DE60201126T2 - Verkehrsüberwachungssystem - Google Patents

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DE60201126T2
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John Philip Newburgh NASH
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    • G08G1/01Detecting movement of traffic to be counted or controlled
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01FADDITIONAL WORK, SUCH AS EQUIPPING ROADS OR THE CONSTRUCTION OF PLATFORMS, HELICOPTER LANDING STAGES, SIGNS, SNOW FENCES, OR THE LIKE
    • E01F11/00Road engineering aspects of Embedding pads or other sensitive devices in paving or other road surfaces, e.g. traffic detectors, vehicle-operated pressure-sensitive actuators, devices for monitoring atmospheric or road conditions
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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Überwachungssystem für den Straßenverkehr, das eine Gruppierung von faseroptischen Sensoren, die im Multiplex betrieben werden, faseroptische Sensoren für die Verwendung in einem solchen System, und ein Verfahren für die Verkehrsüberwachung, das ein solches System verwendet, enthält.
  • Es gibt verschiedene Gründe, warum Informationen, die sich auf den Straßenverkehr auf einem bestimmten Abschnitt der Straße beziehen, gesammelt werden können. Einer davon kann die effektive Regelung des Straßenverkehrs sein, wobei Informationen bezüglich der Geschwindigkeit und des Verkehrsaufkommens nützlich sind. Dies ermöglicht, alternative Routen als Reaktion auf Unfälle oder Straßensperrungen zu planen, und zu versuchen, den Stau verringern, indem vielleicht Geschwindigkeitsbeschränkungen verändert werden.
  • Viele neue Straßen werden mit einer Opferschicht obenauf gebaut, die dazu ausgelegt ist, zu verschleißen und ersetzt zu werden. Die bedeutenden Kosten, die mit Straßenreparaturen und Straßenbau verbunden sind, erfordern zusätzlich zu den Störungen, die von solchen Arbeiten verursacht werden, dass die Reparaturen nur ausgeführt werden, wenn sie erforderlich sind. Die Opferschicht sollte weder zu früh ersetzt werden, was zu unnötigen Kosten führt, noch zu spät, wodurch ein Risiko von schwereren Beschädigungen der darunterliegenden Struktur der Straße besteht. Eine genaue Bestimmung des Verkehrsaufkommens auf einem bestimmten Straßenabschnitt ist deshalb essenziell.
  • Ein weiterer Grund, warum Verkehrsinformationen erforderlich sind, ist die Durchsetzung von Regeln und Gesetzen. Es gibt Regeln, die sich auf das maximal zulässige Gewicht von Fahrzeugen für schwere Güter (FSG) beziehen, und in Konzernen aus Sicherheitsgründen entstanden sind, und auch, um den Schaden zu verringern, den überladene Fahrzeuge am inneren Aufbau der Straße anrichten können. Eine Messung des dynamischen Fahrzeuggewichts hilft, sicherzustellen, dass sich an solche Regeln gehalten wird.
  • Einfache Informationen bezüglich der Fahrzeuggeschwindigkeit können verwendet werden, um Geschwindigkeitsbegrenzungen zu überwachen und durchzusetzen.
  • Es kann auch die Notwendigkeit bestehen, Informationen bezüglich der Typen von Fahrzeugen zu sammeln, die einen bestimmten Abschnitt der Straße benutzen. Dies kann dazu dienen, die Nutzung von Landstraßen durch ungeeignete Fahrzeuge, wie etwa FSG, zu verhindern, oder um zukünftige Pläne für den Straßenbau zu erstellen. Die Klassifikation des Fahrzeugtyps kann aus einer Bestimmung des dynamischen Fahrzeuggewichts und dem Zählen der Achsen ermittelt werden.
  • Es ist klar, dass Informationen bezüglich Geschwindigkeit, Gewicht, Verkehrsaufkommen und Art des Verkehrs alle verwendet werden können, um mit einem effektiven Programm für die Verkehrsregelung Abhilfe zu schaffen. Es gibt verschiedene Verfahren, die benutzt werden, um diese Informationen zu erhalten, jedoch sind damit Probleme verbunden.
  • Viele Straßenabschnitte werden durch Videokameras überwacht. Die Bilder dieser Kameras werden zur Analyse in Zentralstellen eingespeist, um Informationen bezüglich Fahrzeuggeschwindigkeit und Typ und Verkehrsaufkommen zu liefern. Wegen der Komplexität der Bilder ist es nicht immer möglich, diese Analyse der empfangenen Daten zu automatisieren, was bedeutet, dass sie visuell untersucht werden müssen. Es gibt eine Grenze, wieviele Bilder auf diese Weise analysiert werden können. Darüber hinaus kann die Qualität der gesammelten Bilder von Wetterbedingungen beeinflusst werden. Nebel oder Regen sowie hohe Fahrzeuge können das Sichtfeld der Kameras undeutlich machen, und starke Winde können die Kameras zum Schwingen bringen. In vielen Ländern werden Kamerasysteme von Dienststellen zur Durchsetzung von Gesetzen betrieben, folglich gibt es oft eine zusätzliche Schwierigkeit dabei, die gesammelten Informationen den Dienststellen verfügbar zu machen, die mit der Verkehrsregelung beschäftigt sind. Es ist auch nicht möglich, das Gewicht eines Fahrzeuges aus einem Videobild zu bestimmen. Die Inbetriebnahmekosten von Videokamerasystemen zur Verkehrsüberwachung können auch hoch sein.
  • Die große Mehrheit von neuen Straßen und eine große Anzahl von bestehenden Straßen sind mit induktiven Sensoren ausgestattet. Dies sind Leiterschleifen, die unter der Oberfläche der Straße angeordnet sind. Wenn ein Fahrzeug den Sensor passiert, ändern die Metallteile des Fahrzeugs, d. h. der Motor und das Fahrgestell, die Frequenz eines abgestimmten Kreises, von dem die Schleife ein integraler Bestandteil ist. Diese Signaländerung kann detektiert und interpretiert werden, und ergibt ein Maß für die Länge eines passierenden Fahrzeuges. Indem zwei Schleifen nahe zueinander angeordnet werden, ist es auch möglich, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs bestimmen. Die Qualität der von den Induktionsschleifensensoren gesammelten Daten ist nicht immer hoch und wird weiter durch die Tatsache kompromittiert, dass der Trend bei vielen modernen Fahrzeugen zu weniger Metallteilen geht. Dies führt zu einer geringeren Signaländerung, die schwieriger zu interpretieren ist. Obwohl sie billig herzustellen sind, sind Induktionssensoren groß, und als solche verursacht ihr Einbau insbesondere in bestehende Straßen bedeu tende Störungen. Dies verursacht entsprechende Kosten. Ein Hauptnachteil bei der Verwendung von Induktionsschleifen für die Verkehrsregelung ist, dass sie nicht durch Multiplexen angesprochen werden können. Jede Einbaustelle von Sensoren erfordert ihr eigenes Datensammelsystem, ihre eigene Stromversorgung und ihre eigene Datenkommunikationseinheit. Dies erhöht die Kosten des gesamten Sensors deutlich, was dazu führt, dass die Mehrheit der eingebauten Induktionsschleifen nicht angeschlossen ist, und deshalb keine Daten sammeln kann. Darüber hinaus können Induktionsschleifen nicht verwendet werden, um das dynamische Fahrzeuggewicht zu messen, obwohl sie verwendet werden können, um Fahrzeuge zu zählen, und, wenn sie paarweise eingesetzt werden, um die Fahrzeuggeschwindigkeit zu bestimmen. Klassifikation von Fahrzeugen ist folglich nicht möglich
  • Zwei Verfahren zur Bestimmung des Gewichtes von Fahrzeugen, insbesondere von FSG, sind in allgemeinem Gebrauch. Das Fahrzeuggewicht kann mit einer Plattformwaage gemessen werden. Diese ist sehr genau, erfordert aber, dass das Fahrzeug von der Schnellstraße zu einem bestimmten Ort fährt, wo die Messung stattfinden kann. Ein alternatives Verfahren ist, zu versuchen, das Gewicht des Fahrzeugs zu messen, während es vorbeifährt. Herkömmlicherweise werden piezoelektrische Kabel unter der Oberfläche der Straße angeordnet, die ein Signal erzeugen, das dem Gewicht des Fahrzeugs proportional ist, wenn es darüberfährt. Dieses Verfahren ist bequemer, aber weniger genau als eine Plattformwaage. Genauso wie Induktionsschleifensensoren sind piezoelektrische Sensoren nicht für Multiplexen zugänglich, folglich erfordert jeder ein ähnliches Datensammelsystem, eine Stromversorgung und eine Datenkommunikationseinheit. Die Sensoren sind auch teurer und weniger robust als Induktionsschleifensensoren.
