DE4326170A1

DE4326170A1 - Optronic visual range indicator

Info

Publication number: DE4326170A1
Application number: DE4326170A
Authority: DE
Inventors: Detlev Dr Wittmer; Berndt Warm; Gerd Dr Eyring
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1993-08-04
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1995-02-09

Abstract

A visual range indicator (11) which is more cost effective than measurement of propagation time measures the intensity (i) of the reflection (20) of a volumetric element (30), provided with scattering particles (13), at the point of intersection of the emission direction of a radiation source (15) with the receiving characteristic of a receiver (22) at a distance (1), prescribed by the design, in front of the arrangement of radiation source (15) and receiver (22). Since the paths of emission and reflection and the transmitter power are constant, because of the two-fold damping path the reception intensity (i) drops with rising turbidity (cloudiness, opacity) of the atmosphere (air space 21) despite an increased scattering effect of the volumetric element (30) detected. The damping component of a polluted disc (12) upstream of the transmitting and receiving arrangement is eliminated by forming the mutual ratio of the intensities (i1, i2) of reflection of two volumetric elements (30.1, 30.2) in the evaluation circuit (28) which are mutually offset with respect to distance. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Sichtweitenindikator gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a visibility indicator according to the Preamble of claim 1.

Ein solcher Indikator ist aus der DE 37 35 267 C2 als op troelektronische Vorrichtung zur Sichtweitenmessung be kannt. Dort ist vorgesehen impulsartige Reflexionen an einer atmosphärischen Streuzone, denen Reflexionen an einer verschmutzten Scheiben überlagert sind, in definierten Zeittoren nach Höhe und Form auszuwerten. Dabei mag zwar der Gedanke bestechend sein, Sichterschwernisse infolge der verschmutzten Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeuges bei einer Sichtweitenmessung mit zu berücksichtigen. Der Schei beneinfluß verfälscht aber die verkehrstechnisch an sich allein maßgeblichen Außenverhältnisse, auf die es bei spielsweise ankommt, wenn eine wetterabhängige Verkehrsbe schränkung einzuhalten ist.Such an indicator is known from DE 37 35 267 C2 as an op troelectronic device for measuring visibility knows. There is provided pulse-like reflections an atmospheric scattering zone, where reflections from a dirty disks are overlaid in defined Evaluate time gates according to height and shape. While doing so the thought to be captivating, difficult to see as a result of dirty windshield of a motor vehicle a visibility measurement. The shit influence influences the traffic itself only relevant external conditions, to which it applies arrives, for example, when a weather-dependent traffic area restriction must be observed.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen im Vergleich zur Laufzeitmessung apparativ weniger aufwendigen und dadurch preiswerteren, gleichermaßen für stationären und nicht stationären Einsatz geeigneten Sicht weitenindikator zu schaffen. The invention is therefore based on the object Compared to the runtime measurement, less expensive apparatus and therefore cheaper, equally for stationary and non-stationary use create distance indicator.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der gattungsgemäße Sichtweitenindikator gemäß den Merkmalen des Hauptanspruches ausgelegt ist.According to the invention, this task is essentially as a result solved that the generic visibility indicator according to the features of the main claim is designed.

