DE10314424A1

DE10314424A1 - Warnsystem zum Zwecke einer ortsaufgelösten Feststellung von vereisten Oberflächenstellen

Info

Publication number: DE10314424A1
Application number: DE2003114424
Authority: DE
Inventors: Karl Cammann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine spezielle Anwendung geeignet spektraloptisch modifizierter Wärmebildkameras oder bildgebender IR Flächen-Detektor-Array Anordnungen in Kombination mit spezieller Bildbearbeitungssoftware zum Zwecke einer ortsaufgelösten Echtzeit Feststellung von vereisten Oberflächenstellen auf beliebigen Oberflächen. Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Anwendung von bekannten Wärmebildkameras verbunden mit zusätzlichen spektroskopischen Vorrichtung zur Einstellung eines engen analytselektiven (Wasser und Eis-Absorptionsbanden im NIR) Wellenlängenbereichs während einer Aufnahme und verbunden mit bekannten Bildbearbeitungssoftware-Entwicklungen bewerkstelligt. Dazu wird für schnelle Wellenlängen-Scans ein akustooptisches tunable Filter (AOTF), ein durchstimmbares Flüssigkristall Filter oder Interferenzfilter mit variablen Strahlungswinkeln verwendet. In einem weiteren Anwendungsbeispiel wird das Prinzip der negativen Filterung (zu analysierendes Licht passiert Küvetten mit Wasser bzw. Eis gefüllt) benutzt. Weiteres Merkmal dieser Erfindung betrifft die Art und Weise der Warnung vor den Gefahren durch Eisstellen auf Oberflächen (aber auch Aqua-Planing). In einer bevorzugten Version wird nur ein Echtzeit Videobild der zu überprüfenden Oberfläche auf einem Bildschirm dargestellt, bei dem die gefährlichen Aqua-Planing und Eisstellen ortsaufgelöst mit unterschiedlichen Fehlfarben hervorgehoben werden. Die Methoden der Bildbearbeitungssoftware werden auch dazu ...

Description

Die Erfindung betrifft ein spezielle Anwendung geeignet spektrometrisch modifizierter Wärmebildkameras oder bildgebender IR Flächen-Detektor-Array Anordnungen in Kombination mit spezieller Bildbearbeitungssoftware zum Zwecke einer ortsaufgelösten Echtzeit-Feststellung von vereisten Oberflächenstellen auf beliebigen Oberflächen wobei Anwendungen im Straßenverkehr und in der Luftfahrt an erster Stelle stehen.
Es besteht ein erheblicher Bedarf an zuverlässigen Warnsystemen in Straßenfahrzeugen, die den Fahrer rechtzeitig vor Eisglätte oder auch „Aqua-Planing" Gefahren warnen. Allein in Europa kommen derzeit pro Jahr über 40.000 Menschen bei Verkehrsunfällen ums Leben und über 1,7 Millionen werden dabei verletzt. Die sozialen Kosten betragen über 160 Milliarden Euro. Gleichermaßen ist bekannt, dass ein großer Prozentsatz dieser fatalen Unfälle auf schlechte Straßenverhältnisse und unangepasste Fahrweise beruhen. Daher wurden seit Jahren Vorschläge unterbreitet, wie zuverlässig und rechtzeitig vor diesen Gefahren gewarnt werden kann. Ähnlicher Bedarf an einer schnellen und zuverlässigen Eis-Detektion besteht in der Luftfahrt, hier besonders bei der Überwachung von Hubschrauberrotoren. Patentrecherchen zu diesem Thema verweisen auf über 100 Anmeldungen zur Lösung dieses Problems.
Die einfachste Methode einer genaueren Wettervorhersage versagt im Straßenverkehr, da hochaufgelöste lokale Vorhersagen bisher unmöglich sind bzw. Brücken und andere Einflussgrößen dabei unberücksichtigt bleiben. Eine weitere Methode, die vor Eisbildung warnen soll, besteht in der Messung der Temperatur kurz über der Straßenoberfläche vom Auto aus oder in dem Aufwand von in der Straße eingelassenen Temperatursensoren mit Anzeige an den Straßenpfosten. Wegen der Gefrierpunktserniedrigung durch Streusalz-Ausbringung sagen aber Temperaturen unter Null Grad mit oder ohne Feuchtigkeitsmessung nichts über eine Eisbildung aus.
Versuche zur Eiserkennung Ultraschall-Sensoren (in der Schifffahrt als SONAR – Technik bekannt), wie z.B. in US 4,628,736 oder US 5,095,754 beschrieben, oder Radarmethoden einzusetzen, wie z.B. in US 5,497,100 beschrieben, scheitern erstens an der Zuverlässigkeit der stofflichen Identifikation von Oberflächenschichten und zweitens an der geforderten Schichtdicken-Messgenauigkeit. Beide Verfahren analysieren bekanntermaßen die Laufzeit von an Schichtgrenzen reflektierten Ultraschall- oder Mikrowellen und berechnen daraus Entfernungen oder Abstände bzw. Schichtdicken. Darüber hinaus ist die Wechselwirkung von Radarstrahlung und Materie sehr komplex und bis heute Gegenstand der Forschung. Entsprechend schwierig ist auch die problemorientierte quantitative Analyse von Radarbildern, da sie auf überwiegend schwer nachvollziehbaren Zusammenhängen basieren. Oft werden bei ihrer Interpretation nur die geometrischen und morphologisch-strukturellen Aspekte näher betrachtet. Eine zuverlässige chemische Identifizierung von Wasser in seiner flüssigen und festen Form findet bei beiden Methoden nicht statt. Das DE 197 18623 A1 beschreibt den Einsatz polarisierter Mikrowellen zur Eis-Detektion unter Berücksichtung der Oberflächenrauhigkeit aber ebenfalls ohne chemische Identifizierung. In US 5,243,185 wird eine weitere Methode zur Eiserkennung vorgeschlagen bei der die Verschiebung des Polarisationsgrades einer reflektierten polarisierten Strahlung ausgewertet wird.
