AT519103B1 - Verfahren, Vorrichtung und Fahrzeug zur Entfernungsmessung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Fahrzeug zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen (Un) durch Laufzeitmessung von daran reflektierten Impulsen (Sn), insbesondere Laserimpulsen, welche mit unterschiedlichen Aussendewinkeln (α) zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten (tS,n) ausgesendet und begleitend empfangen werden, umfassend für zumindest einen ausgesendeten Impuls (Sn): Ermitteln eines Schwellwerts (σ) in Abhängigkeit vom Aussendewinkel (α), wobei die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts (σ) vom Aussendewinkel (α) durch eine Funktion (f) vorgegeben ist; Qualifizieren eines zwischen dem Sendezeitpunkt (tS,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem Sendezeitpunkt (tS,n+1) des nachfolgend ausgesendeten Impulses (Sn+1) empfangenen reflektierten Impulses (En) als Messimpuls (E'n), wenn dieser empfangene reflektierte Impuls (En) den ermittelten Schwellwert (σ) überschreitet, und Ermitteln eines Empfangszeitpunkts (tE',n) des qualifizierten Messimpulses (E'n); und Berechnen der Laufzeit aus dem Sendezeitpunkt (tS,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem ermittelten Empfangszeitpunkt (tE',n).

Description

Beschreibung [0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen durch Laufzeitmessung von daran reflektierten Impulsen, insbesondere Laserimpulsen, welche mit unterschiedlichen Aussendewinkeln zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten ausgesendet und begleitend empfangen werden. Die Impulse können beliebiger Art sein, z.B. Lichtimpulse, insbesondere Laserimpulse, Funkimpulse, insbesondere Radarimpulse, Schallimpulse od.dgl. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausführung eines derartigen Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung.

[0002] Moderne Messvorrichtungen zur Impulslaufzeit-Entfernungsmessung wie Laserentfernungsmesser bzw. -scanner arbeiten mit hoher Impulswiederholrate zur raschen Erzeugung einer Vielzahl von Entfernungsmesspunkten der Umgebung, wobei sie eine hohe Zeit- und/oder Ortsauflösung erzielen. Dabei kann sich je nach Entfernung der Umgebungsziele die Situation ergeben, dass der nachfolgende Impuls schon ausgesandt wird, bevor die Reflexion des letzten Impulses empfangen wird, sodass jeder eintreffende reflektierte Impuls nicht mehr eindeutig einem ausgesendeten Impuls zugeordnet werden kann. Eine solche Situation ist als „multiple time around" (MTA) bzw. „multiple pulses in the air" (MPIA) bekannt. Die maximale Größe dmax des eindeutig vermessbaren Entfernungsbereichs - der sogenannten „MTA-Zone" - ergibt sich dabei aus Impulswiederholrate („pulse repetition rate", PRR) und Lichtgeschwindigkeit c zu dmax = c/(2 PRR). Beispielsweise hat ein Laserscanner mit einer Impulswiederholrate PRR von 1 MHz eine MTA-Zonengröße dmax von etwa 150 m.

[0003] Gerade bei der terrestrischen Entfernungsmessung von Umgebungszielen - z.B. eines Steinbruchs von einer stationären Messvorrichtung aus, eines Geländes von einer an einem unbemannten Luftfahrzeug („unmanned aerial vehicle", UAV) montierten und somit mobilen Messvorrichtung aus oder eines Straßenzuges von einer auf einem Straßenfahrzeug montierten, ebenfalls mobilen Messvorrichtung aus - liegen die interessierenden Umgebungsziele im Allgemeinen nahe, d.h. innerhalb der ersten MTA-Zone, in welcher auf jeden ausgesendeten Impuls direkt der zugehörige reflektierte Impuls empfangen wird. Allerdings ist vielfach nicht zu vermeiden, dass manchmal, z.B. an den Rändern des zu vermessenden Steinbruchs, im Verlauf des Geländes oder zwischen zwei Gebäuden des zu vermessenden Straßenzugs, plötzliche Sprünge des Entfernungsbereichs und somit der MTA-Zone auftreten. Gerade moderne Messvorrichtungen mit großer Sendeleistung und hoher Empfangsempfindlichkeit begünstigen dabei eine Detektion von in anderen MTA-Zonen reflektierten Impulsen, was zu Fehlmessungen führen kann.

[0004] Um dem entgegenzuwirken, könnten Verfahren zur MTA-Zonen-Erkennung bzw. -Korrektur angewendet werden, z.B. Impulsmodulations- oder -polarisationsverfahren, oder jenes Verfahren, das dieselbe Anmelderin in dem Patent AT 515 214 beschrieben hat; demnach folgen Impulsabstände einer Gruppe aufeinanderfolgender Sendeimpulse einem bekannten Abstandsmuster, worauf anhand dieses Musters unabhängig von der MTA-Zone die richtige Empfangsimpulsgruppe im Empfangssignal ermittelt wird.

