DE102013212701B4 - Method and device for determining the condition of a road surface - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung des Zustands der Oberfläche einer Fahrbahn (F), wobei die Oberfläche der Fahrbahn (F) mit Strahlung (L) einer Strahlungsquelle (2) eines auf der Oberfläche der Fahrbahn (F) befindlichen Fahrzeugs (EF) bestrahlt wird, wobei das Ramanspektrum der rückgestreuten Strahlung (S) bestimmt und aus dem Ramanspektrum die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahn (F) befindlichen Salzlösung bestimmt wird,die Salzkonzentration und die Art des Salzes der Salzlösung aus der Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber dem Spektrum der ausgesandten Strahlung (L) bestimmt wird,die Umgebungstemperatur separat von der Aufnahme der Ramanspektren bestimmt wird, undaus der Umgebungstemperatur sowie der gemessenen Salzkonzentration bestimmt wird, ob die Fahrbahn (F) vereist ist oder nicht.Method for determining the condition of the surface of a roadway (F), the surface of the roadway (F) being irradiated with radiation (L) from a radiation source (2) of a vehicle (EF) located on the surface of the roadway (F), the Raman spectrum of the backscattered radiation (S) is determined and the salt concentration of a salt solution on the roadway (F) is determined from the Raman spectrum, the salt concentration and the type of salt in the salt solution are determined from the shift in the Raman spectrum compared to the spectrum of the emitted radiation (L) the ambient temperature is determined separately from the recording of the Raman spectra, and it is determined from the ambient temperature and the measured salt concentration whether the roadway (F) is icy or not.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Straßenoberfläche, insbesondere des Zustands einer mit Streusalz in wässriger Lösung versehenen Straßenoberfläche sowie ein entsprechendes Verfahren.The invention relates to a method for determining the condition of a road surface, in particular the condition of a road surface provided with road salt in an aqueous solution, and a corresponding method.

Im Winter geht von vereisten Straßen eine besondere Gefahr für den Straßenverkehr aus. Um Glätte bzw. Vereisungen auf den Fahrbahnen von Straßen, Autobahnen und anderen Verkehrsflächen zu verhindern werden Streusalze eingesetzt. Die Wirkung derartiger Tausalze hält allerdings nur eine bestimmte Zeit an, beispielsweise da Tausalze in Abhängigkeit von den aktuellen Wetterbedingungen, der Fahrbahn, der Verkehrslage und der Fahrbahn selbst verschieden stark abgetragen werden. Durch den Einsatz von Streusalz wird die Fahrbahn lediglich für einen begrenzten Zeitraum eisfrei oder erscheint nur eisfrei, kann aber dennoch glatt sein. Insbesondere kann es durch den Abfluss des Schmelzwassers zu einer Abnahme der Salzkonzentration auf der Straße kommen, so dass bei niedrigen Temperaturen in der Nacht selbst eine gestreute Fahrbahn vereist sein kann.In winter, icy roads pose a particular danger to road traffic. Road salts are used to prevent slipperiness or icing on the lanes of roads, motorways and other traffic areas. The effect of such de-icing salts only lasts for a certain time, for example because de-icing salts are removed to different degrees depending on the current weather conditions, the roadway, the traffic situation and the roadway itself. By using road salt, the road surface is only free of ice for a limited period of time or only appears free of ice, but it can still be slippery. In particular, the runoff of the meltwater can lead to a decrease in the salt concentration on the road, so that even a littered roadway can be iced up at low temperatures at night.

Die Sicherheit der Straßenverkehrsteilnehmer würde daher durch eine Warnung erhöht werden, die dem Verkehrsteilnehmer mitteilt, dass er über eine vereiste Straße fährt. Die Information, ob sich das Auto auf sicherem Untergrund oder bereits in einer Gefahrensituation befindet, ermöglicht dem Fahrer eine rechtzeitige und kontrollierte Reaktion.The safety of road users would therefore be increased by a warning that informs the road user that he is driving on an icy road. The information as to whether the car is on a safe surface or already in a dangerous situation enables the driver to react in a timely and controlled manner.

