DE102013207650A1

DE102013207650A1 - Lichtlaufzeitkamerasystem

Info

Publication number: DE102013207650A1
Application number: DE201310207650
Authority: DE
Inventors: Ralph Wilks; Christian Prestele
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: DE102013207650B4

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, das mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist,
a) Ermittlung einer Phasenverschiebung (φ_i) eines emittierten und empfangenen Signals (Sp1, Sp2) für eine Modulationsfrequenz (f₁, f₂, f₃) in einem Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂, ...),
b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂, ...), wobei in mindestens drei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂, ...) unterschiedliche Modulationsfrequenzen (f₁, f₂, f₃) verwendet werden,
c) Ermittlung von zwei Entfernungswerten (EP_A, EP_B, d_n,n+1) in einem Distanzmesszyklus (M₁, M₂, ...) ausgehend von den in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM_n, PM_n+1) ermittelten Phasenverschiebungen (φ_n, φ_n+1),
d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen (M₁, M₂, ...)

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747 , US 6 587 186 und auch DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Insbesondere sollen unter Lichtlaufzeitkamerasystem auch Systeme mit umfasst sein, bei dem der Lichtlaufzeitsensor nur ein Pixel oder eine geringe Anzahl von Pixeln aufweist.
Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ (Inphase, Quadratur)-Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, das mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, mit den Schritten