[0005] Wenn im Wesentlichen Nahziele interessieren, sind solche Verfahren jedoch unnötig zeit- und rechenaufwändig. Für diesen einfachen Fall ist es bekannt, bloß die Sendeleistung der Messvorrichtung zu reduzieren, sodass an entfernten Zielen reflektierte Impulse für eine Detektion in den meisten Fällen zu schwach sind. Dies führt zugleich dazu, dass auch die Amplitude aller anderen reflektierten Impulse herabgesetzt sind und sich deshalb das Signal/Rausch-Verhältnis („signal-to-noise ratio", SNR) im Empfangskanal der Messvorrichtung verschlechtert. Insbesondere schwach reflektierende Umgebungsziele in der Nähe, aber auch spiegelnde Umgebungsziele, welche in andere Richtungen als zum Empfänger hin reflektieren, können dabei oft gar nicht mehr vermessen werden; die Messung wird dann lückenhaft. Ferner kommt es auch bei reduzierter Sendeleistung vielfach zu Fehlmessungen durch weit entfernte Ziele in anderen MTA-Zonen, wenn diese nur ausreichend günstige Reflexionseigenschaften haben.

[0006] Die Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungs- messung von Umgebungszielen zu schaffen, welche auf einfache Weise eine sichere und störungsunanfällige Entfernungsmessung von Umgebungszielen in der Nähe erlauben.

[0007] Dieses Ziel wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung mit einem Verfahren der einleitend genannten Art erreicht, welches für zumindest einen ausgesendeten Impuls umfasst: [0008] Ermitteln eines Schwellwerts in Abhängigkeit vom Aussendewinkel, wobei die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts vom Aussendewinkel durch eine Funktion vorgegeben ist; [0009] Qualifizieren eines zwischen dem Sendezeitpunkt des ausgesendeten Impulses und dem Sendezeitpunkt des nachfolgend ausgesendeten Impulses empfangenen reflektierten Impulses als Messimpuls, wenn dieser empfangene reflektierte Impuls den ermittelten Schwellwert überschreitet, und Ermitteln eines Empfangszeitpunkts des qualifizierten Messimpulses; und [0010] Berechnen der Laufzeit aus dem Sendezeitpunkt des ausgesendeten Impulses und dem ermittelten Empfangszeitpunkt.

[0011] Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in den meisten Fällen bereits vor Beginn einer Entfernungsmessung Bereiche abgeschätzt werden können, in welchen Umgebungsziele in der Nähe angeordnet sind, und andere Bereiche, in welchen ausschließlich oder zumindest zusätzlich entfernte Umgebungsziele auftreten können, wobei die genannten Bereiche durch verschiedene Aussendewinkel voneinander unterschieden werden können. So sind beispielsweise beim Scannen eines annähernd ebenen Geländes, z.B. einer Überlandstraße, von einem Luft- oder Straßenfahrzeug aus unterhalb der Messvorrichtung sehr nahe Umgebungsziele zu erwarten, z.B. die Fahrbahn, ein Bankett od.dgl., sodass für solche Aussendewinkel ein sehr niedriger Detektionsschwellwert festgelegt werden kann, um eine hohe Empfindlichkeit der Entfernungsmessung zu erzielen und so auch schlecht oder ungünstig reflektierende Umgebungsziele, z.B. Bahnschienen oder Schachtdeckel, sicher erfassen zu können. In den Bereichen seitlich der Messvorrichtung könnten hingegen vorrangig entfernte Ziele zu erwarten sein; in anderen Fällen, z.B. beim Vermessen von Straßenzügen in verbautem Gebiet, könnten in solchen seitlichen Bereichen Umgebungsziele in wechselnden Entfernungen auftreten. An entfernten Zielen reflektierte Impulse geringerer Amplitude werden dann nicht qualifiziert und können, da sie in der Entfernungsmessung nicht erfasst werden, auch keine Fehler verursachen, wenn für solche Bereiche von Aussendewinkeln ein höherer Detektionsschwellwert vorgegeben ist. Ein solches Verfahren kann auf sehr einfache Weise eingesetzt werden, sodass es zugleich empfindlich im Nahbereich und robust gegenüber Reflexionen aus dem Fernbereich ist.

[0012] Besonders einfach ist dieses Verfahren anzuwenden, wenn die genannte Funktion eine zumindest zweistufige Funktion ist. Alternativ ist es besonders günstig, wenn die genannte Funktion eine stetige Funktion ist. Eine solche stetige Funktion ermöglicht einen gleichmäßigen Übergang von einem hohen zu einem niedrigen Schwellwert, wodurch mögliche störende Darstellungsfehler infolge sprunghafter Änderung vermieden werden, wie sie gerade im Unstetigkeitsbereich einer Stufenfunktion auftreten können.

[0013] Bevorzugt wird die genannte Funktion in Abhängigkeit von einer Höhe des Aussendens der Impulse über Grund ermittelt. Dadurch wird berücksichtigt, dass z.B. beim Scannen eines annähernd ebenen Untergrundes von einer geringeren Aussendehöhe aus, d.h. einer geringeren Höhe der Messvorrichtung über Grund, Umgebungsziele in größerer Entfernung erst bei einem gegenüber der Lotrichtung größeren Aussendewinkel erfasst werden und umgekehrt.

