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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Entfernung zu einem Objekt, mit den Schritten:
- – Aussenden
eines Sendelichtstrahls von einem Lichtsender,
- – Empfangen eines Empfangslichtstrahls mit einem Lichtempfänger,
wobei der Empfangslichtstrahl durch Reflexion des Sendelichtstrahls
an dem Objekt entsteht, und
- – Bestimmen der Entfernung anhand einer Laufzeit des
Sende- und Empfangslichtstrahls,
- – wobei der Sendelichtstrahl mit einem rechteckwellenförmigen
Modulationssignal amplitudenmoduliert wird, und
- – wobei das Modulationssignal eine Vielzahl von Rechteckpulsen
besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen auftreten.
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Die
Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen
einer Entfernung zu einem Objekt, mit einem Lichtsender zum Aussenden
eines Sendelichtstrahls, mit einem Lichtempfänger zum Empfangen
eines Empfangslichtstrahls, wobei der Empfangslichtstrahl durch
Reflexion des Sendelichtstrahls an dem Objekt entsteht, und mit
einer Auswerteeinheit zum Bestimmen der Entfernung des Objekts anhand
einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls, wobei der Sendelichtstrahl
mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert
ist, und wobei das Modulationssignal eine Vielzahl von Rechteckpulsen
besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen auftreten.
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus
DE 40 27 990 C1 bekannt.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere einen sog. Laserscanner, der dazu
ausgebildet ist, einen Raumbereich und/oder ein Objekt dreidimensional
zu vermessen. Ein solcher Laserscanner ist bspw. in
DE 103 61 870 A1 beschrieben.
Dieser bekannte Laserscanner besitzt einen Messkopf, der um eine
vertikale Achse drehbar ist. Der Messkopf enthält einen
Rotor, der um eine horizontale Achse drehbar ist. Der Rotor sendet
einen Sendelichtstrahl aus und empfängt einen Empfangslichtstrahl,
der von einem Objekt reflektiert wird. (Reflexion im Sinne der vorliegenden
Erfindung muss nicht unbedingt eine Totalreflexion sein, sondern
kann auch eine diffuse Reflexion bzw. Streuung des ausgesendeten
Lichtstrahls sein.) Aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls und des
Empfangslichtstrahls wird die Entfernung zwischen dem Messkopf und
dem Objekt bestimmt. Die Drehung des Rotors und des Messkopfes ermöglicht
es, den Sendelichtstrahl um 360° im Azimut und um etwa 270° in
der Elevation zu bewegen. Auf diese Weise ist es möglich,
nahezu den gesamten Raum rund um den bekannten Laserscanner zu vermessen.
Typische Anwendungen für solche Laserscanner sind die Vermessung
von Gebäuden (innen und/oder außen), Tunneln oder
die Vermessung von großen Objekten, wie etwa Schiffsrümpfen.
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Die
Bestimmung der Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls ist
auf verschiedene Weisen möglich. Grundsätzlich
unterscheidet man zwischen Pulslaufzeitverfahren und CW(Continuous Wave)-Verfahren.
Bei den Pulslaufzeitverfahren enthält der Sendelichtstrahl
für jeden Messvorgang nur einen kurzen Sendeimpuls. Gemessen
wird die Zeit, bis der reflektierte Impuls im Empfänger
ankommt. Bei den CW-Verfahren wird ein (zumindest weitgehend) kontinuierlicher
Sendelichtstrahl ausgesendet und die Laufzeit wird anhand einer
Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangslichtstrahl bestimmt.
Typischerweise wird der Sendelichtstrahl dabei mit Hilfe eines Modulationssignals
in seiner Amplitude moduliert und es wird die Phasenverschiebung
des Modulationssignals im ausgesendeten und empfangenen Lichtstrahl
zur Laufzeitbestimmung verwendet. Je höher die Modulationsfrequenz
ist, desto genauer kann die Entfernung hier bestimmt werden. Allerdings
reduziert sich mit zunehmender Modulationsfrequenz der Eindeutigkeitsbereich,
weil sich die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahl
nach einem Phasendurchlauf von 360° wiederholt.
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Die
eingangs genannte
DE
40 27 990 C1 schlägt daher einen Entfernungsmesser
mit einem modulierten Sendelichtstrahl nach dem CW-Verfahren vor,
wobei der Sendelichtstrahl mit einem rechteckwellenförmigen
Modulationssignal mit einer ersten, relativ hohen Modulationsfrequenz
amplitudenmoduliert ist, und wobei dieser Sendelichtstrahl nach einer
bestimmten Anzahl von Perioden des Modulationssignals für
einen längeren Zeitraum unterbrochen wird. Diese Unterbrechung
lässt sich als Amplitudenmodulation mit einem zweiten Modulationssignal
mit einer zweiten, niedrigeren Modulationsfrequenz interpretieren.
