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Diese
Erfindung betrifft ein Straßenverkehrsüberwachungssystem,
das ein Feld von faseroptischen Sensoren im Multiplexbetrieb enthält, faseroptische
Sensoren für
die Verwendung in einem solchen System und ein Verfahren zur Verkehrsüberwachung,
das ein solches System verwendet.
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Es
gibt verschiedene Gründe,
warum Informationen bezüglich
Straßenverkehr
auf einem bestimmten Straßenabschnitt
gesammelt werden können.
Einer davon kann die wirksame Steuerung des Straßenverkehrs sein, wobei Informationen
bezüglich
der Geschwindigkeit und des Verkehrsaufkommens nützlich sind. Dies ermöglicht,
dass als Reaktion auf Unfälle
oder Straßensperrungen
alternative Routen geplant werden, und um zu versuchen, Stau aufzulösen, z.
B., indem Geschwindigkeitsbegrenzungen verändert werden.
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Viele
neue Straßen
werden mit einer Opferdeckschicht gebaut, die dazu konstruiert ist,
zu verschleißen
und ersetzt zu werden. Die erheblichen Kosten, die mit Straßenreparaturen
und Straßenbau einhergehen,
erfordern zusätzlich
zu den Verkehrsbehinderungen, die von solchen Arbeiten verursacht werden,
dass 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 schwerere Beschädigungen
an dem Barunterliegenden Aufbau der Straße riskiert werden. Eine genaue
Bestimmung des Verkehrsaufkommens auf einem bestimmtem Straßenabschnitt
ist deshalb unbedingt erforderlich.
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Ein
weiterer Grund, warum Verkehrsinformationen erforderlich sind, ist
das Durchsetzen von Vorschriften und Gesetzen. Es gibt Vorschriften
bezüglich
zulässigen
Maximalgewichten für
Lastkraftwagen (LKW), die aus Sorge um die Sicherheit entstanden sind,
und auch, um die Schäden
zu verringern, die überladene
Fahrzeuge am Aufbau der Straße
anrichten können.
Ein Messwert des dynamischen Fahrzeuggewichts hilft, sicherzustellen,
dass sich an solche Vorschriften gehalten wird.
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Einfache
Informationen bezüglich
Fahrzeuggeschwindigkeit können
verwendet werden, um Geschwindigkeitsbegrenzungen zu überwachen
und durchzusetzen.
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Es
kann auch die Notwendigkeit bestehen, Informationen bezüglich der
Fahrzeugtypen zu sammeln, die einen bestimmten Straßenabschnitt
benutzen. Dies kann dazu dienen, ungeeignete Fahrzeuge wie etwa
LKW davon abzuhalten, Landstraßen
zu benutzen, oder zukünftige
Straßenbauprojekte
zu planen. Die Klassifikation von Fahrzeugtypen kann aus einer Bestimmung
des dynamischen Fahrzeuggewichts und der Anzahl der Achsen erreicht
werden.
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Es
ist klar, dass Informationen bezüglich
der Geschwindigkeit, dem Gewicht, dem Aufkommen und der Art von
Verkehr alle verwendet werden können,
um ein wirksames Straßenverkehrsregelungsprogramm
zu unterstützen.
Es gibt verschiedene Verfahren, die verwendet werden, um diese Informationen
zu erhalten, jedoch haben diese begleitende Probleme.
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Viele
Straßenabschnitte
werden von Videokameras überblickt.
Bilder von diesen Kameras werden in Zentralstellen eingespeist,
die sie analysieren, sodass Informationen bezüglich Fahrzeuggeschwindigkeit
und -art und Verkehrsaufkommen bereitgestellt werden. Wegen der
Komplexität
der Bilder ist es jedoch nicht immer möglich, die Analyse der empfangenen
Daten verlässlich
zu automatisieren, was bedeutet, dass sie visuell untersucht werden
müssen. Es
gibt eine Grenze da für,
wie viele Bilder auf diese Weise analysiert werden können. Darüber hinaus kann
die Qualität
der gesammelten Bilder durch Wetterbedingungen beeinflusst sein.
Nebel oder Regen können
das Sichtfeld der Kameras verschleiern, ebenso können hohe Fahrzeuge das Sichtfeld
versperren, und starke Winde können
verursachen, dass die Kameras vibrieren. In vielen Ländern werden
Kamerasysteme durch Behörden
zur Durchsetzung von Gesetzen betrieben, sodass es oft zusätzliche
Komplikationen beim Verfügbarmachen
der gesammelten Informationen für
Behörden
gibt, die an der Verkehrsregelung beteiligt sind. Es ist außerdem nicht
möglich,
das Gewicht eines Fahrzeugs aus einem Videobild zu bestimmen. Die
Kosten für
den Aufbau eines Videokamerasystems können außerdem hoch sein.
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Die
weitaus größte Mehrheit
von neuen Straßen
und große
Anzahlen von bestehenden Straßen sind
mit induktiven Sensoren ausgerüstet.
Dies sind Leiterschleifen, die unter der Straßenoberfläche platziert sind. Wenn ein
Fahrzeug über
den Sensor fährt, ändern die
Metallteile des Fahrzeugs, das heißt, der Motor und das Fahrgestell,
die Frequenz eines abgeglichenen Schaltkreises, von dem die Leiterschleife ein
integrierter Bestandteil ist. Diese Signalveränderung kann erfasst und ausgewertet
werden, was ein Maß für die Länge eines
darüber
fahrenden Fahrzeuges ergibt. Indem zwei Leiterschleifen in geringem Abstand
zueinander platziert werden, ist es außerdem möglich, die Fahrzeuggeschwindigkeit
zu bestimmen. Die Qualität
der von Induktionsschleifen gesammelten Daten ist nicht immer hoch,
und ihr schadet weiter die Tatsache, dass der Trend bei modernen
Fahrzeugen zu weniger Metallteilen geht. Dies führt zu einer geringeren Signaländerung,
die schwieriger auszuwerten ist. Obwohl sie billig herzustellen
sind, sind induktive Sensoren groß, und als solche verursacht
ihr Einbau, insbesondere in bestehende Straßen, signifikante Verkehrsbehinderungen. Damit
sind Kosten verbunden. Ein Haupt nachteil bei der Verwendung von
Induktionsschleifen für
die Verkehrsregelung ist, dass sie nicht im Multiplexbetrieb eingesetzt
werden können.
