DE10014125A1 - Optisches System - Google Patents

Abstract

Es soll auf einfache Weise und mit geringen Kosten eine Bestimmung der Entfernung zwischen einem Bezugsobjekt und mindestens einem Zielobjekt mit hoher Genauigkeit ermöglicht werden. DOLLAR A Hierzu wird beim optischen System eine Meßeinheit mit zwei Referenzlichtleitern mit vorgegebener und unterschiedlicher Länge verbunden, wobei die Meßeinheit mindestens eine Referenzmessung als Laufzeitmessung des optischen Signals in den beiden Referenzlichtleitern zur Ermittlung eines bei der Entfernungsbestimmung herangezogenen Korrekturwerts durchführt. DOLLAR A Optisches System zur Implementierung in einem Abstandswarnsystem für Kraftfahrzeuge.

Description

Optische Systeme werden zur Bestimmung der Entfernung zu bewegten oder ruhenden Objekten (Zielobjekten) für unterschiedliche Beobachtungs­ bereiche (Entfernungsbereiche) eingesetzt. Anwendungen finden diese op­ tischen Systeme insbesondere in Beobachtungsbereichen mit geringer Ent­ fernung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten ("Nahbereich", bsp. je nach Anwendung bis 20 m oder 250 m Entfernung), bsp. im KFZ- Bereich zur Erfassung des ein Kraftfahrzeug umgebenden Verkehrsraums, d. h. zur Bestimmung der Entfernung (des Abstands) eines Kraftfahrzeugs als Bezugsobjekt zu vorausfahrenden, nachfolgenden oder entgegenkommen­ den Fahrzeugen oder sonstigen Reflexionsobjekten. Das von der Sendeein­ heit einer Meßeinheit in den Meßphasen eines Meßvorgangs emittierte opti­ sche Sendesignal (dieses wird insbesondere im IR-Spektralbereich oder im sichtbaren Spektralbereich emittiert) wird nach dem Durchlaufen einer Übertragungsstrecke und der Reflexion an den im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten von der Empfangseinheit der Meßeinheit detek­ tiert und dieses als Empfangssignal (Reflexionssignal) von einer Steuerein­ heit (Auswerteeinheit) nach der Signalverarbeitung (Weiterverarbeitung) hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet; hieraus kann dann insbesondere die gewünschte Entfernungsinformation gewonnen werden. Bei gepulsten op­ tischen Systemen wird das optische Sendesignal zyklisch unterbrochen, d. h. es werden optische Sendepulse mit bestimmter Pulsdauer emittiert; in den Pulspausen zwischen zwei optischen Sendepulsen werden die Reflexions­ signale der vorausgehenden optischen Sendepulse als Empfangssignale de­ tektiert (abwechselnder Sendebetrieb und Empfangsbetrieb; bei kontinu­ ierlichen optischen Systemen wird das optische Sendesignal kontinuierlich emittiert ("continuous wave" cw), wobei die Sendefrequenz des optischen Sendesignals variiert wird, d. h. durch Frequenzmodulation (FM) einen be­ stimmten Modulationsverlauf aufweist; gleichzeitig wird das Empfangssignal detektiert.

Zur Auswertung der Laufzeit des optischen Signals muß der Meßeinheit bzw. der Steuereinheit eine geeignete Zeitreferenz zur Verfügung stehen. Diese einen konstanten Zeittakt generierende Zeitreferenz wird in der Regel durch einen Oszillator, bsp. einen Quarzoszillator realisiert. Optische Systeme mit hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit (die oftmals insbesondere auch über einen großen Temperaturbereich hinweg gewährleistet werden muß), benötigen daher eine sehr exakte, insbesondere temperaturstabile, Zeitreferenz (bsp. einen sehr temperaturstabilen Quarzoszillator), die jedoch aufwendig und damit kostspielig hergestellt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System anzugeben, mit dem eine Bestimmung der Entfernung zwischen einem Bezugsobjekt und Zielobjekten mit hoher Genauigkeit auf einfache Weise und mit gerin­ gen Kosten ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Systems sind Bestandteil der weiteren Patentansprüche.

