SE531949C2 - Optisk metod att uppskatta egenskaper för ett is-eller vattenbelagt mätobjekt - Google Patents

Description

fi, v Vinkelfördelning för reflekterat ljus mot förekommande material i torrt, vått och isbelagt skick.

När man belyser en plan yta med en smal ljusstråle reflekteras en del av denna spekulärt - d v s som i en perfekt spegel - varvid infallsvinkeln blir lika med utfallsvinkeln, mätt relativt ytans s k normal, - allt enligt grundskolans fysikkurs. Men för de flesta material uppstår en stor s k diffus komponent, eller annorlunda uttryckt: ljus sprids kraftigt i de flesta ytor. Detta gäller t ex för vägbeläggningar och för målade ytor. Alla ytor som vi upplever att de har en kulör - och det är ju de allra flesta (blank svart färg i några få fall undantagen) - sprider ljus diffust! Som exempel kan nämnas att en matt svart färg eller en nylagd afaltvägbana sprider ca 5% av vad en matt vit färg gör.

Vattenytor och isytor sprider dock för det mesta mycket lite ljus. Detta beror dels på att vatten och is oftast är -optiskt sett - helt homogena, d v s att inga inhomogeniteter finns som kan sprida ljus. Dels beror det på att ytan oftast är plan jämfört med andra material. Det spelar givetvis roll hur beläggningen har bildats, om det är en frusen damm, rimfrost, isbark bildad av underkylt regn eller en vattenpöl som vi talar om. Luftbubblor som ibland finns i is och gör den mer eller mindre porös ger den en för ögonen ljus färg vilket beror på att dessa luftbubblor sprider ljus.

Men påståendet att vatten och is sprider förhållandevis lite ljus gäller för det mesta - särkilt i det våglängdsorrirådet där is och vatten absorberar. Snö - speciellt nysnö -kan i denna beskrivning ses som mycket porös is - så porös att den sprider ljus även vid absorberande våglängder.

En viktig slutsats av dessa fakta är i de flesta fall att när man belyser en yta med ljus vars våglängd ligger i ett absorbtionsband för vatten och is så är mängden diffust reflekterat ljus avsevärt lägre när ytan är belagd med is eller vatten. Hur kraftigt den sjunker beror på hur lång gångväg ljuset har i beläggningen i förhållande till ljusets inträngningsdjup - ju tjockare beläggning och ju ”flackare” infallsvinkel desto mindre reflekterat ljus från underlaget når igenom beläggningen. Detta skapar en möjlighet att styra den minsta tjocklek på beläggningen man vill få utslag för. Utslaget i fråga blir i form av en signalnivå som är avsevärt lägre än den från det obelagda underlaget. De variabler man har att variera är vinklar och ljusvåglängd och givetvis den gräns i signalnivå man sätter.

Mätning vid två våglängder: Genom att samtidigt mäta vid två våglängder kan man göra en mer precis bestämning av t ex en vägbanas tillstånd. Det gäller då att välja våglängderna så att man särskiljer de tillstånd man vill särskilja med en robust och optimerad metod.

En metod som har visat sig fungera väl använder sig av två ljusvåglängder - en där absorptionen i is är kraftig och en där den är mindre kraftig. Genom att bilda förhållanden mellan signalen vid våglängden med kraftig absorption och den för våglängden med mindre kraftig absorption erhåller man en signal som efter normering är 100% för en torr vägbana och 0% för en vägbana med en tjock isbeläggning, d v s total absorption vid våglängden med kraftigast absorption. Detta förhållande har vid lämpligt val av våglängder visat sig överensstämma väl med friktionskoefficienten mellan ett hjul och en vägbana. Att detta fungerar i skalans ändpunkter inses av en fackman. Att det fungerar i ”mellanlägen” kan förklaras med följande resonemang: Vi tänker oss en typisk vägbana och att den med laserljuset belysta ytan är ett antal centimeter stor d v s betydligt större än komstorleken för stenrnaterialet i vägbanan. En stiliserad profil av en sådan vägbana kan ses i ritningen (4). Vi tänker oss att isfilmen bildats av vatten « markerat svart, som p g a gravitationen, innan det fryser fyller strukturen underifrån, ju mera is desto mindre andel av den proj icerade ytan förblir torr. Det reflekterade ljuset kan då ses som ett medelvärde över en yta där filmtjockleken varierar kraftigt vilket kan ses som att ett sådant medelvärde delvis är ett mått på hur stor del av ytan som är isbelagd. Ju större andel som är isbelagd desto lägre är rimligtvis friktionen.

