DE112011101278T5

DE112011101278T5 - Digitale Mehrpegel-Modulation für Laufzeitverfahren und -system

Info

Publication number: DE112011101278T5
Application number: DE112011101278T
Authority: DE
Inventors: Bernhard Büttgen; Thierry Oggier
Original assignee: Mesa Imaging AG
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2013-05-08
Also published as: WO2011127274A1; US9341715B2; US20110299059A1; WO2011127274A9

Abstract

Das Modulationsschema der vorliegenden Erfindung erlaubt die gleichzeitige Verwendung mehrerer 3D Laufzeitkameras durch Ausnützung inherenter Pseudorauscheigenschaften der optischen Modulationssignale. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen auf Grundlage reiner Pseudorauschmodulationssignale ist der stochastische Messfehler bei einem Einzel-Kamerasystem signifikant vermindert. Das grundlegende Konzept beruht auf der Erzeugung auf einem optischen Dreipegelmodulationssignal, das zwei Pseudorauschsiquenzen umfasst.

Description

BEZUGSANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil bzw. die Priorität gemäß 35 USC 119(e) der vorläufigen U.S.-Anmeldung Nr. 61/321,574, eingereicht am 7. April 2010, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Laufzeit-Abstandsmesssysteme sind aktive Systeme, welche die Ausbreitung eines Signals zu einem Objekt und zurück zu dem Sensor bei einer begrenzten, aber wohlbekannten Geschwindigkeit ausnutzen. Die Art des Signalträgers ist typischerweise vielfältig, Ultraschall-, Wasser- oder elektromagnetische Wellen. Jedes Laufzeit-Messsystem arbeitet jedoch, unabhängig von der verwendeten Form des Trägers, mit dem gleichen Prinzip. Ein allgemeines Aufbauschema für Laufzeit-Abstandsmesssysteme ist in 1 gezeigt. Die Abstandsinformation wird berechnet als: R = vT / 2 wobei R der Abstand zwischen dem Messsystem 100 und dem Objekt 10 ist, v die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals 114 von der Signalquelle 110 ist und T die gemessene Zeit ist, welche das Signal braucht, um zwischen dem Messsystem 100 und dem Objekt 10 hin und zurück zu wandern und dann durch den Sensor 112 erfasst zu werden.
Die Messung der Laufzeit T erfordert die Modulation des Signals 114. In optischen Messsystemen ist dies üblicherweise ein Intensitäts- bzw. Helligkeitsmodulationsschema. Sogenannte kontinuierliche Wellensignale bzw. Dauerstrichsignale wie etwa sinusförmige oder Impulsketten werden weithin verwendet. Beispiele dieser Signale 114 sind in 2 gezeigt.
Die Laufzeitmessung wird üblicherweise durch Korrelieren des erfassten Modulationssignals d(t) mit einem Referenzsignal r(t) bewerkstelligt. Ein Blockdiagramms des empfängermäßig enthaltenen Korrelators ist in 3 gezeigt. Das erfasste Signal ist die aufgrund seiner Reise zwischen dem Messsystem 100 und dem Objekt 10 verzögerte Version des emittierten Signals e(t). Diese Verzögerung wird durch die Laufzeit T ausgedrückt. Zusätzlich werden jedwede Verluste an Signalleistung innerhalb des Messweges durch den Dämpfungsfaktor k ausgedrückt. Die Verzögerung durch die Laufzeit taucht auch in der Korrelationskurve auf. Durch Erfassen mehrerer Punkte der Korrelationskurve wird die Verzögerung und mithin die Laufzeit extrahiert.
Durch Ausnutzen moderner Halbleiterverarbeitungstechnologien wie etwa standardmäßiger CMOS- oder CCD-Prozesse können die korrelierenden Empfänger bis in den Mikrometerbereich hinab miniaturisiert werden. Dies ermöglicht die Verwirklichung großer Felder von Korrelationselementen, welche üblicherweise in optischen Laufzeitmesssystemen ausgewertet werden, um die parallele Messung der Abstände zu einigen Tausenden von Objektpunkten zu ermöglichen. Eine Erzeugung einer Abstandskarte der Umgebung in Echtzeit wird möglich. Die Korrelatorelemente werden in der Literatur als Demodulationspixel bezeichnet.
Unter Bezugnahme auf das Beispiel einer sinusförmigen Modulation ist die Korrelationskurve, welche das Ergebnis der Korrelation zwischen dem erfassten Sinusmodulationssignal und dem Bezugssignal einer Sinuswelle mit gleicher Frequenz ist, erneut eine Sinuswelle. Durch Abtasten dieser sinusförmigen Korrelationskurve 402 an zwei Punkten S0 und S1, die durch ein Viertel des Modulationsintervalls 408 voneinander getrennt sind, wie es in 4 gezeigt ist, wird die Laufzeit extrahiert als:
wobei T_m ein Modulationsintervall bezeichnet. Die praktische Kontrolle des Raums zwischen den zwei Abtastungen kann einfach durch geeignetes Ändern der Verzögerung des Bezugssignals bzw. Referenzsignals erzielt werden.
Insbesondere weist die Sinusmodulation gegenüber einer Impulskettenmodulation den Vorteil auf, dass die gesamten Gerätekomponenten des Systems auf genau eine spezifische Frequenz optimiert werden können, wohingegen ein System auf der Grundlage von Impulsketten die Unterstützung einer breiteren Bandbreite erfordert. In jedem Fall sind einer Modulation mit kontinuierlicher Welle bzw. einer Dauerstrichmodulation zwei Hauptnachteile gemeinsam.