  • Um die maximale Informationsmenge bezüglich des Verkehrs auf einem bestimmten Straßenabschnitt zu erhalten, werden piezoelektrische Sensoren oft zusammen mit Induktionsschleifen eingesetzt.
  • Interferometrische Sensoren mit optischen Fasern können verwendet werden, um Druck zu detektieren. Wenn ein Abschnitt einer optischen Faser einem äußeren Druck unterworfen ist, wird die Faser deformiert. Diese Deformation ändert die optische Pfadlänge der Faser, was als Änderung der Phasenänderung des Lichtes, das durch die Faser läuft, detektiert werden kann. Da es möglich ist, sehr kleine Änderungen der Faser zu erfassen, sind optische Fasersensoren für den angelegten Druck extrem empfindlich. Diese hohe Empfindlichkeit ermöglicht, dass optische Fasersensoren zum Beispiel in akustischen Unterwasserschallempfängern verwendet werden, wobei Schallwellen mit Intensitäten von einem Druck von 10–4 Pa routinemäßig erfasst werden können. Eine solch hohe Empfindlichkeit kann jedoch auch Probleme verursachen. Interferometrische Sensoren mit optischen Fasern sind für die Verwendung in Anwendungen nicht ideal geeignet, in denen eine geringe Empfindlichkeit gefordert wird, zum Beispiel zum Erfassen von Unterschieden des Gesamtdrucks in einer Umgebung mit starkem Hintergrundrauschen. Optische Fasersensoren haben jedoch den Vorteil, dass sie im Multiplex betrieben werden können, ohne lokale Elektronik zu benötigen. Interferometrische Sensoren können auch in die Form von ausgedehnten Sensoren gebracht werden, mit einer Länge, die ausreicht, um die Breite einer Schnellstraße zu überspannen. Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise Bragg-Gitter-Sensoren, die als punktuelle Sensoren arbeiten.
  • Das Dokument FR-A-2 703 451 veröffentlicht ein Verkehrsüberwachungssystem nach der Präambel von Anspruch 1. Weitere relevante Dokumente nach dem Stand der Technik sind US-A-5 056 884, FR-A-2 673 749 und US-A-5 260 520.
  • Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verkehrsüberwachungssystem wenigstens eine Sensorstation und wenigstens ein interferometrisches Abfragesystemen; wobei die wenigstens eine Sensorstation wenigstens einen optischen Fasersensor umfasst, der in einer Schnellstraße eingesetzt ist; und wobei das interferometrische Abfragesystem dazu eingerichtet ist, auf eine optische Phasendrehung zu reagieren, die in dem wenigstens einen optischen Fasersensor durch eine Kraft erzeugt wird, die von einem Fahrzeug ausgeübt wird, das über die wenigstens eine Sensorstation fährt, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Abfragesystem ein interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung ist.
  • Dies stellt ein preiswertes, verlässliches Verkehrsüberwachungssystem zur Verfügung, mit dem starkes Multiplexen möglich ist. Fernabfrage ist möglich, folglich sind weder lokale Elektronik noch lokale Stromversorgung erforderlich.
  • In einem Beispiel besteht das interferometrische Abfragesystem aus einem reflektometrischen interferometrischen Abfragesystem, wobei das interferometrische Abfragesystem vorzugsweise aus einem gepulsten reflektometrischen interferometrischen Abfragesystem besteht.
  • In einem System, bei dem zeitliches Multiplexen benutzt wird, um einzelne Sensoren zu unterscheiden, ermöglicht reflektometrische, und insbesondere gepulste reflektometrische Interferometrie eine sehr effiziente Architektur mit Multiplexbetrieb, die bei verteilten Sensoren verwendet werden kann.
  • Vorzugsweise umfasst das interferometrische Abfragesystem ein gepulstes interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung.
  • Ein rückstreuendes reflektometrisches System ohne Rayleigh-Rückstreuung beruht auf diskreten Reflektoren zwischen den Sensoren. Dies sind vergleichsweise teuren Komponenten, die sich den Kosten des Gesamtsystems hinzuaddieren kann. Im Gegensatz dazu beruht die Rayleigh-Rückstreuung auf Reflexionen von Licht an Inhomogenitäten in der optischen Faser. Dies beseitigt das Erfordernis nach diskreten Reflektoren, was die Gesamtkosten des Systems verringert. Die Daten, von einem solchen System gesammelt werden, erfordern jedoch komplexere Analyse, als bei einem reflektometrischen Abfragesystem.
  • Vorzugsweise umfasst das System mehrere Sensorstationen, wobei benachbarte Stationen durch einen Abschnitt einer optischen Faser miteinander verbunden sind.
  • Die Länge der optischen Faser, die benachbarte Sensorstationen verbindet, definiert die optische Pfadlänge zwischen benachbarten Sensorstationen. Herkömmlicherweise ist die verbindende optische Faser gestreckt, und als solche ist die optische Pfadlänge zwischen den benachbarten Sensorstationen im wesentlichen gleich ihrem physikalischen Abstand. Die verbindende optische Faser muss jedoch nicht vollständig gestreckt sein, wobei in diesem Fall der physikalische Abstand der nebeneinanderliegenden Sensorstationen jeder Abstand bis zu dem der Länge der optischen Faser sein kann, die verwendet wird, um die nebeneinanderliegenden Sensorstationen zu verbinden.
  • Üblicherweise liegt die Länge der optischen Faser, die benachbarte Sensorstationen verbindet, zwischen 100m und 5000m.
  • Vorzugsweise umfasst jede Sensorstation mehrere faseroptische Sensoren, und noch mehr wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens einen faseroptischen Sensor pro Spur der Schnellstraße umfasst.
  • Am meisten wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens zwei optische Fasersensoren, die einen bekannten Abstand voneinander haben, pro Spur der Schnellstraße umfasst.
  • Geeigneterweise liegt der bekannte Abstand zwischen 0,5m und 5m. Der bekannte Abstand bezieht sich auf den physikalischen Abstand der faseroptischen Sensoren und nicht auf die optische Pfadlänge der optischen Fasern zwischen jedem Sensor.
  • Dies liefert ein Verkehrsüberwachungssystem, das eingesetzt werden kann, um den Verkehr auf jedem Typ von Schnellstraße zu überwachen, von einer Landstraße mit einer einzelnen Spur bis zu einer mehrspurigen Autobahn. Die Sensorstationen können in Intervallen entlang der gesamten Länge der Schnellstraße oder nur auf Abschnitten eingebaut sein, wo Verkehrsüberwachung entscheidend ist, z. B. an bekannten Staustellen oder Unfallschwerpunkten.
