DE4301228C1 - Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung der Sicht­ weite nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielswei­ se aus der DE 40 05 919 C1 als bekannt hervorgeht.

In dieser Schrift wird vorgeschlagen, zur Messung der Sichtwei­ te im Frontbereich eines Fahrzeugs einen um eine horizontale Achse verschwenkbaren Sender anzuordnen, der in regelmäßigen Zeitintervallen Lichtimpulse unter unterschiedlichen Neigungs­ winkeln auf die Fahrbahn gerichtet aussendet. Die reflektier­ ten, zurückgestrahlten Lichtimpulse werden in einer Empfänger­ anordnung empfangen. Dabei ist eine Vielzahl von Empfängern unter jeweils unterschiedlichen Neigungswinkeln gegenüber der Horizontalen angeordnet.

Die vom Sender ausgesandten Signale gelangen in einem im we­ sentlichen von dem Neigungswinkel abhängigen Abstand auf die Oberfläche der Straße. Sie werden von der Straßenoberfläche reflektiert und das reflektierte Signal wird in dem entsprech­ end geneigten Empfänger gemessen.

Eine Sichtweitenmessung benötigt eine Vielzahl von Einzelmes­ sungen, die jeweils nur feststellt, ob auf eine bestimmte Ent­ fernung gesehen werden kann oder nicht. Erst alle Messungen zusammen erlauben es, eine Aussage über die tatsächliche Sicht­ weite zu geben. Desweiteren muß entweder ein Sender schwenkbar und gesteuert angeordnet werden, der das Signal in genau vorbe­ stimmter Richtung absendet oder aber es muß eine Vielzahl ein­ zeln angesteuerter, zueinander geneigter Sender angeordnet wer­ den. Auf jeden Fall muß eine große Anzahl von Empfängern am Fahrzeug angeordnet werden, damit festgestellt werden kann, un­ ter welchem Winkel gegenüber der Horizontalen die reflektierten Signale einfallen.

Somit kann, sofern sich in der Sichtweite ein Hindernis befindet, die Sichtweite nicht bestimmt werden, sondern bestenfalls nur der Abstand des Hindernisses zum Fahrzeug. Als weiterer Nach­ teil ist zu sehen, daß diese Entfernungsmessung nur auf geraden Fahrstreckenabschnitten sinnvolle Meßwerte liefert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Sichtweitenmessung dahingehend zu verbessern, daß die Messung der Sichtweite mit einem Sender und mit einem Empfänger erfol­ gen kann, die feststehend angeordnet sind. Es soll auch ermög­ licht werden, die Sichtweite zu ermitteln, obwohl sich im Sicht­ feld ein Hindernis befindet.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der gattungsgemäßen Sicht­ weitenmessung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male von Anspruch 1 gelöst.

Durch den Vergleich mit einer Musterkurve wird es ermöglicht, die Sichtweite aus der erhaltenen Intensitätskurve zu ermit­ teln, ohne dazu weitere Informationen, wie beispielsweise die Richtung, aus der das Rückstreusignal kommt, zu benötigen. Es wird dadurch auch möglich, aus jedem ausgesandten Impuls einen Wert für die Sichtweite zu ermitteln, so daß es auch nicht mehr notwendig ist, eine Vielzahl von Meßergebnissen auszuwerten, um eine Angabe über die Sichtweite zu erhalten. Es kann dadurch auch eine höhere Meßfrequenz erzielt werden, da die Dauer eines ausgesandten Impulses nicht größer sein muß, als dies bei der bekannten Anordnung der Fall ist. Das Verfahren ist sowohl zur stationären Messung der Sichtweite als auch zur Verwendung in einem Fahrzeug geeignet.

