Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Feststellen des Oberflächenzustandes, insbesondere von Verkehrswegen, nach dem Oberbegriff des Hauptan¬ spruchs sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der DE 40 08 280 ist ein Verfahren zur berüh¬ rungslosen Ermittlung des Fahrbahnoberflächenzustan¬ des hinsichtlich Trockenheit, Nässe oder Vereisung bekannt, bei dem die zu untersuchende Oberfläche mit einer breitbandigen Lichtquelle beleuchtet und das reflektierte Licht selektiv in zwei Wellenlängenbe¬ reichen gleichzeitig gemessen wird. Die Meßwellenlän¬ gen liegen dabei in einem Wellenlängenbereich, in dem das Reflexionsverhalten eine spektrale Abhängigkeit vom Oberflächenzustand zeigt, nämlich im Wellenlän-

genbereich von 2700 nm bis 3200 nm, wobei von den Signalen bei zwei Wellenlängen dieses Wellenlängenbe¬ reichs der Quotient gebildet wird, der den Oberflä- chenzustand charakterisiert. Der jeweils ermittelte Signalquotient wird einem der Zustände trocken, naß oder vereist zugeordnet.

Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß nur die direkte Oberfläche betrachtet wird und nicht der Zu- stand direkt unter der Oberfläche. Dies hat zur Fol¬ ge, daß über- oder unterfrierende Nässe nicht erkannt werden kann, da bei den Wellenlängen von 2700 nm bis 3200 nm die Eindringtiefe der elektromagnetischen Strahlung in die Oberfläche äußerst gering ist. Ins- besondere wird in der Druckschrift auch ausgeführt, daß unabhängig von der Schichtdicke der Nachweis des Oberflächenzustandes erbracht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah- ren zum Feststellen des Oberflächenzustandes insbe¬ sondere von Verkehrswegen hinsichtlich Trockenheit, Nässe oder Vereisung und eine entsprechende Vorrich¬ tung zu schaffen, die kostengünstig zu realisieren sind und eine schnelle und genaue Bestimmung des Oberflächenzustandes auch in tieferen Schichten der Oberfläche gestatten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kenn¬ zeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Vorteil¬ hafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Auf¬ gabenlösung ergeben sich für das Verfahren wie auch die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung aus den Unteransprüchen.

Mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, eine praktisch momentane Erken¬ nung von Eis- und Reifbildung an festen Flächen, wie Straßenbelägen, mittels spektralanalytischer Messung auch bei Berücksichtigung der Schichtdicke der Ober¬ fläche festzustellen, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweiligen Kristallisationsgrad, wobei die Flüs¬ sigkeit nicht ausschließlich Wasser sein muß, sondern es sich auch um eine andere erstarrungsfähige proti- sehe Flüssigkeit oder Lösung handeln kann, also bei¬ spielsweise auch um eine gefrierpunkterniedrigte Salzwasserlösung. Der Kristallisationsgrad des Was¬ sers bzw. der Flüssigkeit läßt sich aus der Verschie¬ bung der Absorptionsbanden von mindestens zwei Spek- tralabschnitten ermitteln, wobei Spektralbereiche herausgegriffen werden, bei denen der Unterschied des Reflexionsspektrums zwischen flüssigem und festem Aggregatzustand besonders deutlich hervortritt und bei denen die Eindringtiefe ausreichend groß ist, nämlich in der Größenordnung der üblicherweise auf Verkehrswegen stehenden Wasser- oder Eisschichten. Der bei dem erfindungsgemäßen aufgrund der gewünsch¬ ten Eindringtiefe bedingte Einfluß des Untergrundes, zum Beispiel der Fahrbahndecke und einer Streuung des Materials, zum Beispiel des Eises der Oberflächen¬ schicht, wird durch die Messung der reflektierten Strahlung in zwei weiteren Wellenlängenbereichen er¬ faßt, die von einer Absorption der Moleküle der pro¬ tischen Flüssigkeit oder Lösung, unabhängig von dem Kristallisationsgrad, sehr wenig beeinflußt werden. Der Einfluß wird dann bei der Meßauswertung kompen¬ siert.