Die Druckschrift DE 195 47 968 C2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Tausalz auf einer Fahrbahn. Dabei wird ein Licht führender Lichtwellenleiter oberhalb der Fahrbahn so angeordnet, dass dessen Stirnseite ständig von Tropfen des Streusalz enthaltenden Wassers beaufschlagt wird. Der in den Lichtleiter zurückreflektierte Lichtanteil wird in seinem zeitlichen Verlauf gemessen und ausgewertet. Aus der Intensität des rückreflektierten Lichts kann die Tausalzkonzentration bestimmt werden. Nachteilig hierbei ist die Anordnung unterhalb des Fahrzeugs, bei der eine kontinuierliche Benetzung sichergestellt werden muss. Eine Verschmutzung der Stirnfläche führt zu einem Ausfall des Verfahrens.The pamphlet DE 195 47 968 C2 discloses a method and a device for measuring the concentration of de-icing salt on a roadway. In this case, a light-guiding optical waveguide is arranged above the roadway in such a way that its end face is constantly exposed to drops of the water containing road salt. The proportion of light reflected back into the light guide is measured and evaluated over time. The concentration of de-icing salt can be determined from the intensity of the light reflected back. The disadvantage here is the arrangement below the vehicle, in which continuous wetting must be ensured. Contamination of the face leads to failure of the process.

Aus der Druckschrift DE 603 20 281 T2 ist ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche bekannt, bei welchem mittels Reflektionsspektrometrie basierend auf einer Wellenlängenmodulation des ausgesandten Lichts aus der Amplitudenmodulation des detektierten reflektierten Lichts auf den Zustand der Fahrbahnoberfläche geschlossen wird. Nachteilig bei dem bekannten Verfahren ist der aufwendige optische Aufbau der Vorrichtung.From the pamphlet DE 603 20 281 T2 a method for determining the condition of a road surface is known in which the condition of the road surface is deduced from the amplitude modulation of the detected reflected light by means of reflection spectrometry based on a wavelength modulation of the emitted light. The disadvantage of the known method is the complex optical structure of the device.

Aus der Druckschrift EP 0 811 155 B1 ist ein Verfahren zur Feststellung des Oberflächenzustands von Verkehrswegen bekannt, bei dem die Oberfläche mit einer Strahlungsquelle bestrahlt wird, die einen Infrarotanteil aufweist, und die reflektierte Strahlung gleichzeitig hinsichtlich verschiedenen, Wasser und Eis charakterisierenden Wellenlängenbereichen analysiert wird, wobei die spektralanalytischen Messungen vor oder hinter einer Radlauffläche vorgenommen werden. Nachteilig ist der apparative Aufwand zur Untersuchung der Vielzahl von Wellenlängenbereichen sowie die apparative Anordnung im Reifenbereich und die Gefahr einer Verschmutzung der aufnehmenden Sensorik.From the pamphlet EP 0 811 155 B1 a method for determining the surface condition of traffic routes is known in which the surface is irradiated with a radiation source that has an infrared component, and the reflected radiation is analyzed simultaneously with regard to different wavelength ranges characterizing water and ice, with the spectral analytical measurements in front of or behind a Wheel tread can be made. Disadvantages are the outlay in terms of equipment for examining the large number of wavelength ranges, as well as the arrangement of equipment in the tire area and the risk of contamination of the receiving sensors.

Die Druckschrift DE 42 05 629 A1 beschreibt ein Verfahren zur berührungslosen Messung des Tausalzgehalts einer auf der Straßenoberfläche befindlichen Wasserschicht durch Reflektionsmessung von auf die Oberfläche gerichtetem sichtbaren oder infraroten Licht. Dabei werden die Intensitäten zweier von der untersuchten Wasserschicht reflektierter linear polarisierter Lichtanteile gemessen, wobei die beiden Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Aus den gemessenen Intensitäten des reflektierten Lichts wird der Salzgehalt der Wasserschicht abgeleitet. Kritisch ist hierbei die genaue Ausrichtung der zu untersuchenden Polarisationsrichtungen des empfangenen reflektierten Lichts.The pamphlet DE 42 05 629 A1 describes a method for the non-contact measurement of the de-icing salt content of a layer of water on the road surface by measuring the reflection of visible or infrared light directed onto the surface. The intensities of two linearly polarized light components reflected by the examined water layer are measured, the two polarization directions being perpendicular to one another. The salinity of the water layer is derived from the measured intensities of the reflected light. The precise alignment of the polarization directions of the received reflected light to be examined is critical here.

