WO2009095383A1

WO2009095383A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen einer entfernung zu einem objekt

Info

Publication number: WO2009095383A1
Application number: PCT/EP2009/050887
Authority: WO
Inventors: Martin Ossig; Philipp Schumann
Original assignee: Faro Technologies Inc.
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2009-08-06
Also published as: JP5306376B2; JP2011522216A; US8064046B2; DE102008014274B4; EP2238470A1; DE102008014274A1; CN101932953B; CN101932953A; US20100195086A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung (d) zu einem Objekt (20), mit den Schritten Aussenden eines Sendelichtstrahls (18) von einem Lichtsender (12), Empfangen eines Empfangslichtstrahls (24) mit einem Lichtempfänger (14), wobei der Empfangslichtstrahl (24) durch Reflexion des Sendelichtstrahls (18) an dem Objekt (20) entsteht, und Bestimmen der Entfernung (d) anhand einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls (18, 24), wobei der Sendelichtstrahl (18) mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal (66; 74) amplitudenmoduliert wird, und wobei das Modulationssignal (66; 74) eine Vielzahl von Rechteckpulsen (68; 68') besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen (76; 76') auftreten. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (76; 76') in variierenden zeitlichen Abständen (PA) zueinander auftreten und wechselnde Anzahlen von Rechteckpulsen (68; 68') ausweisen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt, mit den Schritten :

Aussenden eines Sendelichtstrahls von einem Lichtsender,

Empfangen eines Empfangslichtstrahls mit einem Lichtempfänger, wobei der Empfangslichtstrahl durch Reflexion des Sendelichtstrahls an dem Objekt entsteht, und

Bestimmen der Entfernung anhand einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls, wobei der Sendelichtstrahl mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert wird, und wobei das Modulationssignal eine Vielzahl von Rechteckpulsen besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen auftreten.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung zu einem Objekt, mit einem Lichtsender zum Aussenden eines Sendelichtstrahls, mit einem Lichtempfänger zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls, wobei der Empfangslichtstrahl durch Reflexion des Sendelichtstrahls an dem Objekt entsteht, und mit einer Auswerteeinheit zum Bestimmen der Entfernung des Objekts anhand einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls, wobei der Sendelichtstrahl mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert ist, und wobei das Modulationssignal eine Vielzahl von Rechteckpulsen besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen auftreten.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus DE 40 27 990 Cl bekannt.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen sog. Laserscanner, der dazu ausgebildet ist, einen Raumbereich und/oder ein Objekt dreidimensional zu vermessen. Ein solcher Laserscanner ist bspw. in DE 103 61 870 AI beschrieben. Dieser bekannte Laserscanner besitzt einen Messkopf, der um eine vertikale Achse drehbar ist. Der Messkopf enthält einen Rotor, der um eine horizontale Achse drehbar ist. Der Rotor sendet einen Sendelichtstrahl aus und empfängt einen Empfangs- lichtstrahl, der von einem Objekt reflektiert wird. (Reflexion im Sinne der vorliegenden Erfindung muss nicht unbedingt eine Totalreflexion sein, sondern kann auch eine diffuse Reflexion bzw. Streuung des ausgesendeten Lichtstrahls sein.) Aus der Laufzeit des Sendelichtstrahls und des Empfangslichtstrahls wird die Entfernung zwischen dem Messkopf und dem Objekt bestimmt. Die Drehung des Rotors und des Messkopfes ermöglicht es, den Sendelichtstrahl um 360° im Azimut und um etwa 270° in der Elevation zu bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, nahezu den gesamten Raum rund um den bekannten Laserscanner zu vermessen. Typische Anwendungen für solche Laserscanner sind die Vermessung von Gebäuden (innen und/oder außen), Tunneln oder die Vermessung von großen Objekten, wie etwa Schiffsrümpfen.