Als erstes befindet sich das Erfordernis einer hochfrequenten Modulationswelle zum Erzielen eines niedrigeren Messrauschen in direktem Gegensatz zu der Tatsache, dass höhere Frequenzen direkt zu einem reduzierten eindeutigen Messbereich führen. Hierbei bedeutet ein eindeutiger Messbereich, dass aufgrund der 2pi-(π)-Hüllnatur der kontinuierlichen Modulation Objekte, welche in Abständen jenseits einer Hälfte der Wellenlänge angeordnet sind, als nahe Objekte, welche an einem Abstand stehen, der geringer als die halbe Wellenlänge ist, gesehen werden. Mathematisch ist die maximale Laufzeit, welche eindeutig messbar ist: Tmax = Tm
Zweitens führt die Überlagerung von Signalen mehrerer Messsysteme zu falschen Messungen. Ein solcher Fehler kann nicht kompensiert werden, da er nicht erfassbar ist. Daher funktioniert ein System auf der Grundlage einer Dauerstrichmodulation in einer sogenannten Mehrbenutzerumgebung nicht zuverlässig.
In Bezug auf 3D-Laufzeit-Bildgebungskameras ist dies ein Hauptnachteil bei vielen Anwendungen, wo mehrere Systeme gleichzeitig arbeiten müssen. Eine typische Anwendung ist zum Beispiel eine autonome Navigation von Robotern oder Fahrzeugen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Das offenbarte Modulationsschema ermöglicht den Betrieb von 3D-Laufzeitkameras in einer Umgebung mit mehreren Kameras, da das optische Signal digitale Pseudorauschfolgen enthält, welche von Natur aus interferierende Kamerasignale unterdrücken. Desweiteren verbessert die neue Technik die Messgenauigkeit in einer Umgebung mit einer einzigen Kamera signifikant, wenn wir die Genauigkeit mit der Technik einer Modulation auf der Grundlage reinen Pseudorauschens unter der Annahme einer gleichen durchschnittlichen optischen Leistung und eines maximalen Messbereichs vergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist auf das Problem gerichtet, dass Abstandsmesssysteme auf der Grundlage von Pseudorauschen im Vergleich mit Sinusmodulaitonsschemata unter den gleichen Mess-Randbedingungen unter einem hohen Messrauschen leiden. Diese Randbedingungen weisen im Wesentlichen den gleichen maximalen Messbereich und die gleiche Signalleistung auf.
Die Erfindung schlägt die Ausnutzung einer neuen Art von digitalen Modulationsfolgen vor, welche auf einer bestimmten Kombination von Pseudorauschfolgen maximaler Länge basieren. Das Ergebnis weist ähnliche Eigenschaften wie reine Pseudorauschfolgen in Bezug auf die Unterdrückung von interferierenden Signalen auf, doch die stochastische Messgenauigkeit ist signifikant verbessert worden.
Das optische Modulationssignal enthält eine Pseudorauschfolge maximaler Länge und eine zweite Version der gleichen Folge, die zeitlich um zwei Chipzeiten verschoben und digital invertiert ist. Das Ergebnis ist ein digitales Modulationssignal dreier Pegel in der optischen Domäne.
Im Allgemeinen zeichnet sich die Erfindung gemäß einem Gesichtspunkt durch ein optisches Laufzeitmesssystem aus, welches eine Beleuchtungsquelle, die ein Objekt mit optischen Pseudorauschfolgen, die drei oder mehr digitale Pegel aufweisen, beleuchtet, und einen Sensor zum Erfassen der optischen Pseudorauschfolgen von dem Objekt und Ableiten eines Abstands von dem Objekt aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Beleuchtungsquelle zwei oder mehr Beleuchtungseinheiten auf, welche die drei oder mehr digitalen Pegel erzeugen. Der Sensor weist vorzugsweise ein Demodulationssensorfeld auf, welches ein zweidimensionales Feld von Demodulationspixeln aufweist.
Die optischen Pseudorauschfolgen können durch Kombinieren einer Folge mit einer verzögerten Version der Folge erzeugt werden. Gegenwärtig werden Folgen maximaler Längen bzw. Maximalfolgen bevorzugt.
Im Allgemeinen zeichnet sich die Erfindung gemäß einem anderen Gesichtspunkt durch ein Laufzeitmessverfahren aus, welches ein Beleuchten eines Objekts mit optischen Pseudorauschfolgen, die drei oder mehr digitale Pegel aufweisen, und ein Erfassen der optischen Pseudorauschfolgen von dem Objekt und Ableiten eines Abstands von dem Objekt aufweist.
Im Allgemeinen zeichnet sich die Erfindung gemäß einem noch anderen Gesichtspunkt durch eine Beleuchtungsquelle für ein optisches Laufzeitmesssystem aus, welche eine erste Beleuchtungseinheit, die ein Objekt mit einem modulierten optischen Signal beleuchtet, eine zweite Beleuchtungseinheit, welche das Objekt mit einem modulierten optischen Signal beleuchtet, und ein Beleuchtungssteuergerät, welches die erste Beleuchtungseinheit und die zweite Beleuchtungseinheit ansteuert, um das Objekt mit einem modulierten optischen Signal, welches drei oder mehr digitale Pegel aufweist, zu beleuchten, aufweist.
Im Allgemeinen zeichnet sich die Erfindung gemäß einem noch anderen Gesichtspunkt durch ein Beleuchtungsverfahren für ein optisches Laufzeitmesssystem aus, welches ein Beleuchten eines Objekts mit einem ersten modulierten optischen Signal, ein Beleuchten des Objekts mit einem zweiten modulierten optischen Signal, und ein Steuern der Zeitabstimmung des ersten modulierten optischen Signals und des zweiten modulierten optischen Signals derart, dass das Objekt mit einem modulierten optischen Signal, welches drei oder mehr digitale Pegel aufweist, beleuchtet wird, aufweist.
Die vorstehenden und anderen Merkmale der Erfindung einschließlich verschiedener neuer Einzelheiten im Aufbau und Kombinationen von Teilen und andere Vorteile werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genauer beschrieben und in den Ansprüchen herausgestellt werden. Es wird verstanden werden, dass das genaue Verfahren und die genaue Vorrichtung, welche die Erfindung ausführen, im Wege der Veranschaulichung und nicht als eine Beschränkung der Erfindung gezeigt werden. Die Prinzipien und Merkmale dieser Erfindung können in verschiedenen und vielfältigen Ausführungsformen eingesetzt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den begleitenden Zeichnungen bezeichnen Bezugszeichen über die unterschiedlichen Ansichten hinweg die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; stattdessen ist der Schwerpunkt auf eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt worden. Zu den Zeichnungen:
1 veranschaulicht einen allgemeinen Aufbau einer Laufzeitmessung.
