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Die Erfindung betrifft ein opto-elektronisches Messverfahren, bei welchem eine Sendeeinrichtung während eines Messzyklus eine Folge optischer Impulse in definierten Zeitabständen aussendet, wobei eine Empfangseinrichtung, die von im Strahlengang der Sendeeinrichtung befindlichen Zielobjekten reflektierte Signale empfängt, welche Empfangssignale in einer Signalverarbeitungsstufe verstärkt, eventuell umgeformt und digitalisiert werden, wobei die einzelnen Samples eines digitalisierten Empfangssignales in Zellen eines elektronischen Speichers abgelegt und die Samples weiterer digitalisierter Empfangssignale in diesen Speicherzellen phasengleich oder mit einem definierten Phasenversatz in Bezug auf die Sendeimpulse aufaddiert werden.
Derartige Messverfahren sind bisher für Entfernungsmessgeräte bzw. sogen. Rangefindern eingesetzt worden. Die Einführung der Digitaltechnik bei solchen Messgeräten hat es u. a. ermöglicht, die Sendeleistung bei gegebener Reichweite zu reduzieren und damit bel Verwendung von Lasern als Sendeeinrichtung die Augensicherheit zu verbessern. Ein weiterer Vorzug solcher Geräte besteht darin, dass für die Sende- und die Empfangseinrichtung Optiken mit kleinerer Apertur und damit auch kleineren Hauptabmessungen eingesetzt werden können, was sich wieder auf die Abmessungen der Geräte und deren Gewicht positiv auswirkt.
Ein weiterer Vorteil ist schliesslich in dem geringeren Leistungsbedarf zu sehen, der wieder eine Reduktion der Batteriekapazität und damit Verringerung des Batterievolumens und -gewichtes gestattet.
Versuche, diese Digitaltechnik auch auf andere opto-elektronische Messsysteme, insbes. auf Geschwindigkeitsmesssysteme anzuwenden, hat bisher aus einer ganzen Reihe von Gründen nicht zu einem positiven Ergebnis geführt.
Es ist ein Ziel der Erfindung, die bisher einer Anwendung der Digitaltechnik bel optoelektronischen Geschwindigkeitsmesseinrichtungen entgegenstehenden Probleme zu überwinden, sodass auch bei diesen Systemen die oben skizzierten Vorteile zum Tragen kommen können. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass die ausgesandten Impulsfolgen in eine Vielzahl von Impulspaketen oder sogen.
"Bursts" unterteilt sind, wobei diese Bursts durch Impulslücken getrennt sind und in einem elektronischen Rechner mittels
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Impulse jedes Bursts ein einem Zielobjekt zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf den zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert berechnet wird, wobei am Ende eines Messzyklus aus der Vielzahl der Entfernungswerte und den zugehörigen Messzeitpunkten ein Geschwindigkeitswert für ein Zielobjekt berechnet, ausgegeben und/oder angezeigt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, in welchen zahlreiche Varianten und Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben sind, sowie aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Blockdiagramm der erfindungsgemässen Messeinrichtung dargestellt, die Figuren 2 und 3 zeigen Diagramme der Send- und Empfangsimpulse. Die Fig. 4 veranschaulicht ein Blockschema des elektronischen Rechners bzw. seines Programmaufbaues. Die Fig. 5 veranschaulicht ein Diagramm der verschiedenen zeitdiskreten, für die einzelnen Bursts ermittelten Entfernungswerte, aus welchen die Zielgeschwindigkeit berechnet wird. Die Fig 6 zeigt schliesslich schematisch die verschiedenen aus den Empfangssignalen der einzelnen Bursts rekonstruierten Empfangsimpulse. Die Fig. 7 zeigt die Empfangsimpulse eines stationären und eines relativ schnell bewegten Zieles.
Die Figur 1 zeigt in Form eines Blockdiagramms schematisch den Aufbau eines Laser-Geschwindig- keltsmesssystems gemäss der Erfindung. Mit 1 ist ein Laser-Transmitter bezeichnet, der eine Laserdiode aufweist, welcher eine Optik 2 vorgeschaltet ist, die die Emitterzone des Lasers vorzugsweise ins Unendliche abbildet. Neben der Sendeoptik 2 ist eine Empfängeroptik 3 vorgesehen, deren optische Achse parallel zu der der Sendeoptik 2 ausgerichtet ist. Die Empfängeroptik 3 konzentriert die von einem im Strahlengang der Sendeoptik befindlichem Objekt bzw. Ziel im allgemeinen diffus reflektierte Strahlung auf eine Empfangsdiode 4. Mit Vorteil wird als Empfangsdiode eine Avalanche-Diode eingesetzt.