Till saken hör att om uppfinningen monteras på ett fordon så åstadkommer man en medelvärdesbildning över en yta genom att samla data medan fordonet förflyttar sig. sas saa _23 I ett annat teoretiskt extremfall med en helt homogen isfilm inses att inom vissa gränser minskar friktionen med filmtjockleken ~ en tillräckligt turm isfilm förstörs av ett hjul varvid friktionen blir - i princip - densamma som utan isfilm och däremellan finns givetvis mellanting.

Vidare erbjuds - med hjälp av två våglängder som i olika utsträckning absorberas i vatten - en möjlighet att på liknande sätt, som beskrivits ovan för bestämning av friktionskoefficienten, bestämma hur tjock en vattenfilm Detta har betydelse för att kunna förutse risk för vattenplaning. Överensstärnmelsen är givetvis inte perfekt i alla fall som kan förekomma såsom slask, packad snö, opackad snö i olika tjocklekar, rimfrost, klaris oljespill på asfalt målad metall ren metall o s v.

Mätning vid fler än två våglängder: Dock kan man genom att använda information från fler våglängder än två med lämpliga algoritmer göra en bättre bestämning av beläggningen och/eller friktionskoeñicienten än man kan med hjälp av två våglängder. T ex kan man med hjälp av en våglängd kortare än dem som absorberas - inklusive synligt ljus - få information om den belysta ytan består av s k klaris eller av is som tillkommit genom packning av snö ~ porös is. Vid dessa våglängder framstår nämligen packad snö som diffust reflekterande (ljus färg för ögonen) medan klaris antar underlagets färg på samma sätt som i fallet våt vägbana.

En algoritm som avgör om isen består av klaris eller porös is/packad snö och delvis bestämmer hur hårt packad den är (luftinnehållet) kan arbeta enligt följande: Först avgörs med metoden beskriven ovan huruvida friktionskoefficienten är lägre än den för torr vägbana - är den under ett visst värde, t ex 60% anses att vägbanan är helt eller delvis isbelagd. Om så är fallet används signalen vid en våglängd kortare än dem som absorberas som mått på isens luftinnehåll - hög nivå motsvarar då högt luftinnehåll.

Nyttan av uppfinningen i trafiken.

Om uppfinningen utnyttjas i en sensor som monteras vid en vägkant för att uppskatta vägbanans tillstånd på platsen kan informationen från dessa sensorer kan sedan överföras till centraler där beslut fattas om Snöröjning o s v.

Om uppfinningen utnyttjas i en sensor som monteras i ett fordon kan infonnationen nyttiggöras på flera sätt: Dels kan informationen användas i fordonets system för styrning och bromsning vilket har blivit viktigare och viktigare allt eftersom dessa system har blivit mer och mer raffmerade -t ex ABS- bromsar och antisladdsystem. I dessa sammanhang är det ett så nogrannt värde på friktionskoefficienten som möjligt som efterfrågas.

Informationen kan givetvis också användas till att ge en direkt varning till föraren när vägbanan är hal.

Utföringsexempel: Det finns idag halvledarlasrar och fotodioder på marknaden som ger ifrån sig resp är känsliga för strålning som våglängdsmässigt ligger inom de förut beskrivna absorbtionsbanden. Det finns ett flertal våglängder att välja på. Detta gör att man med hjälp av flera lasrar kan skräddarsy en optisk givare som kan identifiera ett antal olika beläggningar.

Ett utförande av givare som visas i ritning l innefattar två eller flera amplitudmodulerade laserkällor som är sammanbygd med en optisk mottagare (2) som genererar separata signaler som är proportionella mot det inkommande ljuset från mätytan vid respektive våglängder. De respektive signalema ligger överlagrade i den primära utsignalen och kan separeras ut ur denna med olika 53? 349 I *i metoder. Utföranden med flera mottagare är också möjliga.

Givaren orienterats så att laserljuset (l) träffar mätytan i en vinkel som inte är vínkelrät mot densamma. Då är de respektive signalerna från mottagaren (2) mått på det bakåtspridda ljuset från mätytan för den aktuella infallsvinkeln vid de olika våglängderna. Om mätytan utgörs av en vägbana och två av dessa våglängder är lämpligt valda kommer förhållanden mellan dessa att utgöra ett mått på friktionskoefficienten för ett däck mot vägbanan såsom beskrivits ovan.

