DE102006049935A1

DE102006049935A1 - Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung

Info

Publication number: DE102006049935A1
Application number: DE102006049935A
Authority: DE
Inventors: Hans Spies; Martin Spies
Original assignee: Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart); INGENIEURBUERO SPIES GbR VERTR
Current assignee: Ingenieurbuero Spies GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter Hans Spies Martin Spies 86558 Hohenwart); INGENIEURBUERO SPIES GbR VERTR
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-20
Also published as: DE102006049935B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger, dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden, wobei zum gleichen Zeittakt der Digitalisierung mehrere Signalauswertungslogiken für die Bewertung des Signals benützt werden und die Ergebnisse mit gleicher Textfrequenz in zugeordnete Speicher abgelegt werden, wovon sie vom Gesamtsystem abgerufen und weiter verwertet werden.

Description

Es sind eine Reihe von elektromagnetischen Abstandssensoren nach dem Pulslaufzeitverfahren bekannt, bei denen die Auswertung der Entfernung mit einem Mikro/Signal-Prozessor erfolgt. Diese Abstandssensoren sind z.B. in den Patentschriften

Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung soll einen Pulslaufzeitsensor ermöglichen, bei dem möglichst viele Kriterien des empfangenen Signals bei einem oder mehreren Entfernungsmesskanälen mit Taktraten bis hin zur Lichtlaufzeit über den gewünschten Entfernungsbereich ausgewertet werden können. Die Abtastfrequenz soll bis zum technisch Möglichem gesteigert werden können z.B. bis 15 GHz. Dabei soll das System für den extremen Nahbereich genauso gut funktionieren wie bei sehr kleinen Signalen aus großer Entfernung. Die Ergebnisse werden von einem Mikroprozessor nur abgefragt, der entweder eine Ergebniszusammenfassung in Form einer Objektbeschreibung entgegennimmt und weitergibt, oder eine präzise Entfernungsauswertung aufgrund ausgewählter Daten vornimmt.
Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird anhand der 1 bis 7 beschrieben. 1 zeigt ein Entfernungsmesssystem mit einem Sender 102 mit mindestens einem Kanal, der über die Optik 102a auf die zu vermessende Szene abgebildet wird. Die rückgestreuten Signale werden über die Optik 101a auf die Empfangsdiode eines Empfängers 101 mit mindestens einem Kanal abgebildet. Die Auswahl des jeweiligen Messkanals sowie die Auswahl der zugeordneten Verstärkung des Signals wird über den Mikroprozessor 104 und über den Bus 105 getroffen. Die Auswertung der Signale der jeweils rückgestreuten elektromagnetischen Impulse wird in der Signalverarbeitung 103 vorgenommen, die ihrerseits über die Triggerleitung 108, den oder die Sender 102 ansteuert und über die Analogleitung 107 die Analogsignale des Empfängers 101 oder dessen ausgewählte Empfangskanäle erhält. Die abgegebene Sendeleistung und Impulsform kann pro Messkanal auch vom Mikroprozessor 104 vorgegeben werden. Die von der Signalverarbeitung 103 ausgewählten oder ausgewerteten Zeitabschnitte des Rückstreusignals werden dem Mikroprozessor 104 übergeben und dort entweder nach ihrer geometrischen Form ausgewertet oder/und in einem Trackingverfahren definierten Zielen zugeordnet und/oder weiterverfolgt oder über einen definierten Zeitbereich gestützt. Das Ergebnis wird über den Datenbus 105 der Versorgungs- und Schnittstelleneinheit 106 übermittelt, die ihrerseits mit dem Gesamtsystem z.B. mit einem Kraftfahrzeug oder mit einem z.B. einem Flugzeug über die Schnittstelle 111 verbunden ist. Die Stromversorgung erfolgt über den Eingang 110, wobei die Versorgungs- und Schnittstelleneinheit 106 alle für das System nötigen Spannungen erzeugt und über die Verbindungen 109 in das System einleitet.