Jeder Sensorstandort erfordert sein eigenes Datenerfassungssystem,
seine eigene Stromversorgung und Datenkommunikationseinheit. Dies
steigert die Kosten des gesamten Sensors signifikant, was dazu führt, dass
die Mehrzahl der eingebauten Induktionsschleifen nicht angeschlossen
ist, und deshalb keine Daten erfassen kann. Obwohl Induktionsschleifen
verwendet werden können,
um Fahrzeuge zu zählen,
und, wenn sie paarweise eingesetzt werden, Fahrzeuggeschwindigkeiten
zu bestimmen, können
sie darüber
hinaus nicht verwendet werden, um das dynamische Fahrzeuggewicht
zu messen. Die Klassifizierung von Fahrzeugen ist folglich nicht
möglich.
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Zwei
Verfahren zur Bestimmung des Gewichts von Fahrzeugen, insbesondere
LKWs, sind im allgemeinen Gebrauch. Das Fahrzeuggewicht kann mit
einer Brückenwaage
gemessen werden. Dies ist sehr genau, erfordert aber, dass das Fahrzeug
die Autobahn zu einem bestimmten Ort verlässt, an dem die Messung stattfinden
kann. Ein alternatives Verfahren ist, zu versuchen, das Gewicht
des Fahrzeugs zu vermessen, während
es sich in Vorbeifahrt befindet. Gewöhnlich werden piezoelektrische
Kabel unter der Straßenoberfläche angeordnet,
die ein Signal proportional zum Gewicht des Fahrzeugs erzeugen, während es
darüber
hinweg fährt.
Dieses Verfahren ist praktischer, aber ungenauer als eine Brückenwaage.
Wie bei Induktionsschleifensensoren können piezoelektrische Sensoren
nicht im Multiplex betrieben werden, sodass jeder ein ähnliches
Datenerfassungssystem, eine Stromversorgung und eine Datenkommunikationseinheit
benötigt.
Die Sensoren sind außerdem
teurer und weniger robust, als induktive Schleifensensoren.
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Um
den maximalen Umfang von Informationen bezüglich Verkehr auf einem bestimmten
Straßenabschnitt
zu erhalten, werden piezoelektrische Sensoren oft paarweise mit
Induktionsschleifen eingesetzt.
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Optische
faserinterferometrische Sensoren können verwendet werden, um Druck
zu erfassen. Wenn ein Stück
optische Faser einem äußeren Druck ausgesetzt
wird, wird die Faser deformiert. Diese Deformation verändert die
optische Pfadlänge
der Faser, was als Phasenänderung
des Lichtes erfasst werden kann, das die Faser entlang läuft. Da
es möglich
ist, sehr kleine Phasenänderungen
festzustellen, sind optische Fasersensoren extrem empfindlich für den angelegten
Druck. Ein solcher Sensor ist als ein interferometrischer Sensor
beschrieben. Diese hohe Empfindlichkeit ermöglicht, dass optische Fasersensoren
zum Beispiel in akustischen Unterwassermikrofonen verwendet werden,
in denen Schallwellen mit Intensitäten, die einem Druck von 10–4 Pa
entsprechen, in der Regel erfasst werden können. Eine solche hohe Empfindlichkeit
kann jedoch auch Probleme verursachen. Optische faserinterferometrische
Sensoren sind nicht ideal für
die Verwendung in Anwendungen geeignet, in denen eine geringe Empfindlichkeit
erforderlich ist, z. B. zur Erfassung von großen Differenzdrücken in
einer Umgebung mit hohem Hintergrundrauschen. Optische Fasersensoren haben
jedoch den Vorteil, dass sie im Multiplex betrieben werden können, ohne
auf lokale Elektronik zurückzugreifen.
Interferometrische Sensoren können
in die Form von verteilten Sensoren gebracht werden, mit einer Länge, die
ausreicht, um die Breite einer Fernstraße zu überspannen. Dies steht im Gegensatz
z. B. zu Sensoren mit Bragg-Gittern, die als punktförmige Sensoren
arbeiten.
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Nach
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verkehrsüberwachungssystem
wenigstens eine Sensorstation und ein interferometrisches Abfragesystem,
wobei die wenigstens eine Sensorstation eine optische Faser umfasst,
die in einer Fernstraße
eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das interferometrische
Abfragesystem dazu eingerichtet ist, eine optische Phasenänderung der
Strahlung zu erfassen, die aus der Faser empfangen wird, wobei sich
die optische Phasenänderung aus
einer Längenänderung
der optischen Faser ergibt, die durch eine Kraft erzeugt wird, die
darauf durch ein Fahrzeug aufgebracht wird, das über die Sensorstation fährt.
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Dies
liefert ein verlässliches
Low-Cost-Verkehrsüberwachungssystem,
das hochgradig gemultiplext werden kann. Fernabfrage ist möglich, folglich sind
weder lokale Elektronik noch elektrische Stromversorgung erforderlich.
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Vorzugsweise
umfasst das interferometrische Abfragesystem ein reflektometrisches
interferometrisches Abfragesystem, noch mehr wird bevorzugt, dass
das interferometrische Abfragesystem ein gepulstes reflektometrisches
interferometrisches Abfragesystem umfasst.
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In
einem System, in dem Zeitmultiplex verwendet wird, um einzelne Sensoren
zu unterscheiden, ermöglichen
reflektometrische und insbesondere gepulste reflektometrische Interferometrie
eine sehr effektive Architektur für den Multiplexbetrieb, die mit
verteilten Sensoren verwendet werden kann.
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Alternativ
umfasst das interferometrische Abfragesystem ein interferometrisches
Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung,
wobei ein gepulstes interferometrisches Abfragesystem mit Rayleigh-Rückstreuung besonders bevorzugt
wird.
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Ein
reflektometrisches System mit Rückstreuung,
die nicht nach Rayleigh stattfindet, beruht auf diskreten Reflektoren
zwischen Sensoren. Dies sind vergleichsweise teure Komponenten,
die die Kosten des Gesamtsystems erhöhen können. Im Gegensatz dazu beruht
Rayleigh-Rückstreuung
auf der Reflektion von Licht an Inhomogenitäten in der optischen Faser.
Dies beseitigt die Notwendigkeit von diskreten Reflektoren, was
die Gesamtkosten des Systems verringert. Die Daten, die von einem
solchen System gesammelt werden, erfordern jedoch eine komplexere
Analyse als ein reflektometrisches Abfragesystem.
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Vorzugsweise
umfasst das System mehrere Sensorstationen, wobei nebeneinanderliegende
Stationen durch ein Stück
optische Faser miteinander verbunden sind.
