EP3222487B1 - Erfassung eines bewegten objekts aus seinem schattenwurf - Google Patents

Erfassung eines bewegten objekts aus seinem schattenwurf Download PDF

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EP3222487B1
EP3222487B1 EP16161741.0A EP16161741A EP3222487B1 EP 3222487 B1 EP3222487 B1 EP 3222487B1 EP 16161741 A EP16161741 A EP 16161741A EP 3222487 B1 EP3222487 B1 EP 3222487B1
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EP
European Patent Office
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sensor
illumination unit
image
image sensor
light beam
Prior art date
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Active
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EP16161741.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3222487A1 (de
Inventor
Herr Siegfried Ringwald
Matthias Ackermann
Frank Blöhbaum
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Sick AG
Original Assignee
Sick AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Sick AG filed Critical Sick AG
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Publication of EP3222487A1 publication Critical patent/EP3222487A1/de
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Publication of EP3222487B1 publication Critical patent/EP3222487B1/de
Active legal-status Critical Current
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/02—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/02—Profile gauges, e.g. loading gauges
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
    • G08G1/01—Detecting movement of traffic to be counted or controlled
    • G08G1/04—Detecting movement of traffic to be counted or controlled using optical or ultrasonic detectors
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08G—TRAFFIC CONTROL SYSTEMS
    • G08G9/00—Traffic control systems for craft where the kind of craft is irrelevant or unspecified

Definitions

  • the invention relates to an optoelectronic sensor for detecting a moving object and to a method for detecting an antenna or other narrow object moving along with a vehicle according to the preamble of claims 1 and 13.
  • the over-height control of vehicles is a particularly demanding application for optoelectronic sensors.
  • the basic task is to detect the presence of a moving object in a surveillance area. This becomes difficult with very narrow objects and high speeds.
  • An instructive example is the detection in the current train traffic, whether in a loaded on a train vehicle, the antenna towers too high, because that can lead to serious damage by touching the overhead lines.
  • a known procedure for the detection of excessive height injuries in traffic is based on in the monitored height mutually aligned double light barriers on both sides of the road or track.
  • the two light barriers are triggered in succession when passing through a vehicle of corresponding height or on an object loaded on the vehicle.
  • the light barriers are configured so that they do not trigger on small objects such as raindrops or snowflakes.
  • the detection times of the individual light barriers are plausibilized with a movement pattern derived from typical vehicle speeds.
  • the light barrier can only distinguish between snow and rain interference from larger objects.
  • an analogous structure can be used, but instead of the simple photodiode of a light barrier, a camera is used.
  • a bright laser diode illuminates the camera and thus casts an object shadow when an object to be detected passes through the transmitted light beam. This shadow can be analyzed by image analysis and thus the object can be detected.
  • an optoelectronic sensor for detecting a moving object as well as a method for detecting a moving along with a vehicle antenna or other narrow object according to claim 1 or 13.
  • the basic structure according to the invention remains similar to a light barrier, but a spatially resolving line or matrix-shaped image sensor is used instead of a simple photodiode which is illuminated by a lighting unit. Accordingly, a beam interruption is not simply detected, but the image of the image sensor or an image sequence is analyzed in an image evaluation process.
  • the invention is based on the basic idea of using a plurality of individual light sources with an aperture arrangement for illumination, which passes only part of the transmitted light beam.
  • the individual light sources ensure a certain mixing of their respective individual light beams, so that the transmitted light beam has no or at least significantly less coherence.
  • the diaphragm arrangement effectively cuts out a particularly homogeneous partial beam from the transmitted light beam and uses only this partial beam for detection.
  • the invention has the advantage that no or at least less interference patterns are recorded with the image sensor. Diffraction patterns such as speckle effects and others, which can be mistaken for a small object to be detected in the shadow image, are produced in the case of the conventionally used individual lasers.
  • the diaphragm arrangement ensures that the effectively effective transmitted light beam is particularly homogeneous and thus a stray-light-resistant, constant intensity is achieved on the side of the image sensor. This again makes the detection of small objects easier, and also provides some robustness to shocks.
  • the invention achieves independence from the radiation characteristic as a whole, because it only depends on the selected by the aperture arrangement cut.
  • the transmitted light were as conventionally coherent, additional interference effects would result in interaction with the diaphragm.
  • the individual light sources are preferably not monochromatic, so that a certain spectral width is created. Overall, a much more reliable image analysis is possible, which increases the recognition accuracy significantly, especially in poor weather conditions.
  • the illumination unit preferably has a VCSEL array.
  • a compact lighting module meets the requirements in terms of characteristics such as spectral width, radiation characteristics, mixing, efficiency, optical output and longevity.
  • the individual light sources are the individual VSCELs.
  • the subregion is preferably a middle region.
  • the selected by the aperture arrangement sub-beam of the transmitted light beam of the illumination unit is thus cut out of the middle.
  • particularly homogeneous properties are more likely to be expected there than in peripheral areas.
  • the aperture arrangement preferably passes only 50%, 20%, 10% or 5% of the transmitted light beam.
  • a particularly homogeneous region is selected, in particular a narrow part of the approximate central plateau of a Gaussian emission characteristic, and accepted for the fact that most of the optical output power in the diaphragm arrangement is lost.
