DE102019204499B4

DE102019204499B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE102019204499B4
Application number: DE102019204499.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Hochschulz; Sascha Weyers
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2022-08-25
Anticipated expiration: 2039-03-30
Also published as: DE102019204499A1

Abstract

Verfahren (100) zur Entfernungsmessung eines schwarzen oder grauen Gegenstands (10) mit bekannter Temperaturabhängigkeit seines Emissionsfaktors, mit folgenden Schritten:Bestimmen (110) einer Temperatur (T) des Gegenstands (10) anhand eines ermittelten Planck-Spektrums (PS) einer durch den Gegenstand (10) abgestrahlten und mittels eines Detektors (12) empfangenen Strahlung (S);Bestimmen (120) einer abgestrahlten Strahlungsleistung (PE) anhand der bestimmten Temperatur (T) und einer bekannten abstrahlenden Fläche des Gegenstands (10);Bestimmen (130) einer empfangenen Strahlungsleistung (PI) anhand des bestimmten Planck-Spektrums (PS); undBestimmen (140) eines Abstands anhand einer Relation zwischen der abgestrahlten Strahlungsleistung (PE) und der empfangenen Strahlungsleistung (PI).

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere zur beleuchtungslosen Entfernungsmessung.
Für die Entfernungs-/Abstandsmessung gibt es unterschiedliche Messmethoden, die sich prinzipiell in zwei Gruppen, nämlich direkte Messungen und indirekte Messungen aufteilen lassen.
Unter direkten Messungen versteht man beispielsweise den direkten Vergleich einer zu bestimmenden Entfernung mit einem Maßstab. Eine etwas komplexere Form der direkten Messung ist die Interferometrie, z. B. auf Basis eines Phasenschiebeverfahrens. Hierbei wird beispielsweise eine Referenzwelle gegenüber einer Objektwelle verschoben, wobei die entsprechende Überlagerung messbar ist und als Maß für die Entfernung dient.
Zu den indirekten Messmethoden gehört z.B. die Laufzeitmessungen (TOF, Time of Flight, klassische Vertreter: Laser, Radar, Lidar) oder auch die trianguläre Peilung (z. B. mittels Stereoskopie).
Sowohl die Interferometrie als auch die Laufzeitmessungen gehören entsprechend einer weiteren Unterteilung zu den so genannten bildgebenden Entfernungsmessverfahren. Die Bedeutung von bildgebenden Entfernungsmessverfahren ist hinlänglich bekannt, genauso wie deren Limitierung bezüglich Beleuchtungsstärke bzw. Entfernungsauflösung. Weitere ungeklärte Probleme von Verfahren mit Beleuchtung ergeben sich z. B. beim parallelen Betrieb von vielen solcher Systeme, Einsatz von Lidar bei (vielen) Fahrzeugen. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatzpunkt.
Der Vollständigkeit halber sei auch noch auf die Patentanmeldungen WO 2012/020397 A1 , die Entfernungsmessverfahren offenbart, und die DE 38 43 302 A1 , die ein Entfernungsmessverfahren anhand eines Planck-Spektrums zeigt, verwiesen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Konzept zur Entfernungsmessung zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus benötigter Beleuchtung, Entfernungsauflösung, Implementierbarkeit und gegenseitiger Beeinflussung schafft.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Verfahren zur Entfernungsmessung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Bestimmen einer Temperatur eines Gegenstands anhand eines ermittelten Planck-Spektrums einer durch den Gegenstand abgestrahlten und mittels eines Detektors, wie zum Beispiel einem FIR-Detektor empfangenen Strahlung;
- Bestimmen einer abgestrahlten Strahlungsleistung anhand der bestimmten Temperatur und einer bekannten abstrahlenden Fläche des Gegenstands;
- Bestimmen einer empfangenen Strahlungsleistung anhand bzw. in dem bestimmten Planck-Spektrum; und
