JPH04505808A - 走行路表面状態を検出する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 走行路表面状態を検出する方法 本発明は、請求の範囲第１項の前提部分に記載の走行路表面状態を非接触で検出 する方法に関するものである。

光線の反射を利用して道路の滑りを警告する装置を形成することが知られている 。これは水と氷の誘電率の違いを利用してマイクロ波領域の光線を放射すること により行われるが（ＤＥ２９　１２　６４５−ＡＩを参照）、赤外線（ＩＲ線） の反射によっても行うことができる（ＤＥ２７　１２　１９９−Ｂ１、ＥＰＯＯ Ｏ５６９６−ＡＩ及びＤＥ３０　２３４４４−Ａｌを参照）。

ＤＥ２７　１２　１９９−ＢｌとＥＰＯＯＯ５６９６−Ａ１には道路の滑りを警 告する装置が開示されており、同装置においては二つのレーザダイオードから発 生されるＩＲ線がＩＲ光ガイドを介して走行路表面近傍へ送出され、そこから再 びＩＲ光ガイドを介して共通の受光器へ導かれる。

その場合に測定光パルスの波長は、７９０から８１０ｎｍ、８９０から９２０ｎ ｍ、１０２０から１１０６０ｎ、または１２６０から１２９０ｎｍの波長領域内 の氷の吸収最大に位置する。第２のレーザダイオードは比較光線パルスを送出し 、その波長は氷の吸収最大の近傍に位置するが、氷にも水ないし水蒸気にも影響 されてはならない。

ＤＥ３０　２３　４４４−ＡＩに開示されている装置は、送光器を用いて１４０ ０から２５００ｎｍ領域のＩＲ線（この領域では雪は乾燥した道路表面より小さ い反射率を有する）を走行路表面へ送出する。道路状態を判定するために、修正 された三つの装置が提案されている。

第１の構造は、１４００から２５００ｎｍの領域のＩＲ線源に基づき、ＩＲ領領 域二つのセンサを利用しており、その第１のセンサが鏡反射された第１の光を検 出し、第２のセンサが表面で拡散反射された第２の光を検出する。さらに、温度 計を用いて温度の測定が行われる。

第２の構造においては、温度計は設けられておらず、光が可視のスペクトル領域 と１４００から２５００ｎｍのＩＲ領領域表面に照射される。二つのセンサは可 視領域とＩＲ領領域おいて反射された光線の測定に用いられる。

第３の構造でも、１４００から２５００ｎｍの領域のＩＲ線と５００から１１０ ９０ｎの領域の可視光を放射する光源が測定に用いられる。同装置ではＩＲ拡散 光検出器と可視領域における拡散光検出器、可視領域における反射光検出器及び 温度測定装置が用いられる。

これら３個のすべての構造において個々のセンサによって測定された信号が論理 回路を介して判断ユニットにおいて記憶された基準信号のモデルと比較されて、 道路状態が特定される。

走行路の表面状態（乾いている、濡れている、凍結している）の検出は、交通安 全にとってきわめて重要である。

センサと調査すべき表面との接触を必要とするセンサ装置、並びに反射測定に基 づく非接触で作動する装置がすでに存在している。既存の方法は構造が複雑で高 価であり、装置の検出確実性が制限されている。

ＤＥ３０　２３　４４４−ＡＩに開示されている装置も広帯域で照射されるＩＲ 線を使用しているが、同装置では必要な信号モデル比較装置が非常に複雑である 。特に予め読み出された信号モデルとの比較が行われる。

第１に分類された、１４００から２５００ｎｍの波長領域のＩＲ線を使用する実 施例によれば、温度測定を加えるだけで濡れた道路状態あるいは凍結した道路状 態を区別することができる。他の実施例には１４００から２５００ｎｍのＩＲ領 領域光の照射の他に、５００から１１０９０ｎの可視領域の光成分も含まれてお り、これらは拡散光として、及び反射された光として別体の検出器によって検出 される。それによって特に太陽光の入射による横感度が生じることがある。

ＤＥ２７　１２　１９９−ＢｌとＥＰＯＯＯ５６９６−Ａ１に示す装置は二つの 脈動する光源（レーザダイオード）を使用しているが、検出器は一つだけなので 、測定はシーケンシャルにしか行えない。