Eine weitere Ausführung ist in 1a gezeigt. Ein insgesamt um die Achse 120 schwingendes oder rotierendes Teil 112 enthält den Einfach-/Mehrfachempfänger 101 mit seiner Optik 101a, den Einfach-/Mehrfachsender 102 mit seiner Optik 102a. Das rotierende oder schwingende Teil 112 tastet durch seine Bewegung die interessierende Szene ab. Über die Schnittstelle 108 wird der Einfach-/Mehrfachsender 102 von der Signalverarbeitung 103 getriggert. Der Einfach-/Mehrfachempfänger 101 gibt seine Signale über die Schnittstelle 107 an die Signalverarbeitung 103 ab.
Die Auswahl des jeweiligen Kanals des Senders 102 und des Empfängers 101 sowie die Einstellung der Verstärkung am Empfänger 101 und der Pulsamplitude und/oder Pulsform am Sender 102 erfolgt über die Datenschnittstelle 105, die auch die Signalverarbeitung 103 mit dem Mikroprozessor 104 verbindet. Das schwingende oder rotierende Teil 112 hat eine interne Stromversorgung und Schnittstelle 113. Diese ist mit der Datenschnittstelle 105, mit dem Mikroprozessor 104 verbunden und liefert auch die notwendigen Versorgungsspannungen über die Schnittstellen 109. Die Versorgung dieser Einheit 113 erfolgt z.B. induktiv über die Transformatorwicklungen 114 und 115 wobei die Primärwicklung 115 aus der Gesamtversorgung 106a gespeist wird. Die Datenschnittstelle ist eine bidirektionale Schnittstelle die aus den Sende-Empfängern 116 und 117 gebildet wird. Über die externe Versorgung und Schnittstelle 106a wird auch die Bewegungssteuerung 118 angesteuert, die den Motor 119 steuert. Als Schnittstellen zum Fahrzeug oder Flugzeug dient der Bus 111 z.B. CAN, Ethernet oder Most. Die Versorgung des gesamten Systems erfolgt über den Spannungseingang 110.
Zur schnellen Datenerfassung und Auswertung ist die Signalverarbeitung 103 entsprechend 2 aufgebaut.
Die gesamte Zeitsteuerung erfolgt aus der Zeitsteuerung 202 die auch die Triggerimpulse für den Einfach-/Mehrfachlaser über die Schnittstelle 108 und den Takt für die A/D-Wandler 201 und 201a über die Schnittstellen 213 und 214 liefert sowie die Systemtakte 213, 214 und 215 für die einzelnen Auswertungs- und Speicher-Bausteine. Die A/D-Wandler erhalten die Analogdaten über die Schnittstelle 107. Das System kann mit einem A/D-Wandler 201 aber auch mit mehreren A/D-Wandlern z.B. 201a betrieben werden um z.B. die Abtastfrequenz oder die Genauigkeit und den Dynamikumfang zu erhöhen. Die Ergebnisse von den Auswertelogiken 204, 206 und 208 können in einem oder auch in mehreren Speichern 203 bis 209 abgelegt werden. Die Ausgangsdaten der A/D-Wandler 201 und 201a gelangen über den Bus 216 in die Speicher 203 und 203a und werden beim gleichen oder einem der nächsten Zeittakte 214 oder 215 zugleich über den schnellen Bus 216 in die Auswertelogik 1 (204), in die Auswertelogik 2 (206) und in weitere Auswertelogiken z.B. in die Auswertelogik n (208) übertragen. Die jeweiligen Ergebnisse werden in den Speichern (205, 207 und 209) abgelegt. Es sind in 2 beispielhaft 2 A/D-Wandler, 2 Signalspeicher und jeweils 3 Auswertelogiken und Ergebnisspeicher gezeigt. Das erfindungsgemäße System funktioniert mit jeweils einem oder mehreren z.B. N Bausteinen der beschriebenen Art.
