DE4133359A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen erfassung der dicke einer wasserschicht auf einer fahrbahn - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen erfassung der dicke einer wasserschicht auf einer fahrbahn

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus Gründen der Verkehrs- und Fahrsicherheit ist es wünschenswert, einen Zustand einer mit einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn vom fahrenden Fahrzeug aus zu ermitteln und einem Fahrzeugführer anzuzeigen. Hierbei kommt der Bestimmung der Dicke einer Wasserschicht auf der Fahrbahn besondere Bedeutung zu, da hiervon der Reibwert zwischen abrollendem Rad und der Fahrbahn in entscheidendem Maße abhängt.
Aus der DE 38 41 333 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Zustandes einer Fahrbahn hervor, bei dem die Lauffläche eines auf der Fahrbahn laufenden Fahrzeugrads mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird. Intensitäten eines von der Lauffläche gerichtet reflektierten Strahlungsanteils und eines diffus reflektierten Strahlungsanteils werden erfaßt und ein Zustand der Fahrbahn durch aufwerten der Intensitäten der reflektierten Strahlungsanteile ermittelt. Aufgrund der indirekten Erfassung der Nässe über dem Reifen ist jedoch eine Bestimmung der Dicke der Wasserschicht auf der Fahrbahn nicht möglich.
Ebenso ist aus der DE 30 23 444 C2 eine Einrichtung zur Ermittlung des witterungsbedingten Straßenzustands bekannt, bei welcher das unterschiedliche Reflektionsverhalten einer nassen bzw. trockenen Fahrbahn mit optoelektronischen Mitteln abgetastet wird. Da jedoch die erfaßten Reflektionswerte jeweils lediglich nur mit Schwellwerten verglichen werden und aus den binären Ergebnissen dieser Vergleiche der Straßenzustand beurteilt wird, ist ebenfalls lediglich eine qualitative Aussage hinsichtlich naß oder trocken möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der Dicke einer Wasserschicht auf einer Fahrbahn zu schaffen, das die Dicke der Wasserschicht berührungslos und vorausschauend zu erfassen vermag und zum Einbau in ein Fahrzeug geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß die Dicke einer Wasserschicht auf einer von einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn berührungslos und vorausschauend quantitativ erfaßt werden kann. Die Vorrichtung ist ferner zum Einbau in ein Fahrzeug geeignet.
Vorteilhaft sind ferner die kurzen Reaktionszeiten der Vorrichtung und eine relativ große Meßdistanz, die insbesondere den Einbau der Vorrichtung in Kraftfahrzeuge zur vorausschauenden Überwachung der Fahrbahn während der Fahrt sinnvoll erscheinen läßt. Weitere Vorteile sind die hohe Sicherheit gegen Störlichteinflüsse, so daß auch Messungen bei Sonnenlicht möglich sind.
Die Erfindung bedient sich des physikalischen Effekts, nach dem Wasser bestimmte Längenwellenbereiche unterschiedlich stark absorbiert. Befindet sich eine Wasserschicht auf einer Fahrbahn, so werden die spektralen Streueigenschaften, d. h. die Farbe der Fahrbahnoberfläche, verändert. Teile der auf die Fahrbahn auftreffenden Strahlung werden während des Durchgangs durch die Wasserschicht je nach Wellenlänge mehr oder weniger stark absorbiert. Beleuchtet man die Straße mit einer breitbandigen Lichtquelle, deren Spektrum bekannt ist, so kann durch Analyse des zurückgestreuten Lichtes auf die Existenz einer Wasserschicht auf der Fahrbahn und deren Schichtdicke geschlossen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm, das das spektrale Absorptionsverhalten von Wasser im nahen Infrarotbereich des Lichts darstellt,
Fig. 2 ein Prinzipbild der Vorrichtung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Vorrichtung und
Fig 4 ein Sensorkopf der Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung.
