DE10119657A1

DE10119657A1 - Entfernungsmesser auf Basis der Laufzeit eines optischen Signals sowie Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung mit einem optischen Signal

Info

Publication number: DE10119657A1
Application number: DE2001119657
Authority: DE
Inventors: Joachim Tiedecke; Egbert Ronald Ivo Cas Visscher
Original assignee: IDM GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-04-20
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-10-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Entfernungsmesser auf Basis der Laufzeitmessung eines optischen Signals, mit einem Sender und einem Empfänger für das Signal sowie mit einer Steuerungs- und Messeinheit und mit einem bezüglich einer Messstrecke dem Sender und dem Empfänger gegenüberliegenden passiven Reflektor, wobei dem passiven Reflektor ein aktiver Reflektor zugeordnet ist, der Empfangs-, Verstärker- und Sendemittel aufweist. Hierdurch wird eine sichere und zuverlässigere Messung auch bei optischen Beeinträchtigungen der Messstrecke möglich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Entfernungsmes ser auf Basis der Laufzeit eines optischen Signals sowie ein Verfahren zur Bestimmung einer Entfernung mit einem optischen Signal.

Entfernungsmesser auf Basis der Laufzeit eines gepulsten optischen Signals, insbesondere im Infrarotbereich, sind aus der Praxis bekannt. Bei diesen Entfernungsmessern wird von einem kombinierten Sende- und Empfangsmodul ein im allgemeinen im Infrarotbereich liegender Impuls ausge sandt, der zu dem gegenüberliegenden Ende der Messstrecke läuft, dort reflektiert wird und bei seinem Eintreffen an dem Sende- und Empfangsmodul registriert wird. Aus der Laufzeit des Signals lässt sich die Entfernung zwischen dem Sende- und Empfangsmodul und dem Reflektor sehr prä zise bestimmen.

Problematisch wird die optische Abstandsmessung nach den bekannten Verfahren bei atmosphärischen Verhältnissen in der Messstrecke, die zu Streuung oder Absorption des Lichtsignals führen. Im Außenbereich können solche Bedin gungen bei Nebel, Schneefall oder Gischt eintreten. Auch in geschlossenen Gebäuden können z. B. bei Kranlaufbahnen in Hallen Einschränkungen der optischen Übertragungs strecke z. B. durch Rauch- oder Staubentwicklung eintre ten.

Die Detektion des relevanten, am Messobjekt rückgestreu ten Signals wird insbesondere dadurch erschwert, dass ei ne diffuse Reflexion innerhalb der Messstrecke auftritt. Es kommt zu einer Eigenblendung des Systems, die das ei gentliche Messsignal überlagert. Zur Lösung dieses Pro blems ist unter anderem bekannt, einen seitlichen Abstand zwischen Sender und Empfänger einzuführen, der die Eigen blendung vermindert. Zusätzlich kann zwischen dem Sender und dem Empfänger eine Art Blende eingeführt werden, die die Rückstreuung aus dem unmittelbaren Nahbereich vor dem Sender abschattet. Beide Vorschläge verschlechtern jedoch die Eigenschaften des Entfernungsmessers bei kurzen Mess strecken.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Entfernungsmesser und ein Verfahren zur Entfernungsmes sung zu schaffen, die auch bei Beeinträchtigungen der op tischen Eigenschaften der Messstrecke große Sicherheit bieten.

Diese Aufgabe wird von einem Entfernungsmesser mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Weil bei dem Entfernungsmesser auf Basis der Laufzeit messung eines optischen Signals, mit einem Sender und einem Empfänger für das Signal sowie mit einer Steue rungs- und Messeinheit und mit einem bezüglich einer Messstrecke dem Sender und dem Empfänger gegenüberlie genden passiven Reflektor vorgesehen ist, dass dem passiven Reflektor ein aktiver Reflektor zugeordnet ist, der Empfangs-, Verstärker- und Sendemittel auf weist, werden die nachteiligen Einflüsse der Absorpti on, der Streuung und der Eigenblendung bei schwierigen Übertragungsverhältnissen auf der Messstrecke überwun den. Es sind zudem weitere Messgrößen zugänglich, die ausgewertet werden können und die Genauigkeit oder die Betriebssicherheit bei widrigen Bedingungen verbes sern.