In DE 4040842 A1 wird eine lichtoptische Methode zur Eiserkennung vorgeschlagen. Da sich das Spektrum von Wasser und Eis im Infrarotspektrum unterscheiden, kann man durch einen Spektrenvergleich die Anwesenheit von Eis feststellen. Dazu wurde ein Monochromator mit einem Diodenarray-Detektor verwendet. Diese Anordnung ist sehr aufwendig und wenig robust. In einem weiteren Patent DE 4008280 wird eine Reflektionsmethode vorgeschlagen, bei dem die Straßenoberfläche mit einer breitbandigen Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte Licht innerhalb zwei Wellenlängenbereichen simultan gemessen wird. Nachteil dieses Verfahrens liegt bei den beiden Auswertwellenlängen, die zwischen 2700 nm und 3200 nm Gegen. Bei diesen Wellenlängen beträgt die Eindringtiefe der Infrarotstrahlung in Wasser oder Eis nur wenige Mikrometer. Daher kann man mit dieser Methode nur eine äußerst dünne Oberflächenschicht feststellen, d.h. eine meist vorhandene dünne Wasserschicht auf einer Eisschicht verhindert eine zuverlässige Anzeige der letzteren.
In DE 19506550 A1 wird eine verbesserte Anordnung zu einer Realzeit Eis- und Wasser-Identifikation durch NIR Spektrometrie beschrieben, die nur 4 robuste und preiswerte optische Filter benutzt. Hierbei konnten Messgenauigkeiten bei der Eis- oder Wasserschichtdicken Messung von ca. 20 % realisiert werden. Die hierbei angewandte Methode der diffusen Reflexion NIR Spektrometrie bei Wellenlängen um 1000 nm weist den Vorteil einer zuverlässigen Stoffidentifikation (molekularer Fingerabdruck) verbunden mit einer ausreichenden Empfindlichkeit auf. Bei dieser Wellenlänge dringen die IR-Strahlen ca. 15 mm in Wasser und ca. 25 mm in Eis ein, so dass beide auch zusammen (z.B. Wasser auf Eis) bestimmt werden können. Nachteil der in diesem Patent beschriebenen Vorrichtung unter Benutzung der Methode der diffusen NIR Reflexionsspektrometrie ist allerdings, dass man nur ein integrales Signal der gesamten mit NIR Licht ausgeleuchteten Fahrbahnoberfläche vor einem Fahrzeug erhält. Lokal begrenzte, tiefe Pfützen in Spurrinnen oder lokal begrenzte Eisstellen, über die die Fahrzeugräder laufen, können bisher bei allen beschriebenen Verfahren nicht erkannt werden.
Die Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es, diese Nachteile, dass bisher kein Verfahren lokal begrenzte Eis- und Wasserstellen sichtbar machen kann, zu beseitigen. Zusätzlich ist auch Aufgabe der vorliegen Erfindung diese bildgebende Echtzeit-Darstellung auch mit einer eindeutigen chemischer Identifikation zu versehen. Sie hat als weitere Aufgabe, diese Gefahrenstellen bildlich im Rahmen eines gesamten Objektbildes durch eine klare Fehlfarbendarstellung hervorzuheben oder eine computer-gestützte Voraus-Warnung vor einem direkten Überfahren dieser Stellen zu geben.
Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Anwendung von bekannten Wärmebildkameras oder den ihnen zugrunde liegenden flächenförmigen IR empfindlichen Detektor-Array Anordnungen, verbunden mit bekannten zusätzlichen spektroskopischen Vorrichtung zur Einstellung eines engen analytselektiven Wellenlängenbereichs während einer Aufnahme und verbunden mit bekannten Bildbearbeitungssoftware-Entwicklungen gelöst. Moderne Wärmebildkameras mit NIR, IR, FIR empfindlichen Flächen Array Detektoren sind inzwischen in der Lage, normalerweise ohne zusätzliche analytselektive Filter selbst geringste Temperaturdifferenzen bei bewegten Objekten als Echtzeit-Video (> 60 Bilder pro Sekunde) und in hoher Auflösung zu erfassen. Diese sogenannten „focal plane array" IR Detektoren bestehen aus einer planen Fläche von vielen Mikrodetektoren und haben – wie die CCD-Entwicklungen im Konsumerbereich – eine neue Ära der molekularen Schwingungsspektroskopie (NIR, IR, FIR, Raman) eingeleitet: das spektroskopische Abbilden von Objekten bei einem stark eingeschränkten Spektralbereich (spektrales Fenster = optischer Bandpass). Inzwischen gibt es für den NIR und IR Bereich preiswerte auf InGaAs Halbleiter beruhende „focal plane arrays, die auch bei Raumtemperatur ausreichend empfindlich arbeiten (spectra analyse Vol 31 N° 228, 2002).
