专利名称：确定光信号的辨识距离和可读距离的方法
技术领域：
本发明涉及如轨道交通中所使用的交通信号、尤其是光信号的光学测量和检验方法。本发明尤其涉及用于在突出的背景或环境亮度下确定光信号的辨识距离和可读距离的方法。
背景技术：
在轨道交通中，信号被用于管理交通。通常，信号被设置在轨道处或轨道上方。这些信号作为交通状况的信息源，为列车的牵引车司机服务，并且使轨道交通能够顺利、安全地运行。
这些信号可以被设计为所谓的臂板信号(Formsignal)。在臂板信号中，通过信号的形状变化表示信号术语。然而，臂板信号已经过时，并且越来越多地被所谓光信号取代。在光信号中，信号术语通过光信号的特定光输出来表示。这种光信号从原理上来说与公路交通中的交通信号灯类似。对光信号这一主题的进一步介绍可从K.Grosskurth博士在Lichttechnik 8.No.8(1956)中所发表的文章“Grundstzliches ūber Lichtsignale”中获得。
在轨道交通中使用光信号的一个基本前提是，牵引车司机必须从适当的距离、尤其在白天能够辨识或读取光信号。其中，只要光信号能够被牵引车司机发现，其就是可辨识的。
对于表示符号的复杂光信号，除了可辨识性的前提之外，还有可读性。事实上，对于这些光信号，牵引车司机可以辨识、即发现光信号是不够的。此外，车辆司机还必须一发现信号就能够读出信号所代表的符号。如果光信号所代表的符号可以确切地被识别为某个符号，就提供了光信号的可读性。相应地，信号可读性的前提首先是其可辨识性。
因此，对于光信号，必须保证从各种方向，至少直到某个最短距离，这些光信号是可辨识或可读取的。换言之，光信号必须具有一定的最短辨识距离，并且如果可能，还具有一定的最短可读距离。因此，为了确定是否满足给定光信号的该前提，必须确定其辨识距离和可读距离。
光信号的辨识距离与方向相关。根据观察光信号的方向，得到不同的辨识距离。例如，沿光信号瞄准方向的辨识距离最大。光信号的这个瞄准方向同时也是光信号的光轴。另一方面，例如如果从背侧观察，则光信号的辨识距离等于零。因为信号的辨识距离取决于观察方向，所以对于每个方向就有不同的辨识距离，从而总体上存在辨识距离分布。
对于给定方向，辨识距离被定义为沿该方向的这样的距离，即在突出的环境或背景亮度的情况下直到该距离还可以发觉光信号。光信号的辨识距离也可以被称为光信号的范围(Tragweite)。
对于给定方向，光信号符号的可读距离被定义为沿该方向的这样的距离，即在突出的环境或背景亮度的情况下直到该距离仍然能够识别符号。
K.Grosskurth博士在Lichttechnik 9.No.11(1957)中所发表的文章“Tragweite von Lichtsignalen”中公开了一种可以用于确定由单个光点构成的光信号的辨识距离的方法。这种已知方法的一个重要缺点是，其不能确定由多个光点构成的光信号的辨识距离。利用这种方法，尤其不能确定轨道交通中使用越来越多的自发光辅助指示器的辨识距离。事实上，这些辅助指示器具有可以用于表示不同符号的多个光点。
此外，至今还没有可以确定光信号可读距离的方法。
发明内容
考虑到现有技术的上述问题，本发明的目的是提供用于确定光信号、尤其是具有多个光点的光信号的辨识和可读距离的方法。
根据本发明，通过一种具有以下步骤的、用于在突出的环境亮度的情况下确定包括多个光点的光信号在给定方向上的辨识距离的方法来实现该目的测量每个单光点在给定方向上的光密度或光强度，并且基于所测得的光密度或光强度，借助于根据该测量值所计算的光信号的总光密度或总光强度的阈值，来计算辨识距离，其中总光密度或总光强度是通过单个光点的光密度或光强度与光点数量并且与校正因子相乘而得到。该校正因子与光点数量、光强度、每个光点的直径和位置以及光点之间的相互距离相关。尤其地，校正因子始终小于或等于1。
