DE4133359A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen erfassung der dicke einer wasserschicht auf einer fahrbahn - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen erfassung der dicke einer wasserschicht auf einer fahrbahnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus Gründen der Verkehrs- und Fahrsicherheit ist es wünschenswert, einen
Zustand einer mit einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn vom fahrenden Fahrzeug
aus zu ermitteln und einem Fahrzeugführer anzuzeigen. Hierbei kommt der
Bestimmung der Dicke einer Wasserschicht auf der Fahrbahn besondere Bedeutung
zu, da hiervon der Reibwert zwischen abrollendem Rad und der Fahrbahn in
entscheidendem Maße abhängt.
Aus der DE 38 41 333 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Überwachung eines Zustandes einer Fahrbahn hervor, bei dem die Lauffläche
eines auf der Fahrbahn laufenden Fahrzeugrads mit elektromagnetischer
Strahlung beaufschlagt wird. Intensitäten eines von der Lauffläche gerichtet
reflektierten Strahlungsanteils und eines diffus reflektierten
Strahlungsanteils werden erfaßt und ein Zustand der Fahrbahn durch aufwerten
der Intensitäten der reflektierten Strahlungsanteile ermittelt. Aufgrund der
indirekten Erfassung der Nässe über dem Reifen ist jedoch eine Bestimmung der
Dicke der Wasserschicht auf der Fahrbahn nicht möglich.
Ebenso ist aus der DE 30 23 444 C2 eine Einrichtung zur Ermittlung des
witterungsbedingten Straßenzustands bekannt, bei welcher das unterschiedliche
Reflektionsverhalten einer nassen bzw. trockenen Fahrbahn mit
optoelektronischen Mitteln abgetastet wird. Da jedoch die erfaßten
Reflektionswerte jeweils lediglich nur mit Schwellwerten verglichen werden
und aus den binären Ergebnissen dieser Vergleiche der Straßenzustand
beurteilt wird, ist ebenfalls lediglich eine qualitative Aussage hinsichtlich
naß oder trocken möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung
der Dicke einer Wasserschicht auf einer Fahrbahn zu schaffen, das die Dicke
der Wasserschicht berührungslos und vorausschauend zu erfassen vermag und zum
Einbau in ein Fahrzeug geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Weitere die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind in
den Unteransprüchen enthalten.
Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß die Dicke
einer Wasserschicht auf einer von einem Fahrzeug befahrenen Fahrbahn
berührungslos und vorausschauend quantitativ erfaßt werden kann. Die
Vorrichtung ist ferner zum Einbau in ein Fahrzeug geeignet.
Vorteilhaft sind ferner die kurzen Reaktionszeiten der Vorrichtung und eine
relativ große Meßdistanz, die insbesondere den Einbau der Vorrichtung in
Kraftfahrzeuge zur vorausschauenden Überwachung der Fahrbahn während der
Fahrt sinnvoll erscheinen läßt. Weitere Vorteile sind die hohe Sicherheit
gegen Störlichteinflüsse, so daß auch Messungen bei Sonnenlicht möglich sind.
Die Erfindung bedient sich des physikalischen Effekts, nach dem Wasser
bestimmte Längenwellenbereiche unterschiedlich stark absorbiert. Befindet
sich eine Wasserschicht auf einer Fahrbahn, so werden die spektralen
Streueigenschaften, d. h. die Farbe der Fahrbahnoberfläche, verändert. Teile
der auf die Fahrbahn auftreffenden Strahlung werden während des Durchgangs
durch die Wasserschicht je nach Wellenlänge mehr oder weniger stark
absorbiert. Beleuchtet man die Straße mit einer breitbandigen Lichtquelle,
deren Spektrum bekannt ist, so kann durch Analyse des zurückgestreuten
Lichtes auf die Existenz einer Wasserschicht auf der Fahrbahn und deren
Schichtdicke geschlossen werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm, das das spektrale Absorptionsverhalten von Wasser
im nahen Infrarotbereich des Lichts darstellt,
Fig. 2 ein Prinzipbild der Vorrichtung,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Vorrichtung und
Fig 4 ein Sensorkopf der Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung.
