DE102010005012A1

DE102010005012A1 - Optoelektronischer Scanner

Info

Publication number: DE102010005012A1
Application number: DE102010005012A
Authority: DE
Inventors: Stephan Dr. 79108 Schmitz; Hans-Ulrich 79106 Plate; Ingolf 79194 Braune
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2011-07-21

Abstract

Ein optoelektronische Scanner zur Überwachung wenigstens eines Schutzfeldes umfasst einen Lichtsender zur Aussendung von Lichtsignalen, eine Lichtablenkeinheit zur Ablenkung der vom Lichtsender ausgesandten Lichtsignale in das zu überwachende Schutzfeld, einen Lichtempfänger zum Empfang von von einem jeweiligen sich im überwachten Schutzfeld befindlichen Objekt zurückgeworfenem Licht und eine Steuereinrichtung zur Erzeugung und/oder Beeinflussung der Lichtsignale und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im überwachten Schutzfeld in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Lichtempfängers. Dabei sind die von dem Lichtsender in das Schutzfeld ausgesandten Lichtsignale jeweils auf der Basis eines nach dem Frequenzbandspreizverfahren (Spread Spectrum) mit einem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Scanner zur Überwachung wenigstens eines Schutzfeldes, mit einem Lichtsender zur Aussendung von Lichtsignalen, einer Lichtablenkeinheit zur Ablenkung der vom Lichtsender ausgesandten Lichtsignale in das zu überwachende Schutzfeld, einem Lichtempfänger zum Empfang von von einem jeweiligen sich im überwachten Schutzfeld befindlichen Objekt zurückgeworfenem Licht, und einer Steuereinrichtung zur Erzeugung und/oder Beeinflussung der Lichtsignale und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im überwachten Schutzfeld in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Lichtempfängers. Der Begriff Licht ist hier nicht so zu verstehen, dass er auf sichtbare elektromagnetische Strahlung beschränkt ist. Es ist insbesondere auch eine Strahlung im Infrarot-Bereich denkbar.
Zur Überwachung von Arbeitsbereichen werden häufig Sicherheitslaserscanner eingesetzt, wie sie beispielsweise aus DE 43 40 756 A1 bekannt sind. Ein von einem Laser erzeugter Lichtstrahl wird über eine Lichtablenkeinheit in einen Schutzbereich gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt remittiert. Zumindest ein Teil des remittierten Lichts gelangt wieder zurück zu der Laserscannereinheit und wird dort von einem Empfänger detektiert. Die Lichtablenkeinheit ist in der Regel schwenkbar bzw. drehbar ausgestaltet, so dass der von dem Laser erzeugte Lichtstrahl durch ein durch die Schwenk- bzw. Drehbewegung erzeugtes Schutzfeld periodisch überstreicht. Wird ein vom Objekt remittiertes Lichtsignal aus dem Schutzbereich empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit auf die Winkellage des Objektes im Schutzbereich geschlossen werden. Wird zusätzlich zum Beispiel die Laufzeit von einzelnen Laserlichtpulsen vom Aussenden bis zum Empfang einer Reflexion an dem Objekt überwacht, kann aus der Laufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes vom Laserscanner geschlossen werden, Mit den Winkel- und Entfernungsangaben lässt sich der Ort des Objektes ermitteln und die vom Lichtstrahl überstrichene Scanebene vollständig überwachen. Befindet sich in der Scanebene ein unzulässiges Objekt, so kann von der Auswerteeinheit des Scanners ein entsprechendes Warn- oder Stoppsignal ausgegeben werden.
Derartige Systeme werden zum Beispiel an Maschinen eingesetzt, bei denen ein Gefahrenbereich überwacht werden muss, der beim Betrieb der Maschine von einer Bedienperson nicht betreten werden darf. Wird mit Hilfe des Laserscanners die Anwesenheit eines unzulässigen Objektes – zum Beispiel ein Bein einer Bedienperson – im Gefahrenbereich festgestellt, wird ein Nothalt der Maschine bewirkt. Derartige Scansysteme als Sicherheitssensoren müssen zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen, beispielsweise die Norm EN 13849 für Maschinensicherheit und insbesondere die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS), erfüllen.
Solche Sicherheitslaserscanner werden auch an sogenannten FTS (”fahrerlose Transportsysteme”) eingesetzt, um zu verhindern, dass diese Transportsysteme mit Objekten, die ihren Fahrweg kreuzen, wie z. B. Personen, zusammenstoßen. Da die Zusammenstoßgefahr geschwindigkeitsabhängig ist, weist der Laserscanner anpassbare Schutzfelddimensionen auf, die in Abhängigkeit der Fahrzeuggeschwindigkeit umschaltbar oder in sonstiger Weise veränderbar sind.