Beim vorgeschlagenen optischen System werden zwei mit der Meßeinheit verbundene Referenzlichtleiter zur Verbesserung der Genauigkeit der der Laufzeit des optischen Signals und damit der Entfernungsbestimmung zu­ grundeliegenden Zeitreferenz herangezogen, wobei zu vorgegebenen Zeit­ punkten parallel (gleichzeitig) oder sequentiell (sukzessive) zur eigentlichen Entfernungsmessung als Referenzmessung die Laufzeit des optischen Signals in den beiden Referenzlichtleitern gemessen wird. Der erste Referenzlicht­ leiter weist vorzugsweise eine geringe Länge auf, insbesondere entspricht seine Länge der Entfernung zwischen der Meßeinheit und der Berandung des Bezugsobjekts; so daß durch Referenzmessungen im ersten Referenz­ lichtleiter die (immer vorhandenen) einer bestimmten Laufzeit des opti­ schen Signals und damit einer bestimmten Entfernung entsprechenden temperaturabhängigen systembedingten Verzögerungszeiten eliminiert werden können. Der zweite Referenzlichtleiter weist vorzugsweise eine große Länge auf, insbesondere eine Länge, die mindestens der Hälfte der maximal zu messenden Entfernung zwischen dem Bezugsobjekt und den Reflexionsobjekten entspricht. Der Längenunterschied der beiden Referenz­ lichtleiter sollte möglichst groß sein, damit auch der Unterschied der Lauf­ zeit bei den in den beiden Referenzlichtleitern vorgenommenen Referenz­ messungen möglichst groß ist. Anhand der Auswertung der Referenzmessungen in den beiden Referenzlichtleitern kann, insbesondere durch Inter­ polation zwischen den Ergebnissen der beiden Referenzmessungen (vor­ zugsweise durch lineare Interpolation zwischen den Ergebnissen der beiden Referenzmessungen) ein Korrekturwert für die Entfernungsmessung bzw. die Entfernungsbestimmung ermittelt werden, durch den die Relation zwi­ schen der gemessenen Laufzeit des optischen Signals und der Entfernung über alle meßbaren Entfernungen korrigiert werden kann; Temperaturef­ fekte spielen hierbei keine Rolle, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der optischen Signale in den beiden Referenzlichtleitern eine vernachlässigbare Temperaturabhängigkeit aufweist. Die Auswertung der Referenzmessungen und damit die Interpolation zwischen den Referenzmessungen und demzu­ folge der ermittelte Korrekturwert ist umso genauer, je größer der Längen­ unterschied der beiden Referenzlichtleiter und damit der Laufzeitunter­ schied der optischen Signale in den beiden Referenzlichtleitern ist.

Die Sendeeinheit der Meßeinheit kann ein Sendeelement oder mehrere Sendeelemente aufweisen, die bsp. als Sendedioden im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich oder als Halbleiterlaser ausgebildet sein können. Zur Emission des Sendesignals und der beiden Referenzsignale kann entwe­ der das gleiche Sendeelement der Sendeeinheit verwendet werden (insbe­ sondere wenn seitens des Sendeelements bzw. der Sendeelemente genü­ gend Streulicht für ein ausreichendes Referenzsignal vorhanden ist) oder es werden zur Emission des Sendesignals und der beiden Referenzsignale un­ terschiedliche Sendeelemente der Sendeeinheit verwendet.

Die Empfangseinheit der Meßeinheit kann ein Empfangselement oder meh­ rere Empfangselemente aufweisen, die bsp. als Empfangsdioden im sichtba­ ren oder infraroten Spektralbereich oder als Fotoempfänger oder Fototran­ sistoren ausgebildet sein können. Zur Detektion des optischen Empfangs­ signals und der beiden Referenzsignale kann entweder das gleiche Emp­ fangselement der Empfangseinheit verwendet werden, so daß auch die De­ tektion des optischen Empfangssignals und der beiden Referenzsignale nacheinander (sukzessive) erfolgen muß, d. h. die Entfernungsmessung und die Referenzmessungen müssen nacheinander durchgeführt werden, oder es werden zur Detektion des optischen Empfangssignals und der beiden Referenzsignale unterschiedliche Empfangselemente der Empfangseinheit verwendet, so daß auch die Detektion des optischen Empfangssignals und der beiden Referenzsignale gleichzeitig (parallel) erfolgen kann. Da die bei­ den Referenzsignale in einem definierten zeitlichen Abstand stehen, erfolgt die Detektion der beiden Referenzsignale vorzugsweise mit einem (dem gleichen) Empfangselement der Empfangseinheit.