Vorzugsweise sind Sende-und Empfangsdioden in ihrer spektralen Charakteristik aufeinander abgestimmt, wobei die Empfangsdiode ihre maximale spektrale Empfindlichkeit in dem Bereich aufweist, in welchem die Sendediode maximal emittiert.
Da die Empfangsdiode 4 aber neben der von der Sendediode emittierten und vom Ziel reflektierten Strahlung viel Störstrahlung m Form von Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfangt, kann es vorteilhaft sein, der Empfangsdiode ein möglichst schmalbandiges, optisches Filter vorzusetzen, welches seine maximale Transmission in dem Spektralband aufweist, in welchem der Laser emittiert.
Der Lasertransmitter 1 umfasst neben der Laserdiode einen Impulsgenerator, der die Laserdiode ansteuert. Der Lasertransmitter gibt, wenn er vom Prozessor 5 entsprechend angesteuert wird eine kurze Folge von Laserimpulse, sogen. Bursts ab. Ein solcher Burst kann je nach vom Prozessor gegebenen
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Befehl 5-500 Impulse umfassen. Im Regelfall wird ein solcher Burst etwa 200 Impulse aufweisen. Mittels eines vom Prozessor steuerbarem Verzögerungsgenerators 6 können die einzelnen Impulse eines Bursts in ihrer Phasenlage verändert werden, wobei die Phasenverschiebung periodisch erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wiederholen sich beispielsweise die Phasenbeziehungen jeweils mit einer Periode von 5 Impulsen.
Die von der Diode 4 empfangenen Signale werden in einer Verstärker- und Analog-Slgnalprozessorstufe 7 verstärkt und bearbeitet. Die auf diese Weise bearbeiteten Signale werden in einem Analog-/DigitalConverter 8 mit einer Sample-Frequenz von beispielsweise 60 MHz digitalisiert. Diese gesampelten EchoSignale werden in einem Speicher 9 abgelegt. Zufolge der Phasenverschiebung der Sendeimpulse eines Bursts gegenüber der Samplefrequenz werden die gesampelten Echosignale in verschiedene Spe ! Cherzei- len abgelegt. Weist die Phasenverschiebung wie oben ausgeführt eine Periodizität von 5 Impulsen auf, so wird der gesampelte Puls nach 5 Impulsen auf den vorhergehenden aufaddiert.
Umfasst ein Burst zB. 200 Impulse und werden die digitalisierten Impulse mit der Periode 5"verkämmt", so werden jeweils in einer Speicherzelle 40 Digitalwerte aufaddiert und die Sample-Frequenz von 60 MHz erscheint um die Penodenzahl der Verkämmung vergrössert, in dem vorliegenden Beispiel auf 300 MHz, sodass das Abtasttheorem in Bezug auf den rekonstruierten Empfangsimpuls eingehalten werden kann.
Der Prozessor 5 und der Datenspeicher 9 sind durch einen Datenbus miteinander verbunden, der schematisch angedeutet und mit 10 bezeichnet ist. An diesen Datenbus 10 sind ferner ein Programmspeicher 11 für den Prozessor 5 angeschlossen, sowie ein Datenzwischenspeicher 12, in welchen nach einer ersten Auswertung durch den Prozessor 5 Rohdaten abgelegt werden, die am Ende des Messzyklus ausgelesen werden. Aus diesen Rohdaten wird mit im Programmspeicher abgelegten Algorithmen ein Geschw ! ndigkeits- und ein Entfernungswert für ein Ziel ermittelt und über das ebenfalls am Datenbus angeschlossene Display 13 zur Anzeige gebracht.
Das Display kann aussen am Gerätegehäuse angeordnet sein, es kann aber auch in das Absehen einer nicht dargestellten Visiereinrichtung integriert sein, sodass der Benutzer gleichzeitig das Ziel anvisieren und die zugehörigen Messwerte ablesen kann.
Neben dem Geschwindigkeits-und Entfernungswert können noch weitere Daten berechnet werden, wie zB. die zu dem Geschwindigkeitswert gehönge Signalamplitude, das Signal-Rauschverhältnis oder statistische Werte wie Streunung oder Sigma. Alle diese Werte können sowohl am Display 13 angezeigt, als auch über eine Datenschnittstelle 14 ausgegeben und zB. in einem nachgeschaltetem Computer weiter bearbeitet und abgespeichert werden.