[0014] Um die Effizienz des Verfahrens weiter zu erhöhen, ist es vorteilhaft, wenn die genannte Funktion in Abhängigkeit von einem gespeicherten Geländemodell ermittelt wird. In Kenntnis eines solchen - möglicherweise auch nur groben - Geländemodells, welches beispielsweise Hanglagen berücksichtigt, ist eine Vorausplanung der Entfernungsmessung möglich, sodass eine besonders robuste Entfernungsmessung mit minimalen Fehlzuordnungen erzielt werden kann.

[0015] Insbesondere in mobilen Anwendungen wird bevorzugt die genannte Funktion ferner in Abhängigkeit von einer begleitend gemessenen geographischen Position des Aussendens ermittelt. Die meist ohnehin vorgesehene geographische Positionsmessung - z.B. mithilfe eines globalen Navigationssatellitensystems („global navigation satellite system", GNSS) - wird dabei nicht bloß zur nachträglichen geographischen Zuordnung der Messergebnisse sondern bereits zur Ermittlung der genannten Funktion verwendet. Insbesondere bei gleichzeitiger Verwendung eines Geländemodells können dadurch die genannte Funktion und mit ihr der Schwellwert positionsabhängig und somit besonders treffsicher ermittelt werden, wenn aus dem Geländemodell zu der gemessenen Position ein Geländeverlauf herausgelesen und der Ermittlung der genannten Funktion zugrundegelegt wird.

[0016] Gemäß einem zweiten Aspekt schafft die Erfindung eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen durch Laufzeitmessung von daran reflektierten Impulsen, insbesondere Laserimpulsen, welche umfasst: [0017] einen Sender mit einer Ausrichteinheit zum Aussenden von Impulsen mit unterschiedlichen Aussendewinkeln zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten; [0018] einen Empfänger zum begleitenden Empfangen reflektierter Impulse; [0019] eine an die Ausrichteinheit angeschlossene Recheneinheit zum Ermitteln eines Schwellwerts in Abhängigkeit vom Aussendewinkel für einen ausgesendeten Impuls, wobei die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts vom Aussendewinkel durch eine Funktion vorgegeben ist; [0020] einen an den Empfänger und die Recheneinheit angeschlossenen Schwellwertdetektor zum Qualifizieren eines zwischen dem Sendezeitpunkt des ausgesendeten Impulses und dem Sendezeitpunkt des nachfolgend ausgesendeten Impulses empfangenen reflektierten Impulses als Messimpuls, wenn dieser empfangene reflektierte Impuls den ermittelten Schwellwert überschreitet, und zum Ermitteln eines Empfangszeitpunkts des qualifizierten Messimpulses; und [0021] eine an den Sender und den Schwellwertdetektor angeschlossene Laufzeitmesseinheit zum Berechnen der Laufzeit aus dem Sendezeitpunkt des ausgesendeten Impulses und dem ermittelten Empfangszeitpunkt.

[0022] Gemäß einem dritten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug zur mobilen Entfernungsmessung von Umgebungszielen, welches eine darauf montierte Vorrichtung der vorgestellten Art und eine mit dieser verbundene Lagemesseinrichtung zur Messung der Lage der Vorrichtung gegenüber der Lotrichtung umfasst. Die Lagemessung gibt einen Absolutbezug für die mobile Entfernungsmessvorrichtung und macht sie unabhängig von der sich laufend ändernden Lage bzw. Ausrichtung der Messvorrichtung.

[0023] Hinsichtlich weiterer Vorteile und Ausführungsformen der Vorrichtung bzw. des Fahrzeugs wird auf die vorangegangen Ausführungen zum Verfahren verwiesen.

[0024] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen: [0025] Fig. 1 ein Fahrzeug mit einer darauf montierten Vorrichtung zur Entfer nungsmessung von Umgebungszielen in einer schematisierten Rückansicht; [0026] die Fig. 2a bis 2c eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß dem Stand der

Technik als Blockschaltbild (Fig. 2a) und jeweils ein Impuls/Zeit-Diagramm der Entfernungsmessung von nahen (Fig. 2b) bzw. entfernten Umgebungszielen (Fig. 2c); [0027] Fig. 3 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernungsmessung von

Umgebungszielen durch Laufzeitmessung in Form eines Blockschaltbildes; [0028] Fig. 4a ein beispielhaftes Impuls/Zeit-Diagramm einer Entfernungsmes sung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 3; [0029] Fig. 4b ein Fahrzeug mit einer darauf montierten Vorrichtung gemäß Fig. 3 in ebenem Gelände in einer schematisierten Rückansicht; und [0030] die Fig. 5a bis 5c drei Varianten einer Abhängigkeit des Detektionsschwellwerts vom

Aussendewinkel, nämlich eine Stufenfunktion (Fig. 5a), eine ver-schliffene Stufenfunktion (Fig. 5b) und eine Cosinus-Funktion (Fig. 5c).