a) Ermittlung einer Phasenverschiebung eines emittierten und empfangenen Signals für eine Modulationsfrequenz in einem Phasenmesszyklus,
b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen, wobei in mindestens drei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen unterschiedliche Modulationsfrequenzen verwendet werden,
c) Ermittlung von zwei Entfernungswerten in einem Distanzmesszyklus ausgehend von den in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen ermittelten Phasenverschiebungen,
d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass aufgrund der Verwendung mehrerer Modulationsfrequenzen der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmessung erhöht und zudem die Ermittlung eines eindeutigen Entfernungswerts verbessert werden kann. Darüber hinaus wird eine Störung mehrere Lichtlaufzeitkamerasysteme untereinander durch den ständigen Wechsel der Modulationsfrequenzen reduziert.
Ferner ist es vorteilhaft, dass trotz einer Auswertung mehrerer Phasen durch die zyklische Messung die effektiven Framerate nicht reduziert wird.
Vorteilhaft erfolgt die Bestimmung eines Entfernungswertes in Abhängigkeit eines Entfernungswertes, der in einer vorbestimmten Anzahl von aufeinander folgenden Distanzmesszyklen am häufigsten auftritt.
Durch dieses Vorgehen wird vorteilhaft verhindert, dass Entfernungswerte, beispielsweise aus einer gestörten Messung oder Überreichweiten, verwendet werden. Eine nachfolgende Auswertung erfolgt somit nur anhand gültiger Entfernungswerte.
Besonders günstig ist es, wenn die Anzahl der für die Bestimmung des Entfernungswertes verwendeten Distanzmesszyklen die Anzahl der verwendeten Modulationsfrequenzen nicht übersteigt. Hierdurch wird vermieden, dass Entfernungswerte, die sich zufällig für bestimmte Modulationsfrequenzen wiederholen als gültige Entfernungswerte ausgegeben werden.
Ferner wird vorteilhaft der häufigste Entfernungswert unter Berücksichtigung von Toleranzgrenzen bestimmt. Wobei die Toleranzgrenze vorzugsweise so gewählt ist, dass übliche statistische Streuungen der Signale die Auswertung nicht beeinflussen aber Fehlzuordnungen ausgeschlossen werden können.
Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Modulator, der mit einer Beleuchtung und einem Empfänger des Lichtlaufzeitkamerasystems verbunden ist, wobei ein Modulationssteuergerät mit dem Modulator verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass der Modulator mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, und das eine Auswerteeinheit dem Empfänger zugeordnet und derart ausgestaltet ist, dass in jedem Distanzmesszyklus zwei Entfernungswerte ermittelt werden.
Es zeigen:
1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,
4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,
5 eine Distanzmessung mit einer Wellenlänge,
6 eine Distanzmessung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen,
7 einen Verlauf der Phasenverschiebungen mit dem Abstand,
8 einen Verlauf der Distanzwerte für unterschiedliche Wellenlängen,
9 bis 11 schematisch eine Entfernungsbestimmung für unterschiedliche Wellenlängen,
12 einen zeitlichen Ablauf der Distanzmessungen
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M_o mit einer Basisphasenlage φ₀ beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phaselage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben ∆φ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + ∆φ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M_o mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs ist es vorteilhaft, die Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulationssteuergerät 38 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzspektrums Modulationsfrequenzen vorgeben kann.
Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 38 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird. Auch ist ein Umschalten zwischen Quarzoszillator mit festen Frequenzen denkbar.
Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein. Aufgabe der Auswerteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. PMD-Sensor. Ferner kann das Modulationssteuergerät 38 auch Bestandteil der Auswerteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 27 die Funktion des Modulationssteuergeräts 38 vollständig oder teilweise übernimmt.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbreichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M₀ mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben ∆φ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung ∆φ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz ∆q = q_a – q_b/(q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ∆φ(t_L) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M₀ mit einer Phasenlage φ_var = 0°.
Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also ∆φ(t_L) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal S_p1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M₀ und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit ∆q = 1 anliegt.
Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von ∆φ(t_L) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung "–1". Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.
Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀.
Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung ∆φ(t_L) ≤ 180° eindeutig.
Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φ_var = 0° und φ_var = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φ_var = 90° ist in 3b dargestellt.
Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bestimmen: φ = arctan ∆q(90°) / (∆q 0°)
Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = arctan ∆q(90°) – ∆q(270°) / (∆0°) – ∆q(180°)
Aus der in 2 dargestellten laufzeitbedingten Phasenverschiebung ∆φ(t_L) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2 in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. d = ∆φ(t_L) λ / 2π· 1 / 2
Für Entfernungen d > λ/2 besteht in der Regel keine Möglichkeit die Phasenverschiebung absolut zu messen, so dass die ermittelte Phasenverschiebung nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden kann.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem das Objekt 40 einen Abstand d vom Sender 10 von d = 2λ + R / 2 aufweist, wobei selbstverständlich die bis zum Empfänger 20 zurückgelegt Wegstrecke doppelt so groß ist, nämlich D = 2d = 4λ + R
Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs ist es, wie in 6 schematisch dargestellt, vorgesehen, mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen respektive Modulationswellenlängen eine Objektabstand d zu bestimmen. Der Einfachheit halber ist in 6 die Gesamtstrecke D zwischen Sender 10 und Empfänger 20 dargestellt. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs der beiden Wellenlängen λ₁, λ₂, der typischerweise durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen λ₁, λ₂ aufgespannt wird, gilt folgende Distanzgleichung: D = 2d = n₁λ₁ + R₁ = n₂λ₂ + R₂ mit