Die bisher bekannten optoelektronischen Scanner besitzen ein relativ kleines Schutzfeld, d. h. insbesondere eine relative geringe Rechweite. Die Schutzfeldgröße ist direkt gekoppelt mit der Größe der Apertur der Empfangsoptik und bestimmt damit auch die Größe des Scanners insgesamt. Überdies sind die bisher bekannten Scanner relativ empfindlich gegenüber Streulicht einschließlich Streulicht benachbarter Scanner.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten optoelektronischen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die zuvor genannten Probleme beseitigt sind. Es soll also insbesondere erreicht werden, dass ein jeweils gewünschtes Leistungsvermögen auch bei kleineren Abmessungen des Scanners gewährleistet und der Scanner weniger empfindlich gegenüber Streulicht einschließlich Streulicht benachbarter Scanner ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die von dem Lichtsender in das Schutzfeld ausgesandten Lichtsignale jeweils auf der Basis eines nach dem Frequenzbandspreizverfahren (Spread Spectrum) mit einem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal erzeugt sind.
Anstelle eines Licht- oder Laserpulses wird also eine Pulsfolge ausgesandt, die mehrere Einzelpulse umfasst und eine entsprechende Codierung aufweist.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ist auch bei größeren Reichweiten stets ein optimaler Störabstand gewährleistet. Da die Erzeugungsvorschrift für den Spreizcode bekannt ist, kann das Ausgangssignal durch Korrelation aus dem Hintergrundrauschen herausgefiltert werden. Mit der erfindungsgemäßen Verwendung von Pseudozufallsrauschcodes als Spreizcodes wird die Korrelation deutlich verbessert.
Bevorzugt ist das Ausgangssignal zur Erzeugung eines unipolaren Signals mit einem Offset beaufschlagt. Damit ist es insbesondere möglich, bipolare, d. h. insbesondere die Werte ”–1” und ”+1” aufweisende Spreizsequenzen auf das unipolare optische Medium, dessen optische Leistung stets positiv ist, zu übertragen. Mit solchen bipolaren Spreizsequenzen können die günstigen Korrelationseigenschaften von Spreizsequenzen auf den optoelektronischen Scanner übertragen werden, wodurch die Robustheit und Störsicherheit des optoelektronischen Scanners gegenüber den jeweiligen Störquellen deutlich verbessert wird.
Der Lichtsender kann insbesondere auch Mittel zur Skalierung eines jeweiligen nach dem Sequenzspreizverfahren gespreizten und mit einem Offset beaufschlagten Ausgangssignals umfassen. Mit einer solchen Skalierung wird insbesondere erreicht, dass das jeweilige in das Schutzfeld ausgesandte Lichtsignal bzw. die betreffende Pulsfolge der mittleren optischen Sendeleistung der betreffenden Leuchtdiode (LED) oder Lasers des Lichtsenders entspricht.
Bevorzugt ist der Pseudozufallsrauschcode über ein so genanntes primitives Polynom erzeugt. Ein solches primitives Polynom kann insbesondere eine Galois-Struktur in Software oder eine Binärstruktur in Hardware aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Scanners umfasst der verwendete Pseudozufallsrauschcode zumindest eine der folgenden Sequenzen:

– M-Sequenzen,
– Gold-Sequenzen,
– Kasami-Sequenzen,
– inkohärente Barker-Folgen (keine Orthogonalität),
– Hadamard-Walsh-Sequenzen,
– synthetische Pulsfolgen.

Wesentlich bei all diesen Pulsfolgen ist, dass sie eine möglichst hohe Autokorrelation und eine möglichst geringe Kreuzkorrelation besitzen.
Beispielsweise in dem Fall, dass in einem bestimmten Zeitintervall ein Lichtsignal empfangen werden muss, kann also ein Lichtpuls mit einem Pseudozufallsrauschcode, das heißt einer Pulsfolge gemischt werden, die statistische Eigenschaften von zufälligem Rauschen besitzt. Eine solche Pulsfolge kann insbesondere durch ein so genanntes primitives Polynom, das heißt insbesondere ein Polynom mit einer Galois-Struktur in Software oder einer Binärstruktur in Hardware erzeugt sein, wodurch quasi-orthogonale Pulsfolgen entstehen, bei denen die Autokorrelationsfunktion groß, die Kreuzkorrelationsfuktion dagegen klein ist. Dieses Verhalten steigt mit der Länge des Codes. Wesentlich ist, dass als Spreizcode Pseudozufallsrauschcodes verwendet werden. Dabei sind die weiter oben genannten speziellen Pseudozufallsrauschcodes bevorzugt. Diese Codes unterscheiden sich durch ihre Orthogonalität unter Störungen.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors sind die von dem Lichtsender in den Überwachungsbereich ausgesandten Lichtsignale jeweils durch ein nach dem DSSS-(Direct Sequence Spread Spectrum)-Frequenzbandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal erzeugt.