Nach dieser Lösung wird indirekt die Dämpfung gemessen, die ein Strahl und seine Rückstrahlung von einem Streuvolumen beim Durchgang durch getrübte Atmosphäre erfahren, mit De finition des Streuvolumens durch den Kreuzungsbereich von Sende-Empfangs-Charakteristiken. Wenn die Rückstrahlinten sität von zwei entfernungsmäßig etwas gegeneinander ver setzten Volumenelementen gemessen und ins Verhältnis zuein ander gesetzt wird, dann kommen die sende- und empfangssei tigen Dämpfungseinflüsse beim Durchstrahlen einer im Strah lenweg liegenden Scheibe im Ergebnis nicht mehr zum Tragen. Denn die gegebene atmosphärische Trübung dämpft die Ab strahlung auf dem Weg zum Streuvolumen und die Rückstrah lung vom Streuvolumen bei geringerer Entfernung des Streu volumens weniger stark, als bei größerer Entfernung, also bei längerer Strahlstrecke durch das absorbierende Medium; während der Dämpfungseinfluß einer verschmutzten Scheibe unabhängig von der Entfernung des rückstreuenden Volumen elementes stets gleich bleibt und sich deshalb bei der Quo tientenbildung beider Rückstrahlintensitäten im Ergebnis aufhebt. Allerdings muß durch Anordnung und Ausrichtung der Strahlungsquelle in Relation zum Empfänger hinter der Scheibe dafür Sorge getragen werden, daß kein Streulicht von der Scheibenverschmutzung unmittelbar auf den Empfänger einwirkt. Denn das entspräche der Wirkung stärkerer Re flexion am angepeilten Volumenelement und somit einer ge ringeren Dämpfung im vorausliegenden Luftraum, ergäbe, also trotz getrübter Atmosphäre ein Intensitätsresultat wie bei klareren Sichtverhältnissen, was den tatsächlichen Verhält nissen zuwiderlaufen würde.According to this solution, the damping is measured indirectly a beam and its retroreflection from a scattering volume experienced when passing through a cloudy atmosphere, with De Definition of the spreading volume through the intersection area of Send-receive characteristics. When the reflex lenses distance of two from each other set volume elements measured and in relation to each other other is set, then the send and receive eggs damping effects when irradiating a beam As a result, the disc lying on the way is no longer to be used. Because the given atmospheric turbidity dampens the down radiation on the way to the scattering volume and the return beam spreading volume with less spreading distance volume less strong than at a greater distance, so with a longer beam path through the absorbent medium; during the damping effect of a dirty disc regardless of the distance of the backscattering volume elementes always remains the same and therefore the quo The result is the formation of two retroreflective intensities picks up. However, by arranging and aligning the Radiation source in relation to the receiver behind the Washer to ensure that no stray light from the disc contamination directly to the receiver acts. Because that would correspond to the effect of stronger Re flexion on the targeted volume element and thus a ge less damping in the airspace ahead, that would result despite the cloudy atmosphere, an intensity result like in clearer visibility, which is the actual ratio would run counter to nits.

Tatsächlich ist nun die Empfangsintensität ein Maß für die Trübung durch Streupartikel im voraus liegenden Luftraum und somit invers zur aktuellen Sichtweite, auch beim Durch strahlen einer Sichtscheibe.In fact, the reception intensity is now a measure of that Turbidity caused by scattering particles in the air space and thus inverse to the current visibility, even when going through radiate a lens.