Anzahl und Wiederholfrequenz der Referenzmessungen können beliebig vorgegeben werden, wobei deren zeitliche Abfolge bezüglich der Entfer­ nungsmessungen beliebig gewählt werden kann; bsp. kann bei jeder Ent­ fernungsmessung eine Referenzmessung vorgenommen werden (d. h. in jeder Meßphase eines Meßvorgangs) oder es wird nach einer bestimmten Anzahl an Entfernungsmessungen eine Referenzmessung vorgenommen (bsp. in jedem Meßvorgang mit mehreren Meßphasen eine Referenzmes­ sung)

Die zeitliche Ablaufsteuerung, insbesondere die zeitliche Abfolge der Meß­ vorgänge bzw. Meßphasen sowie die zeitliche Abfolge der Referenzmessun­ gen und Entfernungsmessungen, und die Auswertung der Meßergebnisse sowie die Entfernungsbestimmung erfolgt durch eine mit der Meßeinheit verbundene Steuereinheit.

Vorzugsweise wird zur Entfernungsbestimmung zwischen dem Bezugsob­ jekt und den Zielobjekten ein Pulsverfahren eingesetzt, d. h. die Ermittlung der Laufzeit von optischen Pulsen als optischem Signal dient als Grundlage zur Entfernungsmessung zwischen dem Bezugsobjekt und den Zielobjekten.

Da als Referenzlichtleiter handelsübliche Lichtleiter verwendet werden kön­ nen und diese Lichtleiter billig, einfach zu handhaben und temperaturstabil sind, kann beim vorgestellten optischen System mittels der Referenzmes­ sungen in den beiden Referenzlichtleitern vorteilhafterweise auf einfache Weise und mit geringen Kosten eine Entfernungsmessung mit hoher Genau­ igkeit gewährleistet werden. Darüber hinaus kann durch einen Vergleich über mehrere Meßvorgänge bzw. mittels Langzeitbetrachtungen die Fre­ quenz der Zeitreferenz (des Taktgebers) überprüft werden, und so eine Ei­ gendiagnose ermöglicht werden, was insbesondere bei sicherheitsrelevan­ ten Anwendungen des optischen Systems von Bedeutung ist.

Das optische System soll anhand eines Ausführungsbeispiels, einem in einem Kraftfahrzeug implementierten optischen System zur Bestimmung der Ent­ fernung mittels optischer IR-Pulse, im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden.

Hierbei zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des optischen Systems,

Fig. 2 ein als Grundlage für die Ermittlung des Korrekturwerts für die Ent­ fernungsbestimmung dienendes Diagramm.

Von Abstandssensoren in KFZ-Abstandswarnsystemen muß die Entfernung der im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekte, d. h. der Abstand zwi­ schen dem eigenen Kraftfahrzeug und vorausfahrenden, entgegenkom­ menden oder nachfolgenden Fahrzeugen, Personen und sonstigen Refle­ xionsobjekten, eindeutig und mit hoher Auflösung bestimmt werden; bsp. beträgt der gewünschte Entfernungseindeutigkeitsbereich 150 m und die gewünschte Entfernungsauflösung 1 cm.

Gemäß der Fig. 1 wird zur Entfernungsbestimmung durch ein in einem Kraftfahrzeug 1 implementiertes optisches System in mehreren Meßphasen eines Meßvorgangs von einem Sendeelement 6 der Sendeeinheit 4 einer Meßeinheit 3 ein IR-Sendesignal 13 als optisches Signal mit der Wellenlänge von bsp. 850 nm emittiert (Sendebetrieb); das durch Reflexion an den sich im durch das IR-Sendesignal 13 erfaßten Entfernungsbereich und Winkelbe­ reich befindlichen Zielobjekten 2 (bsp. den vorausfahrenden Fahrzeugen oder Hindernissen) erhaltene Reflexionssignal 14 wird vom Empfangsele­ ment 9 der Empfangseinheit 5 der Meßeinheit 3 als analoges Empfangssignal detektiert (Empfangsbetrieb). Von einer Steuereinheit 7 (die gleichzeitig als Auswerteeinheit fungiert) wird das Empfangssignal hinsichtlich der Laufzeit ausgewertet und hieraus die Entfernungsinformation gewonnen, d. h. die Entfernung dz zwischen dem Kraftfahrzeug als Bezugsobjekt 1 und dem Reflexionsobjekt als Zielobjekt 2. Bsp. werden darüber hinaus in mindestens einer Meßphase des Meßvorgangs neben der Entfernungsmessung zwei Re­ ferenzmessungen mittels der beiden mit der Meßeinheit 3 (mit der Sende­ einheit 4 und der Empfangseinheit 5) verbundenen Referenzlichtleiter 10, 11 durchgeführt.

