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Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Messeinrichtung mit einer Sendeeinrichtung zur Aussendung einer Folge optischer Impulse und mit einer Empfangseinrichtung, die von im Strahlengang der Sendeeinnchtung befindlichen Zielobjekten reflektierte Signale empfängt. Die Messeinrichtung verfügt ferner über eine Signalverarbeitungsstufe zur Verstärkung und Umformung der Echosignale und einen Analog-Digitalwandler sowie über einen elektronischen Speicher, in dessen Zellen die einzelnen Samples eines digitalisierten Empfangssignal es abgelegt werden und die Samples weiterer digitalisierter Empfangssignale in diesen Speicherzellen phasengleich oder mit einem definierten Phasenversatz in Bezug auf die Sendeimpulse aufaddiert werden.
Ein MikroProzessor dient der Steuerung der verschiedenen Komponenten und der Berechnung der Messergebnisse aus der Laufzeit der Echoimpulse in Bezug auf die Sendeimpulse.
Bei opto-elektronischen Messeinrichtungen der o. a. Art bestimmt die Digitalisierungsrate die Auflösung der Entfernungsmesswerte. Im Interesse einer hohen Auflösung und Messgenauigkeit solcher Einrichtungen wird daher versucht, mit einer möglichst hohen Samplerate zu arbeiten. Begrenzt wird dies allerdings durch die Spezifikationen der am Markt verfügbaren Mikro-Prozessoren und anderer Bauteile.
Gemäss der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, dass der Mikro-Prozessor einen RAM-Speicher umfasst, dessen bit-Wortbreite grösser als die des A/D-Wandlers ist und dass ein Multiplexer zwischen dem A/D-Wandier und diesem RAM vorgesehen ist, welcher die vom A/DWandler gelieferten Sampies zu bit-Worten zusammenfasst, deren Breite kleiner oder gleich der Wortbreite des RAMs ist. Arbeitet der Analog/Digital-Wandler beispielsweise mit einer Sampie- Rate von 60 Mega Samples/sec und wird ein 4 : 1 Multiplexer eingesetzt, so wird die Rate, mit weicher die Sampies dem Speicher zugeführt werden auf 15 Mega Sampies/sec reduziert, wobei sich die bit-Wortbreite um den Faktor 4 vergrössert.
Da die bit-Wortbreite der Speicher hardwaremässig begrenzt Ist, werden daher vorzugsweise Einrichtungen vorgesehen, welche bei einer gegebenen Dynamik der Signalverarbeitung eine reduzierte bit-Wortbreite des A/D-Wandlers sicherstellen und ein möglichst grosses Multiplex-Verhältnis zulassen. Alle diese Massnahmen dienen dem Ziel, die Digitalisierung des Echosignales mit einer möglichst hohen Sampie-Rate durchzuführen und damit eine hohe Auflösung des Messwertes zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass die Stgnaiverar- beitungsstufen mindestens zwei Kanäle umfassen, wobei ein erster Kanal eine hohe Empfindlichkeit aufweist, ein anderer eine geringe Empfindlichkeit, ferner mit einer Umschalteinnchtung, die vom Mikro-Prozessor gesteuert ist und in Abhängigkeit von der Signalamplitude der ersten Impulse einer Impulsfolge den Multiplexer mit dem einen oder anderen Kanal verbindet, wobei gegebenenfalls ein entsprechendes Signal zusammen mit den Messdaten abspeicherbar ist. Einrichtungen dieser Art sind in anderem Zusammenhang in einer ähnlichen Art bereits vorgeschlagen worden : so zeigt die US-PS 5170166 In einer A/D Wandler-Stufe einen umschaltbaren Verstärker, der von einem Mikro-Prozessor In Abhängigkeit vom Signalpegel gesteuert wird.
Eine ähnliche Lösung ist in EP 0 273 820 A2 für ein Datenaufzeichnungssystem beschrieben. Die in Patentanspruch 2 angeführte Lösung weist in Kombination mit dem Gegenstand des Hauptanspruches besondere Vorteile auf, der Schutzumfang des Gegenstandes des Anspruches 2 beschränkt sich daher ausdrücklich auf die Kombination der Gegenstände dieser beiden Ansprüche.
