(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線（ＩＲ）装置が設けられており、該赤外装置は、赤外線送信装置を用いて車道領域を照射し、赤外線受信装置を用いて車道からのビームを受け取り、車道状態に関する情報を得るため、後方散乱赤外線ビームの強度を異なる２つの波長領域で評価する形式の、車道状態識別装置において、
前記送信装置は照射赤外線ビームの強度を、前記２つの波長領域のうち少なくとも一方で時間的に変化させ、
前記受信装置は後方散乱ビームの少なくとも一部分を、照射ビームの強度変化の時間経過特性と相関させ、
前記受信装置は照射休止期間中、２つの波長領域のうち少なくとも一方において未知のビームに対する値を求め、
前記受信装置は、該未知のビームについて求められた値を受信素子の動作点調整に用いることを特徴とする、
車道状態識別装置。
【請求項２】
前記の時間的な変化には照射ビーム強度のタイミング制御が含まれる、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記の時間的な変化には照射ビームの周期的な変調が含まれる、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
前記の時間的な変化には照射ビームのパルス符号化が含まれる、請求項１〜３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記送信装置は、２つの波長領域に対する強度をそれぞれ異なる時間経過特性で変化させる、請求項１〜４のいずれか１項記載の装置。
【請求項６】
前記送信装置は、２つの波長領域において時分割多重でビームを照射する、請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記送信装置は、２つの波長領域においてそれぞれ異なる変調周波数でビームを照射する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記送信装置は照射休止期間中、ビームを照射しない、請求項１〜７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
前記送信装置は、２つの波長領域のために２つの別個の送信素子を有する、請求項１〜８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記送信装置は、２つの波長領域のための１つの広帯域送信素子と、２つの波長領域のためにビーム路中に配置された波長選択形フィルタを有する、請求項１〜８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
前記送信装置は、別個の送信素子から送出されるビームの強度を変化させる、請求項９記載の装置。
【請求項１２】
ビーム路中に制御可能な光弁が設けられている、請求項１〜１１のいずれか１項記載の装置。
【請求項１３】
前記受信装置は、２つの波長領域のために別個の受信素子を有する、請求項１〜１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１４】
前記受信装置は、２つの波長領域のために１つの共通の広帯域受信素子を有する、請求項１〜１２のいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
送信素子として発光ダイオードおよび／またはレーザダイオードが設けられている、請求項１〜１４のいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
受信素子として１つまたは複数のホトダイオードが設けられている、請求項１〜１５のいずれか１項記載の装置。
【請求項１７】
前記の送信装置と受信装置はモノスタティックに配置されている、請求項１〜１６のいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
付加的なマイクロ波送受信装置が設けられている、請求項１〜１７のいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記マイクロ波送信装置の送信出力も時間的に変化させる、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記受信装置の測定値はアナログ／ディジタル変換後、分類装置へ供給され、該分類装置は車道状態に関する複数のクラスのうちの１つへのクラス分けを行う、請求項１〜１９のいずれか１項記載の装置。
