AT513402B1 - Verfahren zur Entfernungsmessung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels (Ui) mittels Laserimpulsen (Sm), die von einem Sender (2) ausgesandt, am Ziel (Ui) reflektiert und in einem Empfänger (4) empfangen werden, wobei Sender (2) und Empfänger (4) eine gemeinsame Tragstruktur (7) haben, an welcher Störreflexionen (Xm) der Laserimpulse (Sm) auftreten, umfassend: Aussenden eines Laserimpulses (Sm) vom Sender (2) auf ein Ziel (Ui) zu einem Sendezeitpunkt (tsm) in einem Zeitmaßstab (t); Erhalten eines Empfangssignals (e(t)), das eine vom Empfänger (4) aufgefangene Zielreflexion (Em) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tsm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert; Subtrahieren eines gespeicherten Referenz-Störsignals (xref(t)) von dem Empfangssignal (e(t)), um ein bereinigtes Empfangssignal (f(t)) zu erhalten; Detektieren eines Impulses (Em) und seines Auftrittszeitpunkts (tEm) im bereinigten Empfangssignal (f(t)) oder einem davon abgeleiteten Signal; und Messen der Entfernung (Dm) des Ziels (Ui) aus der Laufzeit (∆Tm) zwischen Sendezeitpunkt und Auftrittszeitpunkt (tEm).

Description

Österreich isciie» ffiSäötteittl AT513 402B1 2014-09-15

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels mittels Laufzeitmessung an Laserimpulsen, die von einem Sender ausgesandt, am Ziel reflektiert und in einem Empfänger empfangen werden.

[0002] Verfahren dieser Art werden sowohl in Laser-Entfernungsmessern als auch Laserscannern eingesetzt, welche mittels eines gepulsten, meist fächerförmig verschwenden Abtast-Laserstrahls eine Vielzahl nebeneinanderliegender Ziele in der Umgebung vermessen, um ein 3D-Abbild („Punktewolke") der Umgebung zu erstellen. Dabei ergibt sich häufig das Problem, dass Lasersender und -empfänger an einer gemeinsamen Tragstruktur montiert sind, beispielsweise in einem schützenden Gehäuse, an welcher Störreflexionen des Laserstrahls auf-treten, die ein sehr nahes Ziel Vortäuschen. So können beispielsweise Gehäuseinnenflächen, interne Umlenkspiegel oder ein verglastes Gehäuseaustrittsfenster Rückstreuungen bzw. Störreflexionen („Fensterechos") der Laserimpulse direkt zum Empfänger verursachen. Durch konstruktive Maßnahmen wie Schrägstellen des Austrittsfensters gegenüber dem Laserstrahl, Aufbringen von antireflektierenden Beschichtungen usw. können die Störreflexionen zwar verringert, jedoch nicht gänzlich beseitigt werden. Selbst geringe Anteile der ausgesandten Laserleistung, die auf solch kurze Distanz rückgestreut werden, können aber signifikante Störimpulse im Empfänger auslösen, welche fälschlich Nahziele angeben.

[0003] Eine bekannte Maßnahme zur Behandlung dieses Problems ist das Ausblenden solcher Störreflexionen durch sog. „gating". Dabei werden jegliche Impulse, die im Empfänger innerhalb eines kurzen Zeitfensters („Sperrfensters") nach dem Aussenden eines Laserimpulses eintref-fen, ignoriert. Dies hat jedoch den Nachteil, dass echte Nahziele nicht vermessen werden können.

[0004] Während auf die Vermessung solcher Nahziele in der Praxis noch verzichtet werden könnte, tritt dieses Problem jedoch auch in regelmäßigen Abständen vom Sendeempfänger auf, u.zw. jeweils an sog. MTA-Zonengrenzen: Moderne Laserentfernungsmesser oder -Scanner arbeiten mit hoher Impulsleistung über große Entfernungen und/oder hoher Impulswiederholungsrate zur raschen Erstellung einer Vielzahl von Entfernungsmesspunkten. Dabei kann der nächste Impuls schon ausgesandt werden, noch bevor die Reflexion des letzten Impulses empfangen wurde, sodass die eintreffenden Empfangsimpulse nicht mehr eindeutig ihrem jeweiligen Sendeimpuls zugeordnet werden können. Dies ist als „multiple time around"- (MTA) bzw. „multiple pulses in the air"-Problem bekannt. Die maximale Größe dmax des eindeutig vermessbaren Entfernungsbereiches, der sog. MTA-Zone, ergibt sich dabei aus der Impulswiederholungsrate (pulse repetition rate) PRR und der Lichtgeschwindigkeit c zu dmax = c/(2 · PRR).

[0005] Zur Überwindung der MTA-Grenze der Impulswiederholungsrate ist es bekannt, die einzelnen Impulse durch Variation ihrer Polarisation, Amplitude oder Frequenz voneinander unterscheidbar zu machen, um die Echoimpulse entsprechend zuordnen zu können. In den Schriften AT 510 296 B1 (EP 2 469 297 A1) und AT 511 310 A1 (nicht-vorveröffentlicht) derselben Anmelderin- werden weitere Verfahren vorgestellt, welche eine MTA-zonen- richtige Zuordnung der Empfangsimpulse möglich machen; mit diesen Verfahren können Entfernungen MTA-zonenüberschreitend korrekt vermessen werden.

[0006] Bei MTA-zonenüberschreitenden Messungen hat das erläuterte „gating" jedoch besonders unangenehme Auswirkungen: Fernziele, die in der Nähe einer MTA-Zonengrenze liegen, führen zu Empfangsimpulsen, die in die Nähe des Sendezeitpunkts eines nachfolgend ausgesandten Laserimpulses fallen, und werden daher von dessen Sperrfenster mitunterdrückt. In der Nähe von MTA- Zonengrenzen liegende Fernziele können daher mit den bekannten Gating-Entfernungsmessverfahren nicht vermessen werden, diese haben dort „blind ranges". Wird beispielsweise ein Terrain von einem flugzeuggestützten Laserscanner aus vermessen und durchläuft die Flughöhe über Grund eine MTA-Zonengrenze, z.B. weil das Terrain ansteigt oder abfällt oder das Flugzeug seine Flughöhe verändert, dann entstehen dort Messwertausfälle in der Abtastpunktewolke des Terrains. 1/20 Ö5tei?«d5!$dsi5 AT513 402B1 2014-09-15 [0007] Die nicht-vorveröffentlichte Schrift AT 511 882 A1, welche einen Stand der Technik nach § 3(2) PatG darstellt, beschreibt die Subtraktion eines von einer steuerbaren Stromquelle erzeugten Gegenimpulses vom Empfangssignal, um Gehäusereflektionen od. dgl. zu kompensieren. Der Gegenimpuls wird in einer Kalibrierungsphase durch eine Iteration über viele Impulse optimiert, bis das kompensierte Signal Null wird, wonach anschließend der Messvorgang durchgeführt wird.

[0008] Die Erfindung setzt sich zum Ziel, die geschilderten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren zum Entfernungsmessen zu schaffen, welches auch Nahziele erfassen kann und insbesondere beim MTA-zonenüberschreitenden Entfernungsmessen keine Messwertausfälle verursacht.