Die Sendeeinheit 4 der Meßeinheit 3 weist bsp. ein als gepulsten IR- Halbleiterlaser ausgebildetes Sendeelement 6 auf, wobei der IR- Halbleiterlaser ein pulsförmiges IR-Sendesignal 13 mit einer Leistung von bsp. 10 W und einer Wellenlänge von bsp. 850 nm emittiert. Die Empfangs­ einheit 5 der Meßeinheit 3 weist bsp. zwei als IR-Empfangsdioden ausgebildete Empfangselemente 8, 9 auf, die für die Wellenlänge des IR-Sendesignal 13 von bsp. 850 nm empfindlich sind; das Empfangselement 9 dient hierbei zur Detektion des Reflexionssignals 14, das Empfangselement 8 zur Detekti­ on des als Streulicht des IR-Sendesignals 13 in den ersten Referenzlichtleiter 10 mit der Länge L1 eingespeisten optischen Signals und gleichzeitig zur Detektion des als Streulicht des IR-Sendesignals 13 in den zweiten Referenz­ lichtleiter 11 mit der Länge L2 eingespeisten optischen Signals. Der erste Referenzlichtleiter 10 weist bsp. eine Länge L1 von 1 m auf (diese Länge L1 entspricht somit in etwa der Distanz zwischen der Sendeeinheit 4 der Meßeinheit 3 und der Vorderfront 12 des Kraftfahrzeugs 1), der zweite Refe­ renzlichtleiter 11 weist bsp. eine Länge L2 von 100 m auf (diese Länge L2 entspricht somit in etwa der maximal zu messenden Entfernung d2 zwi­ schen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Zielobjekt 2).

Mittels der Steuereinheit 7 (Auswerteeinheit) werden die Ergebnisse der Entfernungsmessungen (die verarbeiteten Reflexionssignale 14) und die Er­ gebnisse der Referenzmessungen ausgewertet; aus den Ergebnissen der Referenzmessungen werden Korrekturwerte für die Ergebnisse der Entfer­ nungsmessungen generiert und die aufgrund der Laufzeit der IR-Pulse er­ mittelten Entfernungen für die Entfernung zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und den Zielobjekten 2 entsprechend korrigiert.

Während der Zeitdauer, in der das Abstandswarnsystem des Kraftfahrzeugs 1 aktiviert ist, werden zyklisch Meßvorgänge durchgeführt. Einem Meßvor­ gang kann eine bestimmte Anzahl an Meßphasen zugeordnet werden und so ein gemittelter Wert für die Entfernung durch Mittelwertbildung ge­ wonnen werden; innerhalb eines Meßvorgangs wird darüber hinaus auch mindestens eine Referenzmessung mittels der beiden Referenzlichtleiter 10, 11 vorgenommen. Bsp. wird ein Meßvorgang (Zeitdauer bsp. 5 ms) in 100 Meßphasen (Zeitdauer bsp. jeweils 50 µs) unterteilt, deren Meßergebnis­ se gemittelt werden; bsp. wird in jedem Meßvorgang eine Referenzmessung mittels des ersten Referenzlichtleiters 10 und eine Referenzmessung mittels des zweiten Referenzlichtleiters 11 durchgeführt.

Anhand der Fig. 2 wird die anhand der Referenzmessungen erfolgende Ermittlung des Korrekturwerts für die Entfernungsbestimmung bei einem auf Laufzeitmessungen optischer Pulse basierenden optischen System erläu­ tert.

Bsp. beträgt die (fest vorgegebene) Länge L1 des ersten Referenzlichtleiters 10 L1 = 1 m, die (fest vorgegebene) Länge L2 des zweiten Referenzlichtlei­ ters 11 L2 = 100 m. Als Zeitreferenz für die Entfernungsmessung wird bsp. ein Quarzoszillator mit einer Taktfrequenz f von 100 MHz herangezogen (Takteinheit tq = 1/f = 10 ns). Durch geeignete Mittelwertbildung bei der Auswertung der Meßergebnisse in verschiedenen aufeinanderfolgenden Meßphasen eines Meßvorgangs kann bei der Entfernungsmessung eine Lauf­ zeitauflösung Δtqmin im Bereich von 0.1 Takteinheiten tq erreicht werden (Δtqmin = 0.1 . tq, Δtqmin = 1 ns).