Die Bestimmung der Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls ist auf verschiedene Weisen möglich. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Pulslaufzeitverfahren und CW(Continuous Wave)-Verfahren. Bei den Pulslaufzeitverfahren enthält der Sendelichtstrahl für jeden Messvorgang nur einen kurzen Sendeimpuls. Gemessen wird die Zeit, bis der reflektierte Impuls im Empfänger ankommt. Bei den CW-Verfahren wird ein (zumindest weitgehend) kontinuierlicher Sendelichtstrahl ausgesendet und die Laufzeit wird anhand einer Phasenverschiebung zwischen dem Sende- und Empfangslichtstrahl bestimmt. Typischerweise wird der Sendelichtstrahl dabei mit Hilfe eines Modulationssignals in seiner Amplitude moduliert und es wird die Phasenverschiebung des Modulationssignals im ausgesendeten und empfangenen Lichtstrahl zur Laufzeitbestimmung verwendet. Je höher die Modulationsfrequenz ist, desto genauer kann die Entfernung hier bestimmt werden. Allerdings reduziert sich mit zunehmender Modulationsfrequenz der Eindeutigkeitsbereich; weil sich die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahl nach einem Phasendurchlauf von 360° wiederholt.

Die eingangs genannte DE 40 27 990 Cl schlägt daher einen Entfernungsmesser mit einem modulierten Sendelichtstrahl nach dem CW-Verfahren vor, wobei der Sendelichtstrahl mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal mit einer ersten, relativ hohen Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert ist, und wobei dieser Sendelichtstrahl nach einer bestimmten Anzahl von Perioden des Modulationssignals für einen längeren Zeitraum unterbrochen wird. Diese Unterbre- chung lässt sich als Amplitudenmodulation mit einem zweiten Modulationssignal mit einer zweiten, niedrigeren Modulationsfrequenz interpretieren. Mit anderen Worten ist der Sendelichtstrahl in diesem Fall mit einer ersten höheren und mit einer zweiten niedrigeren Modulationsfrequenz amplitudenmoduliert, wobei die beiden unterschiedlichen Modulationsfrequenzen den Eindeutigkeitsbereich bestimmen. Dieser ist deutlich größer als bei Verwendung von lediglich einer Modulationsfrequenz.

In DE 43 03 804 AI wird das Verfahren nach DE 40 27 990 Cl insoweit für nachteilig erachtet als dass durch die Amplitudenmodulation mit der niedrigeren zweiten Modulationsfrequenz die über die Dauer der gesamten Signalperiode gemittelte Sendelichtintensität reduziert wird. Dies führe zu einer Verringerung des Signal-/Rauschverhältnisses und infolgedessen dazu, dass Objekte mit einer geringen Reflektivität nicht mehr vermessen werden können. Zur Vermeidung dieses Nachteils schlägt DE 43 03 804 AI vor, den Sendelichtstrahl abwechselnd mit der höheren ersten und der niedrigeren zweiten Modulationsfrequenz zu modulieren, d.h. in jedem Zeitintervall wird der Sendelichtstrahl jeweils mit nur einer der beiden Modulationsfrequenzen moduliert. Dieses Verfahren hat allerdings verlängerte Messzeiten zur Folge, da jedes Objekt doppelt vermessen werden muss. Die höhere Messzeit ist besonders bei einem Laserscanner von Nachteil, weil der Sendelichtstrahl dann nur relativ langsam verschwenkt werden kann.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen die zur Verfügung stehende Lichtleistung optimal genutzt wird, um ein großes Signal-/Rauschverhältnis zu erhalten, und die ferner hohe Messgenauigkeiten zusammen mit einem großen Eindeutigkeitsbereich bieten.

Diese Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Gruppen von Rechteckpulsen in variierenden zeitlichen Abständen zueinander auftreten und wechselnde Anzahlen von Rechteckpulsen aufweisen.

Das neue Verfahren und die neue Vorrichtung basieren weiterhin auf dem Prinzip der Laufzeitmessung nach dem CW -Verfahren, d.h. die Laufzeit wird anhand ei- ner Phasenverschiebung des Modulationssignals im Empfangslichtstrahl relativ zum Modulationssignal im Sendelichtstrahl bestimmt. Des Weiteren verwenden das neue Verfahren und die neue Vorrichtung ein rechteckwellenförmiges Modulationssignal, mit dem der Sendelichtstrahl amplitudenmoduliert wird. Die eingangs genannte DE 40 27 990 Cl hat zwar bereits ein rechteckwellenförmiges Modulationssignal zur Amplitudenmodulation eines Sendelichtstrahls in Betracht gezogen. In der Praxis werden demgegenüber jedoch üblicherweise sinusförmige Modulationssignale verwendet. Ein rechteckwellenförmiges Modulationssignal besitzt gegenüber einem sinusförmigen Modulationssignal den Vorteil, dass das Modulationssignal bei gleicher Signalamplitude (Pulsspitze) und gleicher Modulationsfrequenz länger auf seinem jeweiligen Maximalwert verbleibt. Mit anderen Worten wird bei einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal weniger Lichtleistung für den Flankenanstieg „verschwendet". Infolgedessen ermöglicht die Verwendung eines rechteckwellenförmigen Modulationssignals ein höheres Sig- nal-/Rauschverhältnis als die Verwendung eines vergleichbaren sinusförmigen Modulationssignals. Die zur Verfügung stehende Lichtleistung lässt sich mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal wesentlich besser ausnutzen.

