DE60320281T2

DE60320281T2 - Einrichtung, verfahren und system zur bestimmung des strassenoberflächenzustands

Info

Publication number: DE60320281T2
Application number: DE60320281T
Authority: DE
Inventors: Ulf Elman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2023-10-10
Also published as: WO2004034349A1; SE524878C2; AU2003267919A1; US7224453B2; ATE391906T1; EP1550094B1; US20060050270A1; EP1550094A1; DE60320281D1; SE0202987D0; SE0202987L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System, ein Gerät und eine Methode um das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Wasser oder Eis festzustellen, entsprechend der Einleitung der Patentansprüche. Insbesondere bezieht sie sich auf ein solches System, Gerät und Methode unter der Verwendung von wellenlängenmodulierter Spektroskopie.
Hintergrund der Erfindung
Eine Reihe von Lösungen des Problems mögliche Glätte von Straßenoberflächen festzustellen, insbesondere darauf zielend das Vorhandensein von Wasser oder Eis auf der Straßenoberfläche zu erkennen, sind bekannt. Ältere Methoden zur Erkennung des Zustands des Straßenbelags unter Verwendung von mechanischen Vorrichtungen sind bekannt aber fehler- und verschleißanfällig. Eine Reihe von Lösungen des Problems Wasser oder Eis an einer bestimmten Stelle der Straßenoberfläche wurden ebenfalls vorgeschlagen, aber sind generell nicht geeignet den Zustand des Straßenbelags an oder nah bei einem sich bewegenden Fahrzeug zu erkennen. Für diese Aufgabe sind Fernerkennungsmethoden unter Verwendung von spektroskopischen Verfahren die vorherrschende Lösung geworden, insbesondere nah-infrarot spektroskopische Verfahren aufgrund der besonderen spektroskopischen Eigenschaften von flüssigem und gefrorenem Wasser in diesem Wellenlängenintervall.
Eins der ersten Patente mit Bezug auf dieses Thema ist US-A-4271091 (1981) worin eine Methode zur Erkennung von Eis auf Straßenoberflächen durch das Erkennen eines amplitudenmodulierten Lichtstrahls im Infrarotbereich, der von der Straßenoberfläche reflektiert wird, ist offengelegt. Die Methode leidet unter dem Nachteil, dass es keine Regelung gibt um Reflektionsänderungen, die vom Vorhandensein von Eis, vom Vorhandensein von Wasser oder die von Änderungen in den reflektierenden Eigenschaften des Asphalts oder Betons des Straßenbelags herrühren zu trennen.
US-A-5218206 (1990) eröffnet ein Verfahren Eis oder Wasser auf der Straßenoberfläche zu erkennen indem der Reflektionsgrad der Straßenoberfläche an zwei getrennten Wellenlängen im Infrarotspektrum gemessen wird. Das Verfahren berechnet das Verhältnis der Reflektionsgrade und zeigt das Vorhandensein von Wasser an wenn das Verhältnis einen bestimmten Wert überschreitet und von Eis wenn das Verhältnis unter einen bestimmten Wert fällt. Wenn das Verhältnis in Einem mittleren Bereich bleibt zeigt das Verfahren an, dass die Straßenoberfläche trocken ist aber unglücklicher Weise kann das Verhältnis auch in diesen mittleren Bereich fallen wenn gewisse Anteile von Wasser und Eis auf der Straßenoberfläche vorhanden sind.
Unter der Annahme, dass der Reflektionsgrad nur von drei Parametern beeinflusst wird, dem Reflektionsgrad des Straßenbelags, der effektiven Dicke der flüssigen Wasserschicht und der effektiven Dicke der Eisschicht, müssen drei unabhängige Parameter gemessen werden und es wurden eine Reihe von Lösungen unter der Verwendung von drei oder mehr Wellenlängen vorgeschlagen, z. B. US-A-5962853 , welche die Erkennung auf wenigstens vier Wellenlängen vorschlägt. Unglücklicherweise verhält sich die Absorbtion von Licht in nicht-trüben Medien nach dem Beer-Lambert Gesetz, das besagt, dass die Weiterleitung durch das Medium exponentiell mit steigender Dicke der Schicht fällt. Für ein System mit finiter Signaldynamik bedeutet das einen sehr begrenzten dynamischen Bereich hinsichtlich der Variation der Schichtdicke. Um dieses Problem zu lösen kann man das Vorhandensein von Wasser oder Eis unter Verwendung von mehreren verschiedenen Wellenlängenintervallen erkennen wobei die Erkennung in jedem Intervall eine verlässliche Aussage über das Vorhandensein von Wasser oder Eis für einen gewissen Bereich an Dicke der Substanz gibt. Durch Kombination von Ergebnissen von Messungen in mehreren solcher Intervalle wird eine akzeptable Toleranz hinsichtlich der Schichtdicke erreicht. Unglücklicherweise impliziert das das Erfassen von Reflektionsgraden auf einer vergleichsweise großen Zahl von Wellenlängen, wodurch eine komplexe und daher teure Anlage nötig wird.