Bevorzugt werden „high-speed" Wärmebildkameras ihrem Strahlengang oder einfach vor ihrer Linse mit geeigneten, wasser- bzw. eisselektiven Strahlungsfiltern mit festem oder variablem Wellenlängendurchlassbereich versehen. Dazu werden akusto-optische „tunable" Filter (AOTF) oder durchstimmbare Flüssigkristall Filter für schnelle Wellenlängen-Scans verwendet. Da sich der spektrale Durchlassbereich dieser Filter im ms-Bereich über einen bestimmten Wellenlängenbereich verändern lässt, werden mit dieser bevorzugten Anordnung komplette diffuse Reflexionsspektren hinter jedem Pixel eines Flächen Detektor Arrays erhalten. Mit Detektoren aus InGaAs und InSb mit 320×256 Pixel können so beispielsweise über 70.000 Spektren pro Minute aufgezeichnet werden. Da die Reflexionsspektren den stoffspezifischen, spezifischen molekularen Fingerabdruck enthalten, ist durch diese Anordnung eine Stoffidentifizierung – wie in der Analytischen Chemie üblich – von jedem Pixel mittels einer geeigneten Software abrufbar. Im vorliegenden Fall wird nicht das komplette IR Spektrum zur Identifikation aller so detektierbaren chemischen Verbindungen benötigt, sondern es reicht eine Betrachtung der Objekte bei der Wellenlänge des zu lokalisierenden Stoffes (Wasser oder Eis). Vorhandene Software (z.B. ThermaCam Researcher 2001) erlaubt eine Subtraktion kompletter Bilder. Eine weitere Bildbearbeitungssoftware (z.B. Fa. Inframetrics) erlaubt die Entzerrung von Bildern, um sie mit Vorlagen oder Referenzbildern deckungsgleich zu machen. Bei den heutigen Rechenleistungen selbst preiswerter Computer mit komplexen 3-D Szenen, ist die Massenanwendung bei einem Warnsystem für Straßenfahrzeuge kein technisches Problem mehr.
Die 1 zeigt ein aus der Literatur entnommenes IR-Spektrums des Sonnenlichtes mit zahlreichen Absorptionsbanden von Wasser und anderen natürlich vorkommenden Stoffen in der Atmosphäre. Im Prinzip kann jede Absorptionsbande des Wassers auch zum selektiven (fingerprint) quantitativen Nachweis herangezogen werden. Es handelt sich hier allerdings um ein Transmissionsspektrum (durchstrahlter Gasraum), das beim Nachweis von Wasser und Eis auf Oberflächen nicht erhalten wird. Hierzu muss die von einer Oberfläche diffus reflektierte IR Strahlung herangezogen werden. Da ein Teil der IR Strahlung in die Probe eindringt bevor sie diffus reflektiert wird, zeigen diffuse Reflexionsspektren ebenfalls den Fingerabdruck der zu analysierenden Probe. Hier zeigt allerdings nur der NIR Bereich um 1μm bei Wasser oder Eis die größte Eindringtiefe von bis zu ca. 30 mm. In umfangreichen Vorarbeiten wurden diffuse Reflexionsspektren von Wasser und Eis im gesamten IR Wellenlängenbereich unter realen Bedingungen und mit unterschiedlichen Untergrüden aufgenommen, wobei sich vielfältige Unterschiede, die zur Differenzierung zwischen Wasser und Eis herangezogen werden können, ergeben haben. Die 2 zeigt als Beispiel ein diffuses NIR Reflexionsspektrum von Wasser und Eis im Wellenlängenbereich 800 – 1100 nm (K. Cammann Hrg.: Instrumentelle Analytische Chemie, S. 5-48, Spektrum Verlag 2001). Daraus ist ersichtlich, dass sich die Absorptionsbande des Wassers bei ca. 975 nm bei der Eisbildung um ca. 50 nm in den Bereich längerer Wellenlängen verschiebt. Damit wird eine eindeutige Identifizierung von Wasser und Eis durch mehrere neue spektrometrische Methoden ermöglicht, die bisher zu einer abbildenden Eis-Detektion nicht beschieben wurden.
Die vorliegende Erfindung beschreibt vorteilhafte Anwendungen einer digitalen IR-Video-Kamera mit ihrem entsprechend empfindlichen flächigen IR Detektor-Array oder nur des letzteren mit einer entsprechenden Abbildungsoptik zusammen mit verschiedenen Vorrichtungen zu einer optimalen Wellenlängenselektion zum Zwecke eines Wasser- und Eisnachweises. Um Wasser- und Eisstellen mit solchen IR Kameras sichtbar zu machen, werden, wie 2 andeutet, optische Filter mit Durchlässigkeiten im Absorptionsbandenbereich von Wasser oder Eis in den Strahlengang gebracht.
