DE3810512A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung mit schwachen laserlichtpulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 1.

Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung bei Entfernungsmessern, die mit schwachen Lasern wie z. B. Laserdioden (Halbleiterlasern) arbeiten. Diese Laser ermöglichen zwar eine hohe Wiederholrate für die Laserpulse, jedoch ist die Pulsleistung und die Pulsenergie aus physikalischen Gründen limitiert. Wegen der robusten Bauform und kleinen Baugröße sind diese Laser sehr gut verwendbar.

So sind Pulsentfernungsmesser schon seit 1970 bekannt, mit denen bis etwa 1000 m auf natürliche, diffus reflektierende Ziele gemessen werden kann.

Eine besondere Schwierigkeit besteht darin, daß die Diodenlaser aus physikalischen Gründen wie eine Punktlichtquelle divergente Lichtbündel abstrahlen. Zur Entfernungsmessung wird das Licht dieser Laser üblicherweise mit einer Objektivlinse kollimiert. Die Divergenz ergibt sich dann aus der Quellgröße, die mindestens der Breite des PN-Überganges entspricht, der Brennweite der Objektivlinse und der Justage der Quelle relativ zur Fokusebene der Objektivlinse.

Man ist bei Entfernungsmessern fast immer an einer kleinen Divergenz interessiert, um möglichst nur von einem bestimmten Objekt, das man anzielt, Reflexionen zu erhalten und keine ungewollten Reflexionen von Objekten, die in den Ausbreitungsweg des Lichtes hineinragen, relativ klein sind und gegebenenfalls nicht gesehen oder erkannt werden.

Dies bedeutet, daß die Brennweite sehr lang gewählt werden muß und deshalb wegen der Baugröße häufig ein schlechtes Öffnungsverhältnis der Objektlinse in Kauf genommen werden muß. Dies wiederum reduziert die wenige, zur Verfügung stehende Pulsleistung noch mehr, so daß die Nutzung der Laserdioden für Entfernungsmesser mit größeren Reichweiten von mehreren Kilometern praktisch ausbleibt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Diodenlaser auch für größere Reichweiten einsetzbar zu machen. Die Lösung dieser Aufgabe würde sehr große Vorteile mit sich bringen, da die Diodenlaser neben den erwähnten Vorteilen, noch sehr preisgünstige Laser darstellen.

Die erfinderische Lösung der Aufgabenstellung sieht vor, das Signal/Rauschverhältnis geeignet zu verbessern, um auch mit geringer Pulsleistung noch Entfernungen messen zu können. Dabei wird von folgenden Überlegungen ausgegangen:

Das Ausgangssignal des Verstärkers ist prinzipiell mit Rauschen überlagert. Wegen der geringen Leistung der Laser­ pulse und der möglicherweise großen Entfernung zum Ziel können die Reflexionssignale nicht wie üblich mit einem herkömmlichen Komparator, der alle Signale ab einer bestimmten Größe oberhalb der effektiven Rauschspannung detektiert, gemessen werden. Die Signale übersteigen das Rauschen nicht ausreichend oder sind sogar kleiner als der Effektivwert des Rauschens.

Sendet der Laser kontinuierlich Pulse aus, so kann das Empfängerausgangssignal zu jedem Zweitpunkt nach dem Startpuls gemittelt werden. Der Startpuls stellt das Startsignal zur Zeitmessung zwischen Pulsaussendung und Reflexionspulsempfang dar. Der Mittelwert des Empfängerausgangssignals zu einem bestimmten Zeitpunkt konvergiert bei kapazitiver Kopplung gegen ein schaltungstechnisch festgelegtes Bezugspotential. Nur zu den Zeitpunkten, zu denen ein Signal vorhanden ist, konvergiert er gegen den jeweiligen Signalwert, der vom Bezugspotential unterschiedlich ist.