【請求項２１】
前記分類装置へ供給された測定値は、２つの波長領域における後方散乱送信信号に対する測定値を少なくとも有する、請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記分類装置へ、受信した未知のビームに対する少なくとも１つの測定値が供給される、請求項２０または２１記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、請求項１の上位概念に記載の車道状態識別装置に関する。
車道状態識別装置は、車両の交通安全における１つの重要な要素を成すものである。車道上で車両のタイヤにおける摩擦が著しく低下した車道状態は、非常に危険な状態にさらされている可能性がある。したがって、信頼性の高い車道状態識別装置が是非とも必要である。
アメリカ合衆国特許US 5,497,100により表面監視システムが公知である。このシステムを車道表面状態の識別にも使用することができ、これには１つまたは複数の動作周波数をもつマイクロ波送受信システムが設けられている。乾いた車道、濡れた車道、凍結した車道からのそれぞれ異なる反射特性が、車道表面の様々な状態を判別するために評価される。
別の公知のシステムによれば赤外線ビームによる送受信装置が用いられており、その際、有利には複数の波長範囲が使われ、車道表面における様々な状態のそれぞれ異なる反射特性が評価される。ドイツ連邦共和国特許出願DE 40 08 280 A1によればたとえば、種々の波長範囲で検出された受信信号の商ないし比を形成することで、車道表面の状態に関する情報を導出する。水の赤外線吸収特性は、Hydrological Processes,Vol.5の第３２１〜３２７頁によれば地表の湿度測定にも使用され、これは種々の赤外線波長について地面の反射特性を求めることによって行われる。
とりわけ有利であるのは、マイクロ波システムと赤外線システムを組み合わせることである。それというのも、これら両方のシステムは様々な車道状態の判別能力において有利なことに互いに補い合うからである。このためたとえばドイツ連邦共和国特許出願DE 40 40 842 A1によれば、車道状態を識別するための赤外線マイクロ波センサシステムが公知であり、このシステムは、表面に広帯域の赤外線ビームを照射し後方散乱光を複数の波長範囲で別個に検出するとともに、マイクロ波に対する表面の反射特性も測定する。この場合、種々の測定信号あるいはそれらから導出された信号を論理ゲート装置において論理結合することにより、車道表面の状態に関する判定が得られる。ドイツ連邦共和国特許出願DE 196 03 557 A1によればこれと類似したシステムが知られており、このシステムの場合には赤外線システムについて、水の吸収帯付近における第１の波長と、水をほとんど吸収しない第２の波長領域が選定されている。
本発明の課題は、車道表面状態識別装置において、簡単かつ安価な構成であっても車道状態に関して信頼性の高い情報が得られるようにし、殊に道路車両での利用に適するように構成することである。
請求項１には本発明の構成が記載されている。従属請求項には本発明の有利な実施形態が示されている。
本発明によれば、赤外線受信装置において関連する信号成分の判別の改善された構成により、被監視表面部分の反射特性および吸収特性をいっそう精密に判定できるようになり、ひいてはその表面部分の性質に関していっそう精確かつ信頼性の高い情報が得られるようになる。ここで基礎とするのは、使用する種々の波長領域のうちの少なくとも１つにおいて、その波長領域で照射される赤外線ビームの強度（送信出力）が時間的に変えられ、照射ビーム強度の時間的な変化の情報を利用しながら受信装置において受信ビーム出力を相関づけて評価することで、種々のビーム成分をいっそう良好に分離できるようになる点である。照射ビーム出力を時間的に変化させること、およびそれに伴って受信信号を相関づけて評価することによって、必ず存在する未知の光ないし外来光線の影響を効果的に排除することも可能になる。このような構成はわずかなコストで実現可能であり、その際、個々の信号成分に関する別個の評価を著しく改善できるようになる。照射ビーム強度の時間的変化の実現にきわめて有利なものとして挙げた個々の構成は、それ自体を単独で、あるいは様々な組み合わせで実施可能である。また、それらの構成の構造的および／または回路技術的な実現手法自体は、当業者に知られたものである。なお、一部については、この種の構成は別の関連ですでに知られており、したがって実現に向けて他の分野での経験を利用できる。