Gemäß diesem DSSS-Bandspreizverfahren kann ein jeweiliges Ausgangssignal mittels einer vorgegebenen Bitfolge gespreizt werden. Diese Bitfolge wird auch als Spreizcode oder Chipping-Sequenz bezeichnet.
Die von dem Lichtsender in das Schutzfeld ausgesandten Lichtsignale werden zweckmäßigerweise jeweils durch wenigstens einen mit dem Pseudozufallsrauschcode gemischten Lichtpuls erzeugt. In diesem Fall ist das jeweilige Ausgangssignal also durch wenigstens einen Lichtpuls gebildet.
Zweckmäßigerweise ist das von dem Lichtempfänger empfangene Lichtsignal zur Identifizierung oder Rückgewinnung des dem Lichtsender zugeordneten Ausgangssignals mit dem dem Lichtsender zugeordneten Pseudozufallsrauschcode beaufschlagbar.
Dabei umfasst die Steuereinrichtung vorzugsweise Mittel, um zur Identifizierung oder Rückgewinnung des dem Lichtsender zugeordneten Ausgangssignals die Korrelationsfunktion zwischen dem empfangenen Lichtsignal und dem betreffenden Pseudozufallsrauschcode zu bilden.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die Steuereinrichtung Mittel umfasst, um den variablen zeitlichen Versatz zwischen dem Pseudozufallsrauschcode und dem durch diesen beaufschlagten empfangenen Lichtsignal so einzustellen, dass sich für die Korrelationsfunktion ein Maximalwert ergibt.
Anstelle eines Lichtpulses bzw. Laserpulses wird also eine Pulsfolge ausgesandt, die mehrere Einzelpulse umfasst und eine bestimmte Codierung aufweist. Die ausgesandte Pulsfolge wird als Signal pro Zeiteinheit empfangen. Dabei ist über die Zeiteinheit des Kanals die Auflösung t_Kanal = 2·D_Kanal/c bestimmt, wobei ”D_Kanal” dem Abstand zu einem jeweiligen Objekt entspricht und ”c” die Lichtgeschwindigkeit ist. Die maximale Reichweite ist über die Anzahl der Kanäle bestimmt.
Soll z. B. eine Auflösung von 5 cm erreicht werden, berechnet sich die Zeiteinheit zu 333 ps. Soll die Reichweite beispielsweise auf 20 m gesetzt werden, so sind mindestens 400 Kanäle vorzusehen. Verwendet man beispielsweise M-Sequenzen der 6. Ordnung, so sind z. B. 63 Bit auszusenden. Sollen die Einzelpulse der Pulsfolge dieselbe Energie besitzen wie der ursprüngliche Puls, so erhält man beim vorliegenden Beispiel einen Gewinn S/N von 63, was bedeutet, dass die Reichweite um einen Faktor 8 erhöht werden kann, wenn man von weißem Rauschen als Störer ausgeht.
Die Winkelgeschwindigkeit, mit der die vom Lichtsender ausgestrahlten Lichtsignale durch die Lichtablenkeinheit zum Überstreichen des Schutzfeldes abgelenkt werden, ist im Vergleich zur Abtastgeschwindigkeit, mit der die für eine bestimmte Reichweite vorgesehene Anzahl von Kanälen abgetastet werden, bevorzugt klein gewählt.
Den Lichtsendern einander benachbarter optoelektronischer Scanner können vorteilhafterweise unterschiedliche Pseudozufallsrauschcodes zugeordnet sein.
Entsprechend betrifft die Erfindung auch eine Anordnung aus mehreren benachbarten erfindungsgemäßen optoelektronischen Scannern, die dadurch gekennzeichnet ist, dass den verschiedenen optoelektronischen Lichtsendern unterschiedliche Pseudozufallscodes zugeordnet sind.
Dadurch, dass für die verschiedenen Scanner verschiedene Codes benutzt werden, wird die gegenseitige Beeinflussung minimiert.