Vorteilhaft ist es, die spektralanalytischen Messun- gen sowohl vor als hinter einer Radlauffläche eines

Fahrzeuges vorzunehmen und die Auswertungen dann zu¬ einander in Relation zu setzen, womit zusätzliche Aussagen, zum Beispiel zwischen Schneematsch und mit einem Wasserfilm bedeckten Eisschichten, vorgenommen werden können.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnah¬ men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse¬ rungen möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Reflexionsspektren für trocknen

Asphalt, Asphalt mit Wasser und Asphalt mit Eis und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der er- findungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 sind verschiedene Reflexionsspektren für einen Wellenlängenbereich von etwa 850 nm bis 1100 nm dargestellt, wobei das obere Spektrum für trocknen Asphalt, das mittlere Spektrum für Asphalt mit Wasser und das untere Spektrum für Asphalt mit Eis gilt. Aus den Spektren ist zu erkennen, daß sich in bestimmten Wellenlängenbereichen die Spektralwerte mit dem Kri¬ stallisationsgrad ändern. Durch Messen dieser Spek- tralwerte lassen sich somit Aussagen über den Kri¬ stallisationsgrad einer Fahrbahnoberfläche machen. Beispielsweise liegen die Absorptionsbande von Wasser unter anderem bei ca. 840 nm, 970 nm, 1170 nm und entsprechend für Eis bei 890 bis 920 nm, 1020 bis 1060 n , 1260 bis 1290 nm und so weiter.

Bei diesen verschiedenen Wellenlängen kann eine auf eine Wasser-/Eisschicht gerichtete Strahlung unter¬ schiedlich dicke Schichten durchdringen, ehe sie ab¬ sorbiert wird, das heißt, die Eindringtiefe der elek- tromagnetischen Strahlung in die Schichten ändert sich mit der Wellenlänge. Als Beispiel werden für einige Wellenlängen bei Wasser und Eis die Eindring¬ tiefen angegeben, wobei hier als Eindringtiefe die Tiefe bezeichnet wird, bei der das aufgestrahlte Licht bzw. die Strahlung auf 1/e abgefallen ist: Wasser: 980 nm - 2,17 cm; 1200 nm - 0,7 cm;

1450 nm - 0,035 cm; 1920 nm - 0,007 cm; und bei 3000 nm nur wenige μm. Eis: 1030 nm - 3,102 cm; 1240 nm - 0,72 cm; 1490 nm - 0,022 cm; 1980 nm - 0,0097 cm; und bei 3000 nm gleichfalls nur wenige μm.

Aus diesen Werten ist zu erkennen, daß im hohen Wel¬ lenlängenbereich beispielsweise von 3000 nm nur ein extrem dünner Oberflächenfilm erfaßt werden kann, so daß unterfrorene Nässe nicht bestimmt werden kann. Damit eine übliche auf Straßenbelägen vorhandene Was¬ serschicht bzw. Eisschicht über ihre ganze Dicke er¬ faßt werden kann, muß bei niedrigen Wellenlängen zum Beispiel bis zu 1300 nm gemessen werden. Wenn jedoch die Wellenlängenbereiche mit genügender, das heißt mit mindestens mehreren Millimetern Eindringtiefe, gewählt werden, werden bei der Messung von spektralen Reflexionsgraden die spektralen Eigenschaften des Straßenbelags miterfaßt. Als Beispiel ist in Fig. 1 der spektrale Reflexionsgrad von Asphalt angegeben, wobei die spektralen Eigenschaften grundsätzlich ab¬ hängig von der Korngröße sind. Für unterschiedliche Fahrbahnoberflächen verändern sich auch die Spektren des Reflexionsvermögens, wobei jedoch Messungen ver-

schiedener Fahrbahnoberflächen gezeigt haben, daß die Reflektivität bzw. die Reflexionsgrade in dem interessierenden Wellenlängenbereich in den meisten relevanten Fällen linear approximiert werden können.

