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Die
Erfindung geht insbesondere aus von einer Entfernungsmessvorrichtung
mit einer Strahlungsquelle, einer Sendeoptik zur Ausrichtung von Strahlung
aus der Strahlungsquelle in eine Objektszene, einem Detektor und
einer Steuereinheit, die zu einer Erzeugung eines Entfernungsbilds
aus Signalen des Detektors vorgesehen ist, wobei das Entfernungsbild
mehrere, jeweils unterschiedlichen Ausschnitten der Objektszene
zugeordnete Bildelemente umfasst.
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Zur
Messung von Entfernungen zu weit entfernten Objekten ist es bekannt,
Laserstrahlung auf das Objekt zu richten, vom Objekt reflektierte
Strahlung zu messen und durch ein Laufzeitmessverfahren dessen Entfernung
zum Entfernungsmessgerät zu
bestimmen. Soll ein zweidimensionales Entfernungsbild einer Objektszene
erzeugt werden, wird im einfachsten Fall ein Laserstrahl über die
Objektszene gescannt und die Objektszene Ausschnitt für Ausschnitt
bezüglich
ihrer Entfernung vermessen. Jeder Ausschnitt ergibt ein Bildelement
bzw. Pixel eines zweidimensionalen Entfernungsbilds, wobei jedes Bildelement
außer
seiner zweidimensionalen Lage (x, y) zumindest eine Entfernungsinformation
(r) umfasst. Soll das zweidimensionale Entfernungsbild sehr schnell
erstellt werden, so kann die Objektszene auf einen Matrixdetektor
abgebildet werden, dessen Detektorelemente jeweils eine eigene Auswerteelektronik
zur Auswertung der Laufzeiten umfassen. Solche Geräte sind
jedoch aufwendig und teuer und zudem großvolumig.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte und einfache
Entfernungsmessvorrichtung und ein mit einer einfachen Entfernungsmessvorrichtung
durchführbares
Verfahren zur Entfernungsmessung anzugeben.
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Die
auf die Entfernungsmessvorrichtung gerichtete Aufgabe wird durch
eine Entfernungsmessvorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß ein schaltbares
Auswahlmittel umfasst, durch das die Strahlung aus der Strahlungsquelle
in einem schaltbar wechselbaren Muster in die Objektszene richtbar
ist. Es können
Ausschnitte aus der Objektszene in gewünschten Mustern gleichzeitig
beleuchtet und das von ihnen erhaltene Reflexsignal einem einfachen
Detektor mit beispielsweise einem oder wenigen Detektorelementen
zugeführt werden.
Auf diese Weise kann eine große
Objektszene mit einem einfachen Detektor abgetastet werden. Gewünschte Muster
können
dadurch realisiert werden, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen
ist, Strahlung aus der Strahlungsquelle durch entsprechende Schaltung
des Auswahlmittels in einem wechselbaren Muster in die Objektszene
zu richten.
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Eine
komplexe Signalauswertung kann besonders einfach durchgeführt werden,
wenn der Detektor ein Einelementdetektor ist. So kann beispielsweise
das Signal-Rausch-Verhältnis durch
nichtlineare Filter, insbesondere Medianfilter, gesteigert werden.
Zweckmäßigerweise
ist die Steuereinheit zur Durchführung
einer Pulsformanalyse vorgesehen, aus der die Tiefenausdehnung eines
ermittelten Objekts innerhalb eines Ausschnitts der Objektszene
erfasst werden kann. Eine weitere Verbesserung kann durch die Erkennung
von Mehrfachreflexen in einem detektierten Signal realisiert werden.
Dies ermöglicht einen
Blick durch beispielsweise getarnte Objekte, da der von der Tarnung
reflektierte Anteil von dem vom Ziel reflektierten Anteil getrennt
werden kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das schaltbare
Auswahlmittel ein digitales Spiegelgitter. Ein solches Spiegelgitter
mit mehreren Spiegelelementen ist besonders schnell und einfach schaltbar.