Durch eine zweifache Auswertung des aus einer Messung erhalte­ nen Rückstreusignales ist es darüber hinaus in einer Ausgestal­ tung der Erfindung auch möglich, die Sichtweite dann zu bestim­ men, wenn sich im Sichtfeld ein Hindernis befindet. Nach einer ersten Auswertung, bei der die Parameter ein erstes Mal be­ stimmt werden, wird die gemessene Intensitätsverteilung auf einen begrenzten Bereich starker Überhöhung der gemessenen In­ tensität von der Musterkurve hin untersucht. Falls ein solcher Bereich vorhanden ist, wird dieses Signal als Rückstreuung durch ein Hindernis interpretiert, die Entfernung des Hinder­ nisses zum Fahrzeug ergibt sich aus der Laufzeit des überhöhten Signals. Zur Bestimmung der Sichtweite wird eine zweite Berech­ nung der Parameter durchgeführt, wobei der Bereich der Signal­ überhöhung bei der Berechnung der Parameter unberücksichtigt bleibt.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Meßverfahrens,

Fig. 2 eine idealisierte Darstellung des Rückstreusignales und eine Darstellung der Musterkurve,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Messung sowie des dabei erhaltenen Rückstreusignales,

Fig. 4a, b den Verlauf von Rückstreusignal und Musterkurve und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Sichtweitenmeßgerätes.

Die Fig. 1 zeigt in einem Flußdiagramm die Abfolge der einzel­ nen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem Schritt 1.1 wird von dem Sender 21 ein Lichtimpuls 19 ausgesandt. Es handelt sich dabei vorzugsweise um den Lichtimpuls 19 eines pulsierenden Lasers im infraroten Spektralbereich. Ein bestimm­ ter aber kleiner Teil des Lichtimpulses 19 wird direkt in den Empfänger 22 eingeleitet, das andere in den Empfänger 22 gelan­ gende Licht ist zurückgestreutes Licht. Das während der Messung 1.2 erhaltene Signal wird als diskrete zeitliche Folge der gemessenen Intensität I des Rückstreusignales 10 gemessen. An­ schließend erfolgt im Schritt 1.3 die Berechnung der Parameter a, b nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate. In dem Ver­ fahrensschritt 1.4 wird das Rückstreusignal 10 mit der im Schritt 1.3 erhaltenen Musterkurve 11 verglichen. Ergibt sich in dem Bereich BII der Musterkurve 11 eine erheblich höheres Rückstreusignal 10 als die Musterkurve 11, so wird dies als Hindernis 29 im Sichtbereich interpretiert. Bei vorhandenem Hindernis 29 wird im Schritt 1.5 die Verzweigung zu den Schrit­ ten 1.6 bis 1.8 aufgerufen, andernfalls erfolgt ein Sprung zu dem Verfahrensschritt 1.9. In dem Schritt 1.6 erfolgt die Be­ rechnung des Abstandes d zu dem Hindernis 29 aus der Laufzeit t_H des Rückstreusignales 10. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die gemessene Laufzeit t_H die für den Hin- und Rückweg des Lichtimpulses benötigte Zeit ist. Der berechnete Abstand d wird im Schritt 1.7 angezeigt. Anschließend erfolgt eine erneute Berechnung 1.8 der Parameter a, b, wobei das in dem Bereich des überhöhten Rückstreusignales 15 erhaltene Signal nicht berück­ sichtigt wird. Dadurch wird ein verbesserter Wert der Sichtwei­ te s bestimmt. Die Berechnung der Sichtweite s erfolgt aus ei­ ner linearen Beziehung zwischen Sichtweite s und dem Kehrwert des Parameters a. Die berechnete Sichtweite s wird in 1.10 an­ gezeigt, die nächste Messung wird durchgeführt.

Sofern ein Hindernis 29 im Sichtbereich festgestellt wird, kann in einer weiteren Variante der Erfindung die Relativgeschwin­ digkeit des Hindernisses 29 zum Fahrzeug dadurch bestimmt wer­ den, daß der gemessene Abstand zu einem Hindernis über mehrere Messungen verfolgt wird und aus seiner Veränderung die Relativ­ geschwindigkeit berechnet und angezeigt wird.

