DE3620226A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung durch verarbeitung optischer impulssignale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung unter Einsatz optischer Impulssignale, welche von einem Sender in Richtung eines Ziels ausgesendet und nach ihrer Reflexion empfangen werden, in elektrische Signale umgesetzt und und in einer Signalverarbeitungseinrichtung zu einer Entfernungsinformation umgesetzt werden. Die Erfindung be­ trifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind Distanzmessverfahren bekannt, welche nach dem RADAR- Prinzip gepulste elektromagnetische Signale als Hilfsmittel verwenden, um durch Messung des Signalverhaltens zwischen dem Ziel und dem Sende-Empfänger bei Kenntnis gewisser Randbedingungen die Distanz zu bestimmen.

Höher empfindliche Distanzmessverfahren, welche im optischen Frequenzspektrum arbeiten, verwenden Festkörperlaser (z.B. YAG, Rubin oder dergl.) als Sender. Diese Laser werden optisch gepumpt, wobei die Distanz durch Ausmessung des Verhaltens eines einzelnen Laserimpulses mit entsprechend hoher Energie bestimmt wird. Der elektrische Wirkungsgrad eines optisch gepumpten Festkörperlasers ist wegen der zum Pumpen verwendeten Entladungslampen im allgemeinen sehr schlecht. Ausserdem ist im praktischen Betrieb der häufig erforderliche Batteriewechsel nachteilig. Damit ein einzel­ ner rückgestreuter Impuls genügend Energie aufweist, um überhaupt detektiert werden zu können, muss die Energie der einzelnen ausgesendeten Impulse sehr hoch sein. Impulse, deren Energie einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gefährden jedoch die Augen, sofern nicht besondere Sicher­ heitsmassnahmen getroffen werden. Halbleiterlaser, welche zwar höhere Pulsraten zulassen, z.B. 10 bis 100 kHz für GaAs, wurden wegen ihrer relativ geringen Spitzenausgangs­ leistung, die aus thermischen Gründen nicht überschritten werden darf, für Distanzmessverfahren im freien Gelände, also mindestens über einige hundert Meter, bisher nicht in Betracht gezogen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung der eingangs genann­ ten Art dahingehend zu verbessern, dass einerseits höhere Pulsraten als bisher für die Distanzmessung eingesetzt wer­ den können und dass andererseits die Signalstärke der em­ pfangenen Signale stark genug ist, um eine einwandfreie Signalverarbeitung und damit die Distanzmessung über die angestrebten Entfernungsbereich überhaupt mit genügender Zuverlässigkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patent­ ansprüchen 1 und 4 definierten Merkmale gelöst.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass sich entgegen ursprünglichen Erwartungen die relativ preisgünstigen und schaltungstechnisch gut zu beherrschenden Laserdioden trotz ihrer geringen Spitzenausgangsleistungen für die Distanz­ messungen über mindestens einige hundert Meter einsetzen lassen, wobei sich sogar überraschend hohe Verbesserungen in der Empfindlichkeit der Messmethode um mindestens eine Zeh­ nerpotenz, typischerweise jedoch um mehrere Zehnerpotenzen, z.B. um den Faktor 100, erreichen lassen. Ausserdem können nach diesem Verfahren arbeitende Geräte besonders klein und leicht aufgebaut werden. Auch die Energieversorgung und die Ansteuerung der Laserdioden sowie die nachfolgende Signal­ verarbeitung lassen sich besonders einfach unter weitgehen­ der Verwendung von Standardbauteilen realisieren. Von Vor­ teil ist ferner der höhere elektrische Wirkungsgrad eines Halbleiterlasers gegenüber den bisher verwendeten Festkör­ perlasern, sowie die Möglichkeit, mit höheren Pulsraten zu arbeiten.

Trotz kleinerer Spitzenleistung sind mit der erfindungsge­ mässen Massnahme grössere Reichweiten bei augensicherem Messen möglich als bei Verwendung von Einzelimpulslasern. Wegen der starken Bündelung des Laserstrahls lassen sich nach dieser Methode Zieldistanzen sogar reflektorlos, d.h. ohne vorheriges Anbringen von reflektierenden Elementen am Ziel, mit ausserordentlich hoher Genauigkeit ausmessen.