Die in diesem System in Echtzeit laufende und benutzte Auswertung wird über den langsameren Bus 217 vom Mikroprozessor 104 gesteuert. Um die unterschiedlichen Zeittakte besser auseinander zu halten, ist das Bussystem in einen Hochgeschwindigkeitsbus (216) für alle schnellen Signale und in einen Niedriggeschwindigkeitsbus (217) für die Mirkoprozessor-Steuer- und Übernahmesignale aufgeteilt.
Da alle Speicher 203, 203a, 205, 207 und 209 sowie alle Auswertelogiken 204, 206 und 208 entweder mit dem gleichen Takte (213, 214) wie der des A/D-Wandlers 201 und 201a oder mit einem Takt gleicher Frequenz aber nur um eine bestimmte Phase z.B. 214 und 215 später betrieben werden erfolgt die gesamte Auswertung in Echtzeit. Die Zeitsteuerung 202 liefert die zum Betreib der einzelnen Stufen nötigen Takte z.B. 213, 214 und 215. Diese sind zusammengefasst mit der Bezeichnung 21 N und versorgen die jeweiligen Takteingänge 21 N der einzelnen Bausteine. Das bedeutet, dass bei einem Takt von z.B. 150 MHz die gesamte Abstandsauswertung in Meterschritten erfolgt oder bei einem Takt von z.B. 6 GHz in Schritten von 2,5 cm. Die gesamte Zahl der Takte wird durch die Taktfrequenz und die maximale Entfernung bestimmt, für die der Sensor vorgesehen ist.
Als Beispiel ist eine entsprechende Auswertung in 3 gezeigt. Das Signal 301 wird über seine Zeitachse 302 mit seinen Amplituden 303 z.B. mit dem A/D-Wandler 201 abgetastet und die digitalen Werte in den Speicher 203 eingeschrieben, synchron dazu werden z.B. in der Auswertung 1 (204) zwei Schwellwerte 307 und 308 mit dem digitalisierten Signal verglichen und die jeweiligen Schwellenüberschreitung im Speicher 205 abgelegt, parallel dazu wird z.B. in der Auswertung 2 (206) das Signal differenziert und stellt sich damit über der Zeitachse 302 durch die Amplituden 309 dar. Führt man bei der Bewertung in Auswertelogik 2 (206) z.B. zwei Schwellen 307a und 308a ein, so können die Überschreitungen 310, 311 und 312 in einer vorbestimmten Länge in den Speicher 207 eingelesen werden. Dort brauchen nur die interessierenden Abschnitte des Signals z.B. der Signalabschnitt 310a im Zeitbereich 314, der Signalabschnitt 311a im Zeitbereich 315 und der Signalabschnitt 312a im Zeitbereich 316 im Speicher 3 (207) abgelegt werden. Zur genaueren Bestimmung der Entfernung dient z.B. die Auswertelogik n (208), die aus den einzelnen Zeitbereichen 314, 315 und 316 die Nulldurchgänge ermittelt und z.B. in den Speicher n (209) ablegt. Die Ermittlung der Nulldurchgänge ist in der Vergrößerung des Signals 312a aus dem Entfernungsbereich 316 als Beispiel durch die Vergrößerung 317 gezeigt wobei die Null-Linie bei dem Signal 313 mit 313a in der Vergrößerung dargestellt ist. Das Signal 317b ist z.B. in gleichen Zeitintervallen 320 abgetastet. Damit ergeben sich die einzelnen Werte mit 321, 322, 323 und 325.