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Das
Stück optischer
Faser, das nebeneinanderliegende Sensorstationen verbindet, definiert
die optische Pfadlänge
zwischen nebeneinanderliegenden Sensorstationen. Im Allgemeinen
ist die verbindende optische Faser langgestreckt ausgelegt, und auf
diese Weise ist die optische Pfadlänge zwischen nebeneinanderliegenden
Sensorstationen im Wesentlichen gleich ihrem physikalischen Abstand.
Die verbindende optische Faser muss nicht in ihrer vollen Länge ausgelegt
sein, wobei in diesem Fall der physikalische Abstand von nebeneinanderliegenden Sensorstationen
jeder Abstand bis zur Länge
der optischen Faser sein kann, die verwendet wird, um nebeneinanderliegende
Sensorstationen zu verbinden.
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Vorzugsweise
beträgt
die Länge
der optischen Faser, die nebeneinanderliegende Sensorstationen verbindet,
zwischen 100 m und 5000 m.
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Vorzugsweise
umfasst jede Sensorstation mehrere faseroptische Sensoren, noch
mehr wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens einen faseroptischen
Sensor pro Spur der Fernstraße
umfasst.
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Am
meisten wird bevorzugt, dass jede Sensorstation wenigstens zwei
optische Fasersensoren pro Spur der Fernstraße umfasst, die einen bekannten
Abstand zueinander haben.
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Zweckmäßigerweise
beträgt
der bekannte Abstand zwischen 0,5 m und 5 m. Der bekannte Abstand
bezieht sich auf den physikalischen Abstand der faseroptischen Sensoren
und nicht auf die optische Pfadlänge
der optischen Faser zwischen jedem Sensor.
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Dies
liefert ein Verkehrsüberwachungssystem,
das eingesetzt werden kann, um Verkehr auf jeder Art von Fernstraße zu überwachen,
von einer einspurigen Straße
bis zu einer vielspurigen Autobahn. Die Sensorstationen können in
Intervallen entlang der gesamten Länge der Fernstraße oder
nur auf Abschnitten angeordnet werden, auf denen Verkehrsüberwachung
entscheidend ist, z. B. an bekannten Staustellen oder Unfallschwerpunkten.
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Sicherzustellen,
dass jede Spur der Fernstraße
wenigstens einen faseroptischen Sensor hat, bedeutet, dass einige
Verkehrsinformationen unabhängig
von dem Teil der Fernstraße,
auf dem der Verkehr fließt,
gesammelt werden können.
Das einfachste System für
eine einspurige Fernstraße
hat zwei Sensoren, einen für
jede Verkehrsrichtung. Obwohl dies Informationen bezüglich Fahrzeuggewicht,
Verkehrsaufkommen und Anzahl der Achsen ergibt, kann dies nicht
verwendet werden, um ein Maß für die Fahrzeuggeschwindigkeit
anzugeben. Die Fahrzeuggeschwindigkeit kann jedoch bestimmt werden, indem
zwei Sensoren, die einen bekannten, kurzen Abstand zu einander haben,
pro Spur der Fernstraße angeordnet
werden. Es kann bevorzugt werden, mehr als zwei Sensoren pro Spur
der Fernstraße
anzuordnen, z. B. können
drei Sensoren, die in kurzem Abstand zueinander angeordnet sind,
verwendet werden, um ein Maß für die Fahrzeugbeschleunigung
anzugeben. Eine solche Messung kann an Straßenkreuzungen, Kreiseln und
Ampeln nützlich sein.
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Vorzugsweise
umfasst der optische Fasersensor eine empfindliche Faser, die mit
einer Hilfsfaser gekoppelt ist; wobei die optische Pfadlänge der empfindlichen
Faser derart gewählt
ist, dass die Empfindlichkeit des Sensors gering ist; und wobei
die optische Pfadlänge
der Hilfsfaser größer als
die der empfindlichen Faser ist, sodass die gemeinsame optische
Pfadlänge
der empfindlichen Faser und der Hilfsfaser ausreicht, um zu ermöglichen,
dass der Sensor von einem gepulsten interferometrischen Abfragesystem
abgefragt wird.
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Vorzugsweise
ist die optische Pfadlänge
der Hilfsfaser wenigstens zweimal größer als die der empfindlichen
Faser.
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Die
Empfindlichkeit eines faseroptischen Sensors ist im Wesentlichen
proportional zur Länge der
optischen Faser, die er enthält.
Die Länge
des empfindlichen Abschnitts ist vorzugsweise kurz, um die Empfindlichkeit
des Sensors auf ein Niveau zu verringern, auf dem eine verlässliche
Messung der großen
Kräfte
möglich
ist, die mit Fahrzeugverkehr verbunden sind. Ein kurzer Abschnitt
optischer Faser kann jedoch mit einem gepulsten interferometrischen System
nicht einfach abgefragt werden. Dies liegt daran, dass die minimale
Pulslänge
durch die Leistungsfähigkeit
des optischen Schalters begrenzt ist. Indem eine Hilfsfaser verwendet
wird, wird die Gesamtlänge
der optischen Pfadlänge
des Sensors erhöht,
sodass gepulste interferometrisches 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 Hilfsfaser Abschnitte einer
einzelnen optischen Faser. Dies vereinfacht den Aufbau des Sensors.
Alternativ können
die empfindliche Faser und die Hilfsfaser zusammengespleißt oder
durch irgendeine andere geeignete Einrichtung verbunden werden.
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Vorzugsweise
umfasst der Sensor weiter ein Gehäuse, das wenigstens eine von
der empfindlichen Faser und der Hilfsfaser umgibt.
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Alternativ
umfasst der optische Fasersensor einen Wickelkern und eine optische
Faser, die auf den Wickelkern gewickelt ist; wobei der Wickelkern im
wesentlichen eben ist; und wobei Sensor im wesentlichen ausreichend
flexibel ist, sodass er im wesentlichen die Form der Wölbung einer
Fernstraße annehmen
kann. Dieser Sensortyp ist einfach zu lagern und einzusetzen. Er
kann zur Lagerung und für den
Transport auf eine Spule gewickelt werden, und abgewickelt und auf
die benötigte
Länge abgeschnitten
werden, wie es erforderlich ist. Dem Sensor zu ermöglichen,
sich der Wölbung
der Fernstraße
anzupassen, in die er eingebaut wird, macht es einfach, sicherzustellen,
dass sich der Sensor in einer gleichförmigen Tiefe unter der Oberfläche der
Fernstraße
befindet. Dies hilft, die Gleichförmigkeit des Ansprechens über die
Länge des
Sensors zu verbessern.