In Fig. 1 ist anhand eines Diagramms das spektrale Absorptionsverhalten von
Wasser im nahen Infrarotbereich des Lichts gezeigt. Wie aus dem Diagramm
ersichtlich, ist der transmitierte Lichtanteil stark abhängig von der
Wellenlänge des die Wasserschicht durchsetzenden Lichts. Dabei tritt
insbesondere im Bereich zwischen 1400 nm und 1500 nm jeweils ein
charakteristisches Minimum auf.
Gemäß dem Verfahren wird die Fahrbahn mittels einer Beleuchtungsquelle
mittels eines im Raumwinkel begrenzten Lichtstrahls bestrahlt und das
zurückgestreute Licht selektiv auf zwei im nahen Infrarotbereich liegende
unterschiedliche Wellenlängen (Meßwellenlänge lambda1, Vergleichswellenlänge
lambda2) hin abgetastet.
Hierzu werden zwei Wellenlängenbereiche herangezogen, die unterschiedlich
stark absorbiert werden. Hierdurch können unterschiedliche
"Fahrbahnhelligkeiten", d. h. unterschiedlich stark reflektierende Fahrbahnen
berücksichtigt werden.
Gemäß dem Verfahren wird der Meßbereich für die Dicke der Wasserschicht auf
einen empfindlicheren Meßbereich I für Schichtdicken des Wassers im Bereich
zwischen 0 und 1 mm und einem unempfindlicheren Meßbereich II, beispielsweise
für Schichtdicken für 0 und 10 mm aufgeteilt. Hierbei werden für den
empfindlicheren Meßbereich I als Meßwellenlänge lambda1I=1450 nm und als
Vergleichswellenlänge der schwächer absorbierte Bereich um lambda2II=1190 nm
verwendet. Der unempfindlichere Meßbereich II sieht dagegen lambda1II=1190 nm
als Meßwellenlänge und lambda2II=1080 nm als Vergleichswellenlänge vor.
Die Meßwellenlänge (lambda1) wird hierbei jeweils in einem
Wellenlängenbereich des Lichts gelegt wird, in dem der spektrale durch die
Wasserschicht transmittierte Lichtanteil geringer ist als derjenige
Lichtanteil bei einer Vergleichswellenlänge (lambda2).
Die Meßwellenlängen und die Vergleichswellenlängen der beiden Meßbereiche
werden bevorzugt derart gepaart, daß beim Meßbereich mit geringerer
Empfindlichkeit die Differenz zwischen den transmittierten Lichtanteilen
kleiner ist als beim Meßbereich mit größerer Empfindlichkeit.
Aus den jeweils zurückgestreuten Lichtströmen läßt sich mit einer einfachen
Berechnung die vorhandene Schichtdicke ermitteln. Erfolgt die Ausstrahlung
des Lichts und die Detektion des zurückgestreuten Lichts in einen flachen
Winkel zur Fahrbahnoberfläche, so ist vorausschauendes Messen möglich.
Das Absorptionsgesetz nach Gleichung GL.1
PHIlambda = PHI₀ * ealpha(lambda)*x (Gl. 1)
besagt, daß Strahlung PHI0 nach dem Durchgang durch ein absorbierendes Medium
der Dicke x nur noch die Strahlstärke PHIlambda besitzt. alpha ist hierbei
der lichtwellenabhängige Absorptionskoeffizient.
Dies führt bei Berücksichtigung zweier unterschiedlich stark vom Wasser
absorbierter Wellenlängenbereiche, des doppelten Strahlungsdurchganges durch
die Wasserschicht (vor und nach der Streuung) und unter der Annahme einer
"grauen" Straße, d. h., daß alle Wellenlängen von ihr zum gleichen Bruchteil
absorbiert werden, zur Gleichung GL. 2:
Diese Gleichung liefert einen Wert für die Dicke x der Wasserschicht, der
sowohl von der Menge des eingestrahlten Lichts als auch von der "Helligkeit"
der Straße unabhängig ist. betalambda1 und betalambda2 sind hierbei lediglich
von lambda abhängige Faktoren. Mit dieser Gleichung wird im Meßgerät aus
jeweils zwei benachbarten Wellenlängenbereichen ein Meßwert für die Dicke x
der Wasserschicht gebildet.
