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Die Erfindung betrifft einen entfernungsmessenden Sensor zur Erfassung und Abstandsbestimmung eines Objekts nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zahlreiche Sensoren nutzen ein Signallaufzeitprinzip, bei dem das Zeitintervall zwischen Senden und Empfang eines Signals über die Signallaufzeit in eine Entfernung umgerechnet wird. Dabei werden so verschiedene Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgenutzt wie Mikrowellen und Licht. Ein Anwendungsbereich für Mikrowellen ist die Füllstandsmessung. Hierbei wird die Signallaufzeit bis zur Reflexion an einer Grenzfläche des Mediums bestimmt, dessen Füllstand zu messen ist. Dabei werden die abgestrahlten Mikrowellen in einer Sonde geführt (TDR, time domain reflectometry), oder alternativ wie bei einem Radar frei abgestrahlt und von der Grenzfläche reflektiert.
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Bei optoelektronischen Sensoren nach dem Prinzip des Lichtlaufzeitverfahrens wird bei einem Pulslaufzeitverfahren ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Das Lichtlaufzeitverfahren ist auch das Prinzip, nach dem entfernungsmessende Laserscanner arbeiten, deren Fahrstrahl eine Linie oder sogar eine Fläche ausmisst. Optoelektronische Entfernungsmessung kann beispielsweise in der Fahrzeugsicherheit, der Logistik- oder Fabrikautomatisierung oder der Sicherheitstechnik benötigt werden. Meist ist die gesuchte Ausgabegröße der gemessene Abstand. Alternativ kann ein Entfernungsmesser nach dem Lichtlaufzeitverfahren auch schaltend arbeiten, indem eine Entfernungsänderung eines in einem bestimmten Abstand erwarteten Reflektors oder eines reflektierenden oder remittierenden erkannt wird. Eine besondere Anwendung ist eine Reflexionslichtschranke mit Überwachung des Abstandes zu ihrem Reflektor.
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In schaltenden und vermehrt auch in messenden Systemen ist die Synchronität der Messwerterzeugung und der Messwertausgabge ein wichtiges Qualitätskriterium. Beispielsweise ist eine konstante Totzeit zwischen tatsächlicher Messsituation und Messwert für Anwendungen wichtig, in denen der Sensor als Teil eines Regelkreises arbeitet. In anderen Anwendungen wird auf Basis der Ausgaberate von Entfernungsmesswerten und der dadurch bestimmten Entfernungsänderung die Geschwindigkeit oder Beschleunigung vermessener Objekte geschätzt. Eine Ungenauigkeit in der Beziehung zwischen Messwert und Ausgabezeitpunkt des Messwerts führt hier jeweils zu teilweise erheblichen Fehlern. Ein zusätzlicher Fehler entsteht dadurch, dass in aller Regel der Sensor die Messwerte mit einem Sensortakt nach außen bereitstellt, der nicht dem Systemtakt der die Messwerte entgegennehmenden Anwendung entspricht. Der Einfluss einer solchen Asynchronität sollte möglichst gering bleiben.
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Zu den genannten Schwierigkeiten der Synchronisierung zwischen Sensor und dessen externer Umgebung kommt eine interne Synchronisierung, wenn der Sensor eine voneinander getrennte Messwerterfassung und Messwertverarbeitung besitzt. Beispielsweise kann eine interne Steuerung eines Sensors auf einen Messkern des Sensors zugreifen, um Messwerte auszulesen, weiterzuverarbeiten und auszugeben. Dieser Zugriff erfolgt nach den Bedürfnissen des Betriebssystems der internen Steuerung und nicht nach den internen Verarbeitungszeiten des Messkerns, so dass solche Abfragen möglicherweise zyklisch, nicht aber synchron zur Messwerterfassung erfolgen. Somit kommt zu der asynchronen externen Messwertabfrage noch eine interne asynchrone Schnittstelle hinzu.