wobei für die von der Modulationsfrequenz und dem Objektabstand abhängige relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) gilt:
Die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) ist somit ein Maß für das in der Entfernungsmessung verbleibende Reststück R_i. Für die Entfernungsbestimmung kann nun mit zwei für unterschiedliche Modulationsfrequenzen f₁, f₂ erfassten Phasenverschiebungen φ_1/2(f_1/2, D) eine Lösung für die oben dargestellte Distanzgleichung gefunden werden.
Ein möglicher Lösungsweg ist in 7 schematisch dargestellt. Die 7 zeigt zwei relative Phasenverschiebung φ_1/2(f_1/2, D) in Abhängigkeit des doppelten Objektabstandes 2d = Gesamtweglänge D für zwei unterschiedliche Frequenzen f₁, f₂. Mit durchgezogener Linie ist die Phasenverschiebung φ₁ für f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 40 m und mit gestrichelter Line für f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m dargestellt. Der Eindeutigkeitsbereich EB₁₂ für die beiden Frequenzen f₁, f₂ ergibt sich in bekannter Weise aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Wellenlänge λ₁,λ₂, also hier 120 m.
Für jeden Entfernungswert bzw. jeder Gesamtweglänge D innerhalb des gemeinsamen Eindeutigkeitsbereich EB₁₂ gibt es genau ein Phasendifferenzpaar (φ₁, φ₂). Für den beispielhaften Entfernungswert von 23 m ergibt sich ein Phasendifferenzpaar von ca. (1,2 | 0,8).
In einem möglichen Anwendungsfall könnte es beispielsweise vorgesehen sein, eine geeignete Anzahl von Phasendifferenzpaaren mit dem ihnen zugeordneten Entfernungswert D oder Objektabstand d in einer Wertetabelle abzulegen. Bei einer Entfernungsmessung kann dann beispielsweise ermittelt werden, welches tabellierte Phasendifferenzpaar mit einem entsprechend zugeordnetem Entfernungswert dem ermittelten Phasendifferenzpaar am nächsten kommt. Alternativ kann der Objektabstand auch jedesmal berechnet werden.
8 entspricht der Darstellung gemäß 7 mit dem Unterschied, dass auf der y-Achse die Länge des jeweiligen Reststücks aufgetragen ist mit:
Im dargestellten Beispiel sind bis zu einer Gesamtweglänge D, die der kleinsten Wellenlänge entspricht, also hier 40 m, beide Reststücke gleich lang. Für eine Gesamtstrecke D von beispielsweise 70 m hingegen sind die Reststücke unterschiedlich groß.
Der in den 7 und 8 dargestellte Zusammenhang von Phase und Abstand lässt sich vorteilhaft in einem so genannten Modulodiagramm gemäß den 9 bis 11 darstellen. Auf der x- und y-Achse sind die Phasenwerte φ₁ und φ₂ für eine erste und zweite Modulationsfrequenz und auf der sekundären x- und y-Achse die den Phasenwerten entsprechenden Distanzwerte bzw. Reststückwerte d₁, d₂ dargestellt. Wie bereits erwähnt existiert für einen Entfernwert innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur ein einziges Phasenwertepaar.
9 zeigt ein Modulodiagramm für die Frequenzen f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 40 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m wie bereits in 7 und 8 dargestellt. Die Kurve beginnt mit dem Phasendifferenzpaar (0 | 0) für D = 0. Erreicht die Gesamtweglänge des vom Objekt reflektierten Licht die Wellenlänge λ₁ = 40 m so erreicht auch der Phasenwert der ersten Modulationsfrequenz seinen maximalen Wert, nämlich 2π mit dem Phasenwertepaar (2 | 1,33). Mit größer werdender Entfernung springt die Kurve immer an den Punkten bzw. Gesamtweglängen, an denen eine der beiden Phasenwerte einen 2π-Wert durchläuft, bis ein Eindeutigkeitsbereich EB von 120 m erreicht ist. Eine Entfernung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, in dem ein ermitteltes Phasenwertepaar einem Entfernungspunkt der Distanzkurve zugeordnet wird. Im in 9 dargestellten Fall ist exemplarisch ein gemessenes Phasenwertepaar mit (1,05 | 0,85) eingezeichnet. Dieses Phasenwertepaar liegt nicht auf der Distanzkurve und ist nun einem Entfernungspunkt auf einer der beiden Kurvenabschnitte zuzuordnen. Der Abstand d_AB zwischen den Kurvenabschnitten ist bekannt. Für die Zuordnung ist es daher ausreichend den Abstand d_A, d_B zu einer der beiden Kurvenabschnitte zu bestimmen.
Eine Möglichkeit wäre es nun, den Objektabstand anhand des nächstliegenden Entfernungspunkt zu bestimmen. Im dargestellten Fall kann dem Phasenwertepaar mit hoher Wahrscheinlichkeit eine Entfernung von 23 m zugeordnet werden. Schwieriger wird es bei Phasenwertepaaren, die im mittleren Bereich zwischen den Kurvenabschnitten liegen. Hier kann es ggf. zu Fehlzuordnungen kommen. In einem solchen Fall könnte statt der tatsächlichen Entfernung von 23 m dem Phasenwertepaar eine Entfernung von 93 m zugeordnet werden.
Fehlzuordnungen entstehen jedoch nicht nur durch unklare Phasenwertepaare, sondern auch durch Überreichweiten von Objekten außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs. Im dargestellten Fall erstreckt sich der Eindeutigkeitsbereich EB bis 120 m Gesamtdistanz D, also einem maximalen Objektabstand d von 60 m. Typischerweise ist ein Lichtlaufzeitmesssystem derart ausgelegt, dass Objekte außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur noch ein geringes Signal liefern und in der Auswertung unberücksichtigt bleiben. Objekte mit einer hohen Reflektivität können jedoch eine ausreichend hohe Signalstärke am Sensor erzeugen und werden als Objekt erkannt.
Seht ein solches Objekt beispielsweise in einer tatsächlichen Entfernung von d = 71,5, also einer Gesamtlaufstrecke von 143 m, wird ein solches Objekt aufgrund des auf 120 m begrenzten Eindeutigkeitsbereich mit einer Gesamtdistanz D von 23 m erfasst. Bei einer Überreichweite mit der Gesamtstrecke von 213 m ergibt sich ein Distanzwert D von 93 m.
Um Fehlzuordnungen zu erkennen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen nicht nur den nächstliegenden Entfernungspunkt EP_A mit 23 m, sondern auch den zweitnächsten Entfernungspunkt EP_B mit 93 m zu bestimmen und eine derartige Messung mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzpaarungen zu wiederholen.
In 10 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 40 m und f₂ = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 50 m und einem Eindeutigkeitsbereich von 200 m dargestellt. Für das dargestellte Phasenwertepaar ergeben sich die Entfernungspunkte 23,4 m und 178,3 m.
In 11 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung f₁ = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 50 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m mit einem Eindeutigkeitsbereich EB von 300 m dargestellt. Hier ergeben sich für das dargestellte Phasenwertepaar die Entfernungspunkte 22,9 m und 267,9 m.
Die Ergebnisse aller drei Messungen lassen sich wie folgt in einer Tabelle darstellen:

EP_A 23 m 23,4 m 22,9 m

EP_B 93 m 178,3 267,9 m
Da für unterschiedliche Modulationsfrequenzpaarungen der Entfernungssprung zum jeweils benachbarten Kurvenabschnitt unterschiedlich groß ist, scheinen keine zwei gleiche Entfernungspaarungen auf. Die tatsächliche Entfernung des Objektes ergibt sich somit durch die am häufigsten auftretende Entfernung, bereits nach zwei Messungen.
Im vorliegenden Fall treten Entfernungen um 23 m am häufigsten auf. Zur Bestimmung gültiger Entfernungswerte ist es vorteilhaft, Entfernungswerte nur innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen zuzulassen. Im vorliegenden Fall könnte beispielsweise eine Toleranzgrenze ∆d_tol von 10 m festgelegt werden. So können zum einem die Messergebnisse anhand der Toleranzgrenzen in Gruppen aufgeteilt werden und zum anderen tragen Fehlmessungen nicht zu einer Entfernungsbestimmung bei.
Im dargestellten Fall können vier Entfernungsgruppen mit 23 m, 93 m, 178 m und 268 m gebildet werden, wobei die Gruppe mit den meisten Treffern bzw. Gruppenmitgliedern, hier die 23 m-Gruppe, zur Entfernungsbestimmung herangezogen wird.
In einer einfachen Ausgestaltung kann die Entfernung bereits ab zwei Gruppenmitgliedern bestimmt werden. Zur Erhöhung der Zuverlässigkeit ist es jedoch vorteilhafter, erst ab drei Gruppenmitgliedern eine Entfernung zu bestimmen.
Zunächst wird überprüft, ob beispielsweise die letzten drei Distanzmessungen einen häufigsten Entfernungswert aufweisen. Zur Entfernungsbestimmung kann nun in einem einfachen Fall der letzte Entfernungswert dieser Gruppe als gültiger Entfernungswert ausgegeben werden.
Auch ist es denkbar, jeweils einen gleitenden Durchschnitt der letzten drei Entfernungswerte dieser Gruppe zu bilden und als Entfernungswert auszugeben.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Beispiele möglicher Messwerte dargestellt.

Distanzmesszyklus	1	2	3	4	5	6	7	8	9
EB	120	200	300	120	200	300	120	200	300
Distanz	d₁₂	d₂₃	d₃₁	d₁₂	d₂₃	d₃₁	d₁₂	d₂₃	d₃₁
Entfernungspaare D = 23 m
EP_A	23,2	178,5	267,6	92,9	23,4	23,5	93,3	22,8	267,1
EP_B	93.2	23,5	23,6	22,9	178,4	267,5	23,3	92,8	23,1
Ausgabe 3 Mess./3 ident	-	-	23,6	22,9	23,4	23,5	23,3	22,8	23,1

Entfernungspaare bei Überreichweite, D = 143 m
EP_A	23	143	143	23	143	143	23	143	143
EP_B	93	187	88	93	187	88	93	187	88
Ausgabe 3 Mess./3 ident.	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Ausgabe 4 Mess./3 ident.	-	-	-	-	143	143	-	143	143
Ausgabe 3 Mess./2 ident.	-	-		-	143	143	-	143	143

Entfernungspaare bei Überreichweite, D = 340 m
EP_A	100	140	40	100	140	40	100	140	40
EP_B	50	94	285	50	94	285	50	94	285
Ausgabe	-	-	-	-	-	-	-	-	-