  • Sicherzustellen, dass jede Spur der Schnellstraße wenigstens einen faseroptischen Sensor aufweist, bedeutet, dass einige Verkehrsinformationen gesammelt werden können, unabhängig von dem Teil der Schnellstraße, auf dem der Verkehr fließt. Das einfachste System für eine Schnellstraße mit einer einzelnen Spur hätte zweiten Sensoren, einen für jede Verkehrsrichtung. Obwohl dies Informationen bezüglich des Fahrzeuggewichts, dem Verkehrsaufkommen und der Anzahl der Achsen ergäbe, könnte es nicht verwendet werden, um ein Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit zu liefern. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann jedoch bestimmt werden, indem zwei Sensoren, die einen bekannten, kurzen Abstand voneinander haben, pro Spur der Schnellstraße eingesetzt werden. Es kann wünschenswert sein, mehr als zwei Sensoren pro Spur der Schnellstraße einzusetzen, z. B. können drei Sensoren, die nahe zueinander eingesetzt sind, dazu verwendet werden, ein Maß für die Fahrzeugbeschleunigung anzugeben. Eine solche Messung kann an Straßenkreuzungen, Kreiseln oder Ampeln nützlich sein.
  • Vorzugsweise umfasst der optische Fasersensor eine empfindliche Faser, die mit einer unempfindlichen Faser verbunden ist; wobei die optische Pfadlänge der empfindlichen Faser derart ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors gering ist, und wobei die optische Pfadlänge der unempfindlichen Faser größer als die der empfindlichen Faser ist, derart, dass die gesamte optische Pfadlänge der empfindlichen Faser und der unempfindlichen Faser ausreicht, um zu ermöglichen, dass der Sensor durch einen gepulstes interferometrisches Abfragesystem abgefragt wird.
  • Vorzugsweise ist die optische Pfadlänge der unempfindlichen Faser wenigstens zweimal größer als die der empfindlichen Faser.
  • Die Empfindlichkeit eines optischen Fasersensors ist im wesentlichen der Länge der optischen Faser proportional, die er enthält. Die Länge des empfindlichen Abschnitts ist vorzugsweise kurz, um die Empfindlichkeit des Sensors auf ein Maß zu reduzieren, mit dem eine zuverlässige Messung der großen Kräfte, die mit dem Fahrzeugverkehr verbunden sind, möglich ist. Ein kurzer Abschnitt der optischen Faser kann jedoch nicht leicht mit einem gepulsten interferometrischen System abgefragt werden. Dies liegt daran, dass die minimale Pulslänge durch die Leistungsfähigkeit der optischen Schalter begrenzt ist. Indem eine unempfindliche Faser verwendet wird, wird die Gesamtlänge des optischen Pfades erhöht, sodass gepulste interferometrische Abfrage vereinfacht wird.
  • Vorzugsweise ist die empfindliche Faser im wesentlichen gerade.
  • Vorzugsweise umfassen die empfindliche Faser und die unempfindliche Faser Abschnitte einer einzelnen optischen Faser. Dies vereinfacht den Aufbau des Sensors. Alternativ können die empfindliche Faser und die unempfindliche Faser zusammengespleißt oder durch irgend eine andere geeignete Einrichtung verbunden werden.
  • Vorzugsweise umfasst der Sensor ein Gehäuse, das im wesentlichen wenigstens eine von der empfindlichen Faser und der unempfindlichen Faser umgibt.
  • Alternativ umfasst der optische Fasersensor eine Wickelschablone und eine optische Faser, die auf die Wickelschablone entwickelt ist; wobei die Wickelschablone im wesentlichen planar ist; und wobei der Sensor ausreichend flexibel ist, sodass er im wesentlichen die Form der Querneigung einer Schnellstraße annehmen kann.
  • Dieser Sensortyp ist leicht zu lagern und einzusetzen. Er kann für die Lagerung und den Transport auf eine Spule aufgewickelt werden, und abgewickelt und auf die erforderliche Länge abgeschnitten werden, wie es erforderlich ist. Dem Sensor zu ermöglichen, sich an die Querneigung der Schnellstraße anzupassen, in die er eingesetzt wird, macht es einfach, sicherzustellen, dass der Sensor in gleichmäßiger Tiefe unter der Oberfläche der Schnellstraße liegt. Dies hilft, die Gleichförmigkeit des Ansprechens entlang der Länge des Sensors zu verbessern.
  • Vorzugsweise besteht die Wickelschablone aus einem langgestreckten Streifen, der mit zwei Spindeln ausgestattet ist, wobei die Spindeln fest auf der gleichen Seite des Streifens angebracht sind und in einem Abstand zueinander angeordnet sind; wobei jede Spindel im wesentlichen senkrecht von der Oberfläche des Streifens hervorsteht; und wobei die optische Faser in Längsrichtung zwischen den Spindeln gewickelt ist.
  • Zur Vereinfachung der Handhabung und des Einsetzens ist es wünschenswert, dass die Spindeln im Vergleich zu der Länge des Streifens kurz sind. Ein typischer Sensor kann einen 3m langen Streifen mit 5mm langen Spindeln haben. Dies ist ausreichend, um die erforderliche Länge der optischen Faser aufzuwickeln, und resultiert dennoch in einem Sensor, der dünn genug ist, um flexibel zu bleiben.
  • Alternativ besteht die Wickelschablone aus einem langgezogenen Streifen, und die optische Faser ist in Längsrichtung um die lange Achse des Streifens gewickelt.
  • In noch einem anderen alternativen Entwurf umfasst die Wickelschablone einen langgezogenen Streifen, und die optische Faser ist spiralförmig um die kurze Achse des Streifens gewickelt.
  • Der langgezogene Streifen besteht vorzugsweise aus einem Metallstreifen. Beispiele von geeigneten Metallen umfassen Stähle, Zinnlegierungen und Aluminiumregierungen.
  • Alternativ umfasst der langgezogene Streifen ein Nichtmetall. Geeignete Nichtmetalle schließen steife Kunststoffe, wie etwa Perspex, und Polyethylen mit hoher Dichte oder irgendwelche Verbundwerkstoffe ein.
  • Der langgezogene Streifen kann jegliche geeigneten Dimensionen haben, vorausgesetzt, dass er ausreichend flexibel bleibt, um die Form der Querneigung der Schnellstraße anzunehmen. Ein typisches Beispiel kann eine Längsachse von 3m, eine kurze Achse von 0,02m und eine Dicke von 0,001m haben.
  • Vorzugsweise umfasst der optische Fasersensor wenigstens ein halbreflektierendes Element, das mit der optischen Faser verbunden ist. Für einen einzelnen, isolierten Sensor wird ein halbreflektierendes Element an jedem Ende des Sensors verwendet. Häufiger ist jedoch eine Anzahl von Sensoren in Reihe geschaltet, sodass jeder einzelne Sensor nur ein halbreflektierendes Element haben muss. In diesem Fall arbeitet jedes halbreflektierendes Element wie das erste halbreflektierende Element für einen Sensor und auch als das zweite halbreflektierende Element für den vorangehenden Sensor. Die Ausnahme dabei ist der letzte Sensor in einer Reihe, für den ein zusätzliches halbreflektierendes Abschlusselement erforderlich ist.
  • In diesem Fall des optischen Fasersensors, der vorzugsweise einen empfindlichen Abschnitt und einen unempfindlichen Abschnitt umfasst, ist das halbreflektierende Element in dem unempfindlichen Abschnitt des optischen Fasersensors angeordnet.