[0009] Dieses Ziel wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels mittels Laserimpulsen erreicht, die von einem Sender ausgesandt, am Ziel reflektiert und in einem Empfänger empfangen werden, wobei Sender und Empfänger eine gemeinsame Tragstruktur haben, an welcher Störreflexionen der Laserimpulse auftreten, umfassend: [0010] Aussenden eines Laserimpulses vom Sender auf ein Ziel zu einem Sendezeitpunkt in einem Zeitmaßstab; [0011] Erhalten eines Empfangssignals, das eine vom Empfänger aufgefangene Zielreflexion des Laserimpulses als einen auf den Sendezeitpunkt bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert; [0012] Subtrahieren eines gespeicherten Referenz-Störsignals, das eine vom Empfänger auffangbare Störreflexion des Laserimpulses als einen auf den Sendezeitpunkt bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert, von dem Empfangssignal, um ein bereinigtes Empfangssignal zu erhalten; [0013] Detektieren eines Impulses und seines Auftrittszeitpunkts im bereinigten Empfangssignal oder einem davon abgeleiteten Signal; und [0014] Messen der Entfernung des Ziels aus der Laufzeit zwischen Sendezeitpunkt und Auftrittszeitpunkt.

[0015] Gemäß der Erfindung wird ein vorgespeichertes Störreflexions-„Modell" vom Empfangssignal zeitrichtig abgezogen und damit die Störreflexion direkt im Empfangssignal kompensiert. Damit ist eine vollständige Unterdrückung (Sperrfenster) des Empfangssignals nach jedem Sendezeitpunkt nicht mehr erforderlich, sodass auch Nahziele korrekt vermessen werden können. Bei repetitiver Laserimpulsaussendung, die zu den erörterten MTA-Zonen führt, ist damit erstmals eine Vermessung von Fernzielen auch an den MTA-Zonenübergängen möglich. Damit können erstmals MTA-zonenüberschreitende Entfernungsmess- und -scanverfahren ohne jedwede „blind ranges" entworfen werden.

[0016] Das Referenz-Störsignal kann auf verschiedenste Art erhalten und vorgespeichert werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird das Referenz-Störsignal aus Konstruktionsparametern der Tragstruktur näherungsweise berechnet und gespeichert. Beispielsweise kann aus der Kenntnis der Lage und Streureflektivität eines Glasaustrittsfensters relativ zum Sender und Empfänger die zu erwartende Amplitude, Impulsform und Zeitlage des Störimpulses im Empfänger berechnet und als auf den Sendezeitpunkt bezogenes Referenz-Störsignal in einem Speicher hinterlegt werden.

[0017] Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Störsignal, das durch eine Störreflexion eines früheren Laserimpulses verursacht wird, aufgezeichnet und als Referenz-Störsignal gespeichert. Das Verfahren der Erfindung hat dann eine erste Kalibrierungsphase, in der das Referenz-Störsignal aufgezeichnet wird, und eine zweite Messphase, in welcher das aufgezeichnete Referenz-Störsignal zur Kompensation der jeweils aktuellen Messung verwendet wird.

[0018] Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann das Referenz-Störsignal auch „online" während einer Vielzahl von Messvorgängen, z.B. beim Entfernungsmessen oder La- 2/20 Österreich isc^es paletti»«!: AT513 402B1 2014-09-15 serscannern mit repetitiven Laserimpulsen, durchgeführt werden. Bevorzugt werden dazu mehrere Laserimpulse zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten ausgesandt und mehrere Zeitabschnitte des Empfangssignals, die jeweils nach einem Sendezeitpunkt beginnen, auf darin mehrheitlich mit derselben Amplitude und/oder Zeitlage auftretende Impulse überprüft und, wenn solche vorhanden, aus diesen ein Referenz-Störsignal gebildet und gespeichert.

[0019] Das Referenz-Störsignal wird bei dieser Ausführungsform aus einer statistischen Auswertung der Empfangsimpulse aus den Nahziel- und MTA-Zonengrenzenbereichen erstellt. Die statistische Auswertung beruht auf der Erkenntnis, dass „echte" Nah- bzw. MTA-Zonengrenzen-Ziele - im Vergleich zu der permanent vorhandenen Tragstruktur - vergleichsweise „selten" sind, woraus das auf die Tragstruktur zurückzuführende Referenz-Störsignal ermittelt werden kann.

[0020] Das beschriebene Online-Ermitteln des Referenz-Störsignals kann einmal im Zuge eines repetitiven Entfernungsmess- oder -Scanvorgangs durchgeführt werden oder auch wiederholt, z.B. bei jedem, jedem zweiten, jedem dritten usw. Laserimpuls. Eine bevorzugte Variante der Erfindung zeichnet sich demgemäß dadurch aus, dass das Bilden und Speichern des Referenz-Störsignals nach einer vorgegebenen ersten Anzahl von Laserimpulsen wiederholt wird, wobei jedes der aufeinanderfolgend gebildeten Referenz-Störsignale auf Grundlage einer vorgegebenen zweiten Anzahl von jeweils vorhergehenden Laserimpulsen gebildet wird.

[0021] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können bei der genannten statistischen Überprüfung auf Mehrheitlichkeit Impulse aus weiter zurückliegenden Zeitabschnitten schwächer gewichtet werden, um den jeweils aktuellen Reflexionszustand der Tragstruktur stärker zu berücksichtigen.

[0022] Wenn das Referenz-Störsignal nicht durch Berechnung vormodelliert sondern aus Aufzeichnungen der Störreflexionen ermittelt wird, sei es in einer vorgeordneten Kalibrierungsphase oder „online", kann eine Alarmmeldung erzeugt werden, wenn es einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dadurch kann beispielsweise eine übermäßige Verschmutzung, Beschädigung oder Alterung des Austrittsfensters eines Laserentfernungsmessers oder -Scanners, ein mechanischer Defekt im Gehäuse, eine Sichtbehinderung usw. detektiert und der Benutzer auf die Notwendigkeit einer Reinigung, Wartung oder Reparatur hingewiesen werden.

[0023] Wenn das Referenz-Störsignal wiederholt „online" ermittelt wird, kann alternativ oder zusätzlich eine Alarmmeldung auch dann erzeugt werden, wenn die Differenz zweier aufeinanderfolgend gebildeter Referenz-Störsignale einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Dadurch kann beispielsweise eine plötzliche Verschlechterung der Durchlässigkeit des Austrittsfensters eines Laserentfernungsmessers oder -Scanners detektiert werden, z.B. wegen Verschmutzung, Beschlagen, Beschädigung usw.

[0024] Wie erörtert eignet sich das Verfahren der Erfindung besonders für repetitive Laserimpulsmessungen, bei welchen mehrere Laserimpulse zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten ausgesandt werden und das Empfangssignal dementsprechend mehrere aufeinanderfolgend aufgefangene Zielreflexionen repräsentiert, wobei für jeden Laserimpuls das Referenz-Störsignal jeweils einmal zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt dieses Laserimpulses vom Empfangssignal subtrahiert wird.

[0025] Besonders geeignet ist das Verfahren zur Anwendung beim Laserscannen, bei welchem mehrere Laserimpulse in unterschiedlichen Senderichtungen auf unterschiedliche Ziele ausgesandt werden und das Empfangssignal dementsprechend mehrere aufeinanderfolgend aufgefangene Zielreflexionen von unterschiedlichen Zielen repräsentiert, wobei für jede Senderichtung ein eigenes Referenz-Störsignal gespeichert wird, und wobei für jeden Laserimpuls das seiner Senderichtung zugeordnete Referenz-Störsignal zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt dieses Laserimpulses vom Empfangssignal subtrahiert wird. Dadurch können scanwinkelabhängige Störreflexionen berücksichtigt werden, wie sie beispielsweise an einem Glasaustrittsfenster auftreten, wenn dieses unter unterschiedlichen Auftreffwinkeln durchstrahlt wird.

