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Dokumentenidentifikation DE4040842A1 06.02.1992
Titel Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zur Erkennung des Fahrbahnzustandes
Anmelder TELEFUNKEN SYSTEMTECHNIK GMBH, 7900 Ulm, DE
Erfinder Schmitt, Klemens, Dipl.-Phys. Dr., 7900 Ulm, DE
DE-Anmeldedatum 20.12.1990
DE-Aktenzeichen 4040842
Offenlegungstag 06.02.1992
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.02.1992
IPC-Hauptklasse G01S 13/86
IPC-Nebenklasse G01S 13/91   G01S 13/95   G01S 17/88   G08B 19/02   G01D 5/40   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zur Erkennung des Straßenzustandes.
Das System besteht aus einem Infrarotsender und Empfänger mit Filter, der mit einem Mikrowellensender und Empfänger kombiniert wird. Die Signale der IR- bzw. MW-Empfänger werden mittels Netzwerken, wobei darunter ein oder mehrere Komparatoren bzw. ein oder mehrere Gatter/Flipflops zu verstehen sind, aufbereitet und über ein oder mehrere Gatter miteinander verknüpft. Am Ausgang des oder der Gatter sind Zustandsanzeigen ausgebildet. Mittels eines XOR-Gatters werden die einzelnen Zustandsanzeigen auf ihre logische Zustandsrichtigkeit überprüft. Das Ergebnis kann seinerseits über eine eigene Zustandsanzeige zur Anzeige gebracht werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem, das durch Kombination eines Infrarotsystems mit einem Mikrowellensystem gebildet wird gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung der genannten Art wird u. a. im Straßenverkehr und auf Rollbahnen von Flughäfen zur Identifizierung des Oberflächenzustandes (trocken, naß oder vereist) eingesetzt und kommt daher im Bereich der Verkehrsüberwachung zum Einsatz.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 beschrieben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie bevorzugte Anwendungen der Erfindung aufgeführt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, daß ein Infrarot-, im weiteren IR genannt, Sender und Empfänger mit Filtern ausgebildet ist und in Kombination mit einem Mikrowellen-, im weiteren MW genannt, Sender und Empfänger betrieben wird. Die Signale der IR- bzw. MW-Empfänger werden mittels Netzwerken, wobei darunter ein oder mehrere Komparatoren bzw. ein oder mehrere Gatter/Flip Flops zu verstehen sind, aufbereitet und über ein oder mehrere Gatter miteinander verknüpft. Am Ausgang des oder der Gatter sind Zustandsanzeigen ausgebildet. Mittels eines XOR-Gatters werden die einzelnen Zustandsanzeigen auf ihre Funktionsrichtigkeit überprüft. Das Ergebnis kann seinerseits über eine eigene Zustandsanzeige zur Anzeige gebracht werden.

Mithin ist eine Anordnung zum Nachweis des Fahr-/Rollbahnzustandes ausbildbar, die sich durch ihre hohe Nachweissicherheit auszeichnet. Des weiteren ist das IR-System breitbandig und das Gesamtsystem einfach herstellbar. Das IR-Teilsystem arbeitet vorzugsweise im Wellenlängenbereich von ca. 2,4 bis 3,2 µm, da hier starke Änderungen der reflektierten Leistung als Funktion der Wellenlänge bei Eis oder Wasser auf Oberflächen beobachtet werden können und mit der vorliegenden Anordnung besonders einfach zu erfassen sind. Das MW-Teilsystem arbeitet vorzugsweise bei Wellenlängen kleiner 15 cm, da hier auch dünne Wasserschichten bereits eine starke Zunahme der reflektierten Leistung aufweisen und die MW-Strahlung auch mit relativ kleinen Antennen gut gebündelt werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung sowie ihre Weiterbildungen sind leicht, materialsparend und preiswert herstellbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Fig. 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung;

Fig. 2 das Blockschaltbild einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung.

Die erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. 1 ist wie folgt ausgebildet.

Ein erster (zweiter) Sender 10 (20) und ein erster (zweiter) Empfänger 11 (21) sind jeweils unter etwa dem gleichen Winkel α (β) gegen die Normale zur Fahrbahnoberfläche, auch Oberfläche 80 genannt, angeordnet. Der erste Sender 10 ist eine IR-Quelle, z. B. eine Halogenlampe. Sie emittiert in Richtung der zu untersuchenden Oberfläche 80 eine breitbandige Strahlung. Ein Teil der von der Oberfläche 80 reflektierten Strahlung gelangt in den Eingang des Empfängers 11. Am Eingang des Empfängers 11 (wahlweise auch bereits am Ausgang des ersten Senders 10) wird die Strahlung spektral gefiltert, so daß nur noch Strahlung mit bestimmten Wellenlängen λ1 und λ2 und korrespondierenden Bandbreiten Δλ1 und Δλ2 in die IR-Detektoren des ersten Empfängers 11 gelangt.

