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Einleitung
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Die Messung der Lichtlaufzeit ist ein übliches Verfahren zur Distanzmessung mittels modulierten Lichtsignalen. Bekannte Lösungen haben Limitierungen in der Fremdlichtunterdrückung, hohe Anforderungen an die analogen Komponenten und erfordern daher komplexe und kostenintensive Architekturen und verursachen eine hohe Stromaufnahme.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen zur Lichtintensitätsmessung und zur Lichtlaufzeitmessung bekannt. Hier sind beispielsweise zu nennen:
DE 19 833 207 A1 ,
DE 10 2009 020 218 B3 ,
EP 1 678 523 B1 ,
DE 10 2011 076 635 B3 ,
DE 10 2012 206 089 A1 ,
DE 10 2009 037 596 A1 ,
DE 10 2008 018 718 A1 ,
WO 2007 031 102 A1 ,
EP 1 048 961 B1 ,
DE 10 138 531 A1 ,
DE 10 2007 046 562 A1 ,
DE 10 163 534 A1 ,
DE 10 221 578 A1 ,
US 2007 0 181 786 A1 ,
DE 10 2007 023 920 A1 .
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Die dort offenbarten Technologien sind auch teilweise unter dem Namen HALIOS®-TOF-Sensor-Technologie bekannt. Diese verfügt bereits über eine Nullregelung des Phasensignals.
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Diese Lösung der HALIOS®-TOF-Sensor-Technologie hat folgende Nachteile:
- 1) Die Auflösungserhöhung über die Diskretisierung des DACs (DLL) hinaus erfolgt nur über eine Mittelung nach der Diskretisierung nicht über eine Delta-Sigma-Regelschleife, weil die dafür bestimmende Information – der analoge Restfehler nach der Diskretisierung – gelöscht wird;
- 2) Die Regelschleife regelt nur über den bereits diskretisierten (digitalen) Fehler, sodass die Regelung nur mit einem Mindestrauschen funktioniert;
- 3) Die Verfahren erfordern ein hohe Schaltungskomplexität der entsprechenden Vorrichtungen;
- 4) Es bestehen extreme Anforderungen an die Amplitudenregelung;
- 5) Es tritt ein hoher Stromverbrauch auf;
- 6) Es entstehen starke Lastwechsel;
- 7) Es entstehen hohe Stromspitzen im Falle eines Burst-Betriebs;
- 8) Es besteht die Notwendigkeit einer optisch komplex angekoppelten Kompensator LED;
- 9) Ein Parallelbetrieb mehrerer Fotodioden ist nicht möglich.
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Die dermaßen definierte Systemperformance ist dementsprechend für viele kommerzielle Anwendungen nicht ausreichend. Daraus folgt eine zu hohe Systemkomplexität, die wiederum eine zu große Chipfläche im Falle monolithisch integrierter Schaltungen und damit eine zu hohe Stromaufnahme zur Folge hat. Außerdem sind diese Techniken nicht ausreichend skalierbar, sodass nicht mehrere TOF Kanäle ohne weiteres mit einem einzigen Sendekanal parallel betrieben werden können.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, die die oben beschriebenen Nachteile im Stand der Technik nicht in diesem Maße aufweisen oder nicht aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst
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Beschreibung der Erfindung
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Zur Verbesserung des Stands der Technik wird die Nullregelung der Phase zu einem Delta-Sigma-Verfahren modifiziert. Dies wird durch folgende technische Maßnahmen erreicht:
- 1. Das Zurücksetzen des Integrators nach jedem Integrationszeitfenster, wie heute bekannt, wird eliminiert.
- 2. Die Differenz der Integrale auf steigender und fallender Flanke des Senderpulses wird schon im Speicherelement des Integrators gebildet. Hierzu benötigt man einen Mechanismus der die Integration mit wählbarem Vorzeichen ermöglicht.
- 3. Die Rückkoppelung vom Diskretisierer zum DAC erfolgt unmittelbar zu dem nächsten Mess-Puls.
- 4. Der Tiefpass, welcher das Ergebnis ermittelt, wird außerhalb der Regelschleife realisiert.
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Ein weiterer unabhängiger Punkt ist die Nullregelung der Phase durch Verschieben des Integrationfensters statt des zeitlichen Verschiebens des Sendesignals. Dadurch wird eine Skalierbarkeit erreicht. Das heißt, mehrere Sensorkanäle können bei einem LED Signal gleichzeitig einer Nullregelung unterzogen werden.
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Die Erfindung betrifft somit eine Vorrichtung zur Laufzeitbestimmung in einer ersten Übertragungsstrecke (I1) zwischen einem Sender (H) und einem ersten Empfänger (D1). Um den Sender (H) zu speisen wird entweder mittels einer Verzögerungseinheit (ΔT) aus einem Sendesignal (S5) zumindest zeitweise ein um eine Verzögerungszeit (Δt) verzögertes Sendesignal (S5d) gebildet oder man verwendet gleich das Sendesignal (S5) als verzögertes Sendesignal (S5d), das im Sinne dieser Offenbarung stets den Sender (H) speist. Der Sender (H) sendet nun in Abhängigkeit von dem besagten verzögerten Sendesignal (S5d) ein erstes, insbesondere optisches, Signal (s1) zeitabschnittsweise bezogen auf einen Zeitabschnitt (Tz) in die erste Übertragungsstrecke (I1) hin. Das erste Signal (s1) weist dabei mindestens ein Trägersignal als Signalkomponente auf, das zumindest mit einem Modulationssignal in der Amplitude und/oder Phase und/oder Polarisation und/oder Wellenlänge und/oder Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder der spektralen Zusammensetzung moduliert ist. Beispielsweise handelt es sich um ein Licht-Signal, das von einer LED Amplitudenmoduliert mit einer Modulationsfrequenz und einer vorgegebenen optischen Wellenlänge ausgesendet wird. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich um eine gepulst betriebene Laser-Diode. In jedem Zeitabschnitt (Tz), in dem der Sender (H) das erste Signal (s1) sendet, weist das erste Signal (s1) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) einen ersten zeitlichen Beginn (ts1) und ein erstes zeitliches Ende (te1) auf. Im Sinne eines Pulsbetriebes ist dabei unter dem ersten zeitliche Beginn (ts1) der Beginn des Pulses und unter dem ersten zeitlichen Ende (te1) das Ende des Sendepulses zu verstehen. Die Zeitanschnitte (Tz) sind vorzugsweise aber nicht notwendigerweise zeitlich gleich lang. Jeder Zeitanschnitt (Tz) besitzt einen zeitlichen Beginn (tsz) des Zeitabschnitts (Tz) und ein zeitliches Ende (tez) des Zeitabschnitts (Tz). Auch sind der erste zeitliche Beginn (ts1) und das erste zeitliche Ende (te1) des ersten Signals (s1) von Zeitabschnitt zu Zeitabschnitt vorzugsweise aber nicht notwendigerweise gleich. Im Folgenden betrachten wir nur einen einzelnen Zeitabschnitt (Tz), wobei die vorausgehenden Zeitabschnitte (Tz) und die folgenden Zeitabschnitte (Tz) sich jeweils ähnlich verhalten. Die Zeitabschnitte (Tz) überlappen sich dabei vorzugsweise nicht und folgen einander nicht unbedingt direkt. Vielmehr ist es Denkbar, dass Zeitabschnitte voneinander durch größere zeitliche Abstände getrennt sind.