  • Geeigneterweise ist das halbreflektierendes Element entweder ein faseroptischer X-Koppler mit einem verspiegelten Anschluss oder ein Bragg-Gitter.
  • Vorzugsweise wird jeder Sensor derart eingesetzt, dass seine längste Abmessung im wesentlichen in der Ebene der Schnellstraße und im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Verkehrsflusses auf der Schnellstraße liegt.
  • Vorzugsweise ist die längste Abmessung jedes Sensors im wesentlichen gleich der Spurbreite der Schnellstraße.
  • Dies hilft, sicherzustellen, dass die Vorbeifahrt jedes Fahrzeugs auf jedem Teil der Schnellstraße von dem System registriert wird.
  • Im vereinigten Königreich kann die Spurbreite einer Schnellstraße von etwa 2,5m für eine kleinere Straße bis zu etwa 3,7m für eine Autobahn betragen. Andere Teile der Welt können Straßensysteme mit abweichender Spurbreite haben.
  • Vorzugsweise ist der Sensor unter der Oberfläche der Schnellstraße eingesetzt.
  • Für den Einsatz in einer bestehenden Straße kann ein dünner Kanal oder eine Kerbe in die Straße geschnitten werden, um jeden Sensor unterzubringen. Die Kerbe kann dann wieder aufgefüllt und die Oberfläche der Straße wieder in guten Zustand gebracht werden. Natürlich können die Sensoren im Falle einer neuen Straße während des Baus einfach in den Aufbau der Straße eingebettet werden.
  • Es ist möglich, wird aber weniger bevorzugt, die Sensoren derart einzusetzen, dass sie an der Oberfläche der Schnellstraße befestigt sind, statt dass sie darin eingebettet sind. Dies kann nützlich sein, wenn das System für eine kurze Zeit an einem bestimmten Ort benutzt werden soll, bevor es wieder verlegt wird. Natürlich können die in diesem Beispiel eingesetzten Sensoren Schutz erfordern oder müssen stabil genug sein, um den größeren Kräften widerstehen zu können, die damit verbunden sind, dass Fahrzeuge direkt darüber fahren.
  • Nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Verkehrsüberwachung das Bereitstellen mehrerer Sensorstationen an einer Schnellstraße, den Einsatz mehrerer optischer Fasersensoren an jeder Sensorstation; das Bilden einer Schnittstelle von jedem optischen Fasersensor mit einem interferometrischen Abfragesystem; den Einsatz von zeitlichem Multiplexen, derart, dass das Abfragesystem dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal von jedem optischen Fasersensor im wesentlichen gleichzeitig zu überwachen; und Verwenden der Ausgangssignale jedes optischen Fasersensors, um Daten abzuleiten, die sich auf den Verkehr beziehen, der an jeder Sensorstation vorbeifährt, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Abfragesysteme ein interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung ist.
  • Vorzugsweise setzt das Verfahren weiter Wellenlängenmultiplex ein, sodass die Anzahl der optischen Fasersensoren, die an das Abfragesystem zur Überwachung angeschlossen sind, erhöht wird.
  • Vorzugsweise setzt das Verfahren weiter räumliches Multiplexen ein, sodass die Anzahl der optischen Fasersensoren, die an das Abfragesystem zur Überwachung angeschlossen sind, erhöht wird.
  • Vorzugsweise beziehen sich die abgeleiteten Daten auf wenigstens eine der Größen Fahrzeuggeschwindigkeit, Fahrzeuggewicht, Verkehrsaufkommen, Achsabstand und Fahrzeugklassifikation.
  • Die Erfindung wird nun nur als Beispiel mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 das Beispiel eines Abschnitts eines Verkehrsüberwachungssystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt, das sich an einer zweispurigen Schnellstraße befindet;
  • 2 einen erweiterten Abschnitt des Verkehrsüberwachungssystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 eine einzelne Sensorstation zeigt, die für das Verkehrsüberwachungssystem nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist, die sich an einer sechsspurigen Schnellstraße befindet;
  • 4 ein Beispiel eines optischen Fasersensors zeigt, der für die Verwendung in einem Straßenverkehrsüberwachungssystem nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
  • 5ad vier weitere Beispiele von optischen Fasersensoren zeigen, die für die Verwendung in einem Straßenverkehrsüberwachungssystem nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
  • 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines optischen Fasersensors zeigt, der für die Verwendung in seinem Straßenverkehrsüberwachungssystem nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
  • 7 einen Querschnitt des Sensors aus 6 entlang der Linie A–A zeigt;
  • 8 einen Querschnitt eines alternativ geformten Gehäuses zeigt, das für den Sensor in 6 geeignet ist.
  • 9 eine grafische Darstellung einer typischen Antwort eines piezoelektrischen Sensors zeigt, wenn ein Fahrzeug über ihn fährt.
  • 9a zeigt einen Schaltplan von drei in Reihe geschalteten Sensoren;
  • 10 zeigt einen Schaltplan eines interferometrischen Abfragesystems, das für die Verwendung in einem Verkehrsüberwachungssystem nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
  • 11 zeigt eine Darstellung der räumlichen Anordnung eines Satzes von Sensorgruppen, die von dem System in 10 abgefragt werden können;
  • 12 zeigt die Ableitung der zeitlichen Steuerung der optischen Signale für den Satz von Sensorgruppen aus 11;
  • 13 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Sensors von dem Typ, der in 6 gezeigt ist, der unter der Oberfläche einer Schnellstraße eingesetzt ist;
  • 14ae zeigt, wie ein Sensor unter der Oberfläche einer Schnellstraße eingesetzt werden kann; und,
  • 15ab zeigt die Signale, die von einem Auto und einem FSG aufgenommen wurden, die über einen Sensor von dem in 6 gezeigten Typ fahren.
  • 1 zeigt einen Abschnitt eines Verkehrsüberwachungssystems, das sich in einer zweispurigen Schnellstraße 1 befindet. Zwei Sensorstationen 2 sind durch einen Abschnitt einer optischen Faser 3 verbunden gezeigt. In den 1 und 2 ist die optische Faser 3 gestreckt gezeigt, und folglich ist der physikalische Abstand der Sensorstationen, der durch Abstand 4 gezeigt ist, im wesentlichen gleich der optischen Pfadlänge der optischen Faser 3. Die optische Faser 3 muss nicht vollständig gestreckt sein, wobei in diesem Fall der physikalische Abstand der Sensorstationen, Abstand 4, geringer als die optische Pfadlänge der optischen Faser 3 sein kann. Ein erweiterter Abschnitt des Systems, der fünf Sensorstationen 2 zeigt, ist in 2 gezeigt.
  • Jede Sensorstation 2 umfasst vier faseroptische Sensoren 5, die miteinander in Reihe geschaltet, und an die optischen Faser 3 über eine optische Faser 6 angeschlossen sind. An jeder Sensorstation 2 sind die Sensoren 5 in die Schnellstraße derart eingesetzt, dass es pro Spur der Schnellstraße zwei Sensoren gibt, die wie gezeigt den Abstand 7 voneinander haben. Der Pfeil 8 stellt die Fahrtrichtung des Verkehrs in der Spur der Schnellstraße dar. Jeder Sensor ist derart eingerichtet, dass seine längste Abmessung senkrecht zur Richtung des Verkehrsflusses 8 liegt und im wesentlichen gleich der Spurweite der Schnellstraße ist. Dies stellt sicher, dass ein Fahrzeug, das über eine vorgegebene Sensorstation 2 fährt, eine Reaktion von wenigstens einem faseroptischen Sensor 5 unabhängig von seiner Fahrtrichtung oder seiner Position auf der Spur der Schnellstraße hervorruft. Wissen über den physikalischen Abstand der Sensoren 7 in jeder Sen sorstation ermöglicht, die Fahrzeuggeschwindigkeit festzustellen. Alle Sensorstationen sind durch eine optische Faser 3 mit einem interferometrischen Abfragesystem 9 verbunden.