[0026] Das Verfahren der Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit MTA-zonense- 3/20

Österreich Ische» j>3ieHiS!n!: AT513 402B1 2014-09-15 lektiven oder MTA-zonenüberschreitenden Messverfahren, wie sie in den Schriften AT 510 296 B1 und AT 511 310 A1 (nicht-vorveröffentlicht) derselben Anmelderin beschrieben sind. Bei der MTA-zonenselektiven Vermessung kann für eine ausgewählte MTA-Zone die Empfindlichkeit für die Empfangsimpulsdetektion erhöht werden, indem die Laserimpulse mit variierenden Impuls-abständen ausgesandt und mehrere Zeitabschnitte des bereinigten Empfangssignals, die jeweils in einem vorgegebenen Abstand vom Sendezeitpunkt eines Laserimpulses beginnen, zu einem Summensignal überlagert werden, in welchem anschließend ein Impuls detektiert wird.

[0027] Das Aussenden von Laserimpulsen mit variierenden Impulsabständen („Phasen-Jitter") ist als PRR-Modulation an sich bekannt und wird in dieser Ausführungsform dazu eingesetzt, aus „falschen" MTA-Zonen stammende Empfangsimpulse zu „verjittern", während Empfangsimpulse aus „richtigen" MTA-Zonen unverjittert bleiben und sich dadurch additiv zu einem größeren, leichter detektierbaren Empfangsimpuls überlagern.

[0028] Alternativ werden zur MTA-zonenüberschreitenden Vermessung Laserimpulse mit variierenden Impulsabständen ausgesandt und Laufzeiten jeweils zwischen einem Laserimpuls und jenem im bereinigten Empfangssignal detektierten Impuls gemessen, der in einem Zeitfenster liegt, das in einem vorgegebenen Abstand vom Sendezeitpunkt dieses Laserimpulses beginnt. Bevorzugt wird dabei eine erste Folge von Laufzeiten auf Basis eines ersten vorgegebenen Abstands und eine zweite Folge von Laufzeiten auf Basis eines zweiten vorgegebenen Abstands gemessen und jene Folge von Laufzeiten, welche von der Variation der Impulsabstände am geringsten beeinflusst ist, für die Entfernungsmessung verwendet. Dadurch können Empfangsimpulse automatisch der richtigen MTA-Zone zugeordnet werden, da nur die jeweils „richtigen" Empfangsimpulse in der jeweils „richtigen" MTA- Zone unverjitterte Laufzeiten ergeben.

[0029] Die genannten MTA-zonenselektiven und MTA-zonenüberschreitenden Messverfahren bauen dabei jeweils auf dem erfindungsgemäß störsignalbereinigten Empfangssignal auf und ziehen dadurch großen Vorteil aus der erfindungsgemäßen Störreflexionskompensation: Erstmals können auch Grenzbereiche der MTA-Zonen korrekt vermessen werden.

[0030] Das Verfahren der Erfindung eignet sich sowohl zur Echtzeit- als auch Stapelverarbeitung. Bei der Echtzeitverarbeitung wird das Referenz-Störsignal bevorzugt fortschreitend von seinem Speicher abgerufen und zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt des Laserimpulses in Echtzeit vom einlangenden Empfangssignal subtrahiert. Bei der Stapelverarbeitung wird das gesamte Empfangssignal zunächst aufgezeichnet und anschließend das Referenz-Störsignal zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt des Laserimpulses davon subtrahiert.

[0031] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: [0032] Fig. 1 [0033] Fig. 2 [0034] Fig. 3 [0035] Fig. 4 [0036] die Fig. 5 und 6 [0037] Fig. 7 einen Laserentfernungsmesser zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung in Blockschaltbildform mit schematisch eingezeichneten Strahlverhältnissen bei Vermessungen eines Umgebungsziels;

Zeitdiagramme von beispielhaften Signalverläufen im Zuge des Verfahrens der Erfindung unter Verwendung der Anordnung von Fig. 1; die Vermessung von Umgebungszielen in verschiedenen MTA-Zonen von einem flugzeuggestützten Laserscanner aus;

Zeitdiagramme von beispielhaften Signalverläufen für die Vermessungssituationen von Fig. 3;

Scanbilder des Laserscanners von Fig. 3 im Bereich eines MTA-Zonenübergangs ohne (Fig. 5) und mit (Fig. 6) Anwendung des Verfahrens der Erfindung; das Online-Ermitteln von Referenz-Störsignalen bei einer repetitiven Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung; 4/20 Österreich iscties £>3i«tia!n!: AT513 402B1 2014-09-15 [0038] Fig. 8 ein Signalhistogramm zur Bildung der Referenz-Störsignale in Fig. 7 mittels statistischer Auswertung; [0039] die Fig. 9 und 10 einen Laserscanner zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung in Blockschaltbildform und schematischer Seitenansicht (Fig. 9) und in ausschnittsweiser Draufsicht (Fig. 10); [0040] Fig. 11 die Anwendung des Verfahrens der Erfindung bei einem MTA- zonenselektiven Entfernungsmessverfahren; und [0041] Fig. 12 die Anwendung des Verfahrens der Erfindung bei einem MTA- zonenüberschreitenden Entfernungsmessverfahren.

[0042] Fig. 1 zeigt einen Laserentfernungsmesser 1 zur Vermessung der Entfernung D-\ zu einem Ziel Ui einer Umgebung U. Der Laserentfernungsmesser 1 enthält einen Lasersender 2, der einen oder mehrere Laserimpulse S2, S3, ..., allgemein Sm, auf das Ziel Ui aussendet. Die Laserimpulse Sm werden jeweils zu einem Sendezeitpunkt tSi, ts2, allgemein tSm, in einem systemweiten Zeitmaßstab t ausgesandt, z.B. der Weltzeit oder einem Systemtakt des Laserentfernungsmessers 1. Die ausgesandten Laserimpulse Sm können auch als ein auf das Ziel Ui gerichteter gepulster Lasermessstrahl 3 aufgefasst werden. Die vom Ziel Ui reflektierten Laserimpulse Sm werden in einem Empfänger 4 des Laserentfernungsmessers 1 als Empfangsimpulse Ee E2, ..., allgemein Em, aufgefangen.

[0043] Aus der Laufzeit ATm jedes zielreflektierten Laserimpulses Sm, d.h. der Differenz zwischen dem Auftrittszeitpunkt tEm des Empfangsimpulses Em und dem Sendezeitpunkt tSm des verursachenden Sendeimpulses Sm, lässt sich in bekannter Weise die Entfernung Dm = c · ATm/2 (c = Lichtgeschwindigkeit) vom Laserentfernungsmesser 1 bis zum vermessenen Umgebungsziel Um berechnen. Laufzeiten ATm und Entfernungsmesswerte Dm sind einander direkt proportional und werden im Folgenden daher auch synonym und austauschbar verwendet.

[0044] Das Sendesignal s (t) des Lasersenders 2 mit den Sendeimpulsen Sm ist als Signalverlauf im Zeitmassstab in Fig. 2a aufgetragen, beispielsweise als Amplitude A über der Zeit t. Der hier verwendete Begriff „Amplitude" bzw. „Amplitudenverlauf" umfasst dabei jede beliebige quantifizierbare und messbare Kenngröße des Lasermessstrahls 3, sei es dessen Signalamplitude, Signalleistung, Modulationsgrad, usw. In gleicher Weise kann das Empfangssignal e(t), das am lichtempfindlichen Eingang des Laserempfängers 4 als optisches Signal und am elektrischen Ausgang des Laserempfängers 4 als elektrisches Signal erhalten wird, als Amplitudenverlauf A über der Zeit t aufgetragen werden, siehe Fig. 2b.