Zweckmäßigerweise
sind die Spiegelelemente des Spiegelgitters einzeln schaltbar, wodurch ein
hohe Vielfalt an erzielbaren Mustern erreicht werden kann. Die Spiegelelemente
können
einzeln durch die Steuereinheit zwischen beispielsweise zwei Stellungen
hin und her geschaltet werden, wobei die Stellungen zweckmäßigerweise
so ausgewählt
sind, dass bei einer ersten Stellung auf ein Spiegelelement auftreffendes
Licht aus der Strahlungsquelle in den zugeordneten Ausschnitt der
Objektszene reflektiert wird und in einer zweiten Stellung das Licht
nicht in den Ausschnitt – und
insbesondere nicht in die Objektszene – reflektiert wird. Das Gitter
kann eine beliebige Anordnung haben, beispielsweise eine rechtwinklige
M × N-Anordnung oder
eine Wabenanordnung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendeoptik zur
Verteilung der Strahlung aus der Strahlungsquelle gleichzeitig auf
alle Auswahlelemente des Auswahlmittels vorgesehen. Hierdurch werden
alle Auswahlelemente, beispielsweise auswählbar schaltbare Elemente,
wie bewegliche Spiegelelemente, beleuchtet, und ein mechanisch bewegliches
Element zur Beleuchtungsauswahl der Auswahlelemente kann entfallen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Steuereinheit zur Schaltung des Auswahlmittels derart vorgesehen,
dass mehrere, jeweils einem Auswahlelement des Auswahlmittels zugeordnete
Ausschnitte der Objektszene gleichzeitig von der Strahlungsquelle
beleuchtet werden. Reflexe mehrerer gewählter Ausschnitte können als
Gesamtsignal dem Detektor zugeführt
werden, wodurch ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und mithin eine hohe Reichweite
der Entfernungsmessvorrichtung erzielt werden können.
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Vorteilhafterweise
ist die Strahlung in eine veränderbare
Anzahl von wählbaren
Ausschnitten richtbar. Hierdurch kann ein Signal-Rausch-Verhältnis an
vorliegende Gegebenheiten optimiert werden. Insbesondere ist die
Steuereinheit dazu vorgesehen, die Anzahl der Ausschnitte der Objektszene
in Abhängigkeit
einer Eigenschaft des Entfernungsbilds einzustellen. Als Eigenschaft
kann beispielsweise eine Signalstärke oder ein Signal-Rausch-Verhältnis dienen.
Ist beispielsweise die Signalstärke
eines reflektierenden Objekts schwach, kann ein Bereich mit vielen
Ausschnitten gewählt
werden, wodurch ein starkes Signal und somit eine hohe optische
Reichweite der Entfernungsmessvorrichtung erzielbar ist.
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Es
wird außerdem
vorgeschlagen, dass die Steuereinheit dazu vorgesehen ist, die Ausschnitte
in Mustern zu schalten, die sich teilweise überdecken. Durch die Überdeckung
kann eine Gesamtauflösung erreicht
werden, die feiner ist als die Fläche mehrerer Ausschnitte, die
zeitgleich beleuchtet werden. Hierdurch können die Vorteile eines guten
Signal-Rausch-Verhältnisses
und einer guten Auflösung und
damit ein gutes Auswerteergebnis einer Bildverarbeitung miteinander
verbunden werden. Insbesondere werden die überdeckenden Muster in direkter Abfolge
geschaltet. Zweckmäßigerweise
ist die Steuereinheit dazu vorgesehen, eine ausschnittgroße Auflösung des
Entfernungsbilds zu berechnen, wodurch eine hohe Informationsdichte
erreicht werden kann.
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Ein
besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis kann erreicht werden,
wenn die Muster die Form einer Hadamard-Matrix aufweisen. Hierdurch
können viele
Ausschnitte gemeinsam beleuchtet werden, wodurch ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreichbar ist – bei trotzdem
erhaltener ausschnittgroßer
Auflösung
des Entfernungsbilds.
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Eine
besonders effektive Entfernungsmessung kann durch die Verwendung
eines Infrarotsenders als Strahlungsquelle, insbesondere eines Infrarotlasers,
erreicht werden.