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Der prinzipiell einfachste Weg, den Einfluss der Asynchronität zurückzudrängen, besteht in einer besonders schnellen Messwerterzeugung. Dies ist aber wegen der physischen Bedingungen der Messung selbst und wegen begrenzter Auswertungsressourcen selten hinreichend zu gewährleisten. Das gilt besonders dann, wenn zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses nicht Einzelereignisse ausgewertet werden, sondern über ein statistisches Verfahren eine Vielzahl von Messpulsen ausgesandt, wieder empfangen und in einem Histogramm akkumuliert werden, wie dies beispielsweise aus der
DE 10 2007 013 714 A1 bekannt ist. Dabei lässt sich zwar über die Mittelungstiefe des Histogramms, also die Anzahl der Ereignisse, die das Histogramm bilden, wahlweise die Reichweite oder die Störfestigkeit erheblich steigern. Gleichzeitig dauert es aber mindestens so lange, bis ein neuer Messwert verfügbar ist, wie eine der Statistiktiefe entsprechende Vielzahl an Messpulsen nacheinander auf der Strecke zwischen Sensor und Objekt unterwegs ist.
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Im Stand der Technik ist auch bekannt, den Zeitpunkt der Messwerterzeugung als „Zeitstempel“ gemeinsam mit dem Messwert auszugeben. Dieser Weg wird beispielsweise in der
EP2 085 841 B1 verfolgt. Dazu muss die Ausgabeschnittstelle die notwendigen Übertragungsmöglichkeiten bieten, wie dies insbesondere bei einer digitalen Schnittstelle der Fall ist. Bei einfachen schaltenden Sensoren oder Sensoren mit analoger Entfernungsausgabe ist dies dagegen unmöglich oder schwierig. Zudem muss das System, in das der Sensor eingebunden ist, die Zeitstempel auch auswerten können. Für eine interne Synchronisierung von verschiedenen Auswertungsstufen des Sensors ist ein Zeitstempel wenig geeignet.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, in einem Sensor mit zumindest zweistufiger Messwerterfassung und Messwertverarbeitung die Synchronisierungsprobleme zu lösen.
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Diese Aufgabe wird durch einen entfernungsmessenden Sensor zur Erfassung und Abstandsbestimmung eines Objekts und ein Verfahren zur Synchronisierung von Messwerterzeugung und Messwertausgabe in einem entfernungsmessenden Sensor gemäß Anspruch 1 beziehungsweise 9 gelöst. Dabei geht die Lösung von dem Grundgedanken aus, dass das Zeitverhalten von einem Messkern vorgegeben wird. Dieser Messkern als messwerterzeugende Instanz sendet nacheinander eine Vielzahl von Sendepulsen über einen Sender aus und wandelt die von einem Objekt reflektierten Sendepulse in einem Empfänger in Empfangspulse um, die dann zur statistischen Auswertung in einem Histogramm gesammelt werden. Daraus bestimmt der Messkern einen Empfangszeitpunkt und somit eine Signallaufzeit als Messwert. Außerdem gibt der Messkern einer Steuerung zur Ablaufsteuerung in dem Sensor und zur Aufbereitung und Ausgabe des Messwerts, die als messwertverarbeitende Instanz fungiert, das Zeitverhalten über ein getaktetes Synchronisierungssignal vor, so dass die Steuerung jeweils auf das Synchronisierungssignal hin einen Steuerungszyklus ausführt. In einem solchen Steuerungszyklus können außer der Messwertverarbeitung, also beispielsweise eine Umrechnung der Signallaufzeit in einen Entfernungswert, ein Einstellen des richtigen Zahlenformats für die Ausgabe, eine Vorbereitung für ein externes Ausgabeprotokoll, auch andere Sensoraufgaben abgearbeitet werden, wie die Steuerung von Eingabelementen, Anzeigelementen, externen Schnittstellen oder Sicherheitsfunktionen.
