DE4031668A1 - Verfahren zur elektrooptischen entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung, bei dem ein Sender eine Folge von Lichtimpulsen aussendet, ein Detektor das an mindestens zwei in unterschiedlichen Entfernungen angeordneten Reflektoren reflektierte Licht detektiert, und in einem Rechner die Laufzeitdifferenz zwischen den Lichtimpulsen, die an verschiedenen Reflektoren reflektiert sind, bestimmt wird.

Sowohl in Applied Optics, Band 22, Seite 1382, (1983) als auch in Applied Optics, Band 25, Seite 63, (1986) sind optische Entfernungsmesser beschrieben, die eine Folge zufallsverteilter, bandbreitegespreizter Lichtimpulse zum jeweiligen Meßobjekt aussenden. Die Meßobjekte können sowohl Aerosole als auch Oberflächen fester Körper sein. Gegenüber Entfernungsmessern, die Einzelimpulse aussenden, haben diese den Vorteil, daß senderseitig wesentlich geringere Anforderungen an die spektrale Bandbreite als auch an die erforderlichen Impulsenergien bei vergleichbaren Meßdistanzen und Meßauflösungen gestellt werden. Auch die Anforderung an die empfängerseitige zeitliche Auflösung ist wesentlich reduziert.

Die am Meßobjekt reflektierten Lichtimpulse werden detektiert, verstärkt, digitalisiert und anschließend in einem Rechner mit einem Referenzsignal korreliert, welches einer zeitlich verzögerten Version des ausgesandten Signals entspricht. Durch dieses Verfahren wird die Impulsantwort des Objektes ermittelt. Das Verfahren liefert jedoch nur dann die korrekte Impulsantwort, wenn die Lichtimpulse entweder nur an einem einzigen Meßobjekt reflektiert sind, oder wenn solche Impulsfolgen gewählt sind, deren zeitliche Autokorrelationsfunktion einer δ-Funktion entspricht, d. h. außer dem Hauptmaximum keine weiteren Nebenmaxima aufweist.

In der Praxis lassen sich jedoch keine Impulsfolgen realisieren, deren Autokorrelation keine Nebenmaxima aufweist. Alleine die endliche spektrale Bandbreite des Senders führt zu spektralen Seitenbändern. Diese Seitenbänder führen zu Nebenmaxima der Autokorrelationsfunktion. Bei der gleichzeitigen Messung an mehreren Meßobjekten sind daher der Korrelationshauptspitze, die zu einem Meßobjekt gehört, die Korrelationsnebenspitzen der anderen Meßobjekte überlagert, so daß sich nicht der wahre Schwerpunkt der Korrelationshauptspitze ermitteln läßt.

Eine wichtige Anwendung der gleichzeitigen Entfernungsmessung zu mehreren Meßobjekten ist die Untersuchung von Glasfasern auf Fehlerstellen. Hier stellen die Fehlerstellen die Meßobjekte dar, deren Entfernungen vom Faserende zu bestimmen sind. Zur Untersuchung solcher Fehlerstellen in Olasfasern durch Optical Time Domain Reflectrometry ist es aus der EP-OS 2 69 448 und der EP-OS 3 79 609 bekannt, mindestens zwei komplementäre Impulsfolgen, beispielsweise sogenannte Golaysequenzen in die Glasfaser einzukoppeln. Durch diese spezielle Wahl mehrerer Impulsfolgen wird erreicht, daß sich die Korrelationsnebenspitzen der einen Impulsfolge und die Korrelationsnebenspitzen der dazu komplementären Impulsfolge größtenteils gegenseitig aufheben. Problematisch ist hier, daß die komplementären Impulssequenzen auch negative Sequenzanteile haben, wogegen sich durch Amplitudenmodulation keine negativen Amplituden erzeugen lassen. Die negativen Sequenzanteile können daher erst im Auswerterechner durch Subtraktion zweier geeigneter positiver Sequenzanteile gebildet werden. Dies wirkt sich negativ auf die Meßzeit aus, da für eine Messung mindestens drei Impulssequenzen ausgesandt und detektiert werden müssen. Außerdem ist die zulässige Signalformvielfalt stark eingeschränkt, was dann nachteilig ist, wenn dieselben Meßobjekte gleichzeitig von mehreren Meßgeräten vermessen werden. Durch die eingeschränkte Signalformvielfalt ist eine gegenseitige Störung der Meßgeräte wahrscheinlich.

Zur Lösung der vorgenannten Probleme wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz bei dem eingangs genannten Meßverfahren das detektierte Signal durch eine Summe zeitverschobener Versionen eines der Reflexion an einem einzigen Meßobjekt entsprechenden Signals approximiert wird.

