DE19736138A1 - Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer Fahrbahnoberfläche - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung des Zustandes einer FahrbahnoberflächeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des
Zustands einer Fahrbahnoberfläche nach dem Oberbegriff des An
spruchs 1. Das Verfahren dient insbesondere dazu, das Vorhanden
sein von Wasser oder Eis auf der Fahrbahnoberfläche qualitativ
und vorzugsweise auch quantitativ zu erfassen und kann von einer
in einem Fahrzeug montierten Vorrichtung durchgeführt werden.
Dazu werden bei einem solchen Verfahren allgemein wenigstens ei
ne Lichtwellenlänge ohne und eine Lichtwellenlänge mit signifi
kanter Absorption durch Wasser oder Eis bzw. Schnee in ihrem
Rückstreuverhalten verglichen. Mit der Bezeichnung "ohne signi
fikante Absorption" ist dabei gemeint, daß zwar eventuell eine
gewisse geringe Absorption vorhanden sein kann, diese jedoch je
denfalls deutlich geringer ist als im Wellenlängenbereich mit
signifikanter Absorption.
Ein Verfahren von im wesentlichen dieser Art ist in der Offenle
gungsschrift DE 41 33 359 A1 beschrieben. Mit dem dortigen Ver
fahren soll die Dicke einer Wasserschicht auf einer Fahrbahn be
rührungslos erfaßt werden können. Das auf die Fahrbahnoberfläche
eingestrahlte Licht enthält dazu wenigstens zwei Wellenlängen
aus dem nahen Infrarotbereich, die einer unterschiedlich starken
Wasserabsorption unterliegen. Beispielsweise sind für einen emp
findlichen Meßbereich eine Meßwellenlänge bei 1450 nm und eine
Vergleichswellenlänge bei 1190 nm mit demgegenüber schwächerer
Absorption und für einen unempfindlicheren Meßbereich eine Meß
wellenlänge von 1190 nm und eine demgegenüber noch schwächer ab
sorbierte Vergleichswellenlänge von 1080 nm gewählt. Unter der
Annahme eines exponentiellen Absorptionsgesetzes und einer
"grauen" Fahrbahnoberfläche, d. h. einer solchen, die alle Wel
lenlängen mit gleichem Anteil absorbiert, wird dann die Dicke
einer auf der Fahrbahnoberfläche vorhandenen Wasserschicht be
stimmt.
Die Annahme eines grauen Strahlers für die Fahrbahnoberfläche
ist kritisch, denn Messungen an verschiedenen Fahrbahnbelägen
haben ergeben, daß sie nur beschränkt gültig ist und z. B. manche
Fahrbahnbeläge einen merklichen Anstieg ihres spektralen Refle
xionsvermögens mit wachsender Wellenlänge zeigen. Es besteht da
her Bedarf an einem vom spektralen Reflexionsvermögen der jewei
ligen Fahrbahnoberfläche weitestgehend unabhängigen Verfahren.
Wünschenswert ist zudem ein Verfahren, das bei Bedarf so ausge
legt werden kann, daß es sich auch zur Erkennung eines Eis- oder
Schneebelags auf der Fahrbahnoberfläche eignet.
Aus der Patentschrift DE 41 41 446 C1 ist ein Verfahren zur Mes
sung der Dicke einer Schicht aus Wasser, Schnee oder Eis auf ei
ner Fahrbahnoberfläche bekannt, das auf Laufzeitmessungen ba
siert.
Eine in der Offenlegungsschrift DE 30 23 444 A1 offenbarte Stra
ßenzustandsermittlungseinrichtung arbeitet dergestalt, daß In
frarotstrahlung mit einer Wellenlänge, bei der das Reflexions
vermögen von Schnee geringer als dasjenige der trockenen Fahr
bahnoberfläche ist, auf die Fahrbahnoberfläche eingestrahlt und
das rückgestreute Licht mit Referenzsignalpegeln verglichen
wird, die in bestimmter Weise vorab klassifizierten Zuständen
der Fahrbahnoberfläche entsprechen.
Bei einem in der Patentschrift DE 38 41 333 C2 beschriebenen
Verfahren wird zur Überwachung des Zustands einer Fahrbahn elek
tromagnetische Strahlung auf eine Lauffläche eines auf der Fahr
bahn laufenden Rades eines Fahrzeugs eingestrahlt und die von
dieser Lauffläche rückgestreute Strahlung analysiert.
In der Offenlegungsschrift DE 35 45 366 A1 ist eine Meßvorrich
tung zur optischen Bestimmung der Dicke eines z. B. auf einer Me
talloberfläche befindlichen Wasserfilms offenbart, bei dem auf
den Wasserfilm Licht eingestrahlt wird, das einen Meßstrahl mit
einer Wellenlänge, die vom Wasserfilm absorbiert wird, und einen
Referenzstrahl mit einer Wellenlänge, die keiner Wasserabsorpti
on unterworfen ist, beinhaltet. Die Wasserfilmdicke wird dann
aus dem Verhältnis des den rückgestreuten Meßstrahlanteil reprä
sentierenden Meßsignalpegels zum den rückgestreuten Referenz
strahlanteil repräsentierenden Referenzsignalpegel multipliziert
mit einem Temperaturkorrekturkoeffizienten ermittelt, wobei der
Meßsignalpegel und der Referenzsignalpegel ggf. über mehrere
Meßvorgänge gemittelt werden.