Reicht für die Abstandsbestimmung ein grober Wert aus, so wird der Abstand zwischen den Signalamplituden 322 und 323 ermittelt, da zwischen den beiden Amplituden der Nulldurchgang stattfindet. Ist eine genauere Abstandsbestimmung notwendig, so wird in einer der nachfolgenden Auswertelogiken durch die Aufstellung einer Geradengleichung zwischen den Punkten 322 und 323 der Schnittpunkt der Null-Linie 313a an der Stelle 327 ermittelt. Zur Erhöhung der Sicherheit kann auch eine weitere Gerade zwischen den nächsten Punkten 321 und 324 aufgestellt werden, die die Null-Linie 313 in etwa an der gleichen Stelle 327 schneidet. Ein weiteres Kriterium zur Erhöhung der Messsicherheit ist auch die Auswertung der Amplitudenüberschreitung des Originalsignals 301 über der Schwelle 308. Dies ist in der Vergrößerung der Überschreitung in 317a gezeigt. Hierbei ergeben sich die Amplituden 306c, 306b, 306c, 306d und 306e. Die Zeitintervalle der Abtastung sind hier auch mit der Zeit 320 angegeben. Durch Korrelation des Nulldurchganges des differenzierten Signals im Zeitbereich 316 und der Auswertung der Amplitudenüberschreitung über der Schwelle 308 entsteht eine zuverlässige Aussage über die Entfernung und die Relevanz des Signals.
Da nur die interessanten Zeitabschnitte 314, 315 und 316 ausgewertet werden, kann alles im Akquisitionstakt des A/D-Wandlers 201 geschehen z.B. bei 150 MHz oder 1,5 GHz oder je nach technischer Möglichkeit auch mit noch höherer Abtastrate. Der relativ langsame Mikroprozessor 104 braucht in diesem Beispiel nur die Inhalte der Speicher 207 und oder 209 abfragen und damit sind alle Entfernungsinformationen für eine Weiterverarbeitung z.B. zu einem Objekttracking verfügbar. Das System kann auch so ausgelegt werden, dass z.B. im Zeitablauf 302 die Amplitude und Kurvenform 301 bis zu dem Zeitbereich 302a ausgewertet wird um z.B. eine Nebelrückstreuung zu detektieren und nach der Zeit 302a eine Auswertung durch Bewertung des differenzierten Signal wie vorher beschrieben erfolgt. Bei jeder Akquisition kann aber auch gesteuert durch den Mikroprozessor 104 die Vorarbeitung geändert oder alternierend erfolgen. Darüber hinaus ist es mit dem System möglich den Takt als Funktion der Entfernung oder/und der Situation auch während der Abtastung zu ändern, da bei Sicherheitssensoren im Automobileinsatz z.B. eine genaue Abstandsmessung im Nahbereich notwendig ist, wobei im Fernbereich eine geringere Auflösung ausreicht.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass das Signal gemäß 3 (301a) bis zur Entfernung 302a entweder mit einer niedrigeren Verstärkung im Empfänger 101 oder mit einer niedrigeren Ausgangsleistung am Sender 102 akquiriert wird damit aus der sonst im Nahbereich auftretende Übersteuerung entsprechend 304a ein Signal entsprechend 318 entsteht das besser auswertbar ist. Nach dem Zeitpunkt 302a wird wie beschrieben ausgewertet. Um eine schnelle und zuverlässige Auswertung zu erreichen kann auch so vorgegangen werden, dass für die Abstandsmessung im Nahbereich bis zum Abstand 302a ein Impuls 319 mit sehr geringer Halbwertzeit vom Sender 102 abgegeben wird. Im Bereich 302a bis 302b wird eine Verstärkung wie beim Signal 301 beschreiben eingestellt. Nach der Entfernung 302b wird eine wesentlich höhere Verstärkung eingestellt um z.B. bei allen Signalen in dem gesamten Signalzug 301b die gleichen Schwellwerte 307 und 308 für die Auswertung zu verwenden und trotzdem noch kleinste Signale aus dem Fernbereich auswerten zu können. Die verschiedenen Pulsamplituden, Verstärkungen und Impulsformen sind je nach Erfordernis in getrennten oder auch überlappenden Zeitbereichen einstellbar und anwendbar.