In einer vorteilhaften Anordnung werden die bildgebenden IR Flächen-Array-Detektoren mit 4 Interferenzfiltern mit den in 2 eingezeichneten spektralen feststehenden Durchlassbereichen versehen wobei die spektralen Informationen, wie in DE 19506550 A1 beschrieben, hier aber ortsaufgelöst und bildhaft mit einer Software (z.B. matlab) ausgewertet werden. Die Filter werden mittels Strahlenaufteilung oder mittels eines rotierenden Filterhalters schnell abwechselnd in den Strahlengang gebracht. Aus der Höhe der Absorptionsbande (Lichtschwächung im betrachteten IR Bandpass Bereich wird mittels der empirischen Kubelka-Munk-Gleichung nach Kalibrierung auf die Schichtdicke der Eis- oder Wasserschicht im Millimeterbereich geschlossen. Bei diesen Wellenlängen erscheinen wegen der spezifischen Absorption von IR Strahlung an den Stellen, wo sich Wasser oder Eis auf den digitalisierten Bildern befinden, dann dunklere Flecken als sich die benachbarte Oberfläche ohne diese molekülspezifische Absorption in Reflexion darstellt. Der schematische Aufbau einer solchen Bildauswertung ist in 3 dargestellt. Durch die Bildbearbeitungs-Software Entwicklungen der Bildsubtraktion oder Kontraststeigerung werden allein oder in Kombination mit chemometrischer Software feinere Unterschiede in der Pixelbelichtung entscheidend besser sichtbar und in frei wählbaren Fehlfarben dargestellt. Die 4 verdeutlicht, wie hinter jedem Pixel (Einzel-IR-Mikro-Detektor im μm Bereich) der IR Flächenarray Detektoren bei einem schnellen Wellenlängen-Scan ein komplettes IR Spektrum und eine dreidimensionale Information entsteht, die zur genauen chemischen Identifizierung der dort abgebildeten Stoffoberfläche zur Verfügung steht.
In einer weiteren vorteilhaften Anordnung werden inzwischen entwickelte, wellenlängenmodulierte, variable optische IR Filter auf mindestens einem Wendepunkt einer Absorptionsbanden-Flanke benutzt. Bei Anwesenheit von Eis oder Wasser sind letztere (Schichtdicken-abhängig) mehr oder weniger steil, so dass bei periodischen Wellenlängen-Bandpass Verschiebungen Schichtdicken-proportionale Intensitätsschwankungen des diffus reflektierten IR-Lichtes entstehen, aus deren absolute Intensitätslage verglichen zum allgemeinen nicht-selektiv ausgewählten Wellenlängenbereich und aus deren Amplitude und Phasenlage die Anwesenheit und Dicke von Wasser- und Eisoberflächenschichten auch rein elektronisch ermittelt werden kann. Dazu reicht bereits ein einziges, variables Filter auf der längerwellenlängigen Seite der Wasserabsorptionsbande zusammen mit einer Trendanalyse aus, denn nach 2 verschiebt sich diese Flanke bei einer Eisbildung um ca. 50 nm zum Bereich längerer Wellenlängen. Wenn sich die in der 2 eingezeichnete rechte Wasser-Absorptionsbandenflanke bei der Eisbildung und einem feststehenden Bandpass-Modulationsbereich des optischen IR Filters aus dem Bandpass Bereich entfernt, nimmt die Lichtintensitätsmodulation analog wie bei einer flacher verlaufenden Verstärker-Kennlinie ab, um bei der zentralen Absorptionswellenlänge ein Minimum zu erreichen und um nach dem Passieren der nunmehr Eis darstellenden zentralen Absorptionsbande mit anderer Phasenlage wieder anzusteigen. Dies ermöglicht eine schnelle elektronische Überwachung einer Eisbildung. Als Alternative zu AOTF und variablen Flüssigkristall Filtern können nach DE 3617123 auch einfache Interferenzfilter bei unterschiedlichen Bestrahlungswinkeln dazu verwendet werden. Letzteres verschiebt ebenfalls den Bandpassbereich. Besonders einfach lassen sich die elektrisch modulierbaren Flüssigkristallfilter ohne bewegliche Teile in den Strahlengang einer Wärmekamera bringen.