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Bezüglich des
Verfahrens geht die Erfindung von einem Verfahren zur Entfernungsmessung
aus, bei dem Strahlung aus einer Strahlungsquelle durch eine Sendeoptik
in eine Objektszene gelenkt und aus von der Objektszene reflektierter
und von einem Detektor empfangener Strahlung ein Entfernungsbild mit
mehreren, jeweils unterschiedlichen Ausschnitten der Objektszene
zugeordneten Bildelementen erzeugt wird. Es wird vorgeschlagen,
dass die Strahlung aus der Strahlungsquelle erfindungsgemäß durch
ein schaltbares Auswahlmittel in wechselnden Mustern in die Objektszene
gerichtet wird. Es kann ein hoch aufgelöstes zweidimensionales Entfernungsbild
mit einem kompakten und einfachen Entfernungsmessgerät erzeugt
werden.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Entfernungsmessvorrichtung mit einem digitalen Spiegelgitter, das
Licht aus einem Infrarotlaser ausschnittweise in eine Objektszene
lenkt,
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2 Diagramme
von aus vier verschiedenen Mustern resultierenden Detektorsignalen,
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3 ein
vier Bildelemente umfassendes Entfernungsbild und
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4 eine
schematische Ansicht einer mit einem Muster in Form einer Hadamard-Matrix
beleuchteten Objektszene.
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1 zeigt
eine Entfernungsmessvorrichtung 2 mit einer als Infrarotlaser
ausgebildeten Strahlungsquelle 4, einer Sendeoptik 6,
die der Einfachheit halber in Form von zwei Linsen dargestellt ist,
einem Auswahlmittel 8 in Form eines digitalen Spiegelgitters
mit 32 × 32
Auswahlelementen 10 in Form von einzeln beweglichen Spiegelelementen,
einer Steuereinheit 12, einer Empfängeroptik 14 und einem
Detektor 16. Der Detektor 16 ist ein Einelementdetektor in
Form einer Avalanche-Diode, wobei eine PIN-Diode oder ein Photonenvervielfacher
ebenfalls denkbar sind. Die Steuereinheit 12 ist mit den
Auswahlelementen 10 jeweils einzeln verbunden, die von
der Steuereinheit 12 zwischen zwei möglichen Stellungen bewegt werden
können:
einer „Ein-Stellung", durch die Strahlung
aus der Strahlungsquelle 4 in jeweils einen Ausschnitt 18 einer
Objektszene 20 reflektiert wird, und einer „Aus-Stellung", durch die Licht
aus der Strahlungsquelle 4 woandershin reflektiert wird.
In 1 sind drei Auswahlelemente 10 in ihrer „Aus-Stellung" und sieben Auswahlelemente 10 in
ihrer „Ein-Stellung" gezeigt.
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Die
Sendeoptik 6 ist so ausgebildet, dass die Strahlung aus
der Strahlungsquelle 4 alle Auswahlelemente 10 des
Spiegelgitters beleuchtet. Das Licht aus der Strahlungsquelle 4 wird
in einem von der Stellung der Auswahlelemente 10 abhängigen Muster
in die Objektszene 20 gerichtet, wobei das Muster wechselbar
und frei wählbar
ist. Die aus der gesamten Objektszene 20 in die Empfängeroptik 14 einfallende,
reflektierte Strahlung wird auf den Detektor 16 geführt, der
die Strahlung misst und in Form eines einzigen Signals mit der Intensität I in Abhängigkeit von
der Zeit t an die Steuereinheit 12 weitergibt. Das Muster
in der Objektszene 20 ist in 1 dargestellt, wobei
schraffiert dargestellte Ausschnitte 18 nicht beleuchtet
und nicht schraffierte Ausschnitte 18 von der Strahlungsquelle 4 beleuchtet
sind.
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In 2 ist
das aus vier verschiedenen Mustern 24a–d resultierende Signal 22 der
Intensität
I über
der Zeit t aufgetragen. Zur Entfernungsmessung wird zunächst ein
Pulszug von dem Infrarotlaser über das
digitale Spiegelgitter in einem ersten Muster 24a in die
Objektszene 20 gerichtet. Ein kleiner Anteil der Strahlung
wird von der Objektszene 20 reflektiert und erreicht die
Empfängeroptik 14 und
den Detektor 16. Durch ein nichtlineares Auswerteverfahren
wird der reflektierte Pulszug derart „zusammengeschoben", dass eine Laufzeit
des Pulszugs eindeutig einer Entfernung eines reflektierenden Objekts
in der Objektszene 20 zugeordnet werden kann.