- Bestimmen eines Abstands anhand einer Relation zwischen der abgestrahlten und der empfangenen Strahlungsleistung.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Bestimmung der Temperatur eines Gegenstands aus dem Planck-Spektrum der Strahlung die abgestrahlte Leistung des Gegenstands bekannt ist bzw. bestimmbar ist. Hierzu wird die Kenntnis der abstrahlenden Fläche des Gegenstands, die auf den Detektor strahlt, verwendet. Aus der Relation von abstrahlender Leistung und empfangener Leistung ist die Entfernung bestimmbar. Hier handelt es sich um eine reine passive Entfernungsmessung, die also ohne Beleuchtung auskommt (da bekanntlich jeder Körper entsprechend seiner Temperatur Wärme-Strahlung aussendet) und auch verhindert, dass sich mehrere entfernungsmessende Einheiten gegenseitig beeinflussen. Eine Reihe passiver Entfernungsmessungen hat auch prinzipiell Vorteile, z. B. bei wehrtechnischen Fragestellungen.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird die Temperatur dadurch bestimmt, dass eine Wellenlänge, an welcher ein Intensitätsmaximum in dem Planck-Spektrum vorherrscht, bestimmt wird. Ausgehend von dieser Wellenlänge kann beispielsweise anhand der Formel λ ≈ 2897,8 µm * 1/T die Temperatur bestimmt werden.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wird, um ein Intensitätsmaximum an einer bestimmten Wellenlänge erkennen zu können, Strahlenintensitätswerte an mehreren spektralen Punkten (verteilt über das Planck-Spektrum) erfasst. Mit zwei, drei oder vier (oder mehr) solcher Spektralpunkte kann man dann das Planck-Spektrum entsprechend anfitten, um den Verlauf des Planck-Spektrums zu erhalten und das entsprechende Maximum zu erkennen. Je nachdem wo das Maximum ist, kann ausgehend von empirisch ermittelten Daten ein Rückschluss auf die jeweils vorherrschende Temperatur gezogen werden. Hintergrund hierzu ist, dass der Verlauf des Planck-Spektrums und insbesondere das Intensitätsmaximum über das Planck-Spektrum jener Temperatur variiert. Ausgehend von den erhaltenen Intensitätswerten im Planck-Spektrum verteilt über die jeweiligen Frequenzen kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine empfangene Leistung bestimmt werden. Anders ausgedrückt heißt das, dass die Bestimmung der empfangenen Leistung durch Auswertung des Planck-Spektrums oder durch Auswertung des angefitteten Spektrums erfolgt.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird die abgestrahlte Leistung anhand der Formel P = εσAT⁴ bestimmt. ε ist hierbei der Emissionsfaktor, σ die Stefan Boltzmann-Konstante, A die bekannte abstrahlende Fläche des Körpers und T die oben ermittelte Temperatur.
Entsprechend Ausführungsbeispielen wird das Planck-Spektrum und damit auch die Temperatur bzw. empfangene Leistung für unterschiedliche Blendeneinstellung und damit für unterschiedliche Einfasswinkel mittels des Detektors bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass Einflüsse von Emissionsfaktoren und Entfernung getrennt werden können. Es könnte auch ferner möglich sein, dass zur Generierung von Einfasswinkel-Ausschnitten auch optische Fourier-Transformation entsprechend Ausführungsbeispielen genutzt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Detektor und einer Auswertevorrichtung. Der Detektor ist ausgewählt, um eine Temperatur eines Gegenstands anhand eines ermittelten Planck-Spektrums einer durch den Gegenstand abgestrahlten und mittels des Detektors empfangenen Strahlung zu bestimmen und um eine empfangene Strahlungsleistung anhand des ermittelten Planck-Spektrums (z. B. in dem Planck-Spektrum) zu bestimmen. Die Auswertevorrichtung ist ausgebildet, um eine abgestrahlte Strahlungsleistung anhand der bestimmten Temperatur und einer bekannten abstrahlenden Fläche des Gegenstands zu bestimmen. Ferner ermittelt die Auswertevorrichtung anhand einer Relation zwischen der abgestrahlten Strahlungsleistung und der empfangenen Strahlungsleistung den gesuchten Abstand.
Das oben erläuterte bzw. der Vorrichtung zugrundeliegende Verfahren lässt sich mit ein oder mehreren Sensoren (z.B. IRFPA) bildgebend umsetzen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Detektor ein FIR-Detektor oder ein Detektor mit mehreren spektralen Detektoren, die beispielsweise bevorzugt entlang der Strahlung angeordnet sein können, aber auch nebeneinander angeordnet sein können.
Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst die Vorrichtung eine Optik, wie zum Beispiel eine telezentrische Optik. Die Optik hat den Vorteil, dass bei der Berechnung keine Kalibrierfunktion, die die Intensität und Entfernung miteinander in Verbindung setzt, benötigt wird. Eine telezentrische Optik bietet den Vorteil, dass unabhängig von der Entfernung die gleiche Fläche auf einem Pixel abgebildet wird. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Optik ausgebildet sein, um unterschiedliche Blendeneinstellungen einzustellen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Optik zwei Objektive mit unterschiedlichen Brennwerten oder eine multifokale Optik umfassen. Die Optik kann entsprechend Ausführungsbeispielen eine Lochblenden- oder eine Stäbchen- Optik umfassen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen arbeitet die Optik nach dem Lichtfeldprinzip oder einem ähnlichen Ansatz (Gitter in Bild-Ebene/Defokussierung, etc.). Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Optik mehrere hintereinander geschaltete Blenden umfassen. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wäre es denkbar, dass unter Verwendung der Optik mit einstellbarer bzw. mit unterschiedlichen Blendeneinstellungen es ermöglicht wird, dass das Planck-Spektrum mit den unterschiedlichen Blendeneinstellungen aufgenommen und dann ausgewertet wird. Wie oben bereits erwähnt, können so Einflüsse des Emissionsfaktors ausgeglichen werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Computerprogramm zur Durchführung eines der Verfahrensschritte entsprechend dem oben erläuterten Verfahren bzw. des Gesamtverfahrens.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1a ein schematisches Flussdiagramm zur Illustration des Verfahrens zur Entfernungsmessung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
1b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines planckschen Temperaturspektrums für drei verschiedene Temperaturen aufgetragen in einem Strahlungsintensitäts-/Wellenlängen-Diagramm zur Illustration von Ausführungsbeispielen;
3a und 3b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Detektoraufbaus gemäß Ausführungsbeispielen; und
4 eine schematische Darstellung eines Detektors in Kombination mit einer Optik zur Illustration von erweiterten Ausführungsbeispielen.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1a zeigt ein Verfahren 100 mit den Schritten 105, 110, 120, 130 und 140, wobei der Schritt 105 optional ist.
Im Schritt 105 wird z. B. mittels eines Detektors 12 eine von einem Gegenstand 10 abgestrahlte Strahlung S empfangen. Diese Strahlung S kann hinsichtlich ihres Planck-Spektrums ausgewertet werden, was im Schritt 110 erfolgt.
Mit dem Schritt 110 wird die Temperatur T anhand der Auswertung des Planck-Spektrums PS bestimmt. Im Planck-Spektrum PS wird die Intensität der einfallenden Strahlung über die Wellenlänge aufgetragen, wobei sich dieses Spektrum insbesondere das Maximum/der Peak der Strahlung S je nach Temperatur T des Gegenstands 10 unterscheidet. Im Wesentlichen lassen sich die Eigenschaften des planckschen Strahlungsgesetzes wie folgt zusammenfassen:

Der Peak/das Maximum der Strahlung S verschiebt sich mit der Temperatur T entsprechend dem Wienschen Verschiebungsgesetz $λ \sim \frac{2897,8 μ m \cdot 1 K}{T} (T = Temperatur in K) .$
Die Intensität I, die eine Strahlung abgibt, ändert sich entsprechend P = εσ AT⁴, wobei ε der Emissionsfaktor, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante und A die Fläche des Gegenstands 10 ist. Wenn man also in dem planckschen Spektrum PS die maximale Temperatur/den Peak der Strahlung I zusammen mit der entsprechenden Wellenlänge λ bestimmt, kann man die zugehörige Temperatur T bestimmen. An dieser Stelle sei angemerkt, dass sich der Großteil der Strahlung für Temperaturen im Bereich der Umgebungstemperatur (z. b. 250 bis 350 K) im Bereich von 6 bis 16 µm befindet, so dass über diesen Bereich die Ermittlung des Spektrums (vgl. Schritt 105) sowie die Auswertung des Planck-Spektrums (vgl. Schritt 110) erfolgt. Es sei angemerkt, dass die Temperatur nicht notwendigerweise aus einer Region mit Peak bestimmt werden muss. Auch aus einem Bereich davor oder danach wäre die Bestimmung möglich, da der Verlauf charakteristisch für jede Temperatur und jeden Wellenlängenbereich ist. Der Bereich des Peaks bietet sich allerdings wegen der hohen Strahlungsleistung und dem damit hohen Signal an. Außerdem existieren für diesen Bereich entsprechend optimierte Detektoren, da dieser Bereich bei der klassischen Thermographie verwendet wird.