波長の選択は表面に当たる前にすでに行われ、かつ光線のフィルタリングは検出 器の入口では行われないので、この場合にも他の光源によるノイズが発生する危 険がある。これは比較光線パルスを照射することによって防止しなければならな い。しかしこのパルスの波長は、反射が氷によっても水によっても特に影響を受 けないように選択されている。従って氷と水が同一の反射率を有する波長にしな ければならず、更に反射率ができるだけ層厚の違いに無関係となる波長にしなけ ればならない。測定光パルスの波長は氷の吸収最大に来るようにする。もちろん 利用される好ましい波長領域では氷と水の吸収最大はほとんど違わないので、測 定光パルスの充分な波長安定性が保証されなければならない。これはレーザダイ オードでは難しい。というのはレーザダイオードの波長ドリフトは温度に関して 小さくないからである。従ってレーザダイオードを使用するためには、コストの かかる温度安定性が必要となる。

ＥＰＯＯＯ５６９１−ＡＩとＤＥ２７　１２　１９９−Ｂ１に示す装置において は、光路にさらにフィルタが使用される。しかしこのことはドリフトが激しいと 、表面で反射させるためには光の強度が最小となりあるいは反射させることので きる光の強度はなくなってしまう。さらに、二つのダイオードのドリフトが異な ると、結果として出て来る信号レベルの質が低下する。

本発明の課題は、濡れた、乾いた、凍結したという三つの表面状態を非接触でか つ高い検出確実性で識別することができる簡単な構造でかつ安価な装置を提供す ることにある。

この課題は、本発明によれば請求の範囲第１項の特徴部分に記載された特徴によ って解決される。

請求の範囲従属項は、本発明の特に好ましい実施例を開示するものである。

以下、図面に示す実施例を用いて本発明を説明する。

第１図、第１ａ図及び第１ｂ図は、光源と受光器と信号処理ユニットからなる、 ＩＲ線領域における反射光を検出する装置を示す。

第２図は、水の層厚が１．Ｏｍｍ、１．５ｍｍ及び２．０ｍｍの場合における２ ０００ｎｍから３２００ｎｍまでの領域の波長に関する水の反射率を示す。

第３図は、氷の層厚が１．０ｍｍ、ｌ、５ｍｍ及び２．０ｍｍの場合における２ ０００ｎｍから３２００ｎｍまでの領域の波長に関する氷の反射率を示す。

第１図において符号１０は光源ハウジングを示し、その中にＩＲ線源１１　（例 えばハロゲンランプ）と湾曲した反射ミラー１２と変調器１４とが設けられてい る。光学フィルタ１３（例えば長波長通過エツジフィルタあるいは干渉フィルタ ）は光源の出口に取り付けることができる。光学素子が汚れないようにするため に、光源ハウジング１０はＩＲ線を透過する窓１５によって閉鎖されている。

システムの受光器２０は、二つの干渉フィルタ２１．２２と二つのレンズ２３． ２４と二つの検出器２５．２６とから構成される。

受光器２０にも窓１６が設けられており、素子が例えば吹き付けられる水によっ て汚れるのを防止する。

検出器２５．２６の出力は、信号線２７．２８を介して信号処理装置３０に接続 されている。信号処理装置は信号出力インターフェース３１と接続される。

Ｚｌａ図は走行路表面４０で反射されるＩＲ線を検出する別の装置を示すもので ある。所定の素子を有する図示の光源ハウジング１０は、第」図に示す光源ハウ ジングに相当するものである。受光器２０’　は変更されており、本実施例では レンズ２３．２４は設けられない。反射ＩＲ線は窓１６′から進入した後に合焦 ミラーまたはりフレフタ２９上に照射され、その焦点内には二つの検出器２５° 、２６°と、それらに重ねて配置された干渉フィルタ２１’　、２２″　とが設 けられる。