校正因子变化的原因是由于眼睛的成像特性-在白天，光点由于进入眼睛的光在眼睛瞳孔上的衍射而在眼睛视网膜上成像为衍射片(Beugungsscheibchen)，从而校正值为1。
-在黄昏和晚上，光点在眼睛视网膜上被模糊地成像为片(Scheiben)，从而校正因子小于1。出现单个光点的过辐射(Ueberstrahlung)。
-在白天，并且尤其在晚上，还出现眼球内眼睛液体中悬浮粒子散射，从而校正因子小于1。眼睛中出现悬浮粒子尤其是眼睛老化现象或病理现象。
通过考虑前两个原因，可以增加实际可读距离或提高可读性。然而，观察者健康的视觉是必要的，即尽可能好、如甚至不出现/发生第三原因。
有利地，以数值方式确定该校正因子。其中，设置具有用户可定义的光点设置的虚拟辅助指示器，并且借助于眼睛模型、尤其是古尔斯特兰德(Gullstrand)眼睛模型和光束核算(Lichtstrahlendurchrechnung)，在眼睛和辅助指示器之间给定距离下计算校正因子。虚拟的辅助指示器被成像，使得位置可自由选择的虚拟光栅被光点占据。
过辐射随着与由多个光点所构成的信号的距离而增强，因为两个相邻光点之间的角随着信号距离而减小。为了改善可读性或实现直到理论可读距离的更大的实际可读距离，可以增大两个相邻光点之间的距离，但是由此可能减小信号的范围。
如果总光密度或总光强度不与光点数量成反比，例如与光点数量的幂成比例，则按照本发明的方法同样可应用。
以上所选择的术语“相互距离”在这里应该表示这是光信号的一个光点与任何另一光点的距离。与此相反，“相邻距离”表示一个光点与其相邻的下一个光点之间的距离。
光信号的光点也可以被称为基本上点状的光源。优选地，通过光点整体形成光信号。因此，光点整体可以以其几何设置形成特定符号，例如速度显示。如果然后光点一起发光，则产生可以作为用于牵引车司机的信号源的发光符号。
通过商用的测量装置测量每个光点的光密度或光强度。其中，必须根据所使用的测量装置来不同地执行测量。例如，如果使用直接测量各个平均光密度或光强度的装置，则从某个方向将装置与光信号的相应光点对齐，并且记录装置所获得的平均光密度或光强度值。
例如，如果使用用于测量光密度或光强度分布的测量照相机，则从已知距离将照相机与总光信号对齐，并且记录总信号的光密度或光强度分布。可以借助于所测量的分布，确定各个光点的值。
在借助于总光密度或总光强度的阈值计算辨识距离时，假设光信号的总光密度或总光强度的阈值是光点的光密度或光强度与光点数及校正因子的乘积。
上述假设尤其适用于距相应光信号很大距离(即大于10m)或直到光点相互之间的确定的最大距离的情况。
有利地，在测量光点的光密度时，既测量接通状态下的光密度，又测量切断状态下的光密度。其中，在接通状态所测量的光密度是完全由光点产生的光密度与测量时突出的环境光密度之和。相反，在切断状态所测量的光密度仅包括环境光密度。因此，可以通过计算这两个测量值的差而从测量值中去掉环境光密度，从而只保留光点的纯光密度，即在完全暗环境中接通的光点的光密度。
优选地，通过减法所获得的光密度差被转换到光信号的光轴上。当光密度的测量不是沿着光信号的光轴进行，而要确定光轴方向上的辨识距离时，这是必要的。
于是，可以通过加上定义的环境光密度或还加上背景光密度，根据对应于沿光轴与光点的纯光密度的沿光轴的光密度差计算归一化的光密度。优选地，定义的背景光密度是所确定的在最差光条件下占主导地位的值，即在光信号非常难辨识的条件下。例如，在阳光明媚的雪景中就是这种情形。优选地，定义的背景光密度的值为10000cd/m2。
还通过具有以下步骤的、一种用于确定在给定环境光密度的情况下交通信号符号在给定方向上的可读距离的方法来实现开始提到的目的确定符号的特征长度，确定眼睛在给定环境光密度的情况下的必要最小视角，并且利用所确定的特征长度和所确定的必要最小视角计算可读距离。
