DE10162668A1

DE10162668A1 - Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes nach dem Pulslaufzeitverfahren

Info

Publication number: DE10162668A1
Application number: DE10162668A
Authority: DE
Inventors: Martin Spies; Johann Spies
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-12-19
Filing date: 2001-12-19
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: DE10162668B4

Abstract

Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung von Abständen mit elektromagnetischen Impulsen nach dem Laufzeitverfahren, bei dem die rückgestreuten Impulssignale in mehreren Gruppen von Integrationseinheiten in ihren Zeitbereichen abgetastet werden und die Integrationszeiten und Zeitintervalle in Abhängigkeit des Signal-Rauschverhältnisses selbsttätig eingestellt werden.

Description

Stand der Technik

Zur Entfernungsmessung mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Laufzeitverfahren sind folgende Verfahren bekannt:

- Analog Digitalwandlung des Signals mit kurzer Aparturzeit
- Adaptive Filter
- Verschiedene Verfahren, bei denen eine Schwellwertüberschreitung genützt wird
- Mehrfachabtastung des Impulses
- Auswertung der Zwischenergebnisse in einem Mikroprozessor

Beispiele sind unter anderem die Schriften:
DE 197 04 220 A1
DE 197 17 399 C2
DE 41 27 168 C2
DE 36 40 449 C1
Die Nachteile dieser bekannten Verfahren sind:

- der gesamte Energieinhalt der rückgestreuten Impulsen wird nicht immer vollständig genützt
- eine Umschaltung auf andere Entfernungsauflösungen und Impulsformen ist nur schwer möglich
- die Anpassung an das Signal-Rausch-Verhältnis ist nur umständlich machbar