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Die
Muster 24a–d,
die in 2 dargestellt sind, umfassen der Übersichtlichkeit
halber und zur Erläuterung
des Verfahrens nur vier Ausschnitte 26, 28, 30, 32,
wobei bei normaler Verwendung 32 × 32 oder noch mehr Ausschnitte
realistisch sind. Bei dem ersten Muster 24a sind drei Ausschnitte 26, 28, 30 beleuchtet
und ein Ausschnitt 32 ist abgeschattet, das entsprechende
Auswahlelement 10 ist somit in „Aus-Stellung". Das resultierende
Signal 22 ist im obersten Diagramm in 2 dargestellt.
Es zeigt vier Spitzen 34, die zeitlich hintereinander vom
Detektor 16 registriert sind. Daraus kann geschlossen werden, dass
in den Ausschnitten 26, 28, 30 vier Objekte 36, 38, 40, 42 vorhanden
sind, die in einem unterschiedlichen Abstand zur Entfernungsmessvorrichtung 2 positioniert
sind. Beispielsweise ist die Entfernung zum ersten Objekt 36 etwa
5 km, zum zweiten Objekt 38 etwa 7 km, zum dritten Objekt 40 etwa
8,5 km und zum entferntesten Ob jekt 42 etwa 10 km. Je weiter die
Objekte 36, 38, 40, 42 von der
Entfernungsmessvorrichtung 2 entfernt sind, desto später trifft
der Reflex als Spitze 34 im Signal 22 ein.
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Nach
abgeschlossener Entfernungsmessung werden die Auswahlelemente 10 des
Auswahlmittels 8 umgeschaltet, so dass ein weiteres Muster 24b in
die Objektszene 20 eingestrahlt wird. In diesem Muster
ist von den vier Ausschnitten 26, 28, 30, 32 lediglich
der Ausschnitt 26 abgeschattet, so dass sich die beleuchteten
Muster 24a, 24b überdecken. Die Spitzen 34 des
Signals 22 unterscheiden sich im resultierenden Diagramm,
das in 2 an zweitoberster Stelle dargestellt ist, dadurch,
dass ein weiteres Objekt 44 zwischen den Objekten 38 und 40 auftaucht.
Dieses Objekt 44 ist beispielsweise 7,7 km von der Entfernungsmessvorrichtung 2 entfernt.
Nun werden nachfolgend zwei weitere Entfernungsmessungen mit den
Mustern 24c und 24d durchgeführt, bei denen wiederum jeweils
nur ein Ausschnitt 28 bzw. 30 abgeschattet und
die restlichen der vier Ausschnitte 26, 28, 30, 32 von
der Strahlungsquelle 2 beleuchtet werden. Die resultierenden
Signale 22 mit den Spitzen 34 sind in den beiden
unteren Diagrammen in 2 gezeigt.
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3 zeigt
ein entsprechendes Entfernungsbild 46, das aus den Ausschnitten 26, 28, 30, 32 zugeordneten
Bildelementen zusammengesetzt ist. Aus der Anordnung der Spitzen 34 der
vier Signalzüge
des Signals 22 kann ermittelt werden, dass das Objekt 44 im
Ausschnitt 32, das Objekt 38 im Ausschnitt 26,
die beiden Objekte 40 und 42 im Ausschnitt 28 und
das Objekt 36 im Ausschnitt 30 angeordnet ist.
Durch die Überdeckung
der Muster 24a–d kann
somit eine ausschnittgroße
Auflösung
des Entfernungsbilds 46 berechnet werden. Zusätzlich zu der
Anordnung der Objekte 36, 38, 40, 42, 44 in
der Objektszene 20 wird durch die zeitliche Lage der Spitzen 34 auch
deren Entfernung ermittelt, so dass zusätzlich zum zweidimensionalen
Entfernungsbild auch die Raumkomponente des Entfernungsbilds erfasst
wird.