In einer anderen vorteilhaften Anordnung von Wärmebildkamera (oder eines bildgebenden NIR, IR, FIR Detektor-Arrays) und geeigneter Filter zur zuverlässigen und selektiven Detektion von Eis- oder Wasserschichten auf Straßenoberflächen wird die Verwendung der nicht variierbarer Filter bezüglich der Empfindlichkeit dadurch verbessert, dass die betreffenden Wellenlängenfenster abwechselnd in den Strahlengang gebracht werden, so dass sie einmal neben der Absorptionsbande und danach genau im Zentrum der betreffenden Absorptionsbande die Lichtmessung erlauben. Daraus folgende periodische Helligkeits- bzw. Intensitätsunterschiede auf dem Detektor-Array bei Anwesenheit von Wasser oder Eis werden frequenz- und phasenselektiv elektronisch vom Untergrund herausselektiert und bildlich dargestellt. Die 5 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung, die dazu geeignet ist, gefährliche Wasser- oder Eisschichten auf Straßenoberflächen räumlich aufgelöst darzustellen. Im NIR Bereich reichen dazu die üblichen Halogenscheinwerfer aus. Natürlich sind auch andere konstruktive Vorrichtungsaufbauten denkbar, die aber alle auf das Prinzip dieses ortsaufgelösten „chemischen Sehens" dessen Anwendung zum Nachweis verschiedenster vereister Oberflächen (Straßen, Helikopter Rotoren, Flugzeugflügeln usw.) erfindungsgemäß ist, beruhen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anwendung von abbildenden zweidimensionalen Detektor-Arrays oder NIR-IR-FIR Wärmekameras mit einem zusätzlichen, molekülselektivem optischen Filter mit einem Durchlassbereich entsprechend der Wellenlänge der Absorptionsbanden von Wasser und Eis ist die automatische Kompensation von Sonnenlichtvariationen. Selbst wenn bei Wolkenabdeckung Strahlung bei der Wellenlänge der Wasser Absorptionsbanden im Sonnenlicht geschwächt die Objektoberfläche erreicht und bei den nicht abbildenden Methoden eine Wasserschicht vortäuschen, so trifft dieses Licht auch auf nicht mit Wasser bedeckte Oberflächen, die dann Bezugspunkte bilden und durch eine Bildsubtraktion eine Korrektur erlauben. Beim Betrachten der Oberfläche mit einer IR-Absorptionsbande erscheinen wasserbedeckte Flecken wegen der Absorption in Reflexion dunkler (weniger reflektiertes IR Licht) als nichtbedeckte Oberflächenstellen. Analoges gilt für Eis, wenn die zu prüfende Oberfäche mit ausgewählten Absorptionswellenlängen des Eises beobachtet wird. Zur Korrektur von Schattenbildungen, die bei allen Wellenlängen gleich ablaufen, werden IR-Oberflächenbilder von anderen Wellenlängen außerhalb der Bereiche der Wasser- oder Eis-Absorption ausgewählt oder auch über den gesamten spektralen Empfindlichkeitsbereich der Kamera. Diese IR Bilder oder Filmsequenzen werden analog der Wolkeninterferenz durch eine Bildbearbeitungssoftware mit denen, bei einer Wasser- oder Eis-Absorptionswellenlänge aufgenommenen verglichen. Wasser- oder Eisflecken erscheinen dabei in Reflexion dunkler als unbedeckte Oberflächen. Diese Stellen können mit bekannter Bildbearbeitungssoftware dann ich unterschiedlichen Fehlfarben zur leichteren Erkennung dargestellt werden.
In einem weiteren vorteilhaften Aufbau wird ein durch eine geeignete Abbildungsoptik verkleinertes Abbild der zu prüfenden Oberfläche wie bei einem Zwei-Strahl-Spektral-Photometer einmal durch ein Filter mit einer Absorptionswellenlänge von Wasser oder Eis und parallel dazu durch ein Filter mit einer Referenzwellenlänge, bei der weder Wasser noch Eis eine IR Absorption zeigt, geleitet. Dies kann bekanntlich, dem Stand der Technik entsprechend, mittels rotierender Umlenkspiegel oder mittels eines halbdurchlässigen Spiegels erfolgen. Durch die Verwendung eines weiteren halbdurchlässigen Spiegels nach dem ersten lässt sich der Strahlengang weiter aufteilen, sodass Wasser- und Eisfilter sowie die Referenzpunkte simultan einsetzbar werden, wenn beide physikalischen Zustände interessieren sollten. In einer weiteren Version werden Strahlengang Aufspaltungen mittels gegabelter fiberoptischen Lichtleitfasern durchgeführt, wobei hier keine beweglichen Teile notwendig werden.
In einer weiteren bevorzugten Anordnung erlaubt auch ein preiswertes, lineares (eindimensionales), IR empfindliches Detektor-Array mit einer geeigneten Abbildungsoptik eine bildhafte Darstellung. Dazu wird die abzubildende Oberfläche zunächst optisch vertikal oder horizontal zu einer in einer Richtung verzerrten balkenförmigen Darstellung „gestaucht" und danach dieses schmale Balkenbild entlang eines linear variablen Interferenzfilters (Interferenzverlaufsfilter) bewegt. Auf diese Weise entstehen nach dem Filterdurchgang zahlreiche gestauchte Balkenbilder der zu prüfenden Oberfläche, die nur einen begrenzten Wellenlängenbereich umfassen. Nach einer optischen Entzerrung liegen so spektral selektierte Abbildungsserien der Oberfläche vor, die denen entsprechen, die mit einem Detektorarray und spektral abstimmbaren Filtern aufgenommen werden. Daher wird hierbei die gleiche Bildbearbeitungs- bzw. Chemometrie-Software verwendet. Die Relativbewegung entlang des Interferenzverlaufsfilters (Wellenlängen Scan) wird mittels oszillierender oder rotierender Spiegel erreicht.