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Vorzugsweise
umfasst der Wickelkern einen langgestreckten Streifen, der mit zwei
Spindeln ausgestattet ist; wobei die Spindeln fest mit derselben Oberfläche des
Streifens verbunden sind und in einem Abstand zueinander angeordnet
sind; wobei jede Spindel im wesentlichen senkrecht aus der Oberfläche des
Streifens hervorsteht; und wobei die optische Faser in Längsrichtung
zwischen den Spindeln aufgewickelt ist.
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Für die Einfachheit
der Handhabung und den Einbau wird bevorzugt, dass die Spindeln
im Vergleich zur Länge
des Streifens kurz sind. Ein typischer Sensor kann einen 3 m langen
Streifen mit 5 mm langen Spindeln aufweisen. Dies reicht aus, um die
erforderliche Länge
optischer Faser aufzuwickeln, und ergibt dennoch einen Sensor, der
dünn genug
ist, um flexibel zu bleiben.
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Alternativ
umfasst der Wickelkern einen langgestreckten Streifen, und die optische
Faser wird in Längsrichtung
um die Längsachse
des Streifens gewickelt.
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In
noch einer alternativen Konstruktion umfasst der Wickelkern einen
langgestreckten Streifen, und die optische Faser ist spiralförmig um
die kurze Achse des Streifens gewickelt.
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Vorzugsweise
umfasst der langgestreckte Streifen einen Metallstreifen. Beispiele
von geeigneten Metallen umfassende Stähle, Zinnlegierungen, Aluminiumlegierungen.
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Alternativ
enthält
der langgestreckte Streifen ein Nichtmetall. Geeignete Nichtmetalle
umfassen steife Kunststoffe, wie etwa Perspex und Polyethylen mit
hoher Dichte oder manche Verbundwerkstoffe.
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Der
langgestreckte Streifen kann alle geeigneten Abmessungen haben,
vorausgesetzt, dass er ausreichend flexibel bleibt, damit er die
Form der Wölbung
der Fernstraße
annehmen kann. Ein typisches Beispiel kann eine Länge von
3 m, eine kurze Achse von 0,02 m und eine Dicke von 0,001 m haben.
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Vorzugsweise
umfasst der optische Fasersensor wenigstens ein teilreflektierendes
Element, das an die optische Faser gekoppelt ist. Für einen einzelnen
isolierten Sensor wird ein teilreflektierendes Element an jedem
Ende des Sensors verwendet. Gewöhnlicher
wird jedoch eine Anzahl von Sensoren in Reihe geschaltet, sodass
jeder einzelne Sensor nur ein teilreflektierendes Element haben
muss. In diesem Fall arbeitet jedes teilreflektierende Element als
das erste teilreflektierende Element für einen Sensor und außerdem als
das zweite teilreflektierende Element für den vorangehenden Sensor.
Die Ausnahme davon ist der letzte Sensor in einer Reihe, der ein
zusätzliches
abschließendes
teilreflektierendes Element erfordert.
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Im
Fall des optischen Fasersensors, der einen empfindlichen Abschnitt
und einen Hilfsabschnitt umfasst, ist das teilreflektierende Element
vorzugsweise auf dem Hilfsabschnitt des faseroptischen Sensors angeordnet.
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Zweckmäßigerweise
ist das teilreflektierende Element entweder ein faseroptischer X-Koppler, wobei
ein Anschluss verspiegelt oder ein Bragg-Gitter ist.
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Vorzugsweise
wird jeder Sensor derart eingesetzt, dass seine längste Abmessung
im Wesentlichen in der Ebene der Fernstraße und im Wesentlichen senkrecht
zur Richtung des Verkehrsflusses auf der Fernstraße liegt.
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Vorzugsweise
ist die längste
Abmessung von jedem Sensor im Wesentlichen gleich der Spurbreite
der Fernstraße.
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Dies
hilft, sicherzustellen, dass das Darüberfahren von jedem Fahrzeug
auf jedem Teil der Fernstraße
von dem System registriert wird.
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Im
Vereinigten Königreich
kann die Breite einer Fernstraße
von etwa 2,5 m für
eine Nebenstraße bis
zu ungefähr
3,7 m für
eine Autobahn betragen. Andere Teile der Welt können Straßensysteme mit abweichenden
Spurbreiten haben.
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Vorzugsweise
wird jeder Sensor unterhalb der Oberfläche der Fernstraße eingebaut.
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Für den Einsatz
in einer bestehenden Straße kann
ein dünner
Kanal oder eine Rille in die Straße geschnitten werden, um den
Sensor unterzubringen. Die Rille kann dann wieder aufgefüllt und
die Oberfläche
der Straße
wiederhergestellt werden. Im Fall einer neuen Straße können die
Sensoren offensichtlich einfach während des Straßenbaus
in den Aufbau der Straße
integriert werden.
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Es
ist möglich,
die Sensoren derart einzubauen, dass sie mit der Oberfläche der
Fernstraße verbunden
sind, statt dass sie darin eingebettet sind, wird aber weniger bevorzugt.
Dies kann nützlich
sein, wenn das System für
eine kurze Zeit an einem bestimmten Ort verwendet wird, bevor es
woanders hin verlegt wird. In diesem Fall müssen die eingesetzten Sensoren
offensichtlich geschützt
werden oder stabil genug sein, um den größeren Kräften widerstehen zu können, die
mit Fahrzeugen verbunden sind, die direkt über sie fahren.
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Nach
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren
zur Verkehrsüberwachung
mehrere Sensorstationen auf einer Fernstraße; den Einsatz von mehreren
faseroptischen Sensoren an jeder Sensorstation; die Bildung einer
Schnittstelle von jedem optischen Fasersensor mit einem interferometrischen
Abfragesystem; das Einsetzen von Zeitmultiplex, sodass das Abfragesystem
dazu eingerichtet ist, ein Ausgangssignal von jedem optischen Fasersensor
im wesentlichen gleichzeitig zu überwachen;
und die Verwendung des Ausgangssignals von jedem optischen Fasersensor
zur Ableitung von Daten, die sich auf den Verkehr beziehen, der über jede
Sensorstation fährt.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren weiter Wellenlängenmultiplex ein, sodass die
Anzahl von faseroptischen Sensoren erhöht wird, für deren Überwachung das Abfragesystem
eingerichtet ist.
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Vorzugsweise
setzt das Verfahren weiter Raummultiplex ein, sodass die Anzahl
von optischen Fasersensoren erhöht
wird, für
deren Überwachung das
Abfragesystem eingerichtet ist.