  • the invention has recognized, however, that it can be better, too Only a few percent of the light output to get along, if there are no parasitic effects, but the image sensor is illuminated very evenly.
  • An arrangement of individual light sources, in particular a VCSEL array provides enough light, so that the small amount used is sufficient.
  • the diaphragm arrangement preferably has a plurality of diaphragms arranged one behind the other.
  • the lighting unit is preferably operated below its maximum power.
  • the energization can also be limited significantly below the maximum power, for example, at most 50% or at most 25% of the maximum power.
  • the initial Gaussian radiation characteristic forms a double Gauss curve as the maximum power is approached. So there is an intensity minimum in the middle range.
  • the aperture arrangement passes only the center area, the higher optical output power does not affect the detection, because the resulting minimum and the rising level of the optical output power cancel each other at least partially.
  • the invention has thus recognized that an output power close to the maximum power would only increase the intercepted light in the aperture, but not the useful light.
  • the operation of the lighting unit far below the maximum power has a positive effect on consumption, efficiency, waste heat and life anyway.
  • the lighting unit preferably has a mixer. This is, for example, a hexagonal mixer. A thorough mixing of the individual light beams of the individual light sources ensures additional homogenization and destruction of coherences.
  • Lighting unit and image sensor are preferably spaced several meters apart. This corresponds to a typical road or rail width or a multiple thereof, in order to monitor several lanes or tracks at the same time. The greater the distance, the more important the advantages of the illumination unit according to the invention are, in order to still allow a sufficient, high-quality illumination of the image sensor.
  • the object to be detected is preferably an antenna or another narrow object with dimensions of a few millimeters in at least one direction.
  • a powerful sensor can detect even large objects.
  • the peculiarity of the invention is the possibility of reliable detection of objects that are very small in at least one dimension.
  • An antenna has a typical diameter of 1-2 mm and is nevertheless reliably detected.
  • the object to be detected preferably moves with at least some 10 km / h.
  • the invention thus enables detection on moving vehicles on a track or trains on a track that reach speeds of 120 km / h and more.
  • the sensor is preferably mounted for over-height control of a vehicle stationary on a track or a roadway.
  • the lighting unit is mounted on one side and the image sensor on the other side of the road or the track.
  • the surveillance area can also cover several lanes or tracks.
  • the image sensor is preferably designed as a high-speed camera with a recording frequency of several thousand images per second. This ensures that even a fast-moving object is captured in at least one image, better several images of a sequence of images.
  • the sensor is preferably designed as a double system with two illumination units, two image sensors and a double evaluation of the shadow cast on both image sensors.
  • the two systems are aligned parallel or crosswise. This can significantly increase reliability because both subsystems should detect an object with plausible distances, while a jamming object is typically detected only at one or the wrong time interval.
  • a crossover system is particularly reliable because it can compensate for asymmetric effects such as an interfering light source.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of an optoelectronic sensor 10, which is mounted on a track 14 for over-height detection of a train 12.
  • the actual function is not the technically relatively unpretentious detection of the train 12, but a small or at least narrow object such as the antenna 16, which is moved with the train 12.
  • the representation is not practical in that the train 12 itself usually does not use an upwardly projecting antenna 16.
  • the antenna 16 is thus representative and more symbolic of a moving object, such as an antenna of a vehicle loaded on the train 12.
  • a moving object such as an antenna of a vehicle loaded on the train 12.
  • a corresponding monitoring of vehicles on a road is also conceivable, or a comparable detection task, for example in an automated warehouse or a production facility.
  • the sensor 10 has on one side of the track 14 a lighting unit 18 with a diaphragm arrangement 20 and opposite on the other side of the track a high-speed camera 22 with an image sensor 24 and an evaluation unit 26.
  • the internal evaluation unit 26 can be replaced or supplemented by an external computer.
  • the illumination unit 18 illuminates the image sensor 24 with its transmitted light beam.
  • the acquisition frequency must be high enough to at realistic speeds of the train 12 of 120 km / h and more at least one, preferably multiple images with the shadow of the antenna 16 to capture. This requires several thousand images per second, for example 24,000 images per second.
  • the evaluation unit 26 evaluates the images on shadows of the antenna 16 out.
  • a reference image may be previously recorded with free monitoring image 28 and taken into account, for example, by subtraction.
  • An image of typical objects to be detected, ie in particular with the shadow of an antenna 16, can also be stored in the evaluation unit in support of the object recognition. If an impermissible height is detected, for example by detecting the antenna 16, then a corresponding signal is output, which then leads, for example, to stopping the train 12.
  • the high speed of the trains 12, which is met by appropriate frequency recording, is not the only difficulty of detection.
  • the illumination unit 18 must be sufficiently bright to illuminate the image sensor 24 with sufficient intensity and cast a reliably evaluable shadow of the antenna 16. This is conventionally done by a high power laser focused on the receiving area of the high speed camera 22. Due to the monochromatic and coherent nature of the laser diode, however, diffraction effects occur at the source and at the object to be detected. This leads to patterns in the recorded images, which prevent a reliable evaluation of the shadow of objects to be detected. In addition, the laser diode must be precisely aligned with the high-speed camera 22, because their radiation pattern drops rapidly towards the sides and therefore not enough light arrives even with comparatively low misalignment or vibration.