第１ｂ図は、走行路表面４０で反射されたＩＲ線を波長選択して検出する装置を 示すものである。不図示の所定の素子を有する光源ハウジング１０は第１図およ び第１ａ図に示すものに相当するものである。受光器２０”には窓１６”と放物 面ミラー６１が設けられ、その焦点にはマスク６２が配置されている。光線は反 射型回折格子６３によってスペクトル分解されて、合焦ミラー６４を介して後方 にセンサ２５″、２６”を有するマスク６５．６６上に合焦される。

さらに信号処理を行うために、第１図および第１ａ図に示す装置の場合と同様に 信号処理装置３０と信号出力インターフェイス３１が設けられる。光源ハウジン グ１０と受光器２０．２０′、２０”は調査すべき走行路表面４０の法線に対し て角度α４１で配置されている。好ましくは小さい角度（α〈３０°）が選択さ れる。角度αの変化と共に変化する反射係数値を考慮する場合には、より大きな 角度でもよい。

第２図には、波長（ｎｍ）に対する水の反射率Ｒ（％）が示されている。符号５ ０は層厚が２．Ｏｍｍのときの水の反射率を示し、５１と５２は夫々層厚が１， ５ｒｎｍと１．　０ｍｍのときの反射率を示す。５６は２９００ｎｍにおける干 渉フィルタ２２．２２′の中心波長を示す。干渉フィルタ２２．２２′のスペク トル幅５８は５０ｎｍである。５７は３０５０ｎｍにおける干渉フィルタ２１． ２１°の中心波長で、干渉フィルタ２１．２１′のスペクトル幅５９は同様に５ ０ｎｍである。

第３図は、氷の反射率Ｒ（％）を波長に関して示すものである。符号５３．５４ ．５５は夫々層厚が２．０ｍｍ、１゜５ｍｍ、１．Ｏｍｍの場合を示す。記入さ れている中心波長とスペクトル幅は第２図に示すものと同様である。

光源１１から放射された広帯域の光線は、湾曲した反射ミラー１２を介して収束 されて、調査すべき面（例えば走行路表面４０）上へ導かれる。

光源１１の出口に取り付けられた光学フィルタ１３（例えば長波長通過エツジフ ィルタあるいは干渉フィルタ）によって光線のスペクトルはすでに予備選択され ている。それによって照射された走行路表面４０が光源１１の光線によって過度 に加熱されることがない。スペクトル的な予備選択はその裏側を水銀等によりコ ーティングされたミラーによっても（例えばＩＲ反射によっても）行うことがで きる。光線は変調器またはチョッパ１４によって時間的に変調される。

走行路表面４０によって反射された光線は受光器２０において二つの干渉フィル タ２１．２２によってスペクトルを制限され、二つのレンズ２３．２４を介して 検出器２５．２６上に合焦される。あるいは光線のフィルタリングをレンズ２３ ．２４と検出器２５．２６の間で行ってもよい。それによれば、ＩＲ線が湾曲し たミラー２９を介して、干渉フィルタ２１’、２２’　がその上に重ねて配置さ れた二つの検出器２５”、２６′上に合焦される第１ａ図に示す装置の場合には 、比較的小さい干渉フィルタ２１’、２２’　を使用することができ、従ってコ ストの低減が可能になるという利点が得られる。合焦する一つのりフレフタ２９ の代わりに、小直径の二つの別体の合焦するリフレクタ２９（不図示）を選択的 に設けてもよく、その焦点にはそれぞれ干渉フィルタ／検出器コンビネーション ２１°／２５“及び２２°／２６′　が設けられる。これらの素子の固定は、不 図示の保持アーチによって行うことができ、保持アーチは受光器２０°のハウジ ングの内部に固定される。

干渉フィルタ２１．２２；２１“、２２′　は二つの異なる波長λ１とλｊを透 過し、それらの透過領域の帯域幅は夫々ΔλｌとΔλＪである。

第１ｂ図に示す装置においては、波長選択のための干渉フィルタ２１．２２　； ２１’　、２２’　が使用されていない。その代わりに走行路４０から反射され た光が放物面ミラー６１によってその焦点に配置されたマスク６２を通して反射 型回折格子６３上に照射される。回折格子６３から反射された光は角度によって 波長選択され、ミラー６４を介してマスク６５．６６上に合焦され、これらマス クの後方には検出器２５′；２６”が配置されている。波長λｉとλｊの検出は 、本実施例においてはマスク６５．６６と検出器２５”、２６”を所定の位置に 配置することによって行われる。これらは回折格子６３に対して次のように配置 される。すなわち、中心波長λｉに対する波長領域Δλ１の光だけがマスク６５ を通して検出器２５”上に当たり、領域Δλｊの光だけがマスク６６を通して検 出器２６”上に当たるように配置される。