2 veranschaulicht Sinuswellen- und Impulskettensignale.
3 veranschaulicht einen empfängermäßig enthaltenen Korrelator.
4 veranschaulicht eine typische Abtastung der sinusförmigen Korrelationskurve, um die Zeitverzögerung T der Sinuswelle zu extrahieren.
5 veranschaulicht eine Maximalfolge einer Länge von 15 Bit (Chip).
6 veranschaulicht eine Korrelationskurve, wenn modulierte Pseudorauschsignale zur Abstandsmessung verwendet werden.
7 veranschaulicht überlagerte Korrelationskurven von Sinuswellen- und Pseudorauschmodulation für den gleichen maximalen Messbereich (Tm = Tc) und gleiche Signalleistung.
8 veranschaulicht einen Vergleich der Messgenauigkeit zwischen Sinusmodulation und digitaler Pseudorauschmodulation auf der Grundlage von Maximalfolgen.
9 veranschaulicht die Erzeugung der ternären digitalen Modulationsfolge.
10A veranschaulicht die ternäre digitale Modulationsfolge.
10B veranschaulicht die Korrelationsfunktion, welche mit der ternären digitalen Modulation erhalten wird.
11 veranschaulicht die Erzeugung der ternären digitalen Modulationsfolge, die zur Kompensation des Versatzes in der Korrelationsfunktion, der durch die Ein-Chip-Ungleichgewichtseigenschaft der Maximalfolge erzeugt worden ist, verwendet wird.
12 veranschaulicht den Korrelationsprozess mit und ohne Nehmen zusätzlicher Abtastungen zur Entfernung des Versatzes der Korrelationskurve.
13 veranschaulicht die Korrelationsfunktion, die erhalten wird, wenn eine ternäre digitale Modulation verwendet wird und zwei zusätzliche Messungen mit der negativen digitalen Folge durchgeführt werden, um eine Korrelationsfehlanpassung zu entfernen.
14 veranschaulicht den Vergleich der Messgenauigkeit, die mit unterschiedlichen Modulationsschemata wie Sinuswellen-, Pseudorausch-Maximalfolgen- und dreipegeligen (ternären) digitalen Modulationsfolgen von Maximalfolgen erzielt wird.
15 zeigt ein erweitertes ternäres Modulationssignal auf der Grundlage der Zeitteilungsverschachtelung mehrerer kodierter ternärer Signale; dieser Signalaufbau liefert eine versatzfreie Korrelationskurve bei Korrelation mit der Pseudorausch-Maximalfolge.
16A und 16B veranschaulichen die Erzeugung einer Pseudorauschfolge unter Verwendung eines Schieberegisters linearer Rückkopplung. 16A zeigt die Fibonacci-Implementierung, und 16B zeigt die Galois-Implementierung.
17 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Beleuchtungssteuerung für zwei Beleuchtungskanäle.
18 zeigt die Organisation von zwei Beleuchtungseinheiten um das Demodulationspixelfeld und die Optiken herum. Die zwei Beleuchtungseinheiten weisen jeweils mehrere optische Quellen auf. Das Beispiel zeigt eine strikte Trennung der beiden Beleuchtungseinheiten auf der linken und rechten Seite.
19 zeigt die Organisation von zwei Beleuchtungseinheiten um das Demodulationspixelfeld und die Optiken herum. Die zwei Beleuchtungseinheiten weisen jeweils mehrere optische Quellen auf. Das Beispiel zeigt eine abwechselnde Anordnung der optischen Quellen von Beleuchtungseinheiten 1 und 2 auf.
20 zeigt die getrennte Zuordnung der rohen Pseudorauschfolgen zu den Beleuchtungseinheiten.
21 zeigt die Zuordnung eines Digitalwerts 1 zur Beleuchtungseinheit 1 und eines Digitalwerts 2 zu beiden Beleuchtungseinheiten.
22 zeigt die Zuordnung des Digitalwerts 1 abwechselnd zu Beleuchtungseinheit 1 und 2 zur Kompensation hinsichtlich zeitlicher und örtlicher Beleuchtungsasymmetrien.
23 zeigt die zufällige Zuordnung des Digitalwerts 1 zu Beleuchtungseinheit 1 oder 2.
24 zeigt die Erzeugung einer Referenzmessung durch Rückführen eines kleinen Anteils des emittierten optischen Signals auf einen ausgewählten Demodulationspixel.
25 zeigt die Korrelationskurve, wenn eine Leistungseinstellung bzw. -anpassung eingesetzt wird.
GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Messung auf Grundlage eines Pseudorauschens
Ein alternatives Modulationsschema weist binäre Pseudorauschfolgen auf. Unter vielen unterschiedlichen Arten von Pseudorauschfolgen werden in heutigen Laufzeit-Abstandsmesssystemen sogenannte Folgen maximaler Länge bzw. Maximalfolgen oder m-Folgen am meisten verwendet. Sie werden auf einfache Weise mit der Verwendung von linear rückgekoppelten Schieberegistern erzeugt, und sie gehören zu der speziellen Untergruppe von Pseudozufallsfolgen, welche die Gruppe von Pseudorauschfolgen ist. Folgen dieser Gruppe erfüllen alle Kriterien hinsichtlich Zufälligkeit zur gleichen Zeit, obschon sie systematisch erzeugt werden, Hans-Jürgen Zepernick, Adolf Finger, „Pseudo Random Signal Processing, Theory and Application", Wiley 2005. Ein Beispiel einer Maximalfolge 502, die einige Male 504 wiederholt wird, ist in 5 gezeigt. Im Allgemeinen wird innerhalb des Kontexts von Pseudorauschfolgen ein Bit als ein Chip bezeichnet. Die Chiplänge ist Tc, und die Folge weist n Chips auf.
