DE19931825A1

DE19931825A1 - Vorrichtung zur Sichtweitenmessung

Info

Publication number: DE19931825A1
Application number: DE19931825A
Authority: DE
Inventors: Goetz Kuehnle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-07-08
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2001-01-25
Also published as: US6498647B1; WO2001004660A1; EP1157288A1; JP2003504625A

Abstract

Eine Vorrichtung, mit der eine von der Eigenschaft des Streumediums unabhängige, unverfälschte Sichtweite ermittelt werden kann, bestimmt nach dem LIDAR-Prinzip aus im Streumedium vor einem Fahrzeug reflektierten Rückstreulicht jeweils die aktuelle Sichtweite. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit (9) vorhanden, welche eine Normierung mehrerer zeitlich nacheinander aufgenommener Rückstreu-Meßkurven durchführt. Aus den genormten Meßkurven bildet sie eine mittlere Meßkurve und leitet aus mindestens einem Meßwert der gemittelten Meßkurve eine Sichtweite ab, die unabhängig von den Rückstreueigenschaften des Streumediums ist. Mit dieser so ermittelten Sichtweite wird in der Auswerteeinheit (9) ein adaptiver Abgleich der aktuell ermittelten Sichtweite durchgeführt.

Description

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sichtweitenmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mindestens ein optisches Sendeelement, mindestens ein optisches Empfangselement und eine Meßsignal-Auswerteeinheit aufweist, die aus dem an einer oder mehreren unterschiedlich weit entfernten Raumzonen reflektierten Licht eine aktuelle Sichtweite ermittelt.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 196 29 712 A1 bekannt. Diese bekannte Vorrichtung führt nach dem LIDAR- Prinzip eine Rückstreumessung durch. Dabei strahlt ein Lichtsender (z. B. ein Laser oder eine Photodiode) Lichtimpulse in die vor einem Fahrzeug liegende Umgebung ab. Je nach dem sich in der Umgebung vor dem Fahrzeug befindenden Streumedium (z. B. Nebel, Schnee, Regen, Rauch etc.) wird ein mehr oder weniger großer Anteil des Lichts nach der Wechselwirkung mit dem Streumedium reflektiert und von einem oder mehreren Empfangselementen (z. B. Photodiode) aufgenommen. Aus dem Verhältnis von ausgestrahltem zu detektiertem Licht wird die Sichtweite ermittelt. Auf dem Übertragungsweg des Lichtes gibt es aber einige Störeinflüsse, welche die Empfangssignale beeinflussen und damit das Meßergebnis der Sichtweite verfälschen. Fehlerquellen bei der Sichtweitenmessung sind z. B. eine Sendeleistungsveränderung des ausgestrahlten Lichts, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen oder Alterungen des Sendelements, oder eine Verschmutzung der den Sende- und Empfangselementen vorgeschalteten Optiken oder eine Verschmutzung der Frontscheibe des Kraftfahrzeugs, durch welche die ausgesendeten und empfangenen Lichtimpulse hindurchtreten. Um diese Störeinflüsse zu eliminieren, wird gemäß dem erwähnten Stand der Technik das Rückstreulicht aus zwei voneinander unterschiedlich entfernten Raumzonen erfaßt. Die genannten Störeinflüsse lassen sich z. B. dadurch eliminieren, daß das Verhältnis aus den Empfangssignalen gebildet wird.

Es hat sich gezeigt, daß die vom optischen Empfänger aufgenommenen Meßsignale sehr stark von den Rückstreuungseigenschaften, d. h. von der Art des Streumediums abhängen. Bei Nebel z. B. hängt das Rückstreuverhalten von der Tröpfchengrößenverteilung ab. Eine unverfälschte Sichtweitenmessung ist aber nur dann möglich, wenn die Art des Streumediums auf die Sichtweitenmessung keinen Einfluß hat. Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine von der Art des Streumediums unabhängige Sichtweitenmessung möglich ist.