Beschreibung der Erfindung

Vorliegende Erfindung weist diese Nachteile nicht auf und wird anhand der Fig. 1 bis 2 beschrieben. Für eine Abstandsmessung nach dem Pulslaufzeitverfahren mit elektromagnetischen Impulsen z. B. Lichtimpulse von Lasern erzeugt ist entsprechend Fig. 1 die rückgestreute Lichtenergie in ihrem zeitlichen Abstand vom Zeitpunkt des Aussendens zu ermitteln. In Fig. 1 zeigt 101 die Zeit- und zugleich Abstands-Achse, 102 die Amplitudenachse. Das Rückstreusignal über der Zeit/Entfernung ist in 103 dargestellt. Darin enthalten ist dein Referenzimpuls 104, der den Zeitpunkt der Impulsaussendung markiert. Der Zeitpunkt des Aussendens ist durch den Referenzimpuls 104 in der Amplitudendarstellung des Rückstreusignals als Funktion der Zeit 103 dargestellt.
Das Signal selbst ist durch die nicht zum Impuls gehörende auf den Empfänger wirkende Lichtenergie und durch die elektrischen Bauteile erzeugten Rauschströme mit dem Rauschen 107 behaftet. Die von Objekten rückgestreuten Signale sind in Fig. 1 durch die Impulse 105 und 106 dargestellt. Erfindungsgemäß wird dieses Signal mit mindestens zwei Anordnungen abgetastet die so gestaltet sind, dass entsprechend dem Schema 108 und 109 das Signal während der Gesamtzeit der Gatterlänge 114 aufintegriert wird, wobei die Gatter einer Abtast- und Integrationseinheit z. B. nach der Startzeit 108a das Signal integrieren und speichern und die andere Abtast- und Integrationseinheit z. B. nach der Startzeit 109a das Signal integrieren und speichern. Die Startzeit der Abtastung 109 ist gegenüber der Abtastung 108 um die Zeit z. B. 115 verschoben. Bei diesem Verfahren mit zwei oder mehr Integrationseinheiten besteht die größte Wahrscheinlichkeit, dass der gesamte rückgestreute Impuls z. B. Impuls 105 und Impuls 106 mit möglichst viel Energieinhalt fast völlig in eine der Gatterzeiten der beiden Abtastsequenzen trifft. So wird der Energiegehalt des Referenzimpulses 104 vorwiegend im Integrationsergebnis in der Darstellung 110 mit der Amplitude 116 erscheinen.
Der Energieinhalt des Signalimpulses 105 wird vorwiegend im Integrationsergebnis 111 mit der Amplitude 120 erscheinen während der Energieinhalt des Signalimpulses 106 vorwiegend im Integrationsergebnis 110 mit der Amplitude 118 erscheint.
Damit kann mit so einem Verfahren durch Anpassung der Integrationszeit 114 an die Halbwertsbreite der Sende/Referenzimpulse 104 mit der Halbwertsbreite 104a und dem zeitlichen Abstand 115 des Starts von mindestens zwei Abtastanordnungen möglichst viel vom Energieinhalt der rückgestreuten Signale insbesondere bei sehr kleinen Signal-Rauschabstand in eine der Integrationsstufen abgespeichert und weiterverarbeitet werden. Steht mehr Energie als Signal zur Verfügung, so können durch eine entsprechende Auswertung des Signal-Rauschabstandes die Zeiten der Abtastung entsprechend verkleinert werden. Diese Zeiten sind auch als Funktion der vom Zeitpunkt der Aussendung des Impulses vergangenen Zeit steuerbar z. B. entsprechend Fig. 1 mit der Integrationszeit 122 über einen Zeitraum 123 auf der Zeitachse 112. Dies führt z. B. zu einer sehr genauen Abtastung des Referenzimpulses 104 mit den jeweiligen Amplituden 126 auf der Zeitachse 113. Bei größerer Entfernung z. B. werden die Signale 105 und 106 erfindungsgemäß mit der Integrationszeit 125 über den Zeitraum 124 abgetastet was zu den jeweiligen Amplitudenwerten 127 und 128 führt. Durch eine geeignete Auswertung der Signale mittels eines Mikroprozessors ist es möglich mit sehr kleinen Signalen eine etwas ungenauere Abstandsmessung z. B. insbesondere im Fernbereich durchzuführen während z. B. im Nahbereich die Abstandsmessung sehr präzise durchgeführt werden kann. Bei Anwendung der Entfernungsmessung z. B. in Kraftfahrzeugen ist es damit möglich zuerst alle Hindernisse oder Objekte zu erfassen um dann eine präzise Abstandsmessung insbesondere im Nahbereich durchzuführen.
Neben der Anpassung der Integrationszeiten 114, 122 und 125 gemäß Fig. 1 kann mit diesem Verfahren auch die Halbwertsbreite 104a der Sendeimpulse 104 angepasst werden. Dies kann z. B. erforderlich werden um das Signal- Rauschverhältnis bei entfernten gering reflektierenden Objekten oder bei schlechter Sichtweite z. B. bei Nebel und Gischt zu verbessern.
Durch die Integration in den jeweiligen Gatterzeiten auch der Rauschanteile des Signals werden im Ergebnis 110 auch Integrationsergebnisse als Störungen 116a und im Ergebnis 111 auch Integrationsergebnisse als Störungen 119a auftreten. Das Verhältnis der integrierten Nutzsignale die durch ihre zeitliche Ausdehnung und Impulsform erkannt werden zu diesen Störsignalen ist das nach der Abtastung noch vorhandene Signal-Rauschverhältnis des gewonnenen Signals. Da bei kürzeren Integrationszeiten das Signalrauschverhältnis bei gleichen Bauteilen und gleicher Situation um die Quadratwurzel aus dem Verhältnis Integrationsbreite 1 zu Integrationsbreite 2 ansteigt, kann der Mikroprozessor die noch für eine Signalauswertung vertretbare kürzeste Integrationszeit aus einer oder mehreren Messungen ermitteln.