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Das Synchronisierungssignal wird nun von dem Messkern mit einem kleinsten Basistakt ausgegeben. Einen Messwert stellt der Messkern jeweils nach einem Vielfachen des Basistakts bereit, wobei dieses Vielfache im Grenzfall auch das Einfache sein kann. So wird die Ausgaberate von Messwerten parametrierbar, ohne dass dabei der Basistakt variiert werden muss, was das interne Zeitverhalten empfindlich stören und so verhindern würde, dass die Steuerung ihre sonstigen Aufgaben ordnungsgemäß erfüllt. Der Basistakt entspricht vorzugsweise dem kürzesten Zeitintervall, in dem die Steuerung einen Zyklus der Ablaufsteuerung bewältigt. Diese Entsprechung muss nicht exakt sein, beispielsweise um handhabbare Zahlenwerte für den Basistakt zu erhalten, aber eine deutliche Verzögerung gegenüber diesem kürzesten Zeitintervall nutzt die Ressourcen der Steuerung nicht optimal aus.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass die interne Synchronität des Sensors gewährleistet ist und somit diese Fehlerquelle ausgeschlossen wird. Gleichzeitig wird die Rate der Messwerterfassung zu einem frei einstellbaren Parameter, obwohl das FPGA das Zeitverhalten vorgibt und in seinen eigenen Messwerterfassungszyklen von dieser Ausgaberate abhängt. Die Synchronität bleibt dennoch gewährleistet. Eine einstellbare Ausgaberate von Messwerten bedeutet, dass die Zeit für die Erfassung eines Messwerts variabel ist, und diese variable Zeit kann der Messkern nutzen, um mit unterschiedlichen Mittelungstiefen zu arbeiten, d.h. einer unterschiedlichen Anzahl Wiederholungen des Aussendens und Empfangens von Pulsen bei der Erzeugung von Histogrammen. Dadurch wird dem Anwender auch die Möglichkeit gegeben, eine Abwägung zwischen Reichweite und Störfestigkeit auf der einen Seite und kurzer Ansprechzeit auf der anderen Seite abzuwägen.
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Der Messkern ist bevorzugt auf einem FPGA und/oder die Steuerung auf einem Mikrocontroller implementiert. Damit werden jeweils digitale Bausteine verwendet, die ihre Stärken für die jeweilige Aufgabe ausspielen können. Ein FPGA eignet sich für die rasche Verarbeitung größerer Datenmengen mit vergleichsweise einfachen Arbeitsschritten. Ein Mikrocontroller ist für derartige Aufgaben langsamer, dafür wesentlich flexibler in der Programmierung und mit mächtigeren Befehlssätzen für kompliziertere Berechnungen ausgerüstet. Alternativ können aber sowohl für den Messkern als auch für die Steuerung andere bekannte digitale Bausteine eingesetzt werden.
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Der Messkern übergibt vorzugsweise mit jedem Basistakt Zustandsdaten an die Steuerung. Damit werden also unabhängig von der Ausgaberate in dem vergleichsweise schnellen Basistakt Daten ausgetauscht. Um die Übertragung von der Ausgaberate unabhängig zu halten, können auch jedes Mal Messwerte mit übertragen werden, auch wenn es sich dabei zwischen zwei durch die Ausgaberate gegebenen Zeitpunkten nur um nicht mehr ganz aktuelle, früher schon einmal ausgegebene Messwerte handelt.
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Vorzugsweise übergibt der Messkern der Steuerung ein Aktualisierungssignal, sobald ein neuer Messwert bestimmt ist. Der Messkern steuert damit auch das Zeitverhalten hinsichtlich der parametrierbaren Ausgabezeitpunkte der Messwertausgabe. Das Aktualisierungssignal ist besonders dann nützlich, wenn wie im vorigen Absatz mit jedem Basistakt Messwerte übergeben werden. Die Steuerung erkennt dann an dem Aktualisierungssignal, ob es sich um einen neuen oder einen bereits bekannten Messwert handelt.