Während bisher Abtast- oder Sampling-Methoden in Signal­ verarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Auflösung der empfangenen Signale, also zu deren besserer direkter Erken­ nung eingesetzt wurden, zielt das vorliegende Verfahren bzw. die vorliegende Vorrichtung auf den Einsatz der Sampling- Methode zur Verbesserung der Empfindlichkeit des Empfängers und damit zur Verbesserung des Nutz-/Störsignal-Verhält­ nisses S/N.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 das Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels, zur Erläuterung des Verfahrens,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens und

Fig. 3 das Blockschaltbild eines vereinfachten Ausführungs­ beispiels.

Das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens besteht im wesentlichen in der Anwendung der Erkenntnis, dass die Em­ pfindlichkeit der Messmethode durch die Verwendung von N Impulsen nach den Regeln der Informationstheorie um den Faktor V N verbessert werden kann. Es hat sich erwiesen, dass durch eine optimale Ausnutzung hoher Pulsraten nach solchen informationstheoretischen Regeln nicht nur die Nach­ teile der relativ kleinen zulässigen Spitzenausgangsleis­ tungen für Laserdioden überwunden werden können, sondern die Messempfindlichkeit gegenüber herkömmlichen Methoden ganz wesentlich verbessert werden kann, z.B. um den Faktor 100.

Durch Anwendung der Abtast- oder Sampling-Methode auf die empfangenen Impulssignal-Gruppen lässt sich ein äusserst präzises Entscheidungskriterium für das Wiedereintreffen der vom Ziel reflektierten Impule und damit für die Laufzeit der Impulse zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens und des Wie­ dereintreffens herleiten. Trotz geringer Sendeenergie lassen sich bei einem sehr guten S/N-Verhältnis relativ grosse Entfernungen mit hoher Präzision ausmessen.

Wie Fig. 1 schematisch zeigt, wird die von einer Laser­ dioden-Anordnung 1 ausgesendete Pulsfolge von einem Ziel 2 reflektiert und anschliessend von einer vorzugsweise im Sende/Empfänger angeordneten lichtempfindlichen Zelle, z.B. von einer Avalanche-Diode 3 empfangen. Die gewählte Puls­ folgefrequenz liegt beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 100 kHz. Die Pulsabgabe wird von einem Mikroprozessor 5 gesteuert, vorzugsweise programmgesteuert.

Die von der Avalanche-Diode 3 erfassten Signale werden in einem Verstärker 4 auf ein für die folgende Verarbeitung ausreichendes Mass verstärkt. In einem nachfolgenden Analog­ /Digitalwandler 6 werden die empfangenen Pulse mit einer vom Mikroprozessor 5 vorgegebenen Abtastfrequenz digitalisiert. Der Takt der Abtastoperation beträgt im Beispiel 100 ns (Nanosekunden). Die digitalisierten Daten werden beispiels­ weise als 4- oder 6-Bit Parallel-Signale einem Parallel- Addierer 7 übergeben und dort unmittelbar im Takt der vorge­ nannten Abtast-Operation zum entsprechenden Wert bei jedem einzelnen Puls innerhalb eines Abtastintervalls aufaddiert. Dieses Aufaddieren der jeweils auf entsprechende Abtastzeit­ punkte bezogenen Abtastwerte der periodisch ausgesendeten Impulsfolgen führt zu einer Ueberhöhung der ausgewerteten Empfangssignale und damit zu der erwähnten Steigerung der Empfindlichkeit für die Gesamtanordnung.

Zur Erzielung dieser Wirkung ist im gezeigten Beispiel eine vom Analog-/Digital-Wandler 6 kommende 4-Bit-Leitung als erster Summanden-Eingang dem Parallel-Addierer 7 zugeführt. Der zweite Summanden-Eingang des Parallel-Addierers 7 ist als 5-Bit-Eingang ausgelegt. Auch der Ausgang des Addierers weist eine 5-Bit-Leitung auf. Diejenige der parallel geführ­ ten Leitungen, welche der niedrigsten Stelle des parallel übertragenen Signals entspricht, ist mit LSB bezeichnet. Die der höchsten Stelle zugeordnete Leitung ist MSB benannt. Zur Feststellung eines auf der Leitung MSB am Ausgang des Parallel-Addierers 7 auftretenden Bit-Signals ist ein Sensor 11 vorgesehen, welcher über eine MSB-Indikator-Leitung 10 mit einem Eingang des Mikroprozessors 5 verbunden ist. Vom Mikroprozessor 5 wird programmgesteuert festgestellt, ob ein auf der Leitung MSB auftretendes Bit während eines voll­ ständigen Abtastzyklus zwischen zwei von der Laserdioden- Anordnung 1 ausgesendeten Impulsen vorhanden ist.