  • FIG. 2 shows a sectional view of an embodiment of the illumination unit 18 according to the invention, which solves these problems.
  • a plurality of individual light sources 18a is used.
  • a VCSEL array which unlike schematically can also have many hundreds or thousands of individual emitters.
  • the arrangement of the individual light sources 18a unlike a conventionally used monochromatic edge emitter at least a certain spectral width of a few nm.
  • the coherence in the transmitted light beam 30 is destroyed by superposition and mixing of the individual light sources 18a, which of course does not preclude a certain residual coherence.
  • This effect can be supported and enhanced by an upstream mixer, such as a hexagonal mixer.
  • the mode-related phase noise is reduced. Overall, less and preferably as good as no diffraction effects occur more.
  • FIG. 2 shows an exemplary arrangement of four apertures 20a-d. The number, the different apertures and the distances of the panels 20a-d may vary depending on the specific application.
  • the effect of the diaphragm arrangement 20 is that only a partial beam of the originally emitted transmitted light beam 30a is actually used as the transmitted light beam 30 for the illumination of the monitoring area 28. This is preferably a middle partial beam.
  • the Abtstrahl characterizing the plurality of light sources 18a originally does not provide as desired for a homogeneous light distribution. With the diaphragm assembly 20, a small portion of the emitted light is cut out, which corresponds to very high homogeneity requirements. In particular, the central area of, for example, the Gaussian radiation characteristic comes into consideration, which can almost be regarded as a plateau.
  • the diaphragm arrangement 20 can be very selective and allow only a small fraction of the emitted light to pass through as useful light of the transmitted light beam 30, which offers a particularly high beam quality for this purpose. In a concrete setup, 97% of the light was hidden.
  • the useful light component can generally be at most 50%, 20%, 10%, 5% or even less.
  • the optional diaphragm arrangement 20 can additionally ensure that a low-scatter partial beam with a virtually constant intensity distribution is used, which is robust against at least some misalignment and vibrations, for example due to passing trains. Overall, a significantly improved Image that allows reliable detection of a shadow cast by an antenna 16 or other object to be detected.
  • a VCSEL array for the individual light sources 18a results in a further advantage because, according to the invention, it can be operated significantly below its maximum power. This is not possible with the conventional high-power laser, because if it were operated at reduced power even more disturbing spot inhomogeneities through phase coherence and mode characteristics would occur. With regard to consumption, waste heat and life, however, an operating point is favorable, for example, at only 50% of the maximum power. Typical maximum currents for a VCSEL array are 4.5 - 8A, so that an operating point at 2 - 4A can be selected accordingly.
  • the VCSEL array When choosing the operating point, another train of thought plays a role. Above a certain current supply, for example in the region of 2A, the VCSEL array changes its emission characteristic, which is then no longer Gaussian, but forms a double Gauss curve with a central minimum, which becomes more and more pronounced with further increasing current supply. Since the aperture arrangement 20 preferably selects precisely this subarea of the resulting minimum of the emission characteristic, the higher power of the VCSEL array above the described operating point causes only little or even counterproductive because the additional light output in the aperture arrangement 20 is lost.
  • Figure 3a-b shows an exemplary shadow of an antenna of about 1.5 mm diameter in the image of the high-speed camera 22. It is FIG. 3a an XY curve of intensity in gray scale and FIG. 3b a section showing the intensity curve in the X direction. In FIG. 3a There are no disturbing diffraction patterns or inhomogeneous light patterns. The shadow of the antenna 16 is therefore very clear to identify. The same applies to the pronounced and only minimum in the sectional view FIG. 3b ,

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zum Erfassen eines bewegten Objekts sowie ein Verfahren zum Erfassen einer mit einem Fahrzeug mitbewegten Antenne oder eines anderen schmalen Objekts nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 13. Die Überhöhenkontrolle von Fahrzeugen ist eine besonders anspruchsvolle Anwendung für optoelektronische Sensoren. Die Grundaufgabe besteht darin, die Anwesenheit eines bewegten Objekts in einem Überwachungsbereich zu erkennen. Schwierig wird dies bei sehr schmalen Objekten und hohen Geschwindigkeiten. Ein instruktives Beispiel ist die Erkennung im laufenden Zugverkehr, ob bei einem auf einen Zug verladenen Fahrzeug die Antenne zu hoch hinaufragt, denn das kann durch Berührung der Oberleitungen zu schweren Schäden führen.
  • Eine bekannte Vorgehensweise für die Erkennung von Überhöhenverletzungen im Verkehr basiert auf in der zu überwachenden Höhe gegeneinander ausgerichteten Doppellichtschranken zu beiden Seiten der Fahrbahn beziehungsweise Gleise. Die beiden Lichtschranken werden bei Passieren eines entsprechend hohen Fahrzeugs oder auf dem Fahrzeug geladenen Objekts nacheinander ausgelöst. Um eine gewisse Robustheit gegenüber Witterungsbedingungen zu erzielen, werden die Lichtschranken so konfiguriert, dass sie bei kleinen Objekten wie Regentropfen oder Schneeflocken nicht auslösen. Außerdem werden die Detektionszeitpunkte der einzelnen Lichtschranken mit einem Bewegungsmuster plausibilisiert, das sich aus typischen Fahrzeuggeschwindigkeiten ableitet.