In Fig. 1 ist anhand eines Diagramms das spektrale Absorptionsverhalten von Wasser im nahen Infrarotbereich des Lichts gezeigt. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist der transmitierte Lichtanteil stark abhängig von der Wellenlänge des die Wasserschicht durchsetzenden Lichts. Dabei tritt insbesondere im Bereich zwischen 1400 nm und 1500 nm jeweils ein charakteristisches Minimum auf.
Gemäß dem Verfahren wird die Fahrbahn mittels einer Beleuchtungsquelle mittels eines im Raumwinkel begrenzten Lichtstrahls bestrahlt und das zurückgestreute Licht selektiv auf zwei im nahen Infrarotbereich liegende unterschiedliche Wellenlängen (Meßwellenlänge lambda1, Vergleichswellenlänge lambda2) hin abgetastet.
Hierzu werden zwei Wellenlängenbereiche herangezogen, die unterschiedlich stark absorbiert werden. Hierdurch können unterschiedliche "Fahrbahnhelligkeiten", d. h. unterschiedlich stark reflektierende Fahrbahnen berücksichtigt werden.
Gemäß dem Verfahren wird der Meßbereich für die Dicke der Wasserschicht auf einen empfindlicheren Meßbereich I für Schichtdicken des Wassers im Bereich zwischen 0 und 1 mm und einem unempfindlicheren Meßbereich II, beispielsweise für Schichtdicken für 0 und 10 mm aufgeteilt. Hierbei werden für den empfindlicheren Meßbereich I als Meßwellenlänge lambda1I=1450 nm und als Vergleichswellenlänge der schwächer absorbierte Bereich um lambda2II=1190 nm verwendet. Der unempfindlichere Meßbereich II sieht dagegen lambda1II=1190 nm als Meßwellenlänge und lambda2II=1080 nm als Vergleichswellenlänge vor.
Die Meßwellenlänge (lambda1) wird hierbei jeweils in einem Wellenlängenbereich des Lichts gelegt wird, in dem der spektrale durch die Wasserschicht transmittierte Lichtanteil geringer ist als derjenige Lichtanteil bei einer Vergleichswellenlänge (lambda2).
Die Meßwellenlängen und die Vergleichswellenlängen der beiden Meßbereiche werden bevorzugt derart gepaart, daß beim Meßbereich mit geringerer Empfindlichkeit die Differenz zwischen den transmittierten Lichtanteilen kleiner ist als beim Meßbereich mit größerer Empfindlichkeit.
Aus den jeweils zurückgestreuten Lichtströmen läßt sich mit einer einfachen Berechnung die vorhandene Schichtdicke ermitteln. Erfolgt die Ausstrahlung des Lichts und die Detektion des zurückgestreuten Lichts in einen flachen Winkel zur Fahrbahnoberfläche, so ist vorausschauendes Messen möglich.
Das Absorptionsgesetz nach Gleichung GL.1
PHIlambda = PHI₀ * ealpha(lambda)*x (Gl. 1)
besagt, daß Strahlung PHI0 nach dem Durchgang durch ein absorbierendes Medium der Dicke x nur noch die Strahlstärke PHIlambda besitzt. alpha ist hierbei der lichtwellenabhängige Absorptionskoeffizient.
Dies führt bei Berücksichtigung zweier unterschiedlich stark vom Wasser absorbierter Wellenlängenbereiche, des doppelten Strahlungsdurchganges durch die Wasserschicht (vor und nach der Streuung) und unter der Annahme einer "grauen" Straße, d. h., daß alle Wellenlängen von ihr zum gleichen Bruchteil absorbiert werden, zur Gleichung GL. 2:
Diese Gleichung liefert einen Wert für die Dicke x der Wasserschicht, der sowohl von der Menge des eingestrahlten Lichts als auch von der "Helligkeit" der Straße unabhängig ist. betalambda1 und betalambda2 sind hierbei lediglich von lambda abhängige Faktoren. Mit dieser Gleichung wird im Meßgerät aus jeweils zwei benachbarten Wellenlängenbereichen ein Meßwert für die Dicke x der Wasserschicht gebildet.