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Der Sensor weist bevorzugt eine Parametrierschnittstelle auf, um die Ausgaberate und damit die Mittelungstiefe des Histogramms für die Signallaufzeitbestimmung in dem Messkern einzustellen oder zu verändern. Damit wird die variable Entkopplung von interner Synchronisierung und Ausgaberate der Messwerte nach außen hin ausgenutzt. Der Anwender hat so die Möglichkeit, dem Messkern eine Mittelungstiefe vorzugeben und damit selbst abzuwägen, ob eher eine hohe Reichweite beziehungsweise Störfestigkeit oder eher eine schnelle Ansprechzeit gewünscht ist.
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Die Steuerung ist bevorzugt dafür ausgebildet, den Messwert über eine Ausgabeschnittstelle des Sensors als Entfernungswert zu dem Objekt auszugeben. Hierbei handelt es sich um eine eigentliche Entfernungsmessung, bei dem die Signallaufzeit über die Lichtgeschwindigkeit und etwaige Eicheinstellungen zur Berücksichtigung von Verarbeitungszeiten und Sensordimensionen in eine Entfernung umgerechnet und so ausgegeben wird.
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Die Steuerung ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen Schaltausgang des Sensors mit einem binären Objektfeststellungssignal zu beaufschlagen, das davon abhängt, ob sich ein Objekt in einem vorgegebenen Abstand zu dem Sensor befindet. Alternativ oder zusätzlich zu einer Ausgabe des Entfernungswerts wird hier also überwacht, ob ein Objekt in einem erwarteten Abstand oder Abstandsintervall auftaucht oder verbleibt. Daran kann beispielsweise die Manipulation des Reflektors einer Reflexionslichtschranke erkannt werden.
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Der Sensor ist bevorzugt als optoelektronischer Sensor ausgebildet, wobei der Sender ein Lichtsender und der Empfänger ein Lichtempfänger ist. Solche auf Licht basierenden Sensoren werden häufig zur Entfernungsmessung eingesetzt. Sie können einstrahlig sein, also auf ein Messobjekt ausgerichtet werden. Denkbar ist aber auch ein Laserscanner, bei dem die Richtung beispielsweise mittels eines Drehspiegels periodisch variiert wird, in welche die Sendepulse ausgesandt werden, so dass eine Überwachungsebene oder sogar ein Raumbereich abgetastet wird. Ein Beispiel für einen alternativen, nicht auf optischen Signalen basierenden Sensor ist ein TDR-Füllstandssensor.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 ein Blockschaltbild eines entfernungsmessenden Sensors mit einem Messkern und einer Steuerung;
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2 ein Blockschaltbild des Messkerns für die Signalverarbeitung in dem Sensor gemäß 1; und
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3 eine schematische Darstellung der Signale in unterschiedlichen Verarbeitungsstadien zur Erläuterung eines Auswertungsverfahrens mit Histogrammbildung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines entfernungsmessenden Sensors 10 in einer Ausführungsform als eindimensionaler optoelektronischer Entfernungstaster. Ein Lichtsender 12 ist so ausgerichtet, dass sein Sendelicht einen Teilerspiegel 14 transmittiert und anschließend über eine Optik 16 in einen Überwachungsbereich 18 gelangt. Dort wird das Sendelicht, wenn sich ein Objekt 18 im Strahlengang befindet, an diesem Objekt 18 reflektiert oder remittiert und kehrt erneut durch die Optik 16 zu dem Teilerspiegel 14 zurück, wo es in einem Lichtempfänger 20 gespiegelt und dort erfasst wird. Der Teilerspiegel 14 erzeugt auf beiden Lichtwegen auch nicht erwünschte Lichtanteile durch Spiegelung auf dem Sendelichtpfad beziehungsweise Transmission auf dem Empfangslichtpfad, die vorzugsweise absorbiert werden. Die Teilerspiegelanordnung ist rein beispielhaft zu verstehen, die Erfindung umfasst ebenso andere Anordnungen wie beispielsweise Doppelaugen. Auch die Erläuterung an einem eindimensionalen optoelektronischen Sensor ist nur exemplarisch zu verstehen, denn ebenso kann der Sensor 10 ein mehrdimensionales System sein, wie ein Laserscanner, oder mit gänzlich anderen elektromagnetischen Signalen arbeiten, wie ein TDR-Füllstandssensor.