Die an den Meßobjekten reflektierten Lichtsignale werden zeitlich überlagert detektiert und im Rechner abgespeichert. Anschließend wird aus der ausgesendeten Impulsfolge rechnerisch ein Signal gebildet, das das detektierte Signal bestmöglich approximiert. Die Laufzeit der Lichtimpulse vom Sender zum jeweiligen Meßobjekt und von dort zum Empfänger als auch die Amplituden der jeweiligen Reflexionsanteile dienen dabei als Anpaßparameter. Wenn das rechnerische Signal bestmöglich dem detektierten Signal angepaßt ist, sind die Laufzeiten der Lichtimpulse ermittelt. Aufgrund der Abweichungen des approximierten Signals vom detektierten Signal können auch Aussagen über die statistische Sicherheit der ermittelten Anpaßparameter gemacht werden, so daß zusätzlich zum Entfernungswert auch die aktuelle statistische Meßgenauigkeit ausgegeben werden kann.

Da für die beschriebene endgültige Auswertung keine Korrelation durchgeführt wird, arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren auch dann sehr zuverlässig, wenn Impulssequenzen mit großen Korrelationsnebenmaxima verwendet werden. Es kann daher die Entfernung zwischen beliebig vielen Meßobjekten mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne daß spezielle Impulssequenzen erforderlich sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird stets die Entfernung zwischen zwei Meßobjekten, von denen eines auch ein interner Referenzkanal sein kann, ermittelt. Meßfehler aufgrund von Laufzeitschwankungen der elektronischen Komponenten von Sender und Empfänger sind dadurch vermieden.

Die Bestimmung der optimalen Anpaßparameter erfolgt vorzugsweise nach dem aus der Faktorenanalyse bekannten Maximum-Likelihood-Algorithmen.

Die Lichtimpulse werden vorzugsweise über eine zeitliche Periode ausgesendet, die größer ist, als die Laufzeitdifferenz zwischen solchen Lichtimpulsen, die an unterschiedlichen Meßobjekten reflektiert sind. Dadurch ist die Eindeutigkeit der ermittelten Entfernungen gewährleistet. Die vom Sender ausgesendeten optischen Signale sind vorzugsweise bandbreitgespreizt, d. h. die Impulsdauer der einzelnen Impulse ist wesentlich größer als ihre reziproke spektrale Bandbreite. Solche bandbreitegespreizten Impulse können beispielsweise durch zufällige oder pseudozufällige Hell/Dunkeltastung des Strahlungssenders nach Maßgabe der in den eingangs zitierten Literaturstellen beschriebenen m- Sequenzen oder nach Maßgabe der komplementären Golaysequenzen erzeugt sein. Die Verwendung bandbreitegespreizter Lichtsignale ermöglicht eine große Vielfalt unterschiedlicher Signalsequenzen. Da sich solche Entfernungsmesser, die zwar im gleichen Orts- und Zeitbereich aber mit verschiedenen Signalsequenzen arbeiten, nicht gegenseitig stören, können dieselben Meßobjekte gleichzeitig durch eine entsprechend große Anzahl an Entfernungsmessern vermessen werden. Außerdem ist es möglich, durch eine zusätzliche schmalbandige Modulation der ausgesendeten Signale Nachrichten zu den Meßobjekten zu senden.

Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses und damit der statistischen Sicherheit der Meßwerte ist es vorteilhaft, die Impulse über eine Vielzahl von Perioden auszusenden, wobei die Folge der Einzelimpulse in jeder Periode identisch ist. Vorzugsweise wird dann aus dem über eine Vielzahl an Perioden detektierten Signal ein gemitteltes Signal gebildet, das die Dauer einer einzigen Periode hat. Die Auswerterechnung wird dann lediglich für die gemittelte Periode durchgeführt, wodurch sich die Auswertezeit wesentlich verkürzen läßt. Eine rekursiv geschaltete Additionsstufe erlaubt dabei die Mittelung in Echtzeit.

Um bereits vor der Auswerterechnung eine gute digitale Meßauflösung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Abtastfrequenz, mit der die empfangenen Lichtsignale detektiert werden, größer ist als die Chipfrequenz, durch die minimale Impulsdauer bestimmt ist.

Im folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand des in der Figur schematisch dargestellten Entfernungsmeßgerätes näher erläutert.