Die Fig. 2 zeigt eine Darstellung des idealen, fehler- und störungsfreien Rückstreusignals 10 bei Nebel. Während eines kurzen ersten Zeitraumes nach der Aussendung des Lichtimpulses 19 wird im Empfänger 22 noch kein Signal erhalten. Danach wird eine durch die direkte Zurückführung eines geringen Teils des vom Sender 21 abgegebenen Lichtimpulses 19 hohe Lichtintensität I in dem Empfänger 22 verursacht. Dieses Signal ist aber nur von der Dauer des ausgesandten Lichtimpulses 19. Darauf überla­ gert sich das in unmittelbarer Nähe des Senders 21 zurückge­ streute Licht, das ebenfalls eine relativ hohe Lichtintensität aufweist, man erhält den im Bereich BI dargestellten Signalver­ lauf. Die aus dem zurückgestreuten Licht im Empfänger 22 gemes­ sene Intensität I nimmt in Funktion des Abstandes des Rück­ streuers zum Sender 21 bzw. Empfänger 22 ab. Solange die Rück­ streuung nicht gerichtet erfolgt, also nicht durch irgendwelche Reflektoren, ist sie proportional zum Kehrwert des Quadrates aus dem Abstand zwischen Rückstreuer und Empfänger. Dies be­ stimmt die Form der Kurve der Intensität in dem Bereich BII. Es ist aber zu berücksichtigen, daß mit dem Abstand d zwischen Em­ pfänger 22 und Rückstreuer auch die Intensität des auf den Rück­ streuer einfallenden Lichtimpulses abnimmt. Dies kann aber in erster Näherung vernachlässigt werden. Daraus ergibt sich als eine mögliche Musterkurve 11 für den Bereich BII die Funktion M(t) = a/t² + b. Im Bereich BI weist dann die Musterkurve 11 ein Plateau der Höhe a+b auf, auf das die Funktion beispiels­ weise linear ansteigt. Die Musterkurve 11 kann aber auch andere Formen aufweisen. Durch einen ggf. auch vom Abstand d bzw. der Laufzeit t abhängigen Faktor kann die durch Streuung exponen­ tiell abnehmende Intensität des Lichtimpulses berücksichtigt werden. Es können aber auch Glieder höherer Potenz des Abstan­ des als Reihenentwicklung eingeführt werden. Die Musterkurve 11 im Bereich BII hätte dann beispielsweise die Form M(t) = a/t²+b/t³+c. Ein komplizierterer Ausdruck für die Mus­ terkurve 11 führt aber zu mehr Rechenaufwand bei der Berechnung der Parameter. Die hier dargestellte einfache Annäherung weist also den Vorteil auf, daß die Berechnungen einfacher, das heißt schneller und mit einfacheren Prozessoren ausgeführt werden kann.

Die Musterkurve wird in der Darstellungen als Funktion der Lauf­ zeit t dargestellt, da die Laufzeit t die meßbare Größe ist. Der Abstand d wird aus der Laufzeit t mittels der linearen Be­ ziehung 2*d = v*t berechnet, wobei v die Lichtgeschwindigkeit ist. In einfacher Weise kann ein Wert der Sichtweite s aus der Beziehung s = K/a ermittelt werden. Dies trägt der Tatsache Rechnung, daß die Intensität des rückgestreuten Lichtes zur Dichte der Rückstreuer, also beispielsweise den feinen Wasser­ tröpfchen, die den Nebel bilden, proportional ist. Der Faktor a ist proportional zur Intensität des rückgestreuten Lichtes. Die Sichtweite s dagegen ist um so schlechter, je höher die Dichte der Rückstreuer ist. Daher kann als Beziehung zwischen Sicht­ weite s und Parameter a die umgekehrte Proportionalität ange­ nommen werden. Auch hier ist es möglich, eine höhere Auflösung beziehungsweise Meßgenauigkeit dadurch zu erzielen, daß kompli­ ziertere Rechenmodelle verwendet werden, die die Realität bes­ ser wiedergeben. Mit den hier dargelegten einfachen Beziehungen wird aber eine hinreichende Meßgenauigkeit erzielt. Der Parame­ ter b der einfachen vorgestellten Parameterisierung entspricht dann einem Offset, der bei der Messung nicht unterdrückt werden kann. Er kommt beispielsweise von dem infraroten Spektrum der Scheinwerfer und des Tageslichts.