In einer weiteren erfindungsgemäßen speziellen Anwendungsanordnung wird das Prinzip der negativen optischen Filterung benutzt, wobei auf optische Filter ganz verzichtet wird. Hierbei werden die Reflexionsbilder der auf Wasser oder Eis zu prüfenden Oberfläche nach geeigneter IR Beleuchtung und Abbildungsoptik mittels Strahlenteilung anstelle durch optische Filter durch Küvetten geeigneter optischer Weglänge geleitet bevor sie das Detektor-Array erreichen. Diese Küvetten sind mit Wasser bzw. Eis gefüllt. Die Schichtdicke wird so gewählt, dass unter Berücksichtigung der IR Lichtquelle mindesten eine Absorptionsbande dieser Stoffe im Empfindlichkeitsbereich der Detektoren weit unter 50 % Transmission fällt. Durchstrahlt das abgebildete Oberflächen-Reflexionslicht diese Küvetten so, werden im Allgemeinen alle Wellenlängen von Wasser- bzw. Eis-IR-Absorptionsbanden in diesem Strahlengang ausgeblendet (negative Filterung). Das heißt, diese digitalen Bilder der diffusen Reflexion einer zu prüfenden Oberfläche stellen letztere ohne diese stoffspezifischen Wellenlängen dar. Bei einem Vergleich dieser digitalen Bilder mit denen, ohne die aufgenommene Strahlung durch diese Küvetten zu leiten, erscheinen wasser- oder eisbedeckte Oberflächenpositionen selektiv heller als ihre Umgebung, weil die IR Bandenabsorption bei der diffusen Reflexion selten zu einem Transmissionsgrad in der Gegend von 0 % führt. Bei der digitalen Differenzbildung der digitalen Oberflächenbilder treten dann nur bei den Positionen mit Wasser- oder Eisbedeckung Intensitätsunterschiede auf, die verstärkt und mittels eindeutiger Fehlfarben optisch gut dargestellt werden können. Diese nicht dispersive Anordnung erfordert bei Echtzeit Wiedergabe ebenfalls eine zeitlich rasch wechselnde Strahlenführung (mit bzw. ohne Küvetten Durchleitung). Mit dieser Frequenz fallen dann auch die Helligkeitsunterschiede bei den Differenzbildern an.
Ein weiteres Merkmal dieser Erfindung betrifft die Art und Weise der Warnung vor dem Gefahren durch Aqua-Planing oder Eisstellen auf Oberflächen. In einer einfachen Version wird nur ein Echtzeit Kamerabild der zu überprüfenden Oberfläche auf einem Bildschirm dargestellt, bei dem aber die gefährlichen Stellen ortsaufgelöst mit Fehlfarben hervorgehoben werden. Die Intensität der ausgewählten Farben steht dann für die Schichtdicke. In einer weiteren Ausführungsform als Kraftfahrzeugwarnsystem wird dieses Bild oder nur die gefährlichen Stellen auf die Windschutzscheibe projiziert damit der Fahrer u.U. diesen Stellen noch ausweichen kann. Die Methoden der Bildbearbeitungssoftware werden erfindungsgemäß auch dazu benutzt, den Weg der Räder in Bezug auf die gefundenen Gefahrenstellen automatisch zu berechnen, so dass nur bei einem möglichen Überqueren dieser Stellen mit einer zu hohen Geschwindigkeit ein klares Warnsignal ohne visuelle Ablenkung des Fahrers gegeben wird. Erfindungsgemäß ist auch eine automatische Geschwindigkeitsreduzierung eines Straßenfahrzeuges möglich.
1: Transmissionsspektrum der Erdatmosphäre vom ultravioletten (UV) bis zum fernen Infrarot (FIR) mit den unterschiediichen, angezeigten Absorptionsbanden von Wasserdampf sowie CO₂ und Ozon (nicht angezeigt).
2: Diffuses Refexionsspektrum im nahen Infrarot (NIR) zwischen 800 und 11 Nanometer; 1 = (unterbrochene Kurve) Wasserspektrum im Reflexionsgradbereich zwischen 18 und 23 % (linke Ordinatenskala); 2 = (durchgezogene Kurve) Eis- bzw. Schneespektrum im Reflexionsgradbereich zwischen 42 und 54 % (rechte Ordinatenskala); 3,4,5,6 = Durchlassbereiche gängiger Interferenzfilter zur traditionellen (nicht ortsaufgelösten) Auswertung zur Berücksichtugung unterschiedlichster Oberflächenhintergründe; schwarze Pfeile: erfindungsgemäße Lichtdurchlassbereichsverschiebung durch variable Filter in schematischer Darstellung → Fußpunkt der Pfeile entspricht der Wasserabsorption (Wasser wird dunkler als wasserfreie Umgebung dargestellt), Pfeilspitze entspricht der Eisabsorption (Eis wird dunkler als eisfreie Umgebung dargestellt).
3: Schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbaus

1 = diffus von der zu überprüfenden Oberfläche reflektiertes Licht
2 = Eingangsoptik
3 = variables optisches Filter
4 = IR empfindliches Sensorarray (CCD oder Ähnliches)
5 = Signalvorverstärkung
6 = Digitalisierung und μ-Prozessor mit Software-gesteuerter Differenzbildgebung
7 = Bildschirm mit ortsaufgelöster Darstellung von Wasser oder Eis in Fehlfarben
4,5,6,7 = integriert in Wärmebildkamera

4: Schematische Darstellung eines "chemischen Sehens°

1 = Sensorarray (z.B. CCD), hier beispielhaft nur 5 x 5 Pixel (erzeugt Abbildung);
2 = Komplettes Reflexionsspektrum eines auf dem angewählten Pixel abgebildeten Teil eines Gegenstandes durch Zeit-versetztes Abfragen des CCD Arrays (= Wellenlängen Scan) betreffend der auftreffenden Lichtintensität;
Abszisse zeigt schematisch, wie ein zeitlich moduliertes optisches Filter vor einer Kamera unterschiedliche Spektralbereiche passieren lässt;
t = Zeitverlauf im Mikro- oder Millisekundenbereich;
λ = Wellenlängenbereich, der Zeit-versetzt auf den angewählten Pixelpunkt fällt

5: Schematische Darstellung eines bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbaus

1 = Lichtquelle {z.B. Halogenscheinwerfer mit ausreichendem NIR Anteil)
2 = Optik (eine oder mehrere Linsen)
3 = zu überprüfende Oberfläche
4 = gegabelter Lichtleiter
5 = optisches Filter mit variablen Durchlässigkeitsbereich
6 = IR-sensitives Sensor-Array (z.B. CCD)
7 = elektronische Verstärkung und μ-Prozessor

Claims

Warnsystem zum Zwecke einer ortsaufgelösten Feststellung von vereisten Oberflächenstellen, dadurch gekennzeichnet, dass geeignet spektrometrisch modifizierter Wärmebildkameras oder bildgebender IR Flächen-Detektor-Array Anordnungen in Kombination mit spezieller Elektronik und Bildbearbeitungssoftware zum Zwecke einer ortsaufgelösten Echtzeit Feststellung von vereisten Oberflächenstellen auf beliebigen Oberflächen verwendet werden.