Durch die Detektoren wird die empfangene IR-Leistung in etwa proportionale Signalspannungen Uλ1 und Ug2 umgewandelt.

Die vom zweiten Sender 20, der ein MW-Sender ist, über eine Antenne (z. B. Hornantenne) abgestrahlte elektromagnetische Welle wird ebenfalls teilweise, dem Oberflächenzustand entsprechend, von der Oberfläche 80 reflektiert und mit einer Antenne des zweiten Empfängers 21 empfangen. Die empfangene Leistung PRMWi wird in eine etwa proportionale Signalspannung UMWi umgewandelt.

Die Mikrowellenmessung kann bei mehreren Frequenzen fi, z. B. den ISM-Frequenzen um 2,45 GHz, 24,125 GHz und 61,25 GHz, stattfinden.

Das Reflexionsverhalten elektromagnetischer Strahlung im IR- bzw. MW-Bereich an dielektrischen Grenzschichten (z. B. der Oberflächen 80) hängt dabei vom Zustand dieser Oberflächen ("trocken", "naß" bzw. mit einer Wasserschicht bedeckt, "vereist" bzw. mit einer Eisschicht bedeckt) ab. Im IR-Bereich treten bei Wasser und Eis Absorptionsbanden auf, in deren Umgebung eine starke spektrale Änderung der dielektrischen Konstanten und damit des Reklexionskoeffizienten vorliegt.

Die Absorptionsbanden von Wasser und Eis, z. B. im Wellenlängenbereich um 3 µm, sind dabei nur geringfügig um ein Wellenlängenintervall von etwa 0,1 µm gegeneinander verschoben .

Durch die erfindungsgemäß geeignete Wahl der Wellenlängen λ1 (in etwa 2,6 µm) und λ2 (in etwa 3 µm) und korrespondierender Intervalle Δλ1 (in etwa ± 15% von λ1) und Δλ2 (in etwa ± 15% von λ2) kann aus der spektralen Abhängigkeit der von der Fahrbahn reflektierten Leistung auf entweder den Zustand "trocken" oder den Zustand "naß" bzw. "vereist" der Oberfläche 80 geschlossen werden.

Im Mikrowellenbereich besitzt Wasser eine wesentlich höhere Dielektrizitätszahl (εr ≈ 20-80) als Materialien, die für Fahrbahnen etc. verwendet werden. Für Eis hingegen hat die Dielektrizitätszahl einen Wert von ca. εr ≈ 2. Dieser Wert ist niedriger als der Wert der meisten Dielektrika, die als Materialien für Fahrbahnen mit der Oberfläche 80 verwendet werden.

In diesem Fall resultiert für eine mit einer Eisschicht bedeckte Oberfläche 80 ein Wert für den Reflexionskoeffizienten und damit für die reflektierte Leistung, der kleiner oder gleich dem Wert des Reflexionskoeffizienten für eine trockene Oberfläche 80 ist, und der eine periodische Funktion der Dicke d der Eisschicht ist. Der Abstand der Maxima und Minima beträgt λE/2. λE ist die Wellenlänge im Dielektrikum. Die reflektierte Leistung ist also stets kleiner oder gleich dem Grenzwert Po. Po ist der Wert der reflektierten Leistung bei trockener Fahrbahn. Eine Modulation des Wertes der reflektierten Leistung als Funktion der Schichtdicke d, die aus einer Interferenz der an den verschiedenen Grenzschichten reflektierten Welle resultiert, tritt auch bei Wasser auf. Diese Modulation ist jedoch vor allem bei höheren Frequenzen, z. B. 24 GHz, 35 GHz, 61 GHz wegen der höheren dielektrischen Verluste von Wasser nur schwach ausgeprägt. Der resultierende Wert für die reflektierte Leistung PRMWi ist für jede signifikante Wasserschichtdicke größer als der Grenzwert Po.

Po ist der Wert der reflektierten MW-Leistung, der einer Grenzspannung UMWO entspricht.