[0045] Der Laserentfernungsmesser 1 enthält ferner eine Steuer- und Auswerteelektronik 5 mit einem Datenspeicher 6 zur Steuerung des Lasersenders 2 für die Abgabe des Sendesignals s (t) und zur Auswertung des Empfangssignals e(t) des Empfängers 4.

[0046] Lasersender 2 und -empfänger 4 sind zum Schutz vor Umwelteinflüssen in einem gemeinsamen Gehäuse 7 des Laserentfernungsmessers 1 aufgenommen, das ein verglastes Durchtrittsfenster 8 für den Aus- und Eintritt des Lasermessstrahls 3 hat. An dem Durchtrittsfenster 8 tritt eine parasitäre Störreflexion des Lasermessstrahls 3 auf, d.h. die Laserimpulse Sm werden direkt in den Empfänger 4 rückgestreut (Pfeil 9), noch bevor sie das Gehäuse 7 verlassen.

[0047] Die Störreflexionen der Sendeimpulse Sm führen zu Störsignalen („Fensterechos") X1; X2.....allgemein Xm, im Empfangssignalverlauf e(t), welche jeweils kurz nach den Sendezeit punkten tSm zu Störzeitpunkten tXm auftreten (Fig. 2b) . Störreflexionen bzw. Störimpulse Xm können jedoch nicht nur vom Durchtrittsfenster 8 sondern auch von beliebigen anderen Teilen einer dem Sender 2 und Empfänger 4 gemeinsamen Tragstruktur verursacht werden, beispielsweise von Innenoberflächen des Gehäuses 7 oder in den Lasermessstrahl 3 ragenden Teilen.

[0048] Die Störimpulse Xm im Empfangssignal e(t) täuschen vermeintliche („falsche") Nahziele vor. Eine bekannte Maßnahme besteht daher darin, das Empfangsignal e(t) jeweils nur inner- 5/20

Ssferreicfecftis AT513 402 B1 2014-09-15 halb von Zeitfenstern Wi, W2, allgemein Wm, auszuwerten, welche jeweils in einem vorgegebenen Abstand (Sperrzeit) TG vom jeweiligen Sendezeitpunkt tSm beginnen. Dadurch werden zwar die Störreflexionen Xm ausgeblendet, doch können damit auch keine echten Ziele im Nahbereich mehr vermessen werden („blind ränge") . Bei repetitiven Entfernungsmessverfahren, wie sie insbesondere beim Laserscannen zur Anwendung kommen, ergeben sich überdies weitere „blind ranges" im Bereich der MTA-Zonengrenzen. Dieses Problem wird nun unter Exkurs auf die Fig. 3 und 4 näher erläutert.

[0049] Gemäß den Fig. 3 und 4 werden beispielhaft von einem flugzeuggestützten Laseentfernungsmesser bzw. -Scanner 1 Sendeimpulse Sm fortlaufend wiederholt mit gegenseitigen Impulsabständen T = 1/PRR auf Umgebungsziele Ui, U2, Ui', U2' in verschiedenen MTA-Zonen Z, Z', Z" ausgesandt. Die Fig. 3a und 4a zeigen die Situation, wenn Umgebungsziele Ui, U2 in einer ersten, dem Laserscanner 1 nächstgelegenen MTA-Zone Z liegen. Hier langen die Empfangsimpulse Em jeweils noch rechtzeitig ein, bevor der jeweils nächste Sendeimpuls Sm ausgesandt wird, sodass jeder Empfangsimpuls Em dem unmittelbar vorhergehenden Sendeimpuls Sm zugeordnet und die Entfernung Dm direkt aus der Signallaufzeit zwischen Sendeimpuls Sm und darauffolgend empfangenem Empfangsimpuls Em ermittelt werden kann.

[0050] Die Fig. 3b und 4b zeigen die Situation, wenn Umgebungsziele Ui', U2' in einer zweiten weiter entfernten MTA-Zone Z' liegen. Hier wird der Empfangsimpuls E^ des ersten Sendeimpulses Si erst empfangen, nachdem bereits der zweite Sendeimpuls S2 ausgesandt wurde, sodass die Zuordnung des Empfangsimpulses Ei zu dem „richtigen" Sendeimpuls Si nicht mehr so einfach ist; würde er fälschlicherweise dem unmittelbar vorhergehenden Sendeimpuls S2 zugeordnet, würde anstelle der richtigen Entfernung D^ die falsche Entfernung D-i gemessen werden. Zur Vermessung von Umgebungszielen in verschiedenen MTA-Zonen Z, Z', Z" ist daher entweder eine vorherige Kenntnis der MTA-Zone erforderlich, in welcher die Ziele erwartet werden können, oder es werden zusätzliche Maßnahmen getroffen, um die Sende- und Empfangsimpulse einander richtig zuordnen zu können, beispielsweise indem die einzelnen Sendeimpulse Sm durch Variation ihrer Polarisation, Amplitude, Wellenlänge usw. voneinander unterscheidbar gemacht werden, um die Empfangsimpulse Em entsprechend zuordnen zu können. Weitere, besonders vorteilhafte Möglichkeiten sind die später noch anhand der Fig. 11 und 12 erläuterten Verfahren zur MTA-zonenselektiven bzw. MTA-zonenüberschreitenden Entfernungsmessung, welche mit dem hier vorgestellten Verfahren zur Störreflexionskompensation kombiniert werden können.

[0051] In Bezug auf die Fig. 1 und 2 zeigt die MTA-Zonenproblematik der Fig. 3 und 4, dass Umgebungsziele U,, U,' , die auf oder in der Nähe einer MTA-Zonengrenze 10 liegen, zu Empfangsimpulsen Em führen können, welche auf oder sehr nahe einem nächsten, übernächsten usw. Sendeimpuls Sm liegen und damit in die Sperrzeit TG eines der Gating-Zeitfenster Wm fallen. Mit anderen Worten haben die bekannten Gating-Verfahren nicht nur im Nahzielbereich, sondern auch periodisch wiederholt um die MTA-Zonengrenzen 10 „blind ranges", in welchen keine Umgebungsziele vermessen werden können, d.h. Messwertausfälle auftreten. Das hier beschriebene Verfahren überwindet dieses Problem.

[0052] Zurückkehrend auf Fig. 2 wird dazu - anstelle der Verwendung von Sperrzeiten TG und Gating-Fenstern Wm - ein Modell der Störreflexionen Xm in Form eines Referenz-Störsignals xref(t) verwendet, welches eine vom Empfänger 4 auffangbare Störreflexion Xm als einen auf den Sendezeitpunkt tSm des verursachenden Sendeimpulses Sm bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit t repräsentiert (Fig. 2c).

[0053] Das Referenz-Störsignal xref(t) wird - für jeden Sendeimpuls Sm jeweils zeitreferenziert auf dessen Sendezeitpunkt tSm - vom Empfangssignal e(t) subtrahiert. Fig. 2d zeigt das auf diese Weise „bereinigte" Empfangsignal f (t). Wie ersichtlich sind die Störreflexionen Xm beseitigt, und nur mehr „Nutz"- Empfangsimpulse Em von Zielreflexionen treten im bereinigten Empfangssignal f(t) auf. Das bereinigte Empfangssignal f(t) kann anschließend in jeder beliebigen, sowohl herkömmlichen als auch nachfolgend beschriebenen Art und Weise ausgewertet werden, um Zielentfernungen Dm sowohl zu einem als auch zu vielen verschiedenen Umgebungs- 6/20 sstefeichsdfss KSäötiarrt! AT513 402B1 2014-09-15 zielen Um zu ermitteln.