Bei handelsüblichen Mikro-Prozessoren weist nur ein Teil, der in die Mikro-Prozessoren integ- rierten RAM-Speicher eine grosse bit-Wortbreite auf, während die übrigen Speicher sowie auch der Datenbus mit einer geringeren Wortbreite arbeiten. In einem solchen Fall wird der Mikro-Prozessor gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung mit einer De-Multiplex-Stufe ausgestattet, durch welche in Impulslücken ausgelesene Sam pies auf die kleinere Wortbreite des Mikro-Prozessors und der weiteren RAMs umgeformt und in ein weiteres RAM abgelegt werden, wobei die Samples weiterer digitalisierter Empfangssignale der Impulsfolge in den Speicherzellen dieses RAMs phasengleich oder mit einem definierten Phasenversatz in Bezug auf die Sendeimpulse aufaddierbar sind.
Während die Verarbeitung der Echoimpulse "on-line" erfolgen muss und die Verarbeitungsgeschwindigkeit der Echoimpulse die Auflösung der Messwerte direkt bestimmt, erfolgt das Auslesen der Sampies aus dem ersten RAM in den Impulslücken "off-line". Da die Dauer der Impulslücken in gewissen Grenzen frei wählbar ist, kann auch die Rate, mit der die Samples wieder aus dem ersten RAM ausgelesen und weiter verarbeitet werden, in Grenzen beliebig festgelegt werden und bleibt auf die Auflösung der Messwerte ohne Einfluss.
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Weitere Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. In Fig. 1 ist ein Laser-Entfernungs-und Geschwindigkeitsmesssystem in Form eines Blockschaltbildes gezeigt. Die Fig. 2 zeigt ebenfalls in Form eines Blockschaltbildes Details der Signalverarbeitungs- und Messwert-Berechnungsstufe. In Fig. 3 ist, wieder in Form eines Blockschaltbides die Empfangseinrichtung einschliesslich der Sig- nal-Processing-Stufe und des Analog-/Digital-Konverters gezeigt. Die Fig. 4 veranschaulicht in einem Diagramm die Arbeitsweise der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung.
Die Figur 1 zeigt in Form eines Blockdiagramms schematisch den Aufbau eines Laser-Entfernungs-und Geschwindigkeitsmesssystems 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 in Form von Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfängt, 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 Controller 5 entsprechend angesteuert wird, eine kurze Folge von Laserimpulse, sogen. Bursts, ab. Ein solcher Burst kann je nach vom Controller 5 gegebenen Befehl 5-500 Impulse umfassen. Im Regelfall wird ein solcher Burst etwa 200 Impulse aufweisen. Mittels eines vom Controller 5 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-Signal- Verarbeitungsstufe 7 verstärkt und bearbeitet. Die auf diese Weise bearbeiteten Signale werden in einem Analog-/Digital-Konverter 8 mit einer Sample-Frequenz von vorzugsweise 60 MHz digitalsiert. Diese gesampelten Echo-Signale werden in einem Speicher 9 abgelegt. Zufolge der Phasenverschiebung der Sendeimpulse eines Bursts gegenüber der Sampiefrequenz werden die gesampelten Echosignale in verschiedene Speicherzellen 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 Periodenzahl der Verkämmung vergrössert, in dem vorliegenden Beispiel auf 300 MHz.
Der Controller 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 Controller 5 angeschlossen, sowie ein Datenzwischenspeicher 12, in welchen nach einer ersten Auswertung durch den Controller 5 Rohdaten abgelegt werden, die am Ende des Messzyklus ausgelesen werden. Aus diesen Rohdaten wird mit im Programmspeicher abgelegten Algorithmen ein Entfernungs-und/oder Geschwindigkeitswert für ein Ziel ermittelt und über das ebenfalls am Datenbus angeschlossene Display 13 zur Anzeige gebracht. Neben diesen Werten können noch weitere Daten berechnet werden, wie z. B. die Signalamplitude, SignalRauschverhältnis oder statistische Werte wie Streuung oder Sigma.
Alle diese Werte können sowohl am Display 13 angezeigt, als auch über eine Datenschnittstelle 14 ausgegeben und z. B. in einem nachgeschaltetem Computer weiter bearbeitet und abgespeichert werden.
Die Empfangs- und Signalverarbeitungsstufe ist in Fig. 1 vereinfacht dargestellt. Die Figuren 2 und 3 zeigen diese im Detail : Die Verstärker- und Signalverarbeitungsstufe 7 und der Analog-/ Digital-Konverter 8 sind, wie in Verbindung mit Fig. 3 näher erläutert werden wird, in 2 Kanäle
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aufgespalten. Über einen elektronischen Umschalter 28 werden die beiden Kanäle wieder zusammengefasst und die Signale derselben der weiteren Signalverarbeitung zugeführt. In diesem Beispiel hat das Ausgangssignal des Umschalters 28 eine Sample-Rate von 60 Mega Samples/sec (MS/sec) bei einer Wortbreite von 6 bit. In einem Multiplexer 29 werden die 6-bit-Worte zu Worten von 24 bit zusammengefasst, wodurch die Sample-Rate auf 15 MS/sec reduziert wird.