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Ein beispielsweise auf einem FPGA implementierter Messkern 22 steuert den Lichtsender 12 an und wertet die Signale des Lichtempfängers 20 aus. Um für eine Abstandsmessung des Objekts 18 eine Lichtlaufzeit zu ermitteln, werden Lichtpulse ausgesandt und wieder empfangen, und die Differenz zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt wird bestimmt. Diese Auswertung erfolgt aber nicht auf Basis von Einzelereignissen mit nur einem einzigen Lichtpuls, sondern in einer Auswertung mittels eines Histogramms, das von einer Vielzahl von Einzelereignissen gebildet wird. Diese statistische Auswertung wird weiter unten ergänzend noch genauer anhand der 2 und 3 erläutert, wobei aber zum Verständnis der Erfindung genügt, dass durch die Statistik die Möglichkeit besteht, mit einer längeren Messdauer mehr Einzelereignisse zu erfassen und so eine Messung robuster gegenüber Störeinflüssen zu machen.
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Neben dem Messkern 22, der die messwerterfassende Instanz bildet, ist in dem Sensor 10 noch eine beispielsweise auf einem Mikrocontroller implementierte Steuerung 24 als messwertverarbeitende Instanz vorgesehen. Diese Steuerung nimmt Messwerte des Messkerns 22 entgegen und verarbeitet sie weiter, beispielsweise durch eine Umrechnung in gewünschte Einheiten der Abstandsmessung oder eine Umwandlung auf ein extern gewünschtes Zahlenformat, und gibt diese Werte dann über eine Schnittstelle 26 aus. Diese Schnittstelle 26 kann auch stellvertretend für andere oder mehrere digitale wie analoge Schnittstellen stehen. Beispielsweise prüft in einer Ausführungsform die Steuerung, ob sich das Objekt 18 in einem bestimmten Abstandsbereich befindet, und legt ein entsprechendes binäres Objektfeststellungssignal auf einen Schaltausgang. Die Steuerung 24 hat aber neben der Messwerterfassung auch noch weitere Aufgaben der Ablaufsteuerung in dem Sensor 10. Dazu zählen beispielsweise die Abfrage von Steuerungselementen wie Tasten, von Anzeigeelementen wie LEDs oder einem Display, Sicherheitsfunktionen wie die Bewertung von Lasersicherheit und Temperatur sowie die Steuerung und Sicherstellung zeitlicher Konsistenz an der externen Schnittstelle 26.
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Der Messwerterfassungszyklus in dem Messkern 22 und ein Steuerungszyklus der Steuerung 24 entsprechen einander zunächst nicht. Das ist auch gar nicht ohne weiteres möglich, weil die Dauer der Erfassung eines Messwerts unter anderem von der Mittelungstiefe abhängt. Umgekehrt benötigt die Steuerung 24 mit ihren begrenzten Rechenressourcen, wie sie gerade bei einfacheren Sensoren 10 üblicherweise nur zur Verfügung stehen, eine Mindestdauer für ihren Steuerungszyklus. Es ist aber erfindungsgemäß möglich, die Ausgaberate, mit welcher der Sensor 10 aktuelle Messwerte an der Schnittstelle 26 bereitstellt, zu parametrieren.
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Dazu wird die Synchronität in dem Sensor 10 hergestellt, indem der Messkern 20 über eine Synchronisierungsleitung 28 der Steuerung 24 für deren Betriebssystem einen Basistakt vorgibt. Der Sensor 10 ist damit als source-synchrone Einheit mit konstanter Totzeit beziehungsweise messwertsynchroner Ausgaberate aufgebaut.