US-A-6166645 zeigt ein Gerät zur Erkennung von Eis, das mit zwei Erkennungseinheiten ausgestattet ist von denen eine, von Umwelteinflüssen abgeschirmt, als Referenz dient und die andere die eigentlichen Messungen durchführt. Die zusätzliche Komplexität dient dazu die Einflüsse von Schmutz auf der Apparatur auf das System zu kompensieren. US-A-6166645 legt nicht explizit dar wie die eigentliche Erkennung von Eis durchgeführt wird sonder es wird stattdessen auf vorangegangene Gestaltungen Bezug genommen.
Wellenlängenmodulierte Spektroskopie ist eine besondere Form der Spektroskopie bei der das verwendete Licht bei einer Frequenz f moduliert wird. Nach Interferenz mit einer Substanz, normalerweise ein Gas, führt die Wellenlängenmodulation zu einer Amplitudenmodulation auf Frequenzen, die ein Vielfaches der Wellenlängenmodulationsfrequenz f sind und wobei eines dieser amplitudenmodulierten Signale auf einem dieser Vielfachen von f zur Erkennung verwendet wird. Mit wellenlängenmodulierter Spektroskopie ist es möglich eine höhere Signal-zu-Rausehen Rate zu erreichen als mit anderen spektroskopischen verfahren wodurch es möglich ist Substanzen in geringeren Konzentrationen zu Messen als andernfalls möglich wäre. In US-B1-6,356,350a wird eine Form der wellenlängenmodulierten Spektroskopie gezeigt, bei der Signale gleichzeitig auf mehreren dieser Vielfachen von f gemessen werden und die empfangenen Signale werden verwendet um Eigenschaften von gemessenen Gasen wie Konzentration, Temperatur und Druck zu berechnen. Das Dokument zeigt jedoch kein Verfahren um gleichzeitig die Menge von zwei oder mehr Substanzen mit überlappenden spektralen Eigenschaften mit einer einzelnen gemessenen modulierten Wellenlänge zu messen. Das Dokument zeigt auch keine Methode um Informationen darüber zu erhalten ob eine erkannte Substanz trübe ist oder nicht.
Ein Ziel der Erfindung ist daher auch ein System, ein Verfahren und ein Gerät vorzulegen, welches die oben erwähnten Probleme mit Oberflächeneigenschaftsgeräten eines früheren Stands bewältigt.
Dieses und andere Ziele werden erfüllt von einem System, einem Verfahren und einem Gerät entsprechend den charakterisierenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erkennung des Zustands der Straßenoberfläche entsprechend Claim 1, wobei der Oberflächenzustand trocken, nass oder eisig ist. Das Gerat umfasst ein Reflektionsspektrometer welches die Reflektionseigenschaften der Straße abtastet bei einer oder mehreren Wellenlängen und diese Reflektionseigenschaften verwendet um den Zustand der Straßenoberfläche zu bestimmen. Das Reflektionsspektrometer ist ein wellenlängenmoduliertes Spektrometer, vorzugsweise im nah-infrarot Bereich. Das Gerät kann das Licht wellenlängenmodulieren entweder bevor oder nachdem es die Oberfläche trifft. Das Gerät verwendet Licht mit einer gewählten Wellenlänge, welche wellenlängenmoduliert wird bei der Frequenz f und erkennt die resultierende Amplitudenmodulation bei verschiedenen Frequenzen f und verwendet diese Amplituden der Amplitudenmodulation bei verschiedenen Vielfachen von f um den Zustand der Straßenoberfläche zu erkennen.
Das Gerät kann die Reflektionseigenschaften einer Oberfläche auf mehr als einer Wellenlänge abtasten und die zusätzlichen Informationen über die Reflektionseigenschaften dazu verwenden die Struktureigenschaften des erkannten flüssigen Wassers oder Eis zu bestimmen, z. B. um zu bestimmen ob das Wasser oder Eis klar oder trübe ist. Diese Information über die strukturellen Eigenschaften kann verwendet werden um die Glätte der Oberfläche abzuschätzen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren um den Zustand einer Straßenoberfläche zu bestimmen unter Verwendung von Wellenlängenmodulation entsprechen Claim 4 und weiter auf ein System um einen Oberflächenzustand zu erkennen und einem Benutzer des Systems anzuzeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste Ausführung des Geräts zur Eis- und Wassererkennung.