  • Mit solchen Doppellichtschranken lassen sich nur größere Objekte beispielsweise mit Durchmesser >40 mm zuverlässig erkennen. Die Lichtschranke kann Störungen durch Schnee und Regen nur von größeren Objekten unterscheiden.
  • Für kleine Objekte kann ein analoger Aufbau verwendet werden, wobei aber statt der einfachen Photodiode einer Lichtschranke eine Kamera eingesetzt wird. Eine lichtstarke Laserdiode leuchtet in die Kamera und wirft so einen Objektschatten, wenn ein zu detektierendes Objekt durch den Sendelichtstrahl tritt. Dieser Schattenwurf kann durch Bildauswertung analysiert und damit das Objekt erfasst werden.
  • Allerdings ergibt sich hierbei immer noch ein Problem, weil auch das Bild ohne Objekt keineswegs ungestört ist und das zu erfassende kleine oder schmale Objekt nicht zuverlässig genug von Unregelmäßigkeiten unterschieden werden kann. Die Fehlerrate bleibt deshalb höher als erwünscht. Dabei erlaubt die erläuterte Anwendung wenig Toleranzen, da eine übersehene Antenne schwere Unfallschäden und umgekehrt ein Fehlalarm einen gravierenden Eingriff in den Verkehrsablauf nach sich zieht. Das Dokument DE 20 2013 101 578 U1 zeigt einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Daher ist Aufgabe der Erfindung, die Erkennung von bewegten Objekten in einer gattungsgemäßen Anordnung zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zum Erfassen eines bewegten Objekts sowie ein Verfahren zum Erfassen einer mit einem Fahrzeug mitbewegten Antenne oder eines anderen schmalen Objekts nach Anspruch 1 beziehungsweise 13 gelöst. Der erfindungsgemäße Grundaufbau bleibt ähnlich einer Lichtschranke, wobei jedoch ein ortsauflösender zeilen- oder matrixförmiger Bildsensor anstelle einer einfachen Photodiode verwendet wird, der von einer Beleuchtungseinheit ausgeleuchtet ist. Dementsprechend wird nicht einfach eine Strahlunterbrechung detektiert, sondern das Bild des Bildsensors oder eine Bildsequenz in einem Bildauswertungsverfahren analysiert. Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, zur Beleuchtung eine Vielzahl von Einzellichtquellen mit einer Blendenanordnung zu verwenden, die aus dem Sendelichtstrahl nur einen Teil passiert. Die Einzellichtquellen sorgen für eine gewisse Durchmischung ihrer jeweiligen Einzellichtstrahlen, so dass der Sendelichtstrahl keine oder jedenfalls deutlich weniger Kohärenz aufweist. Die Blendenanordnung schneidet quasi einen besonders homogenen Teilstrahl aus dem Sendelichtstrahl heraus und verwendet nur diesen Teilstrahl für die Erkennung.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass mit dem Bildsensor keine oder jedenfalls weniger Interferenzmuster aufgenommen werden. Bei den herkömmlich verwendeten Einzellasern entstehen nämlich Beugungsmuster wie Speckle-Effekte und andere, die im Schattenwurfsbild mit einem zu detektierenden kleinen Objekt verwechselt werden können. Außerdem sorgt in der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit die Blendenanordnung dafür, dass der effektiv wirksame Sendelichtstrahl besonders homogen ist und damit auf Seiten des Bildsensors eine streulichtarme, konstante Intensität erreicht wird. Das macht erneut die Erkennung kleiner Objekte leichter, und außerdem schafft es auch eine gewisse Robustheit gegenüber Erschütterungen. Damit erreicht die Erfindung eine Unabhängigkeit von der Abstrahlcharakteristik als Ganzes, weil es nur noch auf deren durch die Blendenanordnung gewählten Ausschnitt ankommt.
  • Wäre das Sendelicht wie herkömmlich kohärent, würden sich im Übrigen im Zusammenspiel mit der Blende noch zusätzliche Interferenzeffekte ergeben. Die Einzellichtquellen sind vorzugsweise nicht monochromatisch, so dass auch eine gewisse spektrale Breite entsteht. Insgesamt wird eine wesentlich zuverlässigere Bildauswertung ermöglicht, die gerade bei schlechten Witterungsbedingungen die Erkennungsgenauigkeit deutlich steigert.
  • Die Beleuchtungseinheit weist bevorzugt ein VCSEL-Array auf. Ein derartiger kompakter Beleuchtungsbaustein erfüllt die Anforderungen im Hinblick auf Eigenschaften wie spektrale Breite, Abstrahlcharakteristik, Durchmischung, Wirkungsgrad, optische Ausgangsleistung und Langlebigkeit. Die Einzellichtquellen sind die einzelnen VSCEL.
  • Der Teilbereich ist bevorzugt ein Mittenbereich. Der durch die Blendenanordnung ausgewählte Teilstrahl des Sendelichtstrahls der Beleuchtungseinheit wird also aus der Mitte ausgeschnitten. Dort sind aus Symmetriegründen besonders homogene Eigenschaften eher zu erwarten als in Randbereichen.