[0054] Das beschriebene Verfahren der Störreflexionskompensation ist von großem Nutzen in Verbindung mit repetitiven, insbesondere MTA-zonenselektiven oder -überschreitenden Messverfahren: Hier können auch Umgebungsziele Um rund um MTA-Zonengrenzen 10 vermessen werden. Die Fig. 5 und 6 zeigen dazu beispielhafte Laser-Scans (3D-Punktewolken) des Terrains U, das mit dem luftgestützten Laserscanner 1 der Fig. 3 und 4 höhenvermessen wurde. Die Fig. 5 und 6 sind Draufsichten auf einen Ausschnitt des Terrains U und die Schwärzung repräsentiert die Höhe. Das Terrain U steigt hier von einem Bereich B' in der zweiten MTA-Zone Z' über eine Zonengrenze 10 zu einem Bereich B in der ersten MTA-Zone Z an. Fig. 5 zeigt das Ergebnis eines herkömmlichen Gating-Verfahrens, bei welchem rund um die MTA-Zonengrenze 10 Messwertausfälle (in weiß dargestellt) auftreten. Fig. 6 zeigt das Ergebnis des hier vorgestellten Störreflexionskompensations-Verfahrens, bei welchem rund um die MTA-Zonengrenze 10 keine Messwertausfälle auftreten, sondern eine kontinuierliche Vermessung des Terrains U möglich ist.

[0055] Das Referenz-Störsignal xref(t) kann direkt im Speicher 6 des Laserentfernungsmessers bzw. -Scanners 1 hinterlegt und gleichsam „in Echtzeit", während des Einlangens bzw. Aufzeichnens des Empfangssignals e(t), von diesem fortschreitend abgezogen werden, und zwar für jeden Sendeimpuls Sm jeweils neu zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt tSm. Alternativ kann zunächst das gesamte Empfangssignal e(t) im Speicher 6 des Laserentfernungsmessers bzw. -Scanners 1 (oder einem daran angeschlossenen gesonderten Speicher) aufgezeichnet und anschließend das Referenz-Störsignal xref(t) - gleichsam in „Stapelverarbeitung" in einer „Offline"-Auswertungsphase - entsprechend oft in der genannten Weise vom aufgezeichneten Empfangssignal e(t) subtrahiert werden, um das bereinigte Empfangssignal f(t) zu erzeugen. Die Offline-Auswertung kann auch an einem vom Laserentferungsmessers bzw. -Scanner 1 entfernten Ort, z.B. in einem Auswerte-Rechenzentrum, durchgeführt werden.

[0056] Das Referenz-Störsignal xref(t) kann auf verschiedenste Arten und Weisen erhalten und für die genannten Zwecke vorgespeichert werden. Eine erste Möglichkeit ist, das Referenz-Störsignal Xref(t) aus Konstruktionsparametern des Laserentfernungsmessers bzw. -Scanners 1 (zumindest näherungsweise) zu berechnen, beispielsweise anhand der bekannten Relativpositionen von Sender und Empfänger 2, 4 gegenüber jenen Teilen der Tragstruktur 7, welche die Störreflexion verursachen, z.B. des Austrittsfensters 8, und deren Reflektivität. So kann aus der Reflektivität des Austrittsfensters 8 unter einem bestimmten Durchstrahlwinkel des Lasermessstrahls 3, der Kenntnis der Sendeamplitude, den geometrischen Abmessungen des Gehäuses 7 und einer angenommenen Impulsform die zu erwartende Amplitude Axref und Zeitlage tx des Störreflexionsimpulses Xref im Referenz-Störsignal xref(t) berechnet und in ihrem berechneten Verlauf über der Zeit als Referenz-Störsignal xref(t) gespeichert werden.

[0057] Eine zweite Möglichkeit ist, das Referenz-Störsignal xref(t) anhand von Kalibrierungsmessungen in einer vorgeordneten Kalibrierungsphase des Verfahrens aufzuzeichnen. Dazu wird der Laserentfernungsmesser bzw. -Scanner 1 auf ein (oder mehrere) Ziel(e) Um gerichtet, welche bekanntermaßen nicht im Nahbereich oder im Bereich einer MTA-Zonengrenze 10 liegen, und jedweder innerhalb einer kurzen Zeit nach einem Sendezeitpunkt tSm, z.B. innerhalb der Zeit TG nach einem Sendezeitpunkt tSm, einlangende Impuls wird als Störreflexion bzw. Störimpuls Xm betrachtet und in seinem Amplitudenverlauf über der Zeit als Referenz-Störsignal xref(t) aufgezeichnet und abgespeichert. Mehrere solcher Referenz-Störsignale xref(t) können zu Abgleichszwecken kombiniert (statisch „konsolidiert") werden, um Ausreißer-Messwerte auszuschließen und ein möglichst repräsentatives Referenz-Störsignal xref(t) zu erhalten.

[0058] Eine dritte Möglichkeit besteht darin, bei repetitiven Entfernungsmess- oder -scanverfahren, bei welchen eine Vielzahl von Sendeimpulsen Sm als gepulster Messstrahl 3 („Impulszug") ausgesandt wird, das Referenzstörsignal xref(t) während der Messung („online") mit dem Impulszug mitzuvermessen und abzuspeichern. Dies wird nun anhand der Fig. 7 und 8 näher erläutert.

[0059] Fig. 7 zeigt schematisiert eine Abfolge von Sendeimpulsen Si, S2, ..., Sm..... denen 7/20

Bsferreidsscte KSäötiattit AT513 402B1 2014-09-15 jeweils Störimpulse Xi, X2, Xm, und (hier der Einfachheit halber nur in der ersten MTA-Zone Z liegende) Empfangsimpulse Ei, E2, Em, ... folgen. Nach jeweils einer Anzahl a von Sendeimpulsen Sm (hier: a = 2, d.h. bei jedem dritten Sendeimpuls Sm) wird das Referenz-Störsignale xref(t) neu bestimmt, u.zw. zur Verwendung bei den jeweils folgenden Sendeimpulsen, siehe Pfeile 11 für die auf den Sendeimpuls Sm folgende Impulsgruppe Sm+1, Sm+2, Sm+3. Daraus ergibt sich eine Folge von nacheinander ermittelten Referenz-Störsignalen xref,i (t), xref,2 (t) usw. usf. Die Anzahl a kann beliebig sein, beispielsweise auch a = 0, d.h. auch nach jedem Sendeimpuls Sm kann sofort wieder ein neues Referenz-Störsignal xref,m(t) für den jeweils nächsten Sendeimpuls Sm+1 bestimmt werden, falls gewünscht.

[0060] Das jeweilige Referenz-Störsignal xref,m(t) wird seinerseits auf Grundlage einer Anzahl b vorhergehender Sendeimpulse Sm ermittelt, im gezeigten Beispiel ist b = 4. Bevorzugt ist b > 1, besonders bevorzugt b » 1. In diesem Fall können mittels einer statistischen Auswertung von b letzten Zeitabschnitten 12 des Empfangssignals e(t), die jeweils nach einem Sendezeitpunkt tsm beginnen und bevorzugt nur einen Bruchteil des Sendeimpulsabstandes T andauern, z.B. TG, Störreflexionen Xm von echten Zielreflexionen Em unterschieden werden. Die statistische Auswertung beruht auf der Erkenntnis, dass Ziele Um im Nahbereich und rund um die MTA-Zonengrenzen 10 - im Vergleich zu Zielen der Tragstruktur 7 - vergleichsweise „selten" auftre-ten und daher mittels einer Häufigkeitsabschätzung identifiziert werden können. Fig. 8 zeigt dies im Detail.