Die Auswertung der Rückstrahlintensitäten von gegeneinander entfernungsversetzten rückstreuenden Volumenelementen er bringt darüberhinaus den Vorteil, in einer Auswerteschal tung zur Ansteuerung beispielsweise eines Warengerätes mit einfachen logischen Schaltungsmitteln Störeffekte eliminie ren zu können, die darauf beruhen, daß beispielsweise in einer Kurvenfahrt die Rückstrahlung vorübergehend von einem Baum oder Leitpfosten am Straßenrand bzw. bei zu dichtem Auffahren auf ein Fahrzeug voraus von dessen Heckreflexion herrührt. Denn da Nebel und ähnliche die Sichtweite beein trächtigende atmosphärische Trübungen im Streuvolumen-Ver satz einiger Dezimeter (einige Meter vor dem ins Fahrzeug installierten Sichtweitenindikator) keine wesentlichen Un stetigkeiten zeigen, ist die auf Reflexion an Streuparti keln in den durch die Strahlenschnittbereiche angepeilten Volumenelementen beruhende Intensitätsmessung zeitlich im wesentlichen konstant und der Intensitätsunterschied im we sentlichen nur durch die doppelte zusätzliche Dämpfung bei verlängerter Laufzeit zum weiter entfernten Volumenelement bestimmt. Wenn dagegen in der Auswerteschaltung plötzlich ein Intensitätssprung, zumal aus nur dem einen beider Volu menelemente, festgestellt wird, dann kann es sich nicht um einen Informationsbeitrag zur Sichtweitenbestimmung han deln, sondern allenfalls um ein Indiz für ein voraus erfaß tes, gegenüber dem angepeilten Volumenelement stärker re flektierendes Hindernis. Dementsprechend kann das langsame Auffahren auf einen Vordermann von der Auswerteschaltung dadurch erfaßt und signalisiert werden, daß nacheinander zunächst das entferntere und dann das weniger entfernte Vo lumenelement eine sprunghafte Intensitätssteigerung der ge messenen Rückstrahlung erbringt.The evaluation of the retroreflective intensities of each other offset backscattering volume elements also has the advantage in an evaluation scarf device for controlling, for example, a goods device simple logic circuit means eliminating interference ren to be based, for example, in when cornering, the retroreflection temporarily from one Tree or delineator on the roadside or if it is too dense Collision with a vehicle ahead of its rear reflection comes from. Because fog and the like affect visibility pregnant atmospheric turbidity in the scattering volume ver a few decimeters (a few meters in front of the vehicle installed visibility indicator) no significant un Show steadiness is that of reflection on scattering parties in the areas targeted by the radiation cut areas Intensity measurement based on volume elements in time essentially constant and the difference in intensity in the we only with double the additional damping extended runtime to the more distant volume element certainly. If, on the other hand, suddenly in the evaluation circuit a leap in intensity, especially from only one of the two volu menu items is determined, then it can not for an informational contribution to determining the visibility range deln, but at best for an indication of an advance tes, right compared to the targeted volume element flexing obstacle. Accordingly, the slow Driving onto a car in front of the evaluation circuit thereby being grasped and signaled that successively first the more distant and then the less distant Vo lumen element a sudden increase in intensity of the ge measured reflection.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Be schreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispieles zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:Additional alternatives and further training as well as others Features and advantages of the invention result from the further claims and, also taking into account the Explanations in the summary, from the following Be write one down in the drawing with restriction the essentials highly abstracted preferred Realization example for the solution according to the invention. It shows:

Fig. 1 im vereinfachten einpoligen Blockschaltbild die prinzipielle Wirkungsweise des erfindungsge mäßen Sichtweitenindikators und Fig. 1 in the simplified single-pole block diagram, the principle of operation of the visibility indicator according to the Invention and

Fig. 2 ein Prinzip-Diagramm zur Darstellung der Inten sität der Streurückstrahlung in Abhängigkeit von der Sichtweite. Fig. 2 is a principle diagram showing the intensity of the scattered reflection depending on the range of vision.

Der skizzierte Sichtweitenindikator 11 kann als stationäres Sichtweiten-Meßgerät eingesetzt sein. Bevorzugt handelt es sich jedoch um ein preiswertes Zusatzgerät zum Einsatz hin ter der Windschutzscheibe 12 eines Fahrzeuges, um bei schlechter Sicht in Folge hoher Dichte rückstrahlender Par tikel 13 (Nebel, Regen, Staub oder dergleichen) ein Warnge rät 14 ansprechen zu lassen und/oder unmittelbar in die Be triebssteuerung des Fahrzeuges einzugreifen, insbesondere die maximale Fahrtgeschwindigkeit der reduzierten Sicht weite anzupassen.The sketched visibility indicator 11 can be used as a stationary visibility measuring device. However, it is preferably an inexpensive additional device for use behind the windshield 12 of a vehicle in order to have a warning device 14 address and / or in poor visibility due to high density of retroreflective particles 13 (fog, rain, dust or the like) intervene directly in the operating control of the vehicle, in particular to adapt the maximum driving speed to the reduced visibility.