Im Unterschied zu dem Verfahren nach DE 40 27 990 Cl wird der rechteckwellenförmig modulierte Sendelichtstrahl nach dem neuen Verfahren jedoch nicht lediglich periodisch unterdrückt, sondern das Modulationssignal selbst ist in einer Weise moduliert, so dass die Rechteckpulse in zeitlich variierenden Abständen zueinander und mit wechselnden Pulszahlen auftreten. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Modulationssignal ein binäres Rechtecksignal (nach Art einer digitalen O-1-Folge), wobei die einzelnen Rechteckpulse mit variierendem Puls-Pause-Verhältnis und variierender Pulshäufung auftreten. In anderen Ausführungsbeispielen können die Rechteckpulse Pulsspitzen eines nichtbinären rechteckwellenförmigen Modulationssignals sein, bspw. die Pulsspitzen eines quaternären rechteckwellenförmigen Signals. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Rechteckpulse des Modulationssignals so verteilt, dass das Modulationssignal selbst frequenzmoduliert ist, und zwar vorzugsweise nach einem periodisch wiederkehrenden Muster.

Es sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass ein Rechtecksignal in der Realität nie exakt rechteckförmig sein kann, da unvermeidliche Bandbreiten- begrenzungen und Überschwinger in realen Schaltungen stets zu einer Abweichung vom idealen Rechteck führen. Generell gilt jedoch, dass die Lichtausbeute bei dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umso besser ist, je näher das Modulationssignal einem idealen Rechtecksignal kommt.

Nach dem neuen Verfahren und der neuen Vorrichtung wird die Amplitude des Sendelichtstrahls mit einem Modulationssignal moduliert, das aufgrund seiner eigenen wechselnden Eigenschaften eine Vielzahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen beinhaltet. Diese Vielzahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen sind nicht nur die harmonischen Vielfachen, die jedes rechteckwellenförmige Signal aufgrund des Fourierzusammenhangs per se beinhaltet. Das neue Modulationssignal beinhaltet über die harmonischen Vielfachen eines Rechtecksignals hinaus eine Vielzahl von unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, die insbesondere kleiner als die erste Oberwelle des rechteckwellenförmigen Signals sind. Das neue Modulationssignal ist somit ein kombiniertes Modulationssignal, mit dem der Lichtsender kontinuierlich angesteuert werden kann. Die verschiedenen Modulationsfrequenzen, die in dem neuen Modulationssignal enthalten sind, werden vorzugsweise zumindest annähernd zeitgleich ausgewertet, so dass prinzipiell ein Messvorgang für jede Entfernungsmessung genügt. Aufgrund der im kombinierten Modulationssignal enthaltenen hohen Modulationsfrequenzen lässt sich die Entfernung mit hoher Messgenauigkeit bestimmen. Andererseits enthält das Modulationssignal aufgrund der variierenden Pulsgruppen aber auch niedrigere Modulationsfrequenzen, so dass man einen großen Eindeutigkeitsbereich erhält.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass sich mit dem neuen Modulationssignal die zur Verfügung stehende Lichtleistung wesentlich besser ausnutzen lässt als mit vergleichbaren kombinierten sinusförmigen Signalen. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wechseln die zeitlichen Abstände periodisch.

