WO2012010734A1 - Dispositivo para la medida del estado de la calzada - Google Patents

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Marta Ruiz Llata
Pablo Acedo Gallardo
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Universidad Carlos Iii De Madrid
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    • G08B19/00—Alarms responsive to two or more different undesired or abnormal conditions, e.g. burglary and fire, abnormal temperature and abnormal rate of flow
    • G08B19/02—Alarm responsive to formation or anticipated formation of ice

Definitions

  • the present invention focuses on a device or sensor and a method that detects the presence in a region or local area of the ice road, water, and other substances on the surface of the road.
  • This information is essential for road maintenance vehicles to determine the treatment needs of the road (eg salt). Also, degradation in traction conditions is of interest to road users, especially important in situations where the presence of these elements is not evident to the driver (for example the presence of black ice).
  • the object of the invention is to provide a device and a method for detecting a state of the surface of the road in a particular verification region.
  • a specific area is called a region or verification zone where the measurement is carried out.
  • the state of this verification region depends on the presence or absence of a substance in the verification region (such as if there is or is not water), the thermodynamic phase of a substance on the verification region (if there is or not ice), or the parameters of the layers of a substance (ice layer thickness), or a combination of the above.
  • the condition value of the road surface is also called "condition”.
  • the detection of a condition of state comprises the distinction between the presence or absence of a substance in the verification region (such as whether or not there is water), or between two states of a substance (water in liquid phase, ice).
  • the device of the invention allows to detect by means of electronic opto means if said verification region has a state such as the presence of substances (such as water), the presence of substances in a certain phase (water in solid phase, ice, or in liquid phase ).
  • Said device is defined by independent claim 1.
  • a method is provided for detecting a condition of road surface condition in a particular verification region according to independent claim 11. Both claims are incorporated by reference to this description.
  • a first inventive aspect comprises a device for providing a measure based on the properties of the refractive index of the road verification region associated with a state condition. That is, a condition for distinguishing between two states of this verification region as the presence of a substance (for example, the presence of water).
  • the device is formed by at least the following set of components and a set of technical rules according to claim 1. Next, each of them is detailed:
  • the first emission group comprises a set of means that allow providing, for example, highly monochromatic, preferably coherent, electromagnetic radiation beams, such as a laser beam.
  • the verification region typically has a size similar to the area of the region where the radiation emitted by the emission group affects. When it is a laser beam or beams, it would be similar to the area comprised by the point or points of incidence of the laser, which allows a local or localized characterization of the road surface.
  • a selection of the polarization state of the emitted radiation can also be incorporated. This allows to select that region of the electromagnetic spectrum suitable for the detection of this condition.
  • this first laser source that in operating mode emits a beam with a wavelength ⁇ where this first laser source has means for modulation that in operating mode modulate the intensity at a fi frequency, being the refractive index value of the ⁇ wavelength verification region indistinguishable when the verification region is in one or another state condition;
  • the first laser source is configured to emit a monochromatic beam.
  • This beam is characterized in that the wavelength of said first beam ( ⁇ ) is selected such that the refractive index (complex) of the verification region does not vary at this wavelength when this verification region is in a or other status condition. That is, the verification of the status condition is indistinguishable based on the information of the refractive index at ⁇ . Therefore, derived quantities such as the reflectivity of the beam reflected in the verification region do not vary when said condition or not on the roadway condition.
  • this length ⁇ has a value such that the presence of an appreciable proportion of a chemical substance or species in the verification region.
  • the verification region In the first state the verification region lacks an appreciable proportion of said substance in the verification region, and more preferably in a thermodynamic phase.
  • the second state only an appreciable proportion of a chemical species is present, and more preferably in a thermodynamic phase (solid, liquid).
  • this range in ⁇ ranges from 650 - 1800 nm. More preferably it is an infrared (IR) region next, which allows to reduce the cost of the components.
  • IR infrared
  • the intensity of said beam is modulated at a first modulation frequency i by means of modulation.
  • the modulation can be in amplitude and / or phase. More preferably the modulation is carried by an electronic signal (hereinafter this signal is referred to as REF1).
  • this second laser source that in operating mode emits a beam with a wavelength ⁇ 2 where this second laser source has means for modulation that in operating mode modulate the intensity at a frequency f 2 where this frequency f 2 is other than the frequency f lr being the refractive index value of the verification region at wavelength ⁇ 2 different when the verification region is in one or another state condition;
  • the second laser source is configured to emit another monochromatic beam characterized in that the wavelength of said second beam ( ⁇ 2 ) is selected in such a way that the refractive index (complex) of the verification region is different depending on Whether the verification region meets the status condition or not. That is, it is possible to verify the condition of the state of the verification region based on the information of the refractive index at ⁇ 2 . That is to say, the derived quantities such as the reflectivity or the intensity of the beam reflected in the verification region vary when the condition on the roadway is presented or not.
  • this length ⁇ 2 has a value such that it is possible to distinguish the presence of an appreciable proportion of a chemical substance or species in the verification region, and more preferably in a thermodynamic phase (eg solid or liquid).
  • a thermodynamic phase eg solid or liquid
  • this region is 650-1800 nm. In another example (ice) this region is 650-1800 nm. More preferably, any of the above ranges is a near infrared (IR) region, which allows the cost of the components to be reduced.
  • IR near infrared
  • the intensity of said beam is modulated at a second frequency of modulation f 2 by means of modulation.
  • the modulation can be in amplitude and / or phase. More preferably the modulation is carried by an electronic signal (hereinafter referred to this signal as REF2).
  • the frequencies of modulation i and / 2 are different and are chosen in a band much smaller than the frequency of the monochromatic beams.
  • the modulation frequencies i and f 2 of each of the sources is chosen at a frequency not contaminated by the electromagnetic spectrum of the environment.
  • 'a second reception group which in turn comprises: a photodetector means intended to receive the reflected radiation that comes from the first and second laser source after having hit the verification region and comprising an electrical signal output;
  • the receiving group comprises a photodetector means that provides an electrical signal. This signal contains information on the intensity reflected by the roadway verification region at wavelengths ⁇ and ⁇ 2 .
  • the photodetector means comprises a photodiode. 'a first demodulation chain fed by the electrical signal output of the photodetector means and provided with a demodulation signal output ⁇ ; a second demodulation chain also fed by the electrical signal output of the photodetector means and provided with a demodulation signal output A 2 ; '
  • the device has at least two demodulation chains, fed by the electrical signal of the photodetector means that carries out the transduction in a general way.
  • the first demodulation chain features electronic means adapted to provide demodulation means of the photodetector medium signal at the frequency i.
  • the first demodulation chain is fed (synchronized with) by the REF1 signal, although other implementations of the demodulator are included in other embodiments (e.g. a phase tracking loop or PLL).
  • the demodulator e.g. a phase tracking loop or PLL.
  • the demodulator When implementing the demodulator, it also presents electronic means adapted to provide demodulation of the signal from the photodetector medium at the frequency f 2 .
  • the second demodulation chain is fed (synchronized with) by the REF2 signal, other implementations of the demodulator being included in other embodiments (e.g. PLL).
  • these demodulation chains are connected in parallel with respect to the electrical output of the photodetector medium.
  • the output of the demodulation chains provides a complex amplitude (module and phase, quadrature) that is designated as ⁇ and A 2 .
  • first and second laser source of the first emission group are oriented such that in operation mode the radiation of the two laser beams affects the verification region, and the at least part of the reflected radiation affects the medium photodetector of the second reception group;
  • the spatial configuration or location of the first emission group and the second is such that the radiation of the two laser beams (either the two beams, or the combined beam having a com- speaker of each of the beams) affect the same region (the verification region) and are reflected on the photodetector medium.
  • Other embodiments include guide means (e.g. fiber optics) that allow the guidance of the beams from the sources to an emission point, as well as the orientation of the beams. They also allow guiding the reflected beam from a place in the space in the photodetector medium.
  • guide means e.g. fiber optics
  • the device additionally comprises a measurement module that in operating mode values the magnitudes A 2 and ⁇ and compares their relations with at least one set of values that reflect the variation of the Index of refraction in the presence of a local road condition .
  • the measurement module is adapted to assess and compare the two complex amplitudes A lt A 2 .
  • These complex amplitudes A lt A 2 respectively contain information on at least the amplitude component of the intensity of the reflected beams at each wavelength ⁇ , ⁇ 2 . Therefore, these chains are adapted to measure or record these amplitudes to extract from these complex amplitudes information on the refractive index and allow the module to be implemented and adapted to verify the condition of the local state of the road.
  • a processing unit is adapted to carry out a division of the A 2 module between A lt and buy it with at least one reference value.
  • a processing unit is adapted to carry out a division of the A 2 module between A lt and buy it with at least one reference value.