In der Druckschrift DE 10 2004 001 046 B4 wird ein Verfahren zur Feststellung und Quantifizierung von Wasser, Schnee, Matsch, Eis und Raureif auf Verkehrswegsoberflächen beschrieben. Dabei wird Licht auf die zu vermessende Oberfläche gelenkt, wobei zur Erzeugung des Lichts Lichtquellen unterschiedlicher Emissionswellenlängen der Reihe nach ein- und wieder ausgeschaltet werden, so dass jeweils maximal eine zu einem Zeitpunkt eingeschaltet ist. Das zurückgestreute Licht wird außerhalb des Glanzreflexes aufgesammelt und von einer Auswerteeinheit mit dem Ein- und Ausschalten der Quellen korreliert registriert. Ein Teil des Messlichts wird als Referenz direkt aus den Lichtquellen einem separaten Empfänger zugeleitet und jedes von der Fahrbahnoberfläche aufgenommene Spektrum wird mit diesem Referenzspektrum verglichen. Die dabei verwendeten Lichtwellenlängen sind so ausgewählt, dass sie bei geeigneten Frequenzen für flüssiges Wasser und Eis liegen. Nachteilig hier ist der apparative Aufwand sowie die Bereitstellung der unterschiedlichen Lichtwellenlängen.In the pamphlet DE 10 2004 001 046 B4 a method for the detection and quantification of water, snow, slush, ice and hoarfrost on road surfaces is described. In this case, light is directed onto the surface to be measured, with light sources of different emission wavelengths being switched on and off in sequence so that a maximum of one is switched on at a time. The backscattered light is collected outside of the specular reflection and registered by an evaluation unit in a correlated manner with the switching on and off of the sources. A part of the measuring light is sent directly from the light sources to a separate receiver as a reference and each spectrum recorded from the road surface is compared with this reference spectrum. The light wavelengths used are selected so that they are at suitable frequencies for liquid water and ice. Disadvantages here are the outlay on equipment and the provision of the different light wavelengths.

Die Druckschrift US 201110228265 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Fest-Flüssig-Phase einer wässrigen Lösung mit den folgenden Schritten:

  • - Bestrahlen der wässrigen Lösung mit einem Photonenstrahl;
  • - Aufnahme des Raman-Spektrums der Photonen, die durch diese Lösung im Wellenzahlenbereich zwischen 2500 cm–1 bis 4000 cm-1gestreut werden; und
  • - Verarbeitung dieser Aufzeichnung, um daraus die festflüssige Phase der wässrigen Lösung abzuleiten.
The pamphlet US 201110228265 A1 describes a method for determining the solid-liquid phase of an aqueous solution with the following steps:
  • - Irradiating the aqueous solution with a beam of photons;
  • - Recording of the Raman spectrum of the photons that are scattered by this solution in the wave number range between 2500 cm – 1 to 4000 cm –1 ; and
  • Processing of this recording in order to derive the solid liquid phase of the aqueous solution from it.

Die Druckschrift JP 06241761 A beschreibt ein Verfahren zum Erkennen des Zustands einer Fahrbahnoberfläche. Dabei wird ein Laserstrahl von einer Kollimatorlinse parallelisiert und als paralleler Laserstrahl auf eine Straßenoberfläche abgestrahlt. Ist die Fahrbahn nass bewirkt der Laserstrahl durch das Wasser auf der Fahrbahn eine induzierte Raman-Streuung, und es werden Raman-Streustrahlen mit Wellenlängen, die sich von denen des Einfallslaserstrahls unterscheiden, erzeugt, wodurch die Existenz von Wasser auf der Fahrbahn nachgewiesen werden kann.The pamphlet JP 06241761 A describes a method for recognizing the condition of a road surface. A laser beam is parallelized by a collimator lens and emitted as a parallel laser beam onto a road surface. When the road surface is wet, the laser beam causes induced Raman scattering through the water on the road surface, and Raman scattered rays with wavelengths different from those of the incident laser beam are generated, whereby the existence of water on the road surface can be detected.

Die Druckschrift DE 103 14424 A1 betrifft eine spezielle Anwendung geeignet spektraloptisch modifizierter Wärmebildkameras oder bildgebender IR Flächen-Detektor-Array-Anordnungen in Kombination mit spezieller Bildbearbeitungs-Software zum Zwecke einer ortsaufgelösten Echtzeit-Feststellung von vereisten Oberflächenstellen auf beliebigen Oberflächen. Dies wird durch eine neuartige Anwendung von bekannten Wärmebildkameras verbunden mit zusätzlichen spektroskopischen Vorrichtung zur Einstellung eines engen analytselektiven (Wasser und Eis-Absorptionsbanden im NIR) Wellenlängenbereichs während einer Aufnahme und verbunden mit bekannten Bildbearbeitungssoftware-Entwicklungen bewerkstelligt. Dazu wird für schnelle Wellenlängen-Scans ein akustooptisch abstimmbares Filter, ein durchstimmbares Flüssigkristallfilter oder Interferenzfilter mit variablen Strahlungswinkeln verwendet.The pamphlet DE 103 14424 A1 relates to a special application of suitable spectro-optically modified thermal imaging cameras or imaging IR surface detector array arrangements in combination with special image processing software for the purpose of spatially resolved real-time detection of icy surface areas on any surface. This is achieved through a novel application of known thermal imaging cameras combined with additional spectroscopic devices for setting a narrow analyte-selective (water and ice absorption bands in the NIR) wavelength range during a recording and combined with known image processing software developments. For this purpose, an acousto-optically tunable filter, a tunable liquid crystal filter or interference filter with variable radiation angles is used for fast wavelength scans.