Durch die schnelle Echtzeitsignalverarbeitung können für die unterschiedlichen Auswertestrategien auch entweder die nächsten Entfernungsmessungen oder parallel zur laufenden Entfernungsmessung die Daten aus dem oder die Signalspeicher herangezogen werden. So kann auch ein unsicherer Messwert noch gestützt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Signalauswertung ist in 4 gezeigt. Hierbei werden in der Signalauswertungslogik 204 gemäß 2 die Amplituden über den Zeitbereich 401 mit mehreren Schwellen z.B. 407, 408, 409 im positiven Amplitudenbereich und mit z.B. einer Schwelle 409a im negativen Amplitudenbereich bewertet. Damit bildet sich in einem Speicher z.B. 205 z.B. nach der Logik 204 und der Schwelle 407 die höchste Amplitude 406 bei der Darstellung 403 und der Zeitachse 401a mit 410 ab. Mit der Schwelle 408 entstehen in der Darstellung 404 im Zeitbereich 401b die beiden höchsten Amplituden mit 411 und 412. Setzt man die relativ niedrige Schwelle 409 in der Auswertelogik 204 an, so werden die Überschreitungen in der Darstellung 405 im Zeitbereich 401c mit den Amplituden 405 mit 413, 414, 415, 416, 417 und 418 erscheinen. Bei z.B. der nächstfolgenden Akquisition bleiben im Zeitbereich 401d mit der Amplituden 405a nur die Amplituden 413, 414, 416 und 418 an der gleichen zeitlichen Stelle wie bei der vorhergehenden Abtastung während sich die Amplitude 415 auf einen anderen Zeitpunkt 415r und die Amplitude 417 auf den anderen Zeitpunkt 417r verschieben. Durch die Folgezeit der Abtastungen von z.B. 1 μs kann damit daraus geschlossen werden, dass sich in dieser Zeit ein Objekt nicht so schnell verschieben konnte. Damit können die Schwellüberschreitungen 415 und 415r sowie 417 und 417r dem Eigenrauschen der Signalkette zugeordnet werden und stellen soweit keine echten Entfernungswerte dar. Legt man eine, mit der Schwelle 409 gleich große Schwelle 409a im negativen Bereich an, so werden hier auch Rauschamplituden mit 419r, 420r und 412r registriert. Damit kann das System mit mindestens zwei Abtastungen echte Entfernungssignale von Rauschsignalen recht gut unterscheiden.
Handelt es sich wie bei 418 um sehr kleine fast im Rauschen verborgene Signale, so kann um diese Signale auch mit der Signalverarbeitung nach 2 ein Zeitbereich 422 bis 423 bestimmt werden, in dem das Signal einer Abtastung mit dem Signal der nächsten Abtastung korreliert wird. Der Rauschanteil wird dabei keine Korrelation ergeben während das Signal, selbst wenn das Ziel sich in der Zwischenzeit bewegt hat, sich korrelieren lässt. Die Verschiebung der Korrelation über die Zeitachse ergibt sogar die inzwischen eingetretene Entfernungsänderung. Da alle Teile des Signals gespeichert sind, lassen sich wie in 4 gezeigt insbesondere Teile des Fernbereiches dieser Prozedur unterziehen und es wird vermieden die Korrelation über das gesamte Signal vorzunehmen. Zur weiteren Verbesserung und Vereinfachung kann auch ein Teil des gespeicherten Signals 424 mit einem bereits differenzierten gespeicherten Normsignal 425 gefaltet werden. Je nach Faltungstechnik und Abstand der gefalteten Signalamplituden ergibt sich ein differenziertes und zugleich im Signalbereich geglättetes Signal 424, das in seinem Nulldurchgang sehr gut ausgewertet werden kann. Dieses Vorgehen spart sowohl Zeit als auch Hardwareressourcen.