Es ist beispielsweise auch denkbar, dass ein jeweiliger Scanner automatisch auf einen anderen Code umschaltet, sobald er feststellt, dass sein Code gestört ist. Alternativ oder zusätzlich können auch Mittel vorgesehen sein, die es dem Benutzer ermöglichen, gegebenenfalls auf einen anderen Code umzuschalten.
Da der optoelektronische Scanner insbesondere Sensorfunktionen erfüllen kann und stark korrelierte Empfangswerte (Bits) vorliegen, können über die Steuereinrichtung vorteilhafterweise Tracking- und Smoothing- oder Glättalgorithmen eingesetzt werden, um die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen, die Störsicherheit und die Empfindlichkeit zum optimieren und die Fehlerrate zu minimieren.
Zudem ist es beispielsweise auch denkbar, insbesondere die Auswerteeinheit so auszulegen, dass zwischen relativ harten oder festen Objekten wie beispielsweise Personen und relativ weichen Objekten wie beispielsweise Nebel oder Schwebeteilchen unterschieden werden kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optoelektronischen Scanners,
2 eine schematische Schnittdarstellung des optoelektronischen Scanners gemäß 1, geschnitten entlang der Linie II-II.
3 ein vereinfachtes beispielhaftes Funktionsdiagramm des optoelektronischen Scanners,
4 eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des zur Bandspreizung anwendbaren DSSS-Verfahrens,
5 die Frequenzspektren des in der 2 dargestellten Ausgangssignals und des in der 2 dargestellten nach dem DSSS-Bandspreizverfahren mit einem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals,
6 die Energiespektren des Ausgangssignals, des Pseudozufallsrauschcodes und des nach dem DSSS-Bandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals,
7 eine schematische Darstellung eines ersten Abschnitts einer beispielhaften Synchronisation eines Lichtempfängers mit einem Lichtsender,
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Abschnitts der Synchronisation des Lichtempfängers, mit dem Lichtsender,
9 die Frequenzspektren eines Bezugs-Pseudozufallsrauschcodes und eines mit einem entsprechenden Pseudozufallsrauschcode modulierten Eingangssignals sowie ein sich aufgrund eines Vergleichs dieser beiden Signale ergebendes Korrelationsspektrum, wobei das Korrelationsspektrum noch keine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt,
10 eine mit der 9 vergleichbare Darstellung, wobei die beiden miteinander zu vergleichenden Signale jedoch relativ zueinander so versetzt sind, dass das Korrelationsspektrum eine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt,
11 die Frequenzspektren eines Bezugs-Pseudozufallsrauschcodes und eines stark verrauschten, mit einem entsprechenden Pseudozufallsrauschcode demodulierten Eingangssignals sowie ein sich aufgrund eines Vergleichs dieser beiden Signale ergebendes Korrelationsspektrum, wobei das Korrelationsspektrum noch keine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt, und
12 eine mit der 11 vergleichbare Darstellung, wobei die beiden miteinander zu vergleichenden Signale jedoch relativ zueinander wieder so versetzt sind, dass das Korrelationsspektrum eine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines optoelektronischen Scanners 10 bzw. so genannten Sicherheitsscanners. Von einem Lichtsender 12, z. B. Laser, erzeugte Lichtsignale 14, die aus einzelnen Lichtimpulsen bestehen, werden über eine Lichtablenkeinheit 17 in eine Scanebene 19 bzw. wenigstens ein in dieser liegendes Schutzfeld 56 (siehe auch 2) gelenkt und dort von einem gegebenenfalls vorhandenen Objekt reflektiert oder remittiert. Das reflektierte oder remittierte Licht 21 gelangt wieder zurück zum Scanner 10 und wird dort über die Lichtablenkeinheit 17 und mittels einer Empfangsoptik 23 von einem Lichtempfänger 16 detektiert. Die Lichtablenkeinheit 17 ist in der Regel drehbar ausgestaltet, wobei ein Motor 27 einen Drehspiegel 28 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung des Drehspiegels 28 wird über einen Encoder 30 erfasst. Die von dem Lichtsender 12 erzeugten Lichtsignale 14 überstreichen somit die durch die Rotationsbewegung erzeugte Scanebene 19. Wird ein vom Lichtempfänger 16 empfangenes reflektiertes oder remittiertes Lichtsignal 21 aus der Scanebene 19 empfangen, so kann aus der Winkelstellung der Lichtablenkeinheit 17 auf die Winkellage des Objektes in der Scanebene 19 geschlossen werden. Zusätzlich wird die Laufzeit der einzelnen Lichtpulse der ausgesandten Lichtsignale 14 vom Aussenden bis zum Empfang einer Reflexion an dem Objekt überwacht und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit auf die Entfernung des Objektes vom Scanner 10 geschlossen. Diese Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit 31, die dafür mit dem Lichtsender 12, dem Lichtempfänger 24, dem Motor 27 und Encoder 30 verbunden ist.