  • In 3 ist eine einzelne Sensorstation 2 am Einbauort eines Verkehrsüberwachungssystems für eine mehrspurige Schnellstraße 10 gezeigt, zum Beispiel eine Autobahn. In diesem Fall werden zwölf Sensoren 5 eingesetzt, um sicherzustellen, dass ein Fahrzeug, das auf irgendeiner der sechs Spuren 11 über die Sensorstation fährt, eine Reaktion unabhängig von der Fahrtrichtung 8 oder seiner Wahl der Spur 11 hervorruft.
  • Ein erstes Beispiel eines Sensorentwurfs ist in 4 gezeigt. Der Sensor 12 umfasst eine empfindliche Faser 13 und eine unempfindliche Faser 14. In diesen Beispielen ist die unempfindliche Faser in einem Gehäuse 15 aufgewickelt gezeigt. Ein halbreflektierendes Element 16 ist an die unempfindliche Faser angeschlossen. Diese Anordnung ermöglicht, dass eine große Länge der unempfindlichen Faser in einem kleinen Volumen enthalten ist, wodurch die Gesamtabmessungen des Sensors verringert werden. Andere Anordnungen sind natürlich möglich, wobei die unempfindliche Faser auf eine Rolle oder eine Wickelschablone gewickelt sein kann, oder, wenn die Gesamtgröße des Sensors nicht wichtig ist, einfach ausgestreckt gelassen werden kann. In 4 ist ein Mantel um die empfindliche Faser 13 gezeigt. Dieser kann von dem Gehäuse der unempfindlichen Faser 15 separiert sein, oder darin integriert sein. Der Mantel 17 dient dazu, die empfindliche Faser vor Beschädigung zu schützen. Er kann z. B. aus einem Metall oder einen Kunststoff bestehen. Die Form des Querschnitts des Mantels wird vorzugsweise derart gewählt, dass er dem Sensor laterale Steifigkeit verleiht.
  • Es ist möglich, wird aber weniger bevorzugt, eines oder beide von dem Gehäuse 15 oder dem Mantel 17 wegzulassen. Dies verringert die Kosten und die Komplexität des Sensors, führt aber zu einem weniger robusten Sensor, der leicht beschädigt werden kann.
  • Bei der Verwendung wird der Sensor derart eingesetzt, dass sich die empfindliche Faser 13 über die Breite der Spur erstreckt, die abgefragt werden soll. Die Kraft, wie von einem Fahrzeug ausgeübt wird, das über die empfindliche Faser fährt, erzeugt ein Signal, das von dem Abfragesystem detektiert werden kann. Die Länge der empfindlichen Faser, typischerweise etwa 2 bis 4m, bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Sensors gering ist. Er ist folglich zum Detektieren der großen Kräften geeignet, die mit dem Darüberfahren von Fahrzeugen verbunden sind. Die unempfindliche Faser 14 ist derart positioniert, dass sie nicht von dem Darüberfahren der Fahrzeuge beeinflusst wird. Dies kann erreicht werden, indem die unempfindliche Faser am Rand der Schnellstraße oder zwischen den Spuren der Schnellstraße angeordnet wird. Das Gehäuse der Blindfaser kann dazu eingerichtet sein, die Faser von Vibrationen zu isolieren.
  • Eine zweite Sensorkonstruktion ist in 5 gezeigt. Die Konstruktion des Sensors basiert auf einem dünnen Streifen 18, der gewöhnlich ein Metallstreifen ist. Die optische Faser 19 ist an dem Streifen befestigt, und bildet den Sensor. In 5a ist die optische Faser um zwei Spindeln 20 gewickelt, die an jedem Ende des Streifens befestigt sind. In den 5b, 5c und 5d sind die Spindeln weggelassen, und die Faser ist um den Streifen selbst gewickelt. Die Faser kann in Längsrichtung, 5b, oder spiralförmig um die kurze Achse des Streifens gewickelt sein, 5c und d. In 5d sind kleine Einkerbungen 21 in die Kanten des Streifens 18 eingebracht. Diese sind dazu nützlich, die optische Faser am Ort zuhalten, während sie gewickelt wird. In jedem Beispiel kann die Faser geschützt werden, indem eine dünne Überschichtung aus Epoxy oder Polyurethan aufgebracht wird (nicht gezeigt). Die Verwendung eines dünnen Streifens als Wickelschablone liefert Sensoren, die flexibel sind. Dies ermöglicht Ihnen, sich der Querneigung des Schnellstraße anzupassen, in der sie eingesetzt sind, und ermöglicht auch, dass sie für einfachere Lagerung und einfacheres Einsetzen auf eine Trommel gewickelt werden. Natürlich können Modifikationen an der Konstruktion der Sensoren, die 5 gezeigt sind, gemacht werden, ohne das Gebiet der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Halbreflektierende Elemente sind in 5 für die bessere Übersicht weggelassen worden.
  • Ein weiteres Beispiel eines Sensors 22, der in den 6 und 7 gezeigt ist, umfasst eine optische Faser 23, die um eine Stahlstange 24 gewickelt und in einem Gehäuse 25 untergebracht ist. In diesem Beispiel ist die optische Faser 23 ein 50m langer Abschnitt einer doppelt beschichteten Faser mit hoher numerischer Apertur und einem Außendurchmesser von 170μm (FibreCore SM1500 – 6.4/80), obwohl andere Längen und Spezifikationen von optischen Fasern ebenso benutzt werden können. Die Stahlstange 24 ist ein 3m langer Abschnitt einer M12-Gewindestange und die optische Faser wird unter Mitwirkung des Gewindes aufgewickelt. Dies macht es einfacher, die optische Faser gleichmäßig entlang der Länge der Stange zu wickeln. Eine Stange mit 10mm Durchmesser ohne Gewinde kann statt der M12-Stange verwendet werden, obwohl dies es schwieriger macht, sicherzustellen, dass die Faser gleichmäßig gewickelt ist. Alternativ kann eine maschinell eingearbeitete Spiralrille mit größerem Abstand statt einem Gewinde verwendet werden. Natürlich können die Abmessungen der Stange verändert werden, um einen Sensor mit den geeigneten Abmessungen für eine gewünschte Anwendung zur Verfügung zu stellen. Außerdem muss die Stange nicht aus einer Metallstange bestehen, geeignete alternative Materialien können Kunst stoffe einschließen, wie etwa Polyurethan oder Verbundwerkstoffe. Ein halbreflektierendes Element 16 ist an einem Ende der Faser angekoppelt. Wenn der Sensor einzeln verwendet werden soll, oder er den abschließenden Sensor in einer Reihe von Sensoren bildet, dann wird ein zusätzliches halbreflektierendes Element an das andere Ende des Sensors angekoppelt.