Dafür ist der Sichtweitenindikator 11 mit einer Strahlungs quelle 15 hinter einer reflektiv oder transmissiv fokus sierenden Optik 16 ausgestattet. Die Strahlungsquelle 15 wird aus einer Leistungsquelle 17 über eine Steuerschaltung 18 betrieben, die vor allem als Modulator wirkt und dafür einfach als Chopper ausgelegt sein kann. Die gebündelte, entsprechend modulierte Abstrahlung 19 kann kohärentes Licht im sichtbaren oder dicht benachbarten unsichtbaren Bereich des Strahlungsspektrums sein. Allerdings muß die Abstrahlungs-Leistung einer Laser-Strahlungsquelle 15 zur Gewährleistung der Augensicherheit sehr gering sein, wes halb im Interesse ausreichender Intensität der Rückstrah lung 20 gegebenenfalls eine nicht-kohärente Strahlungs quelle 15 etwa in Form einer lichtimitierenden Halbleiter diode (LED) zu bevorzugen ist, in die die fokussierende Op tik 16 gleich integriert sein kann.For this purpose, the visibility indicator 11 is equipped with a radiation source 15 behind a reflective or transmissive focusing optics 16 . The radiation source 15 is operated from a power source 17 via a control circuit 18 , which acts primarily as a modulator and can simply be designed as a chopper for this purpose. The bundled, appropriately modulated radiation 19 can be coherent light in the visible or closely adjacent invisible region of the radiation spectrum. However, the radiation power of a laser radiation source 15 to ensure eye safety must be very low, which is why a non-coherent radiation source 15, for example in the form of a light-imitating semiconductor diode (LED), may be preferred in the interest of sufficient intensity of the reflection 20 , into which the focusing optics 16 can be integrated immediately.

Je schlechter die Sichtverhältnisse, desto mehr rückstreu ende Partikel 13 befinden sich in dem Luftraum 21, in den die gebündelte Abstrahlung 19 gerichtet ist, und desto hö her ist die Intensität i der von einem Empfänger 22 aufge nommenen Rückstrahlung 20. Der ist mit (wenigstens) einem strahlungsangepaßten Detektor 23 zur Umwandlung der Strah lungsanregung in ein elektrisches Signal ausgestattet, das mit von der empfangenen Intensität i abhängiger Amplitude in einer Verarbeitungsschaltung 24 verstärkt, erforderli chenfalls gefiltert und gegebenenfalls digitalisiert wird. Zum Eliminieren von Fremdlicht-Einflüssen in der Rückstrah lung 20 ist vor einem Tiefpaß 26 ein Demodulator 25 vorge sehen, der einfach als Multiplizierer oder gar Schalter ausgebildet sein kann, betrieben mit der senderseitigen Chopper-Frequenz aus der Steuerschaltung 18. Wenn die Ver arbeitung der empfangenen Rückstrahlung 20 bisher noch im Analogen geschah, folgt ein Analog-Digital-Wandler 27 vor der Auswerteschaltung 28 zum Ansteuern des Warngerätes 14 bei Sichtverhältnissen, die schlechter sind, als über ein Stellglied 29 aktuell als Referenz vorgegeben.The worse the visibility, the more backscattering particles 13 are in the air space 21 into which the focused radiation 19 is directed, and the higher the intensity i of the reflection 20 received by a receiver 22 . The is equipped with (at least) one radiation-adapted detector 23 for converting the radiation excitation into an electrical signal, which is amplified with amplitude dependent on the received intensity i in a processing circuit 24 , filtered if necessary and digitized if necessary. To eliminate extraneous light influences in the retroreflection 20 , a demodulator 25 is provided in front of a low-pass filter 26 , which can be designed simply as a multiplier or switch, operated at the transmitter-side chopper frequency from the control circuit 18th If the processing of the received retroreflection 20 has so far been done in analog, an analog-to-digital converter 27 follows in front of the evaluation circuit 28 for actuating the warning device 14 in visibility conditions that are worse than currently specified via an actuator 29 as a reference.

