DE4300896C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes, insbesondere zur automatischen berührungslosen Unterscheidung zwischen trockener und nasser Fahrbahn.
Ein bekanntes Verfahren nach DE 40 08 280 A1 verwendet eine breitbandige Strahlungsquelle wie zum Beispiel eine Halogen­ lampe. Die von der Fahrbahn reflektierte Strahlung wird ge­ messen. Hierbei wird die Abhängigkeit des Reflektionsgrades von Wasser bzw. Eis von der Wellenlänge genutzt. Daher muß zur Auswertung eine schmalbandige Filterung vorgenommen werden. Dies setzt hochwertige optische Filter voraus. Von dem ausge­ sendeten Spektrum wird nur ein kleiner Teil genutzt. Für die Modulation der Strahlungsquelle wird ein mechanischer Modu­ lator vorgeschlagen.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß mehrere hochwertige und entsprechend teure optische Filter eingesetzt werden müssen. Außerdem ist die Verwendung einer mechanischen Modulationseinrichtung unter den Einsatzbedingungen an einem Kraftfahrzeug nicht ausreichend störungssicher.
Aus der DE 32 05 129 A1 ist eine Vorrichtung zum Erkennen von Eis- und/oder Reifbildung bekannt, die eine Lichtquelle zum Bestrahlen der Beobachtungsstelle und eine Lichtempfangseinrichtung mit einem Detektor enthält, der auf eine signifikante Änderung der pro Zeiteinheit empfangenen Menge des von der Lichtquelle stammenden Lichts anspricht. In dem von dieser Vorrichtung betriebenen Verfahren wird nur die Leistung in einer Polarisationsrichtung ermittelt und dieser Wert mit einem Schwellenwert verglichen. Das setzt voraus, daß sich das Reflexionsverhalten der trockenen bzw. eisfreien Oberfläche nicht wesentlich ändert, da sich ansonsten die Leistung der reflektierten Strahlung ebenfalls verändert und damit eine Fehlfunktion des Gerätes bewirkt. Für den Einsatz in einem Fahrzeug ist diese Vorrichtung nicht geeignet, da zu berücksichtigen ist, daß sich die üblichen Fahrbahnbelege im Reflexionsverhalten stark unterscheiden.
In der DE 38 29 008 A1 wird ein Verfahren zur Messung des Tausalzgehalts von auf Verkehrsflächen befindlichen Wasser­ schichten beschrieben, wobei zur Ermittlung des Tausalzgehalts die Intensität und/oder die Phasenlage der reflektierten Mikrowellenstrahlung ausgewertet wird. Die Polarisationsrichtung des reflektierten Lichts wird in dieser Entgegenhaltung zur Erzielung eines einfachen Zusammenhangs zwischen dem Tausalz und der Phasenverschiebung verwendet. Nachteilig ist dieses Funktionsprinzip, weil eine Auswertung der Phasenlage in einem fahrenden Kraftfahrzeug mit Mikrowellentechnik aus Kostengründen nicht realisierbar ist.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein robustes Verfahren und eine robuste Vorrichtung zur automatischen und berüh­ rungslosen Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes anzu­ geben, bei der auf hochwertige Filter und mechanische Ein­ richtungen weitgehend verzichtet wird, so daß er Einsatz als Sicherheitssystem an einem Kraftfahrzeug möglich wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 4. Die Ansprüche 2 und 3 geben weiterführende Gestaltungen des Verfahrens, die Ansprüche 5 bis 8 der Vorrichtung an.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, die von der Fahr­ bahn reflektierte IR-Strahlung zu messen und auszuwerten. Hierbei wird die Fahrbahn mit einer schmalbandig emittierenden IR-Strahlungsquelle beleuchtet. Die Strahlungsquelle und der dazugehörige Empfänger sind mit ihren optischen Achsen so an­ geordnet, daß sie jeweils mit der Senkrechten zur Fahrbahn­ oberfläche einen Winkel bilden unter dem das reflektierte Licht im wesentlichen linear polarisiert ist. Dieser Winkel wird als Polarisationswinkel oder auch Brewster-Winkel be­ zeichnet. Unter diesem Einstrahlungswinkel - für Wasser beträgt er unter Normalbedingungen etwa 53° - ist das reflektierte Licht vollständig polarisiert. In der Praxis aufgrund der sich durch Schwingungen des Kraftfahrzeuges ändernden Einstrahlungs­ richtung ist der Polarisationswinkel wenigstens zeitweise eingehalten. Die reflektierte Strahlung wird in seine unter praktischen Einsatzbedingungen entstehenden Polarisations­ komponenten senkrecht und parallel zur Fahrbahnoberfläche zer­ legt. Jeweils eine der Polarisationskomponenten fällt auf einen Detektor, in dem die Lichtintensität gemessen wird.