In Fig. 2 ist die prinzipielle Anordnung der Vorrichtung gezeigt. Mittels einer handelsüblichen Lichtquelle 1, die wenigstens Licht im nahen Infrarot-Bereich abstrahlt wird eine Fahrbahn 2 mit einer diese bedeckenden Wasserschicht 3 in einem Abstrahlwinkel von etwa 10° bestrahlt. Als Lichtquelle 1 kann hierbei eine handelsübliche Halogenlampe verwendet werden.
Mittels selektiver Lichtempfänger 4, 5 und 6 werden Anteile des zurückgestreuten Lichts erfaßt, in einer Auswerteeinheit 7 verarbeitet und die ermittelte Dicke x der Wasserschicht auf einer Anzeigeeinheit 8 angezeigt.
In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung gezeigt. Das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Licht wird mittels eines mechanischen Choppers (Modulator 9) in seiner Intensität moduliert. Die Modulationsfrequenz wird hierbei vorzugsweise in einen Bereich von ca. 5 kHz gelegt. Das modulierte Licht wird in Richtung Fahrbahn abgestrahlt und der zurückgestreute Lichtanteil mittels der selektiven Lichtempfänger 4, 5 und 6 erfaßt. Der erste selektive Lichtempfänger 4 erfaßt hierbei den Strahlungsanteil um lambda1I = 1450 nm, der zweite selektive Lichtempfänger 5 den Lichtanteil mit einer Wellenlänge von lambda2I = lambda1II = 1190 nm und der dritte selektive Empfänger 6 den Lichtanteil mit einer Wellenlänge von lambda2II = 1080 nm.
Die Signale der selektiven Lichtempfänger 4, 5, 6 werden mittels ersten, zweiten und dritten Vorverstärkern 10, 11, 12 vorverstärkt. Lichtquelle 1, Modulator 9, Lichtempfänger 4, 5, 6 und die Vorverstärker 10, 11 und 12 sind hierbei vorzugsweise zu einem Sensorkopf 13 zusammengefaßt und können im Fahrzeug im Bereich eines Anbringungsorts für Nebelscheinwerfer angeordnet werden.
In der Auswerteeinheit 7 werden die von den Vorverstärkern 10, 11, 12 kommenden Signale mittels sogenannter Lock-in-Verstärker 14, 15, 16 phasenrichtig zur Modulation des austretenden Lichstrahls, d. h. in ihren Gleichanteilen weiter verstärkt. Zur Steuerung der Lock-in-Verstärker 14 bis 16 in der Signalauswertung wird diesen eine Phasenreferenz im Rhythmus der modulierten Beleuchtung zugeführt. Diese Phasenreferenz wird durch eine später noch gezeigte Photodiode im Beleuchtungsstrahlengang erzeugt.
Die Lock-in-Verstärker 14, 16 gewährleisten hierbei, daß lediglich die Gleichanteile der Signale an eine nachfolgende Rechenschaltung (Logarithmierer 17, 18) gelangen, welche von dem modulierten Lichtstrahl herrühren. Beeinflussungen durch Fremdlicht werden somit ausgeschlossen. Die Beschaltung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß hierbei bereits ein Band von 150 Hertz um die Modulationsfrequez verstärkt wird. Ein Tiefpaßfilter mit einer Eckfrequenz von 150 Hertz schließt sich in vorteilhafter Weise an (nicht gezeigt).
Die Rechenschaltung beziehungsweise die Logarithmierer 17, 18 bestimmen hierbei gemäß Gleichung Gl. 2 den Wert x für die Dicke der Wasserschicht und führen diesen Wert den Anzeigeeinheiten 19, 20 zu, wobei die erste Anzeigeeinheit 1g den Meßbereich für die Wasserschichtdicke von 0 bis 1 mm anzeigt und die Anzeigeeinheit 20 den Meßbereich zwischen 0 und 10 mm.
Die Rechenschaltung kann hierbei als Analog- oder Digitalschaltung ausgeführt sein. Im Falle einer Analogschaltung kann den Logarithmierern jeweils ein kalibrierbarer Verstärker zum Abgleich der Vorrichtung nachgeschaltet sein.