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Vorzugsweise
betreffenden die abgeleiteten Daten wenigstens eine der Größen Fahrzeuggeschwindigkeit
Fahrzeuggewicht, Verkehrsaufkommen Achsabstand und Fahrzeugklassifizierung.
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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 ein
Beispiel eines Abschnitts eines Verkehrsüberwachungssystems nach der
vorliegenden Erfindung im Einsatz auf einer zweispurigen Fernstraße zeigt;
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2 einen
längeren
Abschnitt eines Verkehrsüberwachungssystems
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine
einzelne Sensorstation im Einsatz auf einer sechsspurigen Fernstraße zeigt,
die für ein
Verkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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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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die 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 einem Straßenverkehrsüberwachungssystem
nach der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
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7 einen
Querschnitt des Sensors in 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 zeigt
eine grafische Darstellung einer typischen Reaktion eines piezolelektrischen
Sensors, wenn ein Fahrzeug darüber
fährt.
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9a zeigt
ein schematisches Diagramm von drei Sensoren, die in Reihe geschaltet
sind;
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10 zeigt
ein schematisches Diagramm 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
einer Reihe von Sensorgruppen, die von dem System in 10 abgefragt
werden können;
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12 zeigt
die Abweichung der Zeitverläufe
der optischen Signale für
die Reihe von Sensorgruppen in 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 Fernstraße
eingesetzt ist;
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die 14a–e
stellen dar, wie ein Sensor unter der Oberfläche einer Fernstraße eingesetzt
werden kann; und
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die 15a–b
zeigen die Signale, die für
ein Auto und einen LKW aufgenommen wurden, die über einen Sensor von dem Typ
fahren, der in 6 gezeigt ist.
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1 zeigt
einen Abschnitt eines Verkehrsüberwachungssystems
im Einsatz auf einer zweispurigen Fernstraße 1. Zwei Sensorstationen 2 sind
durch ein Stück
optische Faser 3 verbunden gezeigt. In den 1 und 2 ist
die optische Faser 3 ausgelegt gezeigt, und folglich ist
die physikalische Separierung der Sensorstationen, die durch den
Abstand 4 angegeben wird, im wesentlichen gleich der optischen
Pfadlänge
der optischen Faser 3. Die optische Faser 3 muss
nicht vollständig
ausgelegt sein, wobei in diesem Fall der physikalische Abstand der
Sensorstationen, Abstand 4, geringer als die optische Pfadlänge der
optischen Faser 3 sein kann. Ein längerer Abschnitt des Systems,
das 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 über die optische Faser 6 mit
der optischen Faser 3 verbunden sind. An jeder Sensorstation 2 sind die
Sensoren 5 in die Fernstraße 1 eingebaut, sodass es
zwei Sensoren pro Spur der Fernstraße gibt, die, wie durch den
Abstand 7 angegeben, separiert sind. Die Pfeile 8 stellen
die Richtung des Verkehrsflusses auf jeder Spur der Fernstraße dar.
Jeder Sensor ist derart eingerichtet, dass seine längste Abmessung senkrecht
zur Richtung des Verkehrsflusses 8 liegt und im Wesentlichen
gleich der Breite einer Spur der Fernstraße ist. Dies stellt sicher,
dass ein Fahrzeug, das über
eine bestimmte Sensorstation 2 fährt, eine Reaktion von wenigstens
einem faseroptischen Sensor 5 unabhängig von seiner Fahrtrichtung
oder Position auf der Spur der Fernstraße hervorruft. Wissen über den
physikalischen Abstand der Sensoren 7 innerhalb jeder Sensorstation
ermöglicht
eine Bestimmung der Fahrzeuggeschwindigkeit. Alle Sensorstationen
sind über
die optische Faser 3 mit einer interferometrischen Abfragestation 9 verbunden.
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In 3 ist
eine einzelne Sensorstation 2 im Einsatz als Teil eines
Verkehrsüberwachungssystems
für eine
mehrspurige Fernstraße 10 gezeigt, zum
Beispiel eine Autobahn. In diesem Fall werden 12 Sensoren 5 eingesetzt,
um sicherzustellen, dass ein Fahrzeug, das auf irgend einer der
sechs Spuren 11 der Fernstraße über die Sensorstation fährt, eine Reaktion
unabhängig
von seiner Fahrtrichtung 8 oder seiner Wahl der Spur 11 hervorruft.
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Ein
erstes Beispiel einer Sensorkonstruktion ist in 4 gezeigt.
Der Sender 12 umfasst eine empfindliche Faser 13 und
eine Hilfsfaser 14. In diesem Beispiel ist die Hilfsfaser
innerhalb eines Gehäuses 15 aufgewickelt
gezeigt. Ein teilreflektierendes Element 16 ist mit der
Hilfsfaser verbunden. Diese Anordnung ermöglicht, dass ein großes Stück Hilfsfaser
in einem kleinen Volumen untergebracht wird, wodurch die Gesamtgröße des Sensors
verringert wird. Andere Anordnungen sind offensichtlich möglich, wobei
die Hilfsfaser auf eine Spule oder einen Wickelkern gewickelt oder,
wenn die Gesamtgröße des Sensors
nicht wichtig ist, einfach lang gelassen werden kann. In 4 ist
eine Ummantelung 17 um die empfindliche Faser 13 gezeigt.
Diese kann von dem Gehäuse 15 für die Hilfsfaser
separiert oder darin integriert sein. Die Ummantelung 17 dient
dazu, die empfindliche Faser vor Beschädigung zu schützen. Sie
kann z. B. ein Metall oder einen Kunststoff enthalten. Die Form
des Querschnitts der Ummantelung wird vorzugsweise derart gewählt, dass
sie dem Sensor laterale Steifigkeit verleiht.
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Es
ist möglich,
wird jedoch weniger bevorzugt, entweder Gehäuse 15 oder Ummantelung 17 oder
beide 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 auf eine solche Weise eingesetzt,
dass die empfindliche Faser 13 sich über die Breite der Spur der
Fernstraße erstreckt,
die abgefragt werden soll. Die Kräfte, die von einem Fahrzeug
ausgeübt
werden, das über
die empfindliche Faser fährt,
erzeugen ein Signal, das von dem Abfragesystem erfasst werden kann.