時間的な変化は、１つの波長領域におけるビームだけについて行ってもよいし、２つの波長領域において照射ビームの強度を変化させてもよい。２つの波長領域としてはいるけれども、これによってそれ以上のそれぞれ異なる波長領域の使用および評価を排除しているわけではない。しかし簡単かつ安価な装置構成のためには、それぞれ異なる２つの赤外線波長領域による実施形態が有利である。なお、それぞれ異なる２つの波長領域として、たとえば水をほとんど吸収しない第１の波長領域実例として約９５０ｎｍ付近と、水をよく吸収する第２の波長領域（水吸収帯）実例として１３５０ｎｍ付近を用いると、車道表面状態を良好に判定できることが判明した。
第１の有利な実施形態によれば照射ビーム強度の時間的な変化は、ビーム出力のタイミング制御により達成され、たとえばスイッチオン出力レベルと赤外線出力ビームのない照射状態との切り替えにより達成される。有利には２つの波長領域がともにそのようなタイミングモードで駆動され、その際、それぞれ異なる両方の波長領域で出力ビームが時分割多重で行われ、有利には照射休止期間も設けられている。時分割多重のタイミング制御により受信インターバルも規定することができ、そのインターバル中は一方の波長領域のビームだけが有効信号成分として予期される。このため、それぞれ異なる波長領域の信号成分をきわめて簡単に分離できる。スイッチングインターバルの長さは、照射ビームが送信装置から被照射表面を介して受信装置へ届くまでの所要時間よりも著しく長く選定すると有利であり、そのようにすればタイミング信号の位相のずれを別個に考慮する必要がなくなる。また、照射休止期間を設けることで、その種のタイムインターバル中に有利には、受信装置において２つの有効波長範囲内における未知のビーム成分を求め、照射インターバル中の評価にあたりいっしょに考慮に入れることができる。これはたとえば、対応する未知信号成分の減算および／または１つまたは複数の受信素子の動作点の制御により行われる。
照射赤外線ビームの強度の時間的な変化を実現するための別の有利な変形実施形態によれば、ビーム出力の周期的な変調が行われる。有利には、２つの波長範囲において強度がそれぞれ異なる変調周波数によって変調され、受信装置において信号成分が周波数選択的な復調により、たとえば同期検波器やバンドパスフィルタリングにより互いにそして未知の信号成分から分離される。変調は有利には高周波で、たとえば１０〜１００ｋＨｚの範囲内で行われる。２つの波長範囲における強度をそれぞれ異なる変調周波数によって変調することにより、両方の波長領域において同時に照射、受信ならびに評価を行うことができ、その結果、それぞれ同じ時間区間つまりは同じ表面区間からの後方散乱を処理し、比較により評価できるようになる。
強度を時間的に変化させるための他の有利な実施形態は、赤外線ビームをパルス化して照射することであり、この場合、有利にはパルスのオン／オフの長さ、追従時間等が、それ自体周知のパルスコードパターンのうちの１つに従って選定され、受信装置側で圧縮フィルタ等を用いて相関づけて、それ自体周知のようにして信号成分の分離が行われる。この場合も、種々の波長領域についてパルスコーディングを異ならせれば、両方の波長領域において同時にビーム照射を行うことができる。送信装置における送信素子は、有利には発光ダイオードまたはレーザダイオードとすることができる。この種のダイオードは安価で入手可能であるし、僅かな組み込み容積しか必要とせず、さら電気的に容易に制御可能である。有利であるとして先に挙げた両方の波長範囲のための送信素子ダイオードは、それ自体周知である。第１の実施形態によれば、使用される２つの波長領域のために２つの別個の送信素子が設けられている。しかし、２つの波長範囲で別個に制御できるように照射可能な１つの共通の送信素子を使用することも可能である。また、ビーム照射のために、広帯域でビームを送出する１つの共通の送信素子を設けることもでき、そのようにした場合、波長領域の判別は、ビーム経路中に設けられた２つの波長領域のための波長選択的フィルタによって行うことができる。