Bei der Messung bzw. bei deren Auswertung wird das Verhältnis der zu den Polarisationskomponenten gehörigen Leistungen, wie sie von den Detektoren bestimmt wurden, er­ mittelt.
In einer besonderen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Intensität der von der IR-Strahlungsquelle emittierten Strahlung elektronisch moduliert.
In einer weiteren speziellen Ausführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens werden die Meßwerte der Detektoren mit einem auf die Modulationsfrequenz der Strahlungsquelle angepaßten Filter elektronisch gefiltert.
Insbesondere wird die reflektierte Strahlung vor der Aufteilung in die Polarisationskomponenten auf die Detektoren mittels einer Linse fokussiert und es erfolgt zur Abtrennung von Streu­ licht eine Filterung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung des Fahr­ bahnoberflächenzustandes ist mit einer IR-Strahlungsquelle und einem Empfänger ausgerüstet, der Filter und Detektoren aufweist. Außerdem ist eine Auswerteeinheit zur Verarbeitung der von den Detektoren erzeugten Meßsignale (Spannungen) angeordnet.
Die IR-Strahlungsquelle ist schmalbandig in einem Frequenzbereich emittierend ausgebildet. Die optischen Achsen vom Beleuchtungsstrahlengang der IR-Strahlungsquelle und von dem Empfänger sind symmetrisch in einem Winkel zur Senkrechten auf der Fahrbahnoberfläche angeordnet, der dem Brewster-Winkel, der auf der Fahrbahn zu detektierenden Flüssigkeit entspricht. Im Empfänger ist ein polarisierender Strahlteiler angeordnet, und es sind Detektoren zur Messung der Intensitäten der Strahlung in den parallel und senkrecht zur Fahrbahnebene polarisierten Teilstrahlen vorgesehen. Der Strahlteiler kann ein beliebiges die Polarisationskomponenten trennendes Element sein, wie ein normaler Strahlteiler mit Polarisations­ folien oder auch zwei Polarisationsfolien vor zwei Detektoren. Bevorzugt wird ein polarisierender Strahlteiler.
In einer besonders bevorzugten Vorrichtung ist an der IR- Strahlungsquelle ein elektronischer Modulator zur Modulation der Strahlungsintensität angeordnet und der Empfänger weist mit den Detektoren verbundene elektronische Filter auf, die auf die Modulationsfrequenz des Modulators abgestimmt sind.
Bevorzugt ist die IR-Strahlungsquelle aus mehreren Leucht­ dioden mit in wesentlichen gleicher Emissionsfrequenz auf­ gebaut, die auf einer hohlspiegelartig gekrümmten Fläche angeordnet sind.
In einer besonderen Ausführung ist dem Empfänger eine Linse zur Fokussierung des reflektierten Strahls auf die Detektoren zugeordnet. Zur Ausblendung von Streulicht kann ein schmalbandiges auf die Emissionsfrequenz der Strahlungs­ quelle abgestimmtes Filter zwischen Strahlteiler und Linse angeordnet sein.
Insbesondere weist die Strahlungsquelle zur Vermeidung von Verschmutzung ein Fenster in einem die Strahlungsquelle um­ gebenden Gehäuse auf und der Empfänger ist ebenfalls mit einem Fenster in einem Gehäuse oder mit einem daran angeordneten Schutzrohr versehen.
Vorteilhafterweise kann die Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo das Vorhandensein eines Mediums mit einer bekannten Brechzahl (hier Wasser auf der Fahrbahn) detektiert werden soll.
Verfahren und Vorrichtung nach der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und Fig. 2 weiter erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von Verfahren und Vorrichtung der Erfindung.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist der Empfänger 2 mit einem Schutzrohr 22 zur Vermeidung von Verschmutzungen versehen. Im übrigen entspricht die Ausführung nach Fig. 2 der Ausführung nach Fig. 1.