Vid montering på ett fordon eller i vägmiljö uppstår problem att hålla strålgången tillräckligt ren från smuts. En lindring på detta problem fås genom att montera ett rör framför givaren så att den del av strålgången som är närmast givaren sker i detta rör. Längden på röret bör vara flera gånger dess diameter och dess innerdiameter bör vara så stor att strålgången nätt och jämt ”får plats”. Om t ex mottagarlinsens diameter är 20mm och c-c-avståndet mellan lasestråle och mottagarlinsen är 20 mm bör rörets innerdiameter vid just utanför linsen ej vara större än ca 40 mm, längden kan väljas t ex till 150 mm. Än effektivare som smutsskydd blir ett sådant rör om det görs koniskt så att det blir smalare i yttre ändan. Vidare kan man för att minska nedsmutsningen ytterligare anordna så att luft strömmar ut ur mynningen på röret, antingen med hjälp av fartvinden eller med hjälp av någon typ av fläkt.

Ett annat sätt att montera en givare av den här typen i en bil är att montera den bakom en genomskinlig platta som hålls ren, t ex bakom vindrutan eller i anslutning till strålkastaren eller bakom ett för ändamålet anordnat fönster.

Claims (6)

1. 53% äüšl Tf Patentkrav: 1. Optisk metod att uppskatta friktionskoefficienten mellan ett föremål t ex ett hjul och en ojämn yta (3) t ex en vägbana som är obelagd eller belagd med vatten eller is eller mer eller mindre packad snö samt för att bestämma karaktäristika tör beläggningen där: ytan (3) belyses med laserljus (l) av minst tvâ våglängder varav minst en som i väsentlig grad absorberas i is och vatten det mot ytan reflekterade laserljuset för dessa våglängder uppmäts arean för den yta vars egenskaper bestäms är betydligt större än den mot ett plan vinkelrät mot belysningens utbredningsriktning projicerade arean för ett typiskt korn eller motsvarande som utgör ojämnheterna i ytan Kännetecknad därav att förhållandet mellan den uppmätta mängden bakåtspritt laserlj us för våglängden med kraftigast absorption i is och den uppmätta mängden bakåtspritt laserljus för våglängden med mindre kraftig absorption i is användes som mått på friktionskoefficienten.

2. Optisk metod enligt patentkrav l Kännetecknad därav att laserstrålens eller laserstrålamas tvärsnittsarea är så stor att den belysta ytans area är betydligt större än den mot ett plan vinkelrät mot belysningens utbredningsriktning projicerade arean för ett typiskt kom eller motsvarande vilket utgör ojämnheterna i ytan

3. Optisk metod enligt patentkrav l Kännetecknad därav att det bakåtspridda laserljuset uppsamlas under en tid medan utrustningen för uppmätning av laserljuset och lasern eller lasrama rör sig en sträcka i förhållande till ytan motsvarande flera gånger storleken för ett typiskt korn eller motsvarande som utgör ojämnhetema i ytan

4. Optisk metod enligt patentkrav 1, 2 eller 3 där mätobjektet (3) dessutom belyses med laserljus (l) av en tredje våglängd med jämförelsevis låg absorption i is Kännetecknad därav att: När en triktionskoefficient under ett visst värde konstaterats med hjälp av en metod enligt patentkrav l eller 2 eller 3 använda den uppmätta mängden bakåtspritt laserljus vid denna tredje våglängd med järnfórelsevis låg absorption i is som ett mått på isens luftinnehåll varvid detta mått på isens luftinnehåll användes till att korrigera den enligt patentkrav 1, 2 eller 3 bestämda friktionskoefficienten 53% 943 (vi

5. Optisk metod i huvudsak enligt patentkrav 1, 2 eller 3 där De två våglängderna har olika inträngningsdjup i vatten. Kännetecknad därav att: förhållandet mellan de uppmätta mångderna laserlj us för dessa två våglängder istället användes som mått på vattenfilmens tjocklek varvid denna uppmätta tjocklek används till att bedöma risk för friktionsnedsättriing på grund av vattenplaning

6. Användning av information om vägbanetillstånd i fordonets styr- och bromssystem Kânnetecknad därav att: Information om vägbanan framtagen med hjälp av metoder enligt något eller några av patentkrav l till 5 används tillsannnans med annan information för att optimera fordonets styrning och bromsning.