Die Länge
der empfindlichen Faser, typischerweise etwa 2 bis 4 m, bedeutet,
dass die Empfindlichkeit des Sensors gering ist. Er ist folglich
für die
Erfassung der großen
Kräfte
geeignet, die mit dem Darüberfahren von
Fahrzeugen verbunden sind. Die Hilfsfaser 14 ist derart
angeordnet, dass sie von dem Darüberfahren von
Fahrzeugen nicht beeinflusst wird. Dies kann erreicht werden, indem
die Hilfsfaser derart angeordnet ist, dass sie sich am Rand der
Fernstraße
oder zwischen Spuren der Fernstraße befindet. Die Umhüllung der
kann dazu eingerichtet sein, die Faser von Schwingungen zu isolieren.
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Eine
zweite Sensorkonstruktion ist in 5 gezeigt.
Diese Sensorkonstruktion basiert auf einem dünnen Streifen 18,
der gewöhnlich
ein Metallstreifen ist. Die optische Faser 19 ist an dem
Streifen befestigt, was den Sensor bildet. In 5a ist
die optische Faser um zwei Spindeln 20 gewickelt, die an
jedem Ende des Streifens befestigt sind. Bei den 5b, 5c und 5d sind
die Spindeln weggelassen und die Fasern um den Streifen selbst gewickelt.
Die Faser kann längs, 5b,
oder schraubenförmig
um die kurze Achse des Streifen gewickelt sein, 5c und 5d.
In 5d sind in die Kanten des Streifens 18 schmale
Einkerbungen eingebracht. Diese sind nützlich, um die optische Faser
beim Wickeln örtlich
zu fixieren. In allen Beispielen kann die Faser geschützt werden,
indem eine dünne Überschichtung mit
Epoxid oder Polyurethan aufgebracht wird (nicht gezeigt). Die Verwendung
eines dünnen
Streifens als Wickelkern liefert Sensoren, die flexibel sind. Dies
ermöglicht
ihnen, sich an die Wölbung
der Fernstraße anzupassen,
in die sie eingebaut werden, und ermöglicht ihnen außerdem,
dass sie für
leichtere Lagerung und leichteren Einbau auf eine Trommel gewickelt
werden. Die Modifikation der Sensorkonstruktion, die in 5 gezeigt ist, kann offensichtlich durchgeführt werden,
ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Vereinfachung halber
sind in 5 teilreflektierende Elemente
weggelassen worden.
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Ein
weiteres Beispiel eines Sensors 22, das in den 5 und 7 gezeigt
ist, umfasst eine optische Faser 23, die um einen Stahlstab 24 gewickelt und
in einem Gehäuse 25 angeordnet
ist. In diesem Beispiel ist die optische Faser 23 ein 50
m-Stück
doppelt beschichtete Faser mit hoher numerische Apertur und einem äußeren Durchmes ser
von 170 μm
(FibreCore SM 1500 – 6.4/80),
obwohl andere Längen und
Spezifikationen und optische Fasern ebenso verwendet werden können. Der
Stahlstab 24 ist ein 3 m-Stück Gewindestange M 12, und
die optische Faser ist unter Zusammenwirken mit dem Gewinde gewickelt.
Das macht es einfach, die optische Faser gleichmäßig entlang der Stange zu wickeln.
Statt der Gewindestange M 12 kann eine Stange ohne Gewinde mit 10
mm Durchmesser verwendet werden, obwohl dies es schwieriger macht,
sicherzustellen, dass die Faser gleichmäßig entlang der Stange gewickelt
ist. Alternativ kann eine eingearbeitete spiralförmige Kerbe mit mehr Abstand
statt eines Gewindes verwendet werden. Offensichtlich können die
Abmessungen des Stabes verändert
werden, um einen Sensor mit geeigneter Größe für eine gewünschte Anwendung bereitzustellen.
Darüber
hinaus muss der Stab kein Metallstab sein, geeignete alternative
Materialien können
Kunststoffe, wie etwa Polyurethan, und Verbundwerkstoffe umfassen.
Ein teilreflektierendes Element 16 ist an ein Ende der
Faser angekoppelt. Wenn der Sensor isoliert verwendet werden soll,
oder wenn er den Endsensor in einer Reihe von Sensoren bildet, dann
ist ein zusätzliches
teilreflektierendes Element an das andere Ende des Sensors gekoppelt.
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Um
die Empfindlichkeit des Sensors zu verringern, sodass er zur Erfassung
großer
Kräfte
und Drücke
geeignet ist, wird ein nachgiebiges Material 26 zwischen
dem Stahlstab 24 und im Gehäuse 25 vorgesehen.
Dieses Material kann den Großteil
aller externen Kräfte
absorbieren, die auf den Sensor wirken. Im Gegensatz zum traditionellen
optischen Fasersensoren, bei denen hohe Empfindlichkeit an erster
Stelle steht, hat diese Sensorkonstruktion absichtlich verringerte
Empfindlichkeit, indem ein nachgiebiges Material gewählt wird,
das den Großteil
aller angelegten Kräfte
wirksam absorbiert. Dies bedeutet, dass ein Sensor, der ein stark
nachgiebiges Material enthält,
wie etwa ein Fett, verwendet werden kann, um größere Kräfte und Drücke zu erfassen, als normalerweise
mit existierenden optischen Fasersensoren möglich wäre. Während der Herstellung ist es vorteilhaft,
das Gehäuse 25 teilweise
mit dem nachgiebigen Material 26 zu füllen, und dann den Stab 24 und
die optische Faser darauf zu platzieren. Über dem Stab wird dann mit
mehr von dem nachgiebigen Material aufgefüllt. Wie in 7 gezeigt
ist, führt
dies dazu, dass der Stab vollständig
von dem nachgiebigen Material umgeben ist. Eine optionale Kappe 27 kann
vorgesehen werden, um den Sensor zu schützen. Dies ist nützlich,
wenn für
das nachgiebige Material 26 ein weiches Material wie etwa
ein Fett gewählt
wird. Es kann möglich
sein, die Kappe 27 wegzulassen, wenn das nachgiebige Material
dazu ausgelegt ist, abzubinden, zum Beispiel ein Epoxydharz.
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Das
Gehäuse 25 ist
aus Stahlblech hergestellt, kann aber aus jedem geeigneten Material
hergestellt werden, wie etwa Aluminium, und ist gewöhnlich etwas
länger
als der Stahlstab 24. Die 6 und 7 zeigen
ein Gehäuse
mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt. Diese Form gibt dem
Sensor mehr laterale Steifigkeit und hilft, einen Typ von Mehrdeutigkeit
des Signals zu beseitigen, den man bei piezoelektrischen Sensoren
oft antrifft. 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
dieser Teil des Signals, der nützlich
ist. Die zweite, kleinere Spitze 30, die vor der Hauptspitze
erzeugt wird, entsteht dadurch, dass die Straßenoberfläche durch das Fahrzeuggewicht
hochgedrückt
wird, wenn es dort entlang fährt.