2 zeigt eine zweite Ausführung des Geräts zur Eis- und Wassererkennung.
3 zeigt eine Ausführung eines Chopperrads, verwendbar in der ersten und zweiten Ausführung.
4 zeigt theoretische Signalwerte für variierende Schichtdicken.
5 zeigt wie verschiedene Signalwertkombinationen zur Abschätzung von verschiedenen Oberflächenzuständen verwendet werden.
6 zeigt theoretische Signalwerte bei verschiedenen Wellenlängen.
7 zeigt theoretische Signalwerte unter Berücksichtigung von Fehlerstellen.
8 zeigt eine dritte Ausführung des Geräts zur Eis- und Wassererkennung.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine erste Ausführung des Geräts zur Eis- und Wassererkennung welche Prismen als Dispersionselemente verwendet. Die Ausführung umfasst einen Lichtstrahlemitter mit geeigneten optischen Eigenschaften, bestehend aus einer Lichtquelle 1 und einem ersten Fokuselement 3 welches einen Teil des Lichts auf eine Apparatur 5 fokussiert. Die Lichtquelle 1 ist schematisch als Glühlampe dargestellt und das erste Fokuselement ist als ein Paar plankonvexer Linsen gezeichnet, aber die wurde nur gewählt um die grundlegende Funktion des Geräts zu illustrieren.
Der divergierende Lichtstrahl der von der Apparatur 5 emittiert wird dann zu einer ersten wellenlängenunterscheidenden Vorrichtung geleitet. In der wellenlängenunterscheidenden Vorrichtung wird der Strahl von einer ersten Linse 7 parallel gerichtet und dann wird das kollimierte Strahlenbündel durch ein erstes dispersives Prisma 9 geleitet. Der durch das Prima geleitete Lichtstrahl wird auf einen großen Wellenlängenbereich gestreut welche dann durch eine zweite Linse 11 auf ein Auswahlelement 13 fokussiert, das nur ausgewählte Segmente des Lichts durchlässt. Das Auswahlelement ist hier als Chopper 24 ausgeführt, gezeigt in 3. Die primäre Funktion des Chopper 24 ist es ausgewählte Teile des Lichts mit kontinuierlichen Wellenlängen weiterzuleiten durch drei nicht-runde Blenden 26, 28, 30. Wenn der Chopper 24 rotiert, verändert sich der Teil der Blenden 26, 28, 30 welche dem Licht ausgesetzt sind, wie durch den Pfeil in der Zeichnung gezeigt, wodurch ein sich verändernder Satz von Wellenlängen die durch den Chopper 24 geleitet werden ausgewählt wird. Drei divergierende Lichtstrahlen die durch den Chopper 24 geleitet werden, werden nochmals durch eine dritte Linse 15 fokussiert und die parallel gerichteten Strahlen gehen in ein zweites dispersives Prisma 17. Unter Verwendung eines zweiten dispersiven Prisma 17 mit identischen Eigenschaften wie das erste dispersive Prisma 9, verlassen die drei kollimierten Strahlenbündel das zweite dispersive Prisma einander überlappend und parallel.
Der Strahl der vom zweiten dispersiven Prisma 17 emittiert wird, wird zum Teil durch einen Strahlenteiler 19 geleitet und trifft die Straßenoberfläche. Licht, dass von der Straßenoberfläche reflektiert wird und den Strahlenteiler 19 trifft wird zum Teil vom Strahlenteiler 19 reflektiert und orthogonal zum ausgehenden Strahl weitergeleitet. Der reflektierte Strahl wird dann von einer vierten Linse 21 auf einen Detektor 23 fokussiert, der das Signal der Straßenoberfläche detektiert.
Der Detektor könnte z. B. ein InGaAs, Ge, InAs, PbS oder ein pyroelektrischer Detektor sein. Der Vorteil pyroelektrischer Detektoren, verglichen mit anderen, sind die geringeren Kosten und ihre flache Spektralantwort aber sie haben einen Detektionsgrad zwei bis vier Größenordnungen kleiner als die anderen Detektorarten. Der totale Lichtdurchsatz des Systems hängt von der Abbeschen Zahl der dispersiven Elemente ab, den Prismen gezeigt in obiger Ausführung. Selbst mit Prismen aus hochdispersiven Materialien im gefragten Wellenlängenbereich, wie Si oder ein Irtran Glas, kann der Lichtdurchsatz unzureichend für den Einsatz von Detektoren mit geringem Detektionsgrad sein.