Der Ausgang des Parallel-Addierers 7 ist mit dem Eingang eines Schieberegisters 9 verbunden. Im Schieberegister 9 findet eine fortlaufende Zwischenspeicherung der vom Paral­ lel-Addierer 7 gelieferten Werte für einen Abtast-Zyklus statt.

Vorzugsweise ist am Ausgang des Schieberegisters 9 über eine 4-Bit-Parallel-Leitung ein vom Mikroprozessor 5 gesteuerter Umschalter 8 vorgesehen, welcher ausgangsseitig über eine 5- Bit-Parallel-Leitung an den zweiten Summanden-Eingang des Parallel-Addierers 7 angeschlossen ist. Verglichen mit seinem Eingang weist also der Umschalter 8 an seinem zum Addierer führenden Ausgang eine zusätzliche Bit-Leitung auf.

In der Verbindung zwischen dem Schieberegister 9 und dem Umschalter 8 sind gemäss Fig. 1 die Leitungen für die nied­ rigste und die höchste Stelle wiederum mit LSB bzw. mit MSB bezeichnet. Umgeschaltet werden die Ausgangs-Bit-Leitungen des Umschalters 8 nach einem im folgenden beschriebenen, vom Mikroprozessor 5 gelieferten Kriterium jeweils um eine Bit- Position nach oben bzw. nach unten, wodurch die Zuordnung von eingehenden und ausgehenden Bitleitungen jeweils um eine Stelle verschoben wird.

Wird durch den Mikroprozessor 5 auf der MSB-Indikator-Lei­ tung 10 ein Ueberlauf-Signal vom Parallel-Addierer 7 fest­ gestellt, und bleibt dies über eine vollständige Abtast­ periode erhalten, so wird vom Mikroprozessor 5 ein Umschalt­ signal an den Umschalter 8 gegeben. Daraufhin schaltet die­ ser alle seine Eingangsleitungen jeweils auf eine um eine Stelle tiefere Ausgangsleitung um und bleibt während der gesamten nächsten Abtastperiode in dieser Stellung. Dadurch wird während dieser Zeit das bisherige MSB nun als zweit­ höchstes Bit dem Parallel-Addierer 7 zugeführt, das zweit­ höchste als dritthöchstes usw. und die Information der niedrigsten Stelle während dieser Zeit nicht berücksichtigt. Alle während dieser Abtastperiode ankommenden Bits werden durch diese Massnahme also um eine Stelle nach unten verschoben.

In Fig. 2 ist schematisch die Wirkung der beschriebenen Signalverarbeitung auf die empfangenen Pulssignale I darge­ stellt. Während der Signalzug A den tatsächlichen Verlauf der empfangenen Signalfolge zeigt, ist in Zeile B das Ergeb­ nis der Signalverarbeitung mit den deutlich überhöhten Ab­ tastimpulsen zu erkennnen. Ein solches Signal erlaubt die Zielerkennung und damit die sichere Distanzmessung mit einer etwa 100-fach besseren Empfindlichkeit bei Verwendung von 10 000 Impulsen, gegenüber einer bekannten Methode, welche eine Schwellenwert-Detektion innerhalb eines vorgegebenen Impulsfensters anwendet.

Durch die gewählte vollständig parallele Signalverarbeitung ergibt sich eine sehr hohe Verarbeitungsgeschwindigkeit für die von der Avalanche-Diode empfangenen Impulse. Entsprech­ end hoch fällt die Auflösung bzw. die Empfindlichkeit der Einrichtung selbst für die relativ schwachen, über eine grössere Entfernung hinweg empfangenen Pulssignale der Laserdioden aus.

In Abwandlung des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels kann der in Fig. 1 als diskretes Bauteil dargestellte Paral­ lel-Addierer 7 im Mikroprozessor 5 selbst integriert sein. Bei Verwendung eines entsprechend schnellen Mikroprozessors 5 ist es sogar möglich, auf die Verwendung eines diskreten Schieberegisters 9 zu verzichten. Dessen Funktion wird dann vom Prozessor selbst übernommen.