In einem nächsten Schritt 120 lässt sich dann die abgestrahlte Leistung PE z. B. anhand der oben erläuterten Formeln bestimmen. Als Eingang für die Bestimmung der abgestrahlten Leistung PE reicht im Wesentlichen die Temperatur T sowie die Information über die abstrahlende Fläche des Gegenstands 10 und ggf. der Emissionsfaktor (zumindest für den Fall, dass er sich ändert, wobei ein konstanter Faktor nicht zwingend berücksichtigt werden muss).
In einem nächsten Schritt 130 wird dann die einstrahlende Leistung PI anhand des Planck-Spektrums bestimmt. Wenn man sich das Diagramm PS aus dem Schritt 110 ansieht, ist die Leistung beispielsweise die Fläche der Linie T. Es sei angemerkt, dass für die Bestimmung der empfangenen Leistung das angefittete Spektrum nicht erforderlich ist. Die Summe der Detektor-Antworten entspricht der empfangenen Strahlungsleistung. Eine genaue Kenntnis der Antwort-Funktion des Detektors ist allerdings hilfreich. Wenn zum Beispiel ein Detektor bei der zentralen Wellenlänge 10µm nur halb so empfindlich ist, wie ein Detektor mit 14µm zentraler Wellenlänge, muss das bei der Berechnung berücksichtigt werden.
Der Abstand X ist abhängig vom Verhältnis PE zu PI (eingestrahlte Leistung versus abgestrahlte Leistung). Diese Erkenntnis wird sich im Schritt 140 zunutze gemacht, in welchem der Abstand X bestimmt wird.
Das Verfahren 100 wird beispielsweise durch die Vorrichtung bzw. das System 20 eingesetzt. Das System 20 umfasst den Detektor 12 sowie eine Auswertevorrichtung 16. Der Detektor 12 ist ausgebildet, um die Strahlung S von dem Gegenstand 10 bzw. von der Fläche A des Gegenstands 10 zu empfangen und hier die empfangene Strahlung S in Bezug auf Intensität I über die Frequenz aufzulösen. Die Information I(λ) wird dann mit der Auswertevorrichtung 16 geliefert, die dann ausgehend hiervon die Temperatur T (vgl. Schritt 110) sowie die abgestrahlte Leistung PE (vgl. Schritt 120) bestimmt. Weiter wird aus der Funktion I(λ) auch die einstrahlende Leistung PI bestimmt, so dass aus dem Verhältnis PE zu PI dann der Abstand X mittels der Auswertevorrichtung 16 berechnet werden kann.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 2 die Abhängigkeit zwischen dem Peak der Strahlung I und der Temperatur T im Detail erläutert.
2 zeigt ein schematisches Diagramm zur Illustration des planckschen Strahlungsgesetzes für drei Temperaturen 350 K, 300 K und 250 K. In dem Diagramm ist die Strahlungsintensität I über die Wellenlänge λ in µm aufgetragen. Wie zu erkennen ist, haben die drei Kurven 250K, 300 K und 350 K unterschiedliche Maxima, die jeweils mit den senkrechten Linien max. 350 K, max. 300 K und max. 250 K gekennzeichnet sind.