  • models can also be implemented that allow n based on the parameters detected to infer other parameters from the verification region such as the thickness of the layer of chemical substances or species such as ice that can be incorporated together with other information into a model of friction
  • a detection method is provided a condition of road surface condition, which allows in a given or chosen verification region to carry out the following steps:
  • a first beam with a wavelength ⁇ is provided, and whose intensity is modulated at a frequency i and a second beam with a wavelength ⁇ 2 and intensity modulated at frequency f 2 . These beams affect a verification region.
  • these beams can be combined in a single beam containing both components.
  • At least one is a laser beam.
  • the verification region typically has a size similar to the area of the region where the electromagnetic radiation emitted by the emission group affects.
  • the area of incidence would be similar to the area comprised by the point or points of incidence of the laser (in English 'spot'), which allows to perform a local or localized characterization of the surface of the road.
  • the wavelengths of the first and second beam ( ⁇ , ⁇ 2 ) have been selected I swim in for two values.
  • the first value of the wavelength is such that the refractive index (complex) of the verification region does not vary when this verification region is in one or another state condition.
  • the second value of the wavelength is such that the fraction (complex) index of the verification region is different depending on whether the verification region meets the status condition or not.
  • the detection of the reflected beam by means of a photodetector means that transforms (transduces) the electromagnetic radiation reflected by the first and the second beam in the verification region into an electrical signal Si.
  • This radiation comprises a wavelength component ⁇ and a wavelength component ⁇ 2 .
  • Each of these components at ⁇ , ⁇ 2 contains the radiation reflected from the first beam with a wavelength ⁇ , and from the second beam with a wavelength ⁇ 2 , incidents in the verification region and modulated at the frequencies fi and f 2 .
  • this photodetector means comprises a photodiode.
  • this photodetector means comprises a photodiode.
  • the electrical signal If provided by the photodetector means is demodulated in the frequency range of interest.
  • This range includes i and / 2 .
  • a first and second demodulation chain is used, and more preferably they are synchronous demodulation chains.
  • a complex amplitude demodulated a and a complex amplitude demodulated af are provided which are related, maintaining for example a proportionality ratio, respectively with the intensity of the reflected beam at the wavelengths ⁇ , ⁇ 2 .
  • This signal is the result of high sensitivity by eliminating those components at frequencies that do not match the modulation frequencies / i and / 2 through the use of signal demodulation. Therefore, this way of obtaining at the complex amplitude at each wavelength ⁇ , A 2 makes it accessible to detect amplitude variations when the signal to noise ratio is low.
  • a value is obtained for each complex component of the amplitude: i and its quadrature Y ⁇ for Ai, X 2 and its quadrature Y 2 for A 2 are compared with a reference. 'comparison of these values of the complex amplitude A lr A 2 with at least one reference value of complex amplitude that reflects the variation of the refractive index at the wavelength ⁇ 2 when the verification region is in said state condition . '
  • the complex amplitudes A lr A 2 respectively contain information on at least the amplitude component of the intensity of the reflected beams at each wavelength A lr ⁇ 2 when comparing these complex amplitude values A lr A 2 with values For reference, it is possible to establish what state condition is in the verification area of the road surface.
  • these are reference values obtained chosen on the basis of statistical criteria on a threshold of the condition of road conditions. More preferably it is a RREF threshold value to compare with the ratio of A 2 and A
  • these chains are adapted to measure or record these amplitudes to extract from these complex amplitudes information on the Index of refraction and allow to implement and adapt the module for the verification of the condition of the local state of the road.
  • a processing unit is adapted to carry out a division of the A 2 module by A lr and compare it with a reference value.
  • a reference value that is referred to as RREF, preferably chosen based on statistical criteria on a threshold of the condition of roadway condition, a device capable of detecting said condition of condition is provided. state
  • an autonomous detection device capable of being implemented on mobile objects and especially vehicles, which thanks to the minimization of the optical parts present in the device, continues to enable the adoption of criteria based on optical properties that provide with a high discriminatory power capable of detecting substances without the problems associated with the presence of moving mechanical parts, optical alignment, with a high sensitivity that allows to increase the effective range of distances without a degradation of sensitivity.
  • Figure 1 This figure shows a block diagram of an embodiment of the device of the invention.
  • Figure 2 This figure shows a block diagram of an embodiment of a first group of the device of the invention.
  • Figure 3 This figure shows a block diagram of an embodiment of other emission and reception groups comprised in the device of the invention.
  • Figure 4 In this figure a block diagram of an embodiment example of the groups of the invention is shown.
  • the present invention comprises a device and a method for detecting the verification of a condition of the surface of the road 4 of which an example of a detailed embodiment is described below.
  • a schematic diagram of the device is shown in figure 1 and figures 2 to 4 show diagrams of the same embodiment that will be used to describe various solutions used where the internal structure of the device is more clearly perceived.
  • the device comprises three sets of elements associated with an emission group 1, a reception group 2 and a control and processing group 3.
  • the emission group 1 comprises a first laser source 1.1 and a second laser source 1.2 as shown in Figure 1.
  • the intensity l lt l 2 of each laser beam 5.1, 5.2 is modulated by two oscillators 1.1.2, 1.2 .2 and is detected by a reception group 2 after entering the verification region 4.1 located on the road 4.
  • the receiving group 2 comprises a photodetector means 2.1. This converts the reflected radiation 5.3 into an electrical signal Si. This signal is introduced in two demodulation chains 2.2, 2.3.
  • a third control and processing group 3 allows recording and processing of the complex amplitudes A lt A 2 detected by the two demodulation chains 2.2, 2.3.
  • both the laser sources 1.1, 1.2 and the photodetector means 2.1 are on the same support which simplifies the construction design.
  • the exemplary embodiment makes use of a mixed configuration where the demodulation chains 2.1, 2.2 adopt a synchronous demodulation chain form that allows detecting signals where the signal-to-noise ratio is low.
  • the term modulation chain must be interpreted in a broad way, since this implementation is not unique, being possible through other implementations such as a PLL, etc.
  • each laser 5.1, 5.2 is the same: the same "spot" the verification region 4.1, which increases the evaluation of the local contribution to measure.
  • the emission group 1 has a first semiconductor laser emitter, in this example a first emission diode 1.1.1, which emits laser radiation at a wavelength ⁇ .
  • a first semiconductor laser emitter in this example a first emission diode 1.1.1, which emits laser radiation at a wavelength ⁇ .
  • the wavelength is preferably 1310 nm (near IR) where the absorption coefficients determined by the refractive index (complex) of the liquid phase water do not vary depending on whether there is a presence of water in the region Verification 4.1.
  • the radiation of the beam component at ⁇ is constant and regardless of whether the status condition is verified on the verification region 4.1.
  • An oscillator 1.1.2 supplies a reference signal REF1 to this first emission diode 1.1.1.
  • the intensity of the 5.1 radiation emitted by this first emission diode 1.1.1 is modulated by the reference signal REF1.
  • this intensity modulation / i is in amplitude (it could be in phase, amplitude or a combination thereof) and at a frequency This enables the use of demodulation techniques to detect the reflected intensity.
  • a second semiconductor laser emitter in this example second emitting diode 1.2.1, emits a laser radiation at a wavelength ⁇ 2 .
  • the wavelength ⁇ 2 is preferably 1550 nm (near IR) where the coefficients Absorption conditions determined by the refractive index (complex) of water in the liquid phase show variations when there is presence of water in the verification region 4.1. Therefore, the reflected radiation includes a different ⁇ 2 component when there is presence of water in the liquid phase in the verification region 4.1.
  • An oscillator 1.2.2 supplies a reference signal REF1 to this second emission diode 1.2.1. In this way the intensity of the radiation 5.2 emitted by this second emission diode 1.2.1 is modulated by the reference signal REF2.
  • the intensity l 2 in amplitude is modulated (it could be in phase and / or amplitude) and at a frequency f 2 , different from / i, to allow simultaneous demodulation and a better signal-to-noise ratio.
  • these frequencies / i, / 2 typically fall within the range of low frequency applications (more preferably, frequencies below 200 kHz) and chosen in an uncontaminated band.
  • these frequencies / i, / 2 typically fall within the range of low frequency applications (more preferably, frequencies below 200 kHz) and chosen in an uncontaminated band.
  • Preferably avoiding harmonics multiples of the frequency of the supply network typically, 50Hz: 50Hz, 100Hz, 150Hz, etc. or 60Hz: 60Hz, 120Hz, 180Hz, etc.. This prevents contamination by signals at different frequencies and improves the signal to noise ratio.
  • the light of each of these emission diodes 1.1.1, 1.2.1 is collected by a first guide means 1.3.
  • This first guide means 1.3 is preferably a set of dielectric guide means, such as optical fiber.
  • This exemplary embodiment has been carried out by means of two optical fibers called “pigtail" 1.3.1, 1.3.2 that collect the emission of each of the emission diodes 1.1.1., 1.2.1.
