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Stand der Technik
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Pulslaufzeitsensoren für mittlere Entfernungen und deren Signalverarbeitungsverfahren sind z. B. in den Schriften
beschrieben.
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Diese Systeme haben alle den Nachteil, dass entweder ein Lichtimpuls in seiner Form gegenüber dem Rauschen bewertet wird oder jeweils nach Eintreffen des Signals weitere Lichtimpulse zum Ziel abgegeben werden und diese dann integriert werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es für relativ große zu überbrückende Entfernungen ein System zu schaffen, das mit niedriger Impulsspitzenleistung auskommt und trotzdem das Signal aus dem Rauschen heraus erkannt wird. Zugleich wird dem Sendesignal eine Kennung mitgegeben, die eine Diskriminierung der systemeigenen Signale vom Rauschen und von anderen Störquellen ermöglicht.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird mittels der 1 bis 5 beschrieben.
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Anstatt eines einzelnen Impulses pro Messung werden entsprechend 1 mehrere Impulse in kurzen Abständen oder Impulsgruppen abgegeben.
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Entsprechend 1 sind die Amplituden der Impulse jeweils auf den Achsen 101 und 101a dargestellt. Die Zeit ist auf den Achsen 102 und 102a dargestellt. Die Unterbrechung der Zeitachse bis zum Eintreffen der Signale ist mit den Zeichen 103 und 103a gekennzeichnet.
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Das Sendesystem gibt eine Impulsgruppe 104 mit den Einzelimpulsen 105 mit deren Zeitabständen 106 ab. Die Impulsgruppe wird vom Ziel reflektiert und zeigt sich am Empfänger mit dem Signal 104r. Zur Veranschaulichung sind Sendeimpulse 105 und Empfangsimpulse 107 mit gleicher Amplitude dargestellt. Der Abstand 106 bleibt bei beiden Signalen erhalten. Die Auswertung der Impulsgruppe 104r kann mit z. B. einem digitalen oder analogen Filter oder mit einem Prozessorsystem erfolgen. Die Impulsgruppen werden nur für große Abstände bzw. bei niedrigem Signal-Rauschabstand genützt, für rauscharme Signale reicht im allgemeinen der erste Impuls aus. Um Mehrdeutigkeiten zu vermeiden werden bei nahen Zielen nur der erste oder weitere wenige Impulse mit kurzen Zwischenabständen benützt. Durch die mit dem Impulsabstand 106 gegebene Frequenz und der Zahl der Impulse ist für die weitere Auswertung eine niedrigere Signalverarbeitungsbandbreite anwendbar, als dies für die Auswertung eines Einzelimpulses nötig wäre. Damit wird insgesamt der Signal-Rauschabstand verbessert. Um Signale des eigenen Systems von denen anderer Systeme zu unterscheiden, kann die jeweilige Frequenz pro Impulsgruppe durch einen Zufallsgenerator bestimmt werden.
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Um ein digitales Filter einzusetzen, das die zu detektierende Impulsgruppe noch deutlicher aus dem Rauschpegel herausfiltert, können die Impulse mit unterschiedlichen Abständen abgegeben werden. Dieses Verfahren ist mit der Amplitude 101a und mit der Zeitachse 102a dargestellt. Die unterschiedlichen Zeiten zwischen den abgebenden Impulsen sind mit 106a, 106b 106c und 106d dargestellt. Die vom Objekt reflektierten Impulse mit ihren zeitlichen Abständen sind mit 106ar, 106br, 106cr und 106dr dargestellt. Durch die unterschiedlichen Zeiten zwischen den Impulsen wird dem Signal zugleich eine Kennung mitgegeben. Dadurch ist eine weitere Steigerung des Signal-Rauschabstandes erreichbar.