Die Druckschrift DE 10 2010 055773 A1 betrifft ein Verfahren zur ständigen Messung der Oberflächentemperatur der Fahrbahn unter einem Kraftfahrzeug im Fahrbetrieb. In Verbindung mit weiteren Messgrößen, relativer Luftfeuchtigkeit und Lufttemperatur und deren kontinuierlichen, rechnerischen Auswertung sind, vor allem bei sich überraschend ändernden Straßenbedingungen, genauere Warnhinweise an die fahrzeugführende Person möglich.The pamphlet DE 10 2010 055773 A1 relates to a method for continuously measuring the surface temperature of the roadway under a motor vehicle while it is driving. In connection with other measured variables, relative humidity and air temperature and their continuous, computational evaluation, more precise warnings to the person driving the vehicle are possible, especially in the case of surprisingly changing road conditions.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche anzugeben, welches mit geringem apparativen Aufwand bei ausreichender Empfindlichkeit auszuführen ist.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a corresponding device for determining the condition of a road surface, which can be carried out with little equipment effort with sufficient sensitivity.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a method for determining the condition of a road surface with the features of claim 1 and by a corresponding device with the features of claim 7. Preferred embodiments of the invention are the subject of the subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche durch Analyse einer vom Fahrzeug ausgesandten Strahlung einer Strahlungsquelle wird das Ramanspektrum von der Fahrbahnoberfläche rückgestreuten Strahlung bestimmt. Aus dem Ramanspektrum kann die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahn befindlichen Salzlösung ermittelt werden. Mittels der Detektion des Ramanspektrums einer ausgesandten Strahlung, insbesondere von infraroten Licht, kann auf einfache Weise schnell und berührungslos die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Salzlösung bestimmt werden, die im Winter eine Eisbildung auf der Fahrbahnoberfläche verhindern soll.In the method according to the invention for determining the condition of a road surface by analyzing radiation from a radiation source emitted by the vehicle, the Raman spectrum of radiation backscattered from the road surface is determined. The salt concentration of a salt solution on the roadway can be determined from the Raman spectrum. By detecting the Raman spectrum of an emitted radiation, in particular infrared light, the salt concentration of a salt solution located on the road surface can be determined in a simple manner, quickly and without contact, which is intended to prevent ice formation on the road surface in winter.

Dabei wird die Salzkonzentration und die Art des Salzes der auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Salzlösung aus der Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber dem Spektrum der ausgesandten Strahlung bestimmt. Dies ist möglich, da für eine vorgegebene Temperatur der Salzlösung die Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber des Spektrum der Detektorstrahlung eine Funktion der Salzkonzentration ist. Ferner kann aus dem Ramanspektrum, d.h. den Stokes- und Antistokesspektren, auf die Art der Salzlösung geschlossen werden, wobei als bekannt vorausgesetzt werden kann, dass das im Straßenverkehr verwendete Streusalz zu mindesten 94% aus Natriumchlorid, also Kochsalz, besteht. Weitere Bestandteile des verwendeten Streusalzes können Calziumchlorid und Magnesiumchlorid sein, deren Ramanspektren ebenfalls berücksichtigt werden können. The salt concentration and the type of salt of the salt solution on the road surface are determined from the shift in the Raman spectrum compared to the spectrum of the emitted radiation. This is possible because, for a given temperature of the salt solution, the shift in the Raman spectrum with respect to the spectrum of the detector radiation is a function of the salt concentration. Furthermore, the type of salt solution can be inferred from the Raman spectrum, i.e. the Stokes and Antistokes spectra, whereby it can be assumed as known that the road salt used in road traffic consists of at least 94% sodium chloride, i.e. table salt. Other components of the road salt used can be calcium chloride and magnesium chloride, the Raman spectra of which can also be taken into account.

Dabei wird die Umgebungstemperatur separat von der Aufnahme der Ramanspektren ermittelt. Aus der Umgebungstemperatur sowie der gemessenen Salzkonzentration wird bestimmt, ob die Fahrbahn vereist ist oder nicht. Die Information, ob eine Fahrbahn vereist ist oder nicht, wird durch zwei Messgrößen bestimmt, der Salzkonzentration auf der Fahrbahn und der Umgebungstemperatur. Durch die Ramanspektren kann auf einfache Weise die Salzkonzentration gemessen werden, während die Messung der Umgebungstemperatur heute Bestandteil jedes modernern Fahrzeugs ist.The ambient temperature is determined separately from the recording of the Raman spectra. The ambient temperature and the measured salt concentration are used to determine whether the road is icy or not. The information as to whether a road is icy or not is determined by two measured variables, the salt concentration on the road and the ambient temperature. The salt concentration can easily be measured by means of the Raman spectra, whereas the measurement of the ambient temperature is now part of every modern vehicle.