Da die spektralen Eigenschaften des Untergrundes bei den Reflexionsmessungen von nassen bzw. vereisten Oberflächen miterfaßt werden, müssen sie kompensiert werden. Um diese Kompensation durchzuführen, werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Reflexions essun- gen bei zwei Wellenlängen vorgenommen, die invariant gegenüber einer Vereisung bzw. einer Kristallisation sind, um den Unter- bzw. Hintergrund zu bestimmen, und weiterhin werden Reflexionsmessungen bei zwei Wellenlängen vorgenommen, die die Wasser-/Eis-Infor- mation tragen. In Fig. 1 sind die Wellenlängen zur Bestimmung des Hintergrundes mit λ _A und λ _u und die Wellenlängen mit Wasser-/Eis-Information mit λ _u und λ- bezeichnet.

Im folgenden wird auf die Auswertung einer Refle¬ xionsmessung bei den vier Wellenlängenbereichen ein¬ gegangen. Um den Einfluß des Untergrundes zu erfas¬ sen, wird die Steigung der Hintergrundgeraden be- stimmt, wobei die Signalspannung bei den Wellenlängen mit S(λ) bezeichnet wird: = S(λ _D ) - S (λ _A ) dividiert durch λ _D - λ _A . Das Untergrund- bzw. Hintergrundsignal S _H bei den Wellenlängen λ _B und λ _c bestimmt sich zu: S _H (λ _B ) = S(λ _A ) + m (λ _B - λ _A )

S _H (λ _c ) = S(λ _A ) + m (λ _c . - λ _A ) . Diese Hintergrundsignale werden von den eigentlichen Signalen bei λ _B und λ _r zu hintergrundbereinigten Si¬ gnalen abgezogen:

S'(λ _B ) = S(λ _B ) - S _H (λ _B ) S'(λ _c ) = S(λ _c ) - S _H (λ _c ) . Das Reflexionsvermögen des Hintergrunds läßt das Ge¬ samtniveau des rückgestreuten Lichts stark schwanken, deshalb müssen die Werte S' (λ _B ) und S' (λ _c ) mit der "mittleren Helligkeit" S ₀ = S[λ _A ] + S[λ _D ] / 2 nor¬ miert werden:

S"(λ _B ) = S'(λ _B ) / S _G und S ^» (λ _c ) = S'(λ _c ) / S _G . Die Summe aus S"(λ _B ) und S"(λ _c ) ist ein Maß für die insgesamt vorhandene Feuchtigkeitsmenge, das heißt für die insgesamt vorhandenen Wassermoleküle. Die Differenz der beiden Werte (S"(λ _B ) - S" (λ ) und der Quotient der beiden Werte (S"(λ _B ) / S"(λ _c ) sind beide ein Maß für den Anteil des bereits gefrorenen Materi¬ als an der gesamten Feuchtigkeits- bzw. Wassermole¬ külmenge. S"(λ _B ) und S"(λ _c ) sowie ihre Summe korre- lieren mit der Dicke einer Wasser- oder Eisschicht, wobei die Streuung im Eis bei der Korrelation berück- sichtigt werden kann. Es lassen sich somit die Dicken von Wasser- und/oder Eisschichten abschätzen, selbst wenn beide gleichzeitig vorhanden sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Meßanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Danach wird die elektromagnetische Strahlung einer Licht- oder Strah¬ lungsquelle 1, beispielsweise einer diffusen Wei߬ lichtquelle mit einem für die Messung ausreichenden Infrarotanteil über eine Kondensoroptik 2 auf die zu überprüfende Oberfläche 3 gegeben. Derjenige Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der von der Ober¬ fläche 3 reflektiert wird, wobei es sich je nach Oberflächenbeschaffenheit in aller Regel um eine dif-

fuse Reflexion handeln wird, wird über eine Sammel¬ optik 4 auf die Eintrittsfläche eines Lichtleiters 5 abgebildet, der beispielsweise die Strahlung ortsge¬ nau auf die Empfänger- und Auswerteeinheiten leitet, die beispielsweise im Innenraum eines Kraftfahrzeuges angeordnet sind. Die aus dem Lichtleiter austretende Strahlung wird über einen weiteren Kondensor 6 gleichzeitig auf vier Empfänger 7 geleitet, wobei die Strahlung über drei halbdurchlässige Spiegel 8 mit jeweils 50 % Reflexion und 50 % Transmission aufge¬ teilt und über Sammellinsen 9 auf die Empfänger 7 projiziert wird. Dabei sind vor den Sammellinsen 9 jeweils wellenlängenselektive Filter 10, 11, 12, 13 angeordnet, die die Wellenlängen λ _A bis λ _u von zum Beispiel 920, 980, 1030 und 1080 nm durchlassen.