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In 1a ist als Beispiel ein mögliches Auswertungsverfahren der Einfachheit halber mit äquidistanten Impulsen dargestellt. Die jeweiligen Amplituden sind auf der Achse 101b gezeigt, die Zeit ist auf der Achse 102b dargestellt. Die Laufzeit zwischen den gesendeten und den reflektierten Impulsen ist als Unterbrechung mit 103b bezeichnet. Die abgegebenen Impulse haben gleiche zeitliche Abstände 112. Die Impulse selbst sind mit 108, 109, 110 und 111 bezeichnet. Die am Ziel reflektierten Sendeimpulse erscheinen am Empfänger als Impulse 108a, 109a und 110a und 111a. Diese empfangenen Impulse werden, da die Zeitintervalle 112 bekannt sind, jeweils so verzögert, dass der Impuls 108a drei Einheiten 112, der Impuls 109a zwei Einheiten 112 und der Impuls 110a eine Einheit 112 nach dem Eintreffen des ersten Impulse später in einer Summiereinrichtung auflaufen und dort gemeinsam mit dem Impuls 111a z. B. über den Zeitbereich 113 aufsummiert werden. Damit entsteht ein Impuls 114 der mindestens um den Faktor √ (Anzahl der Impulse) also √4 und so mit doppelter Amplitude aus dem Rauschen herausragt. Das Verfahren kann in gleicher Weise mit unterschiedlichen Abständen der Impulse verwendet werden. Dabei ist nur die Abfolge der unterschiedlichen Zeiten zu beachten.
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Damit nicht der erste Impuls schon genau in seiner zeitlichen Lage detektiert werden muss um das beschriebene Verfahren zu ermöglichen, wird entsprechend
2 das gesamte Signal mit einem herkömmlichen Verfahren akquiriert und digitalisiert. Solche Verfahren sind z. B. in den bekannten Schriften
DE 197 17 399.3 DE 101 62 668 B4 dargestellt. Das Signal wird entsprechend z. B. diesen Schriften akquiriert und wie in
2 schematisch mit zwei Impulsen gezeigt verarbeitet.
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Es werden zwei Lichtimpulse 201 und 202 mit einem zeitlichen Abstand von 203 ausgesendet. Nach einer Zeit, die durch 204 zur Darstellung unterbrochen wird, werden die Lichtimpulse vom Ziel als 201r und 202r reflektiert.
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Zur schematischen Darstellung sind Sendelichtimpulse und Empfangslichtimpulse mit gleicher Amplitude gezeichnet. Um die Impulse herauszufiltern wird das Signal z. B. in Quantisierungsschritten mit der Zeit 205 akquiriert und gespeichert. Dann wird das gesamte Signal so bearbeitet, dass jeweils die Signale 1 bis 13 der Gruppe 203a mit den jeweiligen Signalen 1 bis 13 der Gruppe 203b addiert werden, so dass eine Addition der Signalteile jeweils mit dem Pulsabstand 203 erfolgt. Diese Auswertung erfolgt über die gesamte Zeit in der das Rückstreusignal erwartet wird.
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Damit werden die Impulse 201r und 202r an den Quantisierungsstellen jeweils 6 bis 12 aufeinanderaddiert und ergeben den Impuls 206 als Addition beider Impulsamplituden 201r und 202r. Nachdem dieser neue Impuls mindestens um den Faktor also 1,4 aus dem Rauschen herausragt kann er und sein Abstand registriert werden. Mit mehreren Impulsen oder Impulsgruppen wird wie in 2 beschrieben verfahren nur dass dann mehrer Abstandsgruppen bearbeitet werden.
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Als Beispiele sind in 2a drei Impulse 209, 210 und 211 dargestellt. Der Impuls 209 hat vom Impuls 210 den Abstand 212. Der Impuls 210 hat vom Impuls 211 den Abstand 213. Um das Signal herauszufiltern wir das gesamte Signal wie in 2 beschrieben abgetastet und ausgewertet mit dem Unterschied, dass die unterschiedlichen Impulsabstände von 212 und 213 in der Aufaddierung über den Zeitraum 114 berücksichtigt werden. Damit ist es möglich die drei Impulse 209, 210 und 211 aufeinander zu addieren.
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Bei anderen Zeitintervallen oder Impulsgruppen wird der ganze akquirierte Datenstrom des rückgestreuten Signals wie beschrieben unter den Berücksichtigung der jeweils unterschiedlichen Zeitdifferenz behandelt. Dieses Verfahren kann mit allen möglichen Impulsen und Impulsgruppen bei entsprechender Wahl der aufzuaddierenden Signale in den entsprechenden Zeitintervallen durchgeführt werden. Dabei ist es auch möglich unterschiedliche Zeitintervalle für die einzelnen Impulsgruppen zu verwenden.