In der Offenlegungsschrift DE 40 40 842 A1 ist ein Infrarot-
Mikrowellen-Sensorsystem zur Fahrbahnzustandserkennung, insbe
sondere zur Erkennung, ob die Fahrbahn trocken, naß oder vereist
ist, beschrieben, das Netzwerke aus einem oder mehreren Kompara
toren bzw. einem oder mehreren Gattern bzw. Flip-Flops zur Auf
bereitung der Signale eines Infratrot- bzw. Mikrowellenempfän
gers enthält. Dabei wird die rückgestreute Intensität der elek
tromagnetischen Strahlung für zwei unterschiedliche Wellenlängen
bzw. schmale Wellenlängenbänder ausgewertet und der Quotient
dieser beiden Intensitäten bzw. von davon abgeleiteten Detektor
signalspannungen gebildet. Je nach Wert des ermittelten Quotien
ten wird auf eine trockene, nasse oder vereiste Fahrbahn ge
schlossen.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung
eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem
der Zustand einer Fahrbahnoberfläche insbesondere hinsichtlich
Vorhandenseins von Wasser, Eis und/oder Schnee mit relativ ge
ringem Aufwand sehr zuverlässig und genau sowie unabhängig vom
Fahrbahnbelag bestimmt werden kann.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines
Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah
ren wird auf die Fahrbahnoberfläche Licht eingestrahlt, das min
destens einen ersten Lichtanteil aus einem ersten Wellenlängen
bereich ohne signifikante Absorption durch Wasser oder Eis ein
schließlich Schnee und einen zweiten Lichtanteil aus einem zwei
ten Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption durch
Wasser/Eis bzw. Schnee beinhaltet, wobei wenigstens der erste
Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellenlängen ent
hält. Das von der Fahrbahnoberfläche rückgestreute Licht wird
erfaßt und spektral ausgewertet. Dazu wird anhand mindestens des
sich für einen ersten, zu den mehreren unterschiedlichen Wellen
längen des ersten Lichtanteils gehörigen Rückstreulichtanteils
ergebenden Spektraldaten eine Näherungs-Referenzkurve ermittelt.
Dies kann z. B. durch Bestimmung der Näherungs-Referenzkurve als
einer parametrisierten Ausgleichskurve über die einzelnen Meß
punkte dieser Spektraldaten hinweg unter Verwendung einer übli
chen Ausgleichsrechnung erfolgen. Die Näherungs-Referenzkurve
erstreckt sich dabei über den gesamten Spektralverlauf des rück
gestreuten Lichtes, also auch über den Wellenlängenbereich des
zweiten Lichtanteils mit signifikanter Absorption durch Was
ser/Eis, wobei sie ausgehend von den Meßpunkten im Wellenlängen
bereich des ersten Lichtanteils ohne signifikante Wasser/Eis-
Absorption in diesen Wellenlängenbereich des zweiten Lichtan
teils hinein interpoliert bzw. extrapoliert ist.
Die Näherungs-Referenzkurve bildet auf diese Weise im Wellenlän
genbereich des zweiten Lichtanteils eine Referenzkurve, die min
destens näherungsweise den Spektralverlauf des rückgestreuten
Lichtes in diesem Wellenlängenbereich bei trockener Fahrbahn
oberfläche wiedergibt. Bei nasser oder vereister Fahrbahn wei
chen folglich die Spektraldaten des rückgestreuten Lichtes im
zweiten Wellenlängenbereich aufgrund einer entsprechenden Absorp
tion des zweiten Lichtanteils durch das Wasser bzw. Eis merklich
von der Näherungs-Referenzkurve ab. Dementsprechend sieht das
Verfahren weiter vor, die Differenz zwischen den Spektraldaten
des vom zweiten Lichtanteil stammenden, zweiten Rückstreulichtan
teils und den entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve für
wenigstens eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs zu
ermitteln. Die so ermittelte Differenz wird, um unabhängig von
der Gesamtlichtintensität zu werden, vorzugsweise auf die Ge
samtlichtintensität oder auf die Anteile in den nicht absorbie
renden Wellenlängenbereichen normiert und ist ein zuverlässiges
qualitatives und auch quantitatives Maß für das Vorhandensein
von Wasser oder Eis auf der Fahrbahnoberfläche.