  • Um die Empfindlichkeit des Sensors zu verringern, sodass er für die Detektion großer Kräfte und Drücke geeignet ist, wird ein entsprechendes Material 26 zwischen der Stahlstange 24 und dem Gehäuse 25 vorgesehen. Dieses Material kann den größten Teil der Kraft absorbieren, die von außen auf den Sensor einwirkt. Anders als bei traditionellen optischen Fasersensoren, bei denen hohe Empfindlichkeit oft die Hauptsache ist, ist diese Sensorkonstruktion absichtlich unempfindlicher gemacht, indem ein entsprechendes Material gewählt wird, das den Großteil der einwirkenden Kraft effektiv absorbiert. Dies bedeutet, dass ein Sensor, der aus einem Material besteht, das die Bedingungen hochgradig erfüllt, wie etwa Fett, verwendet werden kann, um größere Kräfte und Drücke zu detektieren, als es herkömmlicherweise mit existierenden faseroptischen Sensoren möglich wäre. Während der Herstellung ist es günstig, das Gehäuse 25 teilweise mit dem Material zu füllen, das die Bedingungen erfüllt, und dann die Stange 25 und die optische Faser 23 darauf zu setzen. Auf die Stange wird dann mit mehr von dem Material gefüllt, das die Bedingungen erfüllt. Wie in 7 gezeigt ist, führt dies dazu, dass die Stange vollständig von dem entsprechenden Material umgeben ist. Eine optionaler Deckel 27 kann vorgesehen werden, um den Sensor zu schützen. Dies ist nützlich, wenn für das entsprechende Material 26 ein weiches Material, wie etwa Fett, ausgewählt wird. Es kann möglich sein, den Deckel 27 wegzulassen, wenn das entsprechende Material eines ist, das dazu vorgesehen ist, abzubinden, zum Beispiel ein Epoxydharz.
  • Das Gehäuse 25 ist aus Stahlblech hergestellt, kann aber aus jedem anderen geeigneten Material, wie etwa Aluminium hergestellt sein, und ist gewöhnlich etwas länger als die Stahlstange 24. Die 6 und 7 zeigen ein Gehäuse mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Diese Form erhöht die laterale Steifigkeit des Sensors und hilft, einen Typ von Mehrdeutigkeit des Signals zu eliminieren, der häufig bei piezoelektrischen Sensoren auftritt. Diese Signalmehrdeutigkeit ist in 9 dargestellt. Die Kurve 28 der Signalstärke über der Zeit stellt eine typische Reaktion auf ein Fahrzeug dar, das über einen piezoelektrischen Sensor fährt. Es besteht aus zwei Spitzen 29 und 30. Die Hauptspitze 29 wird erzeugt, wenn das Fahrzeug direkt über den Sensor fährt. Es ist der Teil des Signals, der nützlich ist. Die zweite, kleinere Spitze 30 die vor der Hauptspitze erzeugt wird, rührt daher, dass die Oberfläche der Straße durch das Gewicht des Fahrzeugs hochgedrückt wird, wenn es dort entlang fährt. Dies erzeugt das, worauf sich manchmal als „Kopfwelle" bezogen wird, die vor dem Fahrzeug läuft. Die laterale Steifigkeit, die von dem kastenförmigen Querschnitt des Gehäuses in dem vorliegenden Beispiel geleistet wird, verringert den Effekt der „Kopfwelle", was ein Signal ergibt, das ein Fahrzeug darstellt, wie es direkt über den Sensor fährt.
  • Ein alternativ geformtes Gehäuse, das auch laterale Steifigkeit bereitstellt und folglich den „Kopfwellen"-Effekt verringert, ist in 8 gezeigt.
  • Andere alternativ geformte Gehäuse können verwendet werden, z. B. kann das Gehäuse ein zylindrisches Rohr mit einem Innendurchmesser umfassen, der geringfügig größer als der Außendurchmesser der Stange 24 ist. In diesem Fall ist die ringförmige Aussparung, die zwischen der Stange und dem Gehäuse gebildet wird, mit einem Material gefüllt, das die Bedingungen erfüllt.
  • In 9a sind drei Sensoren 12, 12' und 12" gezeigt, die in Reihe geschaltet sind. Die Sensoren 12 und 12' weisen jeder ein halbreflektierendes Element 16 beziehungsweise 16' auf, die an die optische Faser 13 angekoppelt sind. Bei der Verwendung setzt der Sensor 12 beide halbreflektierenden Elemente 16 und 16' ein. Ähnlich ist der Sensor 12' durch halbreflektierende Elemente 16' und 16" definiert. Sensor 12" ist ein Abschlusssensor, folglich hat er zwei halbreflektierende Elemente 16' und 16", die an die Faser angekoppelt sind.
  • 10 zeigt ein Beispiel eines interferometrischen Abfragesystems. Die Architektur in 10 basiert auf einer reflektometrischen Architektur mit Zeitmultiplex, die etwas zusätzliches Wellenlängenmultiplex und räumliches Multiplexen enthält. Das Licht von n verteilten Halbleiterlasern mit verteilter Rückkopplung (DFB, distributed feedback) 31 wird mit einem Wellenlängenmultiplexer für dichte Wellenlängen (DWDM) 32 überlagert, bevor es durch ein Interferometer 33 läuft. Das Interferometer 33 umfasst zwei akustooptische Modulatoren (AOM), die auch als Bragg-Zellen 34 und Verzögerungsspule 35 bekannt sind. Pulse mit leicht verschiedener Frequenz steuern die Bragg-Zellen derart, dass die gebeugten Lichtpulse auch diese verschiedenen Frequenzen haben. Das Ausgangssignal des Interferometers hat die Form von zwei separaten Abfragepulsen. Diese werden von einem erbiumdotierten Faserverstärker (EDFA, erbium doped fiber amplifier) 36 verstärkt, und dann durch einen zweiten DWDM 38 in n verschiedene Fasern 37 aufgeteilt. Jede Faser 37 speist einen 1 × N-Koppler 39. Jeder Koppler 39 spaltet das Eingangssignal in N Fasern 40 auf. In 10 ist jeder Koppler 39 mit vier Ausgangsfa sern 40 gezeigt, d. h. N = 4. N kann wie erforderlich größerer oder kleiner als dies sein. Es ist auch nicht erforderlich, dass alle 1 × N-Koppler den gleichen Wert für N haben. Jede Faser 40 endet in einem Sensor, einer Gruppe von Sensoren oder einer Anzahl von Gruppen von Sensoren 41. Es ist klar, dass die Anzahl von einzelnen Sensoren, die von der Architektur in 8 abgefragt werden können, groß sein kann. Ein typisches System kann n = 8 und N = 4 mit 5 Gruppen von 8 Sensoren aufweisen, die mit jeder Ausgangsfaser 40 verbunden sind. Dies liefert ein System, mit dem 1280 einzelne Sensoren abgefragt werden können. Die maximale Anzahl von Sensoren ist durch die verfügbare optische Leistung begrenzt, kann aber bis zu einigen tausend oder mehr reichen.
  • Das zurückgesendete Licht von den Sensoren wird über Rücklauffasern 43 zu einzelnen Fotoempfängern 42 weitergeleitet. Die Fotoempfänger können einen zusätzlichen Polarisations-Diversity-Empfänger enthalten, der benutzt wird, um die Probleme mit Signalfluktuationen bei niedrigen Frequenzen zu lösen, die durch Wegdriften der Polarisation verursacht werden. Dies ist ein Problem, das Architekturen mit reflektometrischem Zeitmultiplex gemeinsam ist. Elektrische Signale werden von den Fotoempfängern zu einem Rechner 44 übertragen, der einen Analog-Digital-Wandler 45, einen digitalen Demultiplexer 46, einen digitalen Demodulator 47 und eine Karte für die zeitliche Ablaufsteuerung 48 enthält. Nach der digitalen Signalverarbeitung im Rechner können formatierte Daten für die Anzeige oder Speicherung aus dem Signal extrahiert werden, oder sie können über einen Digital-Analog-Wandler (nicht gezeigt) in ein elektrisches Signal zurückkonvertiert werden.
