DE4303015C1 - Verfahren zur Aufnahme von Entfernungsbildern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Entfernungsbildern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein Entfernungsbild ist die Abbildung eines Objekts, deren Bildpunkte nicht wie bei einem normalen Bild den Helligkeiten oder Farben der Objektpunkte entsprechen, sondern den jeweiligen Entfernungen der entsprechenden Objektpunkte.

In der DE 41 29 912 C1 ist ein Verfahren zur Aufnahme von Entfernungsbildern bekannt, bei der ein einzelner Lichtpuls ausgesendet wird, und der von den Objekten reflektierte Lichtpuls auf einer Bildaufnahmeeinheit mit vorgeschalteter Verschlußeinrichtung empfangen wird, wobei die Transparenz der Verschlußeinrichtung während des Empfangs einen vorbestimmten zeitlichen Verlauf besitzt. Mit Hilfe von mindestens zwei derart aufgenommener Reflexionsbilder desselben Entfernungsbereichs kann die Entfernung und der Reflexionsgrad der Objekte ermittelt werden.

Aus der DE 22 29 339 B2 ist es bekannt, einen elektrooptischen Entfernungsmesser mit einem Sender zur Abgabe eines mit zwei verschiedenen Frequenzen modulierbaren Lichtstrahls und mit einem Empfänger zur Aufnahme der von einem Objekt reflektierten Meßsignale zu verwenden, wobei im Empfänger eine Phasenmeßschaltung vorgesehen ist zum Messen der Phasenverschiebung zwischen den Meßsignalen und direkt vom Sender an den Empfänger übertragenen Referenzsignalen. Durch Ermittlung der Phasendifferenz kann die Entfernung des Objekts bestimmt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das in der DE 41 29 912 C1 beschriebene Verfahren weiter zu verbessern, so daß das Signal/Rauschverhältnis erhöht wird.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen des Verfahrens sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

In Fortentwicklung des Verfahrens nach DE 41 29 912 C1, bei dem ein einzelner Lichtpuls ausgesendet wird, wird nun eine Phasenmethode vorgeschlagen, bei der eine kontinuierliche Beleuchtung durchgeführt wird. Dabei wird eine Lichtquelle, z. B. ein Beleuchtungslaser in einer kontinuierlichen Betriebsart mit einer hochfrequenten Ansteuerungsspannung intensitätsmoduliert (CW-Betrieb). Mit der gleichen Frequenz wird die Empfindlichkeit einer Bildaufnahmeeinheit, im folgenden auch Empfangsvorrichtung genannt, gesteuert, z. B. in dem die Verstärkung eines Bildverstärkers (channel plate) innerhalb der Bildaufnahmeeinheit entsprechend der Amplitude der Ansteuerspannung moduliert wird.

Wird mit diesem Bildverstärker ein Objekt aufgenommen, das durch einen mit gleicher Frequenz modulierten Laser beleuchtet wird, so ist die aufgenommene Helligkeit (Grauwerte) der einzelnen Bildpunkte abhängig vom Reflexionsgrad des Objekts und von der Phasenverschiebung zwischen der Verstärkungsfunktion des Bildverstärkers und dem reflektierten Laserlicht. Entscheidend ist, daß diese Phasenverschiebung abhängig ist von der Entfernung der abgebildeten Objekte. Man kann die Modulationsfrequenz von Laserbeleuchtungseinheit und Bildverstärker so wählen, daß in einem Entfernungsintervall, das man abbilden und vermessen will, eine Phasenverschiebung von π, resultierend aus dem doppelten Lichtweg, der vom Beginn des Entfernungsintervalls bis zum Ende zurückgelegt wird, erreicht wird. Dies bedeutet eine eindeutige Helligkeitsmodulation im Bild zwischen 0 (minimaler Entfernungswert innerhalb des zu vermessenden Entfernungsintervalls) und Maximum (maximaler Entfernungswert innerhalb des zu vermessenden Entfernungsintervalls). Entfernungsbereiche davor und dahinter erhalten entsprechend ihrer Distanz Meßwerte, die prinzipiell den Werten innerhalb des Meßintervalls gleichen, so daß Mehrdeutigkeiten entstehen. Durch Variation der Frequenzen und/oder geeignete Anpassung der Meßintervalle lassen sich solche Mehrdeutigkeiten vermeiden. Erhöht man die Meßfrequenz, so werden die Meßbereiche, die sich mit modulo π wiederholen, d. h. die Mehrdeutigkeiten häufiger, allerdings auch die Meßgenauigkeit größer, so daß hier ein Kompromiß gefunden oder auch mit Mehrfachmessungen gearbeitet werden muß.