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Das gesamte Signal kann dadurch mittels eines Mikroprozessors so behandelt werden, dass unterschiedliche Zeitintervalle zwischen dem Sendezeitimpuls und der akquirierten Empfangssignale gewählt werden und dann aus der Aufsummierung das Signal mit dem höchsten Signal/Rauschabstand herausgefiltert wird und daraus die Zeitdifferenz der Impulsgruppe zum Sendesignal gut ermittelbar wird. Wird ein Code, bei dem die Impulsabstände und die Kombination unterschiedlicher Impulse unverwechselbare Werte haben für die Impulsgruppen verwendet, kann durch die Erkennung von Teilen des Codes immer noch eine genaue Entfernungsbestimmung erfolgen, da die einzelnen Teile des Codes erkennbar und zuordenbar sind. Damit kann noch eine genaue Entfernungsbestimmung durchgeführt werden selbst wenn einige Impulse im Rauschen nicht mehr erkennbar sind. Durch diese Methode kann eine Verbesserung des Signal-Rauschabstandes fast um den Faktor der Anzahl der noch detektierbaren Impulse erreicht werden.
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Das Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Systems ist in 3 dargestellt. Die Steuerung des Systems und Einstellung der Impulsgruppen sowie die Auswertung der Echosignale erfolgt im Mikroprozessorbaustein 314, der über den Bus 313 den Impulserzeuger 305 ansteuert. Der Impulserzeuger 305 steuert die Pulsformerstufe 302 über die Schnittstelle 304 an. Die Pulsformerstufe 302 steuert die Laserdiode 301 an, die ihre Lichtimpulse über die Optik 303 auf die zu vermessende Szene abgibt. Die vom Objekt reflektierten Impulsfolgen gelangen über die Empfangsoptik 308 und das Filter 307 auf den Detektor 306. Die Signale des Detektors 306 werden in der Verstärkereinheit 309 konditioniert und gelangen über die Schnittstelle 310 in den Analog-Digitalwandler 311, dem eine Auswerteeinheit 312 nachgeschaltet ist, die die Verzögerung der einzelnen Impulse entsprechend der Pulsabstände entsprechend 1, 2, 2a vornimmt und die Summierung oder die Signale durch Erkennen von Teilen der Impulsgruppe auswertet. Das Ergebnis gelangt über den Bus 313 zum Mikroprozessor und wird dort auf Plausibilität und Wirksamkeit des Signal-Rauschabstandgewinns und der Teilcodeerkennung gegenüber dem Rohsignal geprüft und gelangt als Entfernungsinformation über die Schnittstelle 315 zu Versorgungs- und Schnittstellenbaustein 316. Mit einer Plausibilitäts-, Wirksamkeitsprüfung und Codeerkennung können, da alle Signale gespeichert sind auch iterativ mehrere Verbesserungsläufe durch den Mikroprozessor erfolgen. Werden diese Signalbewertungen in einem Teilbereich des Bausteins 312 vorgenommen, so kann während der Verbesserungsläufe bereits eine neue Messung gestartet werden. Die Bausteine 302, 305 und 312 können vorwiegend z. B. durch eine schnelle frei programmierbare Logik dargestellt werden. Der Baustein 316 wird vom entsprechenden Träger über die Schnittstelle 317 über das Bordnetz versorgt und liefert über die Ausgänge 318 alle notwendigen Spannungen für das System. Über die Außenschnittstelle 319 wird die Verbindung zum Träger hergestellt. Mit Träger wird im folgenden z. B. das Gesamtsystem wie Fahrzeug, Flugzeug, Drohne oder auch Überwachungssystem bezeichnet. Die entsprechenden Impulsabstände im Impulserzeuger 305 und in der Einheit 312 werden entweder fest oder pro Messzyklus vom Mikroprozessor 314 aus gesteuert.
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Die Impulsabstände können auch durch den Mikroprozessor 314 so gesteuert werden, dass Informationen wie
- – Eigengeschwindigkeit
- – Bewegungsvektor
- – Eigenmanövrierfähigkeit
- – Eigenposition
- – Eigene Ausweichstrategie
- – Vorschlag einer Ausweichstrategie für einen Kollisionspartner
- – Rückmeldung der Tendenz der Wirksamkeit des Ausweichmanövers
objektselektiv übertragen werden. Die Information kann mit einem Kode mit unverwechselbaren Werten übertrage werden. Das System ist auch geeignet für Entfernungsmessung und Informationsübertragung unterschiedliche Kodierungen anzuwenden. Damit ist für mögliche Kollisionspartner nur ein passiver Empfänger entsprechen 4 nötig. In 4 ist ein solcher passiver Empfänger gezeigt.