Die Funktionsweise der neuen Einrichtung bzw. das neue Messverfahren wird an Hand der Figuren 2 und 3 naher erläutert : Über eine nicht dargestellte Triggereinrichtung wird dem Prozesor 5 der Befehl zum Auslösen eines Messzyklus erteilt. Über den Verzögerungsgenerator 6 wird der Impulsgenerator des LaserTransmitters 1 so angesteuert, dass er mit einer Impulsfolgefrequenz von zB. 5 kHz einen ersten Burst 15 von beispielsweise 200 Impulsen aussendet. Es folgt eine Impulslücke, deren Dauer mindestens der der innerhalb derselben auszuführenden Rechenoperationen entspricht, worauf der nächste Burst ausgesendet wird. In einem Messzyklus, der typisch eine Dauer von 0, 3 bis 1 sec hat, werden 10-50 Bursts ausgesendet.
Die Figur 3 veranschaulicht die einzelnen Laser-Sendeimputse 16, die vom Lasertransmitter 1 ausgesendet werden. Die Impulse werden von verschiedenen, im Strahlengang der Sendeoptik befindlichen Objekten reflektiert. Durch die Empfangsdiode 4 wird ein mehr oder weniger stark verrauschtes Empfangssignal der Verstärker- und Signalprozessorstufe 7 zugeleitet. In diesen Empfangssignalen erscheinen die Echos der Sendeimpulse entsprechend der Zie) entfernung und damit der Impulslaufzeit zeitlich versetzt, im allgemeinen stark gedämpft und vielfach auch in der Kurvenform verzerrt. Die Kurvenformänderung kann durch die Geometrie des Zieles bedingt sein, so kann eine Abstufung oder eine entsprechende Neigung der reflektierenden Fläche des Zieles zur Achse des Sendestrahles zu einer Impulsverbreiterung führen.
Die Empfangssignale 17 werden in dem Analog-Digital-Converter mit einer Sample-Frequenz von ca. 60 MHz gesampelt. Zwischen der Impulsfolgefrequenz der Sendeimpulse 16 und der Frequenz der Sample-Pulse besteht eine relative Phasenverschiebung d = L/n wobei L die Periodendauer der Samplefrequenz und n eine ganze Zahl ist. Wird n zum Beispiel mit 5 angenommen und von einem stationärem Ziel ausgegangen, so wird das Empfangsignal von 5 aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen jeweils so zeltversetzt gesampelt, dass diese gegeneinander verkämmt sind. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Periode von 5 Impulsen.
Die wirksame Samplefrequenz wird damit um den Faktor n, in dem obigen Beispiel, um den Faktor 5 vergrössert. Die gesampelten und gegeneinander verkämmten Echosignale werden 10 die Zellen des Datenspeichers 9 abgelegt. Für einen Burst von 200 Sendeimpulsen und einer Verkämmung entsprechend einem Faktor 5 werden in einer Zelle jeweils 40 Samplewerte aufaddiert. Da die Rauschsignale statistisch auftreten werden sie In bekannter Weise beim Aufaddieren der Digitalsignale gegenüber den systematisch auftretenden Nutzsignalen unterdrückt, sodass es zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-Rauschver- hältnisses kommt.
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In den Impulslücken zwischen 2 Bursts von Sendeimpulsen wird durch den Prozessor 5 aus den im Speicher 9 abgelegten Digitalwerten mittels eines im Programmspeicher 11 abgelegten weiteren Algorithmus zum Beispiel durch Berechnung des Maximalwertes des Empfangsimpulses und Ermittlung der Laufzeit in Bezug auf den Zeitpunkt der Aussendung des Sendeimpulses 16 ein Entfernungswert ermittelt. Gleichzeitig können noch weitere Signaleigenschaften wie Signalamplitude, Signal-Rauschverhältnis und/ oder Impulsbreite des Echoimpulses berechnet werden. Diese Daten werden zusammen mit dem Messzeitpunkt des betreffenden Bursts in dem Rohdatenspeicher 12 abgelegt. Der Datenspeicher 9 kann anschlie- ssend gelöscht oder nach dem nächsten Burst mit den Daten desselben überschrieben werden.
In Fig. 4 wird im Einzelnen die Ermittlung dieser Daten aus den zeitdiskreten digitalisierten Echosignalen gezeigt. Aus dem Digitalsignal wird in einer Stufe 19 ein Rauschpegel berechnet, wobei in einer weiteren Stufe 20, dem sogen. Zieldetektor aus einem Rauschpegel-Schwellwert und dem Digitalsignal Filterparameter ermittelt werden.