Die Modulation mit Pseudorauschfolgen zeigt weiterhin den Kompromiss zwischen höherer Modulationsbandbreite mit ihrem begleitenden geringerem Rauschen, jedoch reduziertem Messbereich. Wenn wir in dem Kontext von Pseudorauschfolgen über höhere Bandbreite sprechen, bedeutet dies eine kürzere Chip-(Bit)-Zeit. Trotz des Kompromisses können im Vergleich mit der Dauerstrichmodulation zwei Hauptvorteile herausgestellt werden.
Erstens ist die Messung nicht derart stark durch die Mehrdeutigkeit der Abstandsmessung beschränkt wie in dem Fall einer Dauerstrichmodulation. Tatsächlich strebt durch Auswahl beliebig langer Pseudorauschfolgen der Bereich eindeutiger Messungen nach unendlich. Dies ist selbst dann der Fall, wenn eine sehr hohe Bandbreite gewählt wird, um die Messgenauigkeit zu maximieren.
Zweitens ermöglichen die Zufallseigenschaften von Pseudorauschmodulationssignalen eine Unterscheidung des Signals von jedwedem anderen interferierenden Signal in einer eindeutigen Weise. Dies ist mit einem Dauerstrich-Modulationsschema nicht leicht erreichbar. Üblicherweise würde eine Dauerstrichmodulation ebenso die Verwendung mehrerer Frequenzen erfordern, was wiederum zu entweder aufeinanderfolgenden Messungen oder parallelen Messungen führt, aber wegen der Integration der zwei Empfänger mit reduzierter Empfindlichkeit. Beides ist für Messungen auf der Grundlage von Pseudorauschen nicht erforderlich.
Eine Abstandsmessung auf der Grundlage von pseudorauschmodulierten Signalen wendet typischerweise den Korrelationsansatz wie folgt an. Eine Pseudorauschfolge PN_u(t) wird verwendet, um das emittierte Signal zu modulieren. e(t) = PN_u(t)
Im Falle einer Intensitätsmodulation ist die Pseudorauschfolge selbst eine unipolare binäre Folge, welche die Werte 0 oder 1 aufweist. Dies wird durch den index u angedeutet. Das Referenzsignal r(t) wird durch die gleiche Pseudorauschfolge zugeordnet, jedoch in bipolarer Weise (Werte von –1 und 1). Daher wird dies als PN_b(t) bezeichnet. r(t) = PN_b(t)
Das Referenzsignal wird gemäß 3 als das Mischsignal verwendet. Es wäre auch möglich, eine unipolare Folge zu verwenden. Dies hängt von dem Geräteaufbau respektive der logischen Interpretation nach dem Mischprozess ab. Eine anschließende Integration des gemischten Signals gibt den Korrelationswert zwischen dem erfassten Signal d(t) und dem Referenzsignal r(t) aus. Aufgrund der Laufzeit erfährt die emittierte Pseudorauschfolge eine Verzögerung um T.
Wenn wir annehmen, dass die Maximalfolge gemäß der Ungleichgewichtseigenschaft dieser Folgen mehr Einsen als Nullen aufweist, ist die Korrelationskurve, die aus der Korrelation zwischen den emittierten Signalen e(t) und dem Referenzsignal r(t) erhalten wird, in 6 gezeigt. Die Korrelationskurve 602 wird durch eine Spitze 604 charakterisiert, deren Breite das Zweifache einer Chipzeit Tc ist, deren Amplitude die Energie der Pseudorauschfolge ist, und deren Wiederholungsabstand der gleiche wie die Länge n der Pseudorauschfolge ist. Falls die Anzahl von n Chips je Folge eine große Zahl ist, sind die Spitzenabstände dementsprechend getrennt.
In Abhängigkeit von der Laufzeit wird der Abstand des Objekts, der ein korrespondierender Punkt auf der Korrelationskurve ist, gemessen. Um die Abstandsmessung von der Signalamplitude unabhängig zu machen, werden im Allgemeinen zwei Abtastwerte der Korrelationskurve genommen und für die Berechnung der Laufzeit verwendet. Siehe Bernhard Büttgen, „Extending Time-of-Flight Optical 3D Imaging to Extreme Operating Conditions", Dissertation, Universität Neuchatel, 2007. Während die Zeitdauer zwischen den zwei Abtastwerten beliebig gewählt werden könnte, sind die zwei Abtastwerte durch eine Chipzeit getrennt. Die Laufzeit wird berechnet als: T = S0 / S0+S1T_c wobei S0 und S1 die zwei Abtastwerte der Korrelationskurve sind, wie in 6 gezeigt. Eine sehr große Anzahl n von Chips angenommen, entspricht die nächste Spitze der Korrelationskurve in den meisten Umgebungen der tatsächlichen Welt Objekten in weiten Abständen, die keinerlei Signal reflektieren. In diesem Fall ist die maximale Laufzeit, welche eindeutig messbar ist, T_max = T_c
Nachdem beide Abtastwerte der Korrelationskurve für Laufzeiten T > 2Tc zu Null werden, werden Objekte jenseits des Zweifachen des maximalen Messbereichs weder falsch gemessen noch erfasst. Laufzeitwerte zwischen Tc und 2Tc ermöglichen den Laufzeit-Abstandsmessystemen, die Objekte, aber nicht genau ihren Abstand zu erfassen, da einer der zwei Abtastwerte ungleich Null ist.