[0061] In Fig. 8 sind die maximalen Amplituten Axref und Zeitlagen tx aller in den Zeitabschnitten 12 auftretenden Impulse - seien sie Störreflexionen Xm oder echte Zielreflexionen Em - als Punkte in einer Amplituden/Zeit-Ebene aufgetragen („Histogramm"). Wie ersichtlich, sind Störreflexionen Xm hinsichtlich ihrer maximalen Amplitude Axref und Zeitlage tx gering gestreut, d.h. fallen in einem kleinen Bereich 13 zusammen (Punkte PXm) r während „echte" Empfangsimpulse Em von „echten" Umgebungszielen, die zufällig in einem Nah- oder MTA-Zonengrenzenbereich liegen, völlig verschiedene, stark gestreute Amplituden und Zeitlagen einnehmen können, siehe die Punkte PEm der Empfangsimpulse Em.

[0062] Mit Hilfe einer statistischen Auswertung, beispielsweise anhand des Histogramms von Fig. 8 oder auch mittels anderer statistischer Verfahren, können somit die Amplitudenverläufe der Störreflexionen Xm von den Amplitudenverläufen der Zielreflexionen Em in den Zeitabschnitten 12 des Empfangssignals e(t) voneinander unterschieden und damit die Störimpulse Xm und deren Amplitudenverläufe als Störsignale x(t) identifiziert werden. Beispielsweise werden jene Impulse Xm aus allen Impulsen Xm, Em in den Zeitabschnitten 12 ausgewählt, welche mehrheitlich annähernd dieselbe maximale Amplitude Axref und/oder dieselbe Zeitlage tx haben.

[0063] Aus den solcherart identifizierten richtigen Störsignalen x(t) in den Zeitabschnitten 12, das sind in dem Beispiel von Fig. 7 die Impulsverläufe im ersten, zweiten und vierten Zeitabschnitt 12 vor dem Sendeimpuls Sm und die Impulsverläufe aus allen vier Zeitabschnitten 12 vor dem Sendeimpuls Sm+3, wird anschließend das jeweilige Referenz-Störsignale xref,i(t) bzw. xref,2 (t) gebildet. Beispielsweise kann dazu ein besonders repräsentativer Störsignalverlauf x(t) herausgegriffen oder alle Störsignalverläufe können überlagert werden. Auch hier können statistische Methoden angewandt werden, um Ausreißer-Signalverläufe zu eliminieren, um ein besonders signifikantes Referenz-Störsignal xref,m(t) zu bilden. Dabei ist es auch möglich, Störsignalverläufe x(t) aus weiter zurückliegenden Zeitabschnitten 12 geringere Bedeutung zuzumessen, d.h. diese schwächer zu gewichten, als aus aktuelleren Zeitabschnitten 12, falls gewünscht.

[0064] Das geschilderte Verfahren zur „online"-Ermittlung der Referenz-Störsignale liefert auf diese Weise als „Nebenprodukt" auch eine Folge von fortschreitenden Referenz-Störsignalen Xref,m(t), deren Tendenz auch für sich ausgewertet werden kann, um den Störeinfluss der Tragstruktur des Laserentfernungsmessers bzw. -Scanners 1 im zeitlichen Verlauf zu messen. So kann beispielsweise eine plötzliche oder schleichend fortschreitende Verschmutzung des Austrittsfensters 8, eine Beschädigung des Geräts, die zu Teilblockierungen des Lasermessstrahls 3 führt, oder eine Fehlbedienung („Finger im Messstrahl") erkannt und für den Benutzer ein 8/20

'Steiidchisdsis psieHismt AT513 402B1 2014-09-15 entsprechender Alarm ausgegeben werden.

[0065] Beispielsweise kann die jeweilige maximale Amplitude Axref der aufeinanderfolgend bestimmten Referenz-Störsignale xref,m(t) über der Zeit t ausgewertet werden, wie in dem untersten Diagramm von Fig. 7 aufgetragen, und mit einem Schwellwert c verglichen werden; wird der Schwellwert c überschritten, wird ein Alarm ausgelöst. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Differenz AAxref zweier aufeinanderfolgender Referenz-Störsignal- Maximalamplituden überwacht und z.B. bei einem einen Schwellwert überschreitenden Anstieg ein Alarm ausgelöst werden.

[0066] Die Fig. 9 und 10 zeigen eine Erweiterung der bislang beschriebenen Verfahren zur Berücksichtigung einer Scanwinkelabhängigkeit von Störreflexionen in einem Laserscanner. Bei dem in Fig. 9 beispielhaft dargestellten Laserscanner 1 wird der gepulste Lasermessstrahl 3 mit Hilfe eines rotierenden Umlenkspiegels 14, z.B. einer Spiegelpyramide, periodisch fächerförmig verschwenkt, um eine Vielzahl nebeneinanderliegender Umgebungsziele U, abzutasten und zu vermessen. Beim Durchtritt des Lasermessstrahls 3 durch das Austrittsfenster 8 des Gehäuses 7 des Laserscanners 1 treten abhängig vom Scanwinkel α und damit Durchtrittswinkel durch das Fenster 8 unterschiedliche Störreflexionen X (a) auf. Die jeweiligen Referenz-Störsignale xref(t,a) sind damit auch von der Senderichtung, hier: Scanwinkel a, abhängig. Es versteht sich, dass der Laserscanner 1 den Messstrahl 8 auch in mehr als nur einer Winkeldimension α ver-schwenken kann. Der hier verwendete Begriff „Senderichtung" umfasst daher jede beliebige Form von Raumwinkeldefinition der Aussenderichtung des gepulsten Lasermessstrahls 3 bezüglich der Tragstruktur des Laserscanners 1.

[0067] Im Speicher 6 wird für jede mögliche oder auftretende Senderichtung (hier: Scanwinkel α) ein eigenes, zugeordnetes Referenz-Störsignale xref(t, α) gespeichert. Dieses kann wiederum auf jede der oben erörterten Weisen erhalten werden, sei es durch Vorberechnung (Modellierung) , Vermessung in einer Kalibrierungsphase oder „online" wie anhand der Fig. 7 und 8 beschrieben, nur eben unter zusätzlicher Berücksichtigung der jeweiligen Senderichtung α des Laserscanners 1.

[0068] Ausgehend von dem im Speicher 6 des Laserscanners 1 oder einem anderen Speicher, z.B. einer Offline-Auswertezentrale, gespeicherten Satz von senderichtungsabhängigen Referenz-Störsignalen xref(t, α) wird für jeden Laserimpuls Sm das seiner jeweiligen Senderichtung α zugeordnete Referenz-Störsignalen xref(t, α) ermittelt und wie anhand der Fig. 2c und 2d beschrieben zeitreferenziert auf den jeweiligen Sendezeitpunkt tSm vom Empfangssignal e(t) subtrahiert, um das bereinigte Empfangssignal f(t) zu erzeugen.

[0069] Die Fig. 11 und 12 zeigen zwei verschiedene Auswerteverfahren, die an dem bereinigten Empfangssignal f(t) vorgenommen werden können, u.zw. einmal zur MTA-zonenselektiven Entfernungsvermessung (Fig. 11) und einmal zur MTA-zonenübergreifenden Entfernungsvermessung (Fig. 12).