Zur genauen Entfernungsmessung muß noch der Reflexionsgrad des vermessenen Objekts bestimmt werden. Dies kann dadurch erreicht werden, daß ein weiteres Reflexionsbild aufgenommmen wird, wobei jedoch dabei die Verstärkung des Bildverstärkers nicht moduliert wird, sondern konstant gehalten wird. Es entsteht dadurch ein durch den Laser beleuchtetes, helligkeitsmoduliertes Bild der abgebildeten Szene.

Alternativ kann bei der Aufnahme des zweiten Reflexionsbildes gegenüber der Aufnahme des ersten Reflexionsbilds auch die Phase der Modulationsfrequenz verschoben werden. In den beiden aufgenommenen Bildern sind sämtliche Informationen über Entfernung und Reflexionsgrad der Objekte enthalten. Mittels einfacher mathematischer Algorithmen können diese beiden Größen aus den Grauwerten der einzelnen Bildpunkte beider Bilder berechnet werden.

Die ermittelten Werte für die Entfernung und Reflexionsgrad der Objekte können bei Bedarf auf einem Monitor in Falschfarbkodierung ausgegeben werden.

Um die Empfindlichkeit der Empfangsvorrichtung zu steuern, kann anstatt des erwähnten steuerbaren Bildverstärkers auch eine Verschlußeinrichtung verwendet werden.

Die Aufnahme der beiden Reflexionsbilder kann sowohl zeitlich parallel (in mehreren Empfangsvorrichtungen) als auch sequentiell erfolgen.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber der Variante in der DE 41 29 912 C1 den Vorteil, daß eine höhere Meßgenauigkeit erreicht werden kann (Auflösung im cm- bis mm-Bereich). Außerdem wird durch die kontinuierliche Beleuchtung das Signal/Rauschverhältnis wesentlich verbessert.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand einer Figur näher erläutert. Sie zeigt das Blockschaltbild einer Vorrichtung mit zwei Empfangsvorrichtungen 2a, 2b (z. B. Restlichtkameras) mit der gleichzeitig zwei Reflexionsbilder erzeugt werden. Jede Empfangsvorrichtung 2a, 2b umfaßt in dieser Ausbildung einen schnellschaltbaren Bildverstärker (Channel Plates) und ein Charge Coupled Device (CCD) als Videotarget. Gesteuert von einer Modulationseinheit 4 sendet die Beleuchtungseinrichtung 1, bevorzugt ein Laser, ein (z. B. sinusförmig) moduliertes Lichtsignal aus. Das vom abzubildenden Objekt reflektierte Signal wird über einen optischen Strahlteiler 14, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel zu den Empfangsvorrichtungen 2a, 2b geführt. Mindestens eine der Empfangsvorrichtungen 2a, 2b wird mit dem Signal der Modulationseinheit 5 so gesteuert, daß zwischen der Modulationsfrequenz des Lasers 1 und der Modulationsfrequenz der Bildverstärkereinheit in der betreffenden Empfangsvorrichtung (2a oder 2b) eine starre Phasenbeziehung besteht.