第１図と第１ａ図に示す受光器２０．２０′　に対して、第１ｂ図に示す装置は 、干渉フィルタ２１．２２；２１’、２２′を省くことができるという利点を有 する。干渉フィルタの最大透過は通常５０％に過ぎない。それに対して反射回折 格子６３とミラー６４を使用することによって、発光効率を倍加することができ る。というのは反射損失が非常に少ないので、ＩＲ線源１１の出力を半分にする ことができ、従って駆動コストを低下させることができるからである。

検出器２５．２６；２５’、２６“　；２５”、２６”は、出力電圧ＵｉとＵｊ が波長λｌないしλＪで受光された放射電力に比例するように形成される。信号 電圧ＵｉとＵｊは検出器２５．２６；２５’、２６“　；２５”、２６”の感度 特性とＩＲ源１１の放射特性に従って個々に増幅され、次に信号処理装置３０へ 導かれる。

本発明によれば、信号処理装置３０１．：方いて信号電圧ＵｉとＵｊＯ比が形成 される。商Ｕｉ／Ｕｊの値は照射された表面の状態に関係する。信号処理装置３ ０でめられた電圧の商は乾いている、濡れている、凍結しているという３つの状 態に対応する。次にその状態に対応した信号が発生されて、信号出力インターフ ェイス３１へ導かれる。この出力信号によって、濡れている、乾いているあるい は凍結しているという表面状態に一義的に対応する例えば音響的または光学的な 信号が発生される。

ここに記載の実施例においては、次に示すスペクトル値が元になっている。

λｉ　＝３０５０ｎｍ。

λｊ　＝２９００ｎｍ。

Δλｌ＝Δλｊ＝５０ｎｍ λｉとλｊはそれぞれ５０ｎｍ幅の透過領域の中央に位置する。

表面が乾いている場合に約１のＵｉ／Ｕｊ値を出力するように本装置を調節した ときには、種々の水膜厚の濡れた表面の場合にＵｉ／Ｕｊ値が約２．０となり、 種々の水膜厚の凍結した表面の場合には５より大きいＴＪｉ／Ｕｊ値（５から２ ０）となる。

この数値は第２図と第３図に示す反射スペクトルから得られ、これらは種々の水 ないし氷の層厚を有する濡れた道路試料と凍結した道路試料について測定された 反射を示すものである。測定における角度α４１は約１５°であって、光源とし てはハロゲンランプが使用された。

第２図と第３図から明らかなように、２７００ｎｍから３２００ｎｍの領域にお ける反射カーブの勾配は水と氷とでは異なる。カーブの立ち上がり端は氷の場合 には約１１００ｎ波長の長い方へずれる。測定によれば、４００ｎｍから３５０ ０ｎｍの領域において反射ファクタの同様な変化は他に存在しないことが明らか にされた。ここに記載された数値の他に、第２図と第３図を用いて、対応するΔ λｉ値とΔλｊ値を有する他の適当なλ１値とλＪ値を選択することができ、そ れらについても乾いた、濡れたあるいは凍結した表面状態への一義的な対応を可 能にするＵｉ／Ｕｊ信号値が形成される。

信号電圧ＵｉとＵｊの商を形成することによって、例えば氷の層厚が異なる場合 など（第３図を参照）、ＵｌとＵｊの絶対値が大きな領域にわたって変化する場 合でも、システムが確実に作動するという利点が得られる。第２図と第３図から λ＞２７００ｎｍに関しては、氷の層厚及び水の層厚が異なる場合にλｉとλｊ の反射値はほぼ同一のファクターだけ増加ないしは減少する。