交通信号符号可以是适于指示牵引车司机的任何几何图形。尤其地，符号是字母或数字。
最小视角是眼睛在观察时可以分辨的最小角度。眼睛不再能区分地发觉以小于最小视角的角度观看的物体。最小视角也被称为“Ricco(Riccoscher)临界角”，并且与环境光密度相关。
优选地，符号的特征长度是这样的长度，即其通过眼睛的分辨是读取符号的前提。
有利地，在交通信号的光轴方向上确定可读距离。
如果可读距离不是在光轴方向上确定的，则在确定特征长度时可能必须考虑光轴与相关方向之间的角度。
优选地，符号由多个元素构成。
如果符号由多个元素构成，并且确定交通信号的光轴方向上的可读距离，则符号的特征长度被定义如下1.对于黑暗段，通过形成黑暗段边界的光点之间的距离定义；2.对于发光段，通过属于发光段的外部光点之间的距离定义。
这些元素整体形成符号。这些元素尤其可以是单个光点。
交通信号优选为光信号，尤其是光辅助信号。
根据本发明所描述的方法使得能够准确可靠地确定交通信号的辨识和可读距离，尤其是对于由多个光点构成的光信号。由此，可以检查工作中的交通信号或原型机的辨识和可读性。例如，可以很容易地识别和更换从远处不再能充分辨识或读取的旧交通信号。这增加了交通系统的安全性。
本发明的特别优点是-通过使用其他用于光导体光辐射表面的栅格插入板(Rastersteckplatten)位置，提高了德国铁路公司(Deutsche BahnAG)范围内自由段上存在的西门子型速度和方向指示器的可读性或实现了其更大的实际可读距离(值为理论可读距离)或者降低了其为了实现要求的可读距离和范围速度的光点能量需求；-通过指定光点数量、单个LED光点的直径和光强度以及每个光点的位置，实现了还添加的新LED辅助指示器的尽可能好的可读性或实现了其尽可能大的实际可读距离(理想情况下为理论可读距离的量)，同时耗费/使用其为了实现要求的可读距离和范围的尽可能低的光点能量要求；-不需要通过根据在光测量段中所测量的辅助指示器的光分布确定辅助附加指示器的可读距离和范围来确定这些量的测试对象试验，这类似于通过根据在光测量段中所测量的单个信号/光点的光分布确定这些量来确定单个信号/光点的范围时的过程。
以下通过两个实施例和附图对本发明进行更详细的解释。其中，图1示意性地示出辅助指示器，其16个像点表示字母“E”。
具体实施例方式
下面描述根据本发明的用于确定光信号的辨识和可读距离的方法的一个有利实施形式。
对于已经在轨道上使用15年的自发光辅助指示器，要确定其辨识和可读距离。该辅助指示器所显示的符号100在图1中示出。其是字母“E”。符号100由16个光点101构成。如果这些光点都被接通，则得到发光的“E”。
确定辨识距离为了为某个方向确定发光标志100的辨识距离tn，并因此确定接通的辅助指示器的辨识距离，首先从这个方向测量每个光点101的平均光密度。为此，相应的光密度测量装置与每个单光点对准，并且读出所得到的测量值。其中，这样执行测量，使得辅助指示器的光轴与连接测量装置和在辅助指示器前侧(Vorderseite)上光轴的穿透点的直线之间存在角度α。
为每个光点测量接通状态下的光密度Lon和切断状态下的光密度Loff。因此，对于16个光点中的每一个，还得到两个测量值Lon和Loff。然后，根据这两个测量值，分别求得光密度差ΔLa＝Lon-Loff。
随后，ΔLa被换算为沿光轴的光密度差ΔL0°。这通过下面的公式实现ΔL0°＝ΔLa·k·cos(α) (1)其中，k是最大光强度和与辅助指示器光轴成α角时的光强度之间的比率。根据附加测量的辅助指示器的光分布确定k。
然后，通过下式确定100m以上距离的光点的平均归一化光密度LnLn＝ΔL0°+LH(2)其中，LH是背景光密度。为其取值为10000cd/m2，这对应于最差光技术的环境条件。通过该转换，获得16个在单个总背景光密度上归一化的光密度Ln。