[0031] Gemäß den Fig. 1 und 2a bis 2c sendet eine Vorrichtung 1 zur Entfernungsmessung (hier: ein Laserscanner), welche im Beispiel von Fig. 1 auf einem Fahrzeug (hier: einem Straßenfahrzeug 2) montiert ist, Impulse S-ι, S2, ..., allgemein Sn, mit unterschiedlichen Aussende-winkeln α zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten ts,i, ts,2, .... allgemein ts,n, aus. Die ausgesendeten Impulse Sn werden jeweils an Umgebungszielen U2, .... allgemein Un, einer Umgebung 3, z.B. eines Straßenzuges, reflektiert und in der Folge zu Empfangszeitpunkten tE.i, tE,2, ., allgemein tE,n, in der Messvorrichtung 1 als reflektierte Impulse Ei, E2, ..., allgemein En, empfangen. Die jeweilige Laufzeit ΔΤη = (tE,n - ts,n) der reflektierten empfangenen Impulse En ist den jeweiligen Zielentfernungen D^ D2, ..., allgemein Dn, der Umgebungsziele Un von der Messvorrichtung 1 direkt proportional gemäß der bekannten Beziehung (mit c = Lichtgeschwindigkeit):

Dn = c*(tE,n-ts,n)/2 (1) [0032] Zielentfernung Dn und Laufzeit ΔΤη sind somit über die konstante Lichtgeschwindigkeit c miteinander direkt verknüpft und werden im Folgenden synonym verwendet.

[0033] Gemäß Fig. 2a hat die Messvorrichtung bzw. der Laserscanner 1 zur Entfernungsvermessung der Umgebung 3 eine Zeitsteuerung 4, welche zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten ts,n jeweils eine Laserquelle 5 eines Senders 6 zum Aussenden jeweils eines Impulses Sn eines Laserstrahls 7 veranlasst. Eine Ausrichteinheit 8 des Senders 6 - hier: ein mittels eines Motors 9 mit einer Drehzahl ω drehender Umlenkspiegel 10 - sorgt für die unterschiedlichen Aussendewinkel α der Impulse Sn.

[0034] Im Allgemeinen bewirkt die Zeitsteuerung 4 eine konstante Impulswiederholrate („pulse repetition rate", PRR) und somit einen konstanten Impulsabstand τ, wie die Fig. 2b und 2c zeigen; alternativ könnte der Impulsabstand τ auch variabel sein, z.B. abhängig von der Zielentfernung Dn. Ferner kann die Drehzahl ω konstant oder variabel sein, z.B. abhängig vom Aussendewinkel α, oder der Motor 9 den Umlenkspiegel 10 auch nur schrittweise jeweils nach einem oder mehreren ausgesendeten Impulsen Sn weiterdrehen. Überdies könnte die Ausrichteinheit 8 alternativ ohne Umlenkspiegel 10 direkt die Laserquelle 5 ausrichten bzw. verdrehen.

[0035] Der Laserscanner 1 kann als 2D-Laserscanner die Laserstrahlen 7 in einer Ebene oder längs eines Kegelmantels und dabei jeweils entweder wie in Fig. 1 versinnbildlicht rundum oder auf einen Sektor begrenzt aussenden. Alternativ könnte es sich bei dem Laserscanner 1 auch um einen 3D-Laserscanner handeln, welcher Laserstrahlen 7, z.B. mithilfe zweier Umlenkspiegel 10 mit zueinander orthogonalen Drehachsen, über zwei Raumrichtungen scannt.

[0036] Die ausgesendeten Impulse Sn der Laserstrahlen 7 treffen je nach Aussendewinkel α an unterschiedlichen Umgebungszielen Un auf und werden dort je nach Beschaffenheit des Umgebungsziels Un unterschiedlich stark reflektiert und im Laserscanner 1 z.B. über einen Strahlteiler 11' und einen Spiegel 11" einem Empfänger 12 zugeführt. Der Empfänger 12 wandelt das empfangene Lichtsignal in ein elektrisches Empfangssignal e(t) um, in welchem ein nachgelagerter Detektor 13 die Empfangsimpulse En und deren jeweilige Empfangszeitpunkte tE,n ermittelt.

[0037] Aus den jeweils von der Zeitsteuerung 4 und dem Detektor 13 empfangenen Sende-bzw. Empfangszeitpunkten ts,n, tE,„ errechnet eine daran angeschlossene Laufzeitmesseinheit 14 gemäß Gleichung (1) die Laufzeit ΔΤη jedes reflektierten Impulses En und daraus die Zielent-fernung Dn. Wenn gewünscht, kann darauf aus Aussendewinkel α und Zielentfernung Dn jedes Umgebungsziels Un ein 3D-Modell, z.B. in Form einer 3D-Punktewolke der Umgebungsziele Un, ermittelt werden.