  • These beams 5.1, 5.2 are combined in the common optical fiber 1.3.4 by means of a combiner 1.3.3. This allows both beams to be guided and oriented to the most favorable emission point in the construction of the device, and facilitates the orientation of the beam so that the "spot" of laser incidence is in the verification region 4.1.
  • a collimator 1.3.5 located at the end of the common optical fiber 1.3.4 allows to obtain a collimated beam (collinear rays) incident on the verification region 4.1 and allows to obtain a more compact emitter.
  • a solution is adopted in which the angle of incidence makes a beam emitted in a direction very close to the normal direction of incidence on the surface of the road 4 which allows to place the photodetector means 2.1 close to the collimator 1.3.5.
  • the reception group 2 comprises a photodetector means 2.1.
  • This photodetector means 2.1 comprises a series of parts in this example such as a focusing lens 2.1.1.
  • it comprises a second 2.1.2 optical fiber that conducts a large part of the reflected radiation, focused by the 2.1.1 focusing lens, to a 2.1.3 photodiode that converts this reflected radiation into an electrical signal.
  • This signal is amplified by a 2.1.4 preamp to provide an electrical signal Si.
  • the photodetector means 2.1 may contain elements such as polarizers to discriminate the polarization state of the reflected light.
  • Demodulation chains 2.2, 2.3 can be implemented in various ways.
  • examples of demodulation chains 2.2 2.3 are implemented numerically by means of a digital analog converter, an antialising filter and a logical device, such as a combination DSP, microprocessor, microcontroller, DPS, FPGA, or other adapted for detect the phase amplitude of the photodetector medium signal at a demodulation frequency.
  • a logical device such as a combination DSP, microprocessor, microcontroller, DPS, FPGA, or other adapted for detect the phase amplitude of the photodetector medium signal at a demodulation frequency.
  • a logical device such as a combination DSP, microprocessor, microcontroller, DPS, FPGA, or other adapted for detect the phase amplitude of the photodetector medium signal at a demodulation frequency.
  • a logical device such as a combination DSP, microprocessor, microcontroller, DPS, FPGA, or other adapted for detect the phase
  • This signal is introduced into a 2.1.3 mixer where it is multiplied by the reference signal REF1 of the modulation oscillator 1.1.2 at frequency i.
  • REF1 the reference signal
  • a low pass filter 2.2.4 is placed which allows to obtain the complex amplitude ⁇ by means of the signal i and its quadrature Y ⁇ .
  • the module of complex amplitude is (Vi / Xi).
  • the second demodulation chain 2.3 shown in Figure 3 has similar components (band pass filter 2.3.1 which includes f 2 , signal mixer 2.2.3 and low pass filter 2.2.4).
  • the synchronization signal REF2 at frequency f 2 comes from the second oscillator 1.2.2.
  • the signal at the output of each demodulator represents the amplitude reflected at ⁇ , ⁇ 2 presenting excellent immunity to the noise present by environmental factors.
  • the phase detection allows to extend the range of range between the emission point of the laser beam, simplifies the construction and allows to take those sensitive and critical parts of the detection system in areas susceptible to implementing electromagnetic compatibility techniques (eg shielding) with greater simplicity .
  • the inputs of an ADC 3.1 digital analog converter are connected to the outputs of demodulation chains 2.3, 2.4 to receive the signals X lt Y lt X 2 , Y 2 .
  • these signals are introduced in this example in the control and processing group 3 where they are digitized for processing by any processing unit 3.2 such as a microprocessor, a PC, etc. This allows flexibility and implementation of various detection strategies.
  • a processing unit 3.2 is adapted to, using the digitized signals X lt and lt X 2 , Y 2 , calculate and compare the modulus of the quotient between these amplitudes
  • This reference value is in this example a threshold of discrimination between two states. It can be obtained by statistical methods and reflects a criterion to discriminate if the status condition is verified when the ratio
  • the surface of the road is considered to be in a second state.
  • This criterion can be completed based on the information provided by phases ⁇ 2 , ⁇ on whose information a validation criterion is already implemented. They provide additional criteria for information on the distance at which the target is and which allows the measurement to be validated as correct since both wavelengths are measuring a surface that is at the same distance.
  • a power control system (not shown). This control system would have an input for each signal of A lt that A 2 , is also connected to this system.
  • This system is an electronic circuit adapted to modify the amplitude of the modulation of each of the modulation sources 1.1.2, 1.2.2.
  • This power control system is adapted to compare the module of ⁇ with a reference value Pl and comprises a control system (such as an integral (I), proportional-integral (Pl), proportional-integral-differential (PI) control D)) which allows it to be adapted to regulate the amplitude of the signal supplied to the first emitting diode 1.1.1 until
  • a third source (not shown in the figures) to the first emission group. It starts from the example of embodiment described above, which allows to detect the presence of liquid water in the verification region 4.1. In this case the relative variation of the absorption coefficients of water (liquid) and ice depending on the wavelength are similar to 1310 nm and different to 1470 nm and 1550 nm. When this condition is met, the complex refractive index or one of the magnitudes that is derived from it as the absorption coefficient is different from these last wavelengths (1470 nm, 1550 nm). Therefore, an emitter group 1 is advantageously arranged according to any example of the previous embodiment and a third laser source is provided.
  • This third laser source emits a third beam with a wavelength ⁇ 3 .
  • the wavelength ⁇ 3 is preferably 1470 nm (near IR) where the absorption coefficients determined by the refractive index (complex) of water in the liquid phase and in the solid phase (ice) show variations in function of whether there is presence of water or ice in the verification region 4.1.
  • a third oscillator supplies a reference signal REF3 to this third emission diode.
  • the intensity of the radiation emitted by this third emission diode is modulated by the reference signal REF3.
  • this is modulation of the intensity l 3 is in amplitude (it could be in phase, amplitude or a combination of both) and at a frequency / 3 . This enables the use of demodulation techniques to detect the reflected intensity.
  • a third laser source has means for modulation that modulate the intensity at a frequency / 3 , different from the frequencies i and / 2 of the first and second laser sources.
  • the third laser beam is oriented in such a way that in operating mode it affects the verification region 4.1, and the reflected beam affects the photodetector means 2.1 of the second reception group 2 for its reception.
  • a third guide means such as a "pigtail" optical fiber collects the emission of the third emission diode to be combined in the common optical fiber 1.3.4 by means of the combiner 1.3.3.
  • the second receiving group 2 often comprises / 3 a third demodulation chain also fed by the electrical signal output Si of the photodetector means 2.1.
  • the signal If it is passed through a third filter passes band that includes a / 3 , to improve the signal-to-noise ratio.
  • This signal is introduced in a third mixer where it is multiplied by the reference signal REF3 of the third frequency modulation oscillator / 3 .
  • a third low pass filter is placed which allows to obtain the complex amplitude A 3 by means of the signal X 3 and its quadrature / 3 .
  • the module of complex amplitude is
  • These signals are introduced into the ADC 3.1 digital analog converter present in the control and processing group 3.
  • any processing unit 3.2 in this example it is possible to compare the quotient module between these amplitudes
  • this first reference value RREF1 is in this example a first discrimination threshold between two states of a verification region 4.1 that correspond to with or without liquid water.
  • Said second reference value RREF2 is in this example a second discrimination threshold between two states a verification region 4.1 corresponding to with or without ice. Said device therefore makes it possible to detect the presence of water and ice in the region of verification of the surface of the road 4.1.
  • Said device may incorporate the various solutions such as the power control system adopted for the previous example on the signal of the third laser emitting diode.

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Abstract

La presente invención se centra en un dispositivo o sensor que detecta la presencia en un zona o región local de la calzada de de hielo, agua, nieve y otras sustancias en la superficie de la calzada. Este dispositivo comprende dos o más fuentes láser a distintas longitudes de onda y medios de detección opto electrónicos y electrónicos adaptados para detectar cambios relacionados con el índice de refracción complejo de una región de la calzada asociados a la presencia de dichas sustancias. Comprende el uso de técnicas de modulación y de modulación de señal para proporcionar un dispositivo de altas sensibilidad, alcance, siendo compacto y susceptible de uso en vehículos.

Description

DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DEL ESTADO DE LA CALZADA
DESCRIPCIÓN
OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención se centra en un dispositivo o sensor y un método que detecta la presencia en una región o zona local de la calzada de hielo, agua, y otras sustancias en la superficie de la calzada.
Esta información es esencial para los vehículos de mantenimiento de carreteras para determinar las necesidades de tratamiento de la misma (por ejemplo echar sal). También, la degradación en las condiciones de tracción es de interés para los usuarios de la carretera, especialmente importante en situaciones donde la presencia de estos elementos no es evidente al conductor (por ejemplo la presencia de hielo negro).