此外，根据这16个归一化的光密度Ln计算总平均值Li。该总平均值表示在光轴方向上这16个光点中任何一个的平均光密度。最后，该值可以被代入下面的辅助指示器辨识距离tn的公式中
其中，是校正因子，A是光点的横截面积，n是存在的光点的数量，即在本例中为16。
该中心公式(3)中＝1且n＝1，即对于只有一个光点的光信号是已知的。然而，目前不知道引入使得对于具有多个任意设置的光点的光信号也可以准确计算辨识距离的因子n，并且尤其是。引入因子n是基于以下认识，即对于光信号的特定总光强度(光强度是光密度乘以面积)每个单个光点所需要的光强度与光点的数量n(在本例中n＝16)成反比。
校正因子反映了信号的总光密度的阈值与光点数量、每个光点的光强度、直径和位置以及光点之间相互距离的关系，而因子“2”描述了在大多数光信号中存在的信号屏(Signalschirm)在白天对信号的影响。为了确定在晚上或在隧道中的光信号的辨识距离，要在以上公式中使用因子1000来代替因子2。
通过使用光点的光强度In(In＝A·Li)，公式(3)可以如下地表示 其中阈值Emin表示照度。借助该等效公式(4)，很容易看出光强度In和n之间的反比关系。
确定，tn的新公式(3)以及In的等效公式(4)可用光点的任意相互距离。
然后，可以将通过公式(3)所确定的辨识距离tn与在具体情况中允许的辨识距离最小值比较。因此，可以确定所测量的辅助指示器是否还可足够地辨识或必须被更换。
确定可读距离当牵引车司机能够及时辨识辅助指示器的符号100时，这并不意味着牵引车司机也能够及时读取符号100。为了也能够读取所发觉的符号100，其还必须能够被眼睛分辨。只要符号100只被看作模糊的光斑，而不被看作“E”，因此辅助指示器就虽然被辨识，但不能被读取。即，对于辅助指示器，不仅必须保证一定的辨识距离，还要确保一定的可读距离。与辨识距离一样，可读距离也取决于观察待读取符号的方向。
下面描述对于具有符号100的辅助指示器，如何确定沿其光轴的可读距离I。沿着光轴的可读距离同时也是最大可读距离。
可以通过以下公式确定符号100沿辅助指示器的光轴的可读距离II＝(ζ/2)/(tan(γ/2) (5)其中，γ是从其开始观察者在给定环境光密度下能够读取或分辨符号的视角(Sehwinkel)的最小值。γ也被称为“Ricco临界角”，并且可以为已知的环境光密度查找。在平均日光下，γ的值大约为1’。
相应光点直接附近的背景光密度对应于每个模糊圈(Unschaerfescheibe)。
理论可读距离是环境光密度的函数，其中在本例中，环境光密度是背景光密度和光点的直接环境的光密度的以相应面积分量加权的平均值。
ζ是符号的特征长度，并且在符号100的情况下可以从图中得出。
基本地，对于特定符号，特征长度是这样的长度，即其通过眼睛的分辨是读取符号的前提。
对于任意由多个光点构成的符号，符号的特征长度被定义如下1.对于黑暗段，通过形成黑暗段边界的光点之间的距离定义；2.对于发光段，通过属于发光段的外光点之间的距离定义。
如果要确定沿除光轴之外的其他方向上的可读距离，则在给出的公式中必须附加地考虑相关方向与光轴之间的角度。
总之，可以借助于直接从符号的几何构型中所得到的符号的特征长度、并借助于所查到的最小视角，通过上述公式为已知环境光密度确定光信号的最大可读距离。
一旦通过上述方法确定了信号的可读距离，就可以通过与允许的最小值比较而立即判断信号是否具有足够的可读性。
附图标记列表100 符号101 光点所使用的公式标志索引α 角Lon接通状态下的光密度Loff切断状态下的光密度ΔLa光密度差ΔI0°光轴k最大光强度和在与辅助指示器的光轴成α角时的光强度之间的比Ln平均归一化光密度LH背景光密度Li所有平均归一化光密度Ln的总平均值tn辨识距离 校正因子A光点的横截面积n存在的光点的数量In光点的光强度Emin照度阈值I 可读距离ζ特征长度γ从其开是观察者在给定环境光密度下能够读取或分辩符号的视角的最小值。