Diese Auswertung kann bereits im echtzeitgetastetem System entsprechend 2 in der Auswertelogik 206 erfolgen und die echten Ziele dann im Speicher 209 abgelegt werden, woraus sie von dem Mikroprozessor 104 zur Weiterverarbeitung abgerufen werden. Die in 2 gezeigte Zahl von 3 Auswertelogiken 204, 206 und 208 sowie die der Speicher für die Ergebnisse 205, 207 und 209 kann der Aufgabe entsprechend entweder reduziert oder erweitert werden. Die Signale in ihren vollen Längen sind in den Speichern 203 und 203a abgelegt und somit kann auch ohne einen weiteren Abtastimpuls eine völlig andere oder neue Signalauswertung erfolgen oder die Signalauswertung wiederholt werden. Die Programmierung des Systems kann auch so erfolgen, dass über bestimmte Entfernungsbereiche unterschiedliche Signalauswertungen erfolgen z.B. für den Nahbereich nur eine Amplitudenschwelle und für den Fernbereich mehrere Schwellen für das differenzierte Signal im Bereich der Rauschamplituden oder eine Korrelation von zeitlichen Signalausschnitten oder eine Faltung des verrauschten Signals mit einem differenzierten Impuls, der dem erwartetem Signal entspricht. Ebenfalls kann in einer Impulsfolge für die Entfernungsmessung pro Messimpuls die Signalauswertung geändert oder abgeleitet von den Ergebnissen adaptiv geändert werden.
Ist entsprechend 4 der Sensor 437, der gemäß 1 oder 1a aufgebaut ist, mit mehreren Kanälen ausgestattet, z.B. mit den Kanälen 427, 428, 429, 430 und 431 und wird durch die beschriebenen Auswerteverfahren im Kanal 427 das Ziel mit der Entfernung 432 ermittelt und nach mehreren Abtastungen verschwindet das Ziel in Kanal 427 und tritt in Kanal 428 mit der Entfernung 433 auf, so kann in den Kanälen jeweils ein Erwartungsfenster begrenzt z.B. durch die Entfernungen 435 und 436 erstellt werden, in dem dann das Ziel z.B. in Kanal 429 durch die Entfernung 434 gefunden wird und in den Kanälen 430 und 431 der durch diese Fenster begrenzte Bereich genauer vermessen wird. Gleichermaßen kann bei Bewegungen innerhalb eines Kanals auf den Sensor zu oder vom Sensor weg oder bei dem gleichen Vorgang alternierend in zwei Kanälen jeweils im Erwartungsfenster erzeugt werden in dem z.B. eine aufwendigere Signalauswertung nach einem oder mehreren der beschriebenen Verfahren erfolgt. Nachdem die Abtastung der Signale in einem bekannten Zeittakt erfolgt, können in einem der Speicher der Anordnung nach 2 entweder typische Signalpartien bereits in der Fertigung des Sensors zu Korrelation oder Faltung gespeichert werden und oder in diesen oder in einen weiteren Speicher werden jeweils die neuesten an der Rauschgrenze befindlichen Signalen zu Ergänzung eingespeichert.
Eine Vereinfachung im Sinne einer Kostenreduzierung der erfindungsgemäßen Signalauswertung ist in 5 gezeigt. Die Zeitsteuerung 202 mit den Triggerausgang 108 und dem A/D-Wandler 201 mit dem Eingangssignal 107 entsprechen in ihrer Funktion wie in 1 und 2 beschrieben. In Echtzeit erfolgt eine Schwellenbewertung entweder des Amplitudensignals oder des differenzierten Signals in der Differenzierungsstufe und Schwellwertbewertung 501. Die Signalteile bei denen eine Schwelle überschritten wurde, werden z.B. in den Speichern 1, 2 und 3, 502, 503 und 504 abgelegt. Die Zahl der Speicher ist hier mit 3 Einheiten nur als Beispiel genannt, es können mehr oder weniger sein oder auch unterschiedlich benutzt werden. In der Stufe 505 erfolgt eine Echtzeitsignalauswertung wie bereits anhand der 4 beschrieben und die Ergebnisse werden im Speicher 506 mit Attributen wie Zeitpunkte, Signalamplituden, Form und Betrachtungslänge abgelegt. Von dort kann der Mikroprozessor 104 die Ergebnisse über den Bus 507 abrufen während die Echtzeitsignalverarbeitung unabhängig davon weiterläuft. Über den Bus 507 können auch die Auswertestrategien der Bausteine 501 und 505 programmiert werden.