  • Die Blendenanordnung lässt bevorzugt nur 50 %, 20 %, 10 % oder 5 % des Sendelichtstrahls passieren. Es wird also ein besonders homogener Bereich selektiert, insbesondere ein schmaler Teil des näherungsweisen zentralen Plateaus einer gaussischen Abstrahlcharakteristik, und dafür in Kauf genommen, dass der Großteil der optischen Ausgangsleistung in der Blendenanordnung verlorengeht. Das erscheint auf den ersten Blick paradox, weil für die anspruchsvolle Erfassungsaufgabe eine lichtstarke Beleuchtung benötigt wird. Die Erfindung hat aber erkannt, dass es besser sein kann, mit auch nur wenigen Prozent der Lichtleistung auszukommen, wenn es dafür keine Störeffekte gibt, sondern der Bildsensor sehr gleichmäßig ausgeleuchtet ist. Eine Anordnung von Einzellichtquellen, insbesondere ein VCSEL-Array, stellt genug Licht zur Verfügung, so dass auch der kleine genutzte Anteil ausreicht.
  • Die Blendenanordnung weist bevorzugt mehrere hintereinander angeordnete Blenden auf. Durch Wahl geeigneter Blenden und Blendenabstände kann besonders genau ein nur kleiner zentraler Teilstrahl selektiert und Streulicht unterdrückt werden. Die Alternative mit nur einer einfachen Blende ist aber zunächst nicht ausgeschlossen.
  • Die Beleuchtungseinheit wird bevorzugt unterhalb ihrer Maximalleistung betrieben. Die Bestromung kann auch deutlich unter die Maximalleistung beispielsweise bei höchstens 50 % oder höchstens 25 % der Maximalleistung begrenzt sein. Bei einem VCSEL-Array ist es nämlich so, dass mit Annäherung an die Maximalleistung die zunächst gaussische Abstrahlcharakteristik eine doppelte Gausskurve ausbildet. Es entsteht also ein Intensitätsminimum im Mittenbereich. Wenn nun die Blendenanordnung nur den Mittenbereich durchlässt, so wirkt sich die höhere optische Ausgangsleistung gar nicht auf die Erfassung aus, weil das entstehende Minimum und der ansteigende Pegel der optischen Ausgangsleistung einander zumindest teilweise aufheben. Die Erfindung hat also erkannt, dass eine Ausgangsleistung nahe an der Maximalleistung nur das in den Blenden abgefangene seitliche Licht ansteigen ließe, nicht jedoch das Nutzlicht. Der Betrieb der Beleuchtungseinheit weit unterhalb der Maximalleistung wirkt sich auf Verbrauch, Wirkungsgrad, Abwärme und Lebensdauer ohnehin nur positiv aus.
  • Die Beleuchtungseinheit weist bevorzugt einen Mischer auf. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Hexagonalmischer. Eine Durchmischung der Einzellichtstrahlen der Einzellichtquellen sorgt für eine zusätzliche Homogenisierung und Zerstörung von Kohärenzen.
  • Beleuchtungseinheit und Bildsensor sind bevorzugt mehrere Meter voneinander beabstandet. Das entspricht einer typischen Fahrbahn- oder Schienenbreite beziehungsweise einem Vielfachen davon, um mehrere Fahrbahnen oder Gleise zugleich überwachen zu können. Je größer der Abstand ist, desto mehr kommt es auf die Vorteile der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit an, um immer noch eine ausreichende, qualitativ hochwertige Ausleuchtung des Bildsensors zu ermöglichen.
  • Das zu erfassende Objekt ist bevorzugt eine Antenne oder ein anderes schmales Objekt mit Abmessungen von wenigen Millimetern in zumindest einer Richtung. Natürlich kann ein leistungsfähiger Sensor auch große Objekte erkennen. Die Besonderheit der Erfindung ist aber die Möglichkeit einer zuverlässigen Erkennung von Objekten, die in mindestens einer Dimension sehr klein sind. Eine Antenne hat einen typischen Durchmesser von 1-2 mm und wird dennoch sicher erkannt.
  • Das zu erfassende Objekt bewegt sich vorzugsweise mit zumindest einigen 10 km/h. Die Erfindung ermöglicht so die Erkennung an bewegten Fahrzeugen auf einer Fahrbahn oder Zügen auf einem Gleis, die Geschwindigkeiten von 120 km/h und mehr erreichen.
  • Der Sensor ist bevorzugt zur Überhöhenkontrolle von einem Fahrzeug stationär an einem Gleis oder einer Fahrbahn montiert. Dabei wird die Beleuchtungseinheit auf der einen Seite und der Bildsensor auf der anderen Seite der Fahrbahn oder des Gleises montiert. Der Überwachungsbereich kann auch mehrere Fahrbahnen oder Gleise überstreichen.
  • Der Bildsensor ist vorzugsweise als Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Aufnahmefrequenz von mehreren tausend Bildern pro Sekunde ausgebildet. Dadurch ist sichergestellt, dass auch ein schnell bewegtes Objekt in mindestens einem Bild, besser mehreren Bildern einer Bildsequenz erfasst ist.