Bei Verwendung der Pseudorauschfolgenmodulation gemäß vorstehender Beschreibung wird das Abstandsmessungsrauschen im Vergleich mit einer Sinuswellenmodulation schlimmer, wenn die gleichen maximalen messbaren Abstände angenommen werden, was der Fall ist, wenn T_c = T_m
Eine Erläuterung der verringerten Leistung fällt ein, wenn die Korrelationskurven von Sinuswellen 702 und Pseudorauschmodulation 704 überlagert werden, wie es in 7 gezeigt ist. Die Korrelationskurve von zwei Sinuswellen zeigt einen Bereich von Spitze zu Spitze, der größer ist als Pseudorausch-Korrelationskurven, wie es durch die zwei Pfeillinien, welche die Signalbereiche zeigen, angegeben ist. Dies liegt an der Tatsache, dass die Sinuskorrelation von einer maximalen Ähnlichkeit zu dem gegenteiligen Fall geht, was eine maximale Disparität ist, wenn die zwei Sinuswellen gegeneinander ausgetauscht werden. Die Pseudorauschkorrelation jedoch zeigt entweder maximale Ähnlichkeit, oder die Folgen korrelieren überhaupt nicht miteinander. Es gibt keine Situation einer Verschiebung zwischen den zwei Pseudorauschfolgen, sodass sie gegeneinander ausgetauscht werden. Dieser höhere Bereich von Spitze zu Spitze der Sinuskorrelation ermöglicht eine bessere Rauschleistung. Ein Anderes ist, dass die Spitze zwei Modulationsintervalle der Sinuswelle abdecken muss, um den gleichen maximalen Messbereich zu erreichen, was eine weitere Abnahme der Steigung der Spitze bedeutet.
8 veranschaulicht eine andere Evaluation der Rauschleistung mit Sinuswellen- und Pseudorauschmodulation. 8 zeigt die normalisierte Standardabweichung gegen die Laufzeit, wobei die Normalisierung auf die Standardabweichung bezogen ist, die mit Sinuswellenmodulation erhalten wird. Während die Leistung eines sinuswellenmodulierten Messsystems nur von der optischen Leistung, aber nicht von der Laufzeit selbst abhängt, ist die Pseudorauschmodulation auch laufzeitabhängig. Es wird angenommen, dass die Abtastwerte durch das Photonenschrotrauschen beschränkt sind. Die Sinuswellenmodulation ergibt ein Rauschen, welches 2*sqrt(2) bis 4 mal geringer ist als die Pseudorauschmodulation.
In der bevorzugten Ausführungsform weist das optische Modulationssignal 114 eine Pseudorausch-Maximalfolge und eine zweite Version der gleichen Folge, welche zeitlich um zwei Chipzeiten bzw. Chiplängen verschoben und digital invertiert ist, auf. Das Ergebnis ist ein digitales Modulationssignal dreier Pegel in der optischen Domäne und folgt der mathematischen Beschreibung wie folgt:
9 zeigt die Erzeugung der ternären digitalen Modulationsfolge. Eine Zweichip-Verzögerung 910 zusammen mit einem Invertierer 920 gefolgt durch einen Addierer 930 ist vorgesehen.
Das Referenzsignal ist weiterhin die reine binäre Pseudorauschfolge: r(t) = PN_b(t)
1 zeigt ein Beispiel einer ternären Folge einer Länge von 15 Chips, welches zwei Pseudorausch-Maximalfolgen mit einer Länge von 15 Chips und einer gegenseitigen Verschiebung um 2 × Tc gemäß der Erfindung aufweist.
Der Korrelationsprozess führt zu der Ausgabe einer Korrelationsfunktion, welche der Überlagerung der ursprünglichen Korrelationsfunktion der Pseudorauschfolge mit der verzögerten Version um zwei Chipzeiten entspricht. Die Korrelationsfunktion ist in 10B gezeigt.
In einer typischen Implementierung wird der Abstand durch Nehmen zweier Abtastwerte S0 und S1 der Korrelationskurve 1006 gemäß Darstellung in 10B gemessen. Grundsätzlich gibt es einen sehr kleinen Versatz der Dreieckskorrelationskurve, der durch das Ein-Chip-Ungleichgewicht der Maximalfolgen erzeugt wird. Wenn angenommen wird, dass der Versatz vernachlässigbar klein ist, werden die nachstehenden Bedingungen verwendet, um die Laufzeit zu extrahieren:
Gleichung 1
Die maximale Zeit, die gemessen werden kann, beträgt T_max = 3T_c
Die Annahme eines vernachlässigbaren Versatzes gilt für lange Folgenlängen, was große Zahlen von n bedeutet. Wenn jedoch der Versatz nicht vernachlässigbar ist, was für kleine n der Fall ist, wird die Linearität der Abstandsmessung stark beeinträchtigt.
In dem Fall eines kleinen n werden zwei Lösungen vorgeschlagen. Die erste Option weist die Durchführung von zwei zusätzlichen Messungen mit einem adaptierten Modulationsschema auf, die erforderlich sind, um die Entfernung des Versatzes der Korrelationskurve und die Verbesserung der Messlinearität zu ermöglichen. Das emittierte optische Signal, welches zur Versatzkompensation verwendet wird, ist: e_oc(t) = 2 – e(t) = PN_u(t) + PN_u(t – 2T_c) während das Bezugssignal als das gleiche aufrechterhalten wird. 11 veranschaulicht die Erzeugung der ternären digitalen Modulationsfolge, die zur Kompensation des Versatzes in der Korrelationsfunktion verwendet wird, der durch die Ein-Chip-Ungleichgewichtseigenschaft der Maximalfolge erzeugt worden ist.
12 zeigt ein Beispiel, wie die zweite Messung durchgeführt wird. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit unterteilen wir den Korrelationsprozess in zwei gleiche Zeitdauern für die Korrelationen mit e(t) und e_oc(t). Das Resultat der Korrelation mit e(t) ist weiterhin so definiert, dass es c ist, während das Resultat der Korrelation mit e_oc(t) als c_oc definiert ist. Durch Subtrahieren der zwei Korrelationskurven c_oc und c voneinander respektive der entsprechenden Abtastwerte erhalten wir eine Abtastung einer versatzkompensierten Korrelationskurve, wie in 13 gezeigt.
Die endgültige Korrelationskurve wird als c_no bezeichnet, wobei „no” für ohne Versatz steht. Auf der Grundlage zweier Abtastwerte dieser Korrelationskurve und unter Einsatz der Gleichung 1 zeigt die Abstandsmessung keinerlei Nichtlinearität über der gemessenen Laufzeit mehr auf.