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En el estado de la técnica se presentan soluciones que hacen uso de sensores insertados en la calzada, lo que necesita de una infraestructura sobre la vía. Por tanto estas soluciones no son adecuadas para ser incorporadas en vehículos tales como automóviles. Además, estos sensores se ven afectados por la condición del firme, que se degrada debido al tráfico, fenómenos externos, o fenómenos naturales. Otros sistemas presentes en el estado de la técnica detectan la presencia de sustancias en base a técnicas ópticas. Utilizan sistemas basados en propiedades ópticas porque permiten detectar la sustancia o especie química, de una manera no solo cualitativa sino susceptible de llevar a una cuantificacion. Los sistemas presentes en el estado de la técnica presentan los siguientes problemas. Algunos presentan partes mecánicas móviles en sistemas ópticos críticos para asegurar la detección de parámetros de la superficie de la calzada como agua o hielo. Aquellos que necesitan partes mecánicas móviles son extremadamente vulnerables a fatigas mecánicas y degradaciones lo que repercute en la calidad de la medida y presentan problemas al incorporarlos en vehículos debido a las vibraciones, golpes e inercias que deben soportar durante su vida útil. Otros sistemas basados en la medición de propiedades ópticas implican medir en unas condiciones de alineamiento óptico que presentan dificultades a la hora de ser implementadas de forma práctica y dificultan su aplicación a vehículos.
Estas dificultades están presentes en aquellos sistemas implementados en base a detectar estados polarizados. También existen otros sistemas basados en la reflexión de luz por parte de una sola fuente luminosa de ancho espectro, lo que presenta dificultades porque no permiten regular la potencia para cada haz, lo que limita la capacidad de detección y también el alcance, y presentan dificultades de alineamiento óptico.
Junto con lo anterior existe una necesidad para la estimación de paráme- tros tales como los espesores de capa de hielo. Es deseable por tanto una detección precisa que permita acceder a parámetros adicionales tales como el espesor de capa de las sustancias en la calzada y en particular de hielo.
Además es necesa rio aumentar el ra ngo de alcance efectivo en algunos casos, y para estos casos, es necesario superar problemas relacionados con la relación señal ruido ya que la intensidad de la radiación detectada disminuye cuando se aumenta la distancia a la superficie. Este hecho hace necesario un mayor poder de detección y sensibilidad así como hacer posible estimar el espesor de la capa de la fase de una sustancia, parámetros que permiten implementar modelos de fricción con la calzada, o una combinación de los mismos. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo y un método para la detección de un estado de la superficie de la ca lzada en una determinada región de verificación.
Se denomina como región o zona de verificación a un determinado área donde se lleva a cabo la medida. El estado en que se encuentra esta región de verificación depende de la presencia o no presencia de una sustancia en la región de verificación (como por ejemplo si hay o no hay agua), la fase termodinámica de una sustancia sobre la región de verificación (si hay o no hielo), o los parámetros de las capas de una sustancias (espesor de capa de hielo), o una combinación de los anteriores. También se denomina "condición" al valor de estado de la superficie de la calzada. Así, la detección de una condición de estado comprende la distinción entre la presencia o no presencia de una sustancia en la región de verificación (como por ejemplo si hay o no agua), o entre dos estados de una sustancia (agua en fase líquida, hielo). El dispositivo de la invención permite detectar mediante medios opto electrónicos si dicha región de verificación presenta un estado tal como la presencia de sustancias (como agua), la presencia de sustancias en una determinada fase (agua en fase sólida, hielo, o en fase líquida). Dicho dispositivo se encuentra definido por la reivindicación 1 independiente. En un segundo aspecto inventivo se proporciona un método para detectar una condi- ción de estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación según la reivindicación 11 independiente. Ambas reivindicaciones se incorporan por referencia a esta descripción.
Un primer aspecto inventivo comprende un dispositivo para proporcionar una medida basada en las propiedades del índice de refracción de la región de verifica- ción de la calzada asociadas a una condición de estado. Esto es, una condición para distinguir entre dos estados de esta región de verificación como la presencia de una sustancia (por ejemplo, la presencia de agua).
El dispositivo está formado por al menos el siguiente conjunto de componentes y un conjunto de reglas técnicas de acuerdo con la reivindicación 1. A continua- ción, se detalla cada una de ellas:
'un primer grupo de emisión '.
El primer grupo de emisión comprende un conjunto de medios que permiten proporcionar, por ejemplo haces de radiación electromagnética altamente monocromática, preferentemente coherente, tal como un haz láser. La región de verificación tiene típicamente un tamaño similar al área da la región donde incide la radiación emitida por el grupo de emisión. Cuando se trata de un haz o haces láser, sería similar al área comprendida por el punto o puntos de incidencia del láser, lo que permite realizar una caracterización local o localizada de la superficie de la calzada.
Ventajosamente puede incorporarse también una selección del estado de polarización de la radiación emitida. Esto permite seleccionar aquella región del espectro electromagnético adecuada para la detección de esta condición.
'una primera fuente láser que en modo operativo emite un haz con una longitud de onda λχ donde esta primera fuente láser dispone de medios para la modulación que en modo operativo modulan la intensidad a una frecuencia fi, siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación a la longitud de onda λχ indistinguible cuando la región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado;'
La primera fuente láser está configurada para emitir un haz monocromático. Este haz se caracteriza porque la longitud de onda de dicho primer haz (λι) está seleccionada de tal forma que el índice de refracción (complejo) de la región de verificación no varía a esta longitud de onda cuando esta región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado. Esto es, es indistinguible la verificación de la condición de estado en base a la información del índice de refracción a λι. Por tanto, magnitudes derivadas tales como la reflectividad del haz reflejado en la región de verificación no varían al presentarse o no dicha condición sobre el estado en la calzada.
Preferentemente esta longitud λι tiene un valor tal que la presencia de una proporción apreciable de una sustancia o especie química en la región de verificación. En el primer estado la región de verificación carece de una proporción apreciable de dicha sustancia en la región de verificación, y más preferentemente en un fase termodinámica. En el segundo estado sólo está presente una proporción apreciable de un especie química, y más preferentemente en un fase termodinámica (sólida, liquida).
En un ejemplo (para detectar agua líquida) este rango en λι va de 650 - 1800 nm. Más preferentemente se trata de una región del infrarrojo (IR) próximo, lo que permite reducir el costo de los componentes.
Junto con lo anterior, la intensidad de dicho haz se encuentra modulada a una primera frecuencia de modulación i mediante medios de modulación. Preferentemente la modulación puede ser en amplitud y/o fase. Más pre- ferentemente la modulación se lleva mediante una señal electrónica (en adelante se hace referencia esta señal como REF1).
'una segunda fuente láser que en modo operativo emite un haz con una longitud de onda λ2 donde esta segunda fuente láser dispone de medios para la modulación que en modo operativo modulan la intensidad a una fre- cuencia f2 donde esta frecuencia f2 es distinta a la frecuencia flr siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación a la longitud de onda λ2 distinto cuando la región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado;'
La segunda fuente láser está configurada para emitir otro haz monocromá- tico caracterizado porque la longitud de onda de dicho segundo haz (λ2) está seleccionada en de tal forma que el índice de refracción (complejo) de la región de verificación es distinto dependiendo de si la región de verificación cumple con la condición de estado o no. Esto es, es posible la verificación de la condición del estado de la región de verificación en base a la in- formación del índice de refracción a λ2. Es decir, las magnitudes derivadas tales como la reflectividad o la intensidad del haz reflejado en la región de verificación varían al presentarse o no dicha condición sobre el estado en la calzada.
Preferentemente esta longitud λ2 tiene un valor tal que es posible distin- guir la presencia de una proporción apreciable de una sustancia o especie química en la región de verificación, y más preferentemente en una fase termodinámica (e.g. sólida o líquida).
En un ejemplo (agua líquida) esta región es 650-1800 nm. En otro ejemplo (hielo) esta región es 650- 1800 nm. Más preferentemente cualquiera de los rangos anteriores es una región del infrarrojo (IR) próximo., lo que permite reducir el costo de los componentes. Junto con lo anterior, la intensidad de dicho haz se encuentra modulada a una segunda frecuencia de modulación f2 mediante medios de modulación. Preferentemente la modulación puede ser en amplitud y/o fase. Más preferentemente la modulación se lleva mediante una señal electrónica (en adelante se hace referencia a esta señal como REF2).
Las frecuencias de modulación i y /2 son distintas y están elegidas en una banda mucho menor que la frecuencia de los haces monocromáticos. Preferentemente, las frecuencias de modulación i y f2 de cada una de las fuentes está elegida a una frecuencia no contaminada por el espectro elec- tromagnético del ambiente.