2 zeigt eine zweite Ausführung des Detektionsgeräts welches anstelle von Prismen reflektive Gitter als Dispersionselemente verwendet, welche eine viel geringere Abbesche Zahl, bzw. eine viel größere relative Dispersion, haben. Die Ausführung umfasst einen Lichtstrahlenemitter identisch zu dem in 1 und das emittierte Licht wird durch ein zweites Fokuselement 8, dargestellt durch ein Paar plankonvexer Linsen, fokussiert. Der fokussierte Strahl passiert in seinem Fokuspunkt über einen ersten Spiegel 2 (positioniert in einer Richtung unter der Zeichenebene der Abbildung) und wird dann zu einem zweiten Wellenlängenauswahlsystem geleitet.
Im zweiten Wellenlängenauswahlsystem wird der Strahl von einer ersten Linse 7 kollimiert und dann wird das kollimierte Strahlenbündel i auf ein reflektierendes Gitter 10 gerichtet. Der Lichtstrahl der vom Gitter reflektiert wird, wird in einen Wellenlängenbereich gestreut, welche durch eine fünfte Linse 12 auf ein Auswahlelement 13, welches nur bestimmte Teile des auf es gerichteten Lichts weiterleitet. Das Auswahlelement 13 ist hier als Chopper 24 dargestellt, gezeigt in 3. Die drei Lichtstrahlen die durch den Chopper geleitet werden, werden von einem zweiten Spiegel 6 zurück durch den Chopper reflektiert, der leicht nach unten geneigt ist (in eine Richtung aus der Zeichenebene), werden dann von der vierten Linse 12 rekollimiert und dann überlappend und parallel vom Gitter 10 zurückreflektiert. Die drei überlappenden Strahlen werden dann von der ersten Linse 7 auf den ersten Spiegel 2 fokussiert, der die Strahlen auf eine sechste Linse 4 reflektiert.
Die sechste Linse 4 kollimiert die Strahlen und richtet sie auf eine Konfiguration die einen Strahlteiler 19, eine vierte Linse 21 und einen Detektor 23 umfasst, identisch zu der in der ersten Ausführung.
Offensichtlich könnte die Ausführung auch alternativ arrangiert sein, mit einem Übertragungsgitter, während eine Konfiguration ähnlich der ersten Ausführung mit zwei Gittern unnötig wäre, durch die potentiell hohe relative Dispersion der Gitter und unpraktisch wegen der hohen Kosten der Gitter. Der größere optische Durchsatz des Systems macht es auf der anderen Seite möglich billigere Detektoren mit geringerem Detektionsgrad zu verwenden.
In dieser Ausführung könnte das Wellenlängenauswahlelement 13 alernativ als ein Satz stimmgabelartiger optischer Chopper ausgeführt sein, welche im Wesentlichen Spiegel sind, die am Ende von elektromechanisch betriebener Stimmgabeln sind. Die Gabel kann eine höhere Resonanzfrequenz haben als ein Drehscheibenchopper und kann, betrieben bei ihrer Resonanzfrequenz, sehr unsensitiv gegenüber Störungen sein. Diese Art von Chopper hat ausserdem eine höhere Lebensdauer, kann aber teuerer sein.
3 zeigt eine Ausführung eines Chopper 24 verwendbar in der ersten und zweiten Ausführung. Die festen Bereiche auf dem Chopper 24 zeigen Blenden im ansonsten nicht transparenten Chopper 24. Ein Teil der unrunden Ringe 26, 28, 30, angezeigt durch Bereich 31 sind was in der Schnittansicht in 2 und 3 als Wellenlängenauswahlelement illustriert ist. Wenn der Chopper rotiert, verändert sich der Abstand der Blenden zur Mittelachse periodisch, mit unterschiedlichen Perioden für die unterschiedlichen unrunden Ringe 26, 28 und 30. Der innerste unrunde Ring 30 bewegt sich drei mal pro Umdrehung hin und her, der nächste Ring 28 viermal und der äußerste fünfmal pro Umdrehung.
Die unrunden Ringe 26, 28, 30 werden daher Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge herausfiltern und, wie sich das Rad 24 dreht, wird das erste Wellenlängenauswahlsystem einen Lichtstrahl emittieren mit drei unterschiedlichen Wellenlängen, jede Wellenlänge moduliert bei drei, vier und fünf mal der Rotationsfrequenz des Rads 24.
Jeder wellenlängenmodulierte Lichtstrahl konstanter Intensität, der wellenlängenabhängige Absorption erfährt wird amplitudenmoduliert bei Frequenzen korrespondierend zu Vielfachen der Wellenlängenmodulationsfrequenz. Das DC Signal wird proportional zum Reflektionsgrad selbst, d. h. die nullte Ableitung der Absorption nach der Wellenlänge, die Größe der Amplitudenmodulation bei der Wellenlängenmodulationsfrequenz wird proportional sein zur Ableitung der Absorption nach der Wellenlänge und die Größe der Amplitudenmodulation beim zweifachen der Wellenlängenmodulationsfrequenz wird proportional sein zur zweiten Ableitung der Absorption nach der Wellenlänge usw.