[0038] Im Allgemeinen haben die von Umgebungszielen Un in der Nähe des Laserscanners 1 reflektierten empfangenen Impulse En eine größere Amplitude und sind deshalb einfacher zu detektieren, wie dies für die empfangenen Impulse Ei und E2 in Fig. 2b dargestellt ist. Ist jedoch ein Umgebungsziel Un nur sehr schwach reflektierend oder reflektiert spiegelartig wie blanke Straßenbahnschienen 15 (Fig. 1) den überwiegenden Anteil eines Sendeimpulses Sn in eine vom Empfänger 12 abgewandte Richtung, so ist der empfangene Impuls En - wie durch den Impuls En in Fig. 2b ganz rechts versinnbildlicht - ebenfalls schwach. In diesem Fall ist ein Erkennen oder Detektieren des (schwach) reflektierten Impulses En aufgrund des ungünstigen Signal/ Rauschverhältnisses („signal-to-noise ratio", SNR) nur sehr schwer bzw. fehleranfällig möglich. Dem könnte durch eine Erhöhung der Sendeleistung der Laserquelle 5 begegnet werden, was jedoch die Gefahr von Fehlzuordnungen erhöht und durch Augensicherheit begrenzt ist.

[0039] Fig. 2c zeigt einen Fall, welcher insbesondere bei hohen Sendeleistungen und hohen Impulswiederholraten PRR auftritt. Dabei wird ein reflektierter Impuls En eines ausgesendeten Impulses Sn empfangen, erst nachdem der Folgeimpuls Sn+i ausgesendet wurde. Dieses Problem, dass mehrere - hier: zwei - Impulse Sn, Sn+i ausgesendet werden, bevor der erste reflektierte Impuls En empfangen wird, ist als „multiple pulses in the air" (MPIA) bzw. „multiple time around" (MTA) bekannt und führt zu Fehlzuordnungen, wenn die Zielentfernung eines solchen Umgebungsziels Un unrichterweise als nahe - z.B. als Zielentfernung D'n+i anstatt Dn - ermittelt wird. Dadurch bilden sich Zonen aus, sogenannte MTA-Zonen, siehe auch Fig. 4b: In der ersten MTA-Zone ΜΤΑί folgt ein empfangener Impuls En direkt, d.h. vor dem Aussenden eines folgenden Impulses, dem zugehörigen ausgesendeten Impuls Sn (Fig. 2b); die zweite MTA-Zone MTA2 ist jener Bereich, in welchem zwei Impulse Sn vor dem Einlangen des ersten empfangenen Impulses En ausgesendet wurden (Fig. 2c), usw. usf.

[0040] Im Folgenden werden anhand der Fig. 3 bis 5 ein Verfahren und eine neuartige Messvorrichtung 16 - hier: anhand eines Laserscanners - erläutert, welche Umgebungsziele Un im Nahbereich mit hoher Empfindlichkeit detektieren und zugleich die Wahrscheinlichkeit von Fehlmessungen herabsetzt. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche Teile wie in Fig. 2a, sodass im Folgenden nur auf die Unterschiede der Messvorrichtung 16 von Fig. 3 gegenüber der Messvorrichtung 1 von Fig. 2a eingegangen wird.

[0041] Die Messvorrichtung 16 von Fig. 3 hat eine an die Ausrichteinheit 8 angeschlossene Recheneinheit 17. Die Recheneinheit 17 ermittelt einen Schwellwert σ in Abhängigkeit vom Aussendewinkel α des jeweils ausgesendeten Impulses Sn. Die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts σ vom Aussendewinkel α ist durch eine Funktion f vorgegeben, d.h. σ = f(a) . Das Ermitteln des durch die Funktion f vorgegebenen Schwellwerts σ zu einem Aussendewinkel α kann beispielsweise durch Heraussuchen des jeweiligen Funktionswerts aus einer Funktionstabelle der Funktion f, das Auswerten einer Vergleichsfunktion insbesondere im Falle einer Stufenfunktion oder das Berechnen des jeweiligen Funktionswerts anhand einer vorgegebenen Funktionsgleichung der Funktion f erfolgen.

[0042] Beispielsweise kann die Funktion f - egal ob in einer Tabelle, einer Vergleichsfunktion oder einer Funktionsgleichung - eine zumindest zweistufige Funktion sein (Fig. 5a) oder eine stetige Funktion, z.B. eine verschliffene Stufenfunktion (Fig. 5b), eine Cosinus-Funktion (Fig. 5c) oder jede andere geeignete - auch asymmetrische - Funktion f in Abhängigkeit vom Aussendewinkel α. Jedenfalls gibt die Funktion f zu verschiedenen Aussendewinkeln α unterschiedliche Schwellwerte σ vor.

[0043] Nach dem Ermitteln des Schwellwerts σ qualifiziert ein an den Empfänger 12 und die Recheneinheit 17 angeschlossener Schwellwertdetektor 18 einen zwischen dem Sendezeitpunkt ts,n des ausgesendeten Impulses Sn und dem Sendezeitpunkt des nachfolgend ausgesendeten Impulses Sn+i empfangenen reflektierten Impuls En als Messimpuls E'n, wenn dieser empfangene reflektierte Impuls En den ermittelten Schwellwert σ überschreitet.

[0044] Fig. 4a zeigt im linken Teil des Diagramms einen einen niedrigen Schwellwert Oi überschreitenden qualifizierten Messimpuls E' 1: welcher von einem Umgebungsziel Ui in der ersten MTA-Zone MTÄ! reflektiert wird, das unter einem Aussendewinkel ch getroffen wird, siehe Fig. 4b. Im Gegensatz dazu wird der empfangene Impuls En im rechten Teil des Diagramms von Fig. 4a von einem Umgebungsziel U2 in der zweiten MTA-Zone MTA2 reflektiert, das unter einem Aussendewinkel a2 getroffen wird, und nicht qualifiziert, da er den für den Aussendewinkel a2 höheren Schwellwert o2 nicht überschreitet, obwohl er möglicherweise den niedrigeren Schwellwert Oi überschritten hätte.