Alle genannten Funktionskomponenten sind in einem Gehäuse 35 angeordnet, das frontseitig, also im Bereich des Lichtsaus- und Lichteintritts, eine Frontscheibe 37 aufweist. Die Frontscheibe 37 ist zur Vermeidung von direkten Reflexionen in den Lichtempfänger 16 schräg gestellt, so dass der Winkel zwischen dem durch die Lichtsignale 14 gebildeten Lichtstrahl und der Frontscheibe 37 ungleich 90° beträgt. Es können mehrere über die Frontscheibe 37 in Scanrichtung verteilte Lichtschranken mit jeweils Lichtsender 51 und Lichtempfänger 53 vorgesehen sein, die zur Verschmutzungsüberwachung der Frontscheibe 37 dienen.
In der Auswerteinheit 31 werden alle Daten verarbeitet, um letztendlich ein Objektfeststellungs- oder Sicherheitssignal an einem Ausgang 53 auf eine Leitung 33 bereitstellen zu können.
Über die Winkel- und Entfernungsdaten berechnet die Auswerteeinheit 31 den Ort eines Objektes in der Scanebebe 19, so dass auf diese Weise zweidimensionale Schutzfelder 56 innerhalb der Scanebene 19 des Scanners 10 vollständig daraufhin überwacht werden können, ob sich ein unzulässiges Objekt in dem Schutzfeld 56 befindet oder das Schutzfeld frei ist. Das jeweilige Schutzfeld 56 ist in seinen Abmessungen durch entsprechende Parameter definiert, die in der Auswerteeinheit 31 in einem Speicher abgelegt sind. Abhängig vom Sicherheitssignal an dem Ausgang 53 des Scanners 10 kann somit letztendlich zum Beispiel ein Nothalt einer Maschine und/oder eine Warnung oder eine bestimmte Ansteuerung herbeigeführt werden.
Um die Funktionsfähigkeit des Lichtsenders 12 nach jedem Scan kontrollieren zu können, kann ein Kontrollempfänger 60 in dem Gehäuse 35 angeordnet sein. Dieser Kontrollempfänger 60 wird von den ausgesandten Lichtsignalen 14 getroffen, wenn der Drehspiegel 28 während seiner Drehung die Lichtsignale nach ”hinten” in das Gehäuse ablenkt.
In 2 ist der Scanner 10 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, um die Winkelposition des Kontrollempfängers 60 darzustellen. Der Kontrollempfänger 60 ist in einem Winkelbereich angeordnet, der außerhalb des dem überwachten Schutzfeld 56 entsprechenden Winkelbereiches gelegen ist. So kann die Lichtquelle bei jedem Scan kontrolliert werden.
3 zeigt ein vereinfachtes beispielhaftes Funktionsdiagramm des optoelektronischen Scanners 10 mit dem Lichtsender 12 zur Aussendung von Lichtsignalen 14 in wenigstens ein Schutzfeld 56, dem Lichtempfänger 16 zum Empfangen von vom Lichtsender 12 ausgesandten Lichtsignalen 14 und einer Lichtsender 12 und Lichtempfänger 16 zugeordneten Steuereinrichtung 18, die die Auswerteeinheit 31 (siehe 1) umfasst.
Die Steuereinrichtung 18 umfasst Mittel zur Erzeugung und/oder Beeinflussung der Lichtsignale 14 und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Schutzfeld 56 in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Lichtempfängers 16.
Die von dem Lichtsender 12 in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignale 14 sind jeweils durch ein nach dem Bandspreizverfahren mit einem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal 26 erzeugt.
Wie anhand der 3 zu erkennen ist, kann der Lichtsender 12 insbesondere einen Kanalcodierer 20, einen Modulator 22 und einen Pseudozufallsrauschgenerator 24 umfassen.
Dabei wird über den Kanalcodierer 20 ein dem Lichtsender 12 zugeordnetes Ausgangssignal 26 erzeugt, das durch den vom Pseudozufallsrauschgenerator 24 beaufschlagten Modulator 22 nach dem Bandspreizverfahren mit einem durch einen Pseudozufallsrauschcode gebildeten Spreizcode moduliert wird. Das entsprechend modulierte Ausgangssignal wird dann, vorzugsweise nach einer Beaufschlagung mit einem Offset zur Erzeugung eines unipolaren Signals, als Lichtsignal 14 in das Schutzfeld 56 ausgesandt bzw. zumindest teilweise vom Lichtempfänger 16 empfangen, sofern es von einem sich im Schutzfeld 56 befindliches Objekt zurückgeworfen wird.