２つの検出器２５．２６；２５’、２６”　；２５”、２６″を同時に間接的に 照明する光源１１の出力の変動と、光源１１及び受光器２０．２０’、２０”の 配置の異なりも、商Ｕｉ／Ｕｊを形成することによって相当程度補償することが できる。

光線の狭帯域のフィルタリングは、検出器２５．２６；２５’、２６”　；２５ ”、２６”の入口で行われる。それによって、他の光源（例えば太陽光の入射） からの検出器への入射を干渉フィルタ２１．２２；２１“、２２°の透過波長λ １１λＪに、ないしは角度によって波長選択される光線に制限することができる という利点が得られる。この光線による測定装置に対する外乱は２７００ｎｍよ り大きい測定波長に関してはわずかであると見なすことができる。

これまで二つの測定波長λｉとλＪについて説明してきた本装置は、同様に三つ あるいは四つの測定波長に拡張することができる。

従って従来技術に比べて、外乱光による障害を無視できるという利点が得られる 。測定波長は、反射特性が表面状態へのスペクトル依存を示す波長領域、すなわ ち２７００から３２００ｎｍの波長領域にあるので、形成された信号電圧Ｕｉと Ｕｊの商を用いて高い検出確実性で表面状態を特徴付けることができる。なお、 検出確実性は水ないし氷の層厚が異なることによって損なわれるこ出はない。

大きな強度の光を照射することによって、氷の形成を妨げることはない。という のは光線は光学フィルタ１３によって予め選択されることによりすでに弱められ ているからである。

さらに、光を調査すべき走行路表面４０へ（例えば可動のマスクを用いて）間隔 を開けて照射することもできる。

ＦＩＧ、１ｂ Ｒ／＠ｔ。

国際調査報告 １ｍｏｎ＋ｓｈ６Ｍ＋Ａｅ＊１ｇｍ＋ｍＮ１１．ＰＯＴ／ＥコＰ９０１０２０３ ５国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．赤外線領域の光の反射を測定することによって、走行路表面状態を乾いてい るか、濡れているか、あるいは凍結しているかについて非接触で検出する方法に おいて、ａ）調査すべき表面が広帯域の光源（１１）で照射され、ｂ）反射され た光が選択的に少なくとも二つの波長領域（５８、５９）において同時に測定さ れ、その場合に検出波長領域（５８、５９）が表面状態にスペクトル依存性を有 し、ｃ）個々のスペクトル領域（５８、５９）で受光された出力の比が形成され 、 ｄ）２つの検出波長領域（５８、５９）が次のように、すなわち濡れた表面に関 する信号電圧の比が層厚とは関係なく所定の値領域にあって、凍結した表面に関 する比が濡れた表面に関する比の少なくとも２倍の大きさを有するように選択さ れる、 ことを特徴とする走行路表面状態を非接触で検出する方法。
2. ２．受光器（２０、２０′、２０′′）の狭帯域の検出波長領域（５８、５９） が２７００ｎｍから３２００ｎｍのスペクトル領域にあることを特徴とする請求 項１に記載の方法。
3. ３．広帯域の光源（１１）の前に変調器（１４）が設けられ、受光器（２０、２ ０′）には複数のセンサ（２５、２６；２５′、２６′）とそれぞれ異なる波長 領域に最大の透過度を有する干渉フィルタ（２１、２２；２１′、２２′）が設 けられることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. ４．反射された光が受光器（２０′′）において反射型回折格子（６３）を介し て角度によって波長選択的に検出されることを特徴とする請求項１または２に記 載の方法。
5. ５．波長選択的に検出するために、走行路（４０）によって反射された光が放物 面ミラー（６１）を介してその焦点に配置されたマスク（６２）を通して反射型 回折格子（６３）上で反射されて、回折格子（６３）によって角度に従って波長 選択された光線がミラー（６４）を介してセンサ（２５′′、２６′′）を有す るマスク（６５、６６）上に合焦されることを特徴とする請求項４に記載の方法 。
6. ６．信号処理装置（３０）が受光器（２０、２０′、２０′′）の後段に接続さ れ、信号電圧の商を形成することを特徴とする請求項１から４までのいずれか１ 項に記載の方法。