Vorteile der Erfindung

Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß Mittel vorhanden sind, welche eine Normierung mehrerer zeitlich nacheinander aufgenommener Meßkurven durchführt, von denen jede aus mehreren Meßwerten von an unterschiedlich weit entfernten Raumzonen reflektiertem Licht besteht. Die Mittel bilden aus den genormten Meßkurven eine mittlere Meßkurve und leiten aus mindestens einem Meßwert der gemittelten Meßkurve eine Sichtweite ab, welche eine Auswerteeinheit zum adaptiven Abgleich einer aktuell ermittelten Sichtweite verwendet. Die aktuelle Sichtweite wird gemäß dem Stand der Technik aus dem an ein oder mehreren unterschiedlich weit entfernten Raumzonen reflektiertem Licht ermittelt.

Die Messung der aktuellen Sichtweite erfolgt ohne große Zeitverzögerung und kann innerhalb einer Sekunde mehrfach durchgeführt werden. Der Abgleich der aktuellen Sichtweite, mit dem Ziel seine Beeinflussung durch die Eigenschaft des Streumediums zu eliminieren, wird erfindungsgemäß mit einer gemessenen Sichtweite, die sich aus einem längerdauernden Mittelungsprozess zurückliegender Meßwerte ergibt, durchgeführt. Der Mittelungsprozeß für die Bestimmung der als Abgleich dienenden Sichtweite macht es überflüssig, Lichtsignale mit sehr hohen Pegeln auszusenden, welche für das Auge eine Gefahr darstellen. Die aufgrund des Mittelungsprozesses langwierigere Ermittlung der vom Streumedium unabhängigen Sichtweite verzögert die eigentliche Messung einer unverfälschten Sichtweite nicht, da sie lediglich als Abgleichgröße für die sehr schnell, aber nicht ohne Einfluß der Art des Streumediums ermittelte aktuelle Sichtweite dient.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Danach ist es zweckmäßig, daß die Mittel alle zeitlich nacheinander aufgenommenen Meßkurven auf den Maximalwert der Meßkurven normieren.

Vorzugsweise teilt ein nach dem Fuzzy-Prinzip arbeitender Klassifikator die jeweils ermittelten abgeglichenen Sichtweiten in Entfernungsklassen ein.

Vorteilhafterweise setzen die Mittel mehrere Meßwerte aus der gemittelten Meßkurve ins Verhältnis zueinander und leiten daraus die Sichtweite ab.

Es können zusätzliche Mittel vorgesehen werden, welche aus der Sichtweite, die aus der gemittelten Meßkurve abgeleitet worden ist, eine Information über die Art des die Sichtweite beeinträchtigenden Mediums gewinnen.

Zeichnung

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Sichtweitenmessung,

Fig. 2a, 2b mehrere Meßkurven und

Fig. 3 ein Ablaufdiagramm für die Ermittlung der Sichtweite.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die Fig. 1 zeigt eine Anordnung, mit der die Sichtweite im Bereich vor einem Fahrzeug gemessen werden soll. Die Anordnung arbeitet nach dem bekannten LIDAR (Light detecting and Ranging) Prinizip. Sie besitzt ein Sendeelement 1 (z. B. eine IR-Laserdiode), welche aus dem Inneren des Fahrzeugs heraus durch die Windschutzscheibe 2 Lichtimpulse in den Bereich vor dem Fahrzeug abstrahlt, und mindestens einem optischen Empfangselement 3 (z. B. PIN-Diode), welches das an dem vor dem Fahrzeug befindlichen Streumedium (z. B. Regen, Nebel, Schnee, Rauch etc.) rückgestreute Licht aufnimmt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Vor dem optischen Sendeelement 1 und vor dem optischen Empfangselement 3 sind jeweils eine Fokussierlinse 4 und 5 angeordnet, um einerseits das ausgesendete Licht auf einen räumlich begrenzten Lichtstrahl zu begrenzen und andererseits das rückgestreute Licht auf das Empfangselement 3 zu fokussieren. In der Fig. 1 ist die räumliche Begrenzung der beiden mit Pfeilen gekennzeichneten Lichtstrahlen durch strichlierte Linien angedeutet.