Wenn man alle Punkte bzw. eine gewisse Anzahl an Punkten entlang der Wellenlänge aufgenommen hat, kann man das Maximum ermitteln und ausgehend von dem bestimmten Maximum die zugehörige Temperatur auswählen. Hierzu sind entsprechend Ausführungsbeispielen in einer Look-up-Table entsprechende Vergleichswerte hinterlegt, so dass beispielsweise jeder Wellenlänge zugehörig zu der maximalen Intensität eine entsprechende Temperatur zugeordnet werden kann. Da sich das Maximum konstant in Richtung höherer Wellenlängen mit abnehmender Temperatur verschiebt, ist auch eine Interpretation möglich, wie beispielhaft anhand der Interpolationskurve IP gezeigt ist. Insofern reicht es auch, dass nur einige Zwischenwerte gespeichert werden.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 3 der Detektor erläutert. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass nur eine gewisse Anzahl an Wellenlängen, z. B. vier spektrale Punkte abgetastet werden. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung mehrerer Detektoren mit einer begrenzten spektralen Breite, die für unterschiedliche zentrale Wellenlängen empfindlich sind, bewerkstelligt werden. Eine derartige Aufteilung ist in dem Diagramm von 3b dargestellt. Das Diagramm aus 3b zeigt die relative Empfindlichkeit aufgetragen über die Wellenlänge für insgesamt vier Detektorelemente 12_1, 12_2, 12_3 und 12_4.
Ein entsprechend zugehöriger Detektor (FIR-Detektor) ist exemplarisch in 3a dargestellt. Dieser in 3a dargestellte Detektor 12 weist 4 Schichten 12_1 bis 12_4 auf, die hintereinander, d. h. in Einstrahlrichtung I angeordnet sind. Jede dieser Detektorschichten 12_1 bis 12_4 ist bei einer gewissen spektralen Breite, z.B. 100 nm, zentral empfindlich, wie 3b zeigt.
Die Stapelung der einzelnen Detektorschichten 12_1 bis 12_4 hat Vorteile bezüglich Signalstärke und optischer Auflösung.
Nimmt man mit einem solchen System von Detektoren 12_1 bis 12_4 das einfallende Planck-Spektrum auf, so ergeben sich so viele Messwerte wie vorhandene Detektoren 12_1 bis 12_4 existieren. An diese (vier) Messwerte kann man nun das Planck-Spektrum mit T und P als Parameter anfitten und so die Temperatur bestimmen, wobei P hier die empfangene Intensität ist. Aufgrund der angesprochenen Eigenschaften des planckschen Strahlungsgesetzes lassen sich die beiden Parameter dabei gut getrennt bestimmen.
Es wurden zum Beispiel für vier Detektoren 12_1 bis 12_4 bei 8, 10, 12 und 14 µm oder bei 6, 9, 12 und 15 µm sowie spektralen Breiten zwischen 100 nm und 1 µm gute Ergebnisse erzielt. Besonders wichtig erweist sich bei der Genauigkeit der Temperaturmessung dabei das Rauschen der einzelnen Detektoren.
Die Bestimmung der Temperatur an sich hat bereits einige Vorteile und nützliche Anwendungen, z. B. einem Betrieb ohne Shutter oder absolute Temperatur-Messung im Bild ohne Referenz-Temperatursensoren. In diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die Veröffentlichung US 2015/0124244 A1 verwiesen.
Alternativ zu dem dargestellten Detektor 12 mit den gestapelten Schichten wäre es auch denkbar, dass die Detektoren nebeneinander liegen, wobei dann bei einem bildgebenden System typischerweise ein De-Mosaicing durchgeführt wird (vgl. aktuelle RGB-Sensoren).
Bezug nehmend auf 4 wird nachfolgend nun der Detektor 12 in Kombination mit einer Optik 19 erläutert.
4 zeigt die Optik 19, die in Strahlungsrichtung I vor dem Detektor 12 angeordnet ist. Darüber hinaus ist mit dem Detektor die Auswertevorrichtung 16 verbunden.
Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen kann die Optik als telezentrische Optik implementiert sein. Diese hat den Vorteil, dass eine korrekte Abbildung erfolgt. Zum Hintergrund: Einfache Optiken haben das Problem, dass die abstrahlende Fläche A, die auf einem Pixel abgebildet wird, mit dem Abstand genauso quadratisch größer wird, wie die Intensität, die von dieser Fläche auf dem Detektor landet mit dem Abstand quadratisch kleiner wird. Für diesen Fall lässt sich der Faktor ε aus der Messung bestimmen. Um nun korrekt die Entfernung aus der Intensität bestimmen zu können, wird die Intensität, die auf ein Pixel fällt, mit dem Abstand verändert, was über die Optik geleistet wird. Idealerweise würde man hier eine Optik verwenden, die unabhängig von der Messung immer die gleiche Fläche auf einem Pixel abbildet.