Verfahren zur bildgebenden Echtzeit-Stoff Identifikation mittels der Methode der diffusen Infrarot-Reflexionsspektrometrie, basierend auf IR-Flächen Array-Detektoren oder Wärmebild-Kameras bzw. von Zeilen-Array-Detektoren mit speziellen Abbildungsoptiken mit Empfindlichkeiten im nahen, mittleren und fernen Infrarot nach Bestrahlen mit breitbandigem polychromatischem Infrarot Licht in Kombination mit chemometrischer oder Bildbearbeitungssoftware, dadurch gekennzeichnet, dass derartige Vorrichtungen zum selektiven Nachweis von Ausmaß, Dicke und Position von Wasser- und Eisschichten auf unterschiedlichen Oberflächen verwendet werden, was dadurch erzielt wird, dass die betreffenden IR-Detektorarrays oder Kameras wellenlängenselektiv aufnehmen wobei zur Identifizierung von Wasser mindestes ein spektraler Aufnahmebereich mindestens einer IR-Absorptionsbande von Wasser entsprechend und zur Identifizierung von Eis ein spektraler Aufnahmebereich von mindestens einer IR-Absorptionsbande von Eis entsprechend gewählt wird und die Bilder, aufgenommen mit einem kleinen spektralen Bereich um die Zentren oder Flanken der ausgewählten Wasser- und Eis Absorptionsbanden-Wellenlängen mit Bildern bei mindestens einer Referenzwellenlänge oder über den gesamten breitbandigen Empfindlichkeitsbereich mittels einer geeigneten Bildbearbeitungs- oder Chemometrie-Software verglichen werden, wobei die Orte der oberflächenbedeckten Stellen sowie die Schichtdicke durch unterschiedlich intensive Fehlfarben dargestellt werden und mit einer geeigneten Warnung oder automatischer Geschwindigkeitsreduzierung verbunden wird..
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoff(analyt)-selektive Eigenschaften von IR Kameras oder anderen bildgebenden Detektorarrays im gesamten Wellenlängenbereich der Objekterfassung von nahen (λ = 075 – 3,0 μm = NIR) über den mittleren (λ = 3,0 – 30 μm = IR) bis zum fernen Infrarotbereich (λ = 30 – 1000 μm = FIR) durch Verwendung geeigneter Bandpassfilter Filter entsprechend den zentralen Wellenlängen von Wasser- oder Eisabsorptionsbanden durch softwarebasierenden Vergleich (Differenzbildung digitalisierter Bilder) zu mindestens einer Abbildung bei mindesten einer Referenz-Wellenlänge erzielt werden.
Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Nachweis von Lokalisation und Dicke von Wasserschichten optische IR Filter oder andere Wellenlängen Bandpass Vorrichtungen verwendet werden, deren zentrale Durchlasswellenlänge fest oder variabel bei mindestens einer zentralen Absorptionsbanden Wellenlänge oder zum Zwecke einer rein elektronischen Auswertung auf jeweils mindestens einer Absorptionsbanden Flanke von Wasser oder Eis liegt, die sich bei der Eisbildung verschiebt.
Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass als variable einstellbare IR Bandpass Filter akusto-optische „tunable" Filter (AOTF), variable Flüssigkristallfilter oder Interferenzfilter bei unterschiedlichen Einstrahlwinkeln verwendet werden.
Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wasser und Eis Nachweis der naher Infrarot Bereich gewählt wird und die Wasserabsorptionsbande bei 975 +/– 25 nm zum Nachweise der Anwesenheit und Schichtdicke von Wasser und zum Nachweis von Lokalisation und Dicke von Eisschichten eine spektrale Bandpass Wellenlänge von 1025 +/– 25 nm gewählt wird und entweder die jeweils zentrale Wellenlänge oder eine Flankenwellenlange mit periodisch veränderbaren Bandpass verwendet wird.