Die erste Tabelle zeigt mögliche Entfernungspaare EP_A,B für ein Objekt in einem Abstand d von 11,5 m und somit einer Gesamtlichtweglänge D von 23 m. Die Zuordnung der Entfernungen in einem Entfernungspaar zum Punkt EP_A oder EP_B beruht im Wesentlichen auf statistische Streuungen und wird nicht weiter ausgewertet. Maßgeblich ist die Häufigkeit der auftretenden Entfernungswerte.
Im dargestellten Fall wird geprüft, ob in den letzten drei Messungen drei im Wesentlichen identische Entfernungswerte vorliegen. Ist dies der Fall, wird der letzte Entfernungswert dieser Gruppe als gültiger Entfernungswert ausgegeben. Im dargestellten Beispiel trifft dies nach dem dritten Distanzmesszyklus zu. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Werte dieser Gruppe zu mitteln und diesen Mittelwert auszugeben.
Im zweiten Beispiel befindet sich das Objekt in einem Abstand von 71,5 m mit einer Gesamtweglänge D von 143 m und somit außerhalb des Eindeutigkeitsbereich der ersten Frequenzpaarung.
Bei Anwendung des strengen Kriteriums, dass die letzten drei Messungen drei identische Messergebnisse aufweisen müssen, lässt sich kein gültiger Entfernungswert ermitteln. Erst durch ein abgeschwächtes Kriterium, bei dem die Anzahl der überprüften Messungen erhöht oder die Anzahl der notwendig identischen Messungen reduziert wird, führt zu gültigen Messergebnissen.
Grundsätzlich sollte jedoch die Anzahl der ausgewerteten Messungen nicht die Anzahl der verwendeten Modulationsfrequenzen übersteigen. Im dargestellten Beispiel sollte somit die Anzahl der ausgewerteten Messungen auf drei beschränkt werden.
Im letzten Beispiel übersteigt der Objektabstand den Eindeutigkeitsbereich aller Frequenzpaarungen, so dass im Ergebnis kein gültiger Entfernungswert ausgegeben wird. Das Verfahren ist somit sehr gut geeignet, unerwünschte Überreichweiten in der Entfernungsmessung auszublenden.
12 zeigt beispielhaft eine zeitliche Abfolge einer erfindungsgemäßen Entfernungsmessung für unterschiedliche Frequenzpaarungen, bei der die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) für jede Modulationsfrequenz f_i mit vier Phasenlagen φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° durchgeführt wird. Selbstverständlich sind auch Entfernungsmessungen mit weniger und ggf. auch mehr Phasenlagen denkbar.
In einem ersten Phasenmesszyklus PM₁ wird für eine erste Modulationsfrequenz f₁ eine erste Phasenverschiebung φ₁ und für die nachfolgende Phasenmesszyklen PM_2/3 für eine zweite und dritte Modulationsfrequenz f₂, f₃ eine zweite und dritte Phasenverschiebung φ₂, φ₃ ermittelt. Nach dem dritten Phasenmesszyklus PM₃ beginnen die Phasenmessungen wieder mit der ersten Modulationsfrequenz f₁ und so fort. Bei mehr als drei Modulationsfrequenzen können auch andere Frequenz-Reihenfolgen, insbesondere auch zufällige Reihenfolgen gewählt werden.
Jeweils zwei aufeinander folgende Phasenmesszyklen PM_n,n+1 bilden einen Distanzmesszyklus M_n aus dem ein Phasenwertepaar (φ_n, φ_n+1) und ein diesem Paar zugeordneter Entfernungswert d_n,n+1 ermittelt wird. Erfindungsgemäß wird für jedes Phasenwertepaar nicht nur ein Entfernungswert ermittelt, sondern zwei, und zwar die dem Phasenwertepaar am nächsten benachbarten Entfernungspunkte EP_A, EP_B, die auf den am nächsten liegenden Kurvenabschnitten im Modulodiagramm liegen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen die Toleranzgrenze vornehmlich so festzulegen, dass sicher Fehlzuordnungen erkannt werden. Selbstverständlich kann die Toleranzgrenze je nach Genauigkeitsanforderung der Entfernungsmessungen enger gefasst werden.
Bei einer bewegten Kamera und/oder bewegten Objekten müssen zudem die Bewegungsgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.
Wird die Kamera beispielsweise mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 m/s bewegt und wird für jede Phasenmessung eine Erfassungsrate von 1/50 s angenommen, so verschiebt sich jeder Entfernungspunkt zwischen zwei Messungen um 0,2 m. D.h. bei drei aufeinander folgenden Messungen verschiebt sich ein Entfernungspunkt allein aufgrund der Kamerabewegung um 0,6 m. Für die Festlegung der Toleranzgrenze wäre es somit von Vorteil vorzugsweise eine Kameraeigenbewegung ggf. auch eine zu erwartende Objektbewegung und mögliche Messfehler zu berücksichtigen. Im vorliegenden Beispiel könnte beispielsweise die Toleranzgrenze mit 1,2 m festgelegt werden.