In Fig. 2 ist die prinzipielle Anordnung der Vorrichtung gezeigt. Mittels
einer handelsüblichen Lichtquelle 1, die wenigstens Licht im nahen
Infrarot-Bereich abstrahlt wird eine Fahrbahn 2 mit einer diese bedeckenden
Wasserschicht 3 in einem Abstrahlwinkel von etwa 10° bestrahlt. Als
Lichtquelle 1 kann hierbei eine handelsübliche Halogenlampe verwendet werden.
Mittels selektiver Lichtempfänger 4, 5 und 6 werden Anteile des
zurückgestreuten Lichts erfaßt, in einer Auswerteeinheit 7 verarbeitet und
die ermittelte Dicke x der Wasserschicht auf einer Anzeigeeinheit 8
angezeigt.
In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Vorrichtung gezeigt. Das von der
Lichtquelle 1 ausgestrahlte Licht wird mittels eines mechanischen Choppers
(Modulator 9) in seiner Intensität moduliert. Die Modulationsfrequenz wird
hierbei vorzugsweise in einen Bereich von ca. 5 kHz gelegt. Das modulierte
Licht wird in Richtung Fahrbahn abgestrahlt und der zurückgestreute
Lichtanteil mittels der selektiven Lichtempfänger 4, 5 und 6 erfaßt. Der
erste selektive Lichtempfänger 4 erfaßt hierbei den Strahlungsanteil um
lambda1I = 1450 nm, der zweite selektive Lichtempfänger 5 den Lichtanteil mit
einer Wellenlänge von lambda2I = lambda1II = 1190 nm und der dritte selektive
Empfänger 6 den Lichtanteil mit einer Wellenlänge von lambda2II = 1080 nm.
Die Signale der selektiven Lichtempfänger 4, 5, 6 werden mittels ersten,
zweiten und dritten Vorverstärkern 10, 11, 12 vorverstärkt. Lichtquelle 1,
Modulator 9, Lichtempfänger 4, 5, 6 und die Vorverstärker 10, 11 und 12 sind
hierbei vorzugsweise zu einem Sensorkopf 13 zusammengefaßt und können im
Fahrzeug im Bereich eines Anbringungsorts für Nebelscheinwerfer angeordnet
werden.
In der Auswerteeinheit 7 werden die von den Vorverstärkern 10, 11, 12
kommenden Signale mittels sogenannter Lock-in-Verstärker 14, 15, 16
phasenrichtig zur Modulation des austretenden Lichstrahls, d. h. in ihren
Gleichanteilen weiter verstärkt. Zur Steuerung der Lock-in-Verstärker 14 bis
16 in der Signalauswertung wird diesen eine Phasenreferenz im Rhythmus der
modulierten Beleuchtung zugeführt. Diese Phasenreferenz wird durch eine später
noch gezeigte Photodiode im Beleuchtungsstrahlengang erzeugt.
Die Lock-in-Verstärker 14, 16 gewährleisten hierbei, daß lediglich die
Gleichanteile der Signale an eine nachfolgende Rechenschaltung
(Logarithmierer 17, 18) gelangen, welche von dem modulierten Lichtstrahl
herrühren. Beeinflussungen durch Fremdlicht werden somit ausgeschlossen. Die
Beschaltung ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß hierbei bereits ein
Band von 150 Hertz um die Modulationsfrequez verstärkt wird. Ein
Tiefpaßfilter mit einer Eckfrequenz von 150 Hertz schließt sich in
vorteilhafter Weise an (nicht gezeigt).
Die Rechenschaltung beziehungsweise die Logarithmierer 17, 18 bestimmen
hierbei gemäß Gleichung Gl. 2 den Wert x für die Dicke der Wasserschicht und
führen diesen Wert den Anzeigeeinheiten 19, 20 zu, wobei die erste
Anzeigeeinheit 1g den Meßbereich für die Wasserschichtdicke von 0 bis 1 mm
anzeigt und die Anzeigeeinheit 20 den Meßbereich zwischen 0 und 10 mm.
Die Rechenschaltung kann hierbei als Analog- oder Digitalschaltung ausgeführt
sein. Im Falle einer Analogschaltung kann den Logarithmierern jeweils ein
kalibrierbarer Verstärker zum Abgleich der Vorrichtung nachgeschaltet sein.