Die versatzkompensierten Korrelatiosnwerte werden durch Subtraktion erhalten, wie vorstehend beschrieben oder in mathematischem Sinne geschrieben als c_no(t) = c(t) – c_oc(t)
Die Abtastwerte, die zu nehmen sind, sind die Differenz der Abtastwerte, die beschrieben werden als S1_no = S1 – S1_oc S0_no = S0 – S0_oc
Diese gleiche Versatzkompensationsmethode korrigiert nicht nur den innewohnenden Versatz, der durch das Chip-Ungleichgewicht erzeugt wird, sondern kompensiert auch hinsichtlich Versatzfehlanpassungen in den zwei Ausgangskanälen des Demodulationselements. Ein ähnlicher Ansatz zur Kompensierung hinsichtlich Kanalantwortfehlanpassungen für Dauerstrichmodulationssysteme ist in [LUS05] F- Lustenberger, T. Oggier, G. Becker, L. Lamesch, Method and device for redundant distance measurement and mismatch cancellation in phase measurement systems”, Patent US 7,462,808 beschrieben worden.
Bei Anwendung dieses Versatzkompensationsverfahrens auf ternäre Modulationssignale, wie offenbart, ist es nicht entscheidend, ob die Ungleichgewichtseigenschaft von Pseudozufallssignalen in einem höheren Auftreten von Einsen oder Nullen innerhalb der zugrunde liegenden Pseudorauschfolge resultiert. Das Ergebnis von einer unkompensierten Korrelationskurve oder Abtastwerten wird in jedem Fall erhalten.
Der Vergleich der Leistung dieses Messsystems mit Modulationssystemen auf der Grundlage reinen Pseudorauschens und auf der Grundlage von Sinuswellen ist in 14 gezeigt, wo die Standardabweichung der Abstandsmessung auf eine der Sinusmodulation 1406 bezogen ist. Unter Annahme des gleichen Messbereichs für alle drei Arten von Modulationsschemata und der gleichen durchschnittlichen emittierten optischen Leistung stellt das ternäre digitale Modulationsschema 1404 eine Möglichkeit bereit, die stochastische Genauigkeit im Vergleich mit der Pseudorauschmodulation 1402 zu erhöhen, und unterdrückt weiterhin von sich aus Signale anderer Kameras dank der orthogonalen Eigenschaften des Signalaufbaus auf der Grundlage des Pseudorauschens.
Ein anderes Verfahren zum Erhalten einer versatzkompensierten Korrelationskurve mit ternären Modulationssignalen gemäß dieser Erfindung verwendet eine Zeitteilungsverschachtelung von zwei oder mehr ternären Signalen, vorzugsweise einer ungeraden Anzahl von Signalen. Wenn n die Anzahl von Chips je kodierter ternärer Folge (CTS) ist, die gemäß 9 erzeugt worden ist, wird ein neues Signal durch zeitlich aufeinanderfolgendes Addieren eines oder mehrerer CTS-Signale erzeugt. Die aufeinanderfolgende CTS basiert auf der gleichen Pseudorausch-Maximalfolge. Die erforderliche Randbedingung zum Erhalten einer versatzkompensierten Korrelationskurve ist diejenige, dass die Folgen auf der Pseudorauschfolge abwechselnd, einmal mit mehr Einsen und einmal mit mehr Nullen, basieren.
15 skizziert die Idee einer Verschachtelung auf Grundlage von Zeitteilung mehrerer kodierter tenärer Folgen, um eine versatzfreie Korrelationsfunktion zu erhalten, wenn das Modulationssignal mit der grundlegenden Pseudorausch-Maximalfolge korreliert wird. H(1) und H(0) beschreiben die Auftreten von Einsen und Nullen innerhalb der Pseudorauschfolge, die für die Konstruktion der CTS verwendet worden ist. Aufgrund der Ungleichgewichtseigenschaft der Pseudorauschfolgen sind sie nicht die gleichen. Das erweiterte, auf der Grundlage von Zeitteilung verschachtelte Modulationssignal erfordert das zeitliche Abwechseln, dass die Pseudorauschfolgen mehr Einser oder Nullen aufweisen.
Das erweiterte ternäre Modulationssignal, welches dem Aufbau folgt, resultiert in einer Korrelationsfunktion, wie sie in 13 gezeigt ist, ohne das Erfordernis, zur Kompensation irgendwelchen Versatzes oder Fehlanpassungen eine zweite Messung zu nehmen.
Pseudorauschfolgen werden gemäß der Erfindung grundlegenderweise für den Aufbau kodierter ternärer Folge CTS verwendet. Die Erzeugung von Pseudorauschfolgen ist heute wohlbekannt, sie wird üblicherweise durch die Verwendung linear rückgekoppelter Schieberegister bewerkstelligt. Zwei berühmte Implementierungen sind in 16A und 16B gezeigt, Fibonacci- und Galois-Implementierung. Beide Implementierungen erzeugen die gleichen binären Folgen, wenn ihre Rückkopplungsabgriffe von revertierter Natur sind. Die erzeugte Pseudorauschfolge weist eine Länge von n = 2mp – 1 Chips auf, wobei mp die Länge des linear rückgekoppelten Schieberegisters bezeichnet. Die Rückkopplungspolynome müssen primitiv sein, um eine Maximalfolge zu erhalten. Sie werden durch den Koeffizienten g1 zu gp, mp beschrieben.
Erzeugung von optischen Folgen dreier Pegel
Bevorzugte Erzeugungsschemata für kodierte ternäre Folgen sind bereits gezeigt. Die kodierte ternäre Folge steuert die Beleuchtung, die aus wenigstens zwei getrennt steuerbaren Kanälen besteht. Als ein Beispiel ist in 17 der allgemeine Aufbau für zwei getrennte Beleuchtungskanäle gezeigt. Falls die Folge die Emission eines Digitalwerts 1 erfordert, wird nur die Beleuchtungseinheit Illum.1 durch das Beleuchtungssteuergerät 1710 aktiviert. Falls ein Digitalwert 2 emittiert wird, werden beide Beleuchtungskanäle Illum.1 und Illum.2 aktiviert.