Das in der Figur dargestellte Entfernungsmeßgerät besteht aus einem Rechner (1), der eine binäre, zufallsverteilte Impulssequenz erzeugt. Die Impulssequenz hat eine Periodendauer TS und wird nach der Zeit TS stets wiederholt. Der minimale zeitliche Abstand zwischen einer ansteigenden und einer abfallenden Impulsflanke ist durch (1/F1) gegeben, wobei (F1) die Chipfrequenz ist. Die Impulssequenz wird von einem Analog/Digitalwandler (2) analogisiert und zur Modulation einem Sender (3) zugeführt, der im wesentlichen aus einem modulierbaren Laser und einer zugehörigen Stromversorgung besteht. Die Modulationsbandbreite des Senders (3) ist wesentlich größer als die Chipfrequenz, so daß eine bandbreitegespreizte Impulssequenz entsteht.

Die vom Sender erzeugten Lichtimpulse werden über eine Teleskopoptik (4) zu den durch Trippelprismen (M1, M2) markierten Zielpunkten ausgesendet, an diesen jeweils teilweise reflektiert, von der Teleskopoptik wieder aufgesammelt und von Strahlteilern (6a, 6b) zu einem Empfänger (7) gelenkt. Die Ausgangssignale des Empfängers werden von einem Analog/Digitalwandler (8) digitalisiert. Die Abtastfrequenz des Analog/Digitalwandlers (8) Fa = 1/Ta ist doppelt so groß wie die Chipfrequenz (F1). Die über eine Vielzahl von Perioden aufgenommenen Meßwerte werden in einer rekursiv geschalteten Additionsstufe, die aus einer arithmethisch logischen Einheit (9) und einem Speicher (10) besteht, zu einer einzigen Periode gemittelt. Im Speicher (10) ist jedem Abtastzeitpunkt einer Periode ein Speicherplatz zugeordnet, und der zur nächsten Periode gehörige Meßwert in einem Abtastzeitpunkt wird einfach dem bisherigen Speicherinhalt des Abtastzeitpunktes hinzuaddiert. Nachdem über die gewünschte Anzahl an Perioden Meßwerte aufgenommen sind, wird der Inhalt des Speichers (10) von dem Rechner (1) ausgelesen und der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen, die an unterschiedlichen Meßobjekten (M1, M2) reflektiert sind, ermittelt.

Im folgenden werden kurz die Grundlagen für die rechnerische Auswertung beschrieben:
Die Signalantwort V(t) auf die ausgesendete Impulssequenz S(t) eines nomierten Meßobjektes, dessen Reflektivität als eins und dessen Abstand vom Meßgerät als Bezugspunkt (Abstand null) definiert wird, wird in einer ersten Eichmessung gemessen und im Rechner abgespeichert, so daß V(t) und dessen zeitliche Ableitung V(t) anschließend bekannt sind. Der Unterschied zwischen V(t) und S(t) wird einerseits durch die Laufzeit und andererseits durch die empfängerseitige Bandbreitebegrenzung verursacht.

Das nach Reflexion an den beiden Meßobjekten (M1, M2) empfangene und digitalisierte Signal e (iTa) am i-ten Abtastpunkt einer Periode ist gegeben durch

wobei Ak die Reflektivitäten und Tk die Laufzeiten der Lichtimpulse vom Sender zum Objekt Mk (k = 1,2) und von dort zum Empfänger (7) sind, und n (iTa) ein statistisches Rauschsignal ist.

Das Meßsignal e (iTa) wird nun folgend durch zeitverzögerte Versionen der Signalantwort V (t) approximiert. Die bestmögliche Approximation ist erreicht, wenn die folgenden vier Gleichungen (2 bis 5) erfüllt sind:

Dabei ist Âk, k = 1,2, der Schätzwert für die komplexe Reflektivität des Meßobjektes Mk und k, k = 1,2, die geschätzte Laufzeit der Lichtimpulse vom Sender (3) zum Meßobjekt Mk und von dort zum Empfänger (7). Die Summationen werden jeweils über die N Abtastpunkte der Periode durchgeführt.

Durch Auflösung der Gleichungen (2) und (3) nach Â1 und Â2 und Einsetzen in Gleichungen (4) und (5) können die komplexen Reflektivitäten Â1 und Â2 eliminiert werden. Man erhält dann zwei nicht-lineare Gleichungen

f₁ (1, 2) = 0 (6)

f₂ (1, 2) = 0 (7)

Die beiden Gleichungen (6) und (7) werden durch das Newton- Verfahren iterativ gelöst. Besonders günstige Startwerte für die Laufzeiten 1, 2 lassen sich durch eine Korrelation der detektierten Signalform mit der ausgesandten Signalform realisieren, jedoch dient die Korrelation hier nur dazu, um geeignete Startwerte für die Interation zu erhalten. Die endgütigen Schätzwerte 1 und 2 werden dann durch die Iteration selbst ermittelt.