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Um
ein besonders gutes Verhältnis
zwischen dem in den Diagrammen dargestellten Rauschen und der Signalhöhe der Spitzen 34 zu
erhalten, können
die Signale 22 aller vier Diagramme addiert werden, so
dass durch Signalkumulation das Rauschen nur unwesentlich zunimmt,
wohingegen sich die Spitzen 34 addieren und somit zu einem
deutlichen Signal führen.
Hierdurch können
auch sehr kleine Spitzen 34 in einem großen Rauschen
erkannt und somit sehr kleine Objekte oder Objekte in einer sehr
großen Entfernung
detektiert werden.
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In 4 ist
eine weitere Objektszene 20 aus 8 × 8 Ausschnitten 18 dargestellt,
wobei das Auswahlmittel 8 in diesem Beispiel aus 8 × 8 Spiegelelementen
so geschaltet ist, dass 7 × 4
Spiegelelemente jeweils den ihnen zugeordneten (schraffiert gezeichneten)
Ausschnitt 18 beleuchten. Die Spiegelelemente bzw. die
Ausschnitte 18 sind in einem Muster 48 angeordnet,
das einer aus der Mathematik bekannten Hadamard-Matrix entspricht.
Diese zeichnet sich dadurch aus, dass in zwei benachbarten Zeilen
oder Spalten die Hälfte
der Ausschnitte 18 der zweiten Spalte in gleicher Stellung
sind wie ihre benachbarten Ausschnitte 18 der ersten Spalte.
Eine außen
liegende L-förmige
Anordnung von Ausschnitten 18 gleicher Schaltung – wie in 4 gezeigt – kann hierbei
von dieser Regel ausgenommen werden. Von dieser Art Schaltung sind
N × N
Anordnungen möglich,
im Beispiel aus 4 also 8 × 8 Hadamard-Matrizen, die
sich jeweils durch nur sehr kleine Cluster von gleichgeschalteten
Spiegelelementen auszeichnen. Auf diese Weise kann aus einer Anzahl
von Schaltungen bzw. Anordnungen der Spiegelelemente optimal auf
die Information eines einzigen Ausschnitts 18 zurückgerechnet
werden, wodurch eine hohe Auflösung
des Entfernungsbilds erzielt werden kann.
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Bei
der in 4 gezeigten Schaltung wird beispielsweise reflektierte
Strahlung von 28 Ausschnitten auf den Detektor 16 vereinigt,
wodurch sehr weit entfernte Objekte mit einem sehr kleinen Reflexionssignal
erfasst werden können.
Durch die Anordnung der Ausschnitte jeweils in Form einer Hadamard-Matrix
lässt sich
sehr schnell, spätestens
nach 8 × 8
Abbildungen, ein Entfernungsbild der Objektszene 20 mit
einer ausschnittgroßen
Auflösung
berechnen.
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In
einem weiteren Verfahren wird als Muster jeweils eine Zeile von
Ausschnitten 18 verwendet, und alle Zeilen der Objektszene 20 werden
abgerastert. Anschließend
wird eine Spalte von Ausschnitten 18 der Objektszene 20 ausgewählt und
erneut die gesamte Objektszene 20 spaltenweise abgerastert. Hierdurch
ist mit wenigen Messperioden eine hohe Auflösung des Entfernungsbilds der
Objektszene 20 – verbunden
mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis – erzielbar.
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- 2
- Entfernungsmessvorrichtung
- 4
- Strahlungsquelle
- 6
- Sendeoptik
- 8
- Auswahlmittel
- 10
- Auswahlelement
- 12
- Steuereinheit
- 14
- Empfängeroptik
- 16
- Detektor
- 18
- Ausschnitt
- 20
- Objektszene
- 22
- Signal
- 24a–d
- Muster
- 26
- Ausschnitt
- 28
- Ausschnitt
- 30
- Ausschnitt
- 32
- Ausschnitt
- 34
- Spitze
- 36
- Objekt
- 38
- Objekt
- 40
- Objekt
- 42
- Objekt
- 44
- Objekt
- 46
- Entfernungsbild
- 48
- Muster