Der Empfänger 22 ist seinerseits mit einer fokussierenden Optik 16 ausgestattet. Die sende- und empfangsseitigen Op tiken 16 sind so in Bezug zueinander ausgerichtet, daß die relativ eng gebündelten Sende- und Empfangscharakteristiken sich im vorausliegenden Luftraum 21 in einem Volumenelement 30 schneiden, das so konstruktiv vorgegeben einige Meter vom Sichtweitenindikator 11 entfernt liegt. Wenn in einer Entfernung l1 die Partikelkonzentration groß ist, ist bei gegebener Leistung der Abstrahlung 19 die Rückstrahlungs- Intensität i1 entsprechend groß. Wenn bei sonst gleichen Gegebenheiten die Empfangscharakteristik für die Rückstrah lung 20 etwas verschwenkt wird, verlagert sich der Schnitt punkt mit der Richtung der Abstrahlung 19 beispielsweise zu einer größeren Entfernung l2. Im dortigen Volumenelement 30.2 ist die zur Streuung führende Abstrahlung 19 wegen des längeren Weges durch den dämpfenden Luftraum 21 geringer, und auch die rückgestreute Strahlung 20 erfährt auf dem längeren Weg durch den mit Partikeln 13 durchsetzten Luft raum 21 eine größere Dämpfung, weshalb für größere Entfer nung l2 bei sonst gleichen Gegebenheiten im Luftraum 21 der Empfänger 22 eine geringere Intensität i2 liefert, wie im i(1)-Diagramm der Fig. 2 quantitativ veranschaulicht. Die Dämpfungseinfluß der (eventuell sogar verschmutzten) Wind schutzscheibe 12 geht in diese Entfernungsabhängigkeit aus geometrischen Gründen praktisch nicht ein; denn die Strecke durch die im Vergleich zur Entfernung l dünne Scheibe 12 ist stets praktisch konstant.The receiver 22 is in turn equipped with focusing optics 16 . The transmission and reception-side optics 16 are aligned with respect to one another in such a way that the relatively narrowly bundled transmission and reception characteristics intersect in the air space 21 lying ahead in a volume element 30 that is structurally predetermined a few meters from the visibility indicator 11 . If the particle concentration is large at a distance l1, the reflection intensity i1 is correspondingly large for a given power of the radiation 19 . If the reception characteristics for the retroreflection 20 is pivoted somewhat under otherwise identical conditions, the point of intersection shifts with the direction of the radiation 19, for example to a greater distance l2. In the volume element 30.2 there , the radiation 19 leading to scattering is lower because of the longer path through the damping air space 21 , and the backscattered radiation 20 also experiences greater attenuation on the longer path through the air space 21 interspersed with particles 13 , which is why for greater distances voltage l2 with otherwise identical conditions in the air space 21, the receiver 22 delivers a lower intensity i2, as illustrated quantitatively in the i (1) diagram of FIG. 2. The damping influence of the (possibly even dirty) windshield 12 is practically not included in this distance dependency for geometric reasons; because the distance through the thin disk 12 compared to the distance l is always practically constant.

Allerdings sind Strahlungsquelle 15 und Empfänger 22 derart (dicht bzw. abgeschirmt) hinter der Scheibe 12 zu positio nieren, daß keine an der Scheibe 12 unmittelbar oder über ihre Verschmutzung reflektierte Strahlung den Empfänger 22 beeinflußt; denn ein solcher optischer Kurzschluß würde verbesserte Sichtbedingungen vortäuschen, so als würde die Abstrahlung 19 den Luftraum 21 ungedämpfter durchdringen und somit eine höhere Energiedichte am Streuvolumen 30 re flektieren. Problematisch beim praktischen Einsatz eines solchen Sichtweitenindikators 11 ist allerdings, daß die an einer durchstrahlten Scheibe 12 verschmutzungsabhängig er folgende Dämpfung sowohl der Abstrahlung 19 wie auch der Rückstrahlung 20 sehr stark und nicht reproduzierbar schwankt; zumal dann, wenn der Sichtweitenindikator 11 in einem für den freien Ausblick wenig störenden Bereich der Windschutzscheibe außerhalb eines Scheibenwischerbereiches angeordnet wird. Der aktuelle Dämpfungseinfluß der Scheibe 12 wird deshalb dadurch eliminiert, daß in der Auswerte schaltung 28 Rückstrahlungen 20.1, 20.2 von zwei entfer nungsmäßig und längs der Abstrahlung 19 etwas gegeneinander versetzten Volumenelementen 30.1, 30.2 ins Verhältnis zu einander gesetzt werden, deren Rückstrahlungen 20.1, 20.2 auf dem Weg zum Empfänger möglichst denselben Bereich der Scheibe 12 durchqueren. Denn der dann für beide Intensitä ten i1, i2 gleiche verschmutzungsabhängige Dämpfungsbeitrag kürzt sich bei der Verhältnisbildung heraus.However, radiation source 15 and receiver 22 are such (close or shielded) behind the disk 12 to position that no radiation reflected on the disk 12 or reflected by its contamination affects the receiver 22 ; because such an optical short-circuit would simulate improved visual conditions, as if the radiation 19 would penetrate the air space 21 undamped and thus reflect a higher energy density at the scattering volume 30 . The problem with the practical use of such a visibility indicator 11 is, however, that the attenuation of the radiation 19 and the reflection 20, which is dependent on the contamination on a irradiated pane 12, fluctuates very strongly and cannot be reproduced; especially when the visibility indicator 11 is arranged in an area of the windshield that is not very disturbing for the free view outside a wiper area. The current damping influence of the disc 12 is therefore eliminated in that in the evaluation circuit 28 reflections 20.1 , 20.2 from two distance and along the radiation 19 somewhat offset volume elements 30.1 , 30.2 are set in relation to each other, the reflections 20.1 , 20.2 on traverse the same area of the pane 12 as possible to the receiver. This is because the pollution-dependent damping contribution that is then the same for both intensities i1, i2 is reduced when the ratio is formed.