[0045] Für einen qualifizierten Messimpuls E\ bzw. allgemein E'n ermittelt der Schwellwertdetektor 18 zuvor, zugleich oder nachfolgend dessen Empfangszeitpunkt tEi1 bzw. allgemein tEitl. Darauf berechnet die an den Sender 6 und an den Schwellwertdetektor 18 angeschlossene Laufzeitmesseinheit 14 die Laufzeit ΔΤη und damit die Zielentfernung Dn aus der Differenz aus Sendezeitpunkt ts,n des ausgesendeten Impulses Sn und dem ermittelten Empfangszeitpunkt tEitl gemäß Gleichung (1).

[0046] Der Schwellwertdetektor 18 umfasst beispielsweise einen Komparator 19, welcher durch Vergleich des Empfangssignals e(t) des Empfängers 12 mit dem ermittelten Schwellwert σ = f(a) aus dem Empfangssignal e(t) ein schwellwertüberschreitendes Empfangssignal e'(t) erzeugt, und einen nachgeschalteten Impulsdetektor 20, der darin den Messimpuls E'n detektiert und dessen Empfangszeitpunkt ΐΕ·η ermittelt. Alternativ könnte zunächst der Impulsdetektor 20 Impulse En im Empfangssignal e(t) des Empfängers 12 ermitteln und ein schwellwertüberschreitender Messimpuls E'n vom in diesem Fall nachgeschalteten Komparator 19 qualifiziert werden.

[0047] Der Schwellwertdetektor 18 kann den Empfangszeitpunkt tE n des qualifizierten Messimpulses E'n z.B. anhand des Zeitpunkts des Überschreitens des Schwellwerts o, anhand der Zeitlage der Maximalamplitude des Messimpulses E'n oder durch Einpassen eines Referenzimpulses bekannter Zeitlage in den Messimpuls („Impulsformvergleich") ermitteln.

[0048] Es versteht sich, dass das Verfahren einerseits „in Echtzeit" ausgeführt werden kann, d.h. dass die Verfahrensschritte bei Vorliegen der jeweils notwendigen Daten unverzüglich ausgeführt werden. Andererseits können zumindest einzelne Verfahrensschritte erst in einer Nachbearbeitung (Postprocessing) ausgeführt werden, in welch letzterem Fall die für die Nachbearbeitung notwendigen Daten, d.h. die Sendezeitpunkte ts,n und die zugehörigen Aussendewinkel α sowie das Empfangssignal e(t), die Schwellwerte o, das schwellwertüberschreitende Empfangssignal e'(t) und/oder die Empfangszeitpunkte tEill, in einem in der Vorrichtung 16 vorzusehenden Speicher zum späteren Auslesen für die Nachbearbeitung zwischengespeichert werden. Dazu kann die Vorrichtung 16 optional in eine z.B. mobile Messeinheit mit Speicher und eine z.B. stationäre Auswerteeinheit geteilt sein.

[0049] Wie bereits kurz erwähnt, zeigt Fig. 4b die Abhängigkeit des Schwellwerts σ vom Aussendewinkel α in einer Vermessungssituation eines Straßenzuges. Die Messvorrichtung 16 ist z.B. in einer Höhe h über Grund auf einem Straßenfahrzeug 2 montiert und scannt eine Ebene 21 mit einem in der Zeichnungsebene rotierenden Laserstrahl 7 mit einer Impulswiederholrate PRR ab, wodurch sich rund um die Messvorrichtung 16 MTA-Zonen MTA^ MTA2, MTA3 usw. ausbilden. Der Aussendewinkel α wird hier gegenüber der Lotrichtung V gemessen. Damit ergibt sich in diesem Beispiel ein Grenzwinkel aG,u des Aussendewinkels α, hier etwa 60°, bis zu welchem ein reflektierter Empfangsimpuls En von dem in der ersten MTA-Zone MTAi liegenden Teil der Ebene 21 herrührt.

[0050] Fig. 5a zeigt mit durchgezogenen Linien eine zu der Vermessungssituation von Fig. 4b zugehörige erste Ausführungsform der Funktion σ = f(a) in Form einer Stufenfunktion {0 = 0^ (lal < aG,u); σ = o2 | (lal > aG u)}. Diese Abhängigkeitsfunktion f, hier insbesondere der Grenzwert aG u, wird in der Recheneinheit 17 optional in Abhängigkeit von der Höhe h des Senders 6 über Grund ermittelt. Beispielsweise wird bei geringerer Höhe h des Senders 6 über Grund die Funktion f einen größeren Grenzwert aG,u haben; ferner könnten zusätzliche Stufen in die Funktion f eingeführt werden.