'un segundo grupo de recepción que a su vez comprende: un medio fotodetector destinado a recibir la radiación reflejada que procede de la primera y segunda fuente láser tras incidir en la región de verificación y que comprende una salida de señal eléctrica;' El grupo de recepción comprende un medio fotodetector que proporciona una señal eléctrica. Esta señal contiene la información sobre la intensidad reflejada por la región de verificación de la calzada a las longitudes de onda λι y λ2.
Preferentemente el medio fotodetector comprende un fotodiodo. 'una primera cadena de demodulación alimentada por la salida de señal eléctrica del medio fotodetector y provista de una salida de señal de demodulación Αχ; una segunda cadena de demodulación alimentada también por la salida de señal eléctrica del medio fotodetector y provista de una salida de señal de demodulación A2;'
El dispositivo presenta al menos dos cadenas de demodulación, alimentadas por la señal eléctrica del medio fotodetector que lleva a cabo la trans- ducción de una forma general. La primera cadena de demodulación presenta medios electrónicos ada ptados para proporcionar medios de demodulación de la señal del medio fotodetector a la frecuencia i.
Preferentemente la primera cadena de demodulación está alimentada (sincronizada con) por la señal REF1, aunque están incluidas otras implemen- taciones del demodulador en otras realizaciones (e.g. un lazo de seguimiento de fase ó PLL).
Lo mismo es aplicable para la segunda cadena de demodulación. A la hora de implementar el demodulador, éste también presenta medios electrónicos adaptados para proporcionar la demodulación de la señal del medio fotodetector a la frecuencia f2.
A su vez, de un manera preferente, la segunda cadena de demodulación está alimentada (sincronizada con) por la señal REF2, estando otras imple- mentaciones del demodulador incluidas en otras realizaciones (e.g. PLL).
Preferentemente, estas cadenas de demodulación están conectadas en paralelo con respecto a la salida eléctrica del medio fotodetector.
La salida de las cadenas de demodulación proporciona una amplitud compleja (modulo y fase, cuadratura) que se designa como Αχ y A2.
'donde la primera y la segunda fuente láser del primer grupo de emisión están orientadas de tal modo que en modo operativo la radiación de los dos haces láser incide en la región de verificación, y los al menos parte de la radiación reflejada inciden en el medio fotodetector del segundo grupo de recepción; '
La provisión de esta característica hace que ambos haces hagan uso del mismo detector tras incidir en el mismo área, i.e. la región de verificación. Diversas implementaciones pueden llevarse a cabo.
En una primera implementación, la configuración espacial o ubicación del primer grupo de emisión y del segundo es tal que la radiación de los dos haces láser (bien los dos haces, bien el haz combinado que tiene una com- ponente de cada uno de los haces) inciden en la misma región (la región de verificación) y se reflejan sobre el medio fotodetector.
Otras realizaciones incluyen medios de guía (e.g. fibra ópticas) que permiten el guiado de los haces desde las fuentes hasta un punto de emisión, así como la orientación de los haces. También permiten guiar al haz reflejado desde un lugar del espacio en el medio fotodetector.
V donde el dispositivo comprende adicionalmente de un módulo de medida que en modo operativo valora las magnitudes A2 y Αχ y compara sus relaciones con al menos un conjunto de valores que reflejan la variación del Índice de refracción ante una condición de estado local de la calzada.'
El módulo de medida está adaptado para valorar y com parar las dos amplitudes complejas Alt A2. Estas amplitudes complejas Alt A2 contienen respectivamente información sobre al menos la componente en amplitud de la intensidad de los haces reflejados a cada longitud de onda λι, λ2. Por tanto estas cadenas están adaptadas para medir o registrar estas amplitudes para extraer de estas amplitudes complejas información sobre el índice de refracción y permitir implementar y adaptar el módulo para la verificación de la condición de estado local de la calzada.
Una unidad de procesamiento está adaptada para llevar a cabo una división del módulo de A2 entre Alt y com pa rarlo con al menos un valor de referencia. Cuando se compara la relación de A2, Alt preferentemente su cociente, con un valor de referencia que se denomina como RREF, preferentemente escogido en base a criterios estadísticos sobre un umbral de la condición de estado de la calzada, se proporciona un dispositivo capaz de detectar dicha condición de estado.
Preferentemente también se pueden implementar modelos que permita n en base a los parámetros detectados inferir otros parámetros de la región de verificación como el espesor de la capa de las sustancias o especies químicas tal como el hielo que pueden ser incorporados junto con otra información a un modelo de fricción. En un segundo aspecto inventivo se proporciona un método de detección una condición de estado de la superficie de la calzada, que permite en una región verificación determinada o escogida llevar a cabo las siguientes etapas:
'Provisión de un primer haz con una longitud de onda K en donde el valor del Índice de refracción de la región de verificación a la longitud de onda λχ es indistinguible cuando la región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad de este primer haz modulada a una frecuencia fx; y de un segundo haz con una longitud de onda λ2, en donde el valor del índice de refracción de la región de verificación a la longitud de onda λ2 es distinto cuando la región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad l2 de este segundo haz modulada a una frecuencia f2 distinta de la frecuencia e incidiendo la radiación de ambos haces en la región de verificación;'
Se proporciona un primer haz con una longitud de onda λι, y cuya intensidad está modulada a una frecuencia i y un segundo haz con una longitud de onda λ2 e intensidad modulada a frecuencia f2. Estos haces inciden en una región de verificación.
Preferentemente estos haces pueden estar combinados en un único haz que contiene ambas componentes.
Preferentemente al menos uno es un haz láser.
Al igual que en el primer aspecto inventivo, la región de verificación tiene típicamente un tamaño similar al área de la región donde incide la radiación electromagnética emitida por el grupo de emisión. Cuando se trata de un haz o haces láser, el área de incidencia sería similar al área comprendida por el punto o puntos de incidencia del láser (en inglés 'spot'), lo que permite realizar una caracterización local o localizada de la superficie de la calzada.
La longitudes de onda del primer y segundo haz (λι, λ2) han sido seleccio- nado en para dos valores. El primer valor de la longitud de onda es tal que el índice de refracción (complejo) de la región de verificación no varía cuando esta región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado. El segundo valor de la longitud de onda es tal que el índice de re- fracción (complejo) de la región de verificación es distinto dependiendo de si la región de verificación cumple con la condición de estado o no.
'detección de la radiación electromagnética reflejada en la región de verificación, que comprende una componente de longitud de onda λ y una componente de longitud de onda A^mediante un medio fotodetector que transorma esta radiación electromagnética reflejada en una señal eléctrica Sj;
La detección del haz reflejado mediante un medio fotodetector que transforma (transduce) la radiación electromagnética reflejada por el primer y el segundo haz en la región de verificación en una señal eléctrica Si. Esta radiación comprende una componente de longitud de onda λι y una compo- nente de longitud de onda λ2. Cada una de estas componentes a λι, λ2 contiene la radiación reflejada del primer haz con una longitud de onda λι, y del segundo haz con una longitud de onda λ2, incidentes en la región de verificación y modulados a las frecuencias fi y f2.
Preferentemente, este medio fotodetector comprende un fotodiodo. Así, se habilita el uso de diversas técnicas de demodulación de señal eléctrica sobre dicha señal eléctrica Si. Esto permite el transporte de información asociada al índice de refracción de la región de verificación a cada una de las longitudes de onda λι, λ2 de una forma versátil y sencilla.
'demodulación de la señal eléctrica Si a frecuencias fi y f2 proporcionando los valores de una primera amplitud compleja Ai a una frecuencia fi y de una segunda amplitud compleja A2 a una frecuencia f2;;'
La señal eléctrica Si proporcionada por el medio fotodetector es demodu- lada en el rango de frecuencias de interés. Este rango incluye i y/2. Preferentemente, se usando una primera y segunda cadena de demodulación, y más preferentemente son cadenas de demodulación síncronas. Así se proporciona una amplitud compleja demodulada a i y una amplitud compleja demodulada a f (respectivamente amplitudes Alt A2) que se relacionan, manteniendo por ejemplo una relación de proporcionalidad, respectivamente con la intensidad del haz reflejado a las longitudes de onda λι, λ2.
Esta señal es resultado de una alta sensibilidad al eliminar aquellas componentes a frecuencias que no coinciden con las frecuencias de modulación /i y /2 mediante el uso de la demodulación de la señal. Por tanto, este modo de obtener al a mplitud compleja a cada longitud de onda λι, A2hace accesi- ble detectar variaciones de la amplitud cuando la relación señal ruido es baja.
Preferentemente se obtiene un valor para cada componente complejo de la amplitud : i y su cuadratura Y\ para Ai, X2 y su cuadratura Y2 para A2 se comparan con una referencia. 'comparación de estos valores de la amplitud compleja Alr A2 con al menos un valor de referencia de amplitud compleja que refleja la variación del índice de refracción a la longitud de onda λ2 cuando la región de verificación se encuentra en dicha condición de estado. '
Una vez obtenidos estos valores desmodulados de amplitud compleja Αχ a una frecuencia j y de una segunda amplitud compleja A2 a una frecuencia f2/ se comparan con una referencia para obtener la condición de estado.