[0070] In beiden Varianten, Fig. 11 und 12, werden die Sendeimpulse Sm nicht mehr mit einem konstanten Impulsabstand τ = 1/PRR sondern einem von Sendeimpuls zu Sendeimpuls variierenden Impulsabstand x-i = 1/PRR-i, t2 = 1/PRR2 usw., allgemein xm = 1/PRRm ausgesandt. Mit anderen Worten wird die Impulswiederholungsrate PRR bzw. der Impulsabstand τ gleichsam mit einem Signal moduliert („pulspositionsmoduliert"), um die genannte Variation der Impulsabstände xm zu erzielen. Die Variation des Impulsabstandes xm von Impuls zu Impuls ist bevorzugt nur geringfügig, beispielsweise +/-1%, +/-5% oder +/-10% um den mittleren (durchschnittli chen) Impulsabstand x.

[0071] Das Modulationssignal zur Erzielung der genannten Impulsabstandsvariation kann beliebiger Art sein, z.B. ein Sinussignal, Dreiecksignal, Sägezahnsignal, Treppensignal, ein Datensignal mit eigenem Informationsgehalt usw. Bevorzugt ist das Modulationssignal ein statistisch zufälliges Signal wie weißes Rauschen. Mit einem solchen Zufallssignal wird die Impulswiederholungsrate PRRm bzw. der Impulsabstand xm in der Art eines zufälligen „Phasenjitters" der Sendeimpulse Sm statistisch zufällig variiert. In bestimmten Grenzen kann ein solches Zu- 9/20

SstereicftrecfK psaisatsmi AT513 402 B1 2014-09-15 fallssignal auch lediglich pseudozufällig sein.

[0072] Gemäß Fig. 11 werden ungeachtet der Variation des Impulsabstandes Tm nun Zeitfenster Wi, W2,... des bereinigten Empfangssignals f (t) betrachtet, die jeweils in einem vorgegebenen Abstand AW vom Sendezeitpunkt tSm eines Laserimpulses Sm beginnen; das Empfangssignal f(t) wird damit in Abschnitte 15 zerlegt. Der vorgegebene Abstand AW entspricht der gewünschten zu vermessenden MTA-Zone: Für die erste MTA-Zone Z ist AW = 0, für die zweite MTA-Zone Z' ist AW = 1 τ, für die dritte MTA- Zone Z" ist AW = 2 τ usw. usf.

[0073] Werden die Abschnitte 15 des bereinigten Empfangssignals f(t) nun einander zeitrichtig überlagert und aufsummiert, ergibt sich ein Summensignalverlauf ΐΣ(ΐ), in welchem sich Empfangsimpulse Em aus nicht gewünschten („falschen") MTA-Zonen aufgrund der Phasenlagen-Verjitterung der Sendeimpulse Sm in ihrer Zeitlage ebenfalls „verjittern" und damit nur zu einem Summenimpuls 16 verhältnismäßig geringer Maximalamplitude superponieren, wogegen Empfangsimpulse Em aus der gewünschten „richtigen" MTA-Zone unverjittert bleiben und sich zu einem signifikanten Impuls 17 superponieren, der gegenüber einem Schwellwert g (Fig. 11b) detektiert werden kann, um seinen Auftrittszeitpunkt tE zu ermitteln (Fig. 11c).

[0074] Fig. 12 zeigt eine alternative Verwendung der PRR-Modulation zu automatischen MTA-Zonenzuordnung von im bereinigten Empfangsignal f (t) detektierten Empfangsimpulsen Em. Aus ein und demselben bereinigten Empfangssignal f (t) werden für eine Folge von Sendeimpulsen Sm jeweils mehrere (hier: 4) verschiedene Folgen F, F\ F", F'" von Laufzeit- bzw. Entfernungsmesswerten Dm gebildet, und zwar einmal unter Zuordnung der Empfangsimpulse Em des Zeitfensters Wm zu dem Sendeimpuls Sm dieses Zeitfensters (AW = 0) für die erste Folge F; einmal unter Zuordnung der Empfangsimpulse Em des Zeitfensters Wm' zu dem vorangegangenen Sendeimpuls Sm_i (AW = 1 τ) für die Folge F'; einmal unter Zuordnung des Empfangsimpulses Em im Zeitfenster Wm" zu dem vorvergangenen Sendeimpuls Sm.2 (AW = 2 · τ) für die Folge F"; und einmal unter Zuordnung des Empfangsimpulses Em im Zeitfenster Wm'" zu dem vor-vorvergangenen Sendeimpuls Sm.3 (AW = = 3 · τ) für die Folge F".

[0075] Jene Folge F, welche die „richtige" Zuordnung von Empfangsimpulsen zu Sendeimpulsen entsprechend der „richtigen" MTA-Zone (hier: Z') enthält, ist von der PRR-Modulation, d.h. der Variation der Impulsabstände Tm, am geringsten beeinflusst (am wenigsten „verjittert"). Durch einen signalanalytischen Vergleich der Folgen F, F, F", F", beispielsweise durch darin Wiedererkennen des ursprünglichen PRR-Modulationssignals mittels Korrelation, oder durch Ermittlung eines Grades an „Unordnung" in der Folge, z.B. Messung ihres Rauschanteils oder höherfrequenter Signalanteile usw., kann die von der PRR-Modulation am wenigsten beeinträchtigte Folge als die richtige Folge mit den korrekten Entfernungsmesswerten Dm ermittelt werden. In dem Laserscan-Beispiel der Fig. 3 und 4 kann damit für Umgebungsziele Ui, U2, UV, U2' in beliebigen MTA-Zonen Z, Z', Z" usw. jeweils die korrekte Entfernung D^ D2, DV, D2' usw. ermittelt werden, ohne vorherige Kenntnis des Terrains. Beim Überfliegen von MTA-Zonen-grenzen 10 wird automatisch gemäß Fig. 12 die dann erneut korrekte MTA-Zone ausgewählt; aufgrund der beschriebenen Störreflexionskompensation werden gleichzeitig Messwertausfälle vermieden.

[0076] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen. 10/20

Claims (14)