Wenn das Empfangsmittel und/oder das Sendemittel des aktiven Reflektors in einer Öffnung des passiven Re flektors angeordnet ist, kann das Messsystem frei von Parallaxenfehlern ausgelegt werden.

Weiter kann eine Modulationsvorrichtung vorgesehen sein, die das Signal zur Übertragung einer Information an den aktiven Reflektor moduliert. Dabei kann das an den aktiven Reflektor übertragene Signal eine Informa tion über eine geforderte Verstärkung in dem Verstär kungsmittel des aktiven Reflektors enthalten.

Bei dem Verfahren zur Entfernungsmessung auf der Basis der Laufzeit eines optischen Signals mit folgenden Verfahrensschritten:

a) Emission eines Signals entlang einer Messstrecke zu einem am gegenüberliegenden Ende der Messstrecke be findlichen Reflektor;
b) Empfange des reflektierten Signals;
c) Bestimmung der Laufzeit des Signals und der Länge der Messstrecke;

ist zusätzlich folgendes vorgesehen:

a) Empfangen des Signals mittels Empfangsmitteln, die am gegenüberliegenden Ende der Messstrecke angeordnet sind;
b) Verstärken des von dem Empfangsmittel aufgenommenen Signals mit einem Verstärkermittel;
c) Zurücksenden eines dem ursprünglichen Signal in Wellenlänge und Amplitude ähnlichen Sekundärsignals in Richtung der Messstrecke mit einem Sendemittel;
d) Detektieren des verstärkten Signals;
e) Bestimmung der Länge der Messstrecke aus der Zeit differenz zwischen der Aussendung des Sendesignals und dem Empfang des aktiv reflektierten Sekundärsignals.

So ergibt sich ein Verfahren, bei dem neben dem Mess wert aus der passiven Reflektion ein zweiter Meßwert gewonnen werden kann, der auch bei beeinträchtigten optischen Bedingungen verfügbar ist.

Wenn zusätzlich vorgesehen ist, die zeitliche Verzöge rung zwischen dem Eintreffen des passiv reflektierten Signals und dem Eintreffen des aktiv reflektierten Se kundärsignals zu bestimmen und die Größe der Verzöge rung sowie vorzugsweise auch die zeitliche Änderung der Verzögerung zu speichern, kann die tatsächliche Signallaufzeit in dem aktiven Reflektor mit hoher Ge nauigkeit bei einer Berechnung Länge der Messstrecke berücksichtigt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass das Signal moduliert ist und Daten enthält, die als Steuerungs- oder Regelungs information für die am gegenüberliegenden Ende der Messstrecke angeordneten Empfangs-, Verstärker-, oder Sendemittel dienen, insbesondere zur Verstärkungsrege lung. So kann die emittierte Signalstärke des Sekun därsignals derart geregelt werden, dass sich am Emp fangsmodul des Entfernungsmessers eine vorteilhafte . Intensität einstellt. Insbesondere kann die Signal stärke des aktiv reflektierten Sekundärsignals im we sentlichen der Signalstärke des passiv reflektierten Signals entsprechen.

Beispielsweise kann eine Information über die opti schen Eigenschaften der Messstrecke aus den Amplitu denunterschieden des passiv reflektierten Signals und des aktiv reflektierten Sekundärsignals bestimmt wer den. Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Sekun därsignals moduliert ist und zur Übertragung von Daten von dem aktiven Reflektor zu dem Empfänger dient. Auf beiden Datenübertragungswegen kann auch Information übertragen werden, die nicht den Entfernungsmesser selbst betrifft.