Das Reflexionsvermögen für Mikrowellenstrahlung an mit Wasser bedeckten Oberflächen 80 steigt bereits bei geringen Wasserschichtdicken (d ≈ 0,1 mm) stark an. Aus dem Anstieg der reflektierten Mikrowellenleistung PRMWi über den Grenzwert Po wird erfindungsgemäß festgestellt, daß eine nasse Fahrbahn (Oberfläche 80) vorliegt. Ist dieses nicht der Fall (PRMWi ≤Po) so liegt eine trockene oder mit Eis bedeckte Oberfläche vor.

Als Meßfrequenz können, wie bereits erwähnt, z. B. die ISM-Frequenzen um 2,45 GHz, 24,125 GHz und 61,25 GHz gewählt werden.

Im ersten Empfänger 11 werden die bei den Meßwellenlängen λ1 und λ2 empfangenen Leistungen mittels Detektoren in etwa proportionale Signalspannungen Uλ1 und Uλ2 umgewandelt. Anschließend wird in einem Signalverkoppler 30 der Quotient Uλ1/Uλ2 gebildet, der einer Spannung UIR entspricht (Uλ1/Uλ2 ≈ UIR). Die Wellenlänge λ1 und λ2 und die korrespondierenden Wellenlängenintervalle Δλ1 und Δλ2 sind z. B. so gewählt, daß für mit einer Wasser- bzw. Eisschicht bedeckte Oberflächen 80 eine Signalamplitude UIR < UIRO resultiert. Der Wert UIRO ist hierbei ein von der Wellenlänge λ1 und λ2 und den Wellenlängenintervallen Δλ1 und Δλ2 abhängender charakteristischer Wert. So folgt z. B. für:

λ&sub1; = 2,6 µm, λ&sub2; = 3,0 µm

Δλ&sub1;, Δλ&sub2; = 0,4 µm

bei Wasser:

Uλ&sub1;/Ug&sub2; = UIRW ≈ 0,41

bei Eis:

Uλ&sub1;/Uλ&sub2; = UIRE ≈ 0,32

Mithin dürfen für das IR-Teilsystem relativ große Bandbreiten Δλ1,2 gewählt werden, wobei eine der Meßwellenlängen λi auch außerhalb der Absorptionsbanden liegen kann.

Bei trockenen Oberflächen 80 ist keine signifikante Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten von der Wellenlänge vorhanden, so daß hier ein Wert Uλ1/Uλ2 = UIRT ≈ 1 resultiert.

Für den Grenzwert UIRO eines Komparators, der Bestandteil des Netzwerkes 9040 ist, welches seriell der Signalverkopplung 30 folgt, kann hierbei ein Wert von ca. ≈ 0,5-0,8 gewählt werden.

Der zweite Empfänger 21 (Mikrowellenempfänger) des Sensorsystems wandelt die bei einer Frequenz fi empfangene Strahlung in eine etwa proportionale Spannung UMWi um. Ist diese Spannung kleiner oder gleich einem Grenzwert UMWO, so liegt eine trockene oder vereiste Oberfläche 80 vor, bzw. eine Oberfläche 80 mit einer sehr geringen Wasserfilmdicke, die keine ausreichend hohe Reflexion bewirkt. Bei einer Meßfrequenz von ca. f = 24,125 GHz ist dieses für Wasserfilmdicken ≲ 50 µm der Fall. Im entgegengesetzten Fall, UMWi > UMWO, liegt eine nasse Oberfläche vor.

Diese Zustände werden elektrisch durch einen Komparator, der Bestandteil des zweiten Netzwerkes 90 410 ist, ermittelt. Durch die logische Verknüpfung des jeweils auftretenden IR- und eines MW-Signals in einem ersten UND-Gatter 50, welches an jeweils einem Ausgang des ersten (9040) und zweiten (90 410) Netzwerkes ausgebildet ist, und der digitalen Anzeige des jeweiligen Zustandes der drei Signalausgänge an einer ersten (71), zweiten (72) bzw. dritten (73) Zustandsanzeige, - wobei der Zustand 0 = "falsch" und der Zustand 1 = "wahr" bedeutet -, werden Schalter in den Zustandsanzeigen 71, 72, 73 gesteuert.

Für den Oberflächenzustand "trocken" (UMWi ≤ UMWO, UIRT ≤ UIRO mit UIRT = (Uλ1/Uλ2)trocken) ist der Signalausgang 90 401 des IR-Komparators und der Ausgang 904 101 des MW- Komparators geschlossen (Zustand 1) und der Ausgang 90 402 ist offen (Zustand 0).

Die Ausgänge 501 und 904 102 sind ebenfalls offen. Die Anzeige 72 ("trocken") wird aktiviert.