Anhand von Fig. 1 wird ein Aufbau dargestellt, der den Polarisationsgrad des reflektierten Lichtes zu bestimmen erlaubt. Unter Polarisationsgrad soll hier das Verhältnis der zu den Polarisationsrichtungen gehörigen Leistungen verstanden werden. Aus dem Polarisationsgrad wird hier der Fahrbahnzustand (naß oder trocken) erkannt.
In Fig. 1 ist ein Sender 1 dargestellt, der über IR- Strahlungsquellen 3 (Infrarotstrahlungsquellen) verfügt, die auf einer Halterung 4 angebracht sind. Die Halterung 4 ist zur Fokussierung hohlspiegelartig gekrümmt. Die IR-Strahlungs­ quellen 3 sind durch eine Übertragungsleitung 7 mit einem elektronischen Modulator 6 verbunden. Mittels des Modulators 6 wird die Intensität der Infrarotstrahlungsquellen 3 mit vorgegebener Frequenz moduliert. Zur Vermeidung von Ver­ schmutzungen ist der Sender 1 mit einem Fenster 5 vor den Strahlungsquellen versehen. Die Strahlungsquellen 3, deren Halterung 4 und das Fenster 5 sind im Sender 1 zu einer Baugruppe zusammengefaßt. Durch das Fenster 5 trifft der Lichtstrahl auf die Fahrbahn 21, wobei zwischen der Senk­ rechten auf die Fahrbahn (Einfallslot) und dem Lichtstrahl ein Winkel 20 eingehalten wird. Dieser Winkel 20 wird so eingestellt, daß er dem Polarisationswinkel der zu detek­ tierenden Flüssigkeit entspricht. Bei Wasser sind es etwa 53°. Der Einfallswinkel 20 des Lichtstrahles wird durch den Brewster-Winkel festgelegt, bei dem eine maximale Pola­ risation des reflektierten Lichtes auf nasser Fahrbahn erfolgt. Von dort wird der Lichtstrahl reflektiert und fällt durch das Fenster 10 des Empfängers 2. Im Empfänger 2 wird die IR-Strahlung durch eine Linse 9 über einen Filter 8 auf einen polarisierenden Strahlteilerwürfel 11 und die Detektoren 12 und 13 fokussiert. Das Filter 8 ist zum Beispiel ein Langpaß-Kantenfilter oder ein Interferenzfilter, welches die auf die Detektoren 12 und 13 fallende Strahlung spektral begrenzt. Die Detektoren 12 und 13 wandeln die Lichtintensität in elektrische Spannungen um, die über zwei Signalleitungen 18, 19 zur Signalauswerteeinheit 16 übertragen werden. In der Signalauswerteeinheit 16 wird der Quotient der von den Detektoren gemessenen Spannungen gebildet. Um das Meßsignal vor Störspannungen zum Beispiel Fremdlichteinfall zu trennen, können auf die Modulationsfrequenz des Modulators 6 abgestimmte elektronische Filter 14, 15 zwischen den Detektoren 12, 13 und der Signalauswerteeinheit 16 geschaltet sein. Bei einer Kalibrierung des erfindungsgemäßen Aufbaus mit nasser bzw. trockener Fahrbahn können diese Fahrbahnzustände eindeutig bestimmten Werten des in der Signalauswerteeinheit 16 ermittelten Quotienten der Detektorspannungen zugeordnet werden. An eine Ausgabeeinheit 17 kann dann aufgrund der Kalibrierung und der gemessenen Quotienten ein elektronisches oder optisches Signal erzeugt werden, das den Fahrbahnzustand naß oder trocken anzeigt. Der ermittelte Quotient oder ein hieraus abgeleitetes logisches Signal kann auch für andere Geräte zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt werden. Die Quotientenbildung der von den Detektoren gemessenen Spannung erlaubt insbesondere einen Einfluß von Schwankungen der Lichtleistung der IR-Strahlungsquelle 3 sowie von unter­ schiedlich stark reflektierenden Fahrbahnbelägen auszuschalten.