Wenn nun durch Mehrfachmessung und Mittelwertbildung des Empfängerausgangssignals das Rauschen herausgemittelt wird, so bleibt das Signal mit einem verbesserten Signal/Rauschverhältnis nach. Da es sich statistisch beim Rauschen um gleichverteilte Vorgänge handelt, ist die Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses in erster Näherung proportional zur Wurzel aus der Pulszahl über die gemittelt wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Entfernungsmessung besteht nun darin, daß die für die Entfernungsmessung zu geringe Leistung der Laserdioden durch viele Pulse nacheinander zu liefern und das Signal/Rauschverhältnis durch Mittelung zu verbessern. Auf diese Weise kann prinzipiell die Reichweite erhöht werden und somit der Diodenlaser für die Messung größerer Entfernungen genutzt werden. Ein Nachteil besteht darin, daß der Meßvorgang länger dauert, weil über viele Pulse gemittelt werden muß. Dies ist jedoch für viele Anwendungen nicht schädlich.

Ein typisches Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und zugehörige Vorrichtungen sind den Fig. 1 bis 6 schematisch wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Entfernungsmesser als Blockdiagramm

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung als Blockdiagramm

Fig. 3 bis 3c zeigen Zeitdiagramme der Meßwerte

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Auswerteschaltung mit Mittelwertbildung.

Die Grundkonfiguration eines typischen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers ist in Fig. 1 als Blockdiagramm dargestellt. Der Laser 1 sendet Pulse über die Objektivlinse 3 zum Objekt 5. Mit den Gläsern 4, 4 a wird ein Teil der Pulsleistung zur Erzeugung eines optischen Startpulses abgetrennt und auf den Empfänger 2 geleitet. Das Objekt 5 reflektiert einen Teil des Lichtes, das mit der Objektivlinse 3 a auf dem Empfänger 2 abgebildet wird. Sender und Empfänger sind mit der Entfernungsmeßelektronik 6 verbunden. Ebenso wie die Tastatur 7 zur Bedienung des Entfernungmessers und das Display 8 zur Darstellung des Meßergebnisses.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Auswerteschaltung, die Teil der Entfernungsmeßelektronik 6 ist. Der Ausgang des Empfängers 2 ist verbunden mit der Sample and Hold- Schaltung 9, die zu einer, von der Auswerteschaltung 11 vorgegebenen und von der Verzögerungseinheit 12 erzeugten Verzögerungszeit den Analogwert des Empfängerausgangs­ signals mißt. Diese Messung wird mit jedem ausgesandten Laserpuls wiederholt und der Wert in der Schaltung 10 gespeichert und gemittelt. Handelt es sich zum Zeitpunkt der Mittelung um Rauschen, so konvergiert der Mittelwert gegen das Bezugspotential auf dem Empfängerausgang. Handelt es sich zum Zeitpunkt der Mittelung um Rauschen plus Signal, so konvergiert der Mittelwert gegen den Signalpegel. Mit der Schaltung 11 wird geprüft, ob sich ein mit gewissen Grenzen vom Bezugspotential unterschiedlicher Wert einstellt. Ist dies der Fall, so ist damit ein Signal zu diesem Zeitpunkt detektiert.

Fig. 3 bis 3c zeigen Zeitdiagramme der Meßwerte. Fig. 3 zeigt das Empfängerausgangssignal. Der Startpuls 19 ist deutlich erkennbar. Ein Reflexionssignal ist nicht erkennbar, jedoch vorhanden.

Fig. 3a zeigt vergrößerte und verstärkte Ausschnitte 17, 17 a zu zwei verschiedenen Zeitpunkten. Das Rauschen ist deutlich erkennbar. Im zweiten Ausschnitt ist das Signal vorhanden jedoch nicht erkennbar.