Für den Oberflächenzustand "naß/Wasser" gilt: UMWi > UMWO und UIRW < UIRO). Hier sind die Ausgänge 904 102 und 90 402 geschlossen, die Ausgänge 904 101 (und damit auch 501) sowie 90 401 sind offen. Der Ausgang 73 ("naß") wird aktiviert.

Für den Oberflächenzustand "vereist" gilt: UMWi ≤ UMWO und UIRE < UIRO. Hier sind die Ausgänge 90 401 und 904 102 offen und die Ausgänge 90 402 und 904 101geschlossen (Zustand 1). Damit ist auch der Ausgang des UND- Gatters, 501, geschlossen und die Anzeige 71 ("vereist") wird aktiviert.

Von den jeweiligen drei Schaltern des Systems ist im regulären Betriebszustand genau einer geschlossen (Zustand 1). Dieses entspricht einer eindeutigen Anzeige jeweils eines Oberflächenzustandes ("trocken", "naß", "vereist") der Oberfläche 80.

Um die Eindeutigkeit der Anzeige zu überprüfen, werden die Signale über die Anschlußbuchsen k einem Antivalenzgatter 61 ("XOR-gate") zugeführt und dort miteinander verknüpft. Diese Kontrollschaltung für das Sensorsystem zeigt über die Anzeige (60) beim Ausgangswert 1 eine eindeutige Messung an, beim Wert 0 liegt eine Störung vor. In diesem Fall sind vom IR- und MW-Teilsystem gelieferten Signale widersprüchlich, es werden mehrere Zustände oder kein Zustand angezeigt.

Die Anschlußbuchsen k sind erfindungsgemäß jeweils an den Signalpfad zwischen:

  • - dem Netzwerk 9040 und der zweiten Zustandsanzeige 72,
  • - dem ersten Gatter 50 und der ersten Zustandsanzeige 71,
  • - dem Netzwerk 90 410 und der dritten Zustandsanzeige 73 gemäß Fig. 1 angeordnet;


bzw. zwischen:

  • - dem ersten Gatter 50 und der ersten Zustandsanzeige 71,
  • - dem zweiten Gatter 51 und der zweiten Zustandsanzeige 72,
  • - dem dritten Gatter 52 und der dritten Zustandsanzeige 73 gemäß Fig. 2 angeordnet.


Die erfindungsgemäße Weiterbildung nach Fig. 2 besteht darin, daß bereits mit dem IR-Teilsystem die drei Zustände trocken, naß und vereist eindeutig differenziert werden. Werte für λ1, λ2 und Δλ1, Δλ2 liegen im Intervall von etwa 2,0-3,2 µm und sind dort anordnungsmäßig frei wählbar. Für die dort ermittelten Meßbereiche kann ein entsprechender IR-Signalvergleichswert UO gefunden werden, mit dem sich die drei Oberflächenzustände voneinander abgrenzen lassen. Bevorzugt ist ["≈" steht für "ca."]:

λ&sub1; ≈ 2,8 µm, λ&sub2; ≈ 3,0 µm und Δλ&sub1; ≈ Δλ&sub2; ≈ 0,05 µm

Es folgt für Eis:

UIR = Uλ&sub1;/Uλ&sub2; ≈ 0,27

und für Wasser

UIR = Uλ&sub1;/Uλ&sub2; ≈ 0,16

während bei trockener Oberfläche 80

UIR = Uλ&sub1;/Uλ&sub2; ≈ 1

folgt.

Als Grenzwert zwischen Eis und Wasser kann in diesem Beispiel UO = 0,2 für den Komparator 9041 gewählt werden.

Für nasse Oberflächen ist UIR < Uo. In diesem Fall wird nur der IR-Komparatorausgang 90 412 geschlossen (Zustand 1), die Signalausgänge 90 411 und 90 413 bleiben offen (Zustand 0). UMWi ist bei nasser Oberfläche größer als UMWO, so daß der Ausgang 904 102 ebenfalls geschlossen ist. Der andere Ausgang des MW-Komparators, 904 101, ist offen. Der Ausgang des UND-Gatters 52 wird somit geschlossen und der Zustand "naß/Wasser" mittels der Anzeige 73 angezeigt.

Bei vereisten Oberflächen gilt z. B. UO ≤ UIR < 2 UO. In diesem Fall ist nur der IR-Komparatorausgang 90 413 geschlossen. Bei mit Eis bedeckten Oberflächen gilt weiter UMWi ≤ UMWO, so daß nur der MW-Komparatorausgang 904 101 geschlossen ist. Somit hat für diesen Fall nur das UND-Gatter 50 einen geschlossenen Ausgang (Zustand 1). Die Anzeige 71, "vereist", wird aktiviert.