Je nach Anwendungsfall können zur Ermittlung der Näherungs-
Referenzkurve nur die zum Wellenlängenbereich ohne signifikante
Absorption durch Wasser oder Eis gehörigen Rückstreulichtanteile
oder aber zusätzlich auch Rückstreulichtanteile herangezogen
werden, die zum Wellenlängenbereich mit signifikanter Absorption
durch Wasser/Eis gehören. In letzterem Fall können die Informa
tionen über den Kurvenverlauf bei trockener Fahrbahn und den ab
sorptionsbedingten Einbruch des Spektralverlaufs des rückge
streuten Lichts gemischt in den Empfängersignalen vorliegen und
durch eine geeignete Auswertung voneinander getrennt und damit
wiederum die Näherungs-Referenzkurve sowie die gesuchte Diffe
renz zwischen dieser und dem Spektralverlauf bestimmt werden,
der dem momentan abgetasteten Fahrbahnzustand entspricht. In
seiner allgemeinen Form läßt sich das Verfahren dahingehend cha
rakterisieren, daß mehrere Detektoren mit unterschiedlicher
spektraler Empfindlichkeit und/oder mehrere Lichtquellen mit un
terschiedlicher spektraler Emission verwendet werden, die je
weils einen eigenen Beitrag zum Rückstreulicht liefern, der sich
als Integral der Wellenlänge über das Produkt der spektralen
Empfindlichkeit des jeweiligen Detektors mit der jeweiligen
spektralen Lichtintensität ergibt. Unter der gerechtfertigten
Annahme, daß die Beiträge voneinander unabhängig sind, liefert
jeder Beitrag eine Gleichung für ein Gleichungssystem, in wel
ches als zu bestimmende Parameter diejenigen einer Parametrisie
rung der Näherungs-Referenzkurve sowie die gesuchte Differenz
bzw. die Dicke einer Wasserschicht eingehen. Folglich werden bei
Vorgabe einer Anzahl n von Parametern für die Näherungs-
Referenzkurve eine Anzahl n+1 verschiedener Detektoren und/oder
Lichtquellen benötigt, um das Gleichungssystem eindeutig lösen
zu können. Die zugehörige Auswertung vereinfacht sich z. B. dann,
wenn δ-Funktionen für die spektrale Empfindlichkeit bzw. die
spektrale Lichtintensität verwendet werden, d. h. wenn der Spek
tralverlauf punktuell bei verschiedenen diskreten Wellenlängen
ausgewertet wird.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren liegen der
ersten und der zweite Lichtanteil, die für die Auswertung des
rückgestreuten Lichtes relevant sind, im Wellenlängenbereich
zwischen etwa 800 nm und etwa 1100 nm. Dies hat u. a. den Vorteil,
daß kostengünstige Silizium-Fotoempfänger als Rückstreulicht
detektoren eingesetzt werden können und keine speziellen Infra
rot-Detektoren erforderlich sind.
Bei einem nach Anspruch 3 weitergebildeten Verfahren besteht der
Wellenlängenbereich ohne signifikante Wasser/Eis-Absorption aus
zwei Teilbereichen unterhalb bzw. oberhalb des zweiten Wellen
längenbereichs. Dadurch liegen beidseits des zweiten Wellenlän
genbereichs Meßpunkte für die Ermittlung der Näherungs-
Referenzkurve für den Spektralverlauf des rückgestrahlten Lich
tes bei trockener Fahrbahn vor, wodurch dieser Spektralverlauf
für den Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorp
tion mit guter Genauigkeit interpoliert werden kann.
Bei einem nach Anspruch 4 weitergebildeten Verfahren beinhaltet
auch der zweite Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher
Wellenlängen, und die Differenz zwischen den Spektraldaten des
vom zweiten Lichtanteil stammenden Rückstreulichtanteils und den
entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve wird nicht nur
an einem einzelnen Punkt, sondern an entsprechend vielen Punkten
als Differenzkurve ermittelt. Aus dem Verlauf der Differenzkurve
läßt sich der Zustand der Fahrbahnoberfläche vergleichsweise ge
nau qualitativ und quantitativ bestimmen. Bei einer ersten wei
teren Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 5 das
Integral der Differenzkurve über den zweiten Wellenbereich er
mittelt. Das resultierende, vorzugsweise normierte Integral bil
det ein sehr genaues Maß für die Dicke eines ggf. auf der Fahr
bahnoberfläche gebildeten Wasserfilms. In einer zweiten weiteren
Ausgestaltung dieser Maßnahme wird gemäß Anspruch 6 der Schwer
punkt der Differenzkurve ermittelt. Es zeigt sich, daß durch
diese Kenntnis der Schwerpunktlage entschieden werden kann, ob
es sich bei einem auf der Fahrbahnoberfläche befindlichen Belag
um eine Wasser- oder eine Eis/Schnee-Schicht handelt. Für den
Fall von Schnee sieht die Differenzkurve ähnlich aus wie für
Eis, jedoch mit geringerer Amplitude, so daß eine zusätzliche
Diskriminierung zwischen Eis und Schnee möglich ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich
nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer Vor
richtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflä
che,
Fig. 2 ein Diagramm mit idealisiert dargestellten, von der Vor
richtung von Fig. 1 gewonnenen Rückstreulicht-Spektral
daten und
Fig. 3 ein Diagramm mit zwei durch die Vorrichtung von Fig. 1
gewonnenen Spektraldaten-Differenzkurven
Fig. 1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens geeignete Vorrichtung. Diese umfaßt eine Lichterzeugungs
einheit 1 mit einer in Brennpunktnähe eines Reflektors 2 ange
ordneten Lichtquelle 3, die von einer 12V-Speisespannung, z. B.