In dem adaptiven Filter 21 wird mittels der oa. Filterparameter aus dem Digitalsignal ein Empfangsimpulse rekonstruiert. Aus diesem kann dann zusammen mit einem Startimputs die Impulslaufzeit und damit die Zielentfernung berechnet werden (Stufe 22). Ebenso können aus diesen Werten Signalamplituden berechnet werden (Stufe 23). In weiteren Stufen 24 bzw. 25 können schliesslich Impulsbreite und SignalRauschverhältnis ermittelt werden. Alle diese Werte werden wie oben beschrieben zusammen mit den zugehörigen Messzeitpunkten in dem Speicher 12 für die Rohdaten abgelegt, wobei pro Burst ein Datensatz generiert wird. Es versteht sich, dass es sich bei den angeführten Stufen 19 bis 25 nicht um Hardware handeln muss ; die einzelnen Rechnerstufen können vorzugsweise auch sofwaremässig realisiert werden.
Am Ende eines Messzyklus werden die Datensätze sämtlicher Bursts aus dem Datenspeicher ausgelesen Aus den zeitdiskreten Entfernungswerten wird zum Beispiel in Form einer Regressionsbildung aus den über einer Zeitachse veränderlichen Entfernungswerten die Zielgeschwindigkeit berechnet (Fig. 5). Um ein Mass für die Güte dieses Wertes anzugeben, kann zusätzlich noch die Streuung der Ergebnisse der einzelnen Bursts in Bezug auf den Gesamtwert ermittelt werden. Ebenso können Gesamtwerte für Signalamplitude, Signalrauschverhältnis und/oder Impulsbreite, zum Beispiel durch Mittelung, berechnet werden.
Bei der Berechnung des Gesamtgeschwindigkeitswertes kann auch eine Gewichtung der Einzelwerte vorgenommen werden, zB. in dem Sinn, dass Werte mit geringer Signalamplitude bzw. geringem Signal- Rauschverhältnis schwächer in der Berechnung berücksichtigt werden, als Werte die einen hohen Signalegel bzw. ein hohes Signal-Rauschverhältnis aufweisen.
Das erfindungsgemässe Messverfahren kann in verschiedener Weise modifiziert werden. So können etwa die Messparameter adaptiv variiert werden : zu diesem Zweck werden die Ergebnisse des bzw. der ersten Bursts benutzt, um die Parameter für die weiteren Messungen zu verändern. Wird zB. aus dem ersten Burst oder aus den ersten Impulsen dieses Bursts ein kleine Signalamplitude oder ein geringes Signal-Rauschver- hältnisermittelt, so kann automatisch durch den Prozessor 5 die Zahl der Impulse pro Burst vergrössert und/ oder die Zahl der Bursts pro Messzyklus erhöht werden. Bei Anwendung dieser adaptiven Verfahren empfiehlt es sich, die Impulszahl des oder der ersten Bursts ausreichend hoch anzusetzen, sodass in jedem Fall mit ausreichender Genauigkeit ein Datensatz ermittelt werden kann.
Bei diesen adaptiven Verfahren kann, eine gute Signalqualität vorausgesetzt, eine kurze Dauer des Messzyklus erzielt werden, nur unter ungünstigen Bedingungen wird die maximale Dauer des Zyklus erreicht.
Aus den Daten der ersten Bursts können auch sogen. Range-Gates oder Entfernungs (bzw. Zeit-) Fenster extrapoliert werden. Die Ergebnisse der folgenden Bursts werden dann nur innerhalb dieser Range-Gates akzeptiert, wodurch sich eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit und in weiterer Folge auch der Messgenauigkeit ergibt.
Schliesslich kann die Berechnung der Gesamtwerte in zwei Rechengängen erfolgen. In einem ersten Rechengang wird nach einem vorgegebenen Algorithmus ein Geschwindigkeitswert ermittelt. Es werden dann alle jene Datensätze ausgeschieden, die in Bezug auf den ersten Gesamtwert stärker streuen, als einer vorgegebenen Grenze entspricht. Diese Werte können beispielsweise durch Verwackeln des Messgerätes entstanden sein oder etwa auch dadurch, dass ein Vogel während des Messzyklus den Strahlengang passiert hat oder ein Zweig in diesen eingetaucht ist. In einem zweiten Rechengang werden diese falschen Werte unterdrückt, sodass die Genauigkeit des Messergebnisses insgesamt verbessert werden kann.