  • Der Erfolg der Architektur in 10 hängt entscheidend von dem richtigen zeitlichen Ablauf der optischen Signale ab. Dies wird durch die Verwendung von speziellen Längen der optischen Fasern in jedem Sensor, zwischen dem Sensor in einer Gruppe von Sensoren und zwischen jeder Gruppe von Sensoren erreicht. Eine beispielhafte Anordnung ist in 11 gezeigt, in der fünf Gruppen 49 von Sensoren, von denen jede Gruppe acht einzelne Sensoren 50 enthält, mit einem Abstand von 1km zueinander gezeigt sind. Jeder Sensor 50 umfasst eine Gesamtlänge von 50m optischer Faser, sodass jede Gruppe eine optische Pfadlänge von 400m hat.
  • Auf den ersten Blick kann es erforderlich erscheinen, Gruppen von Sensoren in bekannten und gemessenen Intervallen einzusetzen, z. B. alle 1km. Dies ist nicht der Fall, da Verzögerungsspulen verwendet werden können, um ermöglichen, dass Sensorgruppen näher beieinander eingesetzt werden. Wenn ein Sensor nicht innerhalb eines festgelegten Abstands eingesetzt werden kann, dann kann eine Attrappen-Sensorgruppe, aus einer 400m-Faserspule besteht, verwendet werden, und die nächste Sensorgruppe in die Fahrbahn eingesetzt werden. Änderungen der zeitlichen Steuerung der Abfragepulse ermöglichen wie erforderlich auch verschiedene Abstände der Gruppen, z. B. 500m, 1km oder 5km.
  • Mit den speziellen Faserlängen, die in 11 definiert wurden, ist es möglich, den zeitlichen Ablauf der optischen Signale zu definieren. Dies ist in 12 gezeigt. Dies zeigt, dass ein Abtastrate von ungefähr 41kHz für jede Gruppe von Sensoren möglich sein sollte. Dies resultiert in einem großen Dynamikbereich der Messbandbreite von einigen kHz an jedem Sensor.
  • Die Pulsfolge zu den Sensoren besteht aus einer Reihe von Pulspaaren, wobei die Pulse leicht verschiedene Frequenzen haben. An jedem Ende von jedem Sensor befindet sich ein halbdurchlässiger Reflektor.
  • Der Pulsabstand zwischen den Pulsen ist derart, dass er gleich der Laufzeit des Lichts durch die Faser zwischen diesen halbdurchlässigen Reflektoren in beide Richtungen ist. Wenn diese halbdurchlässigen Reflektoren Pulspaare reflektieren, überlagert sich die Reflektion des zweiten Pulses zeitlich mit der des ersten Pulses von dem nächsten halbdurchlässigen Reflektor der entlang der Faser. Die Pulsfolge, die von dem Feld von Sensoren reflektiert wird, besteht aus einer Reihe von Pulsen, von denen jeder ein Trägersignal enthält, das die Differenzfrequenz zwischen den zwei optischen Frequenzen hat. Der Erkennungsprozess an der Fotodiode resultiert in einer Reihe von heterodynen Pulsen mit Zeitmultiplex (TDM), von denen jeder einem bestimmten Sensor in dem Feld entspricht. Wenn ein Drucksignal auf einen Sensor einwirkt, verursacht es eine Phasenmodulation des Trägersignals in dem reflektierten Puls, der diesem Sensor entspricht.
  • Um die Pläne in den 11 und 12 umzusetzen, besteht eine Forderung nach der Erzeugung genauer Pulse für die zeitliche Steuerung, als auch nach einem vernünftig hochentwickelten Demultiplex- und Demodulationsprozess. Indem ein Rechner verwendet wird, der mit Analog-Digital-Wandlern ausgestattet ist, und der digitale Signalverarbeitung ausführen kann, ist es möglich, die gesamte erforderliche Verarbeitung im digitalen Bereich auszuführen. Dies verbessert Bandbreite und Dynamikbereich, wenn man mit den herkömmlicheren analogen Ansätzen vergleicht.
  • Die 13 und 14 zeigen ein Beispiel, wie Sensoren unter die Oberfläche einer Schnellstraße eingesetzt werden können. Ein Schlitz oder eine Rille 51 wird mit einer Kreissäge in die Oberfläche einer Schnellstraße 52 geschnitten. Die Rille, die üblicherweise etwas länger als der Sensor ist, enthält einen dünneren Abschnitt 53, der als Kanal benutzt wird, um eine abgehende optische Faser 54 unterzu bringen. 13 zeigt nur eine abgehende Rille an einem Ende des Sensors, natürlich wird eine ähnliche Rille am anderen Ende des Sensors eingeschnitten, um zu ermöglichen, dass die Sensoren miteinander verbunden werden. Abstandshalter 55 werden in Intervallen entlang dem Grund der Rille angeordnet, geeigneterweise etwa alle 0,5m oder ähnlich. Der Sensor 56 wird dann auf die Abstandshalter 55 gesetzt. Die Abstandshalter stellen sicher, dass der Sensor nicht direkt im Kontakt mit dem Grund der Rille steht, wodurch dazu beigetragen wird, ihn von Vibrationen zu isolieren. Wenn der Sensor einmal an seinem Platz ist, wird ein Vergußharz 57 in die Rille gegossen, sodass der Sensor vollständig eingekapselt ist. Die Abstandshalter ermöglichen, dass das Vergußharz unter den Sensor fließt. Vorzugsweise wird die Rille leicht mit dem Vergußharz überfüllt, wie in 14d gezeigt ist. Nach dem letzten Arbeitsgang, die Oberfläche des Harzes mit der Oberfläche der Schnellstraße bündig zu schleifen, ist der Sensor für den Betrieb geeignet.
  • Beispiel 1
  • Ein einzelner Sensor von dem Typ, der 6 gezeigt ist, wurde in einer Schnellstraße eingesetzt, wie in den 13 und 14 beschrieben wurde. 15a zeigt die Antwort des Sensors, wenn ein Automobil mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten darüber gefahren wird; wobei 15 Meilen/Stunde, 30 Meilen/Stunde und 55 Meilen/Stunde durch die Datenkurven 58, 59 beziehungsweise 60 gezeigt sind. Jede Kurve enthält zwei Spitzen, die den beiden Achsen des Automobils entsprechen. Der Abstand zwischen den Spitzen stellt den Achsabstand dar, und das Gewicht der Achse kann als Funktion der integrierten Fläche, die von jeder Spitze begrenzt wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt werden. In diesem Beispiel kann das Fahrzeuggewicht abgeleitet werden, da die Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt ist. Wie zuvor beschrieben sind wenigstens zwei Senso ren, die durch einen bekannten Abstand voneinander getrennt sind, erforderlich, um die Geschwindigkeit eines vorbeifahrenden Fahrzeugs zu messen.
  • Beispiel 2
  • 15b zeigt die Daten, die gesammelt wurden, als ein Gelenkfahrzeug über den oben im Beispiel 1 verwendeten Sensor gefahren wurde. Die Datenkurven 61 und 62 stellen ein beladenes beziehungsweise ein unbeladenes Fahrzeug dar. Jede Kurve umfasst vier Spitzen, die den vier Achsen des Fahrzeugs entsprechen. Wieder wird das Gewicht der Achsen mit Wissen über die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Fläche, die von den Spitzen begrenzt wird, abgeleitet. In diesem Beispiel ergibt jedoch die numerische Differenz zwischen den Flächen, die von der Spitze begrenzt werden, eine direkte Anzeige der Gewichtsdifferenz des Fahrzeugs, da die Geschwindigkeit des Fahrzeugs sowohl bei dem beladenen als auch bei dem unbeladenen Test die gleiche war. Diese Gewichtsdifferenz ist äquivalent zu dem Gewicht der Last, die von dem Fahrzeug befördert wird.