Dado que las amplitudes complejas Alr A2 contienen respectivamente información sobre al menos la componente en amplitud de la intensidad de los haces reflejados a cada longitud de onda Alr λ2 al comparar estos valo- res de amplitud compleja Alr A2 con valores de referencia, es posible establecer que condición de estado se tiene en la región de verificación de la superficie de la calzada.
Preferentemente, se trata de unos valores de referencia obtenidos escogido en base a criterios estadísticos sobre un umbral de la condición de estado de la calzada. Más preferentemente se trata de un valor umbral RREF para comparar con el cociente de A2 y A
Por tanto estas cadenas están adaptadas para medir o registrar estas amplitudes para extraer de estas amplitudes complejas información sobre el Índice de refracción y permitir implementar y adaptar el módulo para la verificación de la condición de estado local de la calzada.
Una unidad de procesamiento está adaptada para llevar a cabo una división del módulo de A2 entre Alr y compararlo con un valor de referencia. Cuando se compara la relación de Alr A2 con un valor de referencia que se denomina como RREF, preferentemente escogido en base a criterios estadísticos sobre un umbral de la condición de estado de la calzada, se proporciona un dispositivo capaz de detectar dicha condición de estado
Se presenta por tanto un dispositivo de detección autónomo, susceptible de implementarse sobre objetos móviles y en especial vehículos, que gracias a la mi- nimización de las partes ópticas presentes en el dispositivo, sigue posibilitando la adopción de criterios basados en propiedades ópticas que proporcionan con un alto poder discriminador capaz de detectar sustancias sin los problemas asociados a la presencia de partes mecánicas móviles, alineamiento óptico, con una alta sensibilidad que permite aumentar el rango de distancias efectivo sin una degradación de la sensibili- dad.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras ca racterísticas y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejemplo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
Figura 1: En esta figura se muestra un diagrama de bloques de una realización del dispositivo de la invención.
Figura 2: En esta figura se muestra un diagrama de bloques de una realización de un primer grupo del dispositivo de la invención. Figura 3 : En esta figura se muestra un diagrama de bloques de una realización de otros grupos de emisión y recepción comprendidos en el dispositivo de la invención.
Figura 4: En esta figura se muestra un diagrama de bloques de un ejemplo de reali- zación de los grupos de la invención.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención comprende un dispositivo y un método para detectar la verificación de una condición de la superficie de la calzada 4 del que se describe a continuación un ejemplo de una realización detallada. En la figura 1 se muestra un diagrama esquemático del dispositivo y las figuras 2 a 4 muestran esquemas de un mismo ejemplo de realización que se utilizará para describir diversas soluciones empleadas en donde se percibe más claramente la estructura interna del mismo.
El dispositivo según el ejemplo de realización comprende tres conjuntos de elementos asociados a un grupo de emisión 1, un grupo de recepción 2 y un grupo de control y procesamiento 3.
El grupo de emisión 1 comprende una primera fuente láser 1.1 y una segunda fuente láser 1.2 tal y como se muestra en la figura 1. La intensidad llt l2 de cada haz láser 5.1, 5.2 se modula mediante dos osciladores 1.1.2, 1.2.2 y se detecta mediante un grupo de recepción 2 tras incidir en la región de verificación 4.1 situada en la calzada 4.
El grupo de recepción 2 comprende un medio fotodetector 2.1. Este convierte la radiación reflejada 5.3 en una señal eléctrica Si. Esta señal se introduce en dos cadenas de demodulación 2.2, 2.3.
Un tercer grupo de control y procesamiento 3 permite registrar y procesar las amplitudes complejas Alt A2 detectadas por las dos cadenas de demodulación 2.2, 2.3.
En el ejemplo de la presente realización tanto las fuentes láser 1.1, 1.2 como el medio fotodetector 2.1 se encuentran en un mismo soporte lo que simplifica el diseño constructivo. El ejemplo de realización, como un modo particular de ejecución de la invención, hace uso de una configuración mixta donde las cadenas de demodulación 2.1, 2.2 adoptan una forma de cadena de demodulación síncrona que permite detectar señales donde la relación señal/ruido es baja. No obstante el término cadena de de- modulación debe ser interpretado de una forma amplia, ya que esta implementación no es única, siendo posibles mediante otras implementaciones tales como un PLL, etc.
Estos haces láser se reflejan sobre una región de verificación 4.1, donde inciden los láseres. En el ejemplo de la presente realización el área de incidencia ('"spot"' en inglés) de cada láser 5.1, 5.2 es la misma: un mismo "spot" la región de verificación 4.1, lo que aumenta la evaluación de la contribución local a la medida.
En el ejemplo de realización el grupo de emisión 1 presenta un primer emisor láser semiconductor, en este ejemplo un primer diodo de emisión 1.1.1, que emite una radiación láser a una longitud de onda λι. Esto proporciona un emisor más sencillo y que abarata costes. Más concretamente, en este ejemplo se describe una configuración para detectar la presencia de agua en estado líquido en la región de verificación 4.1 de la calzada. En este caso a la longitud de onda es preferentemente 1310 nm (IR próximo) en donde los coeficientes de absorción determinados por el índice de refracción (complejo) del agua en fase líquida no presenta variaciones en función de si hay presencia de agua en la región de verificación 4.1. Así la radiación de la componente del haz a λι es constante e independientemente de si se verifica la condición de estado sobre la región de verificación 4.1.
Un oscilador 1.1.2 suministra una señal de referencia REF1 a este primer diodo de emisión 1.1.1. De esta forma la intensidad de la radiación 5.1 emitida por este primer diodo de emisión 1.1.1 es modulada por la señal de referencia REF1. Preferentemente, esta modulación de la intensidad /i es en amplitud (podría ser en fase, amplitud o una combinación de las mismas) y a una frecuencia
Figure imgf000016_0001
Esto habilita el uso de técnicas de demodulación para detectar la intensidad reflejada.
Un segundo emisor láser semiconductor, en este ejemplo segundo diodo de emisión 1.2.1, emite una radiación láser a una longitud de onda λ2. En este caso a la longitud de onda λ2 es preferentemente 1550 nm (IR próximo) en donde los coeficien- tes de absorción determinados por el índice de refracción (complejo) del agua en fase líquida presentan variaciones cuando hay presencia de agua en la región de verificación 4.1. Por tanto la radiación reflejada incluye una componente a λ2 distinta cuando hay presencia de agua en fase líquida en la región de verificación 4.1. Un oscilador 1.2.2 suministra una señal de referencia REF1 a este segundo diodo de emisión 1.2.1. De esta forma la intensidad de la radiación 5.2 emitida por este segundo diodo de emisión 1.2.1 es modulada por la señal de referencia REF2. Preferentemente, se modula la intensidad l2 en amplitud (podría ser en fase y/o amplitud) y a una frecuencia f2, distinta de /i, para permitir un demodulación simultánea y una mejor relación señal ruido.
De forma más preferente, estas frecuencias /i, /2 caen típicamente en el rango de las aplicaciones de baja frecuencia (más preferentemente, frecuencias inferiores a 200 kHz) y elegidas en una banda no contaminada. Preferentemente evitando armónicos múltiplos de la frecuencia de la red de alimentación (típicamente, 50Hz: 50 Hz, 100Hz, 150 Hz, etc. ó 60 Hz: 60 Hz, 120 Hz, 180 Hz, etc.). Esto evita la contaminación por señales a distinta frecuencias y mejora la relación señal ruido.
En este ejemplo, la luz de cada uno de estos diodos de emisión 1.1.1, 1.2.1 es recogida por un primer medio de guía 1.3. Este primer medio de guía 1.3 es preferentemente un conjunto de medios dieléctricos de guía, tales como la fibra óptica. Este ejemplo de realización se ha llevado a cabo mediante dos fibras ópticas denominadas como "pigtail" 1.3.1, 1.3.2 que recogen la emisión de cada uno de los diodos de emisión 1.1.1., 1.2.1. Estos haces 5.1, 5.2 se combinan en la fibra óptica común 1.3.4 mediante un combinador 1.3.3. Esto permite guiar y orientar a la vez ambos haces hasta el punto de emisión más favorable en la construcción del dispositivo, y facilita la orien- tación del haz para que el "spot" de incidencia del láser esté en la región de verificación 4.1.
En este ejemplo, un colimador 1.3.5 situado al terminar la fibra óptica común 1.3.4 permite obtener un haz colimado (rayos colineales) incidente sobre la región de verificación 4.1 y permite obtener un emisor más compacto. Ventajosamente se adopta una solución en donde el ángulo de incidencia hace un haz emitido en una dirección muy cercana a la dirección normal de incidencia sobre la superficie de la calzada 4 lo que permite situar el medio fotodetector 2.1 cercano al colimador 1.3.5.