Gemäß dem Diagramm der Fig. 2 wird zur Bestimmung der Entfernung d2 zwischen dem Kraftfahrzeug 1 und dem Zielobjekt 2 ein Korrekturwert durch lineare Interpolation zwischen den durch Referenzmessungen in den beiden Referenzlichtleitern 10, 11 erhaltenen Meßwerten für die Relation zwischen der Takteinheit tq bzw. der Laufzeit t (Meßwerte t10, t11) und der Entfernung d zwischen Kraftfahrzeug 1 und Zielobjekt 2 (Entfernungswerte d1, d2) ermittelt:

• - Bei einer mit der Sollfrequenz f des Quarzoszillators von 100 MHz (Takteinheit tq = 10 ns) durchgeführten Messung ergeben sich folgende Meßergebnisse für die Laufzeiten t:
  Erste Referenzmessung (erster Referenzlichtleiter 10):
  t10 = 5 tq = 50 ns
  Zweite Referenzmessung (zweiter Referenzlichtleiter 11):
  t11 = 38 tq = 380 ns
  Entfernungsmessung (Zielobjekt 2):
  t2 = bsp. 58 tq = 580 ns
  Bestimmung der Entfernung d2 mit Hilfe des Korrekturwerts:
  dz = [(L2 - L1)/(t11 - t10) * (t2 - t10) + L1]/2 = 80 m
• - Bei einer mit einer (bsp. aufgrund von Temperatureinflüssen oder einer Alterung des Quarzoszillators) von der Sollfrequenz f des Quarzoszillators abweichenden Frequenz von 99 MHz (Takteinheit tq = 10.1 ns) durchge­ führten Messung ergeben sich folgende Meßergebnisse für die Laufzei­ ten t:
  Erste Referenzmessung (erster Referenzlichtleiter 10):
  t10 = 5 tq = 50.5 ns
  Zweite Referenzmessung (zweiter Referenzlichtleiter 10):
  t11 = 37.6 tq = 379.8 ns
  Entfernungsmessung (Zielobjekt 2):
  t2 = bsp. 57.4 tq = 579.8 ns
  Bestimmung der Entfernung d2 mit Hilfe des Korrekturwerts:
  dz = [(L2 - L1)/(t11 - t10) * (t2 - t10) + L1]/2 = 80.06 m
  Ohne Berücksichtigung des aufgrund der beiden Referenzmessungen erhaltenen Korrekturwerts würde sich dagegen bei der Entfernungsbe­ stimmung die (fehlerhafte) Entfernung dz = 79.4 m ergeben.

Claims (11)

1. Optisches System
mit einer Meßeinheit (3), die zur Entfernungsmessung ein optisches Si­ gnal als Sendesignal (13) emittiert und als Reflexionssignal (14) detektiert,
und mit einer Steuereinheit (7), die aufgrund einer Laufzeitmessung des optischen Signals die Entfernung (dz) zwischen einem Bezugsobjekt (1) und sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten (2) be­ stimmt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinheit (3) mit zwei Referenzlichtleitern (10, 11) mit vorge­ gebener und unterschiedlicher Länge (L1, L2) verbunden ist,
und daß die Meßeinheit (3) mindestens eine Referenzmessung als Lauf­ zeitmessung des optischen Signals in den beiden Referenzlichtleitern (10, 11) zur Ermittlung eines bei der Bestimmung der Entfernung heran­ gezogenen Korrekturwerts durchführt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen (L1, L2) der beiden Referenzlichtleiter (10, 11) signifikant unter­ schiedlich gewählt sind.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L1) des ersten Lichtleiters (10) in etwa so groß wie die Entfer­ nung zwischen der Meßeinheit (3) und der Berandung (12) des Bezugsob­ jekts (1) gewählt ist.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge (L2) des zweiten Lichtleiters (11) mindestens halb so groß wie die maximal zu bestimmende Entfernung (dz) zwischen dem Bezugsobjekt (1) und den sich im Beobachtungsbereich befindlichen Zielobjekten (2) gewählt ist.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinheit (3) eine Sendeeinheit (4) mit mindestens einem Sendeelement (6) aufweist.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (4) ein Sendeelement (6) aufweist, dessen Sendesignal (13) zur Entfernungsmessung und zur Referenzmessung dient.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinheit (3) eine Empfangseinheit (4) mit minde­ stens einem Empfangselement (8, 9) aufweist.

8. Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (4) zwei Empfangselemente (8, 9) aufweist, wobei ein Empfangselement (9) zur Entfernungsmessung und ein Empfangsele­ ment (8) zur Referenzmessung dient.

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinheit (3) in einem Meßvorgang mindestens eine Referenzmessung durchführt.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Meßvorgang mehrere Meßphasen zur Entfernungsmes­ sung umfaßt, und daß die Steuereinheit (7) eine Mittelwertbildung über die während der Meßphasen eines Meßvorgangs ermittelten Laufzeiten (t2) des optischen Signals zwischen dem Bezugsobjekt (1) und dem Ziel­ objekt (2) durchführt.

11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinheit (3) als Sendesignal (13) ein pulsförmiges IR- Signal emittiert.