Das Blockschaltbild eines entsprechenden Sensors ist in Fig. 2 dargestellt. Die Abtastzeitsteuerung 208 steuert über die Verbindung 231 eine Pulsformereinheit 201 die nacheinander z. B. 3 Laser 202a bis 202c mit Stromimpulsen aufsteuert und gibt dieser Einheit zugleich die benötigten oder vom Mikroprozessor 225 abgeschätzten Impulshalbwertszeiten entsprechend Fig. 1 104a vor. Die Signale der zugehörigen Empfangsdioden 205a bis 205c werden mit den Verstärkern 204a bis 204c verstärkt und dem Multiplexer 203 zugeführt. Die Auswahl der Sender und Empfänger bewerkstelligt der Mikroprozessor 225 über die Schnittstellen 227 und 228. Das Ausgangssignal des Multiplexers 203 wird den Impedanzwandlern 206 und 207 zugeführt. Der Impedanzwandler 206 speist in der Abtast- und Integrationseinheit 210 die Leitung 206a die mit dem Abschlusswiderstand 215 abgeschlossen ist und Schalttransistoren 211a bis 211x enthält. Diese Schalttransistoren werden durch die Integrationszeitsteuerung 216 von der Zeitsteuereinheit 208 in ihren Integrationszeiten und Integrationsintervallen nacheinander angesteuert und integrieren damit Zeitabschnitte des Signals auf der Leitung 206a in die zugehörigen Kondensatoren 213a bis 213x. Die Zeitvorgaben für die Zeitsteuerung 208 werden vom Mikroprozessor 225 über die Schnittstelle 224 eingespeist. Nach der vollständigen Abtastung entsprechend den Zeitvorgaben werden die Speicherinhalte der Kondensatoren 213a bis 213x über die Auslesesteuerung 217 und die Schalttransistoren 212a bis 212x dem Verstärker 221 und nach diesen dem A/D- Wandler 223 zugeführt. Die digitalisierten Werte werden in den Mikroprozessor 225 zur Auswertung eingespeist. Nach Beendigung dieses Vorgangs werden durch Einschalten aller Transistoren 212a bis 212x und des Transistors 214 alle Kondensatoren 213a bis 213x auf ein bekanntes Potential entladen. Die zweite Einheit, bestehend aus Zeitsteuerung 218 Abtast- und Integrationseinheit 220 und Auslesesteuerung 219, Verstärker 222 und A/D-Wandler 224 funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die beschriebene Einheit 210, außer dass der Mikroprozessor 225 über die Zeitsteuerung 208 für die Abtaststeuerung 218 einen anderen Startzeitpunkt als für die Abtastung 216 und/oder andere Integrationszeiten vorgibt und über die Schnittstelle 230 das Auslesen über die Auslesesteuerung 219 eingeleitet wird. Die Abtast- und Integrationseinheit 220 wird durch den Impedanzwandler 207 versorgt.
Die Auswertung der Signale und entsprechende selbständige Anpassung sowohl der Integrationszeiten als auch der Startzeiten und/oder der Zeitfenster werden durch den Mikroprozessor 225 nach Bewertung der Signale in ihrer zeitlichen Folge und insbesondere nach den jeweiligen Amplituden und deren Signal-Rausch-Abstand vorgenommen. In Fig. 2 ist beispielhaft eine Anordnung mit zwei solcher adaptiven Abtast- und Integrationseinheiten gezeigt. Erfindungsgemäß können aber wesentlich mehr in einem System verwendet werden. Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass mit gängigen C-MOS-Technologien die Abtast- und Integrationszeiten bis herunter zu 1 ns realisiert werden können und die Analog-Digitalwandler nur bei Frequenzen von ca. 1-20 MHz laufen müssen.
Alle Abtastdaten können mit der Anordnung gemäß Fig. 2 damit autoadaptiv eingestellt werden. Werden z. B. pro Abtast- und Integrationseinheit 16 Einzelstufen verwendet so ist bei einer Anordnung mit 8 Abtast- und Integrationseinheiten entweder eine Grundauflösung von 1 m bis zu einem maximalen Abstand von 128 m möglich oder ein Vielfaches von 1 m oder bei einer Auftastzeit von 1 ns eine Grundauflösung von 16,6 cm bis zu einem Abstand von ca. 20 m. Dieser Abstand von 20 m kann auch zeitlich verschoben werden um z. B. bei einem mit den 1 m Stufen ermittelte Abstand von z. B. 80 m in einem Entfernungsfenster von ±10 m um diesen Bereich herum eine genauere Entfernungsmessung durchzuführen.
Die erwähnten 16 Stufen pro Abtast- und Integrationseinheit sind nur ein Beispiel. Mit den verfügbaren Technologien können pro Impedanzwandler bis zu 256 Stufen betrieben werden. Durch Auswertung der Impulsschwerpunkte ist bei gutem Signal- Rauschverhältnis die tatsächlich erreichbare Auflösung ca. um den Faktor 10 besser als die durch die Integrationszeiten definierte Grundauflösung. Die Auswertung zur Bestimmung der genauen Lage der rückgestreuten Impulse wird im Mikroprozessor 225 durch Schwerpunktbestimmung des Referenzimpulses nach Fig. 1 104 und Vergleich der in den Stufen integrierten Signale Fig. 1 126 (Referenzimpuls) und 127 und 128 (Nutzsignale) vorgenommen. Die jeweiligen Entfernungen werden im Mikroprozessor 225 ausgewertet und an die nächste Einheit über die Schnittstelle 226 weitergeleitet. Durch die selbsttätige (autoadaptive) Anpassung an Objektrückstreuung und Witterungsbedingungen ist die Signalverarbeitung sehr gut geeignet für Anwendungen im Kfz-Bereich wie ACC, ACC Stop and Go, Precrash, Einparkhilfe und Unfallvermeidung.
Entsprechend Fig. 2 bei der beispielhaft 3 Kanäle gezeichnet sind, können selbstverständlich viele Kanäle z. B. 32 bis 128 ausgewertet werden. Der Vorteil des Systems ist auch, dass die Impulshalbwertszeit und die Integrationszeit bei mehreren Kanälen von Kanal zu Kanal je nach Signal-Rauschabstand oder benötigter Entfernungsauflösung oder Entfernungsbereich angepasst werden kann oder völlig unterschiedlich einstellbar ist. Durch die Ausführung mit gleichen Komponenten insbesondere bei den Abtasteinheiten gemäß Fig. 1 210 und 220 ist das erfindungsgemäße System sehr gut geeignet zusammen mit der Steuerung und dem Mikroprozessor einschließlich A/D-Wandler monolitisch integriert zu werden.
Dadurch, dass das System mit geringer Entfernungsauflösung alle auch sehr schwach reflektierende Ziele erfasst, ist es möglich die relevanten Objekte z. B. für Unfallvermeidung in einem Verfolgungsmodus (Tracking Modus) zu verfolgen und erst bei Abständen die eine kritische Situation erkennen lassen auf eine genauere Entfernungsmessung umzuschalten. So kann diese erfindungsgemäße Signalverarbeitung auch im Nahbereich im Modus Precrash mit genauen Abstandsmessungen arbeiten während Ziele im Fernbereich trotzdem weiter erfasst und verfolgt werden.