  • Der Sensor ist bevorzugt als doppeltes System mit zwei Beleuchtungseinheiten, zwei Bildsensoren und einer doppelten Auswertung des Schattenwurfs auf beiden Bildsensoren ausgebildet. Die beiden Systeme sind parallel oder überkreuz ausgerichtet. Dadurch kann die Zuverlässigkeit erheblich erhöht werden, weil beide Teilsysteme ein Objekt mit plausiblen Abständen erkennen sollten, während ein Störobjekt typischerweise nur einfach oder im falschen zeitlichen Abstand erfasst wird. Ein überkreuz angeordnetes System ist besonders zuverlässig, weil es asymmetrische Effekte wie beispielsweise eine Störlichtquelle kompensieren kann.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
  • Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittzeichnung eines an einem Gleis montierten optoelektronischen Sensors zur Antennendetektion auf einem fahrenden Zug;
    Fig. 2
    eine Schnittdarstellung einer Beleuchtungseinheit mit mehreren Lichtquellen und einer Blendenanordnung sowie des damit erzeugten Sendelichtstrahls;
    Fig. 3a
    ein Beispielbild eines mit dem Bildsensor des optoelektronischen Sensors aufgenommenen Schattenwurfs einer Antenne; und
    Fig. 3b
    ein Intensitätsverlauf als Schnitt durch das Beispielbild nach Figur 3a.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Schnittzeichnung eines optoelektronischen Sensors 10, der zur Überhöhendetektion eines Zuges 12 an einem Gleis 14 montiert ist. Die eigentliche Funktion ist nicht die technisch vergleichsweise anspruchslose Erfassung des Zuges 12, sondern eines kleinen oder zumindest schmalen Objekts wie der Antenne 16, die mit dem Zug 12 mitbewegt ist. Die Darstellung ist insofern nicht praxisnah, als der Zug 12 selbst üblicherweise keine nach oben ragende Antenne 16 verwendet.
  • Die Antenne 16 steht also stellvertretend und eher symbolisch für ein mitbewegtes Objekt, beispielsweise eine Antenne eines auf dem Zug 12 verladenen Fahrzeugs. Anstelle der gezeigten Montage des Sensors 10 an einem Gleis 14 ist auch eine entsprechende Überwachung von Fahrzeugen auf einer Straße denkbar, oder eine vergleichbare Erfassungsaufgabe beispielsweise in einem automatisierten Lager oder einer Fertigungsanlage.
  • Der Sensor 10 weist auf der einen Seite des Gleises 14 eine Beleuchtungseinheit 18 mit einer Blendenanordnung 20 und gegenüberliegend auf der anderen Seite des Gleises eine Hochgeschwindigkeitskamera 22 mit einem Bildsensor 24 und einer Auswertungseinheit 26 auf. Die interne Auswertungseinheit 26 kann durch einen externen Computer ersetzt oder ergänzt werden.
  • Die Beleuchtungseinheit 18 beleuchtet mit ihrem Sendelichtstrahl den Bildsensor 24. So lange also der zwischen Beleuchtungseinheit 18 und Hochgeschwindigkeitskamera 22 aufgespannte Überwachungsbereich 28 frei von Objekten ist, werden idealerweise nur homogen ausgeleuchtete Bilder aufgezeichnet. Tritt dagegen ein Objekt wie die Antenne 16 in den Überwachungsbereich 28 ein, so wird deren Schatten aufgenommen und bewegt sich durch die Bildsequenz der Hochgeschwindigkeitskamera 22. Die Aufnahmefrequenz muss hoch genug sein, um bei realistischen Geschwindigkeiten des Zuges 12 von 120 km/h und mehr zumindest ein, vorzugsweise mehrere Bilder mit dem Schatten der Antenne 16 zu erfassen. Dazu sind mehrere tausend Bilder pro Sekunde, beispielsweise 24.000 Bilder pro Sekunde erforderlich.
  • Die Auswertungseinheit 26 wertet die Bilder auf Schatten der Antenne 16 hin aus. Dazu kann zuvor ein Referenzbild bei freiem Überwachungsbild 28 aufgenommen und beispielsweise durch Subtraktion berücksichtigt sein. Auch ein Bild typischer zu erfassender Objekte, also insbesondere mit dem Schatten einer Antenne 16, kann in der Auswertungseinheit zur Unterstützung der Objekterkennung hinterlegt sein. Ist eine unzulässige Überhöhe erkannt, etwa durch Erfassung der Antenne 16, so wird ein entsprechendes Signal ausgegeben, das dann beispielsweise zum Anhalten des Zuges 12 führt.
  • Die hohe Geschwindigkeit der Züge 12, der durch entsprechende Aufnahmefrequenz begegnet wird, ist nicht die einzige Schwierigkeit der Erfassung. Die Beleuchtungseinheit 18 muss ausreichend lichtstark sein, um den Bildsensor 24 mit genügend Intensität zu beleuchten und einen zuverlässig auswertbaren Schatten der Antenne 16 zu werfen. Das geschieht herkömmlich durch einen Hochleistungslaser, der auf den Empfangsbereich der Hochgeschwindigkeitskamera 22 fokussiert ist. Durch die monochromatische und kohärente Natur der Laserdiode treten hierbei jedoch Beugungseffekte an der Quelle und am zu detektierenden Objekt auf. Das führt zu Mustern in den aufgenommenen Bildern, die eine zuverlässige Auswertung des Schattens von zu detektierenden Objekten verhindern. Zudem muss die Laserdiode genau auf die Hochgeschwindigkeitskamera 22 ausgerichtet sein, weil ihre Abstrahlcharakteristik zu den Seiten hin rasch abfällt und deshalb bei schon vergleichsweise geringer Fehljustierung oder Erschütterung nicht mehr genug Licht ankommt.
  • Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit 18, welche diese Probleme löst. In der Beleuchtungseinheit 18 kommt eine Vielzahl von Einzellichtquellen 18a zum Einsatz. Besonders vorteilhaft ist ein VCSEL-Array, das anders als schematisch dargestellt auch viele hundert oder tausend Einzelemitter aufweisen kann. Die Anordnung der Einzellichtquellen 18a zeigt anders als ein herkömmlich eingesetzter monochromatischer Kantenemitter zumindest eine gewisse spektrale Breite von einigen nm. Die Kohärenz in dem Sendelichtstrahl 30 ist durch Überlagerung und Vermischung der Einzellichtquellen 18a zerstört, was natürlich eine gewisse Restkohärenz nicht ausschließt. Dieser Effekt kann durch einen vorgeordneten Mischer, beispielsweise einen Hexagonalmischer, noch unterstützt und verstärkt werden. Das modenbedingte Phasenrauschen wird reduziert. Insgesamt treten weniger und vorzugsweise so gut wie keine Beugungseffekte mehr auf.
  • Die Unterdrückung von Kohärenzen und damit störenden Beugungsflecken im Bild der Hochleistungskamera durch Einsatz einer Vielzahl von Einzellichtquellen 18a führt schon zu einer deutlichen Verbesserung und ist auch für sich funktionsfähig. Die Erfindung sieht als optionalen weiteren Verbesserungsschritt außerdem den Einsatz der Blendenanordnung 20 vor. Die Figur 2 zeigt eine beispielhafte Anordnung von vier Blenden 20a-d. Die Anzahl, die verschiedenen Blendenöffnungen und die Abstände der Blenden 20a-d können je nach konkreter Anwendung variieren.
  • Der Effekt der Blendenanordnung 20 ist, dass nur ein Teilstrahl des ursprünglich abgestrahlten Sendelichtstrahls 30a tatsächlich als Sendelichtstrahl 30 für die Ausleuchtung des Überwachungsbereichs 28 genutzt wird. Dabei handelt es sich vorzugsweise um einen mittleren Teilstrahl. Die Abtstrahlcharakteristik der Vielzahl von Lichtquellen 18a sorgt ursprünglich noch nicht wie gewünscht für eine homogene Lichtverteilung. Mit der Blendenanordnung 20 wird ein kleiner Anteil des abgestrahlten Lichts herausgeschnitten, der sehr hohen Homogenitätsanforderungen entspricht. Dafür kommt insbesondere der zentrale Bereich der beispielsweise gaussischen Abstrahlcharakteristik in Betracht, der fast als Plateau angesehen werden kann. Dabei kann die Blendenanordnung 20 sehr selektiv sein und nur einen kleinen Bruchteil des abgestrahlten Lichts als Nutzlicht des Sendelichtstrahls 30 passieren lassen, der dafür eine besonders hohe Strahlqualität bietet. In einem konkreten Aufbau wurden 97 % des Lichts ausgeblendet. Der Nutzlichtanteil kann allgemein höchstens 50 %, 20 %, 10 %, 5 % oder noch weniger betragen.
  • Mit der Vielzahl von Einzellichtquellen 18a wird eine lichtstarke, homogene Beleuchtung geringer Kohärenz und daher weitgehend ohne Beugungseffekte geschaffen. Durch die optionale Blendenanordnung 20 kann zusätzlich dafür gesorgt werden, dass ein streulichtarmer Teilstrahl mit nahezu konstanter Intensitätsverteilung genutzt wird, der robust gegen zumindest eine gewisse Fehljustage und Erschütterungen beispielsweise durch vorbeifahrende Züge ist. Es entsteht insgesamt ein deutlich verbessertes Bild, das die zuverlässige Erkennung eines Schattenwurfs einer Antenne 16 oder eines anderen zu detektierenden Objekts ermöglicht.
  • Bei Verwendung eines VCSEL-Arrays für die Einzellichtquellen 18a ergibt sich ein weiterer Vorteil, weil es erfindungsgemäß deutlich unter seiner Maximalleistung betrieben werden kann. Das ist mit dem herkömmlichen Hochleistungslaser nicht möglich, weil bei dessen Betrieb bei verringerter Leistung noch mehr störende Spotinhomogenitäten durch Phasenkohärenz und Modenausprägung auftreten würden. In Bezug auf Verbrauch, Abwärme und Lebensdauer ist aber ein Arbeitspunkt beispielsweise bei nur 50 % der Maximalleistung günstig. Typische Maximalströme für ein VCSEL-Array liegen bei 4,5 - 8A, so dass entsprechend ein Arbeitspunkt bei 2 - 4A gewählt werden kann.
