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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Objekt gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der
DE 37 32 347 C1 bekannt ist.
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Die Messung von Distanzen zwischen einer Messanordnung und einem Objekt basiert auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von an dem Messobjekt reflektierter Strahlung. Die Strahlung kann eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge aufweisen, die im sichtbaren Bereich liegt. Bekannt sind ferner Strahlungsquellen, die als Laserstrahlquellen ausgeführt sind und Wellenlängen emittieren, die im nahen oder direktem Infrarotbereich liegen. Anwendungen finden derartige Laufzeitmessungen bei Laser-Entfernungsmessern, bei LIDAR-Systemen, eine dem Radar sehr verwandte Methode zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung, wobei auch Laserpistolen der Verkehrspolizei auf dem Prinzip der Laufzeitmessung beruhen. Die resultierende Genauigkeit solcher Messsysteme wird durch die Grenzen der technischen Realisierbarkeit sehr kurzer Zeitmessungen begrenzt. Insbesondere die Detektion der reflektierten Strahlung in Form von Einzelpulsen weist eine zeitlich endliche Auflösung auf, so dass eine Puls-zu-Puls-Messung nicht in beliebig kurzen Zeitabschnitten erfolgen kann. Um die Genauigkeit darüber hinaus zu steigern, ist bekannt, neben der reinen Laufzeit zusätzliche Informationen zu gewinnen, um die Genauigkeit der Bestimmung der Laufzeit und im Ergebnis die Bestimmung der Distanz weiter zu steigern. Dies geschieht beispielsweise über die Bestimmung von Interferenzen oder die Messung von Phasenlagen der emittierten Strahlung. Jedoch sind auch einer derartigen Modulation der Einzelpulse Grenzen gesetzt, so dass es wünschenswert ist, die Genauigkeit der Messung von Distanzen weiter zu erhöhen.
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US 4,518,256 A offenbart beispielsweise eine auf eine Koinzidenzmessung basierende Distanzmessung mit einem Multi-Frequenz Laser.
US 7,068,424 B1 offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Pulsfolge.
DE 3732347 C1 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung eines reliefartigen Bildes eines Objekts.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung von Distanzen zu einem Objekt anzugeben, das eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit zur Bestimmung der Distanz zu einem Objekt ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Objekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Einzelpulse als wellenlängen- und zeitkodierte Pulsfolge bereitgestellt und auf das Objekt gesandt werden, wobei die vom Objekt reflektierte Strahlung durch die Aufnahmemittel wellenlängen- und zeitdiskret detektiert werden.
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Die erfindungsgemäße Wellenlängenkodierung wird anstelle von Phasen- oder Interferenzinformationen mit den von der Strahlungsquelle emittierten Einzelpulsen übermittelt. Zunächst werden Einzelpulse von der Strahlungsquelle emittiert, die durch die erfindungsgemäßen Mittel in eine Folge von Pulsen überführt werden, die sich sowohl hinsichtlich ihrer Wellenlänge als auch in ihrer Zeitfolge voneinander unterscheiden. Die Zeitkodierung der Einzelpulse bewirkt eine Aufspaltung in mehrere Teilpulse, die gemeinsam eine Pulsfolge bilden. Beispielsweise kann die Pulsfolge aus drei Pulsen bestehen, die jeweils unterschiedliche Farben aufweisen. Die Mittel zur Überführung der Einzelpulse in eine Pulsfolge sind derart ausgebildet, dass der Abstand der die Pulsfolge bildenden Farbpulse bekannt ist. Ferner ist die Wellenlänge der Farbpulse bekannt, so dass die Aussendung der einzelnen Farbpulse zeitlich bekannt und durch das Aufnahmemittel wieder aufgenommen werden, wobei die Zeitauflösung des Aufnahmemittels die Farbpulse unterschiedlicher Wellenlängen differenzieren kann.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Pulsfolge beinhaltet eine Serie von Farbpulsen mit einem jeweils gleichen zeitlichen Abstand, wobei die Einzelpulsdauer der Dauer der Pulsfolge entspricht und durch die Anzahl der Farbpulse der Pulsfolge bestimmt wird. Die Pulsfolgendauer ΔT beschreibt die Summe der jeweiligen zeitlichen Abstände Δt, die zwischen den Farbpulsen liegen. Die Anzahl der Farbpulse ist mit K gekennzeichnet, so dass gilt: ΔT = K·Δt.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Aufnahmemittel auf, das aus wenigstens einer Kamera gebildet wird, die eine Abfolge von Belichtungszeiten vorgibt. Die Belichtungszeiten können beschrieben werden als TN-1, TN, TN+1, usw., so dass einzelne Belichtungszeitfenster entstehen. Detektiert die Kamera eine Pulsfolge, so können die Farbpulse der Pulsfolge in die einzelnen Belichtungszeitfenster TN-1, TN und TN+1, etc. eingeordnet werden, wobei die farblich unterschiedliche Zuordnung der Farbpulse im Folgenden näher beschrieben wird.