[0051] Setzt man die vorliegende Messeinrichtung 16 zum Scannen z.B. des Straßenzugs 3 von Fig. 1 ein, so treten nicht nur unterhalb der Messvorrichtung 16 interessierende nahe Umgebungsziele Un auf, z.B. eine Fahrbahn 22, die Schienen 15, Gehsteige 23 etc., sondern auch oberhalb der Messvorrichtung 16, z.B. eine Verkehrsampel 24, elektrische Leitungen 25, Straßenlaternen 26 etc. Insbesondere in solchen Fällen kann optional, wie in Fig. 5a durch die strichlierten Abschnitte des Funktionsgraphs versinnbildlicht, der Schwellwert σ bei betragsmäßig großen Aussendewinkeln, z.B. oberhalb eines oberen Grenzwerts cG,0, wieder reduziert werden, insbesondere wenn nach oben hin keine die Entfernungsmessung verfälschenden entfernten Ziele in höheren MTA-Zonen MTA2, MTA3 etc. zu erwarten sind.

[0052] Im Beispiel der Fig. 1 wird demnach ein weit entferntes, d.h. außerhalb der ersten MTA-Zone MTAi liegendes (in Fig. 1 nicht sichtbares) Ziel an der linken Seite aufgrund des etwa -90° betragenden Aussendewinkels α und folglich hohen Schwellwerts c2 unterdrückt, wohingegen nahe Umgebungsziele Un aus der ersten MTA-Zone MTA^ z.B. eine Gebäudewand 27, ein Flydrant 28 usw., trotz des höheren Schwellwerts c2 aufgrund ihrer stärkeren Reflexion detek-tierbar bleiben.

[0053] Um im Übergangsbereich von niedrigem Schwellwert c·, zu hohem Schwellwert c2 Fehldetektionen zu vermeiden, kann es hilfreich sein, die Stufenfunktion f(a) von Fig. 5a zu ver-schleifen (Fig. 5b), beispielsweise cosinusförmig (Fig. 5c); auch andere Abhängigkeitsfunktion c = f(a) zwischen Aussendewinkel α und Schwellwert σ sind möglich, z.B. V- oder U-förmige Funktionen.

[0054] Der Aussendewinkel α kann gegenüber jeder beliebigen Richtung im Raum gemessen werden; im Fall des stationären Scannens, z.B. eines Steinbruchs od. dgl., könnte dazu eine Vorzugsrichtung vorbestimmt werden. In den dargestellten Beispielen mobilen Geländescannens ist der Aussendewinkel α ein gegenüber der Lotrichtung V gemessener Winkel. Die Raumlage der Messvorrichtung 16 (oder ihres Senders 6) wird dabei z.B. von einer mit dieser verbundenen Lagemesseinrichtung (nicht gezeigt) gemessen. Auf diese Weise fließen Schräglagen des Senders 6, z.B. ein Lagewinkel ß einer Hochachse H der Messvorrichtung 16 gegenüber der Lotrichtung V (Fig. 1) bzw. gegenüber jedweder vorbestimmten Richtung, in die Ermittlung des Aussendewinkels α ein.

[0055] Ferner kann die genannte Funktion f in der Recheneinheit 17 in Abhängigkeit von einem gespeicherten Geländemodell 29 ermittelt werden. Ein solches Geländemodell 29 bildet beispielsweise einen Steinbruch oder eine Hanglage eines Straßenzugs ab, sodass diese in der Ermittlung der Funktion f berücksichtigt werden, z.B. indem die Funktion f - anders als in den Fig. 5a bis 5c gezeigt - durch Berücksichtigung der Hangneigung gegenüber der Lotrichtung V, d.h. dem Aussendewinkel α = 0, asymmetrisch wird.

[0056] Optional kann die genannte Funktion f ferner in Abhängigkeit von einer mithilfe einer Positionsmesseinheit 30 begleitend gemessenen geographischen Position P des Senders 6 ermittelt werden. Eine solche Positionsmesseinheit 30 kann beispielsweise ein Empfangsmodul eines globalen Navigationssatellitensystems („global navigation satellite system", GNSS) sein oder sich relativ zu festen Umgebungszielen, z.B. Landmarken, selbst verorten. Insbesondere kann dabei die Recheneinheit 17 dafür ausgebildet sein, aus dem genannten Geländemodell 29 zu der gemessenen Position P einen Geländeverlauf G herauszulesen und der Ermittlung der genannten Funktion f zugrundezulegen.

[0057] Beim mobilen Messen kann als Fahrzeug alternativ zu dem in Fig. 4b dargestellten Straßenfahrzeug 2 ebenso ein Schienen-, Wasser- oder Luftfahrzeug eingesetzt werden; es ist dabei unerheblich, ob das Fahrzeug bemannt oder unbemannt, d.h. ein unbemanntes Landfahrzeug („unmanned ground vehicle", UGV), ein unbemanntes Wasserfahrzeug („unmanned surface vehicle", USV oder „unmanned underwater vehicle", UUV) oder ein unbemanntes Luftfahrzeug („unmanned aerial vehicle", UAV), ist.