Dies erzeugt, was manchmal als „Bugwelle" bezeichnet wird, die vor dem Fahrzeug
entlang läuft.
Die laterale Steifigkeit, die von dem kastenförmigen Quer schnitt des Gehäuses in
dem vorliegenden Beispiel geleistet wird, verringert den Effekt
der „Bugwelle", was ein Signal
ergibt, das ein Fahrzeug darstellt, während es direkt über den
Sensor fährt.
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Ein
alternativ geformtes Gehäuse,
das ebenso laterale Streitigkeit liefert und folglich den „Bugwellen"-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 inneren Durchmesser umfassen, der
etwas größer als
der Außendurchmesser des
Stabes 24 ist. In diesem Fall wird der ringförmige Hohlraum,
der sich zwischen den Stab und dem Gehäuse bildet, mit einem nachgiebigen
Material gefüllt.
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In 9a sind
drei Sensoren 12, 12' und 12'' in
Reihe geschaltet gezeigt. Die Sensoren 12 und 12' haben jeder
ein teilreflektierendes Element 16 beziehungsweise 16', die an die
optische Faser 13 gekoppelt sind. Bei der Verwendung setzt
der Sensor 12 beide teilreflektierende Elemente 16 und 16' ein. Ebenso
ist Sensor 12' durch
die teilreflektierenden Elemente 16' und 16'' definiert.
Sensor 12'' ist ein Endsensor,
folglich hat er zwei teilreflektierende Elemente 16'' und 16''', die an die
Faser gekoppelt sind.
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10 zeigt
ein Beispiel eines interferometrischen Abfragesystems. Die Architektur
in 10 basiert auf einer reflektometrischen Architektur
mit Zeitmultiplex, in die einige zusätzliche Wellenlängen und
Raummultiplex integriert sind. Das Licht aus n Halbleiterlasern
mit verteilter Rückkopplung
(DFB, distributed feedback) 31 wird mit einem Multiplexer für dichten
Wellenlängenmultiplex
(DWDM, Dense Wavelength Division Multiplex) 32 überlagert,
bevor es durch ein In terferometer 33 läuft. Das Interferometer 33 umfasst
zwei akustooptische Modulatoren (AOM), die auch als Bragg-Zellen 34 bekannt
sind, und eine Verzögerungsspule 35.
Pulse mit leicht unterschiedlicher Frequenz steuern die Bragg-Zellen 34,
sodass die Lichtpulse, die gebeugt werden, auch diesen Frequenzunterschied
haben. Das Ausgangssignal aus dem Interferometer liegt dann in der
Form von zwei separaten Abfragepulsen vor. Diese werden durch einen
erbiumdotierten Faserverstärker
(EDFA, Erbium Doped Fibre Amplifier) 36 verstärkt, und
werden dann durch einen zweiten DWDM 38 in n verschiedene
Fasern 37 separiert. Jede Faser 37 speist einen
1 × N-Koppler 39.
Jeder Koppler 39 teilt das Eingangssignal auf N Fasern 40 auf.
In 10 ist jeder Koppler 39 mit vier Ausgangsfasern 40 gezeigt, das
heißt,
N = 4. N kann, wie erforderlich, größer oder kleiner sein als dies.
Es ist außerdem
nicht erforderlich, dass alle 1 × N-Koppler 39 denselben Wert für N haben.
Jede Faser 40 endet in einem Sensor, einer Gruppe von Sensoren
oder in mehreren Gruppen von Sensoren 41. Es ist offensichtlich,
dass die Anzahl von einzelnen Sensoren, die von der Architektur
in 8 abgefragt werden können, groß kann. In einem typischen
System kann n = 8 und N = 4 sein, mit 5 Gruppen aus 8 Sensoren,
die an jede Ausgangsfaser 40 angeschlossen sind. Dies liefert
ein System, mit dem 1280 einzelne Sensoren abgefragt werden können. Die
maximale Anzahl von Sensoren wird durch das optische Leistungsbudget
begrenzt, kann aber bis zu mehreren tausend und mehr betragen.
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Das
zurückkommende
Licht von den Sensoren wird über
Rücklauffasern 43 zu
einzelnen Fotoempfängern 42 geleitet.
Die Fotoempfänger
können einen
zusätzlichen
Polarisations-Diversitäts-Empfänger enthalten,
der verwendet wird, um das Problem von niederfrequenten Signalfluktuationen
zu lösen, das
durch Polarisationsveränderungen
verursacht wird. Dies ist ein Problem, das gewöhnlich bei reflektome trischen
Architekturen mit Zeitmultiplex vorkommt. Die elektrischen Signale
werden von den Fotoempfänger
zu einem Rechner 44 übertragen,
der einen Analog-Digital-Wandler 45, eine digitalen Demultiplexer 46,
einen digitalen Demodulator 47 und eine Karte für die Steuerung
des zeitlichen Ablaufs 48 enthält. Nach der digitalen Signalverarbeitung
innerhalb des Rechners kann das Signal als formatierte Daten für Anzeige
oder Speicherung extrahiert werden oder über einen Digital-Analog-Wandler (nicht
gezeigt) in ein elektrisches Signal zurückgewandelt werden.
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Der
Erfolg der Architektur in 10 hängt kritisch
von dem richtigen zeitlichen Ablauf der optischen Signale ab. Dieser
wird durch die Verwendung spezieller Längen der optischen Faser innerhalb
jedes Sensors, zwischen jedem Sensor, innerhalb einer Gruppe von
Sensoren und zwischen jeder Gruppe von Sensoren erreicht. Eine beispielhafte
Anordnung ist in 11 gezeigt, wo Gruppen 49 von
Sensoren gezeigt sind, wobei jede Gruppe acht einzelne Sensoren 50 umfasst,
die durch einen Abstand von 1 km separiert sind. Jeder Sensor 50 umfasst
insgesamt 50 m optische Faser, sodass jede Gruppe 49 eine
optische Pfadlänge
von 400 m hat.
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Auf
den ersten Blick kann das erforderlich erscheinen, Gruppen von Sensoren
in genau bekannten und vermessenen Intervallen einzusetzen, z. B. alle
1 km. Dies ist nicht der Fall, da Verzögerungsspulen verwendet werden
können,
um zu ermöglichen,
dass Sensorgruppen näher
zusammen eingesetzt werden. Wenn eine Sensorgruppe nicht innerhalb
einer vorgegebenen Distanz eingebaut werden kann, dann kann eine
wirkungslose Sensorgruppe, die aus 400 m Faserwicklung besteht,
verwendet werden, und die nächste
Sensorgruppe dann in der Fahrbahn eingesetzt werden. Das Ändern des
zeitlichen Ablaufs der Abfragepulse ermöglicht außerdem verschiedene Gruppenabstände, z.