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Die Erhöhung der Messgenauigkeit erfolgt auf dem Prinzip der Zuordnung der Pulsfolgen zu den Belichtungszeitfenstern, wobei die Zuordnung wellenlängenabhängig erfolgt. Somit können einzelne Farbpulse jeweiligen Belichtungszeitfenstern zugeordnet werden. Die Belichtungszeitfenster können auch als Zeitschlitze oder so genannte Gates bezeichnet werden. Die Aufnahme des vom Objekt reflektierten Lichtes erfolgt üblicherweise zeitintegriert in den Gates, wobei die Wahl der zeitlichen Länge eines solchen Gates die Genauigkeit der Laufzeitmessung beeinflusst. Bei Empfang eines reflektierten Lichtpulses innerhalb eines Gates kann dem Signal nur eine einzige Laufzeit TLAUF zugeordnet werden. Eine beliebige Reduktion der Belichtungszeit zur Verminderung der Ungenauigkeit der Laufzeitmessung kann dabei nicht erfolgen, da damit gleichzeitig die Anzahl der integrierten Photonen reduziert wird, wobei die Anzahl der innerhalb der Kamera integrierten Photonen auch die Genauigkeit der Laufzeitmessung begrenzt. Würde die Zeitdauer eines Belichtungszeitfensters kürzer gewählt, so ist die Anzahl der innerhalb des Belichtungszeitfensters integrierten Photonen nicht groß genug oder die technische Umsetzung noch kürzerer Belichtungszeitfenster ist nicht realisierbar. Folglich können zwar kürzere Pulsfolgendauern ΔT durch die Strahlungsquelle bereitgestellt werden, jedoch kann die Position des eingefangenen Einzelpulses innerhalb des Gates nicht bestimmt werden. Folglich ist die Zeitkonstante der Laufzeitmessung durch die Dauer des Belichtungszeitfensters begrenzt. Wird erfindungsgemäß jedoch der Einzelpuls in wellenlängen- und zeitkodierte Farbpulse überführt und diese als Pulsfolge auf das Objekt gerichtet, reflektiert die Folge der Farbpulse am Objekt und kann von der Kamera aufgenommen werden. Treffen alle einzelnen Farbpulse innerhalb eines Gates ein, so kann die Aussage getroffen werden, dass der Einzelpuls mittig innerhalb des Gates liegt.
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Wird eine Farbe in einem vorgelagerten Gate TN-1 detektiert und zwei übrige Farben im Gate TN , so kann die Aussage getroffen werden, dass der Einzelpuls innerhalb des Gates N angrenzend an das Gate TN-1 liegt. Ebenso ist es möglich, dass ein Farbpuls im Gate TN+1 detektiert wird, und die übrigen Farbpulse im Gate TN. Folglich liegt der Einzelpuls im Gate N in angrenzender Nähe zum Gate TN+1.
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Infolge dessen kann ein Korrekturterm δ gebildet werden, welcher aus der Lage der Pulsfolge innerhalb der Belichtungszeitfenster (TN-1, TN, TN+1) bestimmt wird, indem die Laufzeit TLAUF des Einzelpulses zunächst einer Laufzeit für ein Belichtungszeitfenster TN zugeordnet wird, und folgend die Korrektur über den Korrekturterm δ vorgenommen wird, so dass gilt: TLAUF = TN + δ.
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Der Korrekturterm δ kann den Wert –Δt annehmen, wenn einer der Farbpulse in einem dem Belichtungszeitfenster vorgelagertes Belichtungszeitfenster detektiert wird. Hingegen kann der Korrekturterm δ den Wert +Δt annehmen, wenn einer der Farbpulse in einem dem Belichtungszeitfenster nachgelagertes Belichtungszeitfenster detektiert wird. Nur wenn alle Farbpulse im selben Belichtungszeitfenster detektiert werden, nimmt der Korrekturterm δ den Wert 0 an.
