DE10249285A1

DE10249285A1 - Method for measuring distance operates with a laser distance meter for continuous transmission of sequences of laser pulses converted into electrical signals in a receiver device for echo pulses

Info

Publication number: DE10249285A1
Application number: DE10249285A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ullrich; Gerhard Ederer
Original assignee: Riegl Laser Measurement Systems GmbH
Current assignee: Riegl Laser Measurement Systems GmbH
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2003-05-22
Also published as: ATA17892001A; CH695634A5; AT411402B

Abstract

Sequences of laser pulses are continuously transmitted and converted into electrical signals in a receiver device (RD) (33) for echo pulses, whose runtime (RT) determines values for distances in an evaluatory device. Reference signals with a defined RT are generated and fed to the RD. A value is determined from the variation between a target and actual value for the RT of the reference signals.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernungsmessung mit einem optoelektronischen Entfernungsmesser nach einem Signal-Laufzeitverfahren mit einer Sendeeinrichtung, welche kontinuierlich bzw. quasi kontinuierlich Folgen von optischen Impulsen, insbesondere von Laser-Impulsen, aussendet, die in einer Empfangseinrichtung für die optischen Impulse, die von im Zielraum befindlichen Objekten reflektiert werden, in elektrische Signale umgesetzt werden, und die elektrischen Signale der Sendeeinrichtung und der Empfangseinrichtung einer Auswerteeinrichtung, die eine Zeitmesseinrichtung umfasst, zugeführt werden, in welcher aus der Laufzeit der Impulse Entfernungswerte ermittelt werden, wobei ferner Referenzsignale mit definierter Laufzeit von der Sendeeinrichtung generiert und der Empfangseinrichtung, vorzugsweise optisch über in den Strahlengängen von Sende- und Empfangseinrichtung angeordneten Glasfaser-Lichtleiter oder elektrisch durch Ableitung elektrischer Pulse von der Sendeeinrichtung zugeführt werden, wobei aus der Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert der Laufzeit der Referenzsignale ein Wert ermittelt wird, der zur Korrektur der Entfernungsmesswerte benutzt wird. The invention relates to a method for distance measurement with a optoelectronic range finder using a signal transit time method with a Transmitting device which continuously or quasi-continuously follow optical sequences Pulses, in particular laser pulses, are emitted in a receiving device for the optical impulses that are reflected by objects in the target area, in electrical signals are implemented, and the electrical signals of the transmitter and the receiving device of an evaluation device, which is a time measuring device comprises, are supplied, in which distance values from the transit time of the pulses are determined, furthermore reference signals with a defined transit time from the Transmitting device generated and the receiving device, preferably optically in the Beam paths of the transmitting and receiving device arranged fiber optic or are supplied electrically by deriving electrical pulses from the transmitting device, where from the deviation between the target and the actual value of the term Reference signals a value is determined, which is used to correct the distance measured values becomes.

Verfahren zur kontinuierlichen Kalibrierung von Entfernungsmessern sind bereits vorgeschlagen worden. So ist z. B. in der DE 10 10 5774 A1 ein Laserscanner beschrieben, bei welchem aus dem Strahlengang des Laser-Senders mit einem Lichtleiter Licht abgezweigt und dem Empfänger zugeführt wird. Eine Schwierigkeit bei dieser und ähnlichen Lösungen besteht darin, dass Referenzimpulse, die zu hinreichend geringen statistischen Schwankungen in der Entfernungsmessung führen, die Empfangseinrichtung übersteuern und damit Messimpulse, welche die Empfangseinrichtung mit geringer Amplitude erreichen, überdecken bzw. verfälschen. Procedures for the continuous calibration of range finders are already in place been proposed. So z. B. described in DE 10 10 5774 A1, a laser scanner which from the beam path of the laser transmitter with a light guide light branched off and fed to the receiver. A difficulty with this and the like Solutions is that reference pulses that are too low statistical Fluctuations in the distance measurement lead, override the receiving device and thus measuring pulses which the receiving device has a low amplitude reach, cover or falsify.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zeitlich vor den Mess-Impulsen Referenzimpulse generiert werden, welche auf optischem oder elektrischem Weg der Empfangseinrichtung zugeführt und in einer mehrzielfähigen Zeitmesseinrichtung verarbeitet werden, wobei diese Referenzimpulse zur Vermeidung von Übersteuerungen einen relativ kleinen Pegel aufweisen und zur Reduktion der statistischen Schwankung des Referenzwertes anschließend eine Durchschnittswertbildung, vorzugsweise in Form einer gleitenden und rückgekoppelten Durchschnittswertbildung mit dem sogenannten Vergessensfaktor, für die durch die Auswerteeinrichtung ermittelten Laufzeiten der Referenzsignale durchgeführt wird, wobei dieser Durchschnittswert in an sich bekannter Weise zur Korrektur der zugehörigen Entfernungsmesswerte herangezogen wird. This problem is solved according to the invention in that before Measuring pulses Reference pulses are generated, which are optical or electrical Received device and in a multi-target timekeeping device are processed, these reference pulses to avoid overloads have a relatively low level and to reduce the statistical fluctuation of the Reference value then averaging, preferably in the form of a moving and feedback averaging with the so-called Forgetting factor, for the running times determined by the evaluation device Reference signals is carried out, this average value in a manner known per se for Correction of the associated distance measured values is used.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Further features of the invention result from the following description an embodiment and with reference to the drawing.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Laser-Entfernungsmessers gemäss der Erfindung; Fig. 1 shows a block diagram of a laser rangefinder in accordance with the invention;