B. 500 m, 1 km, 5 km, je nachdem, wie es erforderlich ist.
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Mit
der Verwendung von speziellen Faserlängen, die in 11 definiert
sind, ist es möglich, den
zeitlichen Verlauf der optischen Signale zu definieren. Dies ist
in 12 gezeigt. Diese zeigt, dass eine Abtastrate
von ungefähr
41 kHz für
jede Sensorgruppe möglich
sein sollte. Dies führt
zu hoher Dynamik mit einer Messbandbreite von einigen kHz an jedem
Sensor.
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Der
Pulszug zu den Sensoren besteht aus einer Reihe von Pulspaaren,
wobei die Pulse leicht unterschiedliche Frequenzen haben. An jedem
Ende von jedem Sensor befindet sich ein Teilreflektor. Die Pulsseparation
zwischen den Pulsen ist derart, dass sie gleich der Durchlaufzeit
des Lichts in beide Richtungen durch die Faser zwischen diesen Teilreflektoren
ist. Wenn diese Teilreflektoren Pulspaare reflektieren, überlappt
sich die Reflektion des zweiten Pulses zeitlich mit der Reflektion
von dem ersten Puls von dem nächsten
Teilreflektor im Verlauf der Faser.
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Der
Pulszug, der von dem Sensorfeld reflektiert wird, besteht aus einer
Reihe von Pulse, von denen jeder ein Trägersignal enthält, das
die Differenzfrequenz zwischen den zwei optischen Frequenzen darstellt.
Der Erfassungsprozess an der Fotodiode führt zu einer Reihe von heterodynen
Pulsen im Zeitmultiplex, von denen jeder einem bestimmten Sensor in
dem Feld entspricht. Wenn ein Drucksignal auf einen Sensor einwirkt,
verursacht dies eine Phasenmodulation des Trägers in dem reflektierten Puls,
der diesem Sensor entspricht.
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Um
das Schema in den 11 und 12 zu
implementieren, besteht die Notwendigkeit, Pulse mit genauem zeitlichen
Ablauf zu er zeugen, als auch von ausreichend hochentwickelten Demultiplex- und Demodulationsprozessen.
Indem ein Rechner verwendet wird, der mit Analog-Digital-Wandlern
ausgerüstet
ist, und digitale Signalverarbeitung durchführen kann, ist es möglich, alle
erforderliche Verarbeitung im digitalen Bereich auszuführen. Dies
verbessert Bandbreite und Dynamik im Vergleich zu herkömmlicheren
analogen Ansätzen.
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Die 13 und 14 zeigt ein Beispiel dafür, wie Sensoren
unter der Oberfläche
einer Fernstraße eingesetzt
werden können.
Ein Schlitz oder eine Rille 51 wird mit einem Scheibenschleifer
in die Oberfläche
einer Fernstraße 52 geschnitten.
Die Rille, die gewöhnlich
etwas länger
als der Sensor ist, enthält einen
dünneren
Abschnitt 53, der als Kanal verwendet wird, um eine herausführende optische
Faser 54 unterzubringen. 13 zeigt
nur eine herausführende
Rille von einem Ende des Sensors, offensichtlich würde eine ähnliche
Rille am anderen Ende des Sensors eingebracht, um zu ermöglichen,
dass zwei Sensoren miteinander verbunden werden. In Intervallen entlang
des Bodens der Rille werden Abstandshalter 55 angeordnet,
zweckmäßigerweise
etwa alle 0,5 m oder dergleichen. Der Sensor 56 wird dann
oben auf den Abstandshaltern 55 eingesetzt. Die Abstandshalter
stellen sicher, dass der Sensor nicht direkt mit dem Boden der Rille
in Kontakt steht, was dabei hilft, ihn von Schwingungen zu isolieren.
Nachdem der Sensor an seinem Platz ist, wird ein Vergussharz 57 in
die Rille gegossen, sodass der Sensor vollständig eingekapselt wird. 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 einem
abschließenden
Arbeitsgang, die Oberfläche
des Harzes mit der Oberfläche
der Fernstraße
fluchtend zu schleifen, ist der Sensor für die Verwendung geeignet.
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Beispiel 1
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Ein
einzelner Sensor von dem Typ, der in 6 gezeigt
ist, wurde in einer Fernstraße
eingesetzt, wie in den 13 und 14 beschrieben
ist. 15a zeigt die Reaktion des Sensors,
wenn ein Fahrzeug mit drei verschiedenen Geschwindigkeiten über ihn
gefahren wird; 15 Meilen pro Stunde, 30 Meilen pro Stunde und 55
Meilen pro Stunde, was jeweils durch die Datenkurven 58, 59 beziehungsweise 60
gezeigt ist. Jede Kurve umfasst zwei Spitzen, die den zwei Achsen
des Fahrzeugs entsprechen. Der Abstand zwischen den Spitzen stellt
den Achsabstand dar, und das Achsgewicht kann als eine Funktion
der integrierten Fläche
unter jeder Spitze und der Fahrzeuggeschwindigkeit abgeleitet werden.
In diesem Beispiel kann das Fahrzeuggewicht abgeleitet werden, da
die Fahrzeuggeschwindigkeit bekannt ist. Wie zuvor beschrieben sind
wenigstens zwei Sensoren, die durch einen bekannten Abstand separiert 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, während ein
Sattelschleppzug über
den Sensor gefahren wurde, der in Beispiel 1 oben verwendet wurde.
Die Datenkurven 61 und 62 stellen ein beladenes
Fahrzeug beziehungsweise ein unbeladenes Fahrzeug dar. Jede Kurve
umfasst vier Spitzen, die den vier Achsen des Fahrzeugs entsprechen.
Wiederum wird das Achsgewicht aus der Kenntnis der Fahrzeuggeschwindigkeit
und der Fläche
unter den Spitzen abgeleitet. Da in diesem Beispiel die Geschwindigkeit
des Fahrzeugs sowohl für
den beladenen Versuch als auch den unbeladenen Versuch gleich war,
ergibt die numerische Differenz zwischen den Flächen unter den Spitzen jedoch
eine direkte Angabe der Gewichtsdifferenz des Fahrzeugs. Diese Gewichtsdifferenz
entspricht dem Gewicht der Ladung, die von dem Fahrzeug befördert wird.