Schliesslich können auch fixe Zelt-bzw. Entfernungsfenster definiert werden, in welchen eine Messung unterbunden wird. Bel Verwendung von Laser-Geschwindigkeitsmessgeräten zur Überwachung des Strassenverkehrs, wird vielfach von den Behörden verlangt, dass für eine Geschwindigkeitsmessung nur Ziele in einem bestimmten Entfernungsbereich herangezogen werden. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren können entsprechende Range-Gates definiert werden, wobei ausserhalb derselben die Echosignale nicht digitalisiert oder aber nicht abgespeichert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden unmittelbar nach jedem Burst aus den zotdiskre- ten, digitalisierten und aufaddierten Echosignalen Empfangsimpulse rekonstruiert, welche Impulse dann in dem Speicher 12 abgelegt werden. (Vgl. hierzu Fig 6). Der Vorteil dieser Methode besteht dann, dass die anschliessende Auswertung zu einer höheren Genauigkeit führen kann.
Schliesslich können noch die gesamten zeitdiskreten, digitalisierten und aufaddierten Echosignale In dem Speicher 12 abgelegt werden. Es ist dann wohl eine höhere Speicherkapazität erforderlich, auf der anderen Seite bietet diese Methode zahlreiche zusätzliche Optionen. So können nach einem ersten Rechengang Range-Gates definiert werden, um Störquellen auszuschliessen, es können auch für sämtliche im Strahlengang des Laser-Transmitters 1 befindliche Objekte Datensätze inklusive Geschwindigkeitswerte ermittelt werden. Ferner kann mit diesem Verfahren dasjenige Ziel im Strahlengang ermittelt werden, welches die grösste Geschwindigkeit aufweist, wobei hierzu selbstverstandlich der komplette Datensatz für dieses Ziel ausgegeben werden kann.
In Fig. 7 sind schliesslich 2 verschiedene rekonstruierte Echoimpulse dargestellt : ein erster Impuls 26 stammt von einem in Bezug auf das Messsystem stationärem Ziel. Die Impulsform entspncht weitgehend der Form des Sendeimpulses. Der zweite Impuls 27 ist der rekonstruierte Echoimpuls eines relativ zum Messgerät schnell bewegten Objektes. Der Impuls ist deutlich verbreitert, wodurch die Ermittlung des Maximalwertes erschwert wird.
Dieses Problem kann dadurch gelöst werden, dass aus den Daten des oder der ersten Bursts ein Geschwindigkeitswert ermittelt wird. Aus dieser Geschwindigkeit, der Form der Sendeimpulse und der Dauer eines Bursts kann ein Musterimpuls berechnet werden. Dieser Mustenmpuls wird rechnerisch in das Empfangssignal eingepasst und damit der dem Maximum des Sendeimpuls entsprechende Wert definiert.
Es ist also auch unter diesen Umständen möglich, eine exakte Laufzeitbestimmung. durchzuführen.
Bei bestimmten Zielen, und zwar bei Zielen die eine deutliche Stufe aufweisen, wie zB. LKW-Aufflauten kannes vorkommen, dass die Messkeule beide Flächen der Stufe erfasst. Ist der Abstand dieser bel den Flächen innerhalb der räumlichen Ausdehnung der Sendepulse so erhält man einen verzerrten und stark verbreiterten Empfangsimpuls, wobei die Impulsverbreiterung nicht mit der Geschwindigkeit korreliert. Beim Schwenken des Messgerätes über eine solche Kante oder Stufe eines könnte durch den dann ermittelten Sprung in den gemessenen Entfernungswerten ein falscher Geschwindigkeitswert ermittelt werde.
Eine Möglichkeit diese in Fachkreisen als"Stufeneffekt"bezeichnete Erscheinung auszuschalten besteht die Empfangsimpulse durch den Prozessor 5 auf solche, abnorme und nicht auf die Geschwindigkeit des Zieles zurückzuführende Impulsverbreiterungen zu überprüft. Wird eine solche Impulsverbreiterung festgestellt, wird das Ergebnis eines Bursts bzw. des gesamten Messzyklus verworfen und es wird gegebenenfalls kein Messergebnis angezeigt.