Mit anderen Worten ist der Sendelichtstrahl in diesem Fall mit einer
ersten höheren und mit einer zweiten niedrigeren Modulationsfrequenz
amplitudenmoduliert, wobei die beiden unterschiedlichen Modulationsfrequenzen
den Eindeutigkeitsbereich bestimmen. Dieser ist deutlich größer
als bei Verwendung von lediglich einer Modulationsfrequenz.
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In
DE 43 03 804 A1 wird
das Verfahren nach
DE
40 27 990 C1 insoweit für nachteilig erachtet,
als dass durch die Amplitudenmodulation mit der niedrigeren zweiten
Modulationsfrequenz die über die Dauer der gesamten Signalperiode
gemittelte Sendelichtintensität reduziert wird. Dies führe
zu einer Verringerung des Signal-/Rauschverhältnisses und infolgedessen
dazu, dass Objekte mit einer geringen Reflektivität nicht
mehr vermessen werden können. Zur Vermeidung dieses Nachteils
schlägt
DE
43 03 804 A1 vor, den Sendelichtstrahl abwechselnd mit der
höheren ersten und der niedrigeren zweiten Modulationsfrequenz
zu modulieren, d. h. in jedem Zeitintervall wird der Sendelichtstrahl
jeweils mit nur einer der beiden Modulationsfrequenzen moduliert. Dieses
Verfahren hat allerdings verlängerte Messzeiten zur Folge,
da jedes Objekt doppelt vermessen werden muss. Die höhere
Messzeit ist besonders bei einem Laserscanner von Nachteil, weil
der Sendelichtstrahl dann nur relativ langsam verschwenkt werden
kann.
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Vor
diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei
denen die zur Verfügung stehende Lichtleistung optimal
genutzt wird, um ein großes Signal-/Rauschverhältnis
zu erhalten, und die ferner hohe Messgenauigkeiten zusammen mit
einem großen Eindeutigkeitsbereich bieten.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren
und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst,
wobei die Gruppen von Rechteckpulsen in variierenden zeitlichen Abständen
zueinander auftreten und wechselnde Anzahlen von Rechteckpulsen
aufweisen.
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Das
neue Verfahren und die neue Vorrichtung basieren weiterhin auf dem
Prinzip der Laufzeitmessung nach dem CW-Verfahren, d. h. die Laufzeit wird
anhand einer Phasenverschiebung des Modulationssignals im Empfangslichtstrahl
relativ zum Modulationssignal im Sendelichtstrahl bestimmt. Des Weiteren
verwenden das neue Verfahren und die neue Vorrichtung ein rechteckwellenförmiges
Modulationssignal, mit dem der Sendelichtstrahl amplitudenmoduliert
wird. Die eingangs genannte
DE
40 27 990 C1 hat zwar bereits ein rechteckwellenförmiges Modulationssignal
zur Amplitudenmodulation eines Sendelichtstrahls in Betracht gezogen.
In der Praxis werden demgegenüber jedoch üblicherweise
sinusförmige Modulationssignale verwendet. Ein rechteckwellenförmiges
Modulationssignal besitzt gegenüber einem sinusförmigen
Modulationssignal den Vorteil, dass das Modulationssignal bei gleicher
Signalamplitude (Pulsspitze) und gleicher Modulationsfrequenz länger
auf seinem jeweiligen Maximalwert verbleibt. Mit anderen Worten
wird bei einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal
weniger Lichtleistung für den Flankenanstieg „verschwendet".
Infolgedessen ermöglicht die Verwendung eines rechteckwellenförmigen
Modulationssignals ein höheres Signal-/Rauschverhältnis
als die Verwendung eines vergleichbaren sinusförmigen Modulationssignals.
Die zur Verfügung stehende Lichtleistung lässt
sich mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal wesentlich
besser ausnutzen.
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Im
Unterschied zu dem Verfahren nach
DE 40 27 990 C1 wird der rechteckwellenförmig
modulierte Sendelichtstrahl nach dem neuen Verfahren jedoch nicht
lediglich periodisch unterdrückt, sondern das Modulationssignal
selbst ist in einer Weise moduliert, so dass die Rechteckpulse in
zeitlich variierenden Abständen zueinander und mit wechselnden Pulszahlen
auftreten. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Modulationssignal ein binäres Rechtecksignal (nach
Art einer digitalen 0-1-Folge), wobei die einzelnen Rechteckpulse
mit variierendem Puls-Pause-Verhältnis und variierender Pulshäufung
auftreten. In anderen Ausführungsbeispielen können
die Rechteckpulse Pulsspitzen eines nicht-binären rechteckwellenförmigen
Modulationssignals sein, bspw. die Pulsspitzen eines quaternären rechteckwellenförmigen
Signals. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Rechteckpulse des Modulationssignals so verteilt, dass das Modulationssignal
selbst frequenzmoduliert ist, und zwar vorzugsweise nach einem periodisch
wiederkehrenden Muster.