Vorzugsweise wird die Differenz zwischen Ramanspektren und ausgesandten Spektren bestimmt und aus der Differenz auf die Salzkonzentration und die Art des Salzes geschlossen. Dabei kann die jeweilige Salzkonzentration mittels hinterlegter Referenzwerte bestimmt werden. Zur Bestimmung der Differenz lassen sich kostengünstig digitale Signalprozessoren einsetzen.The difference between the Raman spectra and the transmitted spectra is preferably determined and the salt concentration and the type of salt are deduced from the difference. The respective salt concentration can be determined by means of stored reference values can be determined. Digital signal processors can be used inexpensively to determine the difference.

Vorzugsweise sind Phasendiagramme der Salzlösungen mit unterschiedlichen Salzkonzentrationen hinterlegt, so dass sich daraus in Verbindung mit der Umgebungstemperatur die Fahrbahnvereisung bestimmen lässt.Phase diagrams of the salt solutions with different salt concentrations are preferably stored so that the icing of the road can be determined from them in connection with the ambient temperature.

Weiter bevorzugt trifft die Strahlung in einem vorgegebenen Abstand vor dem Fahrzeug auf die Fahrbahnoberfläche auf. Dieser Abstand beträgt beispielsweise 100 m. Auf diese Weise kann der Vereisungsgrad der Fahrbahnoberfläche vorausschauend bestimmt werden, so dass eine rechtzeitige Warnung an den Fahrer möglich ist und eine gefahrlose Geschwindigkeitsreduzierung erfolgen kann.More preferably, the radiation strikes the road surface at a predetermined distance in front of the vehicle. This distance is, for example, 100 m. In this way, the degree of icing on the road surface can be determined in advance, so that the driver can be warned in good time and the speed can be reduced without danger.

Unterliegt eine Messung vor dem Fahrzeug zu vielen Störeinflüssen, so kann die ausgesandte Strahlung auch unterhalb des Fahrzeugs auf die Fahrbahn gerichtet werden. Eine vorausschauende Warnung ist dann allerdings nicht mehr möglich.If a measurement in front of the vehicle is subject to too many interfering influences, the emitted radiation can also be directed onto the roadway below the vehicle. However, a predictive warning is then no longer possible.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche zur Durchführung des im Vorangegangenen beschriebenen Verfahrens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche eingerichtet und ausgelegt ist, umfasst:

  • - eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von Strahlung,
  • - eine Einrichtung zur Fokussierung der Strahlung auf die Fahrbahnoberfläche,
  • - eine Detektoreinrichtung zur Detektion der rückgestreuten Strahlung, wobei die Detektoreinrichtung zur Detektion von Ramanspektren ausgebildet ist,
  • - eine Einrichtung zur Messung der Umgebungstemperatur, und
  • - eine Steuer-/Auswerteeinrichtung.
The device according to the invention, which is set up and designed to carry out the method described above for determining the condition of a road surface, comprises:
  • - a radiation source for generating radiation,
  • - a device for focusing the radiation on the road surface,
  • a detector device for detecting the backscattered radiation, the detector device being designed to detect Raman spectra,
  • - a device for measuring the ambient temperature, and
  • - a control / evaluation device.

Dabei kommt als Strahlungsquelle insbesondere eine Laserdiode oder eine High Power LED zum Einsatz, wobei der Einsatz einer High Power LED in einem Fahrzeug aufgrund ihrer Robustheit und Langlebigkeit zu bevorzugen ist. Der Frequenzbereich der Strahlungsquellen liegt vorzugsweise im Infraroten. Ferner kann der Detektor ein breitbandiger Detektor oder ein Prisma mit Detektor zur ortsausgelösten wellenlängenabhängigen Strahlungsintensitätsbestimmung sein.In particular, a laser diode or a high power LED is used as the radiation source, the use of a high power LED in a vehicle being preferred because of its robustness and durability. The frequency range of the radiation sources is preferably in the infrared. Furthermore, the detector can be a broadband detector or a prism with a detector for locally triggered, wavelength-dependent radiation intensity determination.