Die Steuerung ist vorzugsweise so einzurichten, dass zumindest vorübergehend drei Betriebszustände einge nommen werden können, nämlich

1. das passiv reflektierte Signal und das aktiv re flektierte Sekundärsignal werden registriert;
2. das passiv reflektierte Signal wird nicht regi striert, jedoch das Sekundärsignal;
3. das passiv reflektierte Signal wird registriert, das Sekundärsignal wird nicht registriert.

So kann ausgehend von dem als Normalzustand anzuneh menden Zustand 1 sicher in jeden anderen Zustand über geführt werden, wenn dieser eintreten sollte. Insbe sondere kann im Zustand 1 die Entfernung auf Basis des passiv reflektierten Signals ermittelt wird und die Verzögerungszeit des aktiven Reflektors, insbesondere der Kette der Empfangs-, Verstärker-, und Sendemittel, - gegenüber dem passiv reflektierten Signal gemessen und gespeichert werden, weiter im Zustand 2 die Entfernung auf Basis des aktiv reflektierten Signals in Verbin dung mit der im Zustand 1 ermittelten Laufzeit gemes sen werden, und im Zustand 3 die Entfernung auf Basis der Laufzeit des passiv reflektierten Signals ermit telt wird und das Fehlen des aktiv reflektierten Si gnals als Defekt des dem Reflektor zugeordneten Emp fangs-, Verstärker- oder Sendemittels gewertet wird und ein entsprechendes Warnsignal erzeugt werden.

Im folgenden wir ein Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemä ßes Entfernungsmesssystem in einer perspektivi schen Darstellung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des aktiven Reflektors; so wie

Fig. 3 ein typisches Echogramm, wie es im Betrieb des Entfernungsmessers zu erwarten ist.

In der Fig. 1 ist eine schematische perspektive An sicht eines erfindungsgemäßes Entfernungsmesssystem dargestellt. Ein an sich bekannter Entfernungsmesser 1 enthält Sende-, Empfangs- und Steuerungsmittel, die zur Erzeugung eines Infrarotsignals 2 in Richting ei ner Messstrecke 3 eingerichtet sind. Am gegenüber lie genden Ende der Messstrecke 3, deren Länge zu bestim men ist, befindet sich ein passiver Reflektor 4, bei spielsweise auf Basis einer retroreflektierenden Fo lie. Der Reflektor 4 reflektiert das Signal 2 und wirft ein reflektiertes Signal 2' zu dem Empfangsmittel zurück. Dort wird das Signal 2' aufgenommen und die Laufzeit ermittelt, die für das zweimalige zurücklegen der Messstrecke benötigt wurde. Hieraus und aus der Lichtgeschwindigkeit kann dann die Messstrecke berech net werden, wobei derzeit die erzielbare Genauigkeit in Bereich von 1 mm liegt.

Dem Reflektor 4 ist in seiner Mitte ein zusätzlicher aktiver Reflektor 10 zugeordnet, der das Signal 2 emp fängt. Ein dem Signal 2' entsprechendes Sekundärsignal 11 wird aktiv in Richtung der Messstrecke 3 emittiert und ebenfalls im Empfänger des Entfernungsmessers 1 registeriert.

Der Aufbau des aktiven Reflektors 10 geht aus Fig. 2 hervor. Der aktive Reflektor 10 umfaßt demnach ein Empfangsmittel 12 in Form einer Photodiode, ein Sende mittel 13 in Form einer Laserdiode, Verstärker 14 und einen Logikbaustein 15 zur Datenübertragung.

Fig. 3 zeigt als Echogramm den Signalverlauf am Em fangsmittel bei der beschriebenen Konstellation, wobei die x-Achse die Laufzeit des Signals seit dem Aussen den und die y-Achse die Intensität, jeweils in will kürlichen Einheiten, darstellen. Das Echogramm weist einen ersten Peak auf, der dem Signal 2' entspricht, sowie einen zweiten Peak, der dem aktiv reflektierten Sekundärsignal 11 entspricht. Das Sekundärsignal 11 ist gegenüber dem Signal 2' verzögert um eine Zeit t.