Der Lichtempfänger 16 umfasst einen Demodulator 32, einen diesen mit einem entsprechenden Spreiz- bzw. Pseudozufallsrauschcode beaufschlagenden Pseudozufallsrauschgenerator 34 sowie einen Kanaldecoder 36. Dabei wird der Demodulator 32 durch den Pseudozufallsrauschgenerator 34 zur Identifizierung oder Rückgewinnung des dem Lichtsender 12 zugeordneten Ausgangssignals 26 mit dem dem Lichtsender 12 zugeordneten Pseudozufallsrauschcode beaufschlagt.
Dem Kanalcodierer 20 des Lichtsenders 12 kann also ein Eingangssignal 38 zugeführt werden, um beispielsweise ein analoges Ausgangssignal 26 geringer Bandbreite zu erzeugen. Das Ausgangssignal 26 wird unter Verwendung insbesondere einer Ziffern- oder Binärzahlfolge in Form eines Pseudozufallsrauschcodes moduliert. Über diesen Pseudozufallsrauschcode wird das Spektrum des Ausgangssignals 26 gespreizt, wodurch die Bandbreite entsprechend erhöht wird. Auf der Seite des Lichtempfängers 16 wird ein entsprechender Pseudozufallsrauschcode zur Demodulation des empfangenen, mit einem gespreizten Spektrum versehenen Signals verwendet. Anschließend wird das demodulierte Signal dem Kanaldecoder 36 zur Datenrückgewinnung oder -identifizierung zugeführt.
Der Pseudozufallsrauschcode kann insbesondere über ein so genanntes primitives Polynom erzeugt sein. Dabei umfasst dieser Pseudozufallsrauschcode bevorzugt zumindest eine der folgenden Sequenzen:

– M-Sequenzen,
– Gold-Sequenzen,
– Kasami-Sequenzen,
– inkohärente Barker-Folgen,
– Hadamard-Walsh-Sequenzen,
– synthetische Pulsfolgen.

Die von dem Lichtsender 12 in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignale 14 können jeweils insbesondere durch ein nach dem DSSS-(Direct Sequence Spread Spectrum)-Bandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal erzeugt sein. Dabei können die von dem Lichtsender 12 in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignale 14 insbesondere jeweils durch wenigstens einen mit dem Pseudozufallsrauschcode gemischten oder multiplizierten Lichtpuls erzeugt sein. Als Ausgangssignal kann jeweils ein Lichtpuls vorgesehen sein.
Das Prinzip des zur Bandspreizung anwendbaren DSSS-Verfahrens ist in der 4 veranschaulicht.
Danach kann jedes Bit eines jeweiligen eingehenden Datenstroms durch eine Mehrzahl von Bits in dem in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignal 14 repräsentiert sein, das unter Verwendung eines Pseudozufallsrauschcodes als Spreizcode erzeugt wurde.
Bei einer Betrachtung im Zeitbereich gilt, dass die Spreizrate, mit der die Bits des Ausgangssignals 26 (vgl. auch 3) zur Bildung des in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignals 14 gespreizt werden, gleich dem N-fachen der Bit-Rate des Ausgangssignals 26 ist, wobei N die Anzahl von Bits des Pseudozufallsrauschcodes angibt, mit der ein jeweiliges Bit des Ausgangssignals 26 codiert wird.
5 zeigt die Frequenzspektren des in der 4 dargestellten Ausgangssignals 26 und des in 4 dargestellten, nach dem DSSS-Bandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals, das heißt des Lichtsignals 14. Dabei gilt für den Frequenzbereich, dass die Bandbreite des in das Schutzfeld 56 gesendeten Lichtsignals 14 gleich der N-fachen Datenbandbreite des Ausgangssignals 26 ist.
6 zeigt die Energiespektren des Ausgangssignals 26, des Pseudozufallsrauschcodes 40 und des nach dem DSSS-Bandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals, das heißt des in das Schutzfeld 56 ausgesandten Lichtsignals 14.
Die Steuereinrichtung 18 (vgl. 3) kann Mittel umfassen, um zur Identifizierung oder Rückgewinnung des dem Lichtsender 12 zugeordneten Ausgangssignals die Korrelationsfunktion zwischen dem empfangenen Lichtsignal und dem betreffenden Pseudozufallsrauschcode zu bilden.