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Es
sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass ein Rechtecksignal
in der Realität nie exakt rechteckförmig sein
kann, da unvermeidliche Bandbreitenbegrenzungen und Überschwinger
in realen Schaltungen stets zu einer Abweichung vom idealen Rechteck
führen. Generell gilt jedoch, dass die Lichtausbeute bei
dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung um
so besser ist, je näher das Modulationssignal einem idealen
Rechtecksignal kommt.
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Nach
dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung wird die Amplitude
des Sendelichtstrahls mit einem Modulationssignal moduliert, das
aufgrund seiner eigenen wechselnden Eigenschaften eine Vielzahl
von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen beinhaltet. Diese Vielzahl
von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen sind nicht nur die harmonischen
Vielfachen, die jedes rechteckwellenförmige Signal aufgrund
des Fourierzusammenhangs per se beinhaltet. Das neue Modulationssignal
beinhaltet über die harmonischen Vielfachen eines Rechtecksignals
hinaus eine Vielzahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen,
die insbesondere kleiner als die erste Oberwelle des rechteckwellenförmigen
Signals sind. Das neue Modulationssignal ist somit ein kombiniertes
Modulationssignal, mit dem der Lichtsender kontinuierlich angesteuert
werden kann. Die verschiedenen Modulationsfrequenzen, die in dem
neuen Modulationssignal enthalten sind, werden vorzugsweise zumindest
annähernd zeitgleich ausgewertet, so dass prinzipiell ein
Messvorgang für jede Entfernungsmessung genügt.
Aufgrund der im kombinierten Modulationssignal enthaltenen hohen
Modulationsfrequenzen lässt sich die Entfernung mit hoher
Messgenauigkeit bestimmen. Andererseits enthält das Modulationssignal
aufgrund der variierenden Pulsgruppen aber auch niedrigere Modulationsfrequenzen,
so dass man einen großen Eindeutigkeitsbereich erhält.
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Darüber
hinaus hat sich gezeigt, dass sich mit dem neuen Modulationssignal
die zur Verfügung stehende Lichtleistung wesentlich besser
ausnutzen lässt als mit vergleichbaren kombinierten sinusförmigen
Signalen. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig
gelöst.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wechseln die zeitlichen
Abstände periodisch.
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In
dieser Ausgestaltung werden die zeitlichen Abstände zwischen
den Gruppen von Rechteckpulsen nach einem sich periodische wiederholenden
Muster länger und kürzer. Die periodisch variierenden
zeitlichen Abstände führen zu einer Modulationsfrequenz
in dem rechteckwellenförmigen Modulationssignal, die klein
ist im Vergleich zu der Grundfrequenz des rechteckwellenförmigen
Modulationssignals. Die niedrige Modulationsfrequenz ermöglicht
einen großen Eindeutigkeitsbereich. Darüber hinaus ermöglicht
diese Ausgestaltung aufgrund der „Pausen" zwischen den
Pulsgruppen eine höhere Spitzenbelastung des Lichtsenders
bei gleicher mittlerer Lichtleistung, was eine weitere Verbesserung
des Signal-/Rauschverhältnisses zur Folge hat.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wechselt die Anzahl von Rechteckpulsen
pro Gruppe periodisch.
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Diese
Ausgestaltung sorgt für eine weitere „niedrige"
Modulationsfrequenz in dem kombinierten Modulationssignal und sie
kann infolgedessen zu einer weiteren Vergrößerung
des Eindeutigkeitsbereichs beitragen. Besonders vorteilhaft ist
die Kombination dieser Ausgestaltung mit der vorhergehenden Ausgestaltung,
wobei die periodisch wechselnden Abstände und die periodisch
wechselnde Anzahl von Rechteckpulsen pro Gruppe mit gleicher Periode
auftreten. In diesem Fall ergeben sich die größeren
zeitlichen Abstände zwischen Gruppen von Rechteckpulsen
aus der geringeren Anzahl von Rechteckpulsen pro Gruppe. Diese Ausgestaltung
vereinfacht die praktische Realisierung und sie ermöglicht
eine sehr gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Lichtleistung.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird das Modulationssignal erzeugt,
indem ein erstes rechteckwellenförmiges Modulationssignal
mit einer ersten Modulationsfrequenz und ein zweites rechteckwellenförmiges
Modulationssignal mit einer zweiten Modu lationsfrequenz addiert
werden, wobei die erste Modulationsfrequenz groß gegenüber
der zweiten Modulationsfrequenz ist. Vorzugsweise ist die erste Modulationsfrequenz
zumindest fünfmal größer als die zweite
Modulationsfrequenz.