Weiter bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Speicher-/Signalverarbeitungseinheit zur Speicherung von Referenzspektren und Phasendiagrammen auf.The device according to the invention further preferably has a memory / signal processing unit for storing reference spectra and phase diagrams.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt

  • 1 ein Beispiel eines Ramanspektrums von reinem Wasser bei T= 20°C,
  • 2 ein Beispiel eines Ramanspektrums einer NaCI-Salzlösung bei T=20°C,
  • 3 das Messverfahren in schematischer Darstellung, und
  • 4 der Eis-Sensor in schematischer Darstellung.
A preferred embodiment of the invention is described below with reference to the drawings. It shows
  • 1 an example of a Raman spectrum of pure water at T = 20 ° C,
  • 2 an example of a Raman spectrum of a NaCl salt solution at T = 20 ° C,
  • 3rd the measuring process in a schematic representation, and
  • 4th the ice sensor in a schematic representation.

Zur Erläuterung der Grundlagen des Verfahrens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mittels der Auswertung von Ramanspektren dienen die beiden 1 und 2, wobei die Intensität I gegenüber der Wellenzahl W aufgetragen ist. Dabei zeigt 1 ein Ramanspektrum von reinem Wasser bei einer Temperatur von 20 °C im Wellenzahlbereich von 2800 bis 3800, d.h. im Infraroten, und die 2 ein Ramanspektrum von NaCI in Wasser, wobei der Anteil von NaCI in der Salzlösung ca. 20 Massenprozent beträgt.The two serve to explain the fundamentals of the method for determining the condition of a road surface by means of the evaluation of Raman spectra 1 and 2 , with the intensity I. versus the wavenumber W. is applied. It shows 1 a Raman spectrum of pure water at a temperature of 20 ° C in the wave number range from 2800 to 3800, ie in the infrared, and the 2 a Raman spectrum of NaCl in water, the proportion of NaCl in the salt solution being approx. 20 percent by mass.

Das in 1 dargestellte Beispiel eines Ramanspektrums von reinem Wasser bei der Temperatur T=20°C setzt sich zusammen aus drei Streckschwingungen des Wassers mit den Maxima bei den Wellenzahlen 3222 (Δv2 ), 3433 (Δv1) und 3617 (Δv3). Das sich aus den drei Schwingungen ergebende Spektrum des reinen Wasser in diesem Wellenzahlenbereich ist parametrisch von der Temperatur abhängig, da der Ort und die Intensität der Maxima der Schwingungen eine Funktion der Temperatur ist. Folglich ändert sich die Form des Spektrums mit der Temperatur.This in 1 The example shown of a Raman spectrum of pure water at the temperature T = 20 ° C is composed of three stretching vibrations of the water with the maxima at the wave numbers 3222 (Δv 2 ), 3433 (Δv 1 ) and 3617 (Δv 3 ). The spectrum of pure water resulting from the three oscillations in this wave number range is parametrically dependent on the temperature, since the location and the intensity of the maxima of the oscillations is a function of the temperature. Consequently, the shape of the spectrum changes with temperature.

2 zeigt ein Ramanspektrum einer wässrigen Kochsalzlösung mit 20 Massenprozent NaCI im Wellenzahlenbereich von 2800 bis 3800 bei einer Temperatur T= 20°C. Auch hier ist das Spektrum eine Überlagerung dreier Schwingungen bei den Wellenzahlen 3263 (Δv2), 3456 (Δv1) und 3618 (Δv3). Aufgrund der Anwesenheit des Kochsalzes im Wasser sind trotz derselben Temperatur von 20°C sowohl die Maxima der Schwingungen als auch deren Intensitäten unterschiedlich zu denjenigen reinen Wassers, so dass sich eine deutlich andere Form des Ramanspektrums der 2 der Salzlösung gegenüber derjenigen der 1 des reinen Wassers ergibt. 2 shows a Raman spectrum of an aqueous saline solution with 20 percent by mass NaCl in the wave number range from 2800 to 3800 at a temperature T = 20 ° C. Here, too, the spectrum is a superposition of three oscillations with the wave numbers 3263 (Δv 2 ), 3456 (Δv 1 ) and 3618 (Δv 3 ). Due to the presence of table salt in the water, despite the same temperature of 20 ° C, both the maxima of the vibrations and their intensities are different from those of pure water, so that the Raman spectrum is clearly different 2 the saline solution versus that of the 1 of pure water results.

Aus der Gegenüberstellung der 1 und 2 ist erkennbar, dass die Form eines Spektrums von der Salzkonzentration abhängig ist. Ferner ist die Form eines Spektrums eine Funktion des Salzes bzw. auch der Salzmischungen. Mit anderen Worten, eine Lösung von NaCI in Wasser ergibt bei einer vorgegebenen Temperatur bei identischer Konzentration ein anderes Spektrum als eine Lösung von MgCI in Wasser. Ferner hat Eis ein anderes Ramanspektrum als reines Wasser.From the comparison of the 1 and 2 it can be seen that the shape of a spectrum depends on the salt concentration. Furthermore, the shape of a spectrum is a function of the salt or also of the salt mixtures. In other words, a solution of NaCl in water gives a different spectrum than a solution of MgCl in water at a given temperature at an identical concentration. Furthermore, ice has a different Raman spectrum than pure water.