Typischerweise sind solche telezentrischen Optiken bzw. die entsprechenden Objektive größer als die aufzunehmende Fläche des Gegenstandes 10. Eine besondere Form von telezentrischen Optiken sind die so genannten telezentrischen Mikro-Optiken pro Pixel (bzw. pro Pixel Gruppe mit verschiedenen zentralen Wellenlängen), deren Strahlengang durch eine weitere Optik aufgeweitet wird. Diese Optiken, die entsprechend Ausführungsbeispielen als Optik 19 eingesetzt werden können, haben nicht nur gegenüber herkömmlichen telezentrischen Optiken einen großen Vorteil, sondern ermöglichen auch eine scharfe Abbildung in größeren Abstandsinterwallen zu realisieren.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die telezentrische Optik 19 nicht zwingend erforderlich ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen reicht es, wenn sich die Intensität auch nur ein bisschen mit der Entfernung ändert (also nicht quadratisch wie bei der telezentrischen Optik). In einem derartigen Fall wird dann eine Kalibrierfunktion eingesetzt, die die Intensität und Entfernung miteinander in Verbindung setzt.
Die Optik 19 kann weitere optionale Eigenschaften umfassen. Beispielsweise kann die Optik ausgebildet sein, um unterschiedliche Blendeneinstellungen zu realisieren. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es denkbar, dass die Optik zumindest zwei Objektive mit unterschiedlichen Brennwerten oder eine multifokale Optik umfasst. Entsprechend wiederum weiteren Ausführungsbeispielen sind auch alternative Optiken wie zum Beispiel Lochblenden oder Stäbchenoptiken denkbar. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel basiert die Optik auf dem so genannten Lichtfeld-Prinzip oder einem ähnlichen Ansatz (Gitter in Bild-Ebene/Defokussierung, etc.). Derartige Optiken sind bereits bei herkömmlichen Entfernungsmessungen im Einsatz.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Optik 19 auch durch mehrere hintereinander geschaltete Blenden realisiert sein, was den Effekt hat, die Einfallswinkel der einfallenden Strahlung I einzugrenzen. Dies ist eine Variante der bereits angesprochenen Optik mit unterschiedlichen Blendeneinstellungen und Stäbchenoptik.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Bild zur Ermittlung des Planck-Spektrums bei mehreren verschiedenen Blendeneinstellungen und damit Einfallswinkelbegrenzungen betrachtet bzw. untersucht werden. Dies hat den Vorteil, dass Einflüsse von Emissionsfaktoren und Entfernung trennbar sind. Alternativ wäre es denkbar, dass zur Generierung von Einfallswinkel-Ausschnitten auch optische Fourier-Transformation angewendet wird. Ein Vorteil bei der Untersuchung der Entfernung und der unterschiedlichen Einfallswinkel-Ausschnitten liegt darin, dass Reflektionen von Objekten an der Oberfläche und der Emissionsfaktor, der wellenlängenabhängig und winkelabhängig sein kann, nicht so einen starken Einfluss auf die Entfernungsmessung hat.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nicht-vergänglich bzw. nicht-vorübergehend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Verfahren (100) zur Entfernungsmessung eines schwarzen oder grauen Gegenstands (10) mit bekannter Temperaturabhängigkeit seines Emissionsfaktors, mit folgenden Schritten: Bestimmen (110) einer Temperatur (T) des Gegenstands (10) anhand eines ermittelten Planck-Spektrums (PS) einer durch den Gegenstand (10) abgestrahlten und mittels eines Detektors (12) empfangenen Strahlung (S); Bestimmen (120) einer abgestrahlten Strahlungsleistung (PE) anhand der bestimmten Temperatur (T) und einer bekannten abstrahlenden Fläche des Gegenstands (10); Bestimmen (130) einer empfangenen Strahlungsleistung (PI) anhand des bestimmten Planck-Spektrums (PS); und Bestimmen (140) eines Abstands anhand einer Relation zwischen der abgestrahlten Strahlungsleistung (PE) und der empfangenen Strahlungsleistung (PI).