Der Mikro-Prozessor 33 verfügt neben dem eigentlichen Controller 5 über ein erstes RAM 11, das eine Wortbreite von 24 bit aufweist und typischerweise als Programmspeicher eingesetzt wird und über ein vergleichweise grösseres RAM, mit einer Wortbreite von 16 bit, welches als Arbeitsspeicher dient. In der erfindungsgemässen Anordnung wird ein Teil 11a des 24-bit Programmspeichers zur Zwischenspeicherung der Echosignal-Samples verwendet, der übrige Teil 11 b dient, wie bekannt, als Programmspeicher. In den Speicher 11a werden nun unmittelbar nach Aussendung eines Laser-Impulses beim Empfang der Echosignale vom Multiplexer die 24-bit-Samples mit einer Rate von 15 MS/sec "on-line" eingelesen und abgespeichert. Der Datenaustausch zwischen den verschiedenen Komponenten des Mikro-Prozessors 33 erfolgt über einen internen Datenbus 31.
In der anschliessenden Impulslücke wird das RAM 11a wieder ausgelesen. Die 24-bit-Worte werden in einer De-Multiplex-Stufe 30 des Mikro-Prozessors 33 in Worte mit einer Breite von 16 bit umgewandelt und in dem Teil 9 des zweiten RAMs abgelegt, dessen Wortbreite ebenfalls 16 bit entspricht. Die Samples weiterer digitalisierter Echo-Impulse werden in diesem Speicherbereich 9 phasengleich oder mit einem definierten Phasenversatz in Bezug auf die Sendeimpulse aufaddiert.
Nach dem letzten Echoimpuls eines Bursts werden die aufaddierten Samples aus dem Spelcherbereich 9 ausgelesen. Der Controller 5 interpoliert aus diesen Werten einen Antwortimpuls, der in einem zweiten Teil 12 des 16-bit-RAM, der als Rohdatenspeicher dient abgelegt wird. Während eines Messzyklus werden eine grössere Zahl von Bursts "abgefeuert". Als Resultat jedes Bursts wird ein Echoimpuls in dem Speicher 12 abgelegt. Aus allen diesen Werten wird am Ende des Messzyklus das Messergebnis, zB. ein Entfernungs- und/oder ein Geschwindigkeitswert, berechnet und auf dem Display 13 angezeigt und gegebenenfalls über die Datenschnittstelle 14 ausgegeben. Der Datenaustausch mit diesen Komponenten erfolgt über den externen Datenbus 32.
Durch die Erfindung gelingt es trotz Verwendung von handelsüblichen Bauteilen, eine relativ hohe Sample-Rate zu verwenden, die eine notwendige Voraussetzung zur Erzielung einer hohen Auflösung der Messwerte darstellt. Um trotz der geringen bit-Wortbreite des Digitalsignales eine ausreichende Dynamik zu erhalten, werden gemäss einer Weiterbildung der Erfindung zusätzliche Massnahmen ergriffen, welche an Hand der Fig. 3 und Teile der Fig. 2 näher erläutert werden.
Der Ausgang der Avalanche-Empfangs-Diode 4 wird zwei Kanälen zugeführt. Der erste Kanal weist einen Verstärker 34 sowie einen logarithmischen Signalkompressor 7a auf. Das Ausgangssignal dieses Signalkompressors wird in einem Analog-/Digital-Konverter 8a digitalisiert. Der zweite Kanal ist analog aufgebaut verfügt allerdings nicht über einen Verstärker entsprechend dem Verstärker 34. Die Ausgänge der beiden Analog-/Digital-Konverter werden einem elektronischen Umschalter 28 zugeführt, welcher über den Datenbus 32 vom Mikro-Prozessor 33 gesteuert wird.
Am Beginn eines Messzyklus bzw. Bursts schaltet der Umschalter 28 zunächst den ersten Kanal, den sogen. "low level Kanal" auf den Multiplexer 29 durch. Ermittelt der Controller 5 einen Signalpegel, der einen definierten Schwellwert überschreitet, so gibt er an den Umschalter 28 den Befehl, auf den zweiten Kanal ("High level Kanal") umzuschalten. (Siehe hierzu auch Fig. 4). Durch diese Massnahme ist es möglich, bei einer gegebenen Dynamik die Signal-Wortbreite entsprechend zu reduzieren. Durch Erhöhung der Kanalzahl kann die bit-Wortbreite im Prinzip weiter reduziert werden.
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