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Die erste Übertragungsstrecke (I1) enthält vorzugsweise ein Objekt (O), dessen Abstand durch die Laufzeitmessung ermittelt werden soll. Selbstverständlich kann auch die Laufzeit in der ersten Übertragungstrecke (I1) selbst ermittelt werden, um beispielsweise den Brechungsindex in der Übertragungsstrecke zu ermitteln. Die die erste Übertragungsstrecke (I1) modifiziert somit das erste Signal (s1) beim Durchgang durch diese erste Übertragungsstrecke (I1) zu einem zweiten, insbesondere optischen, Signal (s2). Wir fassen hier also das Objekt (O) als Teil der ersten Übertragungsstrecke (I1) auf. Diese Modifikation kann die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisation und/oder die Wellenlänge und/oder die Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder die spektrale Zusammensetzung des zweiten Signals (s2) im Vergleich zum ersten Signal (s1) betreffen, wobei die Änderung der Phase einer Verzögerung durch die Laufzeit entspricht. Nachdem das erste Signal (s1) die erste Übertragungsstrecke (I1) durchlaufen hat und zum zweiten Signal (s2) dabei modifiziert wurde, empfängt der erste Empfänger (D1) das zweite Signal (s2) nach Austritt aus der ersten Übertragungsstrecke (I1) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz). In dem ersten Empfänger (D1) wird das zweite Signal (s2) in ein Empfängerausgangssignal (S0) durch diesen gewandelt. Ein erster Multiplizierer (M1) multipliziert innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) das Empfängerausgangssignal (S0) mit einem ersten Empfangsfenstersignal (SF1) zu einem ersten internen Signal (S2a). Das erste Empfangsfenstersignal (SF1) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen zweiten zeitlichen Beginn (ts2) auf, der zeitlich vor dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Auf der anderen Seite weist das erste Empfangsfenstersignal (SF1) innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein zweites zeitliches Ende (te2) auf, das zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt.
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Das erste Empfangsfenster, das durch das erste Empfangsfenstersignal (SF1) definiert wird, liegt also so, dass es sich mit dem Sendepuls des ersten Signals (s1) so überlappt, dass der Sendepuls in dem ersten Empfangsfenster beginnt und das erste Empfangsfenster endet, bevor der Sendepuls endet.
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Ein zweiter Multiplizierer (M2) multipliziert innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) das Empfängerausgangssignal (S0) mit einem zweiten Empfangsfenstersignal (SF2) zu einem zweiten internen Signal (S2b). Das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen dritten zeitlichen Beginn (ts3) aufweist, der zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein drittes zeitliches Ende (te3) auf, das zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich nach dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt.
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Das zweite Empfangsfenster, das durch das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) definiert wird, liegt also so, dass es sich mit dem Sendepuls des ersten Signals (s1) so überlappt, dass der Sendepuls in dem zweiten Empfangsfenster aufhört und das zweite Empfangsfenster nach dem Sendepuls endet.
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Die beiden so gebildeten Signale werden nun weiter verarbeitet. Ein erster Filter (F1) bildet nun innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) die Differenz aus dem zuvor gebildeten ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b). Das Ergebnis der Filterung durch den ersten Filter (F1) ist ein erstes Filterausgangssignal (S8). Ganz bevorzugt ist eine Integration und/oder Tiefpassfilterung durch den ersten Filter (F1).
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In einer ersten Variante hängt der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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In einer zweiten Variante hängt das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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In einer dritten Variante hängt der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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In einer vierten Variante hängt das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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In einer fünften Variante hängt die Verzögerungszeit (Δt) von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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Das erste Filterausgangssignal (S8) kann bereits als Messwertsignal für eine Laufzeit des ersten Signals (s1) in der Übertragungsstrecke (I1) verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es günstig ist, ein nachfolgendes zweites Filter (F2), insbesondere ein Tiefpassfilter vorzusehen, dass das eigentliche erste Ausgangssignal (S4) als Messwert für die Laufzeitbestimmung des ersten Signals (s1) und/des zweiten Signals (s2) in Summe in der ersten Übertragungsstrecke (I1) dient.
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In einer weiteren Ausprägung der Erfindung integriert der erste Filter (F1) die Differenz aus dem ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b) zu einem ersten Filterausgangssignal (S8).
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In einer dritten Ausprägung der Erfindung ist das erste Empfangsfenstersignal (SF1) vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) bis zum zweiten zeitlichen Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) betragsmäßig Null. Das erste Empfangsfenstersignal (SF1) steigt in seinem Betrag in dieser Ausprägung vom zweiten zeitlichen Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) zeitlich monoton steigend oder sprunghaft an. Dabei ist ein langsamer Anstieg des Betrags des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) gegenüber dem sprunghaften Anstieg zur Verminderung der Jitter-Empfindlichkeit des Systems zu bevorzugen. Es ist daher sinnvoll, wenn die Anstiegszeit länger als 1% der im Folgenden erläuterten ersten Mindestkonstantzeit (tk1) ist und/oder mindestens 1% der zeitlichen Länge des Zeitabschnitts (Tz) ist. Für eine erste Mindestkonstanzzeit (tk1) bis zum zweiten zeitlichen Ende (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) bleibt der Betrag des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) auf einem kontanten Wert. Dabei bedeutet Konstanz im Sinne dieser Offenbarung eine Änderung der Amplitude des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) um weniger als 25%. Das erste Empfangsfenstersignal (SF1) fällt betragsmäßig vom zum zweiten zeitlichen Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) zeitlich monoton fallend oder sprunghaft ab und bleibt dann betragsmäßig bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) Null.
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In einer vierten Ausprägung der Erfindung ist nun analog zur vorhergehenden Ausprägung das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) betragsmäßig vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) bis zum dritten zeitlichen Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) Null. Das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) steigt betragsmäßig vom dritten zeitlichen Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) zeitlich monoton oder sprunghaft an und bleibt betragsmäßig für eine zweite Mindestkonstanzzeit (tk2) bis dritten zeitlichen Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) auf einem kontanten Wert. Hinsichtlich der Konstanz gilt das zuvor geschriebene. Das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) fällt betragsmäßig vom zum dritten zeitlichen Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) zeitlich monoton oder sprunghaft ab und bleit dann betragsmäßig bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) Null.