Im Betrieb wird also zunächst im Entfernungsmesser das Signal 2 als modulierter oder unmodulierter Puls er zeugt, am Reflektor 4 passiv reflektiert und das re flektierte Signal 2' im Entfernungsmesser 1 regi striert. Außerdem wird das Signal 2 in aktiven Reflek tor 10, dort im Empfangsmittel 12 empfangen und ver stärkt. Danach wird das Sekundärsignal 11 im Sendemit tel 13 erzeugt und ebenfalls zum Entfernungsmesser 1 gesandt, wo es um die Verarbeitungszeit t der Elektro nik im aktiven Reflektor 10 verzögert registriert wird.

Eine Modulation des Signals 2 kann dem aktiven Reflek tor eine Steuerungsinformation übertragen, die den er forderlichen Verstärkungsfaktor für die Verstärker 14 enthält, um eine in der Amplitude den passiv reflek tierten Signal 2 entsprechende Signalstärke für das Signal 11 zu erzeugen. Es können aber auch andere Da ten übertragen werden, die am Ort des Reflektors 4 be nötigt werden, z. B. Schaltinformationen, Informationen über die optischen Bedingungen in der Messstrecke etc.

Im Normalfall wird das Echogramm der Fig. 3 entspre chen. In diesem Fall kann aus dem Signal 2' wie üblich die Länge der Messstrecke 3 berechnet werden. Das zweite Signal 11 wird zur Berechnung der Laufzeit t der Elektronik benutzt. Dabei kann neben der Zeit t selbst auch die Drift der Zeit t ermittelt werden. Aus den relativen Intensitäten kann zudem die optische Dämpfung der Messstrecke durch Absorption oder Streu ung ermittelt werden.

Wird das Signal 2' aufgrund optischer Beeinträchtigung der Messstrecke zu schwach für eine Auswertung, kann die Auswertung allein aufgrund des Signals 11 erfol gen, wobei die Zeit t vor der Berechnung der Entfer nung abzuziehen ist. Die bessere Sichtbarkeit des Si gnals 11 gegenüber dem Signal 2' ergibt sich aus der geringeren Eigenblendung, die bei dem Signal 2' durch das primäre Signal 2 zwangsläufig eintritt, sobald Streuzentren im optischen Weg vorhanden sind. Sie er gibt sich außerdem aus der möglichen Verstärkung des Signals 11 gegenüber dem passiv reflektierten Signal 2'. Schließlich kann aufgrund der Laufzeit t der Im puls des primären Signals 2 zum Zeitpunkt der Emission des Signals 11 bereits beendet sein, so dass das Se kundärsignal 11 praktisch vor einem dunklen Hinter grund sichtbar ist. (Der Begriff Sichtbarkeit stellt in diesem Zusammenhang nicht die Sichtbarkeit für das menschliche Auge dar, sondern allgemein die optische Übertragung in einem Wellenlängenbereich, der auch In frarotstrahlung umfasst).

Wenn das Echogramm nur einen Peak enthält, kann auch der aktive Reflektor 10 defekt sein. In diesem Fall arbeitet der Entfernungsmesser 1 wie ein konventionel les Gerät und bestimmt die Entfernung nur auf Basis der Laufzeit des Signals 2, 2'. Zusätzlich wird ein Fehlersignal erzeugt, das auf den Defekt hinweist.

Zwischen diesem Fall und dem oben beschriebenen Fall der optischen Beeinträchtigung des Signals 2 kann un terschieden werden, weil im ersten Fall die Beein trächtigung allmählich durch Verringerung der Intensi tät des Signals 2' erkennbar ist, während der Ausfall des aktiven Reflektors 10 vermutlich abrupt eintritt. Zudem ist die Beeinträchtigung durch Dämpfung im er sten Fall eine Funktion der Länge der Messstrecke 3.