In dieser Ausgestaltung werden die zeitlichen Abstände zwischen den Gruppen von Rechteckpulsen nach einem sich periodische wiederholenden Muster länger und kürzer. Die periodisch variierenden zeitlichen Abstände führen zu einer Modulationsfrequenz in dem rechteckwellenförmigen Modulationssignal, die klein ist im Vergleich zu der Grundfrequenz des rechteckwellenförmigen Modulationssignals. Die niedrige Modulationsfrequenz ermöglicht einen großen Eindeutigkeitsbereich. Darüber hinaus ermöglicht diese Ausgestaltung aufgrund der „Pausen" zwischen den Pulsgruppen eine höhere Spitzenbelastung des Lichtsenders bei gleicher mittlerer Lichtleistung, was eine weitere Verbesserung des Signal- /Rauschverhältnisses zur Folge hat.

In einer weiteren Ausgestaltung wechselt die Anzahl von Rechteckpulsen pro Gruppe periodisch.

Diese Ausgestaltung sorgt für eine weitere „niedrige" Modulationsfrequenz in dem kombinierten Modulationssignal und sie kann infolgedessen zu einer weiteren Vergrößerung des Eindeutigkeitsbereichs beitragen. Besonders vorteilhaft ist die Kombination dieser Ausgestaltung mit der vorhergehenden Ausgestaltung, wobei die periodisch wechselnden Abstände und die periodisch wechselnde Anzahl von Rechteckpulsen pro Gruppe mit gleicher Periode auftreten. In diesem Fall ergeben sich die größeren zeitlichen Abstände zwischen Gruppen von Rechteckpulsen aus der geringeren Anzahl von Rechteckpulsen pro Gruppe. Diese Ausgestaltung vereinfacht die praktische Realisierung und sie ermöglicht eine sehr gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Lichtleistung.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das Modulationssignal erzeugt, indem ein erstes rechteckwellenförmiges Modulationssignal mit einer ersten Modulationsfrequenz und ein zweites rechteckwellenförmiges Modulationssignal mit einer zweiten Modulationsfrequenz addiert werden, wobei die erste Modulationsfrequenz groß gegenüber der zweiten Modulationsfrequenz ist. Vorzugsweise ist die erste Modulationsfrequenz zumindest fünfmal größer als die zweite Modulationsfrequenz.

Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Erzeugung des neuen Modulationssignals und somit eine einfache und kostengünstige Realisierung der neuen Vorrichtung. Eine Addition der ersten und zweiten Modulationssignale reduziert außerdem die Anzahl nicht benötigter „Nebenfrequenzen" in dem Modulationssignal im Vergleich zu einer prinzipiell ebenfalls denkbaren Multiplikation. Infolgedessen wird die zur Verfügung stehende Lichtleistung stärker auf die nutzbaren und genutzten Modulationsfrequenzen konzentriert.

In einer weiteren Ausgestaltung wird ein drittes rechteckwellenförmiges Modulationssignal mit einer dritten Modulationsfrequenz zu dem ersten und zweiten rechteckwellenförmigen Modulationssignal addiert, wobei die zweite und die dritte Modulationsfrequenz verschieden voneinander sind, und wobei die erste Modulationsfrequenz auch groß gegenüber der dritten Modulationsfrequenz ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite und dritte Modulationsfrequenz annähernd gleich sind bzw. dicht beieinander liegen.

In dieser Ausgestaltung ist die Differenz zwischen der zweiten und dritten Modulationsfrequenz wesentlich kleiner als die Differenz zwischen der zweiten und der ersten Modulationsfrequenz oder die Differenz zwischen der dritten und der ersten Modulationsfrequenz. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt die erste Modulationsfrequenz bei etwa 125 MHz, die zweite Modulationsfrequenz liegt bei etwa 15 MHz und die dritte Modulationsfrequenz liegt bei etwa 13 MHz.

Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass eine dritte Modulationsfrequenz zur Signalauswertung zur Verfügung steht, wodurch sich der Eindeutigkeitsbereich weiter vergrößern lässt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite und dritte Modulationsfrequenz relativ eng beieinander liegen, wie in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, weil in solchen Fällen eine Schwebung entsteht, deren Frequenz der Differenz zwischen der zweiten und der dritten Modulationsfrequenz entspricht. Diese Differenz ist sehr gering im Vergleich zu den eigentlichen Frequenzen der Modulationssignale. Infolgedessen lässt sich der Eindeutigkeitsbereich sehr stark vergrößern, ohne dass die geringe Schwebungsfrequenz separat zur Verfügung gestellt werden muss. Die Auswahl und Abstimmung der einzelnen Schaltungskomponenten der neuen Vorrichtung lässt sich in dieser Ausgestaltung deutlich vereinfachen.