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Diese
Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige
Erzeugung des neuen Modulationssignals und somit eine einfache und
kostengünstige Realisierung der neuen Vorrichtung. Eine
Addition der ersten und zweiten Modulationssignale reduziert außerdem
die Anzahl nicht benötigter „Nebenfrequenzen"
in dem Modulationssignal im Vergleich zu einer prinzipiell ebenfalls
denkbaren Multiplikation. Infolgedessen wird die zur Verfügung stehende
Lichtleistung stärker auf die nutzbaren und genutzten Modulationsfrequenzen
konzentriert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird ein drittes rechteckwellenförmiges
Modulationssignal mit einer dritten Modulationsfrequenz zu dem ersten
und zweiten rechteckwellenförmigen Modulationssignal addiert,
wobei die zweite und die dritte Modulationsfrequenz verschieden
voneinander sind, und wobei die erste Modulationsfrequenz auch groß gegenüber der
dritten Modulationsfrequenz ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn
die zweite und dritte Modulationsfrequenz annähernd gleich
sind bzw. dicht beieinander liegen.
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In
dieser Ausgestaltung ist die Differenz zwischen der zweiten und
dritten Modulationsfrequenz wesentlich kleiner als die Differenz
zwischen der zweiten und der ersten Modulationsfrequenz oder die Differenz
zwischen der dritten und der ersten Modulationsfrequenz. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die erste Modulationsfrequenz
bei etwa 125 MHz, die zweite Modulationsfrequenz liegt bei etwa
15 MHz und die dritte Modulationsfrequenz liegt bei etwa 13 MHz.
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Diese
Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass eine dritte Modulationsfrequenz
zur Signalauswertung zur Verfügung steht, wodurch sich
der Eindeutigkeitsbereich weiter vergrößern lässt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite und dritte Modulationsfrequenz
relativ eng beieinander liegen, wie in dem bevorzugten Ausführungs beispiel,
weil in solchen Fällen eine Schwebung entsteht, deren Frequenz
der Differenz zwischen der zweiten und der dritten Modulationsfrequenz
entspricht. Diese Differenz ist sehr gering im Vergleich zu den
eigentlichen Frequenzen der Modulationssignale. Infolgedessen lässt
sich der Eindeutigkeitsbereich sehr stark vergrößern,
ohne dass die geringe Schwebungsfrequenz separat zur Verfügung
gestellt werden muss. Die Auswahl und Abstimmung der einzelnen Schaltungskomponenten
der neuen Vorrichtung lässt sich in dieser Ausgestaltung
deutlich vereinfachen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung haben das zweite und das dritte Modulationssignal
gleiche Pulsamplituden.
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Diese
Ausgestaltung vereinfacht die Signalauswertung und führt
zu einer nochmals verbesserten Lichtausbeute. Sie ist besonders
vorteilhaft, wenn die zweite und dritte Modulationsfrequenz so eng
beieinander liegen, dass eine Schwebungsfrequenz zur Signalauswertung
zur Verfügung steht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung besitzt das erste Modulationssignal
eine größere Pulsamplitude als das zweite Modulationssignal.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Pulsamplitude des ersten Modulationssignals etwa um den Faktor
2 größer als die Pulsamplituden des zweiten oder
dritten Modulationssignals, wobei Letztere gleich sind.
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Diese
Ausgestaltung trägt dazu bei, die zeitlichen Abstände
zwischen den Gruppen von Rechteckpulsen in dem kombinierten Modulationssignal
zu vergrößern, was auf den ersten Blick eine Reduzierung
der mittleren Sendeleistung des Sendelichtstrahls zur Folge hat.
Vorteilhafterweise wird in diesem Fall jedoch die Puls- oder Spitzenleistung,
mit der der Lichtsender betrieben wird, erhöht. Dies ist durch
die größeren Abstände zwischen den Gruppen von
Rechteckpulsen ohne Zerstörung des Lichtsenders möglich
und trägt dazu bei, das Signal-/Rauschverhältnis
im Nutzsignal nochmals zu erhöhen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung haben alle Rechteckpulse des Modulationssignals
eine zumindest weitgehend gleiche Pulsamplitude.
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In
dieser Ausgestaltung ist das kombinierte Modulationssignal ein binäres
Signal, wie es im Bereich der Digitaltechnik üblicherweise
zur Repräsentation einer 0-1-Folge verwendet wird. Alternativ könnte
das kombinierte Modulationssignal ein rechteckwellenförmiges
Signal mit einer Vielzahl (n > 2) von
Pulsamplitudenwerten sein. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt
den Vorteil, dass sich das kombinierte Modulationssignal mit Hilfe
von digitalen Schaltkreisen sehr einfach und effizient erzeugen lässt,
wobei die zu kombinierenden Modulationssignale und das kombinierte
Modulationssignal in diesem Fall digital als 0-1-Folgen bereitgestellt
werden. Darüber hinaus kann mit jedem Puls die maximale Amplitude
des Sendelichtstrahls ausgenutzt werden, was ebenfalls zu einer
optimalen Nutzung der zur Verfügung stehenden Lichtleistung
beiträgt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird das rechteckwellenförmige
Modulationssignal mit Hilfe eines digitalen Schaltkreises als binäres
rechteckwellenförmiges Modulationssignal erzeugt.
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Wie
bereits zuvor angedeutet, ermöglicht diese Ausgestaltung
eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung des
neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung. Darüber hinaus
lässt sich das kombinierte Modulationssignal in dieser
Ausgestaltung sehr flexibel variieren und an verschiedene Umgebungen
und/oder Messaufgaben anpassen.