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In einer fünften Ausprägung der Erfindung ist die erste Mindestkontanzzeit (tk1) gleich der zweiten Mindestkonstanzzeit (tk2), was eine bevorzugte Ausprägung der vierten Ausprägung ist.
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In einer sechsten Ausprägung ist die erste Mindestkontanzzeit (tk1) und/oder die zweite Mindestkonstanzzeit (tk2) größer ist als die zeitliche Auflösung mit der
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder einem später beschriebenen ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) abhängen.
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In einer siebten Ausprägung ist die erste Mindestkontanzzeit (tk1) und/oder die zweite Mindestkonstanzzeit (tk2) größer ist als die zeitliche Summe aus der zeitlichen Auflösung, mit der
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder einem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) plus der Anstiegszeit (ta), mit der der Sender (H) zu senden beginnt, plus der Abfallszeit (tf), mit der der Sender (H) zu senden aufhört, abhängt.
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In einer achten Ausprägung der Erfindung ist das erste Filter (F1) ein lineares Filter mit einer Filterfunktion f(ΔS2). Hier ist ΔS2 das Differenzsignal aus dem ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b). Die Filterfunktion f() kann aber zunächst ganz allgemein gesehen werden und als Merkmal des Filters an sich betrachtet werden. Dieses rein mathematische Merkmal, dass in der technischen Realisierung des Filters seinen Niederschlag findet, kann auch auf einzelne Signale angewendet werden, um diese Signal zu charakterisieren.
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In einer neunten Ausprägung der Erfindung ist die Betragsänderung einer vom zweiten Empfangsfenstersignal (SF2) abhängigen Filterfunktion f() entsprechend dem Vorgesagten vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) gleich der Betragsänderung der vom ersten Empfangsfenstersignal (SF1) abhängigen Filterfunktion f() entsprechend dem Vorgesagten vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz). Das bedeutet nichts anderes, als dass sich das ersten Empfangsfenstersignal (SF1) und das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) bei Filterung durch das erste Filter (F1) gleich verhalten sollten. Da das erste Filter (F1) linear ist, führt eine Subtraktion der Empfangsfenstersignale somit zu einem verschwindenden ersten Filterausgangssignal (F8).
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In einer zehnten Ausprägung der Erfindung ist das zeitliche Integral des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) gleich dem Integral des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) vom zeitlichen Beginn (tsz) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz) bis zum zeitlichen Ende (tez) des betreffenden Zeitabschnittes (Tz). Wie zuvor erwähnt ist die Integration ja eine spezielle mögliche Form des ersten Filters (F1). Die zehnte Ausprägung der Erfindung ist somit nur eine Spezialform der neunten Ausprägung mit einem ersten Filter (F1) in Form eines Integrators.
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In einer elften Ausprägung der Erfindung wird das erste Filterausgangssignal (S8) durch einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) und/oder einen Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC) in ein wertdiskretes erstes digitalisiertes Filterausgangssignal (S9) gewandelt. Dabei ist einem Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC) stets der Vorzug zu geben, weil dieser eine erhöhte Auflösung ermöglicht. Dabei hängt dann zumindest
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
von dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) statt von dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab. Das erste Filterausgangssignal (S8) und/oder das erste digitalisierte Filterausgangssignal (S9) und/oder ein oder mehrere aus diesen, insbesondere durch einen oder mehrere nachfolgende zweite Filter (F2), abgeleitete erste Ausgangssignale (S4) werden wieder innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) als Messwert für die Laufzeitbestimmung des ersten Signals (s1) in der Übertragungsstrecke (I1) verwendet.
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Die zwölfte Ausprägung der Erfindung betrifft ein zweistufiges Delta-Sigma-System. Hierzu summiert ein erster Summierer (Σ1) das Filterausgangssignal (S8) und ein erstes Korrektursignal (SK1) zu einem zweiten Filtereingangssignal (S10). Ein drittes lineares Filter (F3) mit einer Filterfunktion f3(S10) filtert das zweite Filtereingangssignal (S10) zu einem dritten Filterausgangssignal (S11). Das dritte Filterausgangssignal (S11) wird nun anstelle des ersten Filterausgangssignals (S8) durch einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) oder einen Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC) in das wertdiskrete erste digitalisierte Filterausgangssignal (S9) gewandelt. Auch hier ist der Variante mit dem Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC) der Vorzug zu geben. Eine Korrektursignalerzeugungseinheit (KE), die vorzugsweise das digitalisierte Filterausgangssignal (S9) in eine Ladungsmenge für das dritte Filter (F3), das vorzugsweise ein weiterer Integrator ist, umsetzt, erzeugt nun das erste Korrektursignal (SK1), das vorzugsweise ein Ladungssignal ist, in Abhängigkeit von dem digitalisierten Filterausgangssignal (S9).
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Diese Konstruktion einer zweiten Integrationsschleife hat den Vorzug, dass das Rauschen und die Regelfehler minimiert werden.
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In einer dreizehnten Ausprägung der Erfindung erzeugt ein ein Regler (CTR) in Abhängigkeit von dem Filterausgangssignal (S8) und/oder dem digitalisierten Filterausgangssignal (S9) und/oder dem dritten Filterausgangssignal (S11) und ggf. einem Vorgabewert (Ref) ein erstes Reglerausgangssignal (S12). Zumindest
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
hängen in dieser dreizehnten Ausprägung der Erfindung von dem ersten Reglerausgangssignal (S12) statt von dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) oder dem ersten Filterausgangssignal (S8) ab.
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In einer vierzehnten Ausprägung der Erfindung ist der Regler (CTR) ein PID Regler.
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In einer fünfzehnten Ausprägung der Erfindung weist der Regler (CTR) oder eine Teilvorrichtung des Reglers (CTR) eine Hysterese auf. Dies hat den Vorteil, dass das System störunempfindlicher wird.
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In einer sechzehnten Ausprägung der Erfindung weist die Vorrichtung einen Temperatursensor (TS) zur Erfassung der Temperatur (T) des Senders (H) oder einer damit im Wirkzusammenhang stehenden Temperatur in Form eines Temperatursensorsignals (TSS) auf. Zumindest
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
hängen von dem Temperatursensorsignal (TSS) zumindest zeitweise innerhalb des betreffenden Zeitabschnitts (Tz) ab.
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In einer siebzehnten Ausprägung der Erfindung wird der elektrischen Senderstom (IH), den der Sender (H) aufnimmt, ausgewertet und für eine Sender-Temperaturabschätzung genutzt. Daher weist die Vorrichtung in dieser Variante eine Sendestromerfassungsvorrichtung (IHM) auf, die ein Sendestommesssignal (IMS) liefert. In diesem Fall hängt bevorzugt zumindest
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
von dem Sendestommesssignal (IMS) zumindest zeitweise ab.