Da Wasser und Eis Absorptionen mit unterschiedlichen Abhängigkeiten von der Wellenlänge haben, wird ein wellenlängenmodulierter Lichtstrahl, der durch Wasser oder Eis geleitet wird auf unterschiedliche Weise amplitudenmoduliert, was verschiedene Sätze von Amplituden des Grads der Amplitudenmodulation bei verschiedenen Vielfachen der Wellenlängenmodulationsfrequenz verursacht. Unter der Annahme, dass die Wellenlängenabhängigkeit des Reflektionsgrads des Straßenbelags klein oder null ist, d. h. er hat eine Flache Absorptionskurve als Funktion der Wellenlänge, wird dies nur ein vernachlässigbares DC Signal am Detektor verursachen. Wird die Amplitude der Amplitudenmodulation bei der Frequenz, die der Wellenlängenmodulationsfrequenz entspricht mit S₁ bezeichnet und die Amplitude der Amplitudenmodulation bei der Frequenz die dem doppelten der Wellenlängenmodulationsfrequenz entspricht als S₂, so kann die Relation der beiden Amplituden in einem Diagramm diskutiert werden.
Werden S₁ und S₂ auf den x- und y-Achsen des Graphs in 4 entsprechend für verschiedene Eis-(durchgezogene Linie) und Wasser-(gestrichelte Linie)schichtdicken bei einer beliebig gewählten Wellenlänge aufgetragen, so können Kurven ähnlich denen gezeigt in 4 gefunden werden. Für jede Substanz gilt, dass S₁ und S₂ offensichtlich null sind für eine Substanzdicke von null und, wie die Substanzdicke ansteigt, sich vom Ursprung entfernen wie durch die Pfeile auf den Kurven angezeigt. Irgendwann wird die Substanzdicke so groß, dass der Durchsatz durch die Substanz gegen null geht und beide Kurven zum Ursprung zurückkehren. Für eine beliebig gewählte Wellenlänge ist das Verhältnis zwischen S₁ und S₂ nicht fest, so dass die Kurven bogenförmig sind. Dies kann es erschweren Signale zu trennen, die vom Vorhandensein von Eis herrühren von Signalen die vom Vorhandensein von Wasser herrühren zu trennen und wenn die Kurven sich schneiden, ist es für gewisse Dicken überhaupt nicht möglich sie zu trennen.
Durch geeignete Wahl der Wellenlänge zur Abtastung, bleibt das Verhältnis von S₁ und S₂ nahezu fest für jede Schichtdicke und die Bögen sehen fast wie gerade Linien aus, die sich vom Ursprung in unterschiedliche Richtungen erstrecken, wie in 5. Die Abbildung zeigt auch wie unterschiedliche Parameter Bereichssektoren als unterschiedliche Oberflächenzustände interpretiert werden. Ein Bereich DRY (TROCKEN) sich eine geringe Entfernung vom Ursprung erstreckend wird als trockene Straße interpretiert und zwei Sektoren ICE (EIS) und WET (NASS) die sich entlang und diese umschließend den Bögen entsprechend dem Eissignalbogen und dem Wassersignalbogen, werden jeweils als rein vereiste beziehungsweise rein nasse Straßenoberfläche interpretiert. Ein Bereichs MIX der sich zwischen diesen beiden Bereich erstreckt wird als Straßenoberfläche die von einer Mischung von Wasser und Eis bedeckt ist interpretiert. Der Parameterbereich außerhalb dieser vier Bereiche kann z. B. für Fehlererkennung genutzt werden.
Der Radius des kreisförmigen Bereichs DRY in dem die Parameter S₁ und S₂ als eine trockene Oberfläche anzeigend interpretiert werden, wird durch den Grad des Rauschens des Signals bestimmt. Das Rauschen wird durch verschiedene Hintergrundreflektionen, wie z. B. Körnigkeit der Straßenoberfläche, elektrisches Rauschen und andere Faktoren verursacht. Da das Rauschen in S₁ und S₂ unterschiedlich und abhängig sein kann, kann der DRY Bereich in der Praxis eine beliebige andere Form als kreisförmig annehmen und der kreisförmige Bereich hier wurde nur der Einfachheit halber gewählt.
