vorrichtung sind zahlreiche weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen realisierbar. So kann z. B. ein System des Typs verwendet werden, wie er in der oben erwähn­ ten DE 41 33 359 A1 beschrieben ist, wobei jedoch mindestens drei Spektralkanäle bereitgestellt werden. Die einzelnen Wellen­ längen werden dann wiederum durch Interferenzfilter vor den Pho­ toempfängern selektiert. Dann wird der wellenlängenabhängige Streukoeffizient der Fahrbahnoberfläche mit einer mathematischen Funktion mit freien Parametern angesetzt und diese Funktion mit einem exponentiellen Absorptionsterm, der die Lichttransmission einer Wasserschicht bestimmter Dicke beschreibt, multipliziert, um eine mathematische Funktion für den wellenlängenabhängigen Verlauf der Rückstreuintensität zu erhalten. Anhand der tatsäch­ lichen Meßwerte können dann die freien Parameter der Funktion wieder im Sinne einer bestmöglichen Approximation errechnet wer­ den, woraus sich zudem die Dicke der Wasserschicht ergibt.

Bei einer Variante des soeben beschriebenen Systems werden an­ stelle von Interferenzfiltern Photodioden eingesetzt, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, z. B. aus Si, Ge oder In, Ga, As, oder deren spektrale Empfindlichkeit durch breitbandige Filter modifiziert wird. Die von einem sol­ chen Detektor insgesamt umgewandelte Lichtintensität ergibt sich dann als Integral einer Produktfunktion über die Wellenlänge, wobei sich die Produktfunktion als Produkt der spektralen Emp­ findlichkeit des Photodetektors, eines exponentiellen Absorpti­ onsterms und der oben erwähnten, den wellenlängenabhängigen Streukoeffizient der Fahrbahnoberfläche beschreibenden Funktion mit freien Parametern ergibt. Durch Verwenden mehrerer Detekto­ ren mit voneinander linear unabhängigen spektralen Empfindlich­ keitsverläufen in Abhängigkeit von der Wellenlänge erhält man dann wiederum ein Gleichungssystem, aus dem die freien Parameter und die Wasserdicke bestimmt werden können. Vorzugsweise ist auch hier wieder die Anzahl der Meßpunkte größer als die Anzahl von Detektoren, so daß das Gleichungssystem überbestimmt ist und durch eine Ausgleichsrechnung der Einfluß des Signalrauschens verringert und die Genauigkeit erhöht werden kann.

Bei einer weiteren Variante des oben angesprochenen Systems mit Interferenzfiltern werden für die Lichterzeugungseinheit schmal­ bandige Lichtquellen bei verschiedenen Wellenlängen verwendet, die im Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, z. B. Laserdi­ oden. Als Empfänger wird eine breitbandige Photodiode verwendet, und die Signalauswertung erfolgt wie oben zum System mit Inter­ ferenzfiltern beschrieben.

Eine weitere Variante arbeitet entsprechend dem oben angespro­ chenen, Photodioden verwendenden System, wobei jedoch für die Lichterzeugungseinheit breitbandige Lichtquellen mit unter­ schiedlichen spektralen Verteilungen eingesetzt werden, die im Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, z. B. Leuchtdioden. Als Empfänger wird eine breitbandige Photodiode verwendet, und die Auswertung erfolgt wie oben für das System mit verschiedenen Photodioden beschrieben.

Claims (6)

1. Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflä­ che, bei dem

• - auf die Fahrbahnoberfläche Licht eingestrahlt wird, das einen ersten Lichtanteil aus einem ersten Wellenlängenbereich (A, C) ohne signifikante Absorption durch Wasser/Eis und einen zwei­ ten Lichtanteil aus einem zweiten Wellenlängenbereich (B) mit signifikanter Absorption durch Wasser/Eis beinhaltet, und
• - das von der Fahrbahnoberfläche rückgestreute Licht erfaßt und spektral ausgewertet und daraus auf den Zustand der Fahrbahn­ oberfläche wenigstens hinsichtlich Vorhandenseins von Was­ ser/Eis geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
• - der erste Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellen­ längen enthält und die spektrale Auswertung des rückgestreuten Lichtes die Ermittlung einer Näherungs-Referenzkurve (R) für den Spektralverlauf des rückgestreuten Lichtes bei trockener Fahrbahn anhand der Spektraldaten des erfaßten, rückgestreuten Lichts und die Ermittlung der Differenz zwischen den Spek­ traldaten des sich aus dem zweiten Lichtanteil ergebenden, zweiten Rückstreulichtanteils und den entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve für wenigstens eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs (B) umfaßt, wobei aus der ermit­ telten Differenz auf den Zustand der Fahrbahnoberfläche ge­ schlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnete daß der erste und der zweite Lichtanteil des auf die Fahrbahn einge­ strahlten Lichtes im Wellenlängenbereich zwischen etwa 800 nm und etwa 1150 nm liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenlängenbereich aus zwei Teilbereichen (A, C) be­ steht, von denen der eine unterhalb und der andere oberhalb des zweiten Wellenlängenbereichs (B) liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen enthält und die Differenz zwischen den Spektralda­ ten des zweiten Rückstreulichtanteils und den entsprechenden Nä­ herungs-Referenzkurvendaten als Differenzkurve (D1, D2) zwischen der gemessenen Spektralkurve (M) des rückgestreuten Lichtes und der Näherungs-Referenzkurve (R) im zweiten Wellenlängenbereich (B) ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß das Integral der Differenzkurve (D1) über den zweiten Wellenlän­ genbereich (B) ermittelt und als Maß für die Dicke eines auf der Fahrbahnoberfläche gebildeten Wasserfilms herangezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt (L1, L2) der Differenzkurve (D1, D2) über den zweiten Wellenlängenbereich (B) ermittelt und aus dessen Lage zwischen Wasser oder Eis/Schnee auf der Fahrbahnoberfläche un­ terschieden wird.