Bei trockener Oberfläche gilt für die Ausgangsspannung UIR des Signalverkopplers (30) in diesem Beispiel UIR ≤ 2UO. In diesem Fall ist nur der Ausgang 90 411 des IR-Komparators 9041 geschlossen.

Das MW-Signal hat wiederum - wie bei vereister Oberfläche - einen Wert UMWi ≤ UMWO. Wiederum ist nur der Ausgang 9 04 101 des MW-Komparators 90 410 geschlossen. Somit wird für den Oberflächenzustand trocken nur das Gatter 51 geschlossen und nur die Anzeige 72, "trocken", aktiviert. Zusammenfassend ergibt sich für dieses Beispiel, daß die UND-Gatter 50, 51 oder 52 an ihren Ausgängen dann geschlossen sind (Zustand 1), d. h. über die Komparatoren 9041 und 90 410 an beide Gattereingänge eine logische 1 gelangt, wenn folgende Bedingungen gelten:



Die logische Verknüpfung der drei IR-Ausgangssignale, die einen der drei Oberflächenzustände 80 beschreiben, mit den Signalen des MW-Teilsystems über UND-Gatter 50, 51 und 52, bewirkt wiederum eine Redundanz des Systems.

Während bei der IR-Reflexionsmessung auf die zu untersuchende Oberfläche 80 eine Lichtintensität fällt, deren Wert unter Umständen zu einem Auftauen einer ursprünglich vorhandenen Eisschicht und damit zu einer lokalen Veränderung des zu messenden Umgebungszustandes führen kann, ist bei Mikrowellenreflexionsmessung aufgrund der in diesem Spektralbereich höheren Empfängernachweisempfindlichkeit und der Schmalbandigkeit des zweiten Senders 21 mit wesentlich kleineren abgestrahlten Leistungen und mit geringeren auf die Meßoberfläche beaufschlagten Intensitäten arbeitbar, so daß hier ein zusätzliches Auftauen einer vorhandenen Eisschicht oder die Verhinderung der Bildung einer Eisschicht und damit eine Verfälschung des Meßergebnisses nicht zu erwarten ist.

Die Oberfläche 80, welche die Mikrowellenstrahlung reflektiert, ist vorzugsweise nicht von den Anteilen der Oberfläche 80 überdeckt, die von der IR-Quelle (z. B. Halogenlampe) ausgeleuchtet wird, da diese ansonsten u. U. aufgetaut ist und somit eine in den Zustand naß "verfälschte" Oberfläche darstellt.

Unter dieser Voraussetzung ermöglicht das mit Fig. 1 beschriebene System auch dann noch einen zuverlässigen Nachweis von vereisten Oberflächen, wenn der von der IR-Quelle angeleuchtete Teil der Oberfläche durch die IR-Strahlung aufgetaut wurde, da bei diesem System mit der IR-Teilmessung nicht zwischen Wasser und Eis differenziert wird. Eine Differenzierung findet beim Fig. 1 entsprechenden System erst nach Verknüpfung des IR-Signals mit dem MW-Signal in einem UND-Gatter statt.


Anspruch[de]
  1. 1. Infrarot-Mikrowellen-Sensorsystem zur Erkennung des Oberflächenzustandes auf einer Fahrbahn, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - ein Infrarotsender (10) und -empfänger (11) mit Filtern ausgebildet ist und zusammen mit einem Mikrowellensender (20) und -empfänger (21) betrieben wird;
    2. - die Signale der Infrarot- bzw. Mikrowellenempfänger (11, 21) mittels Netzwerken (9040, 90 410 bzw. 9041, 90 410), wobei darunter ein oder mehrere Komparatoren bzw. ein oder mehrere Gatter/Flip Flops zu verstehen sind, aufbereitet sind und über ein oder mehrere Gatter miteinander verknüpft sind;
    3. - am Ausgang des oder der Gatter Zustandsanzeigen (71, 72, 73) ausgebildet sind;
    4. - mittels eines XOR-Gatters (61) die einzelnen Zustandsanzeigen (71, 72, 73) auf ihre logische Zustandsrichtigkeit überprüft sind;
    5. - das Ergebnis seinerseits über eine eigene Zustandsanzeige (60) zur Anzeige gebracht ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gatter zwischen den Netzwerken (9041, 90 410) ausgebildet sind.
  3. 3. Anordnung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Anordnung breitbandig ausgelegt ist und durch beliebige Filter spektral ausrichtbar ist.






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