1 zeigt den allgemeinen Aufbau eines Laufzeit-Messsystems. Üblicherweise sind die Beleuchtungseinheiten 110 um das Demodulationspixelfeld 112 in dem Laufzeit-Messsystem 100 herum organisiert. Das Demodulationsfeld 112 weist vorzugsweise ein zweidimensionales Feld von Demodulationspixeln auf. 18 und 19 zeigen Beispiele mit zwei Beleuchtungseinheiten Illum.1 und Illum.2, die verwendet werden, um das ternärpegelige optische Ausgangssignal zu erzeugen. Die zwei Beleuchtungseinheiten weisen jeweils mehrere Beleuchtungsquellen 1810, wie etwa Laserdioden oder LEDs, auf, deren Anordnung um das Pixelfeld 112 herum in den Figuren gezeigt ist. Eine einfache Implementierung ist in 18 gezeigt, wo die rechten Beleuchtungsquellen Illum.1 zu der Beleuchtungseinheit 1 gehören und die linken Quellen Illum.2 zur Beleuchtung 2 gehören.
In der Realität wird erwartet, dass die optischen Quellen Fehlanpassungseigenschaften aufweisen, welche sich in Unterschieden in Antwortcharakteristiken in Bezug auf Leistung und Geschwindigkeit zeigen. Falls die Beleuchtungseinheiten Illum.1 und Illum.2 strikt getrennt sind, wie es in 18 gezeigt ist, kann dies stark eine nichteinheitliche Beleuchtung der Szenerie erzeugen. Um dies zu kompensieren, ist in 19 eine andere Anordnung der Beleuchtungsquellen vorgeschlagen, wo die Quellen von Beleuchtung 1 und 2 Illum.1 Illum.2 lokal abwechseln.
Zusätzlich zu solcherart systematischer räumlicher Anordnung der Beleuchtungsquellen können auch (quasi-) zufällige Anordnungen an anderen Ausführungsformen verwendet werden.
Unterschiedliche Szenarien eines Steuerns der zwei oder mehr Beleuchtungswege sind vorstellbar. Die nachstehenden Beispiele beziehen sich erneut auf den Spezialfall zweier Beleuchtungseinheiten, wobei jede mehrere optische Quellen aufweist, um die optische Gesamtemissionsleistung zu erhöhen.
Das Beleuchtungssteuergerät wird verwendet, um entsprechende Steuersignale an die Beleuchtungseinheiten zu verteilen. In den nachfolgenden Figuren sind vier beispielhafte Schemata einer Aktivierung der Beleuchtungsmodule skizziert.
In 20 sind jeweils zwei verschobene Versionen von Pseudorauschfolgen, die zueinander addiert sind, um die ternäre optische Ausgangsfolge zu ergeben, einer der Beleuchtungseinheiten zugeordnet.
In 21 ist Beleuchtung 2 nur aktiviert, wenn die ternäre Folge digital 2 zurückgibt. Falls der digitale Wert 1 ist, wird nur Beleuchtung 1 eingeschaltet.
22 zeigt eine Signalzuordnung zu den Beleuchtungseinheiten, welche irgendwelche Assymmetrien einer Szenenbeleuchtung über Zeit oder Raum kompensiert. Der Digitalwert 1 aktiviert abwechselnd entweder Beleuchtungeinheit 1 oder 2, während digital 2 beide Beleuchtungseinheiten aktiviert. Eine zufällige Zuordnung von digital 1 zu den Beleuchtungseinheiten ist in 23 gezeigt, was den gleichen Zweck eines Kompensierens irgendwelcher Asymmetrien aufweist.
Ein anderes Verfahren zur Kompensierung lokaler oder temporaler Asymmetrien besteht darin, die Zuordnung der zugrundeliegenden Pseudorauschfolgen an die Beleuchtungseinheiten abzuwechseln. Eine kodierte ternäre Folge doppelter Länge wird erzeugt, wenn zuerst die Beleuchtung 1 Pseudorauschfolge 1 erhält und Pseudorauschfolge 2 Beleuchtung 2 zugeordnet wird, entsprechend 17, und hiernach umgekehrt.
Die vorstehenden Ausführungsformen zur Kompensierung lokaler und temporler Asymmetrien könnten auch verwendet werden, um ein optisches Modulationssignal mit nur einer Beleuchtungseinheit und zwei optischen Ausgangspegeln (Null und Eins), aber unter Erzeugung der gleichen Korrelationscharakteristiken wie die reinen ternären Signale, zu erzeugen.
Dies ist insbesondere geeignet zur Rückführung eines kleinen Anteils aus nur einer Beleuchtungseinheit an ein Referenzdemodulationspixel, wie es in 24 gezeigt ist. Eine solche Referenzmessung ist wichtig in Laufzeitsystemen, um hochgenaue und robuste absolute Abstandsmessungen zu erhalten.
Anpassung an die Messumgebung durch Steuerung der optischen Leistung
Um eine Leistungsfehlanpassung zwischen den Beleuchtungseinheiten zu kompensieren und demzufolge die gleiche Spitzenhöhe der Korrelationskurve der ternären Folge zu erhalten, ist die abwechselnde Beleuchtungskanalumschaltung ein sehr attraktives Verfahren, wie es vorstehend beschrieben wurde. Die Steuerung der optischen Leistung der Beleuchtungseinheiten/-kanäle stellt andererseits einen anderen Grad an Flexibilität in dem Aufbau eines Laufzeitsystems auf der Grundlage der Modulation kodierter ternärer Signale bereit. Dies ist insbesondere interessant für die direkte Zuordnung eines Pseudorauschsignals zu den Beleuchtungseinheiten gemäß 20 oder der entsprechenden Ausführungsform mit zeitlicher Abwechslung der Pseudorauschfolgen.