Der Auswerteeinheit 7 ist ferner noch eine Fehlererkennungsschaltung 21
zugeordnet, welche Fehler in den beiden Bereichen wiederum selektiv auf
Anzeigeeinheiten 22 und 23 anzeigt. Die Fehlererkennungsschaltung 21 prüft
die Ausgangssignale beider Meßbereiche I, II auf Plausibilität wenigstens
hinsichtlich der Signalamplitude.
Fig. 4 schließlich zeigt den Sensorkopf 13 in einer Explosionsdarstellung.
Der Lichtstrahl der Lampe 1 mit einem parabolischen Reflektor wird mittels
dem Modulator 9 moduliert, wobei dieser aus einer ersten feststehenden
Sektorscheibe 24 und einer zweiten rotierenden Sektorscheibe 25, einem
Modulatorgehäuse 26 für dieselben und für die Aufnahme des Antriebsmotors
(Elektromotors) 27 für die rotierende Sektorscheibe 25 besteht.
Antriebsdrehzahl und Sektorscheiben werden derart ausgeführt, daß die
Modulationsfrequenz bei ca. 5 kHz liegt. Lampe 1 und Modulator 9 können
hierbei zu einer schwenkbaren Einheit kombiniert sein. Das Modulatorgehäuse
26 nimmt ferner noch die Diode 28 zur Erzeugung des Phasenreferenzsignals für
die Lock-in-Verstärker 14 bis 16 auf.
Die die selektiven Lichtempfänger 4, 5 und 6 aufnehmende Empfängereinheit 29
umfaßt jeweils in dreifacher Ausführung eine Germanium- Photodiode 30, ein
optisches Filter 31 und asphärischer Linse 32 zur Abbildung des beleuchteten
Bereiches der Straße auf die Fotodiode 30.
Die Bauteile sind in einem Sensorkopfgehäuse 33 zusammengefaßt, wobei das
Lichtaustrittsfenster 34 und das Lichteintrittsfenster 35 durch erste und
zweite glasklare Scheiben 36 und 37 abgedeckt sind. Die Einheit aus
Lichtquelle 1 und Modulator 9 sowie die Empfängereinheit 2g sind vorteilhaft
unabhängig voneinander verschwenkbar. Ebenso können die selektiven Empfänger
4 bis 6 einzeln justiert werden.
Claims (24)
1. Verfahren zur Messung der Dicke (x) einer auf einer Fahrbahn (2)
vorhandenen Wasserschicht (3), dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer
Lichtquelle (1) ein im Raumwinkel begrenzter Lichtstrahl auf die Fahrbahn (2)
ausgesendet und das von der Fahrbahn (2) zurückgestreute, bei einer
vorhandenen Wasserschicht (3) diese durchdringende Licht selektiv auf
wenigstens zwei im nahen Infrarotbereich liegende Wellenlängen
(Meßwellenlänge lambda1, Vergleichswellenlänge lambda2) abgetastet und aus
den Amplituden der selektiv abgetasteten zurückgestreuten Lichtströme
(PHIlambda1, PHIlambda2) vorzugsweise nach der Gleichung:
die Dicke (x) der Wasserschicht (2) erfaßt und mittels einer Anzeigeeinheit
(8) angezeigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des
austretenden Lichtstrahls in flachem Winkel gegen die Fahrbahn (2) geneigt
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel in einem
Bereich von zehn Grad liegt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das aus der Lichtquelle (1) austretende Licht in seiner
Amplitude moduliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des
Lichts mit einer Frequenz in einem Bereich von fünf Kilohertz erfolgt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Meßbereich für die Dicke (x) der Wasserschicht (3)
ein einen ersten Meßbereich (I) größerer Empfindlichkeit (0 mm < x < 1 mm) und
einen zweiten Meßbereich (II) geringerer Empfindlichkeit (0 mm < x < 10 mm)
aufgeteilt wird und die Messung in den beiden Meßbereichen mit
unterschiedlichen Paaren für die Wellenlängen (Meßbereich (I): Meßwellenlänge
lambda1I, Vergleichswellenlänge lambda2I; Meßbereich (II): Meßwellenlänge
lambda1II, Vergleichswellenlänge lambda2II) erfolgt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßwellenlänge (lambda1) jeweils in einem
Wellenlängenbereich des Lichts gelegt wird, in dem der spektrale durch die
Wasserschicht transmittierte Lichtanteil geringer ist als derjenige
Lichtanteil bei einer Vergleichswellenlänge (lambda2).