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The invention relates to an optoelectronic measuring method in which a transmitting device transmits a sequence of optical pulses at defined time intervals during a measuring cycle, a receiving device which receives signals reflected by target objects located in the beam path of the transmitting device, which amplifies received signals in a signal processing stage, possibly converted and digitized, wherein the individual samples of a digitized received signal are stored in cells of an electronic memory and the samples of further digitized received signals in these memory cells are added in phase or with a defined phase shift in relation to the transmit pulses.
Such measurement methods are so far for distance measuring devices or so-called. Range finders have been used. The introduction of digital technology in such measuring devices has u. a. makes it possible to reduce the transmission power for a given range and thus improve the eye safety by using lasers as the transmission device. Another advantage of such devices is that optics with a smaller aperture and thus also smaller main dimensions can be used for the transmitting and receiving device, which in turn has a positive effect on the dimensions of the devices and their weight.
Finally, another advantage can be seen in the lower power requirement, which again allows a reduction in the battery capacity and thus a reduction in the battery volume and weight.
Attempts to apply this digital technology to other optoelectronic measuring systems, in particular to speed measuring systems, have so far not led to a positive result for a number of reasons.
It is an object of the invention to overcome the problems hitherto opposed to the use of digital technology in optoelectronic speed measuring devices, so that the advantages outlined above can also be brought to bear in these systems. This goal is achieved in that the transmitted pulse trains in a variety of pulse packets or so-called.
"Bursts" are divided, these bursts being separated by pulse gaps and in an electronic computer by means of
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The pulses of each burst determine a receive pulse assigned to a target object and a distance value is calculated from the running time of this reconstructed receive pulse in relation to the associated start pulse, at the end of a measuring cycle a speed value for a target object is calculated, output and and from the large number of distance values and the associated measuring times / or is displayed.
Further features of the invention result from the patent claims, in which numerous variants and configurations of the invention are described, and from the description of some exemplary embodiments and with reference to the drawing.
1 of the drawing shows a block diagram of the measuring device according to the invention, FIGS. 2 and 3 show diagrams of the transmit and receive pulses. 4 illustrates a block diagram of the electronic computer and its program structure. 5 illustrates a diagram of the various discrete-time distance values determined for the individual bursts, from which the target speed is calculated. Finally, FIG. 6 shows schematically the various received pulses reconstructed from the received signals of the individual bursts. Fig. 7 shows the receive pulses of a stationary and a relatively fast moving target.
FIG. 1 schematically shows in the form of a block diagram the structure of a laser speed measuring system according to the invention. 1 designates a laser transmitter which has a laser diode which is preceded by an optical system 2 which preferably images the emitter zone of the laser to infinity. In addition to the transmission optics 2, a receiver optics 3 is provided, the optical axis of which is aligned parallel to that of the transmission optics 2. The receiver optics 3 concentrates the radiation, which is generally diffusely reflected by an object or target located in the beam path of the transmission optics, onto a reception diode 4. An avalanche diode is advantageously used as the reception diode.
The spectral characteristics of the transmit and receive diodes are preferably matched to one another, the receive diode having its maximum spectral sensitivity in the range in which the transmit diode emits to a maximum.
However, since the receiving diode 4 receives a lot of interference radiation in the form of daylight or light from a wide variety of artificial light sources in addition to the radiation emitted by the transmitting diode and reflected by the target, it can be advantageous to provide the receiving diode with an optical filter which is as narrow-band as possible and which has its maximum transmission in has the spectral band in which the laser emits.
In addition to the laser diode, the laser transmitter 1 includes a pulse generator which controls the laser diode. The laser transmitter gives a short sequence of laser pulses, so-called. Bursts off. Such a burst can be given by the processor
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Command include 5-500 pulses. As a rule, such a burst will have about 200 pulses. The phase pulses of the individual pulses of a burst can be changed by means of a delay generator 6 which can be controlled by the processor, the phase shift taking place periodically. In a preferred embodiment of the invention, for example, the phase relationships are repeated with a period of 5 pulses.
The signals received by the diode 4 are amplified and processed in an amplifier and analog signal processor stage 7. The signals processed in this way are digitized in an analog / digital converter 8 with a sample frequency of, for example, 60 MHz. These sampled echo signals are stored in a memory 9. Due to the phase shift of the transmission pulses of a burst compared to the sample frequency, the sampled echo signals are converted into different Spe! Cherries filed. If, as stated above, the phase shift has a periodicity of 5 pulses, the sampled pulse is added to the previous pulse after 5 pulses.