aus einem Bordnetz eines Kraftfahrzeuges, gespeist wird und
breitbandig Licht in einem Wellenlängenbereich abgibt, der ins
besondere den Bereich zwischen etwa 800 nm und etwa 1150 nm um
faßt. Das emittierte Licht verläßt den Reflektor 2 als ein Bün
del 4 von im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen, das auf eine
nicht gezeigte Fahrbahnoberfläche eingestrahlt wird. Ein Empfän
ger 5 empfängt das zu ihm von der Fahrbahnoberfläche rückge
streute Licht 6 über eine Optik und/oder Lichtleiter, von wo es
auf ein dispersives Element 7 des Empfängers 5 fällt und auf
diese Weise spektral zerlegt auf einen Silizium-Photoempfänger
in Form einer CCD-Sensorzeile 8 reflektiert wird. Das dispersive
Element 7 kann z. B. von einem Beugungsgitter, einem Interferenz
filter oder einem Prisma gebildet sein. Das Ausgangssignal 9 der
CCD-Zeile 8 wird einer Auswerteeinheit 10 zugeführt, die eben
falls von der 12V-Speisespannung gespeist wird und an einen Da
tenbus 11, z. B. einen CAN-Bus, angeschlossen ist.
Die Auswerteeinheit 10 ist in geeigneter Weise zur Auswertung
des Ausgangssignals 9 der CCD-Zeile 8 gemäß dem erfindungsgemä
ßen Verfahren ausgelegt. Im einzelnen ergibt sich dabei folgen
der Verfahrensablauf. Jedes Pixel, d. h. jede Abtast-Einheits
zelle der CCD-Zeile 8 empfängt vom dispersiven Element 7 Rück
streulicht einer jeweils zugehörigen Wellenlänge bzw. einer zu
gehörigen schmalen Spektrallinie. Der Beitrag jedes solchen Pi
xels zum Ausgangssignal 9 entspricht somit der rückgestreuten
Lichtintensität bei der betreffenden Wellenlänge. Auf diese Wei
se vermag die Auswerteeinheit 10 für die verschiedenen Meßwel
lenlängen aus den Signalen der betreffenden Pixel der CCD-Zeile
8 die zugehörige Rückstreuintensität zu ermitteln. In Fig. 2 ist
der weitere Auswertevorgang in Diagrammform idealisiert veran
schaulicht.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen, ermittelt die Auswerteeinheit 10 zu
nächst die Spektraldaten des rückgestreuten Lichtes in Form von
Meßwerten der relativen spektralen Rückstreulichtintensität S,
entsprechend dem Ausgangssignalbeitrag des jeweiligen CCD-Zei
lenpixels, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ für eine
Mehrzahl von Meßpunkten entsprechend der Anzahl von CCD-
Zeilenpixeln. Das System ist so ausgelegt, daß jeweils eine
Mehrzahl von Meßpunkten M1, M2, M3 in einem von drei aufeinan
derfolgenden Wellenlängenintervallen A, B, C liegt. Dabei
schließt sich an einen vorgegebenen unteren Grenzwert λG1 unter
halb ein erstes Wellenlängenintervall A an, während sich ober
halb von diesem ein zweites Wellenlängenintervall B anschließt,
das bis zu einem vorgegebenen oberen Grenzwert λG2 reicht, an den
sich nach oben das dritte Wellenlängenintervall c anschließt.
Die beiden Grenzwerte λG1, λG2 sind so gewählt, daß das von ihnen
eingeschlossene Wellenlängenintervall B einen Wellenlängenbe
reich mit signifikanter Lichtabsorption durch Wasser oder Eis
bzw. Schnee darstellt, während die beiden äußeren Wellenlängen
intervalle A, C zwei Teilbereiche eines Wellenlängenbereiches
bilden, in welchem das Licht durch Wasser oder Eis bzw. Schnee
nicht merklich absorbiert wird. Eine derartige Situation ergibt
sich beispielsweise durch eine Wahl des unteren Grenzwertes λG1
bei ungefähr 900 nm und des oberen Grenzwertes λG2 bei ungefähr
1050 nm, da dazwischen bekanntermaßen eine Absorptionslinie von
Wasser/Eis liegt, während in einem an diesen unteren Grenzwert
λG1 nach unten anschließenden und einem an diesen oberen Grenz
wert λG2 nach oben anschließenden Bereich keine signifikante Ab
sorption durch Wasser/Eis auftritt.