Die optischen Achsen des Sendeelements 1 und des Empfangselements 3 sind so zueinander ausgerichtet, daß der Sendestrahl und der Empfangsstrahl einen in der Fig. 1 kreuzschraffierten Überlappungsbereich 6 bilden. Somit nimmt das Empfangselement 3 den Teil des ausgesendeten Lichts, welches am Streumedium, das in der Fig. 1 durch eine diagonale Schraffierung angedeutet ist, im Überlappungsbereich 6 rückgestreut wird. Wie in der Fig. 1 eingezeichnet, strahlt das Sendeelement 1 einen kurzen Lichtimpuls 7 von ca. 10 ns Dauer aus. Der zeitliche Verlauf 8 des von dem ausgesendeten Lichtimpuls 7 rückgestreuten Anteils ist ebenfalls in der Fig. 1 dargestellt. Die zeitliche Abhängigkeit der Amplitude des vom Empfangselement 3 aufgenommenen Rückstreulichtes steht in einem direkten Zusammenhang mit der Entfernung der Raumzone, aus der das rückgestreute Licht stammt. D. h., je weiter die Raumzone vom Empfangselement 3 entfernt ist, desto geringer ist der rückgestreute Anteil des Sendelichtimpulses 7, und je kürzer die Entfernung der Raumzone zum Empfangselement 7 ist, desto höher ist der an dieser Raumzone rückgestreute Anteil des ausgesendeten Lichtimpulses 7. Statt wie in der Fig. 1 dargestellt, mit einem einzigen optischen Empfangselement 3 einen Rückstreulichtverlauf 8 in Abhängigkeit des Abstandes unterschiedlich weit entfernter Raumzonen aufzunehmen, kann auch wie in der DE 196 29 712 A1 beschrieben, mit mehreren Empfangselementen, Rückstreulicht aus unterschiedlich beabstandeten Raumzonen aufgenommen werden. Dabei weisen die optischen Achsen der Empfangselemente unterschiedliche Winkel zur optischen Achse des Sendeelements auf.

An das Empfangselement 3 ist eine Auswerteeinheit 9 angeschlossen, welche aus dem Ausgangssignal des das Rückstreulicht aufnehmenden Empfangselements 3 die Sichtweite im Bereich vor dem Fahrzeug ermittelt.

Das in der Fig. 3 dargestellte Ablaufdiagramm verdeutlicht die Ermittlung der Sichtweite aus dem Ausgangssignal des optischen Empfangselements 3. In einem ersten Schritt 10 findet eine Meßsignalerfassung statt, d. h. das Ausgangssignal des Empfangselements 3 wird zeitdiskret abgetastet. Jeder Abtastwert gibt dann die Amplitude des rückgestreuten Lichts aus einer bestimmten Raumzone wieder.

Im nächsten Schritt 11 wird aus einem oder mehreren der aus der Abtastung hervorgehenden Meßwerte die aktuelle Sichtweite ermittelt. Im einfachsten Fall kann die Sichtweite aus einem einzigen Meßwert, der ja die Amplitude des rückgestreuten Lichts aus einer Raumzone mit einem definierten Abstand zum Empfangselement 3 wiedergibt, ermittelt werden. Denn die Amplitude des genannten Meßwertes ist im allgemeinen proportional zur Lichtabschwächung durch das Streumedium, aus der sich die Sichtweite berechnen läßt. Die aktuelle Sichtweite kann auch dadurch ermittelt werden, daß mehrere Meßwerte zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Darin drückt sich die lichtabschwächende Wirkung des Streumediums zwischen unterschiedlich entfernten Raumzonen aus, und es besteht darin ein direkter Zusammenhang zur Sichtweite. Durch die Verhältnisbildung mehrerer Meßwerte können Störeinflüsse, wie z. B. Sendeleistungsveränderungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Verschmutzung der Fokussieroptik 4, 5, Verschmutzung der Frontscheibe 2 etc., eliminiert werden.