De este modo, es posible conseguir un grupo emisor 1 compacto de un haz con dos longitudes de onda λι, λ2 moduladas a flt f2, colimado, compacto, sencillo y orientable con una dirección definida.
Una vez que este haz incide en la región de verificación 4.1 de la calzada, se refleja e incide en el grupo de recepción 2. En este ejemplo el grupo de recepción 2 comprende un medio fotodetector 2.1. Este medio fotodetector 2.1 comprende una serie de partes en este ejemplo tal como una lente focalizadora 2.1.1. Además, comprende una segunda fibra óptica 2.1.2 que conduce gran parte de la radiación reflejada, focalizada por la lente focalizadora 2.1.1, hasta un fotodio- do 2.1.3 que convierte esta radiación reflejada en una señal eléctrica. Esta señal es amplificada por un preamplificador 2.1.4 para proporcionar una señal eléctrica Si. Esto permite una detección simplificada habilitando diversas soluciones constructivas. Más preferentemente, el medio fotodetector 2.1 puede contener elementos tales como polarizadores para discriminar el estado de polarización de la luz reflejada.
Las cadenas de demodulación 2.2, 2.3 pueden implementarse de diversas maneras. En particular se recogen ejemplos de cadenas de demodulación 2.2 2.3 im- plementadas de forma numérica mediante un conversos analógico digital, un filtro antialising y un dispositivo lógico, tal como una combinación DSP, microprocesador, micro controlador, DPS, FPGA, u otro adaptado para detectar la amplitud en fase de la señal del medio fotodetector a una frecuencia de demodulación. Esto permite una implementación digital flexible, modular y barata. En el presente ejemplo se describen dos cadenas de demodulación 2.2, 2.3 síncrona, conectadas en paralelo con la salida del preamplificador 2.1.4. Con referencia a la primera cadena 2.2, la señal Si se hace pasar por un filtro pasa banda 2.2.1 que incluye i para mejorar la relación señal/ruido. Esta señal se introduce en un mezclador 2.1.3 donde se multiplica por la señal de referencia REF1 del oscilador de modulación 1.1.2 a frecuencia i. A la salida del mezclador 2.1.3 se coloca un filtro paso bajo 2.2.4 que permite obtener la amplitud compleja Αχ mediante la señal i y su cuadratura Y\. El módulo de la amplitud compleja es
Figure imgf000019_0001
(Vi/Xi).
La segunda cadena de demodulación 2.3 representada en la figura 3 presenta componentes análogos (filtro paso banda 2.3.1 que incluye f2, mezclador de se- nal 2.2.3 y filtro paso bajo 2.2.4). La señal de sincronía REF2 a frecuencia f2 proviene del segundo oscilador 1.2.2. A la salida del demodulador se tiene la señal X2 y su cuadratura, relacionadas con la amplitud compleja A2: |Λ2 | 2= X2 2+Y2 2, y la fase 4>2=atan
La señal a la salida de cada demodulador representa la amplitud reflejada a λι, λ2 presentando una excelente inmunidad respecto al ruido presente por factores ambientales. La detección en fase permite ampliar el rango de alcance entre el punto de emisión del haz láser, simplifica la construcción y permite llevar aquellas partes sensibles y críticas del sistema de detección en zonas susceptibles de implementar técnicas de compatibilidad electromagnética (e.g. apantallamiento) con mayor sencillez. Las entradas de un conversor analógico digital ADC 3.1 se conectan a las salidas de las cadenas de demodulación 2.3, 2.4 para recibir las señales Xlt Ylt X2, Y2. Así, estas señales se introducen en este ejemplo en el grupo de control y procesamiento 3 donde son digitalizadas para su procesamiento por cualquier unidad de procesamiento 3.2 como un microprocesador, un PC, etc. Esto permite flexibilizar e implementar di- versas estrategias de detección.
En particular, una unidad de procesamiento 3.2 está adaptada para, utilizando las señales digitalizadas Xlt Ylt X2, Y2, calcular y comparar el módulo del cociente entre estas amplitudes |Λ2 |/ |Λι | con un valor de referencia RREF. Este valor de referencia es en este ejemplo un umbral de discriminación entre dos estados. Puede ser obtenido mediante métodos estadísticos y refleja un criterio para discriminar si se verifica la condición de estado cuando la relación |-42 |/ |,4i | es mayor o menor que RREF. Así, si la relación |-42 |/ |,4i | es mayor que RREF, se considera que la superficie de la calzada está en un primer estado. Si la relación |-42 |/ |,4i | es menor que RREF, se considera que la superficie de la calzada está en un segundo estado. Este criterio se puede completar en base a la información proporcionada por las fases φ2, φι sobre cuya información se implementa un criterio de validación ya que proporcionan criterio adicional información de la distancia a la que está el blanco y lo que permite validar la medida como correcta ya que ambas longitudes de onda están midiendo una superficie que está a la misma distancia. Además, es posible incorporar un sistema de control de potencia (no representado). Este sistema de control tendría una entrada para cada señal de Alt que A2, está conectada también a este sistema. Este sistema es un circuito electrónico adaptado para modificar la amplitud de la modulación de cada una de las fuentes de modulación 1.1.2, 1.2.2. Aunque se puede implementar sobre cualquiera de las amplitudes Alt A2, se describe para la amplitud A2. Este sistema de control de potencia está adaptado para compara el módulo de Αχ con un valor de referencia Pl y comprende un sistema de control (tal como un control integral (I), proporcional-integral (Pl), proporcional-integral-diferencial (PI D)) que permite ser adaptado para regular la amplitud de la señal del suministrada al primer diodo emisor 1.1.1 hasta que
Figure imgf000020_0001
| fuera igual a Pi. Es posible implementar el sistema de control de potencia sobre cualquier cadena de demodulación se encuentra descrito en esta solicitud.
En otro ejemplo, es posible agregar una pluralidad de fuentes láser a una longitud de onda λ3,..., λη, moduladas respectivamente a frecuencias /3, /4,..., /n y las correspondientes cadenas de demodulación adicionales.
Es posible elegir estas longitudes de onda λ3,..., λη para detectar nuevos parámetros que permiten adquirir información relacionados con la variación del índice de refracción complejo con la longitud de onda que determinen una condición de estado adicional de la región de verificación 4.1 de la superficie de la calzada 4.
En otro ejemplo de realización se describe como añadir una tercera fuente (no mostrada en las figuras) al primer grupo de emisión. Se parte del partiendo del ejemplo de realización descrito anteriormente, que permite detectar la presencia de agua líquida en la región de verificación 4.1. En este caso la variación relativa de los coeficientes de absorción de agua (líquida) y hielo en función de la longitud de onda son similares a 1310 nm y distintos a 1470 nm y a 1550 nm. Cuando se cumple esta condición, el índice de refracción complejo o una de las magnitudes que se deriva n de él como el coeficiente de absorción, es distinto a estas últimas longitudes de onda (1470 nm, 1550 nm). Por tanto se dispone de forma ventajosa un grupo emisor 1 según cualquier ejemplo de la realización anterior y se proporciona una tercera fuente láser. Esta tercera fuente láser emite un tercer haz con una longitud de onda λ3. En este caso a la longitud de onda λ3 es preferentemente 1470 nm (IR próximo) en donde los coeficien- tes de absorción determinados por el índice de refracción (complejo) del agua en fase líquida y en fase sólida (hielo) presentan variaciones en función de si hay presencia de agua o hielo en la región de verificación 4.1.
Un tercer oscilador suministra una señal de referencia REF3 a este tercer diodo de emisión. De esta forma la intensidad de la radiación emitida por este tercer diodo de emisión es modulada por la señal de referencia REF3. Preferentemente, esta es modulación de la intensidad l3 es en amplitud (podría ser en fase, amplitud o una combinación de ambas) y a una frecuencia /3. Esto habilita el uso de técnicas de demodulación para detectar la intensidad reflejada.
De forma ventajosa una tercera fuente láser dispone de medios para la modulación que modulan la intensidad a una frecuencia /3, distinta de las frecuencias i y/2 de la primera y la segunda fuente láser.
El tercer haz láser está orientado de tal modo que en modo operativo incide en la región de verificación 4.1, y el haz reflejado incide en el medio fotodetector 2.1 del segundo grupo de recepción 2 para su recepción. Preferentemente, un tercer medio de guía como una fibra óptica "pigtail" recoge la emisión del tercer diodo de emisión para combinarlo en la fibra óptica común 1.3.4 mediante el combinador 1.3.3.