Die Auswerteeinheit 10 benutzt nun die Meßpunkte M1 und M3 in
den beiden Teilbereichen des ersten Wellenlängenbereichs, d. h.
desjenigen ohne signifikante Absorption durch Wasser/Eis dazu,
eine Näherungs-Referenzkurve R für den Spektralverlauf des rück
gestreuten Lichtes bei trockener Fahrbahn in Form einer Approxi
mationskurve mittels eines üblichen Approximationsverfahrens zu
ermitteln. Dazu wird eine mathematische Funktion, z. B. ein Po
lynom, mit einer vorgebbaren Anzahl freier Parameter vorgegeben,
und die Parameter werden durch das Approximationsverfahren fest
gelegt. Wenn die Funktion eine Anzahl n von Parametern enthält
und die Wasserhöhe als weitere unbekannte, zu bestimmende Größe
vorgegeben wird, sind hierfür eine Anzahl n+1 von Meßkanälen,
d. h. Meßpunkten M1, M3 im ersten wellenlängenbereich, erforder
lich. Im einfachsten Fall der Verwendung einer Geraden als Nähe
rungs-Referenzkurve sind folglich mindestens drei Meßpunkte M1,
M3 erforderlich. Vorzugsweise werden insgesamt wesentlich mehr
Meßpunkte verwendet, z. B. zwischen 20 und 30 Meßpunkte M1, M2,
M3 gleichmäßig verteilt über den gesamten beobachteten Wellen
längenbereich, d. h. über die drei Wellenlängenintervalle A, B,
C. Wenn mehr Meßpunkte M1, M3 in den beiden Teilbereichen A, C
des ersten Wellenlängenbereichs vorhanden sind als freie Parame
ter der vorgegebenen Funktion, ist das Gleichungssystem zur Be
stimmung der Parameter überbestimmt, so daß in diesem Fall durch
eine Ausgleichsrechnung eine an die Meßpunkte M1, M3 z. B. hin
sichtlich des kleinsten quadratischen Fehlers bestangepaßte Lö
sung gefunden werden kann. Die Ermittlung der Näherungs-Refe
renzkurve in dieser Weise als eine Ausgleichskurve verringert
den Einfluß von Signalrauschen und erhöht die Genauigkeit.
Ausgehend von ihrer Festlegung durch die Meßpunkte M1, M3 in den
beiden Teilbereichen A, C des ersten Wellenlängenbereichs er
streckt sich die Näherungs-Referenzkurve R auch im zwischenlie
genden zweiten Wellenlängenbereich B, in welchem sie folglich
eine Interpolationskurve darstellt. Da die Näherungs-Referenz
kurve R anhand der Meßpunkte M1, M3 des Wellenlängenbereichs oh
ne signifikante Wasser/Eis-Absorption bestimmt wurde, stellt sie
im Wellenlängenbereich B mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption
eine Approximationskurve für den Fall einer trockenen Fahrbahn
oberfläche dar und eignet sich somit als Referenz zur Feststel
lung von demgegenüber ggf. vorliegenden Abweichungen der in die
sem Wellenlängenbereich B gemessenen Spektraldaten. So ist in
Fig. 1 der Fall einer nassen Fahrbahn veranschaulicht, für wel
che die spektralen Rückstreuintensitäten im zweiten Wellenlän
genbereich B, d. h. die Meßwerte der dortigen Meßpunkte M2, wegen
teilweiser Absorption des Lichts aus diesem Wellenlängenbereich
B durch das Wasser der Fahrbahnoberfläche merklich unterhalb der
Näherungs-Referenzkurve R liegt. Der Abstand der zu den Meßpunk
ten M2 des zweiten Wellenlängenbereichs B gehörigen Meßwerte zur
Näherungs-Referenzkurve R ist somit ein eindeutiges qualitatives
und quantitatives Maß für das Vorhandensein von Wasser auf der
bestrahlten Fahrbahnoberfläche. Von wesentlicher Bedeutung ist
dabei, daß die solchermaßen erhaltene Differenz zwischen der Nä
herungs-Referenzkurve und den gemessenen spektralen Rückstreuin
tensitäten im Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis-
Absorption unabhängig vom jeweils vorliegenden Fahrbahnbelag
ist, d. h. von einem möglicherweise nicht für alle Wellenlängen
konstanten spektralen Reflexionsvermögen der Fahrbahn unbeein
flußt bleibt. Dadurch liefert das Verfahren mit relativ geringem
Aufwand deutlich bessere Resultate als Vorgehensweisen, die auf
der Annahme beruhen, daß sich der Fahrbahnbelag als grauer
Strahler verhält. Von Vorteil ist bei diesem Verfahren außerdem,
daß es auch dann noch anwendbar ist, wenn das tatsächliche Ab
sorptionsverhalten von einem exakten, einfachen Exponentialge
setz abweicht.