Es ist daher möglich bei Kenntnis der Temperatur aus einem Ramanspektrum die Art des Salzes und dessen Konzentration zu bestimmen.If the temperature is known, it is therefore possible to determine the type of salt and its concentration from a Raman spectrum.

3 zeigt das Funktionsprinzip des Verfahrens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mittels Auswertung der Ramanspektren. Durch einen optischen Zugang in der Frontscheibe eines Fahrzeugs EF wird ein Lichtstrahl L in einem Abstand D von ca. 100 m auf die Fahrbahn F in einem Auftreffpunkt P fokussiert. Der Lichtstrahl L kann dabei von einer Laserdiode oder einer Leistungs-LED erzeugt werden, wobei eine Wellenlänge im infraroten Bereich verwendet wird, beispielsweise 850 nm. Ein Breitbanddetektor (nicht dargestellt), der ebenfalls hinter dem optischen Zugang in der Frontscheibe des Fahrzeugs EF angeordnet ist, detektiert das im Auftreffpunkt P erzeugte Streulicht S, welches in einer entsprechenden Auswerteeinrichtung (nicht dargestellt), beispielsweise dem Bordcomputer, analysiert wird. Ferner weist das Fahrzeug EF eine Einrichtung zur Bestimmung der Außentemperatur auf (nicht dargestellt). 3rd shows the functional principle of the method for determining the condition of a road surface by evaluating the Raman spectra. Through an optical access in the windshield of a vehicle EF becomes a ray of light L. at a distance D. from approx. 100 m onto the roadway F. in a point of impact P. focused. The ray of light L. can be generated by a laser diode or a power LED, using a wavelength in the infrared range, for example 850 nm. A broadband detector (not shown), which is also located behind the optical access in the front window of the vehicle EF is arranged, detects this at the point of impact P. generated scattered light S. , which is analyzed in a corresponding evaluation device (not shown), for example the on-board computer. The vehicle also has EF a device for determining the outside temperature (not shown).

4 zeigt in schematischer Darstellung die Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberfläche mittels der Auswertung von Ramanspektren, die auch als Eis-Sensor bezeichnet wird. Eine Steuer-/Auswerteeinrichtung 1 steuert eine Strahlungsquelle 2 an, die beispielsweise eine im infraroten Bereich arbeitende LED oder Laserdiode und eine optische Einrichtung zur Fokussierung des Lichtstrahls auf die Fahrbahn aufweist. Das von der Oberfläche der Fahrbahn rückgestreute Licht wird von einem Detektor 3, vorzugsweise ein Breitbanddetektor, detektiert und das gemessenen Ramanspektrum an die Steuer-/Auswerteeinrichtung 1 weitergeleitet. Mittels eines separaten Temperatursensors 4 wird fortlaufend oder parallel zur Aufnahme des Ramanspektrums die Umgebungstemperatur bestimmt und an die Steuer-/Auswerteeinrichtung 1 übertragen. Als Funktion der ermittelten Umgebungstemperatur wird das gemessenen Ramanspektrum mit als Funktion der Temperatur parametrisch abgelegten Referenzspektren verglichen, die in einem Speicher 5 abgelegt sind, und als Ergebnis des Vergleichs erhält man die Salzkonzentration der auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Streusalzlösung und die Art des Streusalzes. Dabei wird a priori vorausgesetzt, dass das verwendete Streusalz überwiegend aus Natriumchlorid besteht und es sich bei den anderen Salzkomponenten um Calziumchlorid bzw. Magnesiumchlorid handeln muss. Ferner steuert die Steuer-/Auswerteeinrichtung 1 eine Anzeige/Warneinrichtung 5 an, mittels der Warnungen bezüglich des Zustands der Fahrbahnoberfläche ausgegeben und/oder angezeigt werden können. 4th shows a schematic representation of the device for determining the condition of a road surface by means of the evaluation of Raman spectra, which is also referred to as an ice sensor. A control / evaluation device 1 controls a radiation source 2 which has, for example, an LED or laser diode working in the infrared range and an optical device for focusing the light beam on the roadway. The light backscattered from the surface of the road is detected by a detector 3rd , preferably a broadband detector, detected and the measured Raman spectrum to the control / evaluation device 1 forwarded. By means of a separate temperature sensor 4th the ambient temperature is determined continuously or in parallel with the recording of the Raman spectrum and sent to the control / evaluation device 1 transfer. As a function of the determined ambient temperature, the measured Raman spectrum is compared with reference spectra which are parametrically stored as a function of the temperature and which are stored in a memory 5 are stored, and the result of the comparison is the salt concentration of the road salt solution on the road surface and the type of road salt. It is assumed a priori that the road salt used mainly consists of sodium chloride and that the other salt components must be calcium chloride or magnesium chloride. The control / evaluation device also controls 1 a display / warning device 5 on, by means of which warnings regarding the condition of the road surface can be issued and / or displayed.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