Fig. 2 zeigt in einem Zeit-Diagramm die Sende- und Empfangsimpulse; und Fig. 2 shows the transmit and receive pulses in a time diagram; and

Fig. 3 stellt das Blockschaltbild einer Variante zu der in der Fig. 1 gezeigten Einrichtung dar. FIG. 3 shows the block diagram of a variant of the device shown in FIG. 1.

Fig. 1 zeigt in Form eines Blockdiagramms schematisch den Aufbau des Steuergerätes 3 des Laser- Scanners gemäß der Erfindung. Mit 30 ist eine Laser-Ansteuereinheit bezeichnet, der einen Impulsgenerator umfasst, welcher kontinuierlich bzw. quasi-kontinuierlich eine Folge von Impulsen abgibt und damit eine Laserdiode 29 ansteuert. Getriggert wird die Ansteuereinheit 30 vom Mikroprozessor 34, gegebenenfalls über einen Verzögerungsgenerator 35. Der Laserdiode 29 ist eine Optik 31 vorgeschaltet, welche die Emitterzone des Lasers 29 vorzugsweise ins Unendliche abbildet. Neben der Sendeoptik 31 ist eine Empfängeroptik 32 vorgesehen, deren optische Achse parallel zu der der Sendeoptik 31 ausgerichtet ist. Die Empfängeroptik 32 konzentriert die von einem im Strahlengang der Sendeoptik 31 befindlichem Ziel, im allgemeinen diffus reflektierte Strahlung auf einen Photodioden-Empfänger 33. Mit Vorteil wird als Empfangsdiode 33 eine Avalanche- Diode eingesetzt. Vorzugsweise sind Sende- und Empfangsdioden in ihrer spektralen Charakteristik aufeinander abgestimmt, wobei die Empfangsdiode ihre maximale spektrale Empfindlichkeit in dem Bereich aufweist, in welchem die Sendediode maximal emittiert. Da die Empfangsdiode 33 aber neben der von der Sendediode emittierten und vom Ziel reflektierten Strahlung viel Störstrahlung in Form von Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfängt, kann es vorteilhaft sein, der Empfangsdiode ein möglichst schmalbandiges, optisches Filter vorzusetzen, welches seine maximale Transmission in dem Spektralband aufweist, in welchem der Laser 29 emittiert. Fig. 1 shows in the form of a block diagram schematically the structure of the control unit 3 of the laser scanner according to the invention. 30 designates a laser control unit which comprises a pulse generator which continuously or quasi-continuously emits a sequence of pulses and thus controls a laser diode 29 . The control unit 30 is triggered by the microprocessor 34 , possibly via a delay generator 35 . An optics 31 is connected upstream of the laser diode 29 , which preferably images the emitter zone of the laser 29 to infinity. In addition to the transmission optics 31 , a receiver optics 32 is provided, the optical axis of which is aligned parallel to that of the transmission optics 31 . The receiver optics 32 concentrates the radiation, which is generally diffusely reflected, from a target located in the beam path of the transmission optics 31 onto a photodiode receiver 33 . An avalanche diode is advantageously used as the receiving diode 33 . Transmitting and receiving diodes are preferably matched to one another in terms of their spectral characteristics, the receiving diode having its maximum spectral sensitivity in the range in which the transmitting diode maximally emits. However, since the receiving diode 33 receives a lot of interference radiation in the form of daylight or light from a wide variety of artificial light sources in addition to the radiation emitted by the transmitting diode and reflected by the target, it can be advantageous to provide the receiving diode with an optical filter which is as narrow-band as possible and which has its maximum transmission in has the spectral band in which the laser 29 emits.