Da einfach gebaute Laser, die als Sender 21 verwendet werden, insbesondere in Betriebsbedingungen wie sie in Kraftfahrzeugen herrschen nicht stabil sind, sondern in der Intensität des abge­ gebenen Lichtimpulses 19 schwanken, muß diese gemessen werden. Dadurch daß ein bestimmter Teil des Signals 19 in den Empfänger eingeleitet wird, kann aus der maximalen Intensität des Rück­ streusignals 10 auf die Intensität des Lichtimpulses 19 ge­ schlossen werden. Durch eine entsprechende Normierung auf eine Einheitsintensität des Lichtimpulses kann der aus den Signal­ schwankungen resultierende Berechnungsfehler der Parameter ver­ mieden a, b werden.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Messung und des bei der Messung erhaltenen Rückstreusignals, wobei sich ein Hindernis 29 im Meßbereich befindet. Der Sender 21 sendet den Lichtimpuls 19 aus. Ein kleiner Teil des Lichtimpulses wird direkt in den Empfänger 22 eingeleitet, das restliche in dem Empfänger gemessene Licht gelangt durch Rückstreuung dort hin. Bis auf die Überhöhung 15 erhält man den erwarteten Verlauf des Rückstreusignals 10. Die Überhöhung 15 kommt daher, daß der Lichtimpuls an dem Hindernis 29 reflektiert oder gestreut wird. Es wird ein höherer Anteil des einfallenden Lichtimpulses 19 in den Empfänger 22 zurückgelenkt. Die Entfernung d des Hindernis­ ses 29 zum Fahrzeug berechnet sich aus der Laufzeit t_H des vom Hindernis reflektierten Lichtes. Es gilt die Beziehung d=v*t_h/2, wobei v für die Lichtgeschwindigkeit steht. Der Fak­ tor 2 trägt dem zweimaligen Durchlaufen des Abstandes d durch den Lichtimpuls 19 Rechnung. Der berechnete Abstand d des Hin­ dernisses kann dem Fahrer angezeigt werden. Aus der Veränderung des Abstandes des Hindernisses zum Fahrzeug zwischen mehreren aufeinanderfolgenden Messungen kann auf die Relativgeschwindig­ keit zwischen Fahrzeug und Hindernis 29 geschlossen werden. Diese Maßnahme ist insbesondere bei Hindernissen interessant, die sich im Bereich der Sichtweite s vor dem Fahrzeug befinden.

Die Fig. 4a und 4b zeigen die bei Messungen erzielten Inten­ sitätskurven des Rückstreusignals im Empfänger 22 und die ange­ näherten Musterkurven 11. Das gemessene Rückstreusignal ist als durchgezogene Linie dargestellt, die berechneten Musterkurven 11, 11′ und 11′′ gestrichelte Linien und das Hindernis als strichpunktierte Linie.

Die einfache Musterkurve M(t) = a/t² + b wurde verwendet. Es wird deutlich, daß der Parameter a der für die Anpassung an die Rückstreuung und somit für die Bestimmung der Sichtweite relevante Parameter ist. Aus der Fig. 4b geht es hervor, in­ wieweit die zweistufige Berechnung der Parameter die Meßgenau­ igkeit beeinflußt, wenn ein Hindernis im Bereich BII des Meßsig­ nals festgestellt wird. Durch die Überhöhung 15 wird bei der ersten Parameterberechnung der Wert a′ des Parameters a ermit­ telt. Zur zweiten Berechnung der Parameter wurde der Bereich der Meßwerte, der dem strichpunktiert und überhöht eingezeich­ neten Hindernis entspricht, nicht berücksichtigt. Dadurch erhält man einen zweiten Wert a′′ des Parameters a, der eine genauere Messung der Sichtweite darstellt als die erste Berechnung. Der zweite Wert a′′ ist grundsätzlich kleiner als der Wert a′, die daraus resultierende Sichtweite s größer. Sie entspricht den gegebenen Sichtverhältnissen, da das vom Hindernis erzeugte Signal herausgerechnet wurde.

Allerdings kann mit dieser Methode ein im Bereich 1 gelegenes Hindernis nicht festgestellt werden, wenn es vom direkten Rück­ strahlsignal überlagert wird. Der Parameter a wird nur noch dann korrekt bestimmt, wenn das Hindernis einen großen Teil des Laserimpulses passieren läßt. Dies ist aber kein Mangel der Erfassung der Hindernisse oder der Sichtweite, da davon nur Hindernisse betroffen sind, die sich wenige Meter vor dem Sen­ der befinden, normalerweise von dem Fahrer also schon erfaßt wurden. Als Einparkhilfe ist diese Ausführung der Sichtweiten­ messung in dieser Form also nicht verwendbar. Grundsätzlich ist es möglich, durch eine Unterdrückung der direkten Einkopplung eines Teils des Lichtimpulses 19 in den Empfänger 22 auch sehr nahe dem Fahrzeug befindliche Hindernisse zu erkennen und ihren Abstand anzuzeigen. Eine vernünftige Messung der Sichtweite ist dann allerdings nur möglich, wenn die Intensität des Lichtimpul­ ses z. B. mit einem zweiten Empfänger gemessen wird.