それぞれ異なる波長領域のために別個の送信素子を用いる場合、それら別個の送信素子は、有利には別個の電気信号により制御装置、タイミング発生器ないしクロック発生器等から制御される。広帯域でビームを送出する１つの送信素子を用いた場合には、照射出力強度の変化を一方の波長領域または両方の波長領域において、ビーム経路中に設けられた制御可能な光弁たとえば液晶窓によって行うことができる。波長フィルタを、制御可能な光弁と構造的に一体化することもできる。この場合にはビーム素子として、慣用の温度赤外線ビーム発生器を利用することもできる。
受信装置は有利には、検出すべきビームの種々の波長領域について別個の受信素子を有しており、それらの波長選択性は有利には半導体受信素子の材料組成により、あるいは前置接続された波長選択性フィルタにより定められる。しかし、ビーム送出出力強度を時間的に変化させることで、この変化を考慮した適切な評価も行うことにより、２つの波長領域に共通の１つの広帯域受信素子を使用できるようになり、その場合には種々のビーム成分の分離が、たとえば別個に構成されたフィルタ等を用いることで後置接続された評価エレクトロニクスに移されて行われ、および／またはディジタル信号処理によって行われる。受信装置における受信素子としてたとえばホトダイオードが適しており、これによればたとえば検出された未知のビームレベルに依存して、有利には動作点設定を簡単に行えるようになる。
赤外線評価の送信装置と受信装置は、有利には２つの波長範囲のために構造的に一体化されていて、モノスタティックな配置構成を成しており、つまり送信装置と受信装置が実質的に同じ位置に配置されている。赤外線出力のビーム方向と後方散乱ビームの受信方向は有利には、被監視表面における平面の放線に対し０°〜３０°の角度範囲内にある。このような場合、自動車において有利に使用するならば、装置下方に位置する平面区間が照射され、監視される。
殊に有利な装置構成によれば、既述の赤外線送受信装置を付加的なマイクロ波送受信装置と組み合わせて駆動することであり、これによりそれ自体周知の評価能力で、関連する車道状態を格別高い信頼性で判別できるようになる。マイクロ波送信装置の送信出力も時間的に変化させることができ、このことで道路車両に組み込んだとき、別個の車両に取り付けられた類似の装置による相互干渉を低減あるいは除去することができる。
センサたとえばマイクロ波センサー部では照射素子も温度依存特性を有する可能性があり、これによって測定結果に影響を及ぼすおそれがある。このような誤差を除去するため、温度依存性の強いコンポーネントにあるいはその近くに温度センサを取り付けるとよい。測定された温度に応じた測定信号の補正は、有利にはディジタル信号処理のかたちで行われる。
判別すべき複数の車道状態のうちの１つについて区別するため、本発明の有利な実施形態に従って種々のは調量域内のビーム成分について受信装置内で求められた測定値を、入力量としてクラス分け装置ないしは分類装置へ供給することができ、その際、分類装置は車道状態に関する複数のクラスのうちの１つへの対応づけが行われる。このため、受信装置内で求められた測定値に対しアナログ／ディジタル変換が行われる。分類装置の利点は殊に次の点にある。すなわち、１つのクラスを測定値の１つの組み合わせに対応づける規則について、特定の車道状態の後方散乱特性に関する明示的なモデルを形成する必要がなく、分類装置をトレーニング例に基づき設定すればよい。
２つの赤外線波長領域および場合によってはマイクロ波装置からの信号成分に対する測定値のほかに、別の入力量として分類装置へ有利には、複数の波長領域のうちの少なくとも１つにおいて受信された未知のビームに対する少なくとも１つの測定値も供給される。分類装置の１つの格別好適な実施形態によれば、ルックアップテーブルが設けられている。測定信号またはそこから導出された信号は、ディジタル形式でテーブルアドレッシングのためのアドレスまたは部分アドレスとして用いられる。テーブル内容は、車道状態クラスである。
本発明による装置の個々の構成部材をさらに別の測定システムといっしょに記述することもできるし、および／または結合することもできる。たとえば、場合によっては設けられている速度センサや外気温センサによる測定結果を、最終判定のため本発明による装置構成における車道状態情報と結合することができる。赤外線システムにおける送信装置と受信装置の個々のコンポーネントならびにマイクロ波システムのコンポーネントを、完全にまたは部分的に１つの共通の集積回路上で実現することができる。