Además, el segundo grupo de recepción 2 comprende a frecuencia /3 una tercera cadena de demodulación alimentada también por la salida de señal eléctrica Si del medio fotodetector 2.1. Con referencia a esta tercera cadena, la señal Si se hace pasar por un tercer filtro pasa banda que incluye a /3, para mejorar la relación señal/ruido. Esta señal se introduce en un tercer mezclador donde se multiplica por la señal de referencia REF3 del tercer oscilador de modulación a frecuencia /3. A la salida del tercer mezclador se coloca un tercer filtro paso bajo que permite obtener la ampli- tud compleja A3 mediante la señal X3 y su cuadratura /3. El módulo de la amplitud compleja es |/A3 | 2= X3 2+ /3 2, y la fase 4>3=atan ( 3/X3). Estas señales se introducen en el conversor analógico digital ADC 3.1 presente en el grupo de control y procesamiento 3. Una vez digitalizadas para su procesamiento por cualquier unidad de procesamiento 3.2, en este ejemplo es posible comparar el módulo del cociente entre estas amplitudes |-42 | / |Λι | con un primer valor de referencia RREF1 y las amplitudes |-43 | / |,4i | con un segundo valor de referencia RREF2.
Al igual que en el ejemplo anterior, este primer valor de referencia RREF1 es en este ejemplo un primer umbral de discriminación entre dos estados de una región de verificación 4.1 que se corresponden a con o sin agua líquida. Dicho segundo valor de referencia RREF2 es en este ejemplo un segundo umbral de discriminación entre dos estados una región de verificación 4.1 que se corresponden a con o sin hielo. Dicho dispositivo permite por tanto detectar la presencia da agua y hielo en la una región de verificación de la superficie de la calzada 4.1.
Dicho dispositivo puede incorporar las diversas soluciones tales como el sistema de control de potencia adoptado para el ejemplo anterior sobre la señal del tercer diodo emisor láser.
La solución proporcionada mediante los ejemplos de realización de este dispositivo admite configuraciones constructivas extremadamente estables y compactas que permite su implementación autónoma tanto en sistemas fijos como en sistemas móviles, tales como vehículos y en particular automóviles, resultando esta última especialmente ventajosa.
De las realizaciones anteriores es posible apreciar que debido a la máxima simplificación combinada con el esquema de detección del esquema óptico es posible superar dificultades con los alineamientos ópticos y, no presenta partes móviles permitiendo una muy alta sensibilidad.

Claims

REIVINDICACIONES
Dispositivo de detección de una condición de estado de la superficie de la calzada una determinada región de verificación (4.1) caracterizado porque comprende
- un primer grupo de emisión (1) que a su vez comprende
• una primera fuente láser (1.1) que en modo operativo emite un haz (5.1) con una longitud de onda λι,
donde esta primera fuente láser (1.1) dispone de medios para la modulación (1.1.2) que en modo operativo modulan la intensidad /i a una frecuencia i, siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación
(4.1) a la longitud de onda λι indistinguible cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado;
• una segunda fuente láser (1.2) que en modo operativo emite un haz
(5.2) con una longitud de onda λ2,
donde esta segunda fuente láser (1.2) dispone de medios para la modulación (1.2.2) que en modo operativo modulan la intensidad l2 a una frecuencia f2 donde esta frecuencia f2 es distinta a la frecuencia
Figure imgf000023_0001
siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λ2 distinto cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado;
- un segundo grupo de recepción (2) que a su vez comprende:
• un medio fotodetector (2.1) destinado a recibir la radiación reflejada
(5.3) que procede de la primera y segunda fuente láser (1.1,1.2) tras incidir en la región de verificación (4.1) y que comprende una salida de señal eléctrica Si ;
• una primera cadena de demodulación (2.2) alimentada por la salida de señal eléctrica Si del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación Ai, • una segunda cadena de demodulación (2.3) alimentada también por la salida de señal eléctrica Si del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación A2;
donde la primera y la segunda fuente láser (1.1,1.2) del primer grupo de emisión (1) están orientadas de tal modo que en modo operativo la radiación de los dos haces láser (5.1,5.2) incide en la región de verificación (4.1), y al menos parte de la radiación reflejada (5.3) incide en el medio fotodetector (2.1) del segundo grupo de recepción (2) ; y donde el dispositivo comprende adicionalmente de un módulo de medida (3) que en modo operativo valora las magnitudes A2 y Ai y compara sus relaciones con al menos un conjunto de valores que reflejan la variación del índice de refracción ante una condición de estado local de la calzada.
2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el primer grupo de emisión (1) dispone de al menos una tercera fuente láser que en modo operativo emite un haz con una longitud de onda λ3, donde esta tercera fuente láser: · dispone de medios para la modulación que en modo operativo modulan la intensidad a una frecuencia f3, distinta de las frecuencias /i y/2 de la primera y la segunda fuente láser,
• está orientada de tal modo que en modo operativo incide en la región de verificación (4.1), y el haz reflejado incide en el medio fotodetector (2.1) del segun- do grupo de recepción (2) ; y donde el segundo grupo de recepción (2) adicionalmente comprende una tercera cadena de demodulación alimentada también por la salida de señal eléctrica Si del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación A3; y donde el dispositivo permite mediante el módulo de medida, en modo operativo, la valoración del cociente entre las magnitudes A3 y Ai.
3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque las fuentes láser (1.1, 1.2) así como el medio fotodetector (2.1) se encuentran en un mismo soporte.
4. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque dispone de elementos o medios de guía (1.3) que conducen los haces láser (5.1,5.2) desde las fuentes láser (1.1,1.2) hasta un punto de emisión desde donde se orienta el punto de emisión hacia la región de verificación (4.1).
5. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque se proporciona al menos un colimador (1.3.5) para la emisión de haces colineal hacia la región de verificación (4.1).
6. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende una lente focalizadora (2.1.1) de la radiación reflejada (5.3) en la región de verificación (4.1).
7. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende un fotodiodo (2.1.3).
8. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende un preamplificador (2.1.4) entre el fotodiodo
(2.1.3) y las cadenas de demodulación (2.2, 2.3).
9. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque al menos uno de los demoduladores (2.2,2.3) comprende un mezclador (2.2.3,2.3.3) en donde en una de las entradas del mezclador (2.2.3,2.3.3) se introduce la señal eléctrica Si y en otra de las entradas del mezclador (2.2.3, 2.3.3) se introduce la señal de un oscilador (1.1.2, 1.2.2) a una de las frecuencias de modulación ( i,/2), y la salida de este mezclador (2.2.3, 2.3.3) se introduce en un filtro paso bajo (2.2.4, 2.3.4) para detectar la amplitud en fase de la señal eléctrica Si en fase con el oscilador local (1.1.2, 1.2.2).
10. - Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque al menos una de las cadenas de demodulación (2.2, 2.3) se implementa de forma numérica mediante un conversor analógico digital, un filtro antialising y un dispositivo lógico, tal como una combinación DSP, microprocesador, microcontrolador, DPS, FPGA, u otro dispositivo lógico adaptado para detectar la amplitud en fase de la señal del medio fotodetector (2.1) a una frecuencia.
11.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en donde la potencia de al menos una de las fuentes láser (1.1, 1.2) es controlada mediante un sistema de control de potencia regulado por un valor de potencia umbral P¡ y un valor de potencia proporcional a la magnitud amplitud compleja de |A | para cualquiera de las señales ¡=1,2,3...n.
12. Método de detección de una condición de estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación (4.1) que comprende las etapas de:
- provisión de
un primer haz (5.1) con una longitud de onda λι, en donde el valor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λι es indistinguible cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad /ide este primer haz (5.1) modulada a una frecuencia i; y de un segundo haz (5.2) con una longitud de onda λ2, en donde el va- lor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λ2 es distinto cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad l2 de este segundo haz (5.2) modulada a una frecuencia f2 distinta de la frecuencia i; e incidiendo la radiación de ambos haces (5.1,5.2) en la región de verificación (4.1);
- detección de la radiación reflejada (5.3) en la región de verificación (4.1), que com prende una componente de longitud de onda λι y una componente de longitud de onda λ2, mediante un medio fotodetector (2.1) que trans- forma esta radiación electromagnética reflejada en una señal eléctrica Si;
- demodulación de la señal eléctrica Si a frecuencias /i y/2 proporcionando los valores de una primera amplitud compleja Αχ a una frecuencia i y de una segunda amplitud compleja A2 a una frecuencia /2;
- comparación de estos valores de la amplitud compleja A A2 con al menos un valor de referencia de amplitud compleja que refleja la variación del índice de refracción a la longitud de onda λ2 cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en dicha condición de estado.
13. Método según la reivindicación 12 en donde la condición de estado se verifica si el cociente entre los módulos de la segunda amplitud compleja |i42| y de la primera amplitud compleja
Figure imgf000027_0001
| es mayor que un valor de referencia RREF.
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