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßwellenlängen und die Vergleichswellenlängen der beiden Meßbereiche derart
gepaart werden, daß beim Meßbereich mit geringerer Empfindlichkeit die
Differenz zwischen den transmittierten Lichtanteilen kleiner ist als beim
Meßbereich mit größerer Empfindlichkeit.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwellenlänge
(lambda1I) des ersten Meßbereichs (I) im Bereich von 1450 nm und die
Vergleichswellenlänge (lambda2I) des ersten Meßbereichs (I) im Bereich von
1190 nm liegt.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Meßwellenlänge (lambda1II) des zweiten Meßbereichs (II) im Bereich von 1190 nm
und die Vergleichswellenlänge (lambda2II) des zweiten Meßbereichs (II) im
Bereich von 1080 nm liegt.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertung der selektiv abgetasteten zurückgestreuten
Lichtströme (PHIlambda1, PHIlambda2) phasenrichtig zur Modulation des
austretenden Lichtstrahls durchgeführt wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens Licht im
nahen Infrarotbereich aussendende Lichtquelle (1) einen in flachem Winkel
gegen die Fahrbahn (2) gerichteten Lichtstrahl aussendet und wenigstens ein
erster selektiver Lichtempfänger (4) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der
Meßwellenlänge (lambda1; lambda1I) und ein zweiter selektiver Lichtempfänger
(5) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der Vergleichswellenlänge (lambda2;
lambda2I) eines ersten Meßbereichs (I) erfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite
selektive Lichtempfänger (5) den zurückgestreuten Lichtanteil mit der
Meßwellenlänge (lambda1II) und ein dritter selektiver Lichtempfänger (6) den
zurückgestreuten Lichtanteil mit der Vergleichswellenlänge (lambda2II) des
zweiten Meßbereichs (II) erfaßt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von
den selektiven Lichtempfängern (4 bis 6) erzeugten Ausgangssignale über
Vorverstärker auf Lock-In-Verstärker (14 bis 16) aufgeschaltet sind, welche
den Gleichanteil der eingehenden Signale phasenrichtig zur Modulation des
austretenden Lichtstrahls verstärken.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lock-In-Verstärker (14 bis 16) über das Ausgangssignal (Phasenreferenz) einer
im Strahlengang des ausgesendeten, modulierten Lichts angeordneten Photodiode
(28) synchronisiert sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine
die Gleichung (Gl. 2) nachbildende Rechenschaltung die Wasserhöhe (x) aus den
Ausgangssignalen der Lock-In-Verstärker (14 bis 16) bestimmt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die
Rechenschaltung als Analogschaltung ausgeführt ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die
Analogschaltung aus einem Logarithmierer (17, 18) mit nachgeschaltetem,
kalibrierbarem Verstärker aufgebaut ist.
19. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche 12 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Fehlererkennungsschaltung (21) die
Ausgangssignale beider Meßbereiche (I, II) auf Plausibilität wenigstens
hinsichtlich der Signalamplitude prüft und gegebenenfalls Anzeigeeinheiten
(22, 23) für Fehler ansteuert.
20. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein mittels eines Elektromotors (27) angetriebener
Modulator (9) den Lichtstrahl moduliert.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Modulator (9)
und Lichtquelle (1) in einem gemeinsamen Modulatorgehäuse (26) angeordnet
sind.
22. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die selektiven Lichtempfänger (4 bis 6) als Germanium-
Photodioden (30) ausgeführt sind und die Abbildung des zurückgestreuten
Lichts auf die Photodioden (30) über asphärische Linsen (32) und optische
Filter 31 erfolgt und Photodioden (30), Linsen (32) und Filter (31) in einer
Empfängereinheit (29) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß
Modulatorgehäuse (26) und Empfängereinheit (29) justierbar in einem
Sensorkopfgehäuse (30) angeordnet sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der
Lichtaustritt aus und der Lichteintritt in das Sensorkopfgehäuse (33) über
mit glasklaren Scheiben (36, 37) versehene Fenster (34, 35) erfolgt.
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