Claims (35)

  1. Verkehrsüberwachungssystem, wobei das Verkehrsüberwachungssystem wenigstens eine Sensorstation (2) und wenigstens ein interferometrisches Abfragesystem (9) umfasst; wobei wenigstens eine Sensorstation wenigstens einen optischen Fasersensor (5) umfasst, der in eine Schnellstraße (10) eingesetzt ist; und bei dem das interferometrische Abfragesystem dazu eingerichtet ist, auf eine optische Phasendrehung anzusprechen, die in wenigstens einem optischen Fasersensor durch eine Kraft erzeugt wird, die von einem Fahrzeug ausgeübt wird, das über die wenigstens eine Sensorstation fährt, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Abfragesystemen ein interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung ist.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem das interferometrische Abfragesystem aus einem gepulsten interferometrischen Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung besteht.
  3. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, das mehrere Sensorstationen umfasst, wobei die benachbarten Stationen durch einen Abschnitt (3) einer optischen Faser miteinander verbunden sind.
  4. System nach Anspruch 3, bei dem die Länge der optischen Faser, die benachbarte Sensorstationen verbindet, zwischen 100m und 5000m liegt.
  5. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem jede Sensorstation mehrere optische Fasersensoren umfasst.
  6. System nach Anspruch 5, bei dem jede Sensorstation wenigstens einen optischen Fasersensor pro Spur der Schnellstraße umfasst.
  7. System nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Sensorstation wenigstens zwei optische Fasersensoren pro Spur der Schnellstraße umfasst, die voneinander durch einen bekannten Abstand getrennt sind.
  8. System nach Anspruch 7, bei dem der bekannte Abstand zwischen 0,5m und 5m liegt.
  9. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem jeder Sensor derart eingesetzt ist, dass seine längste Abmessung im wesentlichen in der Ebene der Schnellstraße und im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Verkehrsflusses auf der Schnellstraße liegt.
  10. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem die längste Abmessung von jedem Sensor im wesentlichen gleich der Spurbreite der Schnellstraße ist.
  11. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem jeder Sensor unter der Oberfläche der Schnellstraße eingesetzt ist.
  12. System nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, bei dem der optische Fasersensor eine empfindliche Faser umfasst, die mit einer unempfindlichen Faser verbunden ist, wobei die optische Pfadlänge der empfindlichen Faser derart ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors gering ist, und wobei die optische Pfadlänge der unempfindlichen Faser größer als die der empfindlichen Faser ist, derart, das die gesamte optische Pfadlänge der empfindlichen Faser und der unempfindlichen Faser ausreicht, um zu ermöglichen, dass der Sensor von einem interferometrischen Abfragesystem abgefragt wird.
  13. System nach Anspruch 12, bei dem die optische Pfadlänge der unempfindlichen Faser wenigstens zweimal größer als die der empfindlichen Faser ist.
  14. System nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei dem die empfindliche Faser im wesentlichen gerade ist.
  15. System nach einem oder mehreren Ansprüche 12 bis 14, bei dem die empfindliche Faser und die unempfindliche Faser aus Abschnitten einer einzelnen optischen Faser bestehen.
  16. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 15, bei dem der optische Fasersensor weiter wenigstens ein halbreflektierendes Element umfasst, das an die optische Faser angekoppelt ist.
  17. System nach Anspruch 16, bei dem das halbreflektierende Element an der unempfindlichen Faser des optischen Fasersensors angeordnet ist.
  18. System nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, bei dem das halbreflektierende Element entweder ein faseroptischer X-Koppler mit einem verspiegelten Anschluss oder ein Bragg-Gitter ist.
  19. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 18, das weiter ein Gehäuse umfasst, das im wesentlichen wenigstens eine der empfindlichen Faser und der unempfindlichen Faser umgibt.
  20. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der optische Fasersensor eine Wickelschablone und eine optische Faser umfasst, die auf die Wickelschablone gewickelt ist; wobei die Wickelschablone im wesentlichen planar ist; und wobei der Sensor ausreichend flexibel ist, sodass er im wesentlichen die Form der Querneigung der Schnellstraße annehmen kann.
  21. System nach Anspruch 20, bei dem die Wickelschablone aus einem langgezogenen Streifen besteht, der mit zwei Spindeln ausgestattet ist; wobei die Spindeln starr auf der gleichen Oberfläche des Streifens befestigt sind und in einem Abstand voneinander angeordnet sind; wobei jede Spindel im wesentlichen senkrecht aus der Oberfläche des Streifens herausragt; und wobei die optische Faser in Längsrichtung zwischen den Spindeln aufgewickelt ist.
  22. System nach Anspruch 20, bei dem die Wickelschablone aus einem langgezogenen Streifen besteht und die optische Faser in Längsrichtung um die Längsachse des Streifens gewickelt ist.
  23. System nach Anspruch 20, bei dem die Wickelschablone aus einem langgezogenen Streifen besteht und die optische Faser spiralförmig um die kurze Achse des Streifens aufgewickelt ist.
  24. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der langgezogene Streifen aus einem Metallstreifen besteht.
  25. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 23, bei dem der langgezogene Streifen aus einem Nichtmetall besteht.
  26. System nach einem oder mehreren der Ansprüche 21 bis 25, bei dem der optische Fasersensor weiter wenigstens ein halbreflektierendes Element umfasst, das an die optische Faser angekoppelt ist.
  27. System nach Anspruch 26, bei dem das halbreflektierende Element entweder ein optischer X-Koppler mit einem verspiegelten Anschluss oder ein Bragg-Gitter ist.
  28. Verfahren für die Verkehrsüberwachung, wobei das Verfahren die Bereitstellung mehrerer Sensorstationen in einer Schnellstraße umfasst; das Einsetzen mehrerer optischer Fasersensoren an jeder Sensorstation; das Bilden einer Schnittstelle von jedem optischen Fasersensor mit einem interferometrischen Abfragesystem; das Einsetzen von zeitlichem Multiplexen, sodass das Abfragesystem dazu eingerichtet ist, das Ausgangssignal von jedem optischen Fasersensor im wesentlichen gleichzeitig zu überwachen; und die Verwendung des Ausgangssignals von jedem optischen Fasersensor, um Daten abzuleiten, die sich auf den Verkehr beziehen, der an jeder Sensorstation vorbeifährt, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische Abfrageystem ein interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung ist.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, das weiter Wellenlängenmultiplexen einsetzt, derart, dass die Anzahl von optischen Fasersensoren, für deren Überwachung das Abfragesystem eingerichtet ist, erhöht wird.
  30. Verfahren nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, das weiter räumliches Multiplexen einsetzt, sodass die Anzahl der optischen Fasersensoren, für deren Überwachung das Abfragesystem eingerichtet ist, erhöht wird.
  31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28 bis 30, bei dem sich die abgeleiteten Daten auf die Fahrzeuggeschwindigkeit beziehen.
  32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28 bis 30, bei dem sich die abgeleiteten Daten auf das Fahrzeuggewicht beziehen.
  33. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28 bis 30, bei dem sich die abgeleiteten Daten auf das Verkehrsaufkommen beziehen.
  34. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28 bis 30, bei dem sich die abgeleiteten Daten auf den Achsabstand beziehen.
  35. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 28 bis 30, bei dem sich die abgeleiteten Daten auf die Fahrzeugklassifikation beziehen.
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