Ferner ist anzumerken, daß der Wert des Parameters b, der dem Umgebungslicht zugeordnet werden kann, von der zweifachen Be­ rechnung bei einem Hindernis kaum beeinflußt wird.

In der Fig. 5 wird in einer schematischen Darstellung ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes Sichtweitenmeßgerät 20 gezeigt. Die Anzeige 24 übermittelt dem Fahrer die gemessene Sichtweite und ggf. den Abstand zum Hindernis. Die Signalverar­ beitung 23 führt die Berechnungen durch und steuert Sender 21 und Empfänger 22. Die Rückkoppelung 25 leitet einen bestimmten Teil des Lichtimpulses 19 direkt in den Empfänger 22. Die In­ tensität eines Lichtimpulses 19 liegt bei ca. 20 Watt Leistungs­ abgabe bei einer Impulsdauer von 6 ns. Dabei ist zu beachten, daß das Meßergebnis mit steigender Intensität des Lichtimpulses 19 besser wird. Es darf jedoch nicht zu einer Gefährdung Drit­ ter durch den ausgesandten Lichtimpuls 19 kommen. Somit ist seine maximale Intensität nach oben durch die entsprechenden Strahlungsrichtlinien begrenzt. Die Intensität des Rückstreu­ signales nimmt mit der Entfernung ab und liegt bei kleinen Rückstreuern, an denen das einfallende Licht eine homogene Diffusion erfährt, in Bereichen von wenigen nW. Solch geringen Intensitäten sind jedoch meßbar.

Claims (7)

1. Verfahren zur Bestimmung der Sichtweite (s) aus dem Rück­ streusignal (10) eines von einer Lichtquelle (21) abgewandten Lichtimpulses (19), bei dem ein kleiner Teil des abgewandten Lichtsignales zur Normierung des Rückstreusignales (10) mit der Intensität (I) des ausgesandten Lichtimpulses (19) direkt in einen Empfänger (22) eingekoppelt ist, bei dem ferner in dem Empfänger (22) die Intensität (I) des Rückstreusignales (10) in Funktion der seit der Aussendung des Lichtimpulses (19) vergan­ genen Laufzeit (t) gemessen wird und bei dem aus der Laufzeit (t) des Rückstreusignales (10) auf die Entfernung zu einem Rückstreuer geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine, von zumindest zwei Parametern (a, b) abhängige, Musterkurve (11) des Intensitätsverlaufes durch Bestimmung der Parameter (a, b) an das gemessene Rückstreusignal (10) angepaßt wird und wobei zumindest einer der Parameter (a, b) als Maß für die Sichtweite (s) dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterkurve (11) die Form M(t) = a*F(t) + b aufweist, wobei a, b die zu bestimmenden Parameter (a, b) sind und F(t) eine parameterfreie Grundfunktion ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfunktion aus zwei Bereichen (BI, BII) besteht, wobei der erste Bereich (BI) eine Sprungfunktion auf ein Pla­ teau und der zweite Bereich (BII) eine abklingende Funktion ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sichtweite (s) mittels einer linearen Beziehung aus dem Kehrwert des Parameters a ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Parameter (a, b) nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine starke Überhöhung (15) der Intensität (I) in einem Bereich des Rückstreusignales (10) gegenüber der angenäherten Musterkurve (11) erwarteten Rückstreusignal (10) als Hindernis (29) interpretiert wird und daß aus der Laufzeit (t_H) dieses überhöhten Rückstreusignales (15) der Abstand zu dem Hindernis berechnet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer im zweiten Bereich (BII) auftretende Überhöhung (15) des Rückstreusignales (10) gegenüber der angenäherten Mus­ terkurve (11) eine erneute Berechnung der Parameter (a, b) er­ folgt, wobei der Bereich der erhöhten Intensität zur Berechnung der Parameter (a, b) nicht herangezogen wird, und daß die neu berechneten Parameter (a, b) zur Berechnung der Sichtweite (s) herangezogen werden.