Nachdem iterativ die Schätzwerte 1, 2 bestimmt sind, werden zusätzlich iterativ Schätzwerte für die komplexen Reflektivitäten Â1, Â2 ermittelt.

Solange stets die Laufzeitdifferenzen zwischen den an dem Meßobjekt (M1) und den am Meßobjekt (M2) reflektierten Lichtimpulsen gemessen werden, haben Änderungen der Signalverarbeitungszeit des Empfängers (7), die sich über Zeiträume erstrecken, die sehr groß gegenüber der Periodendauer sind, keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.

Die geschätzten Laufzeiten 1, 2 und die Reflektivitäten Â1, Â2 werden auf dem Monitor (11) ausgegeben. Die Entfernung Lk zwischen dem Meßobjekt Mk und dem Entfernungsnullpunkt ergibt sich dann zu Lk = 1/2 ck mit k = 1,2 und c der Lichtgeschwindigkeit. Zusätzlich lassen sich anhand der Varianzen der Schätzwerte noch statistische Aussagen über die Zuverlässigkeit der geschätzten Werte, insbesondere über die erreichte Meßgenauigkeit, machen. Diese Aussagen über die Meßgenauigkeit werden ebenfalls auf dem Monitor (11) dargestellt.

Nach dem bisher Beschriebenen können die Meßobjekte (M1, M2) außerhalb des gestrichelt dargestellten Meßgerätes (13) angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Entfernung zu einem einzigen Meßobjekt (M2) außerhalb des Meßgerätes (13) zu bestimmen. Das zweite Meßobjekt ist dann durch einen Referenzkanal im Inneren des Meßgerätes realisiert, indem teildurchlässige Spiegel (12a, 12b) einen Teil des vom Sender (3) ausgesandten Lichts direkt zum Empfänger (7) spiegeln.

Wie bereits weiter oben beschrieben, ist die Periodenlänge (TS) der ausgesandten Lichtimpulse größer als die Laufzeitdifferenz zwischen den an unterschiedlichen Meßobjekten (M1, M2) reflektierten Lichtstrahlen. Dadurch lassen sich eindeutige Entfernungsmeßwerte erzielen. Um andererseits möglichst kurze Meß- und Auswertezeiten zu erhalten, sollte die Periodenlänge (TS) stets der aktuellen Laufzeitdifferenz angepaßt sein. Dies läßt sich beim erfindungsgemäßen Entfernungsmesser leicht softwaremäßig durch Wahl der Sende- und Abtastperiode realisieren.

Anhand der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Meßverfahren zur Vereinfachung lediglich für den Spezialfall, das zwei Meßobjekte (M1, M2) vorhanden sind, beschrieben worden. Es läßt sich jedoch durch eine Verallgemeinerung der Gleichungen (2 bis 5) auf eine beliebige Anzahl an Meßobjekten ausdehnen.

Claims (7)

1. Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung, bei dem ein Sender (3) eine Folge von Lichtimpulsen aussendet, ein Detektor (7) das an mindestens zwei in unterschiedlichen Entfernungen angeordneten Reflektoren (M1, M2) reflektierte Licht detektiert und in einem Rechner die Laufzeitdifferenz zwischen den Lichtimpulsen, die an verschiedenen Reflektoren (M1, M2; 12a, 12b) reflektiert sind, bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz das detektierte Signal durch eine Summe zeitverschobener Versionen eines der Reflexion an einem einzigen Meßobjekt entsprechenden Signals im Rechner (1) approximiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Approximation durch einen Maximum-Likelihood- Schätzalgorithmus erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse bandbreitegespreizt sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse über eine zeitliche Periode ausgesendet werden, die größer ist als die Laufzeitdifferenz zwischen den Lichtimpulsen, die an unterschiedlichen Meßobjekten (M1, M2) reflektiert sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse über eine Vielzahl von Perioden ausgesendet werden, wobei die Impulsfolge in jeder Periode identisch ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangssignale vor der Auswertung über Anzahl der Perioden gemittelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierten Signale in einem Analog/Digitalwandler (9) digitalisiert werden, dessen Abtastfrequenz Fa größer ist als die Chipfrequenz F1, durch die der minimale zeitliche Abstand zwischen ansteigenden und abfallenden Flanken der ausgesendeten Impulsfolge bestimmt ist.