Statt einer nur punktuellen Auswertung dieser Differenz der ge
messenen Spektraldaten von den Daten der Näherungs-Referenzkurve
R im zweiten Wellenbereich B ist vorzugsweise eine noch genauere
Auswertung derselben in kontinuierlicher Form durch die Auswerte
einheit 10 vorgesehen, die in Verbindung mit Fig. 3 erläutert
wird. Dabei geht die Auswerteeinheit 10 so vor, daß sie die ge
messenen Werte an den einzelnen Meßpunkten M1, M2, M3 aller be
obachteten Wellenlängenintervalle A, B, C als Stützstellen einer
kontinuierlichen Meßkurve M miteinander verbindet und die Diffe
renzkurve zwischen der Näherungs-Referenzkurve R und der Meßkur
ve M berechnet. In Fig. 3 ist zum einen eine auf diese Weise be
rechnete Differenzkurve D1 dargestellt, die für den Fall einer
nassen Fahrbahnoberfläche erhalten wurde. Zum anderen ist in
Fig. 3 eine weitere Differenzkurve D2 wiedergegeben, die für den
Fall einer vereisten Fahrbahnoberfläche erhalten wurde. Die Aus
werteeinheit 10 wertet nun die jeweils erhaltene Differenzkurve
D1, D2 weiter dahingehend aus, daß sie sowohl die Fläche F1, F2
unter der jeweiligen Differenzkurve D1, D2, d. h. das Integral
derselben über die Wellenlänge λ, im Wellenlängenbereich mit sig
nifikanter Wasser/Eis-Absorption, d. h. zwischen den beiden ge
wählten Grenzwerten λG1, λG2, als auch die Lage des Schwerpunkts
L1, L2 der betreffenden Differenzkurve D1, D2 ermittelt.
Es zeigt sich nun, daß bei Vorhandensein von Eis oder Schnee die
Schwerpunktlage der erhaltenen Differenzkurve gegenüber dem Vor
handensein von Wasser auf der Fahrbahnoberfläche verschoben ist.
Im Beispiel von Fig. 3 liegt daher der Schwerpunkt L2 der auf
einen Eisbelag zurückzuführenden Differenzkurve D2 bei einer hö
heren Wellenlänge als der Schwerpunkt L1 der auf einen Wasserbe
lag zurückzuführenden Differenzkurve D1. Spezieller haben Unter
suchungen ergeben, daß sich die Schwerpunktlage der auf Absorp
tion durch Wasser zurückzuführenden Differenzkurve mit abnehmen
der Wassertemperatur von kleineren zu größeren Wellenlängen hin
verschiebt, daß jedoch die Schwerpunktlage der auf einen Eisbe
lag bei 0°C zurückzuführenden Differenzkurve deutlich gegenüber
der Schwerpunktlage einer auf einen Wasserbelag bei 0°C zurück
zuführenden Differenzkurve zu größeren Wellenlängen hin verscho
ben ist. Weiterhin zeigen Untersuchungen, daß bei einem auf der
Fahrbahnoberfläche vorhandenen Schneebelag die sich dann erge
bende Differenzkurve in ihrer Lage derjenigen für Eisbelag, d. h.
D2, ähnlich ist, jedoch geringere Amplitudenwerte besitzt. Auf
diese Weise erlaubt das Verfahren zudem die Erkennung eines
Schneebelags auf der Fahrbahnoberfläche und dabei insbesondere
die Unterscheidung von einem Wasser- oder einem Eisbelag.
Verfahrensgemäß ist daher vorgesehen, einen Wellenlängen-
Schwellwert etwa in der Mitte zwischen den Schwerpunktlagen die
ser beiden Differenzkurven bei 0°C festzulegen und, nachdem wäh
rend eines Meßvorgangs zur Zustandsbestimmung einer Fahrbahn
oberfläche durch die Auswerteeinheit 10 die zugehörige Diffe
renzkurve berechnet wurde, zunächst festzustellen, ob diese
überhaupt eine merkliche Amplitude im relevanten Wellenlängenbe
reich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption aufweist. Ist dies
nicht der Fall, wird richtigerweise auf einen trockenen Zustand
der Fahrbahnoberfläche geschlossen. Wenn eine Differenzkurve mit
merklicher Amplitude vorliegt, wie z. B. die Kurven D1 und D2 von
Fig. 3, wird deren Schwerpunktlage ermittelt und festgestellt,
ob diese unterhalb oder oberhalb des vorgegebenen Wellenlängen
schwellwertes liegt. Im ersteren Fall ist auf einen vorhandenen
Wasserbelag auf der Fahrbahnoberfläche zu schließen, in letzte
rem Fall ist die Absorption durch eine Vereisung oder einen
schneebelag der Fahrbahnoberfläche verursacht. Aus der genauen
Lage des Differenzkurvenschwerpunktes im Fall eines Wasserbelags
kann zudem auf die Temperatur des Wassers geschlossen werden.