Sofern es sich um ein homogenes Streumedium handelt, ist die auf die genannte Weise ermittelte aktuelle Sichtweite korrekt. In der Regel hat aber das Streumedium keine homogene Eigenschaft; Nebel hat z. B. eine sehr unterschiedliche Tröpfchengrößenverteilung. Es hat sich gezeigt, daß die Amplitude des Meßsignals sehr stark von der Eigenschaft des Streumediums abhängt. Verläßt man sich also wie im Verfahrensschritt 11 bei der Bestimmung der aktuellen Sichtweite auf die Meßwerte aus dem vom optischen Element 3 aufgenommenen Meßsignal, so ist das Ergebnis der aktuellen Sichtweitenbestimmung falsch. Um trotzdem eine korrekt gemessene Sichtweite zu erhalten, wird im Verfahrensschritt 14 die Sichtweite, welche im Verfahrensschritt 11 mehrmals in der Sekunde aktuell ermittelt wird, korrigiert. Und zwar erfolgt die Korrektur durch einen adaptiven Abgleich der aktuellen Sichtweite durch eine von der Eigenschaft des Streumediums unabhängige Sichtweite, welche in den Verfahrensschritten 12 und 13 bestimmt wird.

In der Fig. 2a sind zwei Meßkurven des rückgestreuten Lichts dargestellt, wobei in beiden Fällen in etwa die gleiche Sichtweite vorlag, aber aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften des Streumediums einmal eine starke Rückstreuung (durchgezogene Linie der Meßkurve) und ein anderes Mal eine schwache Rückstreuung (strichliert gezeichnete Meßkurve) vorlag. Hieraus wird deutlich, daß eine unveränderte Auswertung von Meßwerten aus einem Meßsignal keine korrekte Sichtweite resultieren kann.

Um die Abhängigkeit der Amplitude des Meßsignals M von der Eigenschaft des Streumediums zu eliminieren, wird im Verfahrensschritt 12 eine Normierung mehrerer nacheinander aufgenommener Meßkurven und anschließend eine Mittlung aller normierten Meßkurven vorgenommen. In der Fig. 2b sind beispielhaft zwei Meßkurven, die bei einem Streumedium mit unterschiedlichen Sichtweiten aber gleichen Rückstreueigenschaften aufgenommen worden sind, auf den Maximalwert der Meßkurve mit der durchgezogenen Linie normiert worden. Es können übrigens alle Meßkurven auch auf einen anderen einheitlichen Wert normiert werden. Ein Vergleich der beiden normierten Meßkurven MN zeigt, daß sich die unterschiedliche Lichtabschwächung, d. h. die unterschiedliche Sichtweite nur in einer sehr kleinen Veränderung des Meßsignalverlaufs auswirkt. Eine solche kleine Veränderung einer Meßkurve, welche ein von der Eigenschaft des Streumediums unabhängiges Meßergebnis der Sichtweite brächte, geht aber im Signalrauschen unter. Dem ließe sich dadurch entgegenwirken, daß Lichtimpulse mit einer entsprechend höheren Leistung ausgesendet würden. Die Signalleistung darf aber zum Schutz der Augen einen bestimmten Leistungspegel nicht übersteigen. Auch mit einer geringeren Leistung des ausgesendeten Lichts läßt sich ein durch Rauschen kaum beeinträchtigtes Meßergebnis der Lichtabschwächung im Streumedium dadurch erreichen, daß eine Vielzahl von Meßsignalen aufgenommen, diese normiert werden und daraus anschließend eine gemittelte Meßkurve gebildet wird.