In einer weiteren Ausgestaltung haben das zweite und das dritte Modulationssignal gleiche Pulsamplituden. Diese Ausgestaltung vereinfacht die Signalauswertung und führt zu einer nochmals verbesserten Lichtausbeute. Sie ist besonders vorteilhaft, wenn die zweite und dritte Modulationsfrequenz so eng beieinander liegen, dass eine Schwe- bungsfrequenz zur Signalauswertung zur Verfügung steht.

In einer weiteren Ausgestaltung besitzt das erste Modulationssignal eine größere Pulsamplitude als das zweite Modulationssignal. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Pulsamplitude des ersten Modulationssignals etwa um den Faktor 2 größer als die Pulsamplituden des zweiten oder dritten Modulationssignals, wobei Letztere gleich sind.

Diese Ausgestaltung trägt dazu bei, die zeitlichen Abstände zwischen den Gruppen von Rechteckpulsen in dem kombinierten Modulationssignal zu vergrößern, was auf den ersten Blick eine Reduzierung der mittleren Sendeleistung des Sendelichtstrahls zur Folge hat. Vorteilhafterweise wird in diesem Fall jedoch die Puls- oder Spitzenleistung, mit der der Lichtsender betrieben wird, erhöht. Dies ist durch die größeren Abstände zwischen den Gruppen von Rechteckpulsen ohne Zerstörung des Lichtsenders möglich und trägt dazu bei, das Signal- /Rauschverhältnis im Nutzsignal nochmals zu erhöhen.

In einer weiteren Ausgestaltung haben alle Rechteckpulse des Modulationssignals eine zumindest weitgehend gleiche Pulsamplitude.

In dieser Ausgestaltung ist das kombinierte Modulationssignal ein binäres Signal, wie es im Bereich der Digitaltechnik üblicherweise zur Repräsentation einer 0-1- Folge verwendet wird. Alternativ könnte das kombinierte Modulationssignal ein rechteckwellenförmiges Signal mit einer Vielzahl (n > 2) von Pulsamplitudenwerten sein. Die bevorzugte Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass sich das kombinierte Modulationssignal mit Hilfe von digitalen Schaltkreisen sehr einfach und effizient erzeugen lässt, wobei die zu kombinierenden Modulationssignale und das kombinierte Modulationssignal in diesem Fall digital als O-1-Folgen bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann mit jedem Puls die maximale Amplitude des Sendelichtstrahls ausgenutzt werden, was ebenfalls zu einer optimalen Nutzung der zur Verfügung stehenden Lichtleistung beiträgt. In einer weiteren Ausgestaltung wird das rechteckwellenförmige Modulationssignal mit Hilfe eines digitalen Schaltkreises als binäres rechteckwellenförmiges Modulationssignal erzeugt.

Wie bereits zuvor angedeutet, ermöglicht diese Ausgestaltung eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung des neuen Verfahrens und der neuen Vorrichtung. Darüber hinaus lässt sich das kombinierte Modulationssignal in dieser Ausgestaltung sehr flexibel variieren und an verschiedene Umgebungen und/oder Messaufgaben anpassen.

Alternativ hierzu wird das rechteckwellenförmige Modulationssignal in anderen Ausgestaltungen aus zumindest zwei sinusförmigen Signalen unterschiedlicher Frequenz erzeugt, wobei die sinusförmigen Signale jeweils verstärkt und amplitudenbegrenzt werden.

In dieser Ausgestaltung wird das rechteckwellenförmige Modulationssignal mit Hilfe von analoger Schaltungstechnik erzeugt. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr einfache und kostengünstige Realisierung der neuen Vorrichtung unter Verwendung von Schaltungskomponenten, die bislang mit sinusförmigen Signalen betrieben wurden. Insbesondere kann das neue Verfahren in dieser Ausgestaltung sehr einfach in vorhandene Schaltungskonzepte nach dem Stand der Technik integriert werden.