Ergibt die Schwerpunktlage einen Eis- oder Schneebelag, wird
durch eine Analyse der Differenzkurvenamplitude entschieden, ob
es sich um einen Eis- oder einen Schneebelag handelt.
Aus der ermittelten Differenzkurve ist weitergehend auch eine
quantitative Aussage über die Wasserschichtdicke möglich. Denn
es zeigt sich, daß vor allem im Fall einer Wasserschicht auf der
Fahrbahnoberfläche die von der zugehörigen Differenzkurve, wie
der Kurve D1 von Fig. 3, eingeschlossene Fläche F1 ein eindeuti
ges Maß für die Dicke dieser Wasserschicht ist. Durch Berechnung
des Integrals der Differenzkurve D1 im Wellenlängenbereich mit
signifikanter Absorption durch Wasser, d. h. durch Bestimmung der
Fläche F1 von Fig. 3, kann folglich die Dicke der erkannten Was
serschicht auf der Fahrbahnoberfläche verhältnismäßig genau er
mittelt werden.
Bei Bedarf kann das Verfahren zudem dahingehend ausgelegt wer
den, daß mögliche Störeinflüsse durch Umgebungslicht kompensiert
werden. Dazu werden zwei Referenzspektren aufgenommen, und zwar
eines für Tageslicht bei abgeschalteter Lichterzeugungseinheit 1
von Fig. 1 und das andere bei fehlendem Umgebungslicht und akti
vierter Lichterzeugungseinheit 1, jeweils für einen bestimmten
Fahrbahnbelag. Messungen zeigen, daß sich der Verlauf des spek
tralen Reflexionsvermögens für verschiedene Fahrbahnbeläge in
sehr guter Näherung durch monotone, stetig verlaufende Kurven
beschreiben läßt, die durch Multiplikation mit einer geeigneten,
von bestimmten Parametern abhängigen Funktion ineinander überge
führt werden können. Unter dieser Annahme gilt dann für das an
einem beliebigen anderen Fahrbahnbelag gemessene Rückstreulicht
spektrum, daß dieses für jede Wellenlänge multipliziert mit der
parameterabhängigen Funktion gleich der Summe aus einem Bruch
teil des ersten Referenzspektrums und einem Bruchteil des zwei
ten Referenzspektrums ist. Mit ausreichend vielen Meßpunkten im
Wellenlängenbereich ohne signifikante Wasser/Eis-Absorption kann
durch eine Ausgleichsrechnung wieder die am besten approximie
rende, parameterabhängige Funktion sowie der Bruchteilsfaktor
errechnet werden, mit dem die beiden Referenzspektren zur oben
genannten Summe beitragen. Mit dieser Kalibrierung des Meßsy
stems können dann die Rückstreuintensitäten für die Meßpunkte im
Wellenlängenbereich mit signifikanter Wasser/Eis-Absorption im
trockenen Fahrbahnoberflächenzustand, d. h. die Interpolations-
bzw. Extrapolationspunkte der Näherungs-Referenzkurve in diesem
Bereich, als Quotient der genannten Summe aus den Bruchteilen
der beiden Referenzspektren dividiert durch die parameterabhän
gige Funktion ermittelt werden.
Neben dem oben detailliert beschriebenen Verfahrensbeispiel und
der dieses durchführenden Vorrichtung sind zahlreiche weitere
erfindungsgemäße Ausführungsformen realisierbar. So kann z. B.
ein System des Typs verwendet werden, wie er in der oben erwähn
ten DE 41 33 359 A1 beschrieben ist, wobei jedoch mindestens
drei Spektralkanäle bereitgestellt werden. Die einzelnen Wellen
längen werden dann wiederum durch Interferenzfilter vor den Pho
toempfängern selektiert. Dann wird der wellenlängenabhängige
Streukoeffizient der Fahrbahnoberfläche mit einer mathematischen
Funktion mit freien Parametern angesetzt und diese Funktion mit
einem exponentiellen Absorptionsterm, der die Lichttransmission
einer Wasserschicht bestimmter Dicke beschreibt, multipliziert,
um eine mathematische Funktion für den wellenlängenabhängigen
Verlauf der Rückstreuintensität zu erhalten. Anhand der tatsäch
lichen Meßwerte können dann die freien Parameter der Funktion
wieder im Sinne einer bestmöglichen Approximation errechnet wer
den, woraus sich zudem die Dicke der Wasserschicht ergibt.