Die Breite der WET und ICE Parameterbereiche wird zum Teil durch Betrachtung des Rauschens gesetzt aber muss auch Faktoren wie Temperatureinflüsse auf die Absorptionskurven für Wasser und Eis beinhalten, und den Salzgehalt der die Absorptionskurve für Wasser beeinflusst. Erhöhter Salzgehalt beeinflusst die Absorptionskurve für Wasser ähnlich einem Temperaturanstieg. Eine Temperaturänderung im Bereich wie unter normalen Umständen vorhanden, ändert die Absorptionskurven etwas, was in der S₁-S₂-Ebene als leicht schräge und andere Verschiebungen der Eis- und Wasserkurve erscheint.
6 zeigt Eis- und Wasser-Parameterkurven für zwei verschiedene Wellenlängen, 33 und 34. Nur zwei Wellenlängen sind gezeigt aus Gründen der Einfachheit, obwohl die erste und zweite Ausführung drei Wellenlängen verwenden. Im Nah-Infrarotbereich können mehrere Wellenlängen gefunden werden für die die Parameterkurven nahezu linear sind, aber für unterschiedliche Wellenlängen können die Kurven unterschiedliche Richtungen und Ausbreitungsentfernungen zum Ursprung haben. Offensichtlich muss dieser Effekt kompensiert werden, durch Verwendung verschiedener Parameterbereiche zur Interpretation der Straßenoberflächeneigenschaften bei verschiedenen Wellenlängen. In der ersten und zweiten Ausführung der Erfindung, werden die Signale, aus denen S₁ und S₂ abgeleitet werden, auf unterschiedlichen Frequenzen moduliert wodurch es einfach wird verschiedenen Regeln zur Oberflächeneigenschaftsinterpretation zu implementieren. Wenn ein Satz von Wellenlängen gefunden wird bei dem die Parameterkurven überlappen, sind unterschiedliche Interpretationsregeln eventuell nicht notwendig und die Modulationsfrequenz bei unterschiedlichen Wellenlängen kann identisch sein, was die Signalverarbeitung vereinfacht.
Vorzugsweise wird der Satz von Wellenlängen so gewählt, dass bei Vorhandensein von klarem Wasser und/oder Eis auf wenigstens einer Wellenlänge ein klares Signal empfangen wird. Das bedeutet, dass für die geringste relevante Substanzdicke ein Signal auf der sensibelsten Wellenlänge empfangen wird, d. h. der Wellenlänge bei der der Absorptionsgrad am höchsten ist, während auf anderen Wellenlängen kein Signal empfangen wird. Wenn die Substanzschichtdicke das Intervall verlässt, in dem die sensibelste Wellenlänge aktiv ist, d. h. wo die Substanz bei dieser Wellenlänge als vollständig untransparent erscheint, wird auf der nächsten Wellenlänge ein Signal empfangen, während die Substanz auf der nächsten Wellenlänge immer noch vollständig transparent erscheint usw. Ein Satz von Wellenlängen sollte daher so gewählt werden, dass jede normalerweise klar erscheinende Substanzschichtdicke erkannt werden kann.
Wenn die Substanz nicht klar ist, gilt das Beer-Lambert Gesetzt nicht und kann durch die Kubelka-Munk Gleichungen ersetzt werden. Unter solchen Bedingungen, auftretend z. B. bei Vorhandensein von verschmutztem Wasser, Eis, Schnee, Frost oder Schlämmen von Wasser/Eis Mischungen, können signifikante Signale auf mehreren Wellenlängen gleichzeitig auftreten. Das kann verwendet werden um Informationen über die strukturellen Eigenschaften der Eis-/Wasser-Schicht auf der Straßenoberfläche abzuleiten. Aus diesen Informationen kann auf die Glätte der Eis-/Wasser-Schicht geschlossen werden, welche dem Benutzer entsprechend der Erfindung präsentiert werden kann.
7 zeigt das Resultat weiterer Fehler in der Anordnung auf die Eis- und Wasser-Parameterkurven. In 4–7 wird angenommen, dass die Wellenängenmodulation keine inhärente residuale Amplitudenmodulation des Signal verursacht, selbst bei Abwesenheit von Wasser oder Eis und die Parameterkurven daher im Ursprung beginnen und enden. Wenn eine solche residuale Amplitudenmodulation auftritt, liegt der Ursprung der Kurven, hier gezeigt für zwei unterschiedliche Wellenlängen 33 und 34 an anderen Positionen in der S₁-S₂-Ebene. Wiederum können solche Fehler durch geeignete Signalverarbeitung kompensiert werden.