Includes a burst, for example. 200 pulses and if the digitized pulses are "combed" with the period 5, then 40 digital values are added to each in a memory cell and the sample frequency of 60 MHz appears to be increased by the number of penodes in the comb, in the present example to 300 MHz, so that Sampling theorem with respect to the reconstructed receive pulse can be adhered to.
The processor 5 and the data memory 9 are connected to one another by a data bus, which is indicated schematically and is designated by 10. A program memory 11 for the processor 5 is also connected to this data bus 10, as well as a data buffer 12, in which, after a first evaluation by the processor 5, raw data are stored which are read out at the end of the measuring cycle. Using this algorithm, algorithms stored in the program memory make a speed! and a distance value for a target is determined and displayed on the display 13, which is also connected to the data bus.
The display can be arranged on the outside of the device housing, but it can also be integrated in the reticle of a sighting device, not shown, so that the user can simultaneously sight the target and read the associated measured values.
In addition to the speed and distance value, other data can be calculated, such as. the signal amplitude associated with the speed value, the signal-to-noise ratio or statistical values such as scatter or sigma. All of these values can be shown both on the display 13 and output via a data interface 14 and, for example. further processed and stored in a downstream computer.
The functioning of the new device or the new measuring method is explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3: the processor 5 is given the command to trigger a measuring cycle via a trigger device (not shown). The pulse generator of the laser transmitter 1 is controlled via the delay generator 6 in such a way that it has a pulse repetition frequency of, for example. 5 kHz sends out a first burst 15 of, for example, 200 pulses. A pulse gap follows, the duration of which corresponds at least to that of the arithmetic operations to be carried out within it, whereupon the next burst is transmitted. 10-50 bursts are emitted in a measurement cycle, which typically has a duration of 0.3 to 1 sec.
FIG. 3 illustrates the individual laser transmission imputes 16 that are emitted by the laser transmitter 1. The impulses are reflected by various objects located in the beam path of the transmitting optics. A more or less noisy received signal is fed to the amplifier and signal processor stage 7 through the receive diode 4. In these received signals, the echoes of the transmitted pulses appear at different times according to the target distance and thus the pulse transit time, generally strongly attenuated and often also distorted in the shape of the curve. The change in curve shape can be caused by the geometry of the target, so a gradation or a corresponding inclination of the reflecting surface of the target to the axis of the transmission beam can lead to a pulse broadening.
The received signals 17 are sampled in the analog-digital converter with a sample frequency of approximately 60 MHz. There is a relative phase shift d = L / n between the pulse repetition frequency of the transmit pulses 16 and the frequency of the sample pulses, where L is the period of the sample frequency and n is an integer. If n is assumed to be 5, for example, and a stationary target is assumed, the received signal is sampled by 5 successive transmission pulses so that they are intermeshed with each other. This process is repeated with a period of 5 pulses.
The effective sample frequency is thus increased by a factor of n, in the example above by a factor of 5. The sampled and intermeshed echo signals are stored in 10 cells of the data memory 9. For a burst of 200 transmission pulses and a combing corresponding to a factor of 5, 40 sample values are added up in each cell. Since the noise signals occur statistically, they are suppressed in a known manner when the digital signals are added together with the systematically occurring useful signals, so that there is a significant improvement in the signal-to-noise ratio.
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In the pulse gaps between 2 bursts of transmission pulses, the processor 5 uses the digital values stored in the memory 9 by means of a further algorithm stored in the program memory 11, for example by calculating the maximum value of the reception pulse and determining the transit time in relation to the time at which the transmission pulse 16 was transmitted a distance value is determined. At the same time, further signal properties such as signal amplitude, signal-to-noise ratio and / or pulse width of the echo pulse can be calculated. These data are stored in the raw data memory 12 together with the measurement time of the burst in question. The data memory 9 can then be deleted or overwritten with the data thereof after the next burst.
The determination of this data from the time-discrete digitized echo signals is shown in FIG. 4 in detail. A noise level is calculated from the digital signal in a stage 19, and in a further stage 20, the so-called. Target detector can be determined from a noise level threshold value and the digital signal filter parameters.
In the adaptive filter 21 by means of the above. Filter parameters from the digital signal reconstructed a receive pulse. From this, the impulse running time and thus the target distance can then be calculated together with a start input (level 22). Signal amplitudes can also be calculated from these values (step 23). Finally, the pulse width and signal-to-noise ratio can be determined in further stages 24 and 25. As described above, all these values are stored together with the associated measurement times in the memory 12 for the raw data, one data record being generated per burst. It goes without saying that the levels 19 to 25 mentioned do not have to be hardware; the individual computer stages can preferably also be implemented using software.