Im Verfahrensschritt 13 wird nun eine von den Eigenschaften des Streumediums unabhängige Sichtweite dadurch gewonnen, daß mehrere Abtastwerte aus dem gemittelten Meßsignal z. B. zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Bei zwei verschiedenen Abständen d aus dem normierten gemittelten Meßsignal entnommenen Meßwerten x1, x2 könnte die von der Eigenschaft des Streumediums unabhängige Sichtweite aus der folgendermaßen gebildeten Größe y abgeleitet werden:

Im Verfahrensschritt 14 wird die aktuelle Sichtweite, welche ohne einen zeitaufwendigen Mittelungsprozess sehr schnell bestimmbar ist, adaptiv an die von der Eigenschaft des Streumediums unabhängige Sichtweite angepaßt, die sich aus zurückliegenden Meßsignalen durch einen Normierungs- und Mittelungsprozeß ergibt. Damit läßt sich ohne großen Zeitverzug eine aktuelle Sichtweite bestimmen, die weitgehend unverfälscht ist durch Eigenschaften des Streumediums und weiterer unbekannter Rückstreueigenschaften (z. B. durch die Fokussieroptik 4, 5 und die Windschutzscheibe 2) und anderer Einflüsse, z. B. aufgrund der Änderung der Sendeleistung, der Empfindlichkeit der Empfangselemente usw.

Bei dem Prozeß zur Ermittlung der von den Eigenschaften des Streumediums unabhängigen Sichtweite aus einer gemittelten Meßkurve können noch weitere Informationen abgeleitet werden, z. B. über die Art des die Sichtweite beeinträchtigenden Mediums (Strahlungsnebel Advektionsnebel, Regen, Schnee, Rauch etc.). Das Verhältnis von Rückstreuungsstärke (Meßsignalamplitude) und Lichtabschwächung, aus der sich ja die Sichtweite ergibt, ist für verschiedene Streumedien unterschiedlich, so daß man aus dem genannten Verhältnis auf die Art des Streumediums rückschließen kann.

In der Fig. 3 ist noch ein weiterer Verfahrensschritt 15 dargestellt, nach dem die jeweils ermittelte Sichtweit, z. B. nach einem Fuzzy-Algorithmus, klassifiziert wird. D. h. die jeweils ermittelte Sichtweite wird einer von mehreren Sichtweitenklassen zugeordnet. Eine Sichtweitenklasseneinteilung könnte z. B. sein: weniger als 50 m, zwischen 50 und 100 m, zwischen 100 und 150 m usw.

Die gemessene Sichtweite kann z. B. dem Fahrer angezeigt werden, sie kann auch dazu verwendet werden, um in ein automatisches Geschwindigkeits- und Abstandsregelungssystem einzugreifen oder die Beleuchtungsanlage in Anpassung an die Sichtweite zu steuern.

Claims

1. Vorrichtung zur Sichtweitenmessung, insbesondere für Kraftfahrzeuge, welche mindestens ein optisches Sendeelement (1), mindestens ein optisches Empfangselement (3) und eine Meßsignal-Auswerteeinheit (9) aufweist, die aus dem an einer oder mehreren unterschiedlich weit entfernten Raumzonen reflektierten Licht eine aktuelle Sichtweite ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (12, 13) vorhanden sind, welche eine Normierung mehrerer zeitlich nacheinander aufgenommener Meßkurven durchführt, von denen jede aus mehreren Meßwerten von an unterschiedlich weit entfernten Raumzonen reflektiertem Licht besteht, und daß die Mittel (12, 13) aus den genormten Meßkurven eine mittlere Meßkurve bilden und aus mindestens einem Meßwert der gemittelten Meßkurve eine Sichtweite ableiten, welche die Auswerteeinheit zum adaptiven Abgleich (14) der aktuell ermittelten Sichtweite verwendet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (12) alle zeitlich nacheinander aufgenommenen Meßkurven auf den Maximalwert der Meßkurven normieren.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nach dem Fuzzy-Prinzip arbeitender Klassifikator (15) die jeweils ermittelten abgeglichenen Sichtweiten in Entfernungsklassen einteilt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13) mehrere Meßwerte aus der gemittelten Meßkurve ins Verhältnis zueinander setzen und daraus die Sichtweite ableiten.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Mittel aus der Sichtweite, die aus der gemittelten Meßkurve abgeleitet worden ist, eine Information über die Art des die Sichtweite beeinträchtigenden Mediums gewinnnen.