Im Strahlengang der Optik 31 ist ein teildurchlässiger Spiegel 52 vorgesehen; über einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 53 wird das aus dem Sende-Strahlengang ausgespiegelte Laser-Licht direkt dem Empfänger 33 zugeleitet. Um eine Übersteuerung des Empfangskanals zu vermeiden, wird zusätzlich ein Graufilter 54 in den Strahlengang eingebracht. Durch diese Einrichtung werden, entsprechend abgeschwächt, Anteile der von der Laser-Diode 29 ausgesendeten Impulse auf direktem Weg der Empfänger-Diode 33 zugeleitet. Das Diagramm gemäß Fig. 2 veranschaulicht Sende- und Empfangsimpulse. Mit 82 ist der Sendeimpuls bezeichnet, 83 ist der stark abgeschwächte Referenzimpuls, der nach einer definierten Zeit t1 empfangen wird. Der von einem Ziel im Objektraum reflektierte Laser-Impuls 84 trifft nach einer Zeit t2 auf die Empfänger-Diode 33. A partially transparent mirror 52 is provided in the beam path of the optics 31 ; The laser light reflected from the transmitted beam path is fed directly to the receiver 33 via a further partially transparent mirror 53 . In order to avoid overloading the reception channel, a gray filter 54 is additionally introduced into the beam path. By means of this device, correspondingly weakened, portions of the pulses emitted by the laser diode 29 are fed directly to the receiver diode 33 . The diagram in FIG. 2 illustrates transmit and receive pulses. The transmit pulse is designated by 82 , 83 is the greatly weakened reference pulse which is received after a defined time t1. The laser pulse 84 reflected from a target in the object space strikes the receiver diode 33 after a time t2.

Die von der Empfänger-Diode 33 empfangenen Signale werden in einer Verstärker- und Analog-Signalprozessorstufe 36 verstärkt, bearbeitet und in einer möglichen Ausführungsform dem Analog-/Digital-Converter 37 zugeleitet, der vom Clock-Generator 55 getaktet wird. The signals received by the receiver diode 33 are amplified in an amplifier and analog signal processor stage 36 , processed and, in one possible embodiment, fed to the analog / digital converter 37 , which is clocked by the clock generator 55 .

In dem A-/D-Converter 37 werden der Referenzimpuls und der Echo-Impuls bzw. die Echo-Impulse digitalisiert. Die gesampelten Echo-Signale werden in einem Speicher 38 abgelegt und stehen für die weitere Verarbeitung durch den Prozessor 34 zur Verfügung. Der Empfangskanal ist mehrzielfähig ausgelegt und kann daher in einem Meßzyklus die Laufzeiten mehrerer Impulse ermitteln. The reference pulse and the echo pulse or the echo pulses are digitized in the A / D converter 37 . The sampled echo signals are stored in a memory 38 and are available for further processing by the processor 34 . The receiving channel is designed to be multi-target and can therefore determine the transit times of several pulses in one measuring cycle.