Claims

1. Entfernungsmesser auf Basis der Laufzeitmessung eines optischen Signals, mit einem Sender und einem Empfän ger für das Signal sowie mit einer Steuerungs- und Messeinheit und mit einem bezüglich einer Messstrecke dem Sender und dem Empfänger gegenüberliegenden pas siven Reflektor, dadurch gekenn zeichnet, dass dem passiven Reflektor ein ak tiver Reflektor zugeordnet ist, der Empfangs-, Ver stärker- und Sendemittel aufweist.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangsmittel und/oder das Sendemittel des aktiven Reflektors in einer Öffnung des passiven Reflektors angeordnet ist.

3. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationsvorrichtung vorgesehen ist, die das Signal zur Übertragung einer Information an den aktiven Reflektor moduliert.

4. Entfernungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das an den aktiven Reflektor übertragene Signal eine Information über eine geforderte Verstärkung in dem Verstärkungsmittel des aktiven Reflektors enthält.

5. Verfahren zur Entfernungsmessung auf der Basis der Laufzeit eines optischen Signals mit folgenden Ver fahrensschritten:

a) Emission eines Signals entlang einer Messstrecke zu einem am gegenüberliegenden Ende. der Messstrecke befindlichen Reflektor;
b) Empfange des reflektierten Signals;
c) Bestimmung der Laufzeit des Signals und der Länge der Messstrecke;

dadurch gekennzeichnet, dass wei ter folgende Schritte vorgesehen sind:

a) Empfangen des Signals mittels Empfangsmitteln, die am gegenüberliegenden Ende der Messstrecke angeordnet sind;
b) Verstärken des von dem Empfangsmittel aufgenomme nen Signals mit einem Verstärkermittel;
c) Zurücksenden eines dem ursprünglichen Signal in Wellenlänge und Amplitude ähnlichen Sekundärsignals in Richtung der Messstrecke mit einem Sendemittel;
d) Detektieren des verstärkten Signals;
e) Bestimmung der Länge der Messstrecke aus der Zeit differenz zwischen der Aussendung des Sendesignals und dem Empfang des aktiv reflektierten Sekundärsi gnals.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass zusätzlich vorgesehen ist, die zeitliche Verzögerung zwischen dem Eintref fen des passiv reflektierten Signals und dem Eintref fen des aktiv reflektierten Sekundärsignals zu be stimmen und die Größe der Verzögerung sowie vorzugs Weise auch die zeitliche Änderung der Verzögerung zu speichern.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal moduliert ist und Daten enthält, die als Steuerungs- oder Regelungsinformation für die am ge genüberliegenden Ende der Messstrecke angeordneten Empfangs-, Verstärker-, oder Sendemittel dienen, ins besondere zur Verstärkungsregelung.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärsignals moduliert ist und zur Übertragung von Daten von dem aktiven Reflektor zu dem Empfänger dient.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalstärke des aktiv reflektierten Sekundärsi gnals im wesentlichen der Signalstärke des passiv re flektierten Signals entspricht.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Amplitudenunterschieden des passiv reflek tierten Signals und des aktiv reflektierten Sekundär signals die optischen Eigenschaften der Messstrecke bestimmt werden.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vorübergehend drei Betriebszustände einge nommen werden können, nämlich

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, dass im Zustand 1 die Ent fernung auf Basis des passiv reflektierten Signals ermittelt wird und die Verzögerungszeit des aktiven Reflektors, insbesondere der Kette der Empfangs-, Verstärker-, und Sendemittel, gegenüber dem passiv reflektierten Signal gemessen und gespeichert wird;
dass weiter im Zustand 2 die Entfernung auf Basis des aktiv reflektierten Signals in Verbindung mit der im Zustand 1 ermittelten Laufzeit gemessen wird; und dass
im Zustand 3 die Entfernung auf Basis der Laufzeit des passiv reflektierten Signals ermittelt wird und das Fehlen des aktiv reflektierten Signals als Defekt des dem Reflektor zugeordneten Empfangs-, Verstärker- oder Sendemittels gewertet wird und ein entsprechen des Signal erzeugt wird.