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Es hat sich gezeigt, dass es sinnvoll und günstig ist, die zeitlichen Parameter der Empfangsfenstersignals (SF1, SF2) nicht unabhängig voneinander zu verändern.
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In einer achtzehnten Ausprägung der Erfindung ist daher entweder der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) gleich dem zweiten zeitlichen Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) liegt nach dem dritten zeitlichen Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) oder der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) liegt nach dem zweiten zeitlichen Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) ist gleich dem dritten zeitlichen Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2).
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In einer neunzehnten Ausprägung der Erfindung hängt der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und der dritte zeitliche Beginn (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) in gleicher Weise von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) und/oder dem dritten Filterausgangssignal (S11) und/oder dem ersten Reglerausgangssignal (S12) ab. Hierbei bedeutet Gleichheit, dass sich die entsprechenden Ableitungen dieser Zeitpunkte nach den Pegeln dieser Signale hinsichtlich des Vorzeichens nicht unterscheiden und betragsmäßig um nicht mehr als 25% unterscheiden.
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In einer zwanzigsten Ausprägung der Erfindung hängt der der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) in gleicher Weise von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) und/oder dem dritten Filterausgangssignal (S11) und/oder dem ersten Reglerausgangssignal (S12) ab. Auch hierbei bedeutet Gleichheit, dass sich die entsprechenden Ableitungen dieser Zeitpunkte nach den Pegeln dieser Signale hinsichtlich des Vorzeichens nicht unterscheiden und betragsmäßig um nicht mehr als 25% unterscheiden.
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In einer einundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung hängt das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) in gleicher Weise von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) und/oder dem dritten Filterausgangssignal (S11) und/oder dem ersten Reglerausgangssignal (S12) ab. Auch hierbei bedeutet Gleichheit, dass sich die entsprechenden Ableitungen dieser Zeitpunkte nach den Pegeln dieser Signale hinsichtlich des Vorzeichens nicht unterscheiden und betragsmäßig um nicht mehr als 25% unterscheiden.
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In einer zweiundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung hängt das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) in gleicher Weise von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder dem ersten digitalisierten Filterausgangssignal (S9) und/oder dem dritten Filterausgangssignal (S11) und/oder dem ersten Reglerausgangssignal (S12) ab. Auch hierbei bedeutet Gleichheit, dass sich die entsprechenden Ableitungen dieser Zeitpunkte nach den Pegeln dieser Signale hinsichtlich des Vorzeichens nicht unterscheiden und betragsmäßig um nicht mehr als 25% unterscheiden.
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Neben diesen Varianten ist eine Variante von besonderem Interesse. Hierbei verfügt das System über mehrere Empfänger, einen ersten Empfänger (D1) und einen zweiten Empfänger (D2) der Regelkreis bezieht sich dann vorzugsweise nur auf die zeitlichen Parameter der entsprechenden Empfangsfenstersignale. Aus den Empfängerausgangssignalen (S0, S0B) kann natürlich ein Regelsignal für die zeitliche Verzögerung des Sendesignals (S5) zum verzögerten Sendesignal (S5d) synthetisiert werden. Am einfachsten ist es aber, wenn dann diese Verzögerung einem Empfänger zugeordnet wird oder einem Summensignal der jeweiligen Filterausgangssignale (S8, S8d) etc. zugeordnet wird.
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Eine dreiundzwanzigste Ausprägung der Erfindung dient daher zur parallelen Bestimmung der Laufzeit in einer zweiten Übertragungsstrecke (I2), die ganz oder teilweise mit der ersten Übertragungsstrecke (I1) übereinstimmen kann und das Objekt (O) und /oder ein weiteres Objekt (O2) enthalten kann, zwischen dem Sender (H) und mindestens einem weiteren Empfänger (D2). Der Sender (H) sendet nun in Abhängigkeit von dem verzögerten Sendesignal (S5d) ein drittes, insbesondere optisches, Signal (s3) zeitabschnittsweise in die zweite Übertragungsstrecke (I2) hinein. Typischerweise wird diese Konfiguration so aussehen, dass der Sender ein optisches Signal aussendet, wobei ein erster Teil dieses optischen Signals in die erste übertragungsstrecke (i1) gelangt und das erste Signal (s1) bildet und ein zweiter Teil in die zweite Übertragungsstrecke (I2) gelangt und das dritte Signal (s3) bildet. Somit sind typischerweise das erste Signal (s1) und das zweite Signal (s2) synchron. Daher ist auch das dritte Signal (s3) mit einem Trägersignal als Signalkomponente versehen. Dieses Trägersignal, ist somit zumindest mit einem Modulationssignal in der Amplitude und/oder Phase und/oder Polarisation und/oder Wellenlänge und/oder Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder der spektralen Zusammensetzung moduliert. In jedem Zeitabschnitt (Tz), in dem der Sender (H) das dritte Signal (s3) sendet, weist das dritte Signal (s3) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) einen vierten zeitlichen Beginn (ts4) und ein viertes zeitliches Ende (te4) auf. Die zweite Übertragungsstrecke (I2) modifiziert das dritte Signal (s3) beim Durchgang durch diese zweite Übertragungsstrecke (I2) zu einem vierten, insbesondere optischen, Signal (s4). Wieder kann diese Modifikation die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisation und/oder die Wellenlänge und/oder die Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder die spektrale Zusammensetzung des fünften Signals im Vergleich zum vierten Signal betreffen, wobei die Phasenveränderung wieder der Verzögerung in Folge der Laufzeit entspricht. Der weitere Empfänger (D2) empfängt das vierte Signal (s4) nach Austritt aus der zweiten Übertragungsstrecke (I2). In dem weiteren Empfänger (D2) wandelt der weitere Empfänger (D2) das vierte Signal (s4) in ein weiteres Empfängerausgangssignal (S0B). Ein dritter Multiplizierer (M3) multipliziert das weitere Empfängerausgangssignal (S0B) mit einem dritten Empfangsfenstersignal (SF3) zu einem dritten internen Signal (S2Ba). Das dritte Empfangsfenstersignal (SF3) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen fünften zeitlichen Beginn (ts5) auf, der zeitlich vor dem vierten zeitlichen Beginn (ts4) des dritten Signals (s4) und zeitlich vor dem vierten zeitlichen Ende (te4) des vierten Signals (s4) liegt. Das dritte Empfangsfenstersignal (SF3) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein fünftes zeitliches Ende (te5) auf, das zeitlich nach dem vierten zeitlichen Beginn (ts4) des vierten Signals (s4) und zeitlich vor dem vierten zeitlichen Ende (te4) des vierten Signals (s4) liegt. Ein vierter Multiplizierer (M4) multipliziert das weitere Empfängerausgangssignal (S0B) mit einem vierten Empfangsfenstersignal (SF4) zu einem vierten internen Signal (S2Bb). Das vierte Empfangsfenstersignal (SF4) weit innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen sechsten zeitlichen Beginn (ts6) auf, der zeitlich nach dem vierten zeitlichen Beginn (ts4) des vierten Signals (s4) und zeitlich vor dem vierten zeitlichen Ende (te4) des vierten Signals (s4) liegt. Das vierte Empfangsfenstersignal (SF4) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein sechstes zeitliches Ende (te6) auf, das zeitlich nach dem vierten zeitlichen Beginn (ts4) des vierten Signals (s4) und zeitlich nach dem vierten zeitlichen Ende (te4) des vierten Signals (s4) liegt. Ein vierter Filter (F4), der vorzugsweise ein Integrator oder ein Tiefpass oder ein Bandpassfilter ist, filtert die Differenz aus dem dritten internen Signal (S2Ba) und dem vierten internen Signal (S2Bb) zu einem vierten Filterausgangssignal (S8B). Zumindest
- • der fünfte zeitliche Beginn (ts5) des dritten Empfangsfenstersignals (SF3) und/oder
- • das fünfte zeitliche Ende (te5) des dritten Empfangsfenstersignals (SF3) und/oder
- • der sechste zeitliche Beginn (ts6) des vierten Empfangsfenstersignals (SF4) und/oder
- • das sechste zeitliche Ende (te6) des vierten Empfangsfenstersignals (SF4) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
hängen von dem vierten Filterausgangssignal (S8B) ab. Das vierte Filterausgangssignal (S8B) und/oder ein daraus, insbesondere durch einen nachfolgenden fünften Filter (F5), abgeleitetes weiteres Ausgangssignal (S4B) wird innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) als weiterer Messwert für die Laufzeitbestimmung des vierten Signals (s4) in der zweiten Übertragungsstrecke (I2) verwendet. Das fünfte Filter (F5) ist vorzugsweise ein Tiefpassfilter.