Der Auswerteeinheit 7 ist ferner noch eine Fehlererkennungsschaltung 21 zugeordnet, welche Fehler in den beiden Bereichen wiederum selektiv auf Anzeigeeinheiten 22 und 23 anzeigt. Die Fehlererkennungsschaltung 21 prüft die Ausgangssignale beider Meßbereiche I, II auf Plausibilität wenigstens hinsichtlich der Signalamplitude.
Fig. 4 schließlich zeigt den Sensorkopf 13 in einer Explosionsdarstellung. Der Lichtstrahl der Lampe 1 mit einem parabolischen Reflektor wird mittels dem Modulator 9 moduliert, wobei dieser aus einer ersten feststehenden Sektorscheibe 24 und einer zweiten rotierenden Sektorscheibe 25, einem Modulatorgehäuse 26 für dieselben und für die Aufnahme des Antriebsmotors (Elektromotors) 27 für die rotierende Sektorscheibe 25 besteht.
Antriebsdrehzahl und Sektorscheiben werden derart ausgeführt, daß die Modulationsfrequenz bei ca. 5 kHz liegt. Lampe 1 und Modulator 9 können hierbei zu einer schwenkbaren Einheit kombiniert sein. Das Modulatorgehäuse 26 nimmt ferner noch die Diode 28 zur Erzeugung des Phasenreferenzsignals für die Lock-in-Verstärker 14 bis 16 auf.
Die die selektiven Lichtempfänger 4, 5 und 6 aufnehmende Empfängereinheit 29 umfaßt jeweils in dreifacher Ausführung eine Germanium- Photodiode 30, ein optisches Filter 31 und asphärischer Linse 32 zur Abbildung des beleuchteten Bereiches der Straße auf die Fotodiode 30.
Die Bauteile sind in einem Sensorkopfgehäuse 33 zusammengefaßt, wobei das Lichtaustrittsfenster 34 und das Lichteintrittsfenster 35 durch erste und zweite glasklare Scheiben 36 und 37 abgedeckt sind. Die Einheit aus Lichtquelle 1 und Modulator 9 sowie die Empfängereinheit 2g sind vorteilhaft unabhängig voneinander verschwenkbar. Ebenso können die selektiven Empfänger 4 bis 6 einzeln justiert werden.

Claims (24)

1. Verfahren zur Messung der Dicke (x) einer auf einer Fahrbahn (2) vorhandenen Wasserschicht (3), dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Lichtquelle (1) ein im Raumwinkel begrenzter Lichtstrahl auf die Fahrbahn (2) ausgesendet und das von der Fahrbahn (2) zurückgestreute, bei einer vorhandenen Wasserschicht (3) diese durchdringende Licht selektiv auf wenigstens zwei im nahen Infrarotbereich liegende Wellenlängen (Meßwellenlänge lambda1, Vergleichswellenlänge lambda2) abgetastet und aus den Amplituden der selektiv abgetasteten zurückgestreuten Lichtströme (PHIlambda1, PHIlambda2) vorzugsweise nach der Gleichung: die Dicke (x) der Wasserschicht (2) erfaßt und mittels einer Anzeigeeinheit (8) angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des austretenden Lichtstrahls in flachem Winkel gegen die Fahrbahn (2) geneigt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel in einem Bereich von zehn Grad liegt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Lichtquelle (1) austretende Licht in seiner Amplitude moduliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Lichts mit einer Frequenz in einem Bereich von fünf Kilohertz erfolgt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich für die Dicke (x) der Wasserschicht (3) ein einen ersten Meßbereich (I) größerer Empfindlichkeit (0 mm < x < 1 mm) und einen zweiten Meßbereich (II) geringerer Empfindlichkeit (0 mm < x < 10 mm) aufgeteilt wird und die Messung in den beiden Meßbereichen mit unterschiedlichen Paaren für die Wellenlängen (Meßbereich (I): Meßwellenlänge lambda1I, Vergleichswellenlänge lambda2I; Meßbereich (II): Meßwellenlänge lambda1II, Vergleichswellenlänge lambda2II) erfolgt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellenlänge (lambda1) jeweils in einem Wellenlängenbereich des Lichts gelegt wird, in dem der spektrale durch die Wasserschicht transmittierte Lichtanteil geringer ist als derjenige Lichtanteil bei einer Vergleichswellenlänge (lambda2).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellenlängen und die Vergleichswellenlängen der beiden Meßbereiche derart gepaart werden, daß beim Meßbereich mit geringerer Empfindlichkeit die Differenz zwischen den transmittierten Lichtanteilen kleiner ist als beim Meßbereich mit größerer Empfindlichkeit.