1. Bsferreidsscte KSäötiattit AT513 402B1 2014-09-15 Patentansprüche 1. Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels (Ui) mittels Laserimpulsen (Sm), die von einem Sender (2) ausgesandt, am Ziel (Ui) reflektiert und in einem Empfänger (4) empfangen werden, wobei Sender (2) und Empfänger (4) eine gemeinsame Tragstruktur (7) haben, an welcher Störreflexionen (Xm) der Laserimpulse (Sm) auftreten, umfassend: Aussenden eines Laserimpulses (Sm) vom Sender (2) auf ein Ziel (U,) zu einem Sendezeitpunkt (tSm) in einem Zeitmaßstab (t); Erhalten eines Empfangssignals (e(t)), das eine vom Empfänger (4) aufgefangene Zielreflexion (Em) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert; Subtrahieren eines gespeicherten Referenz-Störsignals (xref(t)), das eine vom Empfänger (4) auffangbare Störreflexion (Xm) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert, von dem Empfangssignal (e(t)), um ein bereinigtes Empfangssignal (f(t)) zu erhalten; Detektieren eines Impulses (Em) und seines Auftrittszeitpunkts (tEm) im bereinigten Empfangssignal (f(t)) oder einem davon abgeleiteten Signal; und Messen der Entfernung (Dm) des Ziels (Uj) aus der Laufzeit (ATm) zwischen Sendezeitpunkt (tsm) und Auftrittszeitpunkt (tEm), dadurch gekennzeichnet, dass das Referenz-Störsignal (xref(t)) aus Konstruktionsparametern der Tragstruktur (7) näherungsweise berechnet und gespeichert wird.
2. 2. Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels (Uj) mittels Laserimpulsen (Sm), die von einem Sender (2) ausgesandt, am Ziel (Uj) reflektiert und in einem Empfänger (4) empfangen werden, wobei Sender (2) und Empfänger (4) eine gemeinsame Tragstruktur (7) haben, an welcher Störreflexionen (Xm) der Laserimpulse (Sm) auftreten, umfassend: Aussenden eines Laserimpulses (Sm) vom Sender (2) auf ein Ziel (U,) zu einem Sendezeitpunkt (tSm) in einem Zeitmaßstab (t); Erhalten eines Empfangssignals (e(t)), das eine vom Empfänger (4) aufgefangene Zielreflexion (Em) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert; Subtrahieren eines gespeicherten Referenz-Störsignals (xref(t)), das eine vom Empfänger (4) auffangbare Störreflexion (Xm) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert, von dem Empfangssignal (e(t)), um ein bereinigtes Empfangssignal (f(t)) zu erhalten; Detektieren eines Impulses (Em) und seines Auftrittszeitpunkts (tEm) im bereinigten Empfangssignal (f(t)) oder einem davon abgeleiteten Signal; und Messen der Entfernung (Dm) des Ziels (Uj) aus der Laufzeit (ATm) zwischen Sendezeitpunkt (tSm) und Auftrittszeitpunkt (tEm)> dadurch gekennzeichnet, dass ein Störsignal (x(t)), das durch eine Störreflexion (Xm) eines früheren Laserimpulses (Sm) verursacht wird, aufgezeichnet und als Referenz-Störsignal (xref(t)) gespeichert wird.
3. 3. Verfahren zur Entfernungsmessung eines Ziels (U,) mittels Laserimpulsen (Sm), die von einem Sender (2) ausgesandt, am Ziel (Ui) reflektiert und in einem Empfänger (4) empfangen werden, wobei Sender (2) und Empfänger (4) eine gemeinsame Tragstruktur (7) haben, an welcher Störreflexionen (Xm) der Laserimpulse (Sm) auftreten, umfassend: Aussenden eines Laserimpulses (Sm) vom Sender (2) auf ein Ziel (U,) zu einem Sendezeitpunkt (tSm) in einem Zeitmaßstab (t); Erhalten eines Empfangssignals (e(t)), das eine vom Empfänger (4) aufgefangene Zielre- 11/20 Österreich Ische» £ssi«t!<sn!: AT513 402B1 2014-09-15 flexion (Em) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert; Subtrahieren eines gespeicherten Referenz-Störsignals (xref(t)), das eine vom Empfänger (4) auffangbare Störreflexion (Xm) des Laserimpulses (Sm) als einen auf den Sendezeitpunkt (tSm) bezogenen Amplitudenverlauf über der Zeit repräsentiert, von dem Empfangssignal (e(t)), um ein bereinigtes Empfangssignal (f(t)) zu erhalten; Detektieren eines Impulses (Em) und seines Auftrittszeitpunkts (tEm) im bereinigten Empfangssignal (f(t)) oder einem davon abgeleiteten Signal; und Messen der Entfernung (Dm) des Ziels (U,) aus der Laufzeit (ATm) zwischen Sendezeitpunkt (tSm) und Auftrittszeitpunkt (tEm), dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserimpulse (Sm) zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten (tSm) ausgesandt und mehrere Zeitabschnitte (12) des Empfangssignals (e(t)), die jeweils nach einem Sendezeitpunkt (tSm) beginnen, auf darin mehrheitlich mit derselben Amplitude (Axref) und/oder Zeitlage (tx) auftretende Impulse überprüft werden und, wenn solche vorhanden, aus diesen ein Referenz-Störsignal (xref(t)) gebildet und gespeichert wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilden und Speichern des Referenz-Störsignals (xref(t)) nach einer vorgegebenen ersten Anzahl (a) von Laserimpulsen (Sm) wiederholt wird, wobei jedes der aufeinanderfolgend gebildeten Referenz-Störsignale (xref,m(t)) auf Grundlage einer vorgegebenen zweiten Anzahl (b) von jeweils vorhergehenden Laserimpulsen (Sm) gebildet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der genannten Überprüfung auf Mehrheitlichkeit Impulse (Xm, Em) aus weiter zurückliegenden Zeitabschnitten (12) schwächer gewichtet werden.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmmeldung erzeugt wird, wenn das Referenz-Störsignal (xref(t)) einen vorgegebenen Schwellwert (c) überschreitet.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alarmmeldung erzeugt wird, wenn die Differenz zweier aufeinanderfolgend gebildeter Referenz-Störsignale (xref 1 (t), (xref,2(t)) einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserimpulse (Sm) zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten (tSm) ausgesandt werden und das Empfangssignal (e(t)) dementsprechend mehrere aufeinanderfolgend aufgefangene Zielreflexionen (Em) repräsentiert, und dass für jeden Laserimpuls (Sm) das Referenz-Störsignal (xref(t)) jeweils einmal zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt (tSm) dieses Laserimpulses (Sm) vom Empfangssignal (e(t)) subtrahiert wird.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laserimpulse (Sm) in unterschiedlichen Senderichtungen (a) auf unterschiedliche Ziele (U,) ausgesandt werden und das Empfangssignal (e(t)) dementsprechend mehrere aufeinanderfolgend aufgefangene Zielreflexionen (Em) von unterschiedlichen Zielen (LI,) repräsentiert, dass für jede Senderichtung (a) ein eigenes Referenz-Störsignal (xref(t,a)) gespeichert wird, und dass für jeden Laserimpuls (Sm) das seiner Senderichtung (a) zugeordnete Referenz-Störsignal (xref(t,a)) zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt (tSm) dieses Laserimpulses (Sm) vom Empfangssignal (e(t)) subtrahiert wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse (Sm) mit variierenden Impulsabständen (im) ausgesandt werden, und dass mehrere Zeitabschnitte (15) des bereinigten Empfangssignals (f(t)), die jeweils in einem vorgegebenen Abstand (AW) vom Sendezeitpunkt (tSm) eines Laserimpulses (Sm) beginnen, zu einem Summensignal (fs(t)) überlagert werden, in welchem anschließend ein Impuls (Em) detek-tiert wird. 12/20 Bsferreidsscte KSäötiattit AT513 402B1 2014-09-15
11. 11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserimpulse (Sm) mit variierenden Impulsabständen (xm) ausgesandt werden, und dass Laufzeiten (ATm) jeweils zwischen einem Laserimpuls (Sm) und jenem im bereinigten Empfangssignal (f(t)) de-tektierten Impuls (Em) gemessen werden, der in einem Zeitfenster (W) liegt, das in einem vorgegebenen Abstand (AW) vom Sendezeitpunkt (tSm) dieses Laserimpulses (Sm) beginnt.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Folge (F) von Laufzeiten (ATm) auf Basis eines ersten vorgegebenen Abstands (AW) und eine zweite Folge (F') von Laufzeiten (ATm) auf Basis eines zweiten vorgegebenen Abstands (AW) gemessen wird, und dass jene Folge (F, F') von Laufzeiten (ATm), welche von der Variation der Impulsabstände (xm) am geringsten beeinflusst ist, für die Entfernungsmessung verwendet wird.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenz-Störsignal (Xref(t)) fortschreitend von seinem Speicher (6) abgerufen und zeitreferen-ziert auf den Sendezeitpunkt (tSm) des Laserimpulses (Sm) in Echtzeit vom einlangenden Empfangssignal (e(t)) subtrahiert wird.
14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Empfangssignal (e(t)) aufgezeichnet und anschließend das Referenz-Störsignal (xref(t)) zeitreferenziert auf den Sendezeitpunkt (tSm) des Laserimpulses (Sm) davon subtrahiert wird. Hierzu 7 Blatt Zeichnungen 13/20