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Der Basistakt darf aber nun nicht direkt der Ausgaberate der Messwerte entsprechen, da diese Ausgaberate über eine nicht dargestellte Schnittstelle des Sensors 10 parametrierbar sein soll. Ausgaberate und Basistakt sind dann nur noch in dem einen Fall gleich, in dem die Ausgaberate ausgerechnet mit dem Wert des Basistakts parametriert ist. Würde man nämlich bei einer Anpassung der Ausgaberate auch den Basistakt verändern, so hätte dies weitreichende unerwünschte Folgen für die oben genannten Steuerungsaufgaben der Steuerung 24 mit Auswirkungen auf Eingabe- oder Anzeigeelemente, Sicherheitsfunktionen und Schnittstellen 26 des Sensors 10.
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Deshalb wird der Basistakt als „timetick“ oder „Herzschlag“ in dem Sensor 10 konstant gehalten, unabhängig von der physikalischen Messrate in dem Messkern 22. Dazu wird eine Basisstatistik mit einer bestimmten Anzahl von Einzelereignissen festgelegt, die der Messkern 22 in einer Periode des Basistaktes abarbeiten kann. Das ist sozusagen die kleinste statistische Einheit, mit welcher der Messkern 22 arbeitet. Der Basistakt mit beispielsweise einer Periode von 1ms steckt zugleich für die Steuerung 24 den zeitlichen Rahmen ab.
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Die Ausgaberate für Messwerte kann minimal auf den Wert des Basistaktes eingestellt werden. Der Basistakt ist vorzugsweise so schnell gewählt, dass die Kapazitäten der Steuerung 24 gerade ausreichen, um deren Aufgaben in dieser Geschwindigkeit bewältigen zu können. Eine noch schnellere Ausgaberate ist dann nicht durch den Basistakt limitiert, sondern die als Basistakt eingestellte Ausgaberate ist ohnehin das beste, was der Sensor 10 leisten kann. Allerdings können gezielt geringere Ausgaberaten eingestellt werden, beispielsweise in einem Bereich von 1ms bis 0,25s oder einem beliebigen anderen Bereich zwischen dem Basistakt. Das kann einmal geschehen, um eine Anpassung an einen Takt eines externen Systems zu schaffen. Wegen des statistischen Auswertungsverfahrens bringt eine langsamere Ausgaberate aber nicht nur den Nachteil einer geringeren Ansprechzeit, sondern zugleich den Vorteil einer höheren Mittelungstiefe und damit eine verbesserten Reichweite beziehungsweise Störfestigkeit. Dabei handelt es sich nicht lediglich um eine nachgelagerte Mittelung mehrerer sequentiell erfasster Messwerte, sondern um eine höhere physikalische Integration, die zu einer echten und signifikanten Verbesserung der Messung führt. Für viele Anwendungen überwiegen diese Vorteile die oft gar nicht beeinträchtigende herabgesetzte Ansprechzeit.
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Die Anpassung der Ausgaberate erfolgt in Vielfachen des Basistakts. Dementsprechend verarbeitet der Messkern 22 das Vielfache der Basisstatistik in einem Histogramm mit erhöhter Mittelungstiefe. Um die digitale Verarbeitung zu erleichtern, können in einer Ausführungsform nicht sämtliche Vielfache, sondern nur jeweils um Faktoren 2n skalierte Vielfache der Ausgaberate parametriert werden. Dadurch können die internen Parameter des FPGA, wie Schwellwerte und dergleichen, bei der Messwerterzeugung durch einen einfachen Bitshift skaliert werden, statt hierfür Operationen wie Multiplikationen und Divisionen einsetzen zu müssen, für die ein FPGA typischerweise nicht optimal ausgerüstet ist und die jedenfalls mehr Ressourcen beanspruchen.
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Alle Berechnungen und Steuerungsfunktionen der Steuerung 24 werden innerhalb einer Periode des Basistakts einmal durchlaufen. Der Messkern 22 stellt einmal pro Periode des Basistakts auf einer Datenleitung 30 zu der Steuerung 24 den letzten Messwert sowie eventuelle weitere Daten des Messkerns 22 bereit. Dabei ist der Messwert nicht notwendig aktuell, wenn die parametrierte Ausgaberate langsamer ist als der Basistakt. Deshalb wird von dem Messkern 22 auf einer zusätzlichen Leitung 32 ein Aktualisierungssignal an die Steuerung 24 übergeben, sobald der Messwert wieder aktualisiert und damit gültig ist. Die drei Leitungen 28, 30, 32 für den Basistakt, die Daten und das Aktualisierungssignal sind hierbei vor allem zur vereinfachten Darstellung streng getrennt. In einer anderen Ausführungsform kann stattdessen eine gemeinsame Leitung verwendet werden. Das Aktualisierungssignal ist dann beispielsweise lediglich ein Bit in dem digitalen Protokoll der Datenübergabe.