权利要求
1.一种用于确定在确定的环境光密度下包括多个光点的光信号在给定方向上的辨识距离的方法，包括以下步骤测量每个单个光点在所述给定方向上的光密度或光强度，基于所测得的光密度或光强度，计算辨识距离和可读距离，其特征在于借助于光信号的总光密度或总光强度的阈值实现辨识距离的计算，其中通过所测得的单个光点的光密度或光强度与光点数量的幂以及与校正因子的乘积得到所述总光密度或总光强度阈值。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正因子取决于光点数量、光强度、每个光点的直径和位置以及光点之间的相互距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，以数值方式确定所述校正因子。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，设置具有用户可定义的光点设置的虚拟辅助指示器，并且借助于眼睛模型和光束核算，在给定的眼睛与辅助指示器之间的距离下计算校正因子。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过用光点占据具有可自由选择的位置的虚拟光栅，而形成虚拟的辅助指示器。
6.如权利要求1至权利要求5中至少之一所述的方法，还包括以下步骤在光信号的接通状态下为每个单光点测量第一光密度，和在光信号的切断状态下为每个单光点测量第二光密度。
7.如权利要求6所述的方法，还包括以下步骤利用所测得的第一和第二光密度，计算每个光点沿光信号的光轴的光密度差。
8.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤通过将相应计算的光密度差与确定的环境光密度相加，计算每个光点的归一化的光密度。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在测量光密度或光强度时，测量平均光密度或平均光强度。
10.如权利要求1至权利要求9中之一所述的方法，其特征在于，在测量光密度或光强度时，测量光密度分布或光强度分布。
11.一种用于确定在给定的环境光密度下交通信号符号在给定方向上的可读距离的方法，具有以下步骤确定所述符号的特征长度，确定眼睛在给定的环境光密度下的最小视角，和通过使用所确定的特征长度和所确定的最小视角，计算可读距离。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述符号的特征长度是这样的长度，即其通过眼睛的分辨是读取所述符号的前提。
13.如权利要求11或权利要求12所述的方法，其特征在于，所述符号由多个元素构成，并且所述符号的特征长度被如下定义对于黑暗段，通过形成黑暗段边界的光点之间的距离定义；对于发光段，通过属于发光段的外光点之间的距离定义。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述符号的元素是光点。
15.如权利要求11至权利要求14中之一所述的方法，其特征在于，所述交通信号是光信号。
全文摘要
本发明涉及用于确定在给定环境光密度下具有多个光点的光信号的辨识和可读距离的方法。根据本发明，通过假设通过单个光点的光密度或光强度与光点数量的乘积得出光信号的总光密度或总光强度，从而实现辨识距离的计算。
文档编号G01J1/10GK101061029SQ200580039188
公开日2007年10月24日 申请日期2005年11月17日 优先权日2004年11月17日
发明者托斯藤·莫勒尔, 艾克哈德·维尔赫莫 申请人:德国铁路股份公司