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Vorteilhafterweise besteht die Pulsfolge aus drei einzelnen, hintereinander folgenden Farbpulsen, wobei die Wellenlängen der Farbpulse den Farben Blau, Grün und Rot entsprechen. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messung der Distanz zu einem Objekt kann mit einer Pulsfolge ermöglicht werden, die aus mehr als drei Farbpulsen gebildet ist. Im Ergebnis nimmt der Korrekturterm δ mehr als drei verschiedene Werte an, wenn ein, zwei oder mehrere Farbpulse in einem vorgelagerten oder nachgelagerten Gate detektiert werden.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung einer Vorrichtung zur Messung der Distanz zu einem Objekt mit einer Strahlungsquelle zur Bereitstellung einer Folge von Einzelpulsen zur Bestrahlung des Objektes. Dabei sind Aufnahmemittel zur Detektion der vom Objekt reflektierten Einzelpulse vorgesehen, wobei die Messung der Distanz zum Objekt über die Bestimmung der Laufzeit der Einzelpulse zwischen Strahlungsquelle und Aufnahmemittel erfolgt. Hierbei sind Mittel vorgesehen, mit denen die Einzelpulse als wellenlängen- und zeitkodierte Pulsfolge überführbar sind und wobei das Aufnahmemittel die vom Objekt reflektierte Strahlung wellenlängen- und zeitdiskret detektiert.
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Die Mittel können als Strahlteiler ausgebildet sein, die die Einzelpulse in mehrere Einzelstrahlen aufteilt, die unterschiedliche Weglängen durchlaufen.
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Durch die unterschiedlichen Weglängen können die Einzelpulse in eine Pulsfolge überführt werden, die durch geeignete Wahl der Verlängerung der Weglängen gleiche Abstände zueinander aufweisen. Die von der Strahlungsquelle emittierten Einzelpulse können im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich liegen, so dass die erforderliche Differenz der Weglänge der einzelnen Pulse innerhalb der Pulsfolge technisch in einem begrenzten Bauraum realisierbar ist.
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Innerhalb der unterschiedlichen Weglängen sind optisch nichtlineare Materialien angeordnet, durch die die Einzelstrahlen hindurch laufen, um eine Wellenlängentransformation der Einzelstrahlen in unterschiedliche Wellenlängen zu erzielen und eine Pulsfolge farblich und zeitlich diskreter Farbpulse bereitzustellen. Die optisch nichtlinearen Materialien können eine Wellenlängentransformation in die Farben Blau, Grün oder Rot bewirken, wobei eine der Farben der Grundfarbe des Einzelpulses der Strahlungsquelle entsprechen kann.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Laufzeitmessung unter Verwendung von Einzelpulsen gemäß dem Stand der Technik, wobei eine Aufeinanderfolge mehrerer Belichtungszeitfenster auf einem Zeitstrahl dargestellt ist;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Laufzeitmessung unter Verwendung von farbkodierten Pulsserien gemäß der vorliegenden Erfindung und
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3 die schematische Ansicht einer Laufzeitmessung unter Verwendung von drei Einzelpulsen einer Pulsserie verschiedener Farbe, wobei drei Fälle der Detektion der Farbpulse innerhalb benachbarter Gates dargestellt sind.
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In 1 ist eine Laufzeitmessung unter Verwendung von Einzelpulsen E dargestellt, die dem Stand der Technik entspricht. Zum Zeitpunkt T = 0 wird der Einzelpuls E von der Strahlungsquelle ausgesandt. Der als Lichtpuls ausgebildete Einzelpuls reflektiert am Objekt bzw. wird an diesem rückgestreut. Das rückgestreute Licht wird mit einer Kamera aufgefangen. Die Aufnahme des Rückstreulichtes erfolgt dabei zeitintegriert in Belichtungszeitfenstern, die mit TN-1, TN und TN+1 dargestellt sind. Gemäß der Darstellung wird der Einzelpuls E innerhalb des Belichtungszeitfensters TN detektiert. Dabei ist es nicht möglich, eine Aussage über die Position des Einzelpulses innerhalb der Dauer des Belichtungszeitfensters TN anzugeben. Im Folgenden wird in den 2 und 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angegeben, mit dem die Bestimmung der Lage des Einzelpulses E innerhalb des Belichtungszeitfensters TN möglich ist.