Eine weitere Ausführungsform des Sensors mit der Echtzeitsignalverarbeitung ist in 6 dargestellt. Die Komponenten A/D-Wandler 201 und Zeitsteuerung 202 mit ihren Schnittstellen 107 und 108 sind entsprechend 1 und 2 ausgestattet und laufen mit Abtasffrequenzen von z.B. 150 MHz oder 1,5 GHz. Die Signale wurden im A/D-Wandler 201 digitalisiert und im Speicher 601 abgelegt, im gleichen oder in einem weiteren Takt gleicher Frequenz werden diese Signale in der Stufe 602 die eine Differenzierung und Schwellwertbewertung durchführt zugeführt. In dieser Stufe 602 können sowohl die Amplituden als auch die Amplituden des differenzierten Signals bewertet werden. Die Ergebnisse gehen den Speichern 603 und 604 zu z.B. getrennt nach Amplitudenbewertung des Rohsignals und des differenzierten Signals. Um z.B. bei dem jeweiligen Signal eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erzielen werden mit einer mitlaufenden sukzessiven Approximation 606 in weiteren Zyklen die Schwellen in der Bewertungsstufe 602 an den Rauschamplitudenbereich herangeführt.
Das Heranführen an den Rauschamplitudenbereich geschieht analog zur Beschreibung der 4 dadurch dass die Nähe des Rauschamplitudenbereiches durch die unlogische Fluktuation der Entfernungen durch Pegelüberschreitungen sowohl im positiven als auch im negativen Amplitudenbereich bewertet wird und sukzessiv der Grenzwert über mehrere Messungen hinweg festgestellt und eingestellt wird. damit passt sich das System automatisch innerhalb weniger Zyklen den Rückstreuverhältnissen der Objekte und den unterschiedlichen Sichtverhältnissen und der Umgebungsbeleuchtung an. Die Einstellungen und Auswertungen erfolgen alle automatisch im Bereich der schnellen Signalverarbeitung. Die einzelnen Funktionen sind dabei über schnelle Datenbussysteme 216, 216a und 216b oder dem schnellen Datenbus 216 verbundnen. Durch den Mikroprozessor wird lediglich die Anzahl der Rauschereignisse über den gesamten oder über Teilbereiche der Entfernungsmessung festgelegt. Damit können kleinste Signale noch detektiert werden. Die erzielten Ergebnisse werden aus der Stufe 602 in den Speicher 605 abgelegt und von dort vom Mikroprozessor 104 zur Weiterverwertung abgeholt. Zur weiteren Sicherheit können die Signale die an der Grenze des Rauschen zeitweise detektiert werden auch wie in 4 gezeigt partiell mit einem Autokorrelationsverfahren oder/und einem Faltungsverfahren herausgefiltert werden.
Eine sehr einfache Signalverarbeitung für extrem preisgetriebene Systeme ist in 7 beschrieben.
Der oder die A/D-Wandler 201 und 201a entsprechend 2 können auch entsprechend 7 durch eine Anordnung aus einem steuerbaren Verstärker 701 und einem steuerbaren Ein- oder Mehrfachschwellwertschalter 702 ersetzt werden. Der Mehrfachschwellwertschalter 702 gibt seine Schwellwertüberschreitungen an das System entsprechend 2 z.B. über die Schnittstelle 216 an den Speicher 203 weiter. Mit dieser Anordnung können nur Amplitudenüberschreitungen ausgewertet werden. Zur Auswertung der differenzierten Signale wird dem steuerbaren Verstärker ein Differenzierglied 703 nachgeschaltet, das entweder konstant das Signal vom Verstärker differenziert oder in seinen Eigenschaften über den Bus 217 steuerbar ist.