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellenlänge (lambda1I) des ersten Meßbereichs (I) im Bereich von 1450 nm und die Vergleichswellenlänge (lambda2I) des ersten Meßbereichs (I) im Bereich von 1190 nm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellenlänge (lambda1II) des zweiten Meßbereichs (II) im Bereich von 1190 nm und die Vergleichswellenlänge (lambda2II) des zweiten Meßbereichs (II) im Bereich von 1080 nm liegt.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der selektiv abgetasteten zurückgestreuten Lichtströme (PHIlambda1, PHIlambda2) phasenrichtig zur Modulation des austretenden Lichtstrahls durchgeführt wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens Licht im nahen Infrarotbereich aussendende Lichtquelle (1) einen in flachem Winkel gegen die Fahrbahn (2) gerichteten Lichtstrahl aussendet und wenigstens ein erster selektiver Lichtempfänger (4) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der Meßwellenlänge (lambda1; lambda1I) und ein zweiter selektiver Lichtempfänger (5) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der Vergleichswellenlänge (lambda2; lambda2I) eines ersten Meßbereichs (I) erfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite selektive Lichtempfänger (5) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der Meßwellenlänge (lambda1II) und ein dritter selektiver Lichtempfänger (6) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der Vergleichswellenlänge (lambda2II) des zweiten Meßbereichs (II) erfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von den selektiven Lichtempfängern (4 bis 6) erzeugten Ausgangssignale über Vorverstärker auf Lock-In-Verstärker (14 bis 16) aufgeschaltet sind, welche den Gleichanteil der eingehenden Signale phasenrichtig zur Modulation des austretenden Lichtstrahls verstärken.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lock-In-Verstärker (14 bis 16) über das Ausgangssignal (Phasenreferenz) einer im Strahlengang des ausgesendeten, modulierten Lichts angeordneten Photodiode (28) synchronisiert sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Gleichung (Gl. 2) nachbildende Rechenschaltung die Wasserhöhe (x) aus den Ausgangssignalen der Lock-In-Verstärker (14 bis 16) bestimmt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung als Analogschaltung ausgeführt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogschaltung aus einem Logarithmierer (17, 18) mit nachgeschaltetem, kalibrierbarem Verstärker aufgebaut ist.
19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlererkennungsschaltung (21) die Ausgangssignale beider Meßbereiche (I, II) auf Plausibilität wenigstens hinsichtlich der Signalamplitude prüft und gegebenenfalls Anzeigeeinheiten (22, 23) für Fehler ansteuert.
20. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels eines Elektromotors (27) angetriebener Modulator (9) den Lichtstrahl moduliert.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Modulator (9) und Lichtquelle (1) in einem gemeinsamen Modulatorgehäuse (26) angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiven Lichtempfänger (4 bis 6) als Germanium- Photodioden (30) ausgeführt sind und die Abbildung des zurückgestreuten Lichts auf die Photodioden (30) über asphärische Linsen (32) und optische Filter 31 erfolgt und Photodioden (30), Linsen (32) und Filter (31) in einer Empfängereinheit (29) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß Modulatorgehäuse (26) und Empfängereinheit (29) justierbar in einem Sensorkopfgehäuse (30) angeordnet sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustritt aus und der Lichteintritt in das Sensorkopfgehäuse (33) über mit glasklaren Scheiben (36, 37) versehene Fenster (34, 35) erfolgt.
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