Die Steuereinrichtung 18 (vgl. 3) kann zudem Mittel umfassen, um einen variablen zeitlichen Versatz zwischen dem betreffenden Pseudozufallsrauschcode und dem durch diesen beaufschlagten empfangenen Lichtsignal so einzustellen, dass sich für die Korrelationsfunktion ein Maximalwert ergibt.
7 zeigt in schematischer Darstellung einen ersten Abschnitt einer beispielhaften Synchronisation eines Lichtempfängers mit einem Lichtsender.
Wie anhand der 7 zu erkennen ist, wird ein Eingangssignal 42 einem A/D-Wandler 44 zugeführt, auf den eine Offset-Korrektur 46 folgt, deren Ausgangssignal einem Korrelator 48 zugeführt wird, der zudem Referenzdaten aus einer Referenztabelle 50 erhält. Der Korrelator 48 liefert schließlich ein Korrelationsspektrum. Dabei wird die Spitze 52 mit ausreichendem Störabstand erfasst, wozu ein entsprechender Positions- und Störabstandsdetektor 54 vorgesehen ist, der wiederum einen PI-Controller 57 beaufschlagt, der den jeweiligen Zeitversatz t_S vorgibt, um den A/D-Wandler 44 zur Bestimmung des Startzeitpunktes der eingehenden Datenfolge entsprechend anzusteuern.
Bei der vorliegenden Synchronisation wird also die Spitze des Korrelationsspektrums mit hinreichendem Störabstand erfasst. Mit einem Start des PI-Controllers 57 wird die Spitze 52 auf die Mitte des Korrelationsspektrums eingestellt. Zur entsprechenden Signalerfassung erfolgt die Abtastung durch den A/D-Wandler 44 bei verschiedenen durch die Abtastzeit vorgegebenen Wiederholungszeiten. Ist das betreffende Signal erfasst, so wird die Abtastzeit durch den PI-Controller 57 eingestellt. Die verschiedenen in der 7 zu erkennenden Elemente können zumindest teilweise der Steuereinrichtung 18 (vgl. 3) zugeordnet sein.
8 zeigt in schematischer Darstellung einen weiteren Abschnitt der Synchronisation des Lichtempfängers mit dem Lichtsender.
Dabei ist die Synchronisation beendet, wenn die Spitze 52 des Korrelationsspektrums zeitlich stabil ist. Es wird dann der Korrelationsvorgang begrenzt, um die Antwortzeit zu minimieren. Die Spitze 52 des Korrelationsspektrums ist stabil, wenn die Wiederholungsrate gleich der Versatzzeit ist.
Im Übrigen sind in der 8 zumindest im Wesentlichen wieder die gleichen Elemente wie in 7 zu erkennen, wobei einander entsprechenden Elementen gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind.
9 zeigt die Frequenzspektren eines Bezugs-Pseudozufallsrauschcodes und eines mit einem entsprechenden Pseudozufallsrauschcode modulierten Eingangssignals sowie ein sich aufgrund eines Vergleichs dieser beiden Signale ergebendes Korrelationsspektrum. Dabei lässt das Korrelationsspektrum noch keine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen.
10 zeigt eine mit der 9 vergleichbare Darstellung, wobei die beiden miteinander zu vergleichenden Signale jedoch relativ zueinander so versetzt sind, dass das Korrelationsspektrum eine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt.
11 zeigt die Frequenzspektren eines Bezugs-Pseudozufallsrauschcodes und eines stark verrauschten, mit einem entsprechenden Pseudozufallsrauschcode modulierten Eingangssignals sowie ein sich aufgrund eines Vergleichs dieser beiden Signale ergebendes Korrelationsspektrum. Dabei lässt das Korrelationsspektrum noch keine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen.
12 zeigt eine mit der 11 vergleichbare Darstellung, wobei die beiden miteinander zu vergleichenden Signale jedoch relativ zueinander wieder so versetzt sind, dass das Korrelationsspektrum eine Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt.
Dabei tritt sowohl beim Beispiel gemäß 10 als auch beim Beispiel gemäß 12 im Korrelationsspektrum jeweils eine Spitze im Bereich des Wertes ”100” auf, woran sich eine entsprechende Übereinstimmung der beiden Signale erkennen lässt.