Bei einer besonderen Ausführung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung wurden IR-Leuchtdioden mit einer Wellenlänge von 875 nm verwendet. Die Modulationsfrequenz des Modulators 6 betrug 480 Hz. Bei trockener Fahrbahn wurden bei unter­ schiedlichen Fahrbahnbelägen Quotienten der von den Detektoren gemessenen Spannungen ermittelt, die kleiner als 2 waren, während bei nassen Fahrbahnen Quotienten von mehr als 2,5 ermittelt wurden.
Das Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß es durch den Einsatz von optischen Standard­ bauteilen und durch den Verzicht auf bewegliche Bauteile robust und preiswert ausgeführt werden kann, so daß es für den Einsatz in Kraftfahrzeugen geeignet ist. Dies wird erreicht durch die Verwendung von spektral schmalbandigen IR-Strahlungsquellen mit einer Wellenlänge, die dicht am sichtbaren Bereich liegt sowie deren elektronische Modu­ lation. Diese Strahlenquellen können nur deshalb verwandt werden, weil erfindungsgemäß die Erkennung des Fahrbahn­ zustandes über die Messung von Polarisationsrichtungen in der reflektierten Strahlung erfolgt und nicht über die bekannten Absorptions- und Reflektionstechniken, die deutlich schärfere Anforderungen an die verwendete Strahlungsquelle sowie an den Empfängerstrahlengang stellen.
Bezugszeichenliste
 1 Sender
 2 Empfänger
 3 IR-Strahlungsquellen (Infrarotstrahlungsquellen)
 4 Halterung
 5 Fenster
 6 Modulator
 7 Übertragungsleitung
 8 Filter
 9 Linse
10 Fenster
11 polarisierender Strahlteilerwürfel
12 Detektor
13 Detektor
14 Bandpaßfilter
15 Bandpaßfilter
16 Signalauswerteeinheit
17 Ausgabeeinheit
18 Signalleitung
19 Signalleitung
20 Einfallswinkel
21 Fahrbahnoberfläche
22 Schutzrohr

Claims (8)

1. Verfahren zur Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes, bei dem IR-Strahlung von der Fahrbahn reflektiert aufgefangen und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahr­ bahn mit einer schmalbandig emittierenden Strahlungsquelle (3) beleuchtet wird, daß die Beleuchtung unter einem Winkel (20) erfolgt, der dem Brewster-Winkel entspricht und daß an der reflektierten Strahlung ihre Polarisationskomponenten getrennt (11) und gemessen (12, 13) werden und das Verhältnis (16) der zu den Polarisationsrichtungen gehörigen Leistungen ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der von der IR-Strahlungsquelle emittierten Strah­ lung moduliert (6) wird und daß die Meßwerte der zu den Po­ larisationsrichtungen gehörigen Leistungen angepaßt an die Intensitätsmodulation elektronisch gefiltert (14, 15) werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierte Strahlung vor der Aufteilung in Polarisationskomponenten auf die Detektoren fokussiert (9) und gefiltert (8) wird.
4. Vorrichtung zur Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustandes mit einer IR-Strahlungsquelle, einem Empfänger, der Filter und Detektoren aufweist und mit einer Auswerteeinheit versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle schmalbandig in einem Frequenzbereich emittierend (3) ausgebildet ist, daß zwischen Strahlachse und der Senkrechten zur Fahrbahnoberfläche ein Winkel (20) eingestellt ist, der dem Brewster-Winkel entspricht und daß im Empfänger (2) ein Strahlteiler (11) und Detektoren (12, 13) für parallel und senkrecht zur Fahrbahnoberfläche polarisierte Strahlung angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der IR-Strahlungsquelle (3) ein Modulator (6) für die Intensität und insbesondere im Empfänger nach den Detektoren (12, 13) elektronische, auf den Modulator abgestimmte Filter (14, 15), angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahlungsquelle (3) mehrere Leuchtdioden enthält, die auf einer gekrümmten Fläche (4) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Empfänger (2) eine Linse (9) zur Fokusierung der reflektierten Strahlung auf die Detektoren (12, 13) sowie ein schmalbandiges optisches Filter (8) zur Abtrennung von Störstrahlung angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungsquelle (3) und Empfänger (2) Fenster (5, 10) bzw. ein Schutzrohr (22) zur Vermeidung von Verschmutzungen aufweisen.
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