II.
Intensitätintensity
WW.
Wellenzahl 1/cm Wave number 1 / cm
EFEF
Fahrzeugvehicle
DD.
Abstanddistance
FF.
Fahrbahnroadway
LL.
LichtstrahlBeam of light
PP.
AuftreffpunktPoint of impact
SS.
Streulicht Stray light
11
Steuer-/AuswerteeinrichtungControl / evaluation device
22
StrahlungsquelleRadiation source
33
Detektordetector
44th
TemperatursensorTemperature sensor
55
SpeichereinrichtungStorage facility
66th
Anzeige/WarneinrichtungDisplay / warning device

Claims (8)

Verfahren zur Bestimmung des Zustands der Oberfläche einer Fahrbahn (F), wobei die Oberfläche der Fahrbahn (F) mit Strahlung (L) einer Strahlungsquelle (2) eines auf der Oberfläche der Fahrbahn (F) befindlichen Fahrzeugs (EF) bestrahlt wird, wobei das Ramanspektrum der rückgestreuten Strahlung (S) bestimmt und aus dem Ramanspektrum die Salzkonzentration einer auf der Fahrbahn (F) befindlichen Salzlösung bestimmt wird, die Salzkonzentration und die Art des Salzes der Salzlösung aus der Verschiebung des Ramanspektrums gegenüber dem Spektrum der ausgesandten Strahlung (L) bestimmt wird, die Umgebungstemperatur separat von der Aufnahme der Ramanspektren bestimmt wird, und aus der Umgebungstemperatur sowie der gemessenen Salzkonzentration bestimmt wird, ob die Fahrbahn (F) vereist ist oder nicht.Method for determining the condition of the surface of a roadway (F), the surface of the roadway (F) being irradiated with radiation (L) from a radiation source (2) of a vehicle (EF) located on the surface of the roadway (F), the Raman spectrum of the backscattered radiation (S) is determined and the salt concentration of a salt solution on the roadway (F) is determined from the Raman spectrum, the salt concentration and the type of salt in the salt solution is determined from the shift in the Raman spectrum compared to the spectrum of the emitted radiation (L), the ambient temperature is determined separately from the recording of the Raman spectra, and It is determined from the ambient temperature and the measured salt concentration whether the roadway (F) is icy or not. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen Ramanspektren und ausgesandten Spektren bestimmt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the difference between Raman spectra and transmitted spectra is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzkonzentration mittels hinterlegter Referenzspektren bestimmt wird.Method according to one of the Claims 1 or 2 , characterized in that the salt concentration is determined by means of stored reference spectra. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Fahrbahnvereisung mittels hinterlegter Phasendiagramme der Salzlösungen bestimmt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determination of the icing of the road surface is determined by means of stored phase diagrams of the salt solutions. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung (L) mit einem vorgegebenen Abstand vor dem Fahrzeug (EF) auf die Oberfläche der Fahrbahn (F) auftrifft.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation (L) strikes the surface of the roadway (F) at a predetermined distance in front of the vehicle (EF). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesandte Strahlung (L) unterhalb des Fahrzeugs (EF) auf die Fahrbahn (F) auftrifft.Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the emitted radiation (L) impinges on the roadway (F) below the vehicle (EF). Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands der Oberfläche einer Fahrbahn (F), wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet und ausgelegt ist, mit einer Strahlungsquelle (2) zur Erzeugung von Strahlung (L), einer Detektoreinrichtung (3) zur Detektion der rückgestreuten Strahlung (S), einer Einrichtung (4) zur Messung der Umgebungstemperatur und einer Steuer-/Auswerteeinrichtung (1), wobei die Detektoreinrichtung (2) zur Detektion von Ramanspektren ausgebildet ist.Device for determining the condition of the surface of a roadway (F), the device for performing the method according to one of the preceding Claims is set up and designed with a radiation source (2) for generating radiation (L), a detector device (3) for detecting the backscattered radiation (S), a device (4) for measuring the ambient temperature and a control / evaluation device (1), wherein the detector device (2) is designed for the detection of Raman spectra. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Speichereinheit (5) zur Speicherung von Referenzspektren und Phasendiagrammen aufweist.Device according to Claim 7 , characterized in that the device has a memory unit (5) for storing reference spectra and phase diagrams.
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