Die Empfänger 7 sind mit einer Auswerteeinheit 14 verbunden, indem die Auswertung entsprechend den oben angegebenen Bewertungen durchgeführt wird. Der Aus- gang der Auswerteeinheit, die als Mikrocomputer aus¬ gebildet sein kann, ist mit einer Anzeigeeinheit und/oder einer Warneinrichtung verbunden. Die Empfän¬ ger 7 können als diskrete Dioden ausgebildet sein, es können jedoch auch schnellansprechende, hochlichtemp- findliche Arrays, wie zum Beispiel Diodenarrays, CCD- Arrays oder dergleichen verwendet werden. Wichtig bei der Messung ist, daß der gesamte Querschnitt des von der zu betrachtenden Oberfläche 3 reflektierten Lichtbündels ortsunabhängig auf jeden Empfänger abge- bildet wird, damit eine ortsunabhängige Auswertung vorgenommen werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist nur ein Beispiel, es ist auch denkbar, daß anstelle der halbdurchlässi- gen Spiegel 8 und der wellenlängenselektiven Filter

ein Dispersionselement, das als Beugungsgitter oder Prisma ausgebildet ist, vorgesehen wird, auf dem die Strahlung wellenlängenselektiv aufgespaltet wird, wobei die Empfänger, beispielsweise über Lichtleiter, den Wellenlängen auf dem Beugungsgitter örtlich zu¬ geordnet sind.

Die Auswerteeinheit 14 wertet abhängig von dem mehr oder weniger vorhandenen kristallinen Zustand der Oberfläche 3, das heißt hier des Fest/Flüssigwassers, das für diesen charakteristische reflektierte Spek¬ trum aus. Die Auswertung kann entsprechend dem obigen Verfahren schrittweise durchgeführt werden. Die Aus¬ werteeinheit 14 kann jedoch die Auswertung über auf neuronalen Netzwerken durchgeführten entsprechenden Algorithmen, zusammen mit einer Entscheidungslogik, die auf der Fuzzy-Logik basiert, das heißt aufbauend auf der Theorie unscharfer Mengen, vornehmen, so daß sich hier die Möglichkeit der Auswertung bei hoher Aussagegenauigkeit auch für sehr verwischte Spektren¬ bilder ergibt. Aufgrund der Auswertung können auch unterschiedlich dicke Wasserschichten über Eis oder Schneematsch erkannt werden.

Zur Vermeidung von Fremdlicht und anderen Einflußgrö¬ ßen kann eine Intensitätsmodulation der Lichtquelle 1 über ein Chopperrad oder eine elektronische Lei¬ stungsregelung vorgenommen werden.

Die erfindungsgemäße Meßanordnung wird an einem Fahr¬ zeug vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Spur an¬ geordnet. Werden zwei derartige Meßanordnungen, und zwar einmal in Fahrtrichtung vor der Spur zum anderen in Fahrtrichtung hinter der Spur vorgesehen, so las- sen sich hier durch Vergleichsmessungen auch Schlüsse

ziehen, die gegebenenfalls nicht nur auf Glättegefahr hinweisen, sondern beispielsweise auch auf solche, die durch Aquaplaning entstehen können.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können auch

Informationen über die Mikrorauhigkeit des Straßenbe¬ lags geliefert werden, da das Verhältnis der oben bestimmten Werte (Steigung der Spektralkurve des Hintergrundes) und S _G ("mittlere Helligkeit") ein Maß für die Wellenlängenabhängigkeit des Streuvermögens der Fahrbahn ist. Den größten Anteil an dieser Wel¬ lenlängenabhängigkeit hat die Korngröße der streuen¬ den Partikel (Mie-Streuung) . m/S _G kennzeichnet somit die Mikrorauhigkeit des Straßenbelags, die für die Beurteilung der Reifenhaftung auf der Fahrbahn we¬ sentlich ist. Dies gilt nicht nur bei trocknen. Belag, sondern beispielsweise auch bei Schnee, da auch hier die Korngröße abhängig von der Art des Schnees vari¬ iert.