JPH0723868B2 - 走行路表面状態を検出する方法 - Google Patents

走行路表面状態を検出する方法

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JPH0723868B2
JPH0723868B2 JP3500111A JP50011191A JPH0723868B2 JP H0723868 B2 JPH0723868 B2 JP H0723868B2 JP 3500111 A JP3500111 A JP 3500111A JP 50011191 A JP50011191 A JP 50011191A JP H0723868 B2 JPH0723868 B2 JP H0723868B2
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Description

【発明の詳細な説明】 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−A1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、EP0005696−A1及びDE30 23 444−A1を参照）。
DE27 12 199−B1とEP0005696−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920nm、1020から1060nm、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−A1に開示されている装置は、送光器を用
いて1400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領域の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領域で表
面に照射される。二つのセンサは可視領域とIR領域にお
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1090nm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−A1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領域の光の
照射の他に、500から1090nm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−B1とEP0005696−A1に示す装置はは二つの
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。
EP0005691−A1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1.0mm、1.5mm及び2.0mmの場合に
おける2000nm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、1.5mm及び2.0mmの場合に
おける2000nm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ッ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。
第1a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１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リフレクタ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2
5″、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50は層厚が2.0mmのときの水の反射
率を示し、51と52は夫々層厚が1.5mm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2
1、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50nm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.
0mm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
長波長通過エッ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′、2
6′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。合焦する一つのリフレクタ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λ
ｉとλｊを透過し、それらの透過領域の帯域幅は夫々Δ
λｉ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6
5、66上に合焦され、これらマスクの後方には検出器2
5″;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Δλｉ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λｉ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;2
5′、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30において信号電圧Uiと
Ujの比が形成される。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30で求められた電圧の商
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、 Δλｉ＝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、種々の氷層厚の凍結
した表面の場合には５より大きいUi/Uj値（５から20）
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100nm波長
の長い方へずれる。測定によれば、400nmから3500nm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Δλｉ値とΔλ
ｊ値を有する他の適当なλｉ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）、Ui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
接的に照射する光源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;2
5′、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
ｉ、λｊ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とはない。
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。
符号リスト 10 光源ハウジング 11 IR線源 12 湾曲した反射ミラー 13 光学フィルタ 14 変調器 15 窓 16 窓 20 受光器 21 干渉フィルタｉ 22 干渉フィルタｊ 23 レンズｉ 24 レンズｊ 25 検出器ｉ 26 検出器ｊ 27 信号線ｉ 28 信号線ｊ 29 合焦リフレクタ 30 信号処理装置 31 信号出力インターフェイス 40 走行路表面 41 入射角度 50 反射率 水 2mm 51 反射率 水 1.5mm 52 反射率 水 1mm 53 反射率 氷 2mm 54 反射率 氷 1.5mm 55 反射率 氷 1mm 56 中心波長 j 57 中心波長 i 58 スペクトル幅ｊ 59 スペクトル幅ｉ 61 放物面ミラー 62 マスク 63 反射型回折格子 64 ミラー 65 マスクｉ 66 マスクｊ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−208442（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−146135（ＪＰ，Ａ) 特公 昭60−1573（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭60−15015（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭56−41239（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項３】広帯域の光源（11）の前に変調器（14）が
    設けられ、受光器（20、20′）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. 【請求項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. 【請求項５】波長選択的に検出するために、走行路（4
    0）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. 【請求項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。
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