Wird beispielsweise der Bildverstärker in der Empfangsvorrichtung 2a moduliert, der Bildverstärker in der zweiten Empfangsvorrichtung 2b jedoch nicht, so entsteht auf dem lichtempfindlichen Target in der Empfangsvorrichtung 2b ein Energiebild der beleuchteten Szene, auf dem Target der anderen Empfangsvorrichtung 2a ist dieses Energiebild durch die Variation der Phase noch entsprechend der Objektentfernung helligkeitsmoduliert. In der Verarbeitungseinheit 5 kann die Bildinformation von 2b dazu benutzt werden, um das in der Empfangsvorrichtung 2a vorhandene Bild auf den Reflexionsgrad der Objekte zu normieren. Die restliche Helligkeitsschwankung ist dann entsprechend der Entfernungsinformation zuzurechnen und kann durch Farbwerte gekennzeichnet werden, so daß auf dem Monitor 6 ein Bild des Objekts angezeigt werden kann, dessen Reflexionsgrad als Grauwert und dessen Entfernung als Farbwert gekennzeichnet ist (Falschfarbkodierung).

Im folgenden wird das Verfahren anhand eines konkreten Beispiels erläutert. Es soll der Meßbereich (Entfernungsbereich) zwischen 25 und 50 m vermessen werden. Beispielhaft wird eine Ansteuerfrequenz für Lasermodulation und Amplitudensteuerung des Bildverstärkers von 3 MHz gewählt. Sind Laser- und Bildverstärkeransteuerung in Phase, so hat ein nach 25 m von einem Gegenstand reflektiertes Signal entsprechend der doppelten Laufzeit von 50 m und der Wellenlänge der Modulationsfrequenz von 100 m eine Phasenverschiebung von π. Befindet sich ein Objekt in dieser Entfernung, so tritt am Bildverstärker eine Abschwächung respektive Auslöschung des reflektierten Laserlichts auf. Befindet sich jedoch ein Objekt in 50 m Entfernung, so ergibt der zurückgelegte Weg des Lichts von 100 m eine Phasenverschiebung 2 π, das Objekt wird mit maximaler Helligkeit abgebildet.

Das reflektierte Laserlicht von Objekten zwischen 25 und 50 m wird entsprechend der Entfernung zwischen dem Minimal- und Maximalwert verstärkt. Die absoluten Entfernungswerte berechnet man unter Berücksichtigung der Helligkeitswerte bei nicht moduliertem Bildverstärker.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erzeugung von Entfernungsbildern nach dem Prinzip Aussenden eines Lichtsignals und zeitverzögerter Empfang des reflektierten Lichtsignals mit einer Empfangsvorrichtung (Aufnahme von Reflexionsbildern), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Reflexionsbilder desselben Entfernungsbereichs aufgenommen werden, wobei das ausgesandte Lichtsignal mit einer Modulationsfrequenz intensitätsmoduliert wird und bei Aufnahme mindestens eines der beiden Reflexionsbilder die Empfindlichkeit der Empfangsvorrichtung mit derselben Modulationsfrequenz und phasenstarr dazu moduliert wird, und anschließend durch Vergleich der Helligkeitswerte im ersten und zweiten Reflexionsbild Reflexionsgrad und Entfernung der Objekte ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Werte für Reflexionsgrad und Entfernung der Objekte auf einem Monitor in Falschfarbkodierung dargestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme beider Reflexionsbilder die Empfindlichkeit der Empfangsvorrichtung mit der Modulationsfrequenz für das ausgesandte Lichtsignal moduliert wird, wobei der zeitliche Verlauf der Empfindlichkeit bei der Aufnahme des ersten und zweiten Reflexionsbilds phasenverschoben zueinander ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Aufnahme eines Reflexionsbildes die Empfindlichkeit der Empfangsvorrichtung mit der Modulationsfrequenz für das ausgesandte Lichtsignal moduliert wird, und bei der Aufnahme des zweiten Reflexionsbilds die Empfindlichkeit der Empfangsvorrichtung konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Reflexionsbilder zeitlich parallel erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Reflexionsbilder sequentiell erfolgt.