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Basierend auf dieser Ausprägung ist eine vierundzwanzigste Ausprägung der Erfindung denkbar, bei der eine eine zweite Summiervorrichtung (Σ2) aus dem Empfängerausgangssignal (S0) und dem weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) ein Empfängerausgangssummensignal (S0Σ) durch Summierung bildet, das Grundlage der Regelung ist. Somit kann direkt ein Mittelwert in Form eines Abstands gemessen werden. Die Regelung wird dann so vorgenommen, dass der dritte Multiplizierer (M3) das Empfängerausgangssummensignal (S0Σ) anstelle des weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) mit dem dritten Empfangsfenstersignal (SF3) zu dem dritten internen Signal (S2Ba) multipliziert. Der vierte Multiplizierer (M4) multipliziert das Empfängerausgangssummensignal (S0Σ) anstelle des weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) mit dem vierten Empfangsfenstersignal (SF4) zu dem vierten internen Signal (S2Bb).
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Statt der Summenbildung kann auch eine Differenzbildung vorgenommen werden. Bei kleinen Signalen erhält man dann direkt den Winkel durch Triangulation. Bei einer solchen fünfundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung bildet eine vierte Differenzbildungsvorrichtung (ΔS) aus dem Empfängerausgangssignal (S0) und dem weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) ein Empfängerausgangsdifferenzsignal (S0Δ) durch Differenzbildung. Wie zuvor kann die Regelung nun analog zu der bei der Summenbildung vorgenommen werden. Der dritte Multiplizierer (M3) multipliziert das Empfängerausgangsdifferenzsignal (S0Δ) anstelle des weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) mit dem dritten Empfangsfenstersignal (SF3) zu dem dritten internen Signal (S2Ba). Der vierte Multiplizierer (M4) multipliziert das Empfängerausgangsdifferenzsignal (S0Δ) anstelle des weiteren Empfängerausgangssignal (S0B) mit dem vierten Empfangsfenstersignal (SF4) zu dem vierten internen Signal (S2Bb).
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Die folgenden Ausprägungen betreffen die Ausführung der Multiplizierer.
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In einer sechsundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung wird der erste Multiplizierer (M1) als Analogschalter ausgeführt. Der erste Multiplizierer gibt in dieser Ausprägung der Erfindung entweder das Empfängerausgangssignal (S0) oder ein vorgegebenes festes Potenzial als erstes internes Signal (S2a) in Abhängigkeit von dem ersten Empfangsfenstersignal (SF1) aus. Da die Vorrichtung symmetrisch sein sollte wird dann auch der zweite Multiplizierer (M2) als Analogschalter ausgeführt, der entweder das Empfängerausgangssignal (S0) oder ein vorgegebenes festes Potenzial als zweites internes Signal (S2b) in Abhängigkeit von dem zweiten Empfangsfenstersignal (SF2) ausgibt.
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In einer siebenundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung ist der erste Multiplizierer (M1) ebenfalls als Analogschalter ausgeführt, der das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten internen Signal (S2a) verbindet und das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten Empfänger (D1) trennt, wenn sich das erste Empfangsfenstersignal (SF1) in einem ersten Zustand befindet. Der erste Multiplizierer (M1) trennt das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten internen Signal (S2a) und verbindet das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten Empfänger (D1) verbindet, wenn sich das erste Empfangsfenstersignal (SF1) in einem zweiten Zustand befindet. Der zweite Multiplizierer (M2) ist zur Symmetrierung ebenfalls als Analogschalter ausgeführt, der das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem zweiten internen Signal (S2b) verbindet und das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten Empfänger (D1) trennt, wenn sich das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) in einem ersten Zustand befindet. Der zweite Multiplizierer (M2) trennt das Empfängerausgangssignal (S0) von dem zweiten internen Signal (S2b) und verbindet das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten Empfänger (D1), wenn sich das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) in einem zweiten Zustand befindet.
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In einer siebenundzwanzigsten Ausprägung der Erfindung ist der erste Multiplizierer (M1) als Analogschalter ausgeführt, der das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten internen Signal (S2a) verbindet und das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten Empfänger (D1) trennt, wenn sich das erste Empfangsfenstersignal (SF1) in einem ersten Zustand befindet. Der erste Multiplizierer (M1) trennt das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten internen Signal (S2a) trennt und das Empfängerausgangssignal (S0) und den ersten Empfänger (D1) verbindet und den Empfänger (D) von der Strom- oder Spannungsquelle trennt, wenn sich das erste Empfangsfenstersignal (SF1) in einem zweiten Zustand befindet. Der zweite Multiplizierer (M2) ist als Analogschalter ausgeführt, der das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem zweiten internen Signal (S2b) verbindet und das Empfängerausgangssignal (S0) von dem ersten Empfänger (D1) trennt, wenn sich das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) in einem ersten Zustand befindet. Der zweite Multiplizierer (M2) trennt das Empfängerausgangssignal (S0) von dem zweiten internen Signal (S2b) und verbindet das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten Empfänger (D1) verbindet, wenn sich das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) in einem zweiten Zustand befindet. Die Vorrichtung um fasst dann aber zusätzlich eine Teilvorrichtung, die das Empfängerausgangssignal (S0) mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbindet, wenn das Empfängerausgangssignal (S0) weder mit dem ersten internen Signal (S2a) noch mit dem zweiten internen Signal (S2b) verbunden ist.