8 zeigt eine dritte Ausführung des Erkennungsapparats welcher anstelle eines dispersiven Elements 9, 10, 17 und einem Wellenlängenauswahlelement 13 einen schwenkbaren dielektrischen Filter 14 verwendet. Hier tritt die Wellenlängenmodulation auf nachdem das Licht die Straßenoberfläche getroffen hat und vom Detektionsgerät empfangen wurde. Um das Licht, das vom Lichtstrahlemitter stammt von Hintergrundstrahlung unterscheiden zu können, ist die Blende 5 des Lichtstrahlemitters als Chopper zur Intensitätsmodulierung ausgestaltet. Das Resultat ist, dass amplitudenmoduliertes Licht einer bekannten Frequenz f_A vom Lichtstrahlemitter emittiert wird und von der Hintergrundstrahlung getrennt werden kann. Das amplitudenmodulierte Licht wird dann von einer sechsten Linse 4 kollimiert, teilweise und einen Strahlteiler 19 geleitet, und trifft die Straßenoberfläche.
Licht, dass von der Straßenoberfläche reflektiert wird und den Strahlteiler 19 trifft wird vom Strahlteiler 19 teilweise reflektiert und orthogonal zum ausgehenden Strahl weitergeleitet. Der Strahl wird dann weitergeleitet durch einen dielektrischen Übertragungsfilter 14, der in einem Winkel leicht abweichend vom eingehenden Strahl angebracht ist. Der Filterwinkel wird periodisch verändert und der Filter kann z. B. an einem Galvanometer angebracht sein, das den Filter periodisch um eine Achse orthogonal zur Strahlrichtung schwenkt, wie durch die Pfeile in der Abbildung angezeigt. Der Filter ist so eingerichtet, einen Satz geeigneter Wellenlängen zu übertragen und wenn sich der Filter neigt, verschieben sich diese Wellenlängen. Indem der Filter vibriert wird, wird der Strahl der durch den Filter übertragen amplitudenmoduliert entsprechend der Vibrationsfrequenz des Filters. Durch geeignete Signalverarbeitung wie unten gezeigt, können die Absorptionseigenschaften der Straßenoberfläche abgeleitet werden. Der Strahl wird endlich durch eine vierte Linse 21 auf einen Detektor 23 fokussiert.
In dieser Ausführung werden die Signalparameter von Interesse, S₁ und S₂ nicht bei der Wellenlängenmodulationsfrequenz fA, und dem doppelten dieser Frequenz 2f_A, gefunden sondern bei f_A +– f_Lambda und bei f_A +– 2f_Lambda. Durch geeignete Wahl von f_A und f_Lambda, können f_A +– f_Lambda und f_A +– 2f_Lambda bei günstigen geringen Frequenzen gefunden werden, was den Einsatz günstiger, langsamer Detektoren ermöglicht. Währenddessen wird Rauschen auftretend als Resultat der Körnigkeit der Straßenoberfläche bei f_A aufgenommen, was die Wahl von f_A bei einer niedrigen Rauschfrequenz ermöglicht.
In dieser Ausführung gibt es keinen direkten Weg Signale unterschiedlicher Wellenlänge zu trennen indem man sie bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen aufnimmt, da alle Wellenlängen bei derselben Frequenz f_Lambda moduliert werden. Das impliziert, dass Situationen wie in 6 und 7 beschrieben schwierig zu handhaben sein können. Außerdem ist es nicht möglich Informationen über die strukturellen Eigenschaften der Wasser/Eis Schicht unter Verwendung oben beschriebener Methode abzuleiten. Alle gezeigten Ausführungen sollten immer nur als Veranschaulichung betrachtet werden und nicht als Einschränkung.
In den oben gezeigten Beispielen wird auf den Oberflächenzustand geschlossen indem die Reflektionseigenschaften bei zwei oder drei Wellenlängen gemessen werden aber offensichtlich kann eine beliebige Zahl an Wellenlängen verwendet werden. Des Weiteren werden nur die Signale S₁ und S₂ diskutiert aber offensichtlich können S₀ und S₃, S₄, ... usw. verwendet werden um den Algorithmus zur Identifikation der Oberflächeneigenschaften zu unterstützen.
Die drei gezeigten Ausführungen haben einen Lichtstrahlemitter 1, 3, 5 und ein Wellenlängenauswahlsystem, wobei Letzteres dazu dient geeignete Wellenlängen auszuwählen und zu wellenlängenmodulieren bevor oder nachdem der Strahl von der Straßenoberfläche reflektiert wurde. Der Lichtstrahlemitter kann eine Glühlampe sein, ein LED oder, wenn ausreichend Hintergrundlicht vorhanden ist gänzlich eliminiert werden. Wellenlängen selektive Systeme die Prismen, Gitter oder dielektrische Filter verwenden wurden gezeigt aber es sind auch andere Lösungen möglich, z. B. akusooptische Modulatoren die eine viel höhere Modulationsfrequenz haben als jede mechanische Lösung. Alternativ kann der Lichtstrahlemitter und das Wellenlängenselektionssystem in eine einzelne funktionale Einheit integriert werden unter Verwendung einer wellenlängenmodulierten Laserquelle.