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Alternativ
hierzu wird das rechteckwellenförmige Modulationssignal
in anderen Ausgestaltungen aus zumindest zwei sinusförmigen
Signalen unterschiedlicher Frequenz erzeugt, wobei die sinusförmigen
Signale jeweils verstärkt und amplitudenbegrenzt werden.
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In
dieser Ausgestaltung wird das rechteckwellenförmige Modulationssignal
mit Hilfe von analoger Schaltungstechnik erzeugt. Diese Ausgestaltung ermöglicht
eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung der
neuen Vorrichtung unter Verwendung von Schaltungskomponenten, die
bislang mit sinusförmigen Signalen betrieben wurden. Insbesondere
kann das neue Verfahren in dieser Ausgestaltung sehr einfach in
vorhandene Schaltungskonzepte nach dem Stand der Technik integriert
werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird die Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls
anhand einer Phasendifferenz des Modulationssignals im Sendelichtstrahl
und im Empfangslichtstrahl bestimmt, wobei die Phasenlage des Modulationssignals
im Sendelichtstrahl an dem Lichtsender gemessen wird.
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In
dieser – auch für sich genommen erfinderischen – Ausgestaltung
wird die Phasenlage des Modulationssignals im Sendelichtstrahl messtechnisch
bestimmt und diese Phase wird als Referenz für die Laufzeitbestimmung
verwendet. Es wird hier also die momentan im Sendelichtstrahl vorhandene Phasenlage
zur Bestimmung der Laufzeit verwendet. Besonders bevorzugt ist es
in diesem Fall, wenn der Lichtsender eine Laserdiode beinhaltet
und wenn die Phasenlage des Steuerstroms gemessen wird, der durch
die Laserdiode fließt. Die Phasenlage des Steuerstroms
lässt sich einfach bestimmen und sie repräsentiert
die tatsächliche momentane Phasenlage des Modulationssignals
im Sendelichtstrahl mit hoher Genauigkeit. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine
sehr hohe Messgenauigkeit, weil ein Phasendrift im Bereich des Lichtsenders
aus der Entfernungsbestimmung eliminiert wird.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Laserscanner gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
vereinfachte Darstellung von mehreren Modulationssignalen, die bei
dem Laserscanner gemäß 1 zur Anwendung
kommen können,
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3 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Modulationssignal,
-
4 das
Frequenzspektrum des Modulationssignals aus 3,
-
5 eine
Schaltung zur Erzeugung des neuen Modulationssignals gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel, und
-
6 eine
Schaltung zur Erzeugung des neuen Modulationssignals gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist
ein Laserscanner in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet.
Der Laserscanner 10 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die
neue Vorrichtung und das neue Verfahren können jedoch auch
bei anderen Geräten Anwendung finden, bei denen eine Entfernung
zu einem Objekt mit Hilfe eines Sendelichtstrahls und eines Empfangslichtstrahls
bestimmt werden soll. Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung
von Lichtstrahlen im engeren Sinne (bevorzugte Wellenlängen zwischen
300 und 1000 nm) beschränkt, sondern kann prinzipiell auch
mit elektromagnetischen Wellen aus einem größeren
Wellenlängenbereich realisiert werden, so lange eine quasioptische
Ausbreitung vorliegt. Der hier verwendete Begriff Lichtstrahl umfasst
daher auch solche elektromagnetischen Wellen.
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Der
Laserscanner 10 beinhaltet einen Lichtsender 12 und
einen Lichtempfänger 14, die beide mit einer Auswerte-
und Steuereinheit 16 verbunden sind. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel beinhaltet der Lichtsender 12 eine
Laserdiode 13 (siehe Darstellung in 5 und 6),
die dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl 18 auszusenden,
um einen Objektpunkt an einem Objekt 20 zu beleuchten.
Der Laserstrahl 18 wird hier mit einem rechteckwellenförmigen
Modulationssignal amplitudenmoduliert, wie dies nachfolgend anhand
der 2 bis 6 näher erläutert
ist. Der Sendelichtstrahl besitzt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Wellenlänge von etwa 790 nm.
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Der
Laserstrahl 18 wird hier über einen Spiegel 22 zu
dem Objekt 20 umgelenkt. Mit der Bezugsziffer 24 ist
ein Empfangslichtstrahl bezeichnet, der von dem Objekt 20 reflektiert
wird und der über den Spiegel 22 zu dem Empfänger 14 umgelenkt
wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet,
die Entfernung des Laserscanners 10 zu dem beleuchteten
Punkt an dem Objekt 20 aus der Laufzeit des ausgesendeten
Laserstrahls 18 und des empfangenen reflektierten Strahls 24 zu
bestimmen. Zu diesem Zweck wird eine Phasenverschiebung zwischen
dem Sendelichtstrahl 18 und dem Empfangslichtstrahl 24 bestimmt
und ausgewertet.