Fig. 3b zeigt gemittelte Werte aus Zeitfenstern in den zwei Zeitbereichen. Die Zeitfenster 18, . . . 18 n sind von einem Taktgenerator 16 vorgegeben. Im ersten Zeitbereich 17 ist kein Signal enthalten und die Mittelwerte in den Zeit­ fenstern konvergieren gegen das Bezugspotential. Im späteren Zeitbereich 17 a ist das Reflexionssignal enthalten und das Signal wird durch die Mittelwerten in den Zeit­ fenstern dargestellt, die oberhalb und unterhalb des Bezugspotentials liegen. In der Auswerteschaltung 11 werden diese vom Bezugspotential unterschiedlichen Mittelwerte detektiert und als Reflexionssignal erkannt. Aus der Zeitdifferenz zwischen Startsignal und Reflexionssignal (t) wird in bekannter Art auf die Entfernung zum Objekt geschlossen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Auswerte­ schaltung mit Mittelwertbildung. Dabei wird das Ausgangs­ signal des Empfängers 2 mit einer Sample and Hold-Schaltung gemessen und unmittelbar in schneller zeitlicher Folge analog/digital gewandelt. Der Wandlungsvorgang wird von einem Taktgenerator 16 gesteuert. In einem Rechen- und Speicherwerk 14 wird der zu jedem Wandlungstakt zugehörige Digitalwert in einen zu diesen Wandlungstakt gehörigen Speicher geschrieben. Alle Werte, die zu einem Zeitfenster gehören, werden addiert und gemittelt. Dieser Vorgang wird für den Zeitbereich, in dem ein Reflexionssignal erwartet werden kann kontinuierlich durchgeführt, so daß die gesamte Laufzeit das Empfängerausgangssignal digitalisiert, gespeichert und gemittelt wird. Nach einer vorgegebenen Anzahl von Pulsen bzw. Digitalisierungen für jedes Zeitfenster wird geprüft, ob sich in einer oder mehreren Speicherzellen ein Signal akkumuliert. Dazu dient der Rechner 15, mit dem der Inhalt der Speicherzellen entsprechend geprüft wird.

Claims (8)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsmessung mittels Laserlichtpulsen mit Laserentfernungsmessern, die mindestens einen Lasersender und mindestens einen Empfänger aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussendung der Laserpulse kontinuierlich erfolgt, ein Startsignal zum Zeitpunkt jeder Pulsaussendung gebildet wird, das elektrische Ausgangssignal des Empfängers in einem oder mehr Zeitfenstern, die zeitlich zum Startsignal genau bestimmt sind, analog gemessen und gespeichert wird, der Meßwert für jedes Zeitfenster gemittelt wird und alle Mittelwerte einer Auswerteschaltung zugeführt werden, mit der die Signalgröße bewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu einem bestimmten Zeitfenster, das zeitlich zum Startsignal genau bestimmt ist, gemessene analoge Signal mit einem Analog-Digitalwandler digitalisiert wird und in einem elektronischen Rechen- und Speicherwerk gespeichert und gemittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Messung und Digitalisierung taktweise in dem Zeitbereich nach dem Startpuls erfolgt, in dem ein Reflexionssignal erwartet werden kann und zu jeder Taktnummer ein digitaler Speicherwert und Mittelwert in einem elektronischen Rechen- und Speicherwerk gespeichert und gemittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die analoge Speicherung taktweise in dem Zeitbereich nach dem Startpuls, in dem ein Reflexionssignal erwartet werden kann, erfolgt und zu jeder Taktzahl ein analoger Mittelwert in einer analogen Speicherzelle gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich, in dem eine Speicherung und Mittelung der Ausgangssignale des Empfängers erfolgt, vorgegeben werden kann.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Laserpulse, über die in einem Zeitfenster zu einer bestimmten Taktnummer, gehörig gemittelt wird, vorgegeben werden kann.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Laserpulse über die in einem bestimmten Zeitfenster zu einer betimmten Taktnummer gehörig gemittelt wird, mit zunehmendem zeitlichen Abstand vom Startpuls erhöht wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Analogspeicher ein CCD-Analogspeicher­ baustein eingesetzt wird.