Der Prozessor 34 und der Datenspeicher 38 sind durch einen Datenbus miteinander verbunden, der schematisch angedeutet und mit 39 bezeichnet ist. An diesen Datenbus 39 sind ferner ein Programmspeicher 40 für den Prozessor 34 angeschlossen. Nach einer ersten Auswertung durch den Prozessor 34 werden die Rohdaten in einem entsprechenden Segment des Speichers 38 abgelegt. Durch die geringen Pegel der Referenzimpulse unterliegen die für diese ermittelten Laufzeiten einer starken statistischen Streuung, so dass diese nicht unmittelbar zu einer Kalibrierung des Systems herangezogen werden können. Sämtliche Daten können über eine Schnittstelle 44 ausgelesen werden, über welche andererseits dem Gerät Programmänderungen oder Befehle zugeleitet werden können. Die Schnittstelle 44 kann zusätzlich auch über ein Display verfügen. The processor 34 and the data memory 38 are connected to one another by a data bus, which is indicated schematically and is designated by 39 . A program memory 40 for the processor 34 is also connected to this data bus 39 . After a first evaluation by processor 34 , the raw data are stored in a corresponding segment of memory 38 . Due to the low level of the reference pulses, the transit times determined for these are subject to a strong statistical spread, so that they cannot be used directly for a calibration of the system. All data can be read out via an interface 44 , via which, on the other hand, program changes or commands can be sent to the device. The interface 44 can also have a display.

Die Laufzeitwerte werden einem Diskriminator 80 zugeführt, der die Laufzeitwerte, die kleiner t3 (Fig. 2) sind, einer Stufe 81 zuführt. Bei diesen Werten handelt es sich somit ausschließlich um Referenzwerte. In der Stufe 81 werden aus den Referenzwerten aufeinanderfolgender Messzyklen Durchschnittswerte errechnet, durch welche die statistischen Schwankungen ausgeglichen werden. Diese Durchschnittswertbildung erfolgt kontinuierlich in Form einer gleitenden und rückgekoppelten Mittelwertbildung mit dem sogenannten Vergessensfaktor. Nach diesem Algorithmus werden der aktuelle Wert und die Werte aus der nächsten Vergangenheit voll berücksichtigt, während weiter zurückliegende Werte mit immer geringerem Gewicht in die Durchschnittswertbildung eingehen. The runtime values are fed to a discriminator 80 , which feeds the runtime values, which are less than t3 ( FIG. 2), to a stage 81 . These values are therefore only reference values. In stage 81 , average values are calculated from the reference values of successive measurement cycles, by means of which the statistical fluctuations are compensated for. This averaging takes place continuously in the form of a moving and feedback averaging with the so-called forgetting factor. According to this algorithm, the current value and the values from the next past are fully taken into account, while values that are further back are included in the averaging with less and less weight.