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Der
Spiegel 22 ist hier an der vorderen Stirnfläche
eines Zylinders 26 angeordnet, der über eine Welle 28 mit
einem Drehantrieb 30 verbunden ist. Mit Hilfe des Drehantriebes 30 kann
der Spiegel 22 um eine Drehachse 32 gedreht werden.
Die jeweilige Drehstellung des Spiegels 22 lässt
sich mit Hilfe eines Encoders 34 bestimmen. Die Ausgangssignale des
Encoders 34 sind ebenfalls der Auswerte- und Steuereinheit 16 zugeführt,
was hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
dargestellt ist.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 32 horizontal
angeordnet und der Spiegel 22 ist gegenüber der
Drehachse 32 in einem Winkel von etwa 45° geneigt.
Eine Drehung des Spiegels 22 um die Horizontalachse 32 hat
daher zur Folge, dass der Sendelichtstrahl 18 entlang einer
Vertikalebene (Elevation) abgelenkt wird, die senkrecht zu der Drehachse 32 steht.
Der Sendelichtstrahl 18 bildet gewissermaßen einen
Fächer, mit dem der Raumbereich 36 in einer Vertikalebene
abgetastet wird.
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Der
Laserscanner 10 besitzt hier eine Gehäusestruktur,
die im Wesentlichen zwei Gehäuseteile 38, 40 aufweist.
Die Gehäuseteile 38, 40 sind auf einer
gemeinsamen Grundplatte 42 angeordnet. Der Sender 12,
der Empfänger 14 und die Auswerte- und Steuereinheit 16 sind
in dem in 1 links dargestellten Gehäuseteil 38 untergebracht.
Der in 1 rechts dargestellte Gehäuseteil 40 beherbergt
den Drehantrieb 30 mit dem Encoder 34 und dem
Zylinder 26, wobei der Zylinder 26 mit dem Spiegel 22 aus dem
Gehäuseteil 40 herausragt, so dass der Spiegel 22 etwa
mittig zwischen den beiden Gehäuseteilen 38, 40 angeordnet
ist.
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Die
Grundplatte 42 ist auf einem Drehantrieb 44 angeordnet,
der auf einem Stativ 46 sitzt. Das Stativ 46 ist
in der Höhe verstellbar und besitzt eine Skalierung 48,
um eine reproduzierbare Höheneinstellung vornehmen zu können.
Mit der Bezugsziffer 50 ist ein weiterer Encoder bezeichnet,
mit dessen Hilfe sich die Drehposition des Drehantriebs 44 bestimmen
lässt. Die Ausgangssignale des Encoders 50 sind
ebenfalls der Auswerte- und Steuereinheit 16 zugeführt
(hier nicht dargestellt).
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Der
Drehantrieb 44 ermöglicht eine Drehung des Laserscanners 10 um
eine vertikale Achse 52, die zusammen mit der Drehachse 32 einen
Achsenschnittpunkt definiert. Der Achsenschnittpunkt liegt etwa
mittig auf dem Spiegel 22 und definiert in bevorzugten
Ausführungsbeispielen den Ursprung eines Koordinatensystems,
auf das sämtliche Entfernungsmesswerte bezogen sind. Mit
Hilfe des Drehantriebes 44 kann der vertikale „Abtastfächer",
der mit Hilfe des rotierenden Spiegels 22 erzeugt wird,
um bis zu 360° im Azimut gedreht werden. Damit kann der
Sendelichtstrahl 18 nahezu jeden Objektpunkt in der Umgebung
des Laserscanners 10 beleuchten. Eine Abschattung findet
lediglich nach unten hin durch die Grundplatte 42 statt,
so dass der Blickwinkel des Laserscanners 10 nach unten
hin begrenzt ist.
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Die
Auswerte- und Steuereinheit 16 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel
einen Mikroprozessor 54 und ein FPGA (field programmable
gate array) 56. Das FPGA 56 erzeugt hier ein binäres
rechteckwellenförmiges Modulationssignal, mit dem die Laserdiode
des Lichtsenders 12 angesteuert wird. Der Mikroprozessor 54 liest
digitalisierte Empfangsdaten des Lichtempfängers 14 ein
und bestimmt anhand dieser Daten die Entfernung d zwischen dem Laserscanner 10 und
dem Objekt 20. Zusätzlich kommunizieren der Mikroprozessor 54 und
das FPGA 56 miteinander, wobei der Mikroprozessor 54 unter
anderem die Phaseninformation des Modulationssignals für
die Laufzeitbestimmung erhält.
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2 zeigt
drei idealisiert dargestellte Modulationssignale 60, 62, 64 über
einer Zeitachse. Das erste Modulationssignal 60 ist ein
rechteckwellenförmiges Modulationssignal mit einer Grundfrequenz von
bspw. 125 MHz. Das zweite Modulationssignal 62 ist ein
rechteckwellenförmiges Signal mit einer Grundfrequenz von
13 MHz und das dritte Modulationssignal 64 ist ein rechteckwellenförmiges
Signal mit einer Grundfrequenz von 15 MHz. Bei der Bezugsziffer 66 ist
ein Summensignal dargestellt, das sich aus einer Addition der drei
Modulationssignale 60, 62, 64 ergibt.