波長の分離後さらに監視車道表面の偏光特性を求め、いっしょに考慮することができる。被監視車道状態に関する判定から、車道状態が劣悪なタイヤロードホールディング特性であると識別されたとき、光学的および／または音響的な警告信号を送出したり、あるいは車道状態に対するダイレクトな介在操作たとえば減速を行わせることができる。
次に、図面を参照しながら実施例に基づき本発明について詳しく説明する。
図１は、第１実施形態のブロック回路図である。
図２は、第２実施形態のブロック回路図である。
図１に示されている装置には、赤外線送信装置ＳＥと赤外線受信装置ＥＥが設けられている。送信装置ＳＥには、車道表面Ｆの方向へ第１の波長λ１付近の第１の波長範囲でビームを照射する第１送信素子Ｅ１と、車道表面方向へ第２の波長λ２付近の第２の波長範囲でビームを照射する第２の送信素子Ｅ２が含まれている。たとえばλ１＝９５０ｎｍであり、λ２＝１３５０ｎｍである。これら両方の送信素子から送出されるビームの強度に関する時間経過特性は、２つのタイミング発生器ないしはクロック発生器Ｔ１，Ｔ２によって制御される。車道表面で後方散乱したビームは受信装置において、λ１付近の第１の波長範囲のためのＲ１とλ２付近の第２の波長のためのＲ２という２つの受信素子により、波長選択的に受け取られる。送信素子Ｅ１またはＥ２と、波長範囲に関して分けられている受信素子Ｒ１またはＲ２のスペクトル特性曲線は、必ずしも完全に一致していなくてもよい。また、別個の送信素子および／または別個の受信素子のスペクトル特性曲線がオーバーラップしていてもよい。
受信素子Ｒ１，Ｒ２において受け取られたビーム成分は、送信されたビームの時間的な変化に応じてやはり強度の時間的な変化を有しており、これは受信信号中の障害成分をさらに低減するため復調器Ｄ１，Ｄ２において考慮される。この目的でたとえば変調制御信号Ｍ１，Ｍ２が制御装置から、送信素子のクロック発生器Ｔ１，Ｔ２へも受信素子の復調器Ｄ１，Ｄ２へも供給される。復調器Ｄ１，Ｄ２はたとえば同期検波器、時限回路、バンドパスフィルタまたは時間情報の利用に適した他の回路を有することができる。さらに、所定の期間にわたる短期間の変動を補償するため信号成分を積分してもよい。
復調器Ｄ１，Ｄ２の出力信号はアナログ／ディジタル変換器Ａ／Ｄへ供給され、さらに評価回路Ｃたとえばプロセッサ、ユーザ固有のプログラミング可能な回路等などにおいて、ディジタル形式で評価される。この評価回路Ｃを、変調制御信号Ｍ１，Ｍ２を発生させるための制御回路としても同時に用いることができる。
送信素子Ｅ１，Ｅ２および受信素子Ｒ１，Ｒ２は有利には、汚れ付着防止表面コーティングの施されたビーム透過性の窓によって車道から保護されている。なお、ビームを集束させるためにこの窓がレンズの形をもつようにしてもよい。
図２に示されている装置構成の場合には車道が別の表現形式で、車道表面特性に応じて所定の伝達特性をもつ伝達要素Ｆとして、送信装置ＳＥにおける別個の送信素子Ｅ１，Ｅ２と受信装置ＥＥにおける１つの共通の広帯域受信素子Ｒとの間のビーム経路中に描かれている。ここで受信素子Ｒはたとえばホトダイオードであって、その動作設定をコントローラＰによって行い、かつそれによって変更することができる。広帯域受信素子Ｒの出力信号は、ローパスフィルタＬ、第１バンドパスフィルタＢ１および第２バンドパスフィルタＢ２にパラレルに導かれる。この場合、送信装置内のクロック発生器Ｔ１，Ｔ２は、送信素子Ｅ１，Ｅ２から送出されるビーム強度をそれぞれ異なる変調周波数Ｆ１，Ｆ２によって変調することになる。バンドパスフィルタＢ１ないしはＢ２の中心周波数は、送信装置内のクロック発生器Ｔ１ないしＴ２の変調周波数Ｆ１，Ｆ２に合わせて整合されており、光学的に広帯域の検出器Ｒの電気的な出力信号をフィルタリングして、それぞれ異なる波長に属する後方散乱信号成分を取り出す。また、ローパスフィルタＬによって、変調されていない未知のビーム成分を求めることができる。そのような未知のビーム成分に関する値をたとえば、動作点コントローラＰによって共通の受信素子Ｒの動作点を調整および追従制御するために利用できる。
ローパスフィルタＬ、バンドパスフィルタＢ１およびバンドパスフィルタＢ２の出力信号はＡ／Ｄ変換器へ供給され、この変換器はそれらの信号をディジタル形式で評価回路Ｃへ転送する。
本発明は既述の有利な実施形態に限定されるものではなく、当業者の能力範囲で多種多様に変形できる。
【図１】
0003976798.tif 000002
【図２】
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