  • Bei der Wahl des Arbeitspunktes spielt noch ein weiterer Gedankengang eine Rolle. Oberhalb einer gewissen Bestromung beispielsweise im Bereich von 2A verändert das VCSEL-Array seine Abstrahlcharakteristik, die dann nicht mehr gaussisch ist, sondern eine doppelte Gausskurve mit einem zentralen Minimum ausbildet, das sich mit weiter zunehmender Bestromung immer deutlicher ausprägt. Da die Blendenanordnung 20 bevorzugt genau diesen Teilbereich des entstehenden Minimums der Abstrahlcharakteristik selektiert, bewirkt die höhere Leistung des VCSEL-Arrays oberhalb des beschriebenen Arbeitspunktes nur noch wenig oder ist sogar kontraproduktiv, weil die zusätzliche Lichtleistung in der Blendenanordnung 20 verloren geht.
  • Figur 3a-b zeigt einen beispielhaften Schattenwurf einer Antenne von ca. 1,5 mm Durchmesser im Bild der Hochgeschwindigkeitskamera 22. Dabei ist Figur 3a ein XY-Verlauf der Intensität in Grauwerten und Figur 3b ein Schnitt, der den Intensitätsverlauf in X-Richtung darstellt. In Figur 3a sind keine störenden Beugungsmuster oder inhomogenen Lichtverläufe zu erkennen. Der Schatten der Antenne 16 ist daher sehr klar zu identifizieren. Entsprechendes gilt für das ausgeprägte und einzige Minimum in der Schnittdarstellung nach Figur 3b.

Claims (13)

  1. Optoelektronischer Sensor (10) zum Erfassen eines bewegten Objekts (16) in einem Überwachungsbereich (28), wobei der Sensor (10) eine Beleuchtungseinheit (18) und einen Bildsensor (24), die einander gegenüberliegend angeordnet sind und zwischen sich den Überwachungsbereich (28) aufspannen sowie eine Auswertungseinheit (26) aufweist, die dafür ausgebildet ist, das Objekt (16) aus Bilddaten des Bildsensors (24) anhand eines Schattenwurfs des Objekts (16) auf den Bildsensor (24) zu erkennen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beleuchtungseinheit (18) eine Vielzahl von Einzellichtquellen (18a) zur Erzeugung eines Sendelichtstrahls (30a), in dem durch Überlagerung der Einzellichtquellen (18a) Kohärenzen zerstört sind sowie eine Blendenanordnung (20) aufweist, die nur einen homogenen Teilbereich (30) des Sendelichtstrahls (30a) passieren lässt.
  2. Sensor (10) nach Anspruch 1,
    wobei die Beleuchtungseinheit (18, 18a) ein VCSEL-Array aufweist.
  3. Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2,
    wobei der Teilbereich (30) ein Mittenbereich ist.
  4. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Blendenanordnung (20) nur 50 %, 20 %, 10 % oder 5 % des Sendelichtstrahls (30a) passieren lässt.
  5. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Blendenanordnung (20) mehrere hintereinander angeordnete Blenden (20a-d) aufweist.
  6. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Beleuchtungseinheit (18, 18a) unterhalb ihrer Maximalleistung betrieben wird, insbesondere mit höchstens 50 % oder höchstens 25 % der Maximalleistung.
  7. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei die Beleuchtungseinheit (18) einen Mischer aufweist.
  8. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei Beleuchtungseinheit (18) und Bildsensor (24) mehrere Meter voneinander beabstandet sind.
  9. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    wobei das bewegte Objekt eine Antenne (16) oder ein anderes schmales Objekt mit Abmessungen von wenigen Millimetern in zumindest einer Richtung ist.
  10. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zur Überhöhenkontrolle von einem Fahrzeug (12) stationär an einem Gleis (14) oder einer Fahrbahn montiert ist.
  11. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bildsensor (24) als Hochgeschwindigkeitskamera (22, 24) mit einer Aufnahmefrequenz von mehreren tausend Bildern pro Sekunde ausgebildet ist.
  12. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als doppeltes System mit zwei Beleuchtungseinheiten (18), zwei Bildsensoren (24) und einer doppelten Auswertung (26) des Schattenwurfs auf beiden Bildsensoren (24) ausgebildet ist.
  13. Verfahren zum Erfassen einer mit einem Fahrzeug (12) mitbewegten Antenne (16) oder eines anderen schmalen Objekts, insbesondere zur Überhöhenkontrolle an einem Zug (12), wobei mit einer Beleuchtungseinheit (18) ein Sendelichtstrahl (30) über eine Fahrbahn (14) des Fahrzeugs (12) auf einen der Beleuchtungseinheit (18) gegenüberliegenden Bildsensor (24) gerichtet wird und Bilddaten des Bildsensors (24) ausgewertet werden, um einen Schattenwurf der Antenne (16) oder des schmalen Objekts zu erkennen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beleuchtungseinheit (18) mit Hilfe einer Vielzahl von Einzellichtquellen (18a) einen Sendelichtstrahl (30a) aussendet, in dem sich Einzellichtstrahlen der Einzellichtquellen (18a) überlagern und so Kohärenzen zerstören, und dass aus dem Sendelichtstrahl (30a) mit Hilfe einer Blendenanordnung (20) ein homogener Teilbereich (30) des Sendelichtstrahls (30a) herausgeschnitten wird und nur der Teilbereich (30) den Bildsensor (24) beleuchtet.
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