Wird diesem Differenzierglied 703 ein weiterer steuerbarer Ein- oder Mehrfachschwellwertschalter 704 nachgeschaltet so können im System nach 2 auch die über die Schnittstelle 216 übertragenen differenzierten Signale im Speicher 203 abgelegt und z.B. ausgewertet werden. Es können aber auch bei so einfachen Systemen alle in 2, 5 und 6 gezeigten ND-Wandler durch die in 7 beschriebene Anordnung ersetzt werden. Dabei entfallen in 7 der Differenzierungsbereich 703 und 704 wenn nur die Amplitude bewertet werden soll und der Direktsignalbereich 702 wenn nur das differenzierte Signal bewertet werden soll.
Die Echtzeitsignalverarbeitung nach 2, 5, 6 und 7 wird zur Erzielung der hohen Taktrate und niedriger Fertigungskosten ganz oder partiell in einer freiprogrammierbaren Logik oder und in einer integrierten Schaltung integriert. Beide Technologien können sowohl kombiniert als auch in unterschiedlicher Technologie wie z.B. CMOS, SIGE, GaAs ausgeführt werden. Je nach Funktion und Kostenrahmen können freiprogrammierbare Logikbausteine mit allen gängigen Technologien kombiniert werden. Damit können Zeittakte im Bereich von 75 MHz bis hin zu ca. 15 GHz erreicht werden.

Claims

Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden dadurch gekennzeichnet, dass im gleichen Zeittakt der Digitalisierung mehrere Signalauswertungslogiken das Signal bewerten und die Ergebnisse in zugeordnete Speicher abgelegt werden wovon sie vom Gesamtsystem abgerufen und weiter verwertet werden.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertelogik die digitalisierten Signale als Funktion der verstrichenen Zeit und damit des Abstandes von zu erwartenden Objekten parallel unterschiedlich auswertet.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 und Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Signal in Teilbereichen mit den bereits differenzierten erwartetem Signal gefaltet wird und mit der Faltung die Auswertung erfolgt.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung insbesondere für die größeren Abstände in mehreren Abtastungen die Schwellwerte der Auswertungsstufen mittels eines sukzessiven Approximationsverfahrens an die Rausch- oder Detektionsgrenze herangeführt werden.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass Teile des Signals z.B. solche aus großer Entfernung durch partielle Autokorrelation des Signals von mindestens zwei Abtastungen untersucht werden.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass bei unsicheren Messergebnissen die Teile des Signals welche die unsicheren Messergebnisse erzeugt haben einer Korrelation aufeinanderfolgenden Messung unterzogen werden um den Korrelationskoeffizient zur sicheren Erkennung von Rückstreuungen entweder allein oder zusätzlich zu nützen.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung mit einer programmierbaren Logik realisiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung mit einer Kombination aus programmierbarer und monolithisch integrierter Logik realisiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung in einem einzigen oder mehreren monolithisch integrierten Baustein realisiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Abstandes die Verstärkung des Empfängers variiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Abstandes die Ausgangsleistung des Senders in Spitzenleistung und/oder Halbwertsbreite des Pulses variiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Abstandes und der Umgebungsbedingungen die Auswertestrategie variiert wird.
Pulslaufzeitsensor mit Echtzeitsignalauswertung mit mindestens einem Lichtimpulssender und einem Lichtimpulsempfänger dessen Signale mit einem Analog/Digital-Wandler oder/und einer Schwellwerteeinheit digitalisiert werden nach Anspruch 1 bis Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Abstandes und/oder des Einsatzes die Taktzeit während der Abtastung und/oder pro Abtastung geändert wird.