Das Summensignal 66 ist ein rechteckwellenförmiges
Signal mit einer Anzahl von Rechteckpulsen 68, 70,
die mit der Grundfrequenz des ersten Modulationssignals 60 aufeinander
folgen. Aufgrund der Addition mit dem zweiten und dritten Modulationssignal 62, 64 besitzen
die Rechteckpulse 68, 70 des Summensignals 66 allerdings
unterschiedliche Pulshöhen. Das Summensignal 66 ist
daher ein kombiniertes Signal, in dem zusätzlich zu der Basisfrequenz
des ersten Modulationssignals 60 weitere Signalfrequenzen
enthalten sind. Insbesondere beinhaltet das Summensignal 66 eine
Signalfrequenz, die der Differenz der Basisfrequenzen des zweiten
und dritten Modulationssignals 62, 64 entspricht.
Diese weitere Signalfrequenz zeigt sich in dem periodischen Muster,
mit dem die höchsten Rechteckpulse 68 über
den bei der Bezugsziffer 72 angedeuteten Schwellenwert
hinausgehen. Darüber hinaus enthält das Summensignal 66 eine
Signalfrequenz, die dem Mittelwert aus den Grundfrequenzen der beiden
Modulationssignale 62, 64 entspricht. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel enthält das Summensignal somit
eine Signalfrequenz von etwa 2 MHz (15 MHz – 13 MHz) und
eine Signalfrequenz von etwa 14 MHz (15 MHz + 13 MHz/2). Das Summensignal 66 eignet
sich damit als Modulationssignal für eine Amplitudenmodulation
des Sendelichtstrahls 18, wobei die relativ hohe Signalfrequenz
von 125 MHz eine Feinphase für die genaue Bestimmung der Entfernung
d liefert, während die niedrige Signalfrequenz von 2 MHz
eine Grobphase für einen großen Eindeutigkeitsbereich
liefert. Es versteht sich, dass diese unterschiedlichen Signalfrequenzen
und Phasendifferenzen in der Auswerte- und Steuereinheit der neuen
Vorrichtung entsprechend ausgewertet werden, und zwar vorzugsweise
in jedem einzelnen Messzyklus.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die
Pulsamplitude des ersten Modulationssignals 60 doppelt
so hoch wie die Pulsamplitude des zweiten und des dritten Modulationssignals 62, 64.
Dies hat zur Folge, dass das Summensignal 66 ein quaternäres
Signal ist, bei dem die Rechteckpulse 68, 70 einen
von vier möglichen Pulswerten annehmen. Grundsätzlich
kann dieses quaternäre Signal 66 als Modulationssignal
für den Sendelichtstrahl verwendet werden.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird allerdings
nicht das quaternäre Summensignal 66, sondern
ein binäres Modulationssignal 74 verwendet, das
sich aus dem Summensignal 66 ergibt, indem lediglich die
Rechteckpulse 68 verwendet werden, die über den
Pulswert bei der Bezugsziffer 72 hinausreichen. Mit anderen
Worten werden hier lediglich die „hohen" Pulsspitzen des Summensignals 66 verwendet,
die in 2 mit der Bezugsziffer 68' bezeichnet
sind. Der untere Teil des Signals 66 wird „abgeschnitten".
Wie man anhand 2 erkennen kann, wechseln die
zeitlichen Abstände PA zwischen den Rechteckpulsen 68' periodisch.
Des Weiteren variiert die Anzahl von Rechteckpulsen 68' pro
Gruppe 76 von Rechteckpulsen 68'. Das Modulationssignal 74 ist
daher ein frequenzmoduliertes, rechteckwellenförmiges,
binäres Signal, dessen Grundfrequenz der Grundfrequenz
des ersten Modulationssignals 60 entspricht (hier also
125 MHz). Diese Grundfrequenz ist mit der Schwebungsfrequenz, die
sich aus der Frequenzdifferenz des zweiten und dritten Modulationssignals 62, 64 ergibt, frequenzmoduliert.
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3 zeigt
ein mit Hilfe eines digitalen Schalkreises berechnetes Modulationssignal,
das dem Modulationssignal 74 aus 2 entspricht. 4 zeigt
das Frequenzspektrum des Modulationssignals aus 3.
Bei der Bezugsziffer 80 ist ein erster Peak zu erkennen,
der einen hohen Signalanteil bei der Grundfrequenz von 125 MHz anzeigt.
Mit der Bezugsziffer 82 sind weitere Peaks bezeichnet,
die bei 375 MHz, 625 MHz, 875 MHz etc. liegen. Es handelt sich hier
um ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz, die typisch für
ein rechteckwellenförmiges Signal sind.