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Die Erfindung umfasst auch ein zugehöriges Verfahren. Es handelt sich um ein Verfahren zur Laufzeitbestimmung eine ersten, vorzugsweise optischen Signals (s1) in einer ersten Übertragungsstrecke (I1), die ein Objekt (O) enthalten kann, zwischen einem Sender (H) und einem ersten Empfänger (D1). Das Verfahren umfasst Schritte, die typischerweise parallel und/oder quasiparallelausgeführt werden. Zu diesen Schritten gehört das optionale, zumindest zeitweise Verzögern eines Sendesignals (S5) um eine Verzögerungszeit (Δt) zu einem verzögerten Sendesignal (S5d), wobei dies insbesondere entweder durch eine Verzögerungseinheit (ΔT) geschieht oder das verzögerte Sendesignal (S5d) gleich dem Sendesignal (S5) ist. Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren das bezogen auf einen Zeitabschnitt (Tz) zeitabschnittsweise Hineinsenden eines, insbesondere optischen, ersten Signals (s1) in die erste Übertragungsstrecke (I1) in Abhängigkeit von dem verzögerten Sendesignal (S5d), insbesondere durch einen Sender (H). Dabei weist das erste Signal (s1) mindestens ein Trägersignal als Signalkomponente auf, das zumindest mit einem Modulationssignal in der Amplitude und/oder Phase und/oder Polarisation und/oder Wellenlänge und/oder Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder der spektralen Zusammensetzung moduliert ist. In jedem Zeitabschnitt (Tz), in dem insbesondere der Sender (H) das erste Signal (s1) sendet, weist das erste Signal (s1) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz) einen ersten zeitlichen Beginn (ts1) und ein erstes zeitliches Ende (te1) auf. Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren das Modifizieren des ersten Signals (s1) beim Durchgang durch die erste Übertragungsstrecke (I1) zu einem, insbesondere optischen, zweiten Signal (s2). Dabei betrifft diese Modifikation die Amplitude und/oder die Phase und/oder die Polarisation und/oder die Wellenlänge und/oder die Amplitudenmodulationsfrequenz und/oder die spektrale Zusammensetzung des zweiten Signals (s2) im Vergleich zum ersten Signal (s1). Als weiteren Schritt umfasst das Verfahren das Empfangen des zweiten Signals (s2) nach Austritt aus der Übertragungsstrecke (I1) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz), insbesondere durch den ersten Empfänger (D1). Ein weiterer Schritt umfasst das Umwandeln des zweiten Signals (s2) in ein Empfängerausgangssignal (S0) insbesondere in dem ersten Empfänger (D1). Des Weiteren umfasst das Verfahren den Schritt des Multiplizierens des Empfängerausgangssignals (S0) mit einem ersten Empfangsfenstersignal (SF1) zu einem ersten internen Signal (S2a), insbesondere durch einen ersten Multiplizierer (M1). Das erste Empfangsfenstersignal (SF1) weist dabei innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen zweiten zeitlichen Beginn (ts2) auf, der zeitlich vor dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Das erste Empfangsfenstersignal (SF1) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein zweites zeitliches Ende (te2) auf, das zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Ein paralleler Schritt des Verfahrens umfasst das Multiplizieren des Empfängerausgangssignals (S0) mit einem zweiten Empfangsfenstersignal (SF2) zu einem zweiten internen Signal (S2b) innerhalb dieses betreffenden Zeitabschnitts (Tz), insbesondere durch einen zweiten Multiplizierer (M2). Dabei weist das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) einen dritten zeitlichen Beginn (ts3) auf, der zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich vor dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) weist innerhalb des besagten betreffenden Zeitabschnittes (Tz) ein drittes zeitliches Ende (te3) auf, das zeitlich nach dem ersten zeitlichen Beginn (ts1) des ersten Signals (s1) und zeitlich nach dem zeitlichen Ende (te1) des ersten Signals (s1) liegt. Ein weiterer Schritt ist das Filtern der Differenz aus dem ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b) zu einem ersten Filterausgangssignal (S8), insbesondere durch einen ersten Filter (F1). Ebenso umfasst das Verfahren das Bilden eines Ausgangssignal (S4) in Abhängigkeit von dem ersten Filterausgangssignal (S8) und/oder Verwendung des ersten Filterausgangssignals (S8) als Ausgangssignal (S4), insbesondere durch einen nachfolgenden zweiten Filter (F2). Die Verwendung des Ausgangssignals (S4) als Repräsentanten für einen Messwert für die Laufzeitbestimmung des ersten Signals (s1) und/des zweiten Signals (s2) in Summe in der ersten Übertragungsstrecke (I1) ist ebenfalls Teil des Verfahrens. Ganz wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass dabei zumindest
- • der zweite zeitliche Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • das zweite zeitliche Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und/oder
- • der dritte zeitliche Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • das dritte zeitliche Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und/oder
- • die Verzögerungszeit (Δt)
von dem ersten Filterausgangssignal (S8) abhängen.
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Eine dreißigste Ausprägung des Verfahrens betrifft ein Verfahren zur Laufzeitbestimmung für ein erstes, insbesondere optisches, Signal (s1) in einer ersten Übertragungsstrecke (I1) zwischen einem Sender (H) und einem ersten Empfänger (D1). Dabei sendet der Sender (H) ein erstes Signal (s1) in die erste Übertragungsstrecke (I1) hinein, das nach Durchgang (und damit Verzögerung) durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke (I1) von dem ersten Empfänger (D1) als zweites Signal (s2), das ein modifiziertes erstes Signal (s1) ist, empfangen und in ein Empfängerausgangssignal (S0) gewandelt wird. In dem ersten Empfänger (D1) wird das zweite Signal (s2) in zwei zeitlichen Empfangsfenstern, einem ersten Empfangsfenster (SF1) mit einer ersten zeitlichen Länge (T1) und einem zweiten Empfangsfenster (SF2) mit einer zweiten zeitlichen Länge (T2), ausgewertet. Der Beginn des ersten Signals (s1) ist ausschließlich im ersten Empfangsfenster (SF1) und das Ende des ersten Signals (s1) ist ausschließlich im zweiten Empfangsfenster (SF2) enthalten. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Empfängerausgangssignal (S0) einen ersten Signalanteil, der dem ersten Empfangsfenster (SF1) zuzuordnen ist, und einen zweiten Signalanteil, der dem zweiten Empfangsfenster (SF2) zuzuordnen ist, umfasst, wobei der über einen vordefinierten Zeitabschnitt (Tz) gemittelte erste Signalanteil bis auf eine Abweichung genauso groß ist wie der über den Zeitabschnitt (Tz) gemittelte zweite Signalanteil. Diese die Abweichung wird zumindest zeitweise als Regelsignal für die zeitliche Lage
- • eines oder beider Empfangsfenster (SF1, SF2) in Relation zu dem ersten Signal (s1) und/oder
- • der zeitlichen Lage des ersten Signals (s1) in Relation zu den beiden Empfangsfenstern (SF1, SF2), und/oder
- • der ersten zeitlichen Länge (T1) des ersten Empfangsfensters und/oder
- • der zweiten zeitlichen Länge (T2) des zweiten Empfangsfensters (SF1, SF2)
genutzt.