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2 zeigt ein Beispiel einer Laufzeitmessung unter Verwendung von Farbpulsen, wobei drei Farbpulse vorgesehen sind, die eine Pulsfolge darstellen und aus dem Einzelpuls gebildet sind. Der erste Farbpuls entspricht einer roten Farbe und ist mit R gekennzeichnet, wobei der mittlere, zentrale Farbpuls G die Farbe Grün aufweist und der dritte Farbpuls B eine Wellenlänge aufweist, die der Farbe Blau entspricht. Die Farbpulse R, G und B werden zum Zeitpunkt T = 0 von der Strahlungsquelle emittiert. Der genaue Zeitpunkt T = 0 entspricht dem grünen Farbpuls, so dass der rote Farbpuls zur Zeit T – Δt, und der blaue Farbpuls zum Zeitpunkt T + Δt emittiert wird. Damit entspricht die Anzahl K der Farbpulse drei Farbpulsen. Die Laufzeit t ist wiederum in Belichtungszeitfenster TN-1, TN und TN+1 aufgeteilt, wobei der blaue Farbpuls B und der grüne Farbpuls G im Belichtungszeitfenster TN und der rote Farbpuls R im Belichtungszeitfenster TN+1 detektiert wird. Damit ist eine Bestimmung der Lage des mittleren, grünen Farbpulses G innerhalb des Belichtungszeitfensters TN bestimmbar, da der zeitliche Abstand Δt zwischen dem grünen Farbpuls G und dem roten Farbpuls R bekannt ist. Da der rote Farbpuls R im Belichtungszeitfenster TN+1 detektiert wird, kann die Aussage getroffen werden, dass der grüne Farbpuls G einen Abstand zur Grenze zum nachgelagerten Belichtungszeitfenster TN+1 aufweisen muss, der maximal dem zeitlichen Abstand Δt entspricht. Folglich kann die Genauigkeit der Laufzeitmessung mit dem zeitlichen Abstand Δt der einzelnen Farbpulse R, G und B angegeben werden.
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3 zeigt wiederum die Laufzeitmessung unter Verwendung der Farbpulse R, G und B. Hierbei sind drei Fälle aufgeführt, die im Folgenden beschrieben werden.
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Betrachtet wird zunächst das mittlere Belichtungszeitfenster TN. Die Dauer des Belichtungszeitfensters entspricht dabei der Pulsfolgendauer ΔT und berechnet sich zu ΔT = K·Δt, wobei Δt den zeitlichen Abstand der Farbpulse zueinander wiedergibt.
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Im ersten Fall I wird von der Kamera der blaue Farbpuls im Belichtungszeitfenster TN-1 detektiert. Der zweite, zentrale grüne Farbpuls G ist fett gezeigt und befindet sich im Belichtungszeitfenster TN, wobei der dritte, rote Farbpuls R ebenfalls im Belichtungszeitfenster TN detektiert wird. Aufgrund des bekannten zeitlichen Abstandes Δt zwischen den einzelnen Farbpulsen R, G und B befindet sich der grüne Farbpuls G angrenzend an dem Rand des Belichtungszeitfensters TN, der übergeht in das Belichtungszeitfenster TN-1.
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Im zweiten Fall II werden alle drei Farbpulse R, G und B innerhalb des Belichtungszeitfensters TN detektiert. Auch in diesem Fall kann die zeitliche Lage des mittleren, grünen Farbpulses G mit der Genauigkeit des zeitlichen Abstandes Δt angegeben werden, da sowohl der vorgelagerte, blaue Farbpuls B als auch der nachgelagerte, rote Farbpuls R innerhalb des mittleren Belichtungszeitfensters TN detektiert wird.
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Im dritten Fall III wird nur der erste, blaue Farbpuls B sowie der zentrale, grüne Farbpuls G innerhalb des Belichtungszeitfensters TN detektiert. Der rote Farbpuls R wird im Belichtungszeitfenster TN+1 detektiert, so dass die Aussage getroffen werden kann, dass der zentrale, grüne Farbpuls G an den Rand des Belichtungszeitfensters TN angrenzt, der zum Belichtungszeitfenster TN+1 übergeht.
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Im Ergebnis ist die Genauigkeit der Laufzeitmessung zwischen der Aussendung eines Einzelpulses durch die Strahlungsquelle und der Detektion der Strahlung durch die Kamera nach der Reflexion am Objekt mit dem zeitlichen Abstand Δt möglich. Im vorliegenden Beispiel entspricht die Anzahl K der Farbpulse drei Farbpulsen, wobei bei einer weiteren Erhöhung der Anzahl der Farbpulse, deren zeitliche Gesamtlaufzeit der Pulsfolgendauer ΔT entspricht die Genauigkeiten, weiter erhöht werden.
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Bezugszeichenliste
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- B
- blauer Farbpuls
- G
- grüner Farbpuls
- R
- roter Farbpuls
- TN-1
- vorgelagertes erstes Belichtungszeitfenster
- TN
- mittleres, zweites Belichtungszeitfenster
- TN+1
- nachgelagertes drittes Belichtungszeitfenster
- E
- Einzelpuls
- t
- Laufzeit
- K
- Pulsanzahl in der Pulsfolge
- ΔT
- Pulsfolgendauer
- Δt
- zeitlicher Abstand
- I
- erster Fall
- II
- zweiter Fall
- III
- dritter Fall