Die Pseudozufallscodes können insbesondere durch entsprechende Schieberegister erzeugt werden. Zur empfangsseitigen Decodierung können entsprechend abgestimmte Filter eingesetzt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. So wird bei möglichst einfachem Aufbau und möglicht großer Reichweite insbesondere ein optimaler Störabstand gewährleistet. Es werden auch Empfangssignale mit kleineren Signalpegeln sicher empfangen.
Bezugszeichenliste

10: optoelektronischer Scanner
12: Lichtsender
14: Lichtsignale
16: Lichtempfänger
17: Lichtablenkeinheit
18: Steuereinrichtung
19: Scanebene
20: Kanalcodierer
21: remittiertes bzw. reflektiertes Licht
22: Modulator
23: Empfangsoptik
24: Pseudozufallsrauschgenerator
26: Ausgangssignal
27: Motor
28: Drehspiegel
30: Encoder
31: Auswerteeinheit
32: Demodulator
33: Leitung
34: Pseudozufallsrauschgenerator
35: Gehäuse
36: Kanaldecoder
37: Frontscheibe
38: Eingangssignal
40: Pseudozufallsrauschcode
42: Eingangssignal
44: A/D-Wandler
46: Offset-Korrektur
48: Korrelator
50: Referenztabelle
52: Spitze
53: Ausgang
54: Positions- und Störabstandsdetektor
56: Schutzfeld
57: PI-Controller
60: Kontrollempfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4340756 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm EN 13849 [0003]
EN61496 [0003]

Claims

Optoelektronischer Scanner (10) zur Überwachung wenigstens eines Schutzfeldes (56), mit einem Lichtsender (12) zur Aussendung von Lichtsignalen (14), einer Lichtablenkeinheit (17) zur Ablenkung der vom Lichtsender (12) ausgesandten Lichtsignale (14) in das zu überwachende Schutzfeld (56), einem Lichtempfänger (16) zum Empfang von von einem jeweiligen sich im überwachten Schutzfeld (56) befindlichen Objekt zurückgeworfenem Licht, und einer Steuereinrichtung (18) zur Erzeugung und/oder Beeinflussung der Lichtsignale (14) und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im überwachten Schutzfeld (56) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Lichtempfängers (24), dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Lichtsender (12) in das Schutzfeld (56) ausgesandten Lichtsignale (14) jeweils auf der Basis eines nach dem Frequenzbandspreizverfahren (Spread Spectrum) mit einem Pseudozufallsrauschcode modulierten Ausgangssignals erzeugt sind.
Optoelektronischer Scanner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal zur Erzeugung eines unipolaren Signals mit einem Offset beaufschlagt ist.
Optoelektronischer Scanner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pseudozufallsrauschcode über ein primitives Polynom erzeugt ist.
Optoelektronischer Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pseudozufallsrauschcode eine M-Sequenz, eine Gold-Sequenz, eine Kasami-Sequenz, eine inkohärente Barker-Folge, eine Hadamard-Walsh-Sequenz und/oder eine synthetische Pulsfolge umfasst.
Optoelektronischer Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Lichtsender (12) in das Schutzfeld (56) ausgesandten Lichtsignale (14) jeweils durch ein nach dem DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)-Frequenzbandspreizverfahren mit dem Pseudozufallsrauschcode moduliertes Ausgangssignal erzeugt sind.
Optoelektronischer Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Lichtsender (12) in das Schutzfeld (56) ausgesandten Lichtsignale (14) jeweils durch wenigstens einen mit dem Pseudozufallsrauschcode gemischten Lichtpuls erzeugt sind.
Optoelektronischer Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Lichtempfänger (16) empfangene Lichtsignal zur Identifizierung des dem Lichtsender (12) zugeordneten Ausgangssignals mit dem dem Lichtsender (12) zugeordneten Pseudozufallsrauschcode beaufschlagbar ist.
Optoelektronischer Scanner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) Mittel umfasst, um zur Identifizierung des dem Lichtsender (12) zugeordneten Ausgangssignals die Korrelationsfunktion zwischen dem empfangenen Lichtsignal und dem betreffenden Pseudozufallsrauschcode zu bilden.
Optoelektronischer Scanner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (18) Mittel umfasst, um den variablen zeitlichen Versatz zwischen dem Pseudozufallsrauschcode und dem durch diesen beaufschlagten empfangenen Lichtsignal so einzustellen, dass sich für die Korrelationsfunktion ein Maximalwert ergibt.
Anordnung aus mehreren benachbarten optoelektronischen Scannern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den den verschiedenen optoelektronischen Scannern (10) zugeordneten Lichtsendern (12) unterschiedliche Pseudozufallsrauschcodes zugeordnet sind.