[0058] Es versteht sich, dass das Verfahren bzw. die Messvorrichtung 16 für jede Art von Lauf-

Zeitmessung ausgebildet sein kann, d.h. auf Grundlage von elektromagnetischen Wellen, z.B. Radar oder Laserlicht, oder Schall, z.B. Sonar. Die Erfindung ist somit nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten, Modifikationen und Kombinationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen.

Claims (15)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen (Un) durch Laufzeitmessung von daran reflektierten Impulsen (Sn), insbesondere Laserimpulsen, welche mit unterschiedlichen Aussendewinkeln (a) zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten (ts,n) ausgesendet und begleitend empfangen werden, umfassend für zumindest einen ausgesendeten Impuls (Sn): Ermitteln eines Schwellwerts (o) in Abhängigkeit vom Aussendewinkel (a), wobei die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts (o) vom Aussendewinkel (a) durch eine Funktion (f) vorgegeben ist; Qualifizieren eines zwischen dem Sendezeitpunkt (ts,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem Sendezeitpunkt (ts,n+i) des nachfolgend ausgesendeten Impulses (Sn+i) empfangenen reflektierten Impulses (En) als Messimpuls (E'n), wenn dieser empfangene reflektierte Impuls (En) den ermittelten Schwellwert (o) überschreitet, und Ermitteln eines Empfangszeitpunkts (tE' n) des qualifizierten Messimpulses (E'n); und Berechnen der Laufzeit aus dem Sendezeitpunkt (ts,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem ermittelten Empfangszeitpunkt (tE ,n).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) eine zumindest zweistufige Funktion ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) eine stetige Funktion ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) in Abhängigkeit von einer Höhe (h) des Aussendens der Impulse (Sn) über Grund ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) in Abhängigkeit von einem gespeicherten Geländemodell (29) ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) ferner in Abhängigkeit von einer begleitend gemessenen geographischen Position (P) des Aussendens ermittelt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Geländemodell (29) zu der gemessenen Position (P) ein Geländeverlauf (G) herausgelesen und der Ermittlung der genannten Funktion (f) zugrundegelegt wird.

8. Vorrichtung zur Entfernungsmessung von Umgebungszielen (Un) durch Laufzeitmessung von daran reflektierten Impulsen (Sn), insbesondere Laserimpulsen, umfassend: einen Sender (6) mit einer Ausrichteinheit (8) zum Aussenden von Impulsen (Sn) mit unterschiedlichen Aussendewinkeln (a) zu aufeinanderfolgenden Sendezeitpunkten (ts,n); einen Empfänger (12) zum begleitenden Empfangen reflektierter Impulse (En); eine an die Ausrichteinheit (8) angeschlossene Recheneinheit (17) zum Ermitteln eines Schwellwerts (o) in Abhängigkeit vom Aussendewinkel (a) für einen ausgesendeten Impuls (Sn), wobei die genannte Abhängigkeit des Schwellwerts (o) vom Aussendewinkel (a) durch eine Funktion (f) vorgegeben ist; einen an den Empfänger (12) und die Recheneinheit (17) angeschlossenen Schwel Iwertde-tektor (18) zum Qualifizieren eines zwischen dem Sendezeitpunkt (ts,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem Sendezeitpunkt (ts,n+i) des nachfolgend ausgesendeten Impulses (Sn+i) empfangenen reflektierten Impulses (En) als Messimpuls (E'n), wenn dieser empfangene reflektierte Impuls (En) den ermittelten Schwellwert (o) überschreitet, und zum Ermitteln eines Empfangszeitpunkts (tE,n) des qualifizierten Messimpulses (E'n); und eine an den Sender (6) und den Schwellwertdetektor (18) angeschlossene Laufzeitmesseinheit (14) zum Berechnen der Laufzeit aus dem Sendezeitpunkt (ts,n) des ausgesendeten Impulses (Sn) und dem ermittelten Empfangszeitpunkt (tE',n)·

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) eine zumindest zweistufige Funktion ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Funktion (f) eine stetige Funktion ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (17) dafür ausgebildet ist, die genannte Funktion (f) in Abhängigkeit von einer Höhe (h) des Senders (6) über Grund zu ermitteln.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (17) dafür ausgebildet ist, die genannte Funktion (f) in Abhängigkeit von einem gespeicherten Geländemodell (29) zu ermitteln.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch eine mit der Recheneinheit verbundene Positionsmesseinheit (30) zum begleitenden Messen der geographischen Position (P) des Senders (6), wobei die Recheneinheit (17) dafür ausgebildet ist, die genannte Funktion (f) ferner in Abhängigkeit von der gemessenen Position (P) zu ermitteln.

14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (17) dafür ausgebildet ist, aus dem Geländemodell (29) zu der gemessenen Position (P) einen Geländeverlauf (G) herauszulesen und der Ermittlung der genannten Funktion (f) zugrundezulegen.

15. Fahrzeug zur mobilen Entfernungsmessung von Umgebungszielen (Un), umfassend eine darauf montierte Vorrichtung (16) nach einem der Ansprüche 8 bis 14 und eine mit dieser verbundene Lagemesseinrichtung zur Messung der Lage der Vorrichtung (16) gegenüber der Lotrichtung (V). Hierzu 5 Blatt Zeichnungen