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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.
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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.
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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.
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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.
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Einfache
Informationen bezüglich
der Fahrzeuggeschwindigkeit können
verwendet werden, um Geschwindigkeitsbegrenzungen zu überwachen
und durchzusetzen.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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Um
die maximale Informationsmenge bezüglich des Verkehrs auf einem
bestimmten Straßenabschnitt
zu erhalten, werden piezoelektrische Sensoren oft zusammen mit Induktionsschleifen
eingesetzt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einem Beispiel besteht das interferometrische Abfragesystem aus
einem reflektometrischen interferometrischen Abfragesystem, wobei
das interferometrische Abfragesystem vorzugsweise aus einem gepulsten
reflektometrischen interferometrischen Abfragesystem besteht.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst das interferometrische Abfragesystem ein gepulstes interferometrisches
Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst das System mehrere Sensorstationen, wobei benachbarte Stationen
durch einen Abschnitt einer optischen Faser miteinander verbunden
sind.
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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.
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Üblicherweise
liegt die Länge
der optischen Faser, die benachbarte Sensorstationen verbindet, zwischen
100m und 5000m.
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Vorzugsweise
umfasst jede Sensorstation mehrere faseroptische Sensoren, und noch
mehr wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens einen faseroptischen
Sensor pro Spur der Schnellstraße
umfasst.
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Am
meisten wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens zwei
optische Fasersensoren, die einen bekannten Abstand voneinander
haben, pro Spur der Schnellstraße
umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die optische Pfadlänge
der unempfindlichen Faser wenigstens zweimal größer als die der empfindlichen
Faser.
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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.
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Vorzugsweise
ist die empfindliche Faser im wesentlichen gerade.
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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.
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Vorzugsweise
umfasst der Sensor ein Gehäuse,
das im wesentlichen wenigstens eine von der empfindlichen Faser
und der unempfindlichen Faser umgibt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Alternativ
besteht die Wickelschablone aus einem langgezogenen Streifen, und
die optische Faser ist in Längsrichtung
um die lange Achse des Streifens gewickelt.
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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.
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Der
langgezogene Streifen besteht vorzugsweise aus einem Metallstreifen.
Beispiele von geeigneten Metallen umfassen Stähle, Zinnlegierungen und Aluminiumregierungen.
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Alternativ
umfasst der langgezogene Streifen ein Nichtmetall. Geeignete Nichtmetalle
schließen
steife Kunststoffe, wie etwa Perspex, und Polyethylen mit hoher
Dichte oder irgendwelche Verbundwerkstoffe ein.
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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.
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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.
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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.
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Geeigneterweise
ist das halbreflektierendes Element entweder ein faseroptischer
X-Koppler mit einem verspiegelten Anschluss oder ein Bragg-Gitter.
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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.
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Vorzugsweise
ist die längste
Abmessung jedes Sensors im wesentlichen gleich der Spurbreite der
Schnellstraße.
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Dies
hilft, sicherzustellen, dass die Vorbeifahrt jedes Fahrzeugs auf
jedem Teil der Schnellstraße
von dem System registriert wird.
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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.
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Vorzugsweise
ist der Sensor unter der Oberfläche
der Schnellstraße
eingesetzt.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren weiter Wellenlängenmultiplex ein, sodass die
Anzahl der optischen Fasersensoren, die an das Abfragesystem zur Überwachung
angeschlossen sind, erhöht
wird.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren weiter räumliches
Multiplexen ein, sodass die Anzahl der optischen Fasersensoren,
die an das Abfragesystem zur Überwachung
angeschlossen sind, erhöht
wird.
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Vorzugsweise
beziehen sich die abgeleiteten Daten auf wenigstens eine der Größen Fahrzeuggeschwindigkeit,
Fahrzeuggewicht, Verkehrsaufkommen, Achsabstand und Fahrzeugklassifikation.
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Die
Erfindung wird nun nur als Beispiel mit Bezug auf die folgenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 das
Beispiel eines Abschnitts eines Verkehrsüberwachungssystems nach der
vorliegenden Erfindung zeigt, das sich an einer zweispurigen Schnellstraße befindet;
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2 einen
erweiterten Abschnitt des Verkehrsüberwachungssystems nach der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
einzelne Sensorstation zeigt, die für das Verkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist, die sich an einer sechsspurigen
Schnellstraße
befindet;
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4 ein
Beispiel eines optischen Fasersensors zeigt, der für die Verwendung
in einem Straßenverkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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5a – d vier
weitere Beispiele von optischen Fasersensoren zeigen, die für die Verwendung
in einem Straßenverkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet sind;
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6 eine
perspektivische Ansicht eines weiteren Beispiels eines optischen
Fasersensors zeigt, der für
die Verwendung in seinem Straßenverkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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7 einen
Querschnitt des Sensors aus 6 entlang
der Linie A–A
zeigt;
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8 einen
Querschnitt eines alternativ geformten Gehäuses zeigt, das für den Sensor
in 6 geeignet ist.
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9 eine
grafische Darstellung einer typischen Antwort eines piezoelektrischen
Sensors zeigt, wenn ein Fahrzeug über ihn fährt.
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9a zeigt
einen Schaltplan von drei in Reihe geschalteten Sensoren;
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10 zeigt
einen Schaltplan eines interferometrischen Abfragesystems, das für die Verwendung
in einem Verkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
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11 zeigt
eine Darstellung der räumlichen Anordnung
eines Satzes von Sensorgruppen, die von dem System in 10 abgefragt
werden können;
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12 zeigt
die Ableitung der zeitlichen Steuerung der optischen Signale für den Satz
von Sensorgruppen aus 11;
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13 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Sensors von dem Typ, der in 6 gezeigt
ist, der unter der Oberfläche
einer Schnellstraße
eingesetzt ist;
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14a – e zeigt,
wie ein Sensor unter der Oberfläche
einer Schnellstraße
eingesetzt werden kann; und,
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15a – b zeigt
die Signale, die von einem Auto und einem FSG aufgenommen wurden, die über einen
Sensor von dem in 6 gezeigten Typ fahren.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
alternativ geformtes Gehäuse,
das auch laterale Steifigkeit bereitstellt und folglich den „Kopfwellen"-Effekt verringert,
ist in 8 gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispiel 1
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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.
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Beispiel 2
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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.