At the end of a measuring cycle, the data records of all bursts are read out of the data memory. The target speed is calculated from the discrete-time distance values, for example in the form of a regression, from the distance values changing over a time axis (FIG. 5). In order to provide a measure of the quality of this value, the scatter of the results of the individual bursts in relation to the total value can also be determined. Overall values for signal amplitude, signal-to-noise ratio and / or pulse width can also be calculated, for example by averaging.
When calculating the total speed value, the individual values can also be weighted, for example. in the sense that values with a low signal amplitude or a low signal-to-noise ratio are taken into account less in the calculation than values that have a high signal level or a high signal-to-noise ratio.
The measuring method according to the invention can be modified in various ways. For example, the measurement parameters can be varied adaptively: for this purpose, the results of the first burst or bursts are used to change the parameters for the further measurements. For example. If the first burst or the first pulses of this burst determine a small signal amplitude or a low signal-to-noise ratio, the processor 5 can automatically increase the number of pulses per burst and / or increase the number of bursts per measurement cycle. When using these adaptive methods, it is advisable to set the pulse number of the first burst (s) sufficiently high so that a data record can be determined with sufficient accuracy in any case.
Provided the signal quality is good, a short duration of the measuring cycle can be achieved with these adaptive methods; the maximum duration of the cycle can only be achieved under unfavorable conditions.
From the data of the first bursts, so-called. Range gates or distance (or time) windows can be extrapolated. The results of the following bursts are then only accepted within these range gates, which results in a further improvement in the sensitivity and subsequently in the measurement accuracy.
Finally, the calculation of the total values can be done in two calculations. In a first calculation, a speed value is determined using a predetermined algorithm. All those data records are then excreted which are more scattered in relation to the first total value than a predetermined limit. These values may have arisen, for example, from shaking the measuring device or, for example, from a bird having passed the beam path during the measuring cycle or a branch being immersed in it. In a second calculation, these incorrect values are suppressed so that the accuracy of the measurement result can be improved overall.
Finally, fixed tent or. Distance windows can be defined in which a measurement is prevented. When using laser speed measurement devices to monitor road traffic, the authorities are often required to only use targets in a certain distance range for speed measurement. In the method according to the invention, corresponding range gates can be defined, the echo signals not being digitized or not being stored outside of them.
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In a further embodiment of the invention, receive pulses are reconstructed immediately after each burst from the erroneous, digitized and added echo signals, which pulses are then stored in the memory 12. (See Fig. 6). The advantage of this method is that the subsequent evaluation can lead to higher accuracy.
Finally, the entire time-discrete, digitized and added echo signals can be stored in the memory 12. A higher storage capacity is then probably required, on the other hand, this method offers numerous additional options. Range gates can thus be defined after a first calculation run in order to exclude sources of interference, and data records including speed values can also be determined for all objects located in the beam path of the laser transmitter 1. In addition, this method can be used to determine the target in the beam path which has the greatest speed, it being understood that the complete data set for this target can be output for this purpose.
Finally, FIG. 7 shows two different reconstructed echo pulses: a first pulse 26 comes from a target that is stationary with respect to the measuring system. The pulse shape largely corresponds to the shape of the transmit pulse. The second pulse 27 is the reconstructed echo pulse of an object that moves quickly relative to the measuring device. The pulse is significantly broadened, making it difficult to determine the maximum value.
This problem can be solved by determining a speed value from the data of the first burst or bursts. A pattern pulse can be calculated from this speed, the shape of the transmission pulses and the duration of a burst. This sample pulse is arithmetically fitted into the received signal and thus the value corresponding to the maximum of the transmitted pulse is defined.
It is therefore also possible under these circumstances to determine the exact transit time. perform.
For certain goals, namely goals that have a clear level, such as. Truck upswing may occur that the measuring lobe covers both surfaces of the step. If the distance between these surfaces is within the spatial extent of the transmit pulses, a distorted and greatly broadened receive pulse is obtained, the pulse broadening not correlating with the speed. When the measuring device is swiveled over such an edge or step, an incorrect speed value could be determined by the jump then determined in the measured distance values.
One possibility of eliminating this phenomenon, which is referred to as "step effect" in specialist circles, is to check the received pulses by the processor 5 for such abnormal pulse broadenings which are not due to the speed of the target. If such a pulse broadening is determined, the result of a burst or the entire measurement cycle is discarded and, if applicable, no measurement result is displayed.