Die optische Leistung der Beleuchtungskanäle könnte direkt durch das Beleuchtungssteuergerät gesteuert werden. Durch Einstellen der Pseudorausch-Beleuchtungskanäle im Hinblick auf die Leistung können die Charakteristiken der Korrelationskurve vorab oder dynamisch während des Messprozesses an den Messbereich angepasst werden. Wenn beispielsweise P1 > P2, wobei P1 der optischen Emissionsleistung des ersten Beleuchtungskanals entspricht respektive P2 dem zweiten, könnte die Korrelationskurve eingestellt bzw. angepasst werden, um die Messgenauigkeit für entfernte Objekte zu verstärken. Die erste Spitze der Korrelationskurve, die für die Erfassung entfernter Objekte verwendet wird, erhält mehr optische Leistung, was sich als eine größere Spitzenamplitude zeigt. Nahe Objekte, die im Allgemeinen zu einer Sättigung führen, werden so zugeordnet, dass sie weniger optische Leistung aufweisen. Die Korrelationskurve ist in 25 gezeigt. Eine entgegengesetzte Einstellung zum Erhalten einer größeren zweiten Spitze ist ebenso möglich und kann anwendungsabhängig sein.
Leistungsanpassung
Falls die Leistungseinstellung bzw. -anpassung verwirklicht wird, müssen die Abstandsformeln die unterschiedlichen Steigungen der zwei Spitzen der Korrelationskurve berücksichtigen, was die Information des Leistungsverhältnisses zwischen den Beleuchtungskanälen erfordert. Wenn das Leistungsverhältnis als RATIO = P2/P1 definiert ist, wobei P1 die Leistung der Beleuchtungseinheit ist, welche die rechte Spitze erzeugt bei Anpassung ihrer Pseudorauschfolge, dann wird die Laufzeit berechnet als
Das offenbarte Modulationsschema ermöglicht den Betrieb von 3D-Laufzeitkameras in einer Multi-Kamera-Umgebung, da das optische Signal die digitalen Pseudorauschfolgen aufweist, welche von Natur aus eine Interferenz von Kamerasignalen unterdrücken. Desweiteren verbessert die neue Technik die Messgenauigkeit in einer Ein-Kamera-Umgebung signifikant, wenn wir die Genauigkeit der Modulation auf Basis reinen Pseudorauschens mit der Annahme gleicher mittlerer Leistung und maximalen Messbereichs vergleichen. Eine intelligente Steuerung der Beleuchtungseinheiten ermöglicht eine Kompensierung zeitlicher oder räumlicher Asymmetrien und/oder eine statische oder dynamische Anpassung der Emissionsleistung an den anwendungsabhängigen Messbereich und Szenerie.
Während diese Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen hiervon im Einzelnen gezeigt und beschrieben worden ist, wird der Fachmann verstehen, dass verschiedene Änderungen in Form und Einzelheiten hieran vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche umfasst ist, abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7462808 [0075]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hans-Jürgen Zepernick, Adolf Finger, „Pseudo Random Signal Processing, Theory and Application”, Wiley 2005 [0049]
„Extending Time-of-Flight Optical 3D Imaging to Extreme Operating Conditions”, Dissertation, Universität Neuchatel, 2007 [0057]

Claims

Ein optisches Laufzeit-Messsystem, aufweisend: eine Beleuchtungsquelle, welche ein Objekt mit optischen Pseudorauschfolgen, die drei oder mehr digitale Pegel aufweisen, beleuchtet; einen Sensor zum Erfassen der optischen Pseudorauschfolgen von dem Objekt und Ableiten eines Abstands von dem Objekt.
Ein optisches Laufzeit-Messsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die Beleuchtungsquelle zwei oder mehr Beleuchtungseinheiten aufweist, welche die drei oder mehr digitalen Pegel erzeugen.
Ein optisches Laufzeit-Messsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei der Sensor ein Demodulationssensorfeld aufweist.
Ein optisches Laufzeit-Messsystem wie in Anspruch 3 beansprucht, wobei das Sensorfeld ein zweidimensionales Feld von Demodulationspixeln aufweist.
Ein optisches Laufzeit-Messsystem wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei die optischen Pseudorauschfolgen durch Kombinieren einer Folge mit einer verzögerten Version der Folge erzeugt werden.
Ein optisches Laufzeit-Messsystem wie in Anspruch 5 beansprucht, wobei die Folge eine Maximalfolge ist.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren, aufweisend: Beleuchten eines Objekts mit optischen Pseudorauschfolgen, welche drei oder mehr digitale Pegel aufweisen; und Erfassen der optischen Pseudorauschfolgen von dem Objekt und Ableiten eines Abstands von dem Objekt.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, weiter aufweisend ein Ansteuern von zwei oder mehr Beleuchtungseinheiten, welche die drei oder mehr digitalen Pegel erzeugen.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, weiter aufweisend ein Erfassen der Folgen mit einem Sensor, der ein Demodulationssensorfeld aufweist.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren wie in Anspruch 9 beansprucht, wobei das Sensorfeld ein zweidimensionales Feld von Demodulationspixeln aufweist.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren wie in Anspruch 7 beansprucht, weiter aufweisend ein Erzeugen der Folgen durch Kombinieren einer Folge mit einer verzögerten Version der Folge.
Ein optisches Laufzeit-Messverfahren wie in Anspruch 11 beansprucht, wobei die Folge eine Maximalfolge ist.
Eine Beleuchtungquelle für ein optisches Laufzeit-Messsystem, aufweisend: eine erste Beleuchtungseinheit, welche ein Objekt mit einem modulierten optischen Signal beleuchtet; und eine zweite Beleuchtungseinheit, welche das Objekt mit einem modulierten optischen Signal beleuchtet; und ein Beleuchtungssteuergerät, welches die erste Beleuchtungseinheit und die zweite Beleuchtungseinheit ansteuert, um das Objekt mit einem modulierten optischen Signal, das drei oder mehr digitale Pegel aufweist, zu beleuchten.
Ein Beleuchtungsverfahren für ein optisches Laufzeitmesssystem, aufweisend: Beleuchten eines Objekts mit einem ersten modulierten Signal; Beleuchten des Objekts mit einem zweiten modulierten Signal; und Steuern der Zeitabstimmung des ersten modulierten optischen Signals und des zweiten modulierten optischen Signals derart, dass das Objekt mit einem modulierten optischen Signal, welches drei oder mehr digitale Pegel aufweist, beleuchtet wird.