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Abschließend wird nun noch anhand der 2 und 3 ein beispielhaftes Messverfahren in dem Messkern 22 auf Basis eines Histogramms erläutert, das durch eine Vielzahl von ausgesandten und wieder empfangenen Messpulsen entsteht. Dazu zeigt 2 ein Blockschaltbild des Messkerns 22 sowie des Senders 12 und des Empfängers 20 und einiger weiterer Elemente zu deren Ansteuerung und analoger Vorverarbeitung.
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In einem Sendepfad sind neben dem eigentlichen Sender 12 noch eine Verzögerungseinrichtung 34 und eine Treiberschaltung 36 vorgesehen, während in einem Empfangspfad der Empfänger 20 das Empfangssignal über einen analogen Vorverarbeiter 38 dem Messkern 12 zuführt. Der Übergang von analogen auf digitale Signale ist durch eine gestrichelte Linie 40 illustriert
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Der analoge Vorverarbeiter 38 bildet einen mehrstufigen Verarbeitungspfad. Dieser beginnt mit einem Verstärker 42, etwa einem Transimpedanzverstärker, der das Signal des Empfängers 20 annimmt und verstärkt. Ein nachgeschalteter Filter 44, der beispielsweise ein Bandpassfilter oder ein Differenzierer sein kann, wandelt das unipolare Signal des Pulses in ein bipolares Signal um. Verstärker 42 und Filter 44 können auch in umgekehrter Reihenfolge geschaltet sein. Als nächste Vorverarbeitungsstufe ist ein Begrenzungsverstärker 46 vorgesehen, der die Amplitude so weit verstärkt und anschließend abschneidet, dass das Pulssignal zu einem in die Sättigung getriebenen Rechteckpuls wird. Dieses Signal wird als letzte Vorverarbeitungsstufe einem A/D-Wandler 48 zugeführt, insbesondere einem Binarisierer, der die Amplitude nicht in einen digitalen Zahlenwert, sondern lediglich in einen Binärwert umwandelt. Der A/D-Wandler 48 ist bevorzugt kein eigener Baustein, sondern über die Eingänge des FPGA des Messkerns 22 mit einfachen vorgeschalteten analogen R- oder RC-Netzwerken realisiert.
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Der Signal- und Auswertungspfad durch die soeben beschriebenen Komponenten wird nunmehr mit Hilfe von 3 beschrieben. Dabei ist eine statistische Auswertung einer Vielzahl von Einzelmessungen vorgesehen, weil die Signale der Einzelmessung viel zu stark verrauscht sind, um zuverlässige Empfangszeitpunkte bestimmen zu können.
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Der Sender 12 erzeugt in jeder Messperiode 100 jeweils einen Puls, der die Bestimmung eines präzisen Zeitpunkts ermöglicht. Als Signalform eignet sich ein Rechteckpuls, es sind aber auch andere Pulse, wie beispielsweise Gausspulse, multimodale Signale beispielsweise zur codierten Zuordnung jedes Signals und auch Stufen denkbar. All diese Signalformen werden im Weiteren nur noch als Puls bezeichnet.
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Der Puls wird an dem Zielobjekt 14 reflektiert und nach Umwandlung in dem Empfänger 20 in ein elektrisches Signal in dem Verstärker 42 verstärkt. Das entstehende verstärkte elektrische Signal 102 ist idealisiert dargestellt, unter realistischen Bedingungen wäre der empfangene Puls 102 kein sauberes Rechteck, sondern würde an den Flanken Transienten und insgesamt ein Rauschen zeigen.