Bei einer Variante des soeben beschriebenen Systems werden an
stelle von Interferenzfiltern Photodioden eingesetzt, die eine
unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen, z. B. aus
Si, Ge oder In, Ga, As, oder deren spektrale Empfindlichkeit
durch breitbandige Filter modifiziert wird. Die von einem sol
chen Detektor insgesamt umgewandelte Lichtintensität ergibt sich
dann als Integral einer Produktfunktion über die Wellenlänge,
wobei sich die Produktfunktion als Produkt der spektralen Emp
findlichkeit des Photodetektors, eines exponentiellen Absorpti
onsterms und der oben erwähnten, den wellenlängenabhängigen
Streukoeffizient der Fahrbahnoberfläche beschreibenden Funktion
mit freien Parametern ergibt. Durch Verwenden mehrerer Detekto
ren mit voneinander linear unabhängigen spektralen Empfindlich
keitsverläufen in Abhängigkeit von der Wellenlänge erhält man
dann wiederum ein Gleichungssystem, aus dem die freien Parameter
und die Wasserdicke bestimmt werden können. Vorzugsweise ist
auch hier wieder die Anzahl der Meßpunkte größer als die Anzahl
von Detektoren, so daß das Gleichungssystem überbestimmt ist und
durch eine Ausgleichsrechnung der Einfluß des Signalrauschens
verringert und die Genauigkeit erhöht werden kann.
Bei einer weiteren Variante des oben angesprochenen Systems mit
Interferenzfiltern werden für die Lichterzeugungseinheit schmal
bandige Lichtquellen bei verschiedenen Wellenlängen verwendet,
die im Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, z. B. Laserdi
oden. Als Empfänger wird eine breitbandige Photodiode verwendet,
und die Signalauswertung erfolgt wie oben zum System mit Inter
ferenzfiltern beschrieben.
Eine weitere Variante arbeitet entsprechend dem oben angespro
chenen, Photodioden verwendenden System, wobei jedoch für die
Lichterzeugungseinheit breitbandige Lichtquellen mit unter
schiedlichen spektralen Verteilungen eingesetzt werden, die im
Zeitmultiplexverfahren angesteuert werden, z. B. Leuchtdioden.
Als Empfänger wird eine breitbandige Photodiode verwendet, und
die Auswertung erfolgt wie oben für das System mit verschiedenen
Photodioden beschrieben.
Claims (6)
1. Verfahren zur Bestimmung des Zustands einer Fahrbahnoberflä
che, bei dem
- - auf die Fahrbahnoberfläche Licht eingestrahlt wird, das einen ersten Lichtanteil aus einem ersten Wellenlängenbereich (A, C) ohne signifikante Absorption durch Wasser/Eis und einen zwei ten Lichtanteil aus einem zweiten Wellenlängenbereich (B) mit signifikanter Absorption durch Wasser/Eis beinhaltet, und
- - das von der Fahrbahnoberfläche rückgestreute Licht erfaßt und spektral ausgewertet und daraus auf den Zustand der Fahrbahn oberfläche wenigstens hinsichtlich Vorhandenseins von Was ser/Eis geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der erste Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher Wellen längen enthält und die spektrale Auswertung des rückgestreuten Lichtes die Ermittlung einer Näherungs-Referenzkurve (R) für den Spektralverlauf des rückgestreuten Lichtes bei trockener Fahrbahn anhand der Spektraldaten des erfaßten, rückgestreuten Lichts und die Ermittlung der Differenz zwischen den Spek traldaten des sich aus dem zweiten Lichtanteil ergebenden, zweiten Rückstreulichtanteils und den entsprechenden Daten der Näherungs-Referenzkurve für wenigstens eine Wellenlänge des zweiten Wellenlängenbereichs (B) umfaßt, wobei aus der ermit telten Differenz auf den Zustand der Fahrbahnoberfläche ge schlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter
dadurch gekennzeichnete daß
der erste und der zweite Lichtanteil des auf die Fahrbahn einge
strahlten Lichtes im Wellenlängenbereich zwischen etwa 800 nm und
etwa 1150 nm liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Wellenlängenbereich aus zwei Teilbereichen (A, C) be
steht, von denen der eine unterhalb und der andere oberhalb des
zweiten Wellenlängenbereichs (B) liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
auch der zweite Lichtanteil Licht mehrerer unterschiedlicher
Wellenlängen enthält und die Differenz zwischen den Spektralda
ten des zweiten Rückstreulichtanteils und den entsprechenden Nä
herungs-Referenzkurvendaten als Differenzkurve (D1, D2) zwischen
der gemessenen Spektralkurve (M) des rückgestreuten Lichtes und
der Näherungs-Referenzkurve (R) im zweiten Wellenlängenbereich
(B) ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
das Integral der Differenzkurve (D1) über den zweiten Wellenlän
genbereich (B) ermittelt und als Maß für die Dicke eines auf der
Fahrbahnoberfläche gebildeten Wasserfilms herangezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, weiter
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schwerpunkt (L1, L2) der Differenzkurve (D1, D2) über den
zweiten Wellenlängenbereich (B) ermittelt und aus dessen Lage
zwischen Wasser oder Eis/Schnee auf der Fahrbahnoberfläche un
terschieden wird.
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