Verfahren nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prinzip der negativen spektralen Filterung zum selektiven Wasser- und Eisnachweis ohne dispersive Elemente angewandt wird.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein periodisch mit > 10 Hz variierendes IR Bandpass Filter auf mindestes einem Wendepunkt einer Wasser- oder Eis-Absorptionsbanden Flanke gelegt wird und das resultierenden Messsignals in Amplitude und Phase analysiert wird.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der periodisch variierende spektrale Durchlassbereich eines elektrisch modulierbaren Filters genau auf der Eis-Absorptionsbanden Flanke auf Seite der längeren Wellenlängen gelegt wird und das Auftreten von entsprechend modulierten Intensitätsschwankungen in diesem Wellenlängenbereich, analysiert nach Amplitude und Phase, die Anwesenheit von Eis anzeigt.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das spektrometrische Prinzip der Zwei- oder Mehrstahl-Referenz Bildung zum örtlich aufgelösten Wasser- und Eisnachweis angewandt wird und eine optisch verkleinerte Abbildung der zu prüfenden Oberfläche mindestens einer Strahlenteilung mittels halbdurchlässiger Spiegel, rotierender Spiegel oder gegabelter Faseroptik unterworfen wird wobei in mindestens einem Strahlengang die Wasser- bzw. Eisselektive Wellenlängenseparation (analytselektiver Bandpass) positioniert ist und mindestens ein weiterer Strahlengang ohne spektrale Filterung oder mit einem spektralen Bandpass außerhalb der Wasser- oder Eis-Absorptionsbanden als Referenz verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem abgesonderten Strahlengang eines verkleinerten Oberflächenabbildes zum selektiven Wassernachweis eine mit Wasser gefüllte Küvette mit einer optischen Schichtdicke zwischen 0,1 bis 100 mm positioniert ist und zum selektiven Eisnachweis eine mit Eis gefüllte Küvette zwischen 0,1 und 100 mm in einem weiteren Strahlengang positionert ist.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass abwechselnd Abbildungen der zu prüfenden Oberfläche mit den analytselektiven (Wasser, bzw. Eis) Wellenlängen-Bandpass-Filtern und Abbildungen, aufgenommen mit einem Wellenlängenbereich außerhalb der Absorptionsbanden von Wasser und Eis als Referenzbild mit einer Wiederholfrequenz von > 10 Hz digitalisiert einer Bildbearbeitungssoftware unterworfen werden, die eine Bildsubtraktion und/oder eine Schärfensteigerung erlaubt.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsunterschiede bei der digitalen Bildsubtraktionssoftware Pixel für Pixel auf einem Monitor sichtbar gemacht werden und in unterschiedlichen Fehlfarben dem regulären Bild der zu prüfenden Oberfläche überlagert werden wobei die Intensität dieser Fehlfarben für die Dicke der festgestellten Wasser oder Eisstelle steht.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle eines zweidimensionalen IR Detektor-Arrays ein zeilenförmiges Array hinter einem linearen Interferenzverlaufsfilter so verwendet wird, dass simultan ein bestimmter und geeigneter Wellenlängenbereich mit Wasser und Eis-Absorptionsbanden aufgenommen werden kann und diese diffusen IR Spektren mit einer geeigneten chemometrischen Software bezüglich der Anwesenheit von Wasser oder Eis sowie deren Schichtdicke in Realzeit ausgewertet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein lineares Interferenzverlaufsfilter verwendet wird, auf dessen Länge positionsabhängig unterschiedliche IR Wellenlängen passieren können und dessen Höhe seine Länge um den Faktor > 1 übersteigt und das in Verbindung mit einer geeigneten optischen Vorrichtung so verwendet wird, dass das durchgestrahlte Licht in seiner vertikalen Ausdehnung senkrecht zur spektral zerlegten auf die Ausdehnung der IR Detektorzeile verkleinert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Abbildung der zu prüfenden Oberfläche optisch so verzerrt werden, dass die danach als schmales Band vorliegende Bildinformation mittel eines bewegten Spiegels senkrecht entlang eines linearen Interferenzverlaufsfilters bewegt wird und danach wieder optisch entzerrt werden, so dass dabei Abbildungen bei unterschiedlichen Wellenlängen entsprechend der Position des „Bildbandes" auf dem Interferenzverlaufsfilter.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das auf eine detaillierte optische Abbildung der auf die Anwesenheit von Wasser oder Eis zu prüfenden Oberfläche verzichtet wird und nur ab einer bestimmten, zuvor festgelegten Schichtdicke von Wasser oder Eis entsprechend softwaregesteuert unterschiedliche Warnungen ohne genaue Positionsangabe gegeben werden.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle zur Beleuchtung der Oberfläche eine Halogenlampe, ein Nernst-Stift oder ein IR-Wärmestrahler mit oder ohne Spiegeloptik verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation von Störungen durch wolkenbedecktes Sonnenlicht letzteres mittel einer diffusen IR durchlässigen milchglasbedeckten spektralen Aufnahme als zusätzliche Referenz bei der Bildsubtraktion verwendet wird.
Vorrichtung nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit gefährlichen Wasser- oder Eisschichten bedeckte Oberfläche in Echtzeit und in einer deutlichen Fehlfarbendarstellung auf einem Monitor abgebildet wird, so dass die genaue Lokalisation ersichtlich wird.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Anwendung in einem Straßenfahrzeug anstelle eines zu überwachenden Monitors eine Bildauswertungssoftware in Echtzeit den Weg der Räder berücksichtigt und nur bei zukünftiger Passage gefährlicher Wasser oder Eisstellen eine geeignete Warnung abgeben oder automatisch die Geschwindigkeit reduzieren bzw. die Kupplung betätigen.