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In dem Filter 44 wird der unipolare Empfangspuls 102 zu einem bipolaren Signal 104 umgewandelt. Dies kann mit einem Bandpassfilter geeigneter Filterfrequenz realisiert werden. Neben dem bipolaren Signal 104 sind graue Rechtecke dargestellt, die den Rauschpegel symbolisieren sollen. Der Rauschpegel kann in der Praxis die Amplitude des verstärkten Signals 102 übertreffen. Es ist weiterhin nur eine Sinusschwingung des bipolaren Signals 104 dargestellt. Nachschwingungen, also weitere Sinusperioden mit zunehmend gedämpfter Amplitude, sind der vereinfachten Darstellung halber weggelassen. Selbstverständlich ist auch nicht immer ein reiner Sinus, jedoch eine Kurve mit Maximum und Minimum zu erwarten.
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In dem Begrenzungsverstärker 46 wird das bipolare Signal 104 so weit verstärkt und abgeschnitten, dass das eigentliche Signal zu einer Rechteckflanke 106 wird und der durch graue Rechtecke dargestellte Rauschpegel in seiner Amplitude über den gesamten Dynamikbereich gedehnt wird.
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Die Rechteckflanke 106 wird in dem Binarisierer 48 mit einer Abtastrate von beispielsweise 2,5 ns abgetastet. Diese Abtastrate ist in der 3 durch Pfeile 108 symbolisiert. Die entstehende Bitfolge, bei den angegebenen Zahlenwerten je 1 Bit pro 2,5 ns, wird in dem Messkern 22 verwendet, um ein Histogramm 110 zu bilden. Dafür ist für jedes entsprechend der Abtastrate 2,5 ns breite Bin ein Akkumulator vorgesehen, der nur bei einem zugehörigen Bitwert „1“ heraufgezählt wird.
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Bei idealen, unverrauschten Signalen würde in diesem Histogramm 110 nur dasjenige Bin gefüllt, über dem die Rechtflanke 106 liegt. Der von dem Begrenzungsverstärker 46 angehobene Rauschpegel füllt aber auch die übrigen Bins, und zwar wegen der Zufälligkeit des Rauschens im Erwartungswert etwa in jeder zweiten Messperiode 100.
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Wird das soeben beschriebene Verfahren iteriert und das Histogramm 108 über k Messperioden 100 gebildet, so sind die Bins durch das Rauschen ungefähr mit dem Wert k/2 gefüllt, wobei statistische Schwankungen hinzukommen. Dieser Wert k/2 entspricht aufgrund der Binarisierung dem Signalwert Null. Daraus erhebt sich nach oben das durch den positiven Teil des bipolaren Signals 104 gebildete Maximum und nach unten das entsprechende Minimum heraus. Zusammen mit den nicht dargestellten Nachschwingungen zeigt das Histogramm in dem Zeitintervall des Empfangssignals einen charakteristischen Verlauf, dessen Signatur der Messkern 22 verwendet, um den Empfangszeitpunkt zu bestimmen. Die statistische Auswertung einer Vielzahl von Einzelmessungen ermöglicht dies auch dann, wenn die Einzelmessung in einer Messperiode 100 wegen zu hoher Rauschanteile keine zuverlässige Entfernungsbestimmung zulässt.
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Der Empfangszeitpunkt lässt sich am besten anhand des ersten Nulldurchgangs von Maximum auf Minimum bestimmen. In der Figur liegt dieser Nulldurchgang in dem mit einem Pfeil 112 bezeichneten Bin. Die zeitliche Genauigkeit dieser Information ist zunächst auf die Auflösung des Histogramms 110, also auf beispielsweise 2,5 ns begrenzt und damit direkt an die Abtastrate des A/D-Wandlers 48 gekoppelt. Durch verschiedene Techniken kann diese Auflösung weiter erhöht werden, worauf aber hier nicht näher eingegangen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007013714 A1 [0006]
- EP 2085841 B1 [0007]
