Erfassung der Sichtweite bei Nebel durch die Kombination aus hochauflösendem Scheinwerfer und einem Kamerasystem

Das automatisierte Fahren ist einer der Megatrends in der Automobilindustrie. Die Relevanz von Kamerasensoren als eine Kernkomponente spiegelt sich im Einsatz in den meisten automatisierten Fahrsystemen wider. Im Zusammenhang mit den Umwelteinflüssen, denen die Sensoren ausgesetzt sind, spielt Nebel eine entscheidende Rolle. Zugleich halten hochauflösende Scheinwerfersysteme im automobilen Bereich verstärkt Einzug in die Fahrzeuge und bieten völlig neue Möglichkeiten. So ist es zum Beispiel möglich, die Lichtverteilung hochgenau anzupassen und Strukturen zu projizieren.
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Aus diesem Grund beschäftigt sich diese Arbeit mit der Nutzung von hochauflösenden Scheinwerfersystemen in Kombination mit Kamerasensoren als Sichtweitensensoren bei Nebel. Um ebenso die Nutzung von Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich zu untersuchen, werden für die Untersuchungen zwei infrarote Strahlungsquellen im Zusammenspiel mit einer Infrarotkamera genutzt.
Das System nutzt die normalerweise störende Streuung der Strahlung im Nebel, um Daten zu generieren. Im Rahmen der Arbeit werden dazu durch das Scheinwerfersystem Strukturen in den Nebel eingebracht, deren Veränderung durch den Nebel analysiert wird. Es wird dabei auf die Theorie der Mie-Streuung und die Definition der meteorologischen Sichtweite nach der MOR (engl. meteorological optical range) gesetzt, der Sichtweitendefinition der in Wetterstationen eingesetzte Sichtweitensensoren folgen. In der Arbeit wird zwischen der Intensität der Streuung, spektralen Veränderungen aufgrund des wellenlängenabhängigen Streuverhaltens am Aerosol, einer Veränderung der eingebrachten Struktur durch die hochaufgelöste Scheinwerferprojektion sowie der Struktur, die im Nebel durch die Inhomogenitäten vorherrscht und durch das Scheinwerferlicht verstärkt wird unterschieden. Es werden dabei Eigenschaften der Scheinwerferprojektion sowie der Kamera, wie die Anbauposition oder Auflösung, analysiert, um entscheidende Eigenschaften für die Umsetzung eines solchen Systems zu definieren. Eine Kamera entspricht der Anbauposition hinter der Windschutzscheibe, die andere eines in den Scheinwerfer integrierten Systems.
Die Validierung der erwähnten Eigenschaften wurde in der Nebelkammer von CEREMA in Clermont-Ferrand in Frankreich durchgeführt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass eine Winkelauflösung des Scheinwerfers von 2,50° für die Erfassung von Nebel das Optimum darstellt. Zudem ist die Projektion von mehreren Linien, insbesondere zur Erfassung bei höheren Sichtweiten, als besser anzusehen. Eine weitere Verbesserung der Messdaten kann durch die Verteilung von Lichtaustrittsflächen über die komplette Fahrzeugfront erreicht werden. Die Wahl der Kameraposition ist nicht auf eine feste Position beschränkt, solange die Projektion darauf adaptiert wird. Jede Position besitzt unterschiedliche Vorteile gegenüber einer anderen, was in der Arbeit thematisiert wird. Einflüsse des Untergrundes auf die Messdaten lassen sich als Information nutzen und bei der Auswertung berücksichtigen. Negativkontraste scheinen dabei ein sinnvoller Schritt zu sein, um die Projektionen für das menschliche Auge zu verschleiern und so nicht den Fahrer sowie andere Verkehrsteilnehmer durch selbige zu irritieren.
Die Ergebnisse haben im Allgemeinen ergeben, dass ein solcher Sichtweitensensor über ein Scheinwerfersystem umsetzbar ist. Ein großer Vorteil des Systems ist, dass die Umsetzung in der Regel lediglich eine Softwarefrage ist. Es muss in vielen Fahrzeugen keine zusätzliche Hardware eingebaut werden. Bei dem System handelt es sich um einen sinnvollen Weg, um die hochauflösenden Scheinwerfermodule, die ursprünglich für den Menschen konzipiert wurden, in die Zukunft des automatisierten Fahrens zu überführen.

Automated driving is one of the mega trends in the automotive industry. The importance of camera sensors as a core component is reflected in the application in most automated driving systems. In context of environmental influences, to which the sensors are exposed, fog plays an decisive role. At the same time in automtotive industry high resoluted headlamp systems gain importance in vehicles and provide completely new opportunities. As an example it is possible to adjust light distributions with high precision or project structured light.
In this work, the opportunities of high resolution headlamps are used in combination with camera sensors as a visibility meter in fog. ... mehrTo investigate the use of radiation in the infrared spectrum as well, two infrared radiation sources in conjunction with an infrared camera are used.
The system uses the normally disturbing scattering of the radiation in fog to generate data. Within this work the headlamps are used for the creation of structured light. The changes induced by the fog density are analyzed. The analyse is based on the Mie-theory and the definition of the meteorological optical range (MOR). This is the visibility definition followed by visibility sensors that are used on weather stations. Within the work a distinction is made between changes in the intensity of the scattering as well as spectral changes based on the wavelength depending scattering in aerosols. Additionally changes of the projected light patterns brought into by the high resoluted headlamps and the structure of the fog are distinguished as well. The structure of the fog is based on inhomogenities of the aerosol that are amplified by the headlight. Properties of the headlamp projection as well as the camera, like different mounting positions or resolutions are analyzed to define crucial properties for the realization of this kind of system. Two different camera positions are evaluated. One position is oriented like behind the windshield and one simulates the integration of the camera into the headlamp.
The validation of the mentioned properties was made in the fog chamber of CEREMA in Clermont-Ferrand in France. The investigations have shown, that the angular resolution of the headlamp of 2.50° for the detection of fog represents the optimum. In addition to that the projection of multiple lines is considered as better especially for the detection of higher visibilities. A further improvement of the measurement data can be made by the distribution of the light emission surface over the complete vehicle front. In this scenario the changes of the edge can be used as an information source. The choice of the camera position is not limited to a fixed position, as long as the projection will be adjusted on that. Every position has different advantages which are addressed in the work. Influences due to the underground on the measurement data can be used as information and taken into account by the evaluation. Negative contrasts of the projection pattern seem to be useful to disguise the projection for the human eye to not disturb drivers and other road users by the projection.
The results have generally shown, that such a visibility sensor based on a headlamp system is feasible. A great advantage of the system is, that the implementation is usually only a software issue. In many vehicles no additional hardware needs to be implemented. The system is a reasonable way to transfer the headlamps, originally designed for humans, into the future of automated driving.