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Die Sendeimpulse eines Systems nach 3 werden über die Empfangsoptik 401 dem Filter 402 auf den Fotodetektor 403 geleitet. Das Signal wird in der Stufe 404 konditioniert und über die Schnittstelle 405 den Analog/Digital Wandler 406 zugeführt. Die digitalen Signale werden über den Bus 407 der Auswerteeinheit 408 bestehend aus einer freiprogrammierbaren Logik mit Mikroprozessor zur Auswertung zugeführt. Das Ergebnis wird über den Bus 413 an den Schnittstellenbaustein 409 weitergegeben. Dieser Baustein wird vom Träger über den Eingang 411 versorgt und stellt für das System alle nötigen Spannungen über die Schnittellen 410 zur Verfügung und gibt zugleich das Ergebnis über den Bus 412 an den Träger weiter.
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In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems gezeigt. Über die Sendeoptik 303 werden mehrere Laserdioden 501 und 502 auf die Szene abgebildet. Die Laserdioden werden vom steuerbaren Pulsformer 503 angesteuert. Die von Objekten zurückgestreuten Lichtimpulse gelangen über die Empfangsoptik 308, das Filter 307 auf mehrere abbildungsmäßig den Laserdioden 501 und 502 zugeordnete Empfangsdioden 506 und 507. Die Signale der Empfangsdioden werden im Baustein 508 verstärkt, gemultiplext und in digitale Werte gewandelt und an die Bewertungseinheit 510 über den Bus 509 weitergeleitet. Die Auswahl der Laser und der Empfänger wird über den Bus 512 vom Mikroprozessor 514 getroffen.
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Die Auswertung der Signale über die entsprechenden Impulsabstände der einzelnen Impulse oder Impulsgruppen erfolgt über den Baustein 510, der seine Ergebnisse über den Bus 512 dem Mikroprozessor 514 weiterleitet. Zum schnellen Signalaustausch zwischen Pulsformer 505 und Auswerteinheit 510 ist der schnelle Bus 513 vorgesehen. Werden von der Empfangsgruppe 308 bis 510 Impulsgruppen von einem anderen System gleicher Art empfangen die nicht mit der Kodierung der Abstandmessung korrelierbar sind, werden diese Signale über den Bus 512 an die Einheit 516 weitergeleitet und dort z. B. als Daten eines korrespondierenden Kollisionspartners dekodiert und für Ausweichmanöver ausgewertet. Die Versorgung des Gesamtsystems erfolgt über die Trägerversorgung 317 auf den Schnittsellenbaustein 316, der seinerseits das System über die Schnittstellen 318 mit der nötigen Spannungen versorgt und die Daten der Einheiten 515 und 516 über den Bus 319 auf den Träger leitet.
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Die Mehrfachlaser 501 und 502 und die Mehrfachempfänger 506 und 507 können dabei sowohl als Zeilen als auch als Matrix mit einer Vielzahl solcher Einheiten ausgeführt werden um damit eine elektronisch gemultiplexte Entfernungsmessung, Signalauswertung und Datenübermittlung in einer Zeile oder einer Fläche durchführen zu können.
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Um Interferenzen mit anderen gleichartigen Systemen zu vermeiden, kann die Kodierung der Impulse pro Einzellaser, pro Zeile oder pro Umlauf des Systems durch einen Zufallsgenerator gesteuert werden. Trotz dieser Maßnahme kann die Kodierung jeweils so ausgeführt werden, dass der Code selbst bei Ausfall einiger Impulse durch z. B. Rauschen noch mindestens in Teilen erkennbar und auswertbar ist.
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Eine Anordnung nach 5 kann auch in einer Vorrichtung untergebracht werden, die das System azimutal über z. B: 360° schwenkt und entweder wie beschrieben den Elevationsbereich elektronisch abtastet oder ebenfalls mechanisch überstreicht.
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Damit ist das System geeignet den gesamten Raum um den Träger herum zu überwachen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4127168 [0001]
- DE 19717399 [0001, 0010]
- DE 10162668 B4 [0001, 0010]