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In einer weiteren Ausprägung dieses Verfahrens werden diese Abweichung sowie ein erstes Korrektursignal (SKE) miteinander addiert (summiert). Im Signalpfad anschließend wird diese Summe integriert und das sich ergebende Integrationsergebnis an Stelle der besagten Abweichung als Regelsignal genutzt.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt eine Grundkonfiguration der Erfindung
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2 zeigt die Erfindung unter Nutzung eines zweistufigen Delta-Sigma-Verfahrens
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3 zeigt eine besonders einfache Variante des erfindungsgemäßen Vorrichtung
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4 zeigt ein Zeitschema der Empfangsfenstersignale (SF1) und (SF2) sowie des ersten Signals (s1)
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Fig. 1
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In 1 ist eine generelle Version der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Das Sendesignal (S5) wird in der Verzögerungseinheit (ΔT) zum verzögerten Sendesignal (S5d) verzögert. Diese Verzögerung hängt von dem digitalisierten Filterausgangssignal (S9) ab. Das verzögerte Sendesignal (S5d) steuert über den Sendeverstärker (V2) den Sender (H), der hier eine Laser-Diode ist. Besonders bevorzugt ist das Sendesignal (S5) ein gepulstes Signal. Der Sender (H) sendet in die erste Übertragungsstrecke (I1) hinein, deren Teil das Objekt (O) ist. der erste Empfänger (D1) empfängt das durch den Durchgang durch die erste Übertragungsstrecke modifizierte Signal und wandelt es in das Empfängerausgangssignal (S0) um, dass von dem Eingangsverstärker (V1) verstärkt wird. Der erste Multiplizierer (M1) multipliziert das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem ersten Empfangsfenstersignal (SF1) zum ersten internen Signal (S2a). Der zweite Multiplizierer (M2) multipliziert das Empfängerausgangssignal (S0) mit dem zweiten Empfangsfenstersignal (SF2) zum zweiten internen Signal (S2b). Der erste Filter (F1) integriert hier die Differenz des ersten internen Signals (S2a) und des zweiten internen Signals (S2b) zum ersten Filterausgangssignal (S8). Ein Zeit-zu-Digital-Konverter digitalisiert das Signal zum digitalisierten Filterausgangssignal (S9). Vorzugsweise handelt es sich um einen Komparator oder einem Inverter oder dergleichen. In diesem Beispiel wird durch das digitale Filterausgangssignal (S9) ein Regler (CTR) gesteuert, der mittels eines Digital-zu-Zeitsignal-Konverters (DTC) den zweiten Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und das zweite Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und den dritten Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) und das dritte Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) sowie die besagte Verzögerung des Sendesignals (S5) zum verzögerten Sendesignal (S5d) bestimmt. Typischerweise ist der Digital-zu-zeitsignal-Konverter eine Kombination aus Multiplexern, die das in einer Verzögerungskette stufenweise verzögerte digitalisierte Filterausgangssignal (S9) an den verschiedenen Stufen fest verdrahtet oder programmierbar oder einstellbar abgreifen.
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Ein Digital zu Analog-Wandler erzeugt gleichzeitig aus dem digitalisieren Filterausgangssignal (S9), genauer hier aus daraus abgeleiteten Signalen nach Filterung in einem Tiefpass (F2) das Ausgangssignal (S4)
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Fig. 2
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2 entspricht der 1 mit dem Unterschied, dass das Filterausgangssignal (S8) mit einem ersten Korrektursignal (SK1) zu einem zweiten Filtereingangssignal (S10) multipliziert und dann in einem dritten Filter (F3) zu einem dritten Filterausgangssignal (F11) integriert wird, dass dann als Eingang für den Zeit-zu-Digital-Wandler (TDC) dient. Das erste Korrektursignal (SK1) wird durch eine Korrektursignalerzeugungseinheit (KE), die typischerweise eine Digital-zu-Ladung-Wandeleinheit ist, in Abhängigkeit von dem digitalisierten Filterausgangssignal (S9) erzeugt. Durch diese zweistufige Delta-Sigma-Wandlung wird das Systemrauschen, insbesondere durch Quantisierungsfehler minimiert und damit die Auflösung der Messung maximiert.
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Fig. 3
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3 entspricht einer vereinfachten Version der 1.Auch in diesem Beispiel wird durch das digitale Filterausgangssignal (S9) der Regler (CTR) gesteuert, der mittels eines Digital-zu-Zeitsignal-Konverters (DTC) jedoch nur den zweiten Beginn (ts2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und den dritten Beginn (ts3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) sowie die besagte Verzögerung des Sendesignals (S5) zum verzögerten Sendesignal (S5d) bestimmt. Das zweite Ende (te2) des ersten Empfangsfenstersignals (SF1) und das dritte Ende (te3) des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2) werden entweder durch eine fest vorgegeben zeitliche Fenstergröße synchron mitverschoben oder alternativ dazu konstant gehalten. Das einzige verbliebene Ausgangssignal des Reglers (CTR) kann direkt über den Tiefpass (F2) als Ausgangssignal (S4) dienen.
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Fig. 4
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4 zeigt ein Zeitschema der Empfangsfenstersignale (SF1) und (SF2) sowie des ersten Signals (s1)
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Vorteile der Erfindung
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Durch diese Änderungen ergeben sich erhebliche Vorteile:
- 1. Lange Auszeiten der LED
- 2. Niedrige Anforderungen an Offset und Verstärkung der Verstärkerkette
- 3. niedrigere Stromaufnahme oder höhere Bandbreite
- 4. Skalierbarkeit (mehrere Fotodioden im Parallelbetrieb)
- 5. Leichte Handhabung ohne optische Kopplung ermöglicht Chiplösungen
- 6. Niedriger Preis
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Bezugszeichenliste
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- ΔS
- Differenzbildungsvorrichtung
- ΔS2
- Differenzsignal aus dem ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b).