Aus der bekannten, durch die Geometrie des optischen Systems definierten Soll-Laufzeit des Referenzimpulses und der gemittelten Ist-Laufzeit wird ein Korrekturfaktor ermittelt, der für eine kontinuierliche Kalibrierung des Entfernungsmessers herangezogen wird. Eine allfällige Drift der verschiedenen Bauteile und Komponenten wird damit laufend ausgeglichen und dadurch eine maximale Messgenauigkeit erzielt. From the known target runtime defined by the geometry of the optical system a correction factor of the reference pulse and the averaged actual running time is determined, which is used for a continuous calibration of the rangefinder. A possible drift of the various parts and components is thus ongoing balanced and thereby achieved maximum measurement accuracy.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 3 zeigt eine Alternative zu der oben beschriebenen Einrichtung, wobei für gleiche Teile bzw. Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Die Laseransteuereinheit 30 wird in diesem Fall von einem Pulsgenerator 42 angesteuert, der seinerseits von dem Prozessor 34 getriggert wird. Von der Laseransteuereinheit 30 wird ein elektrischer Referenzimpuls abgeleitet, wobei der Strompuls durch die Laserdiode 29 als Basis herangezogen wird. In der Stufe 47 wird ein Referenzpuls gebildet, der gegenüber dem von 30 abgeleiteten Puls abgeschwächt und zeitlich versetzt ist. Dieser Referenzimpuls wird schließlich bei 48 elektrisch in das Empfänger-Frontend eingekoppelt und wirkt damit parallel zur Photodiode 33. Durch die elektrische Einkopplung des Referenzsignals kann das optische System, verglichen mit der Lösung gemäß Fig. 1, wesentlich vereinfacht werden. Die Einrichtung verfügt über eine mehrkanalige Zeitmesseinrichtung 49, eine sogenannte TDC (time-to digital-converter). Dieser werden die diskriminierten Empfangsimpulse von der Analog-Signalprozessorstufe 36 zugeleitet, sowie ein von der Ansteuereinheit 30 direkt abgeleiteter Startimpuls. Vom TDC werden, bezogen auf einen beliebigen Referenzzeitpunkt, an den Prozessor 34 Zeitwerte für den Startimpuls, den Referenzimpuls und die vom Zielobjekt reflektierten Echo-Impulse (Zielimpulse) zugeleitet. Durch Differenzbildung der Zeitwerte einerseits der Referenz- und Zielimpulse und andererseits der Startimpulse berechnet der Prozessor die Roh-Laufzeitwerte. Der Prozessor führt auch die gleitende Durchschnittswertbildung der Referenzwerte durch. The block diagram according to FIG. 3 shows an alternative to the device described above, the same reference numerals being used for the same parts or components. In this case, the laser control unit 30 is controlled by a pulse generator 42 , which in turn is triggered by the processor 34 . An electrical reference pulse is derived from the laser control unit 30 , the current pulse through the laser diode 29 being used as the basis. In step 47 , a reference pulse is formed, which is weakened and delayed in relation to the pulse derived from 30. This reference pulse is finally electrically coupled into the receiver front end at 48 and thus acts in parallel with the photodiode 33 . By electrically coupling the reference signal, the optical system can be significantly simplified compared to the solution according to FIG. 1. The device has a multi-channel time measuring device 49 , a so-called TDC (time-to-digital converter). The discriminated receive pulses from the analog signal processor stage 36 are fed to this, as well as a start pulse derived directly from the control unit 30 . To the processor 34 time values for the start pulse, the reference pulse and the reflected from the target object echo pulses (target bursts) is related to an arbitrary reference point in time from the TDC, fed. The processor calculates the raw runtime values by differentiating the time values on the one hand of the reference and target pulses and on the other hand of the start pulses. The processor also performs the moving average of the reference values.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstelle der beiden Teilungsspiegel 52 und 53 Licht aus dem Sendestrahlengang mit einem Lichtleiter in den Empfängerstrahlengang geleitet werden. Es ist zur Erzeugung eines Referenz-Impulses auch möglich, anstelle einer optischen Kopplung zwischen Sende- und Empfangskanal ein Signal auf elektrischem Weg vom Lasertransmitter 30 direkt in den Verstärker 36 des Empfangskanals einzuspeisen. The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Instead of the two division mirrors 52 and 53, light from the transmission beam path can be guided into the receiver beam path with a light guide. To generate a reference pulse, it is also possible to feed an electrical signal from the laser transmitter 30 directly into the amplifier 36 of the reception channel instead of an optical coupling between the transmission and reception channel.

Die Erfindung ist auch nicht auf Laser-Scanner beschränkt sondern kann mit den gleichen Vorteilen auch auf andere kontinuierlich arbeitende Entfernungsmesser angewendet werden, wie sie z. B. zur Abstandskontrolle für Kran- und andere Förderanlagen, als Andockhilfen für Flugzeuge an den Gates der Flughafengebäude oder zur Verkehrsüberwachung eingesetzt werden. The invention is also not limited to laser scanners, but can be the same Advantages also applied to other continuously operating range finders be how they z. B. for distance control for cranes and other conveyor systems, as Aircraft docking aids at the gates of the airport buildings or for traffic monitoring be used.

Claims

Method for recording an object space with an optoelectronic range finder according to a signal transit time method with a transmitting device which continuously or quasi-continuously transmits sequences of optical pulses, in particular laser pulses, which are received in a receiving device for the optical pulses in the target area objects are reflected, converted into electrical signals and the electrical signals of the transmitting device and the receiving device are fed to an evaluation device, which comprises a time measuring device, in which distance values are determined from the running time of the pulses, reference signals with a defined running time from the transmitting device also being provided are generated and the receiving device, preferably optically via glass fiber optical fibers arranged in the beam paths of the transmitting and receiving device, or electrically by deriving electrical pulses from the transmitting device, e.g. be guided, a value being determined from the deviation between the setpoint and the actual value of the transit time of the reference signals, which value is used to correct the distance measured values, characterized in that reference pulses are generated before the measuring pulses, which are based on optical or electrical Be fed to the receiving device and processed in a multi-target timekeeping device, these reference pulses have a relatively low level to avoid overdriving and to reduce the statistical fluctuation of the reference value then an average value formation, preferably in a sliding and feedback manner with the so-called forgetting factor for the transit times of the reference signals determined by the evaluation device are carried out, this moving average being used in a manner known per se for correcting the associated distance measured values.