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Bei
den Bezugsziffern 84, 86 sind weitere Peaks zu
erkennen, die infolge der Kombination mit dem zweiten und dritten
Modulationssignal 62, 64 auftreten. Die weiteren
Peaks 84, 86 kennzeichnen Frequenzanteile, die
in dem kombinierten Modulationssignal 74 ebenfalls enthalten
sind und die in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der
Erfindung zusätzlich zu der Grundfrequenz des ersten Modulationssignals 60 ausgewertet
werden, um die Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des
Empfangslichtstrahls 24 und infolgedessen die Entfernung
d zu bestimmen. In derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen
werden lediglich die Grundfrequenzen, nicht jedoch die weiteren
harmonischen Frequenzen 82, 88 ausgewertet, um
eine Phasenverschiebung zwischen dem Sendelichtstrahl 18 und
dem Empfangslichtstrahl 24 zu bestimmen. In anderen Ausführungsbeispielen
können auch noch die harmonischen Frequenzen, d. h. die
Frequenzen bei den Peaks 82 und die jeweils darum gruppierten
Frequenzen 88 ausgewertet werden. In den derzeit bevorzugten
Ausführungsbeispielen werden die harmonischen Frequenzen 82, 88 mit
Hilfe eines geeigneten Eingangsfilters im Bereich des Lichtempfängers 14 unterdrückt.
Es versteht sich, dass ein solches Eingangsfilter (hier nicht dargestellt)
entfallen kann und/oder modifiziert werden muss, wenn die harmonischen
Frequenzanteile ebenfalls ausgewertet werden sollen.
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In
dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Modulationssignal 74 mit
Hilfe eines digitalen Schaltkreises in Form des FPGAs 56 als
binäres rechteckwellenförmiges Modulationssignal
erzeugt. In dem FPGA 56 ist zu diesem Zweck eine Rechenvorschrift
und/oder eine Wertetabelle hinterlegt, die die Modulationssignale 60, 62, 64 repräsentiert. Mit
Hilfe dieser Rechenvorschrift und/oder eine Wertetabelle erzeugt
das FPGA 56 die binäre Pulsfolge, die als Modulationssignal 74 dem
Lichtsender 12 zugeführt ist.
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5 zeigt
ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem das Modulationssignal
für den Lichtsender 12 auf analoge Weise erzeugt
wird. Wie man anhand 5 erkennen kann, beinhaltet
der Lichtsender 12 die Laserdiode 13 und einen
Transistor 90, durch den ein Steuerstrom I fließt,
mit dem die Laserdiode 13 gespeist wird. Indem man den
Steuerstrom I durch den Transistor 90 variiert, erzeugt
man eine Amplitudenmodulation des von der Laserdiode 13 erzeugten
Laserlichts. Die Phasenlage des Steuerstroms I ist ein Maß für
die Phasenlage des Modulationssignals, mit dem der Sendelichtstrahl
moduliert ist. Vorzugsweise wird die Phasenlage des Steuerstroms
I mit einem Phasendetektor 91 gemessen und als Referenzphase
an den Mikroprozessor 54 gemeldet. In einem anderen bevorzugten
Ausführungsbeispiel wird ein Teil des ausgesendeten Lichtstrahls
mit einem Signalteiler abgezweigt und der abgezweigte Teil wird
mit einer lichtempfindlichen Monitordiode gemessen. Man erhält
auf diese Weise die Phasenlage des Modulationssignals im ausgesendeten Lichtstrahl.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
zur Übertragung der Phaseninformation ein Kommunikationskanal
des FPGA 56 verwendet.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 wird
die Basis des Transistors 90 mit einem Summensignal gespeist,
das bspw. dem Summensignal 66 aus 2 entspricht.
Das Summensignal wird erzeugt, indem ein erstes Modulationssignal 60,
ein zweites Modulationssignal 62 und ein drittes Modulationssignal 64 an
einem Summationspunkt 91 addiert werden. Die Modulationssignale 60, 62, 64 werden mit
Hilfe von drei sinusförmigen Signalen 92, 94, 96 erzeugt.
Jedes der drei sinusförmigen Signale 92, 94, 96 wird
mit Hilfe eines Verstärkers 98 verstärkt
und anschließend über einen Begrenzer 100 „abgeschnitten".
Auf diese Weise werden aus den sinusförmigen Signalen 92, 94, 96 rechteckwellenförmige
Signale, wie sie in 2 idealisiert dargestellt sind.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen
bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel werden
die sinusförmigen Signale 92, 94, 96 mit
Hilfe der Verstärker 98 jeweils so stark verstärkt,
dass das Summensignal den Transistor 90 jeweils in die
Sättigung führt. In diesem Ausführungsbeispiel
wirkt der Transistor 90 selbst als Begrenzer, der aus den
sinusförmigen Modulationssignalen 92, 94, 96 das rechteckwellenförmige
Modulationssignal erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4027990
C1 [0003, 0006, 0007, 0010, 0011]
- - DE 10361870 A1 [0004]
- - DE 4303804 A1 [0007, 0007]