Fig. 3 zeigt in einer vereinfachten Ausführung ein solches Beispiel, bei welchem ein Mikroprozessor 20 mit darin inte­ griertem Parallel-Addierer zur direkten Signalverarbeitung vorgesehen ist. Zu diesem Zweck lassen sich vorzugsweise sehr schnelle Signalprozessoren einsetzen, deren Arbeits­ frequenz im Nanosekundenbereich liegt. Dabei werden die für das erste Beispiel nach Fig. 1 beschriebenen Funktionen durch entsprechende Programmierung des Prozessors 20 reali­ siert. Da das Prinzip der Verarbeitung bereits beschrieben wurde, werden Einzelheiten eines entsprechenden Programms hier nicht näher erläutert. Wie im ersten Ausführungsbei­ spiel nach Fig. 1 kann auch in diesem Fall vom Mikropro­ zessor 20 ein Verstärkungsregelungs-Signal AGC für den Verstärker 4 abgeleitet werden.

Ausser den erwähnten Beispielen sind auch andere schaltungs­ mässige oder durch Programmierung realisierte Lösungen möglich, welche von den gleichen, zuvor beschriebenen Ver­ fahrensmerkmalen Gebrauch machen, um aus den relativ schwachen Empfangssignalen ein brauchbares Kriterium zur Entfernungsbestimmung zu gewinnen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Entfernungsmessung zwischen einem Sende- Empfänger für optische Impulssignale und einem Ziel, durch Aussenden von optischen Impulssignalgruppen, Empfangen der vom Ziel reflektierten Signale, Umsetzen der empfangenen optischen Signale in elektrische Signale und anschliessende Signalverarbeitung zur Ableitung eines Messkriteriums, dadurch gekennzeichnet, dass vom Sender Impulsgruppen mit einer Pulsrate im Bereich zwischen ca. 10 und ca. 150 kHz auf das Ziel gerichtet werden, dass die reflektierte und empfangene Signalfolge mit einer von der Sende-Pulsrate abhängigen Abtastfrequenz abgetastet und digitalisiert wird, dass die erhaltenen Abtastwerte zum entsprechenden Wert für jeden einzelnen Sendeimpuls im Takt der Abtastfrequenz fort­ laufend aufaddiert werden und dass aus dem resultierenden Signal die Entfernungsinformation abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der empfangenen Signalfolge mit einer Abtast­ frequenz im Nanosekundenbereich vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der empfangenen Signale mit einer Abtastfre­ quenz von ca. 100 Nanosekunden vorgenommen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Empfangs­ signal beaufschlagter Analog/Digital-Wandler (6) vorgesehen ist, dessen Abtastfrequenz von einem Prozessor (5) in Ab­ hängigkeit von der Pulsrate des Sendesignals steuerbar ist, und dass diesem Wandler Mittel (7) zur parallelen Addition der vom Analog-/Digital-Wandler (6) auf einer Parallel- Leitung gelieferten Daten mit den in paralleler Form ver­ arbeiteten Summensignalen der Additionsmittel (7) nachge­ schaltet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Analog-/Digital-Wandler (6) ein Parallel-Addierer (7) nachgeschaltet ist, dessen Ausgang über ein Schieberegister (9) mit dem Eingang für den zweiten Summanden des Parallel- Addierers (7) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgangsleitung des Parallel-Addierers (7) ein Sensor (11) zur Meldung eines Ueberlauf-Bits (MSB) an den Prozessor (5) vorgesehen ist und dass in der parallelen Verbindung zwischen dem Schieberegister (9) und dem Eingang für den zweiten Summanden am Parallel-Addierer (7) ein vom Prozessor (5) gesteuerter Umschalter (8) vorgesehen ist, welcher bei Meldung eines Ueberlauf-Bits (MSB) durch den Sensor (11) die parallelen Signalleitungen vom Schieberegister an den Paral­ lel-Addierer (7) je um eine Stelle nach unten versetzt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessor ein im Nanosekundenbereich arbeitender Mikro­ prozessor (20) vorgesehen ist, in welchem die Funktion des Sendeimpuls-bezogenen Parallel-Addierers (7) enthalten ist.