Das Erkennungsgerät kann in einem Fahrzeug untergebracht werden, so dass es Eis oder Wasser unter dem Fahrzeug erkennen aber alternativ auch nach vorne zeigend um dem Fahrer im Vorfeld eine Warnung bezüglich einem kommenden nassen oder vereisten Fahrbahnabschnitt zu geben. In ein solches nach vom zeigendes Gerät können andere Funktionalitäten integriert werden, z. B. ein System das der Straße in Kurven folgt oder das zwei oder mehr Erkennungsgebiete hat, eins näher am Fahrzeug und das andere weiter weg.
Das Erkennungsgerät ist als Teil eines Systems zur Erkennung des Fahrbahnzustands gedacht, das einen Straßenoberflächenindikator beinhaltet und vorzugsweise im Fahrzeug angebracht ist. Der Straßenoberflächenindikator zeigt den aktuellen Fahrbahnzustand und kann bei plötzlichen Änderungen dieser warnen.
Obwohl die Erfindung anhand einer Zahl vorgezogener Ausführungen beschrieben wurde, muss verstanden werden, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können ohne den Rahmen der Erfindung, wie er durch die Patentansprüche definiert ist, zu verlassen. Eine solche Modifikation ist die Verwendung der Erfindung zur Erkennung von Oberflächeneigenschaften anderer Objekte als Straßen.

Claims

Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflächen, die ein Reflektanz-Spektrometer basiert auf Wellenlängenmodulation umfasst, das die Lichtwellenlänge mit der Frequenz f moduliert, wobei das genannte Reflektanz-Spektrometer die ergebene Amplitudenmodulation an mehr als einem einzelnen Multipel der besagten Frequenz f detektieren kann (23) und weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß es für die Messung von Reflektanzeigenschaften einer Fahrbahnoberfläche an mindestens einer fixen Zentralwellenlänge eingerichtet ist, und die besagte Eigenschaften für die Bestimmung des Vorhandenseins von mindestens einem von flüssigem Wasser oder Eis verwendet.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Reflektanz-Spektrometer eine wellenlängenunterscheidende Vorrichtung umfaßt und dafür eingerichtet ist, Licht von mindestens einer Wellenlänge auszuwählen und zu modulieren, wobei die besagte wellenlängenunterscheidende Vorrichtung mindestens einen der Bestandteilen Chopper (24), optischer Stimmgabelchopper, dispersives Prisma (9), Gitter (6), akustischoptischer Modulator oder dielektrischer Filter (14) umfaßt.
Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Reflektanz-Spektrometer einen wellenlängenmodulierten Laser umfaßt.
Eine Methode zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflächen, die besagte Methode verwendet Reflektionsspektrometrie basiert auf Wellenlängenmodulation, wobei die Lichtwellenlänge mit der Frequenz f moduliert wird und die sich hieraus ergebene Amplitudenmodulation an mehr als einem einzelnen Multipel der besagten Frequenz f detektiert wird und weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, das besagte Methode Reflektanzspektrometrie basiert auf Wellenlängenmodulation für Messung von Reflektanzeigenschaften einer Fahrbahnoberfläche an mindestens einer fixen Zentralwellenlänge benutzt, und die besagte Eigenschaften für die Bestimmung des Vorhandenseins von mindestens einem von flüssigem Wasser oder Eis verwendet.
Eine Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von besagten mindestens einer Wellenlänge vor der Reflektion an der besagten Oberfläche wellenlängenmoduliert ist.
Eine Methode nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von besagten mindestens einer Wellenlänge nach der Reflektion an der besagten Oberfläche wellenlängenmoduliert ist.
Eine Methode nach irgendeinem der Ansprüche 4–6, dadurch gekennzeichnet, daß Licht von besagten mindestens einer Wellenlänge auch intensitätsmoduliert ist.
Eine Methode nach irgendeinem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Methode die Reflektanzeigenschaften einer Oberfläche an mehr als einer einzigen Wellenlänge mißt.
Eine Methode nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Methode Reflektanzeigenschaften an den mehr als einer einzigen Wellenlängen dafür verwendet, Struktureigenschaften vom detektierten flüssigen Wasser oder Eis zu bestimmen.
Ein System zur Bestimmung und Anzeigen des Zustands einer Fahrbahnoberfläche, die ein Anzeigegerät für den Zustand der Fahrbahnoberfläche, festgelegt von einem Gerät für die Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche, umfaßt, und weiterhin dadurch gekennzeichnet ist, daß besagte Gerät für Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche nach irgendeinem der Ansprüche 1–3 ist.