Verfahren (100) gemäß Anspruch 1, wobei das Bestimmen (110) der Temperatur (T) durch Bestimmen einer Wellenlänge (λ), an welcher ein Intensitätsmaximum (max. 350 K, max. 300 K, max. 250 K) in dem Planck-Spektrum (PS) vorherrscht, erfolgt oder anhand eines charakteristischen Verlaufs des Planck-Spektrums (PS).
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bestimmen (110) der Temperatur (T) anhand der Formel λ ≈ 2897,8 µm * 1 K /T erfolgt, wobei λ die Wellenlänge (λ) ist, an welcher ein Intensitätsmaximum (max. 350 K, max. 300 K, max. 250 K) in dem Planck-Spektrum (PS) vorherrscht.
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bestimmen (110) der Temperatur (T) die Unterschritte des Bestimmens von Strahlungsintensitätswerten an mehreren spektralen Punkten im Planck-Spektrum (PS) umfasst.
Verfahren (100) gemäß Anspruch 4, wobei das Verfahren (110) des Bestimmens der Temperatur (T) den Unterschritt des Anfittens des Planck-Spektrums (PS) an die mehreren Strahlungsintensitätswerte umfasst.
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Bestimmen (130) der empfangenen Leistung durch Auswertung des Planck-Spektrums (PS) erfolgt.
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei die abgestrahlte Leistung anhand der Formel P = εσAT⁴ bestimmt wird, wobei ε der Emissionsfaktor, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, A die abstrahlende Fläche und T die bestimmte Temperatur (T) ist.
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei der Schritt des Bestimmens (140) des Abstands unter Verwendung einer Kalibrierfunktion, die die empfangene Strahlungsleistung (PI) und den Abstand miteinander in Verbindung setzt, erfolgt.
Verfahren (100) gemäß einem der vorigen Ansprüche, wobei das Planck-Spektrum (PS) für unterschiedliche Blendeneinstellungen und/oder unterschiedliche Einfallswinkel mittels des Detektors (12) bestimmt wird.
Vorrichtung (20) zur Entfernungsmessung eines schwarzen oder grauen Gegenstands (10) mit bekannter Temperaturabhängigkeit seines Emissionsfaktors, mit den folgenden Merkmalen: einem Detektor (12), der ausgebildet ist, um eine Temperatur (T) des Gegenstands (10) anhand eines ermittelten Planck-Spektrums (PS) einer durch den Gegenstand (10) abgestrahlten und mittels des Detektors (12) empfangenen Strahlung (S) zu bestimmen und um eine empfangene Strahlungsleistung (PI) anhand des ermittelten Planck-Spektrums (PS) zu bestimmen; eine Auswertevorrichtung (16), die ausgebildet ist, um eine abgestrahlte Strahlungsleistung (PE) anhand der bestimmten Temperatur (T) und einer bekannten abstrahlenden Fläche des Gegenstands (10) zu bestimmen; wobei die Auswertevorrichtung (16) ausgebildet ist, einen Abstand anhand einer Relation zwischen der abgestrahlten Strahlungsleistung (PE) und der empfangenen Strahlungsleistung (PI) zu bestimmen.
Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 10, wobei der Detektor (12) einen FIR-Detektor umfasst und/oder wobei der Detektor (12) mehrere spektrale Detektoren umfasst und/oder wobei der Detektor (12) mehrere spektrale Detektoren, die entlang der Einstrahlrichtung angeordnet sind, umfasst.
Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Vorrichtung (20) eine Optik (19) umfasst; und/oder wobei die Vorrichtung (20) eine telezentrische Optik (19) umfasst.
Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 12, wobei die Optik (19) ausgebildet ist, um unterschiedliche Blendeneinstellungen einzustellen, und/oder wobei die Optik (19) zwei Objektive mit unterschiedlichen Brennwerten oder eine multifokale Optik umfasst, und/oder wobei die Optik (19) eine Lochblende oder Stäbchenoptik umfasst; und/oder wobei die Optik (19) nach dem Lichtfeldprinzip arbeitet.
Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Optik (19) mehrere hintereinandergeschaltete Blenden aufweist.
Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Auswerteeinheit ausgebildet ist, um mehrere Planck-Spektren, die mit unterschiedlichen Blendeneinstellungen aufgenommen sind, auszuwerten.
Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wenn das Verfahren (100) auf einem Computer abläuft, der in einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15 eingesetzt ist.