Claims

1. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung dadurch gekennzeichnet, dass das Signal aus einem oder mehreren unterschiedlichen Strahlbereichen (Kanälen) mindestens in zwei Stufen in vorgegebenen Zeitbereichen und Zeitintervallen integriert wird und das jeweilige Integrationsergebnis in einem Mikroprozessor ausgewertet wird und dieser die Zeitintervalle und Zeitbereiche automatisch an das Signal- Rauschverhältnis anpasst.

2. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Integrationszeiten und die Entfernungsauflösung als Funktion des Abstandes angepasst werden.

3. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass auch die Halbwertsbreiten der ausgesendeten Impulse an das Signal- Rauschverhältnis angepasst werden.

4. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren unterschiedlichen Strahlbereichen (Kanälen) die Einstellung der Integrationszeit und des Abtastintervalls unterschiedlich ist.

5. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass in einem einzigen Strahlbereich (Kanal) mehrere Abtastmodi gleichzeitig benützt werden.

6. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Auswertung der Signale in einem Mikroprozessor für die folgenden Signalakquisitionen Schätzwerte für Integrationszeiten und/oder Integrationsintervalle und/oder Pulshalbwertszeiten vorgegeben werden.

7. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass wesentliche Teile oder das Gesamtsystem monolitisch auf ein oder mehrere Halbleiterbausteine integriert wird.

8. Autoadaptive Signalverarbeitung zur Messung des Abstandes mittels elektromagnetischer Impulse nach dem Pulslaufzeitverfahren zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das System für Abstandsregelung und/oder Unfallvermeidung und/oder für Precrasherkennung verwendet wird.