Als oberste Grenze für die Festlegung einer Toleranzgrenze kann beispielsweise der Entfernungssprung zur benachbarten Kurvenschar im Modulodiagramm herangezogen werden. Im betrachteten Fall springen die Entfernungswerte benachbarter Kurven um minimal 20 m, so dass für eine eindeutige Entfernungsauswahl die Toleranzgrenze kleiner 20 m gewählt werden sollte. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Vorgehens ist es, dass nur dann Messergebnisse als gültig erkannt werden, wenn sie innerhalb des kleinsten Eindeutigkeitsbereichs liegen. Wie bereits erläutert, spannen die Wellenlängenkombinationen (40, 60), (40, 50), (60, 50) jeweils einen Eindeutigkeitsbereich von 120, 200 und 300 m auf.
Eine Entfernung, die innerhalb des kleinsten Eindeutigkeitsbereichs von 120 m liegt, liefert in jeder Modulationsfrequenzpaarung den gleichen Entfernungswert. Liegt ein Objekt außerhalb des kleinsten Eindeutigkeitsbereichs, sind die ermittelten Entfernungswerte unterschiedlich.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtungsmodul
12: Beleuchtung
22: Lichtlaufzeitsensor
27: Auswerteeinheit
30: Modulator
35: Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
38: Modulationssteuergerät
∆φ(t_L): laufzeitbedingte Phasenverschiebung
φ_var: Phasenlage
φ₀: Basisphase
M₀: Modulationssignal
p1: erste Phase
p2: zweite Phase
Sp1: Sendesignal mit erster Phase
Sp2: Empfangssignal mit zweiter Phase
Ga, Gb: Akkumulationsgates
Ua, Ub: Spannungen am Modulationsgate
f₁, f₂, f₃: erste, zweite, dritte Modulationsfrequenz
λ: Wellenlänge
PM_i: Phasenmesszyklus
Mi: Distanzmesszyklus
D: Gesamtweglänge
d: Objektdistanz
d_ij: ermittelte Objektdistanz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1777747 [0002]
US 6587186 [0002]
DE 19704496 [0002, 0003, 0026]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, das mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, mit den Schritten: a) Ermittlung einer Phasenverschiebung (φ_i) eines emittierten und empfangenen Signals (Sp1, Sp2) für eine Modulationsfrequenz (f₁, f₂, f₃) in einem Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂, ...), b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂, ...), wobei in mindestens drei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂, ...) unterschiedliche Modulationsfrequenzen (f₁, f₂, f₃) verwendet werden, c) Ermittlung von zwei Entfernungswerten (EP_A, EP_B, d_n,n+1) in einem Distanzmesszyklus (M₁, M₂, ...) ausgehend von den in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM_n, PM_n+1) ermittelten Phasenverschiebungen (φ_n, φ_n+1), d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen (M₁, M₂, ...).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Bestimmung eines Entfernungswertes in Abhängigkeit eines Entfernungswertes (EP_A, EP_B, d_n,n+1) erfolgt, der in einer vorbestimmten Anzahl von aufeinander folgenden Distanzmesszyklen am häufigsten auftritt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Anzahl der für die Bestimmung des Entfernungswertes verwendeten Distanzmesszyklen die Anzahl der verwendeten Modulationsfrequenzen nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der häufigste Entfernungswert unter Berücksichtigung von Toleranzgrenzen bestimmt wird.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einem Modulator (30), der mit einer Beleuchtung (10) und einem Empfänger (20) des Lichtlaufzeitkamerasystems (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Modulationssteuergerät (38) mit dem Modulator (30) verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass der Modulator (30) mit mindestens drei Modulationsfrequenzen (f₁, f₂, f₃) betreibbar ist, und das eine Auswerteeinheit (27) dem Empfänger (20) zugeordnet und derart ausgestaltet ist, dass in jedem Distanzmesszyklus zwei Entfernungswerte (EP_A, EP_B) ermittelt werden.
Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 5, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.