Um zum Gewinnen zweier entfernungsversetzter Rückstrahl-In tensitäten i1/i2 nicht mit verschwenkbaren Optiken 16 ar beiten zu müssen, ist zweckmäßigerweise der Empfänger 22 hinter der gemeinsamen Optik 16 mit zwei etwa quer zur Emp fangsrichtung der Rückstrahlung 20 etwas gegeneinander ver setzten Detektoren 23.1, 23.2 ausgerüstet. Die liefern dann kontinuierlich Streu-Intensitäten i1, i2 an einen Quotientenbildner in der Auswerteschaltung 28.In order not to have to work with pivotable optics 16 ar in order to obtain two distance-shifted retroreflecting intensities i1 / i2, the receiver 22 is expediently behind the common optics 16 with two detectors 23.1 , 23.2 which are somewhat offset relative to one another transversely to the direction of reception of the retroreflection 20 equipped. They then continuously supply scatter intensities i1, i2 to a quotient generator in the evaluation circuit 28 .

Claims

1. Visibility indicator ( 11 ) with an optronic receiver ( 22 ) for the retroreflection ( 20 ) of radiation directed into a cloudy atmosphere ( 19 ), characterized in that the retroreflectivity (i) of one through the intersection of the transmission and reception characteristics defined volume element ( 30 ) with backscattering particles ( 13 ) is detected.

2. Visibility indicator according to claim 1, characterized in that the retroreflective intensity (i) of volume elements ( 30 ) offset from one another are compared with one another.

3. Visibility indicator according to claim 2, characterized in that the quotient of two retroreflective intensities (i1, i2) originating from offset volume elements ( 30.1 , 30.2 ) is formed in an evaluation circuit ( 28 ).

4. Visibility indicator according to claim 2 or 3, characterized in that inclined to the direction of the radiation ( 19 ) of their mutually inclined reception characteristics of second detectors ( 23.1 , 23.2 ) are provided.

5. Visibility indicator according to one of the preceding claims, characterized in that a laser radiation ( 19 ) is provided.

6. Visibility indicator according to one of claims 1 to 4, characterized in that the radiation ( 19 ) of a light-imitating semiconductor diode is provided.

7. Visibility indicator according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source ( 15 ) and the receiver ( 22 ) are arranged behind a disk ( 12 ) and are shielded from one another in such a way that neither direct nor on the disk ( 12 ) is scattered Radiation ( 19 ) reaches one of the detectors ( 23 ) of the receiver ( 22 ).

8. Visibility indicator according to one of claims 2 to 7, characterized in that in the receiver ( 22 ) two detectors ( 23 ) offset approximately mutually transversely to the reception characteristic are arranged behind a common focusing optics ( 16 ).

9. Visibility indicator according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation circuit ( 28 ) comprises a warning device ( 14 ) in accordance with the specification of a response actuator ( 29 ) for the intensity (i) of the cloudy volume elements ( 30 ). control the scattered back radiation ( 20 ).