- Δt
- Verzögerungszeit um die die Verzögerungseinheit (ΔT) das Sendesignal (S5) zum verzögerten Sendesignal (S5d) verzögert.
- ΔT
- Verzögerungseinheit
- ADC
- Analog-zu-Digital-Wandler. Es kann sich im einfachsten Fall um einen Komparator, Inverter, Schmitt-Trigger etc. als Ein-Bit-Analog-zu-Digital-Wandler handeln.
- CTR
- Regler
- D1
- erster Empfänger
- D2
- weiterer Empfänger
- DAC
- Digital zu Analog Konverter
- f(ΔS2)
- Filterfunktion des ersten Filters (F1) mit dem Parametersignal ΔS2.
- F1
- erster Filter. Das erste Filter (F1) ist vorzugsweise ein lineares Filter mit einer Filterfunktion f(ΔS2) ist, wobei ΔS2 das Differenzsignal aus dem ersten internen Signal (S2a) und dem zweiten internen Signal (S2b) darstellt.
- F2
- zweiter Filter
- F3
- drittes Filter. Das dritte Filter (F3) ist vorzugsweise ein lineares Filter mit einer Filterfunktion f3(S10) ist.
- F4
- vierter Filter. Das vierte Filter (F4) ist vorzugsweise ein lineares Filter mit einer Filterfunktion f4(ΔS2B) ist, wobei ΔS2B das Differenzsignal aus dem dritten internen Signal (S2Ba) und dem vierten internen Signal (S2Bb) darstellt.
- F5
- fünftes Filter
- H
- Sender
- I1
- erste Übertragungsstrecke
- I2
- zweite Übertragungsstrecke
- IH
- Senderstrom. Die ist der elektrische Strom, den der Sender (H) für seinen Betrieb aufnimmt.
- IHM
- Sendestromerfassungsvorrichtung zur Erfassung des Senderstromes (IH).
- IMS
- Sendestommesssignal. Dieses Signal spiegelt den durch den Sendestromerfassungsvorrichtung (IHM) erfassten Senderstrom (IH) wider.
- KE
- Korrektursignalerzeugungseinheit, die das erste Korrektursignal (SK1) in Abhängigkeit von dem digitalisierten Filterausgangssignal (S9) bildet.
- LED
- lichtemittierende Diode
- M1
- erster Multiplizierer
- M2
- zweiter Multiplizierer
- M3
- dritter Multiplizierer
- M4
- vierter Multiplizierer
- O
- Objekt, dessen Abstand mittels Laufzeitmessung erfasst werden soll
- O2
- weiteres Objekt, dessen Abstand mittels Laufzeitmessung erfasst werden soll
- Ref
- optionaler Vorgabewert für den Regler (CTR)
- Σ1
- erster Summierer
- Σ2
- zweite Summiervorrichtung
- S0
- Empfängerausgangssignal des ersten Empfängers (D1)
- S0B
- weiteres Empfängerausgangssignal des weiteren Empfängers (D2)
- S0Δ
- Empfängerausgangsdifferenzsignal
- S0Σ
- Empfängerausgangssummensignal
- s1
- erstes, insbesondere optisches, Signal
- s2
- zweites, insbesondere optisches, Signal, dass durch die Laufzeit insbesondere gegenüber dem ersten Signal (s1) verzögert oder sonst wie modifiziert ist.
- s3
- drittes, insbesondere optisches, Signal
- s4
- viertes, insbesondere optisches, Signal, dass durch eine weitere Laufzeit insbesondere gegenüber dem dritten Signal (s3) verzögert oder sonst wie modifiziert ist.
- S2a
- erstes internes Signal
- S2b
- zweites internes Signal
- S2Ba
- drittes internes Signal
- S2Bb
- viertes internes Signal
- S4
- erstes Ausgangssignal
- S4B
- weiteres Ausgangssignal
- S5
- Sendesignal
- S5d
- verzögertes Sendesignal
- S8
- erstes Filterausgangssignal des ersten Filters (F1)
- S8B
- viertes Filterausgangssignal des vierten Filters (F4)
- S9
- erstes digitalisiertes Filterausgangssignal
- S10
- zweites Filtereingangssignal
- S11
- drittes Filterausgangssignal
- S12
- erstes Reglerausgangssignal
- SF1
- erstes Empfangsfenstersignal
- SF2
- zweites Empfangsfenstersignal
- SF3
- drittes Empfangsfenstersignal
- SF4
- viertes Empfangsfenstersignal
- SK1
- erstes Korrektursignal
- T
- Temperatur des Senders
- ta
- Anstiegszeit (ta), mit der der Sender (H) zu senden beginnt.
- tf
- Abfallszeit (tf), mit der der Sender (H) zu senden aufhört.
- tk1
- erste zeitliche Mindestkonstanzzeit, in der das erste Empfangsfenstersignal (SF1) von Null verschieden ist und sich weniger als 25% in der Amplitude, vorzugsweise gar nicht, ändert.
- tk2
- zweite zeitliche Mindestkonstanzzeit, in der das zweite Empfangsfenstersignal (SF2) von Null verschieden ist und sich weniger als 25% in der Amplitude, vorzugsweise gar nicht, ändert.
- ts1
- erster zeitlicher Beginn des ersten Signals (s1)
- te1
- erstes zeitliches Ende des ersten Signals (s1)
- ts2
- zweiter zeitlicher Beginn des ersten Empfangsfenstersignals (SF1)
- te2
- zweites zeitliches Ende des ersten Empfangsfenstersignals (SF1)
- ts3
- dritter zeitlicher Beginn des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2)
- te3
- drittes zeitliches Ende des zweiten Empfangsfenstersignals (SF2)
- ts4
- vierter zeitlicher Beginn des dritten Signals (s3)
- te4
- vierter zeitliches Ende des dritten Signals (s3)
- tez
- zeitliches Ende des Zeitabschnitts (Tz)
- tsz
- zeitlicher Beginn des Zeitabschnitts (Tz)
- ts5
- fünfter zeitlicher Beginn des dritten Empfangsfenstersignals (SF3)
- te5
- fünftes zeitliches Ende des dritten Empfangsfenstersignals (SF3)
- ts6
- sechster zeitlicher Beginn des vierten Empfangsfenstersignals (SF4)
- te6
- sechstes zeitliches Ende des vierten Empfangsfenstersignals (SF4)
- TS
- Temperatursensor
- TSS
- Temperatursensorsignal
- Tz
- Zeitabschnitt
- V1
- Eingangsverstärker
- V2
- Sendeverstärker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19833207 A1 [0002]
- DE 102009020218 B3 [0002]
- EP 1678523 B1 [0002]
- DE 102011076635 B3 [0002]
- DE 102012206089 A1 [0002]
- DE 102009037596 A1 [0002]
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- WO 2007031102 A1 [0002]
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- DE 10221578 A1 [0002]
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