In einer weiteren Ausgestaltung wird die Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls anhand einer Phasendifferenz des Modulationssignals im Sendelichtstrahl und im Empfangslichtstrahl bestimmt, wobei die Phasenlage des Modulationssignals im Sendelichtstrahl an dem Lichtsender gemessen wird.

In dieser - auch für sich genommen erfinderischen - Ausgestaltung wird die Phasenlage des Modulationssignals im Sendelichtstrahl messtechnisch bestimmt und diese Phase wird als Referenz für die Laufzeitbestimmung verwendet. Es wird hier also die momentan im Sendelichtstrahl vorhandene Phasenlage zur Bestimmung der Laufzeit verwendet. Besonders bevorzugt ist es in diesem Fall, wenn der Lichtsender eine Laserdiode beinhaltet und wenn die Phasenlage des Steuerstroms gemessen wird, der durch die Laserdiode fließt. Die Phasenlage des Steu- erstroms lässt sich einfach bestimmen und sie repräsentiert die tatsächliche momentane Phasenlage des Modulationssignals im Sendelichtstrahl mit hoher Genauigkeit. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine sehr hohe Messgenauigkeit, weil ein Phasendrift im Bereich des Lichtsenders aus der Entfernungsbestimmung eliminiert wird.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen :

Fig. 1 einen Laserscanner gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung von mehreren Modulationssignalen, die bei dem Laserscanner gemäß Fig. 1 zur Anwendung kommen können,

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Modulationssignal,

Fig. 4 das Frequenzspektrum des Modulationssignals aus Fig. 3,

Fig. 5 eine Schaltung zur Erzeugung des neuen Modulationssignals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und

Fig. 6 eine Schaltung zur Erzeugung des neuen Modulationssignals gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Laserscanner in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Der Laserscanner 10 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Die neue Vorrichtung und das neue Verfahren können jedoch auch bei anderen Geräten Anwendung finden, bei denen eine Entfernung zu einem Objekt mit Hilfe eines Sendelichtstrahls und eines Empfangslichtstrahls bestimmt werden soll. Die Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung von Lichtstrahlen im engeren Sinne (bevorzugte Wellenlängen zwischen 300 und 1000 nm) beschränkt, sondern kann prinzipiell auch mit elektromagnetischen Wellen aus einem größeren Wellenlängenbereich realisiert werden, so lange eine quasioptische Ausbreitung vorliegt. Der hier verwendete Begriff Lichtstrahl umfasst daher auch solche elektromagnetischen Wellen.

Der Laserscanner 10 beinhaltet einen Lichtsender 12 und einen Lichtempfänger 14, die beide mit einer Auswerte- und Steuereinheit 16 verbunden sind. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel beinhaltet der Lichtsender 12 eine Laserdiode 13 (siehe Darstellung in Fig. 5 und 6), die dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl 18 auszusenden, um einen Objektpunkt an einem Objekt 20 zu beleuchten. Der Laserstrahl 18 wird hier mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal amplitudenmoduliert, wie dies nachfolgend anhand der Figuren 2 bis 6 näher erläutert ist. Der Sendelichtstrahl besitzt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Wellenlänge von etwa 790 nm.

Der Laserstrahl 18 wird hier über einen Spiegel 22 zu dem Objekt 20 umgelenkt. Mit der Bezugsziffer 24 ist ein Empfangslichtstrahl bezeichnet, der von dem Objekt 20 reflektiert wird und der über den Spiegel 22 zu dem Empfänger 14 umgelenkt wird. Die Auswerte- und Steuereinheit 16 ist dazu ausgebildet, die Entfernung des Laserscanners 10 zu dem beleuchteten Punkt an dem Objekt 20 aus der Laufzeit des ausgesendeten Laserstrahls 18 und des empfangenen reflektierten Strahls 24 zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird eine Phasenverschiebung zwischen dem Sendelichtstrahl 18 und dem Empfangslichtstrahl 24 bestimmt und ausgewertet.

Der Spiegel 22 ist hier an der vorderen Stirnfläche eines Zylinders 26 angeordnet, der über eine Welle 28 mit einem Drehantrieb 30 verbunden ist. Mit Hilfe des Drehantriebes 30 kann der Spiegel 22 um eine Drehachse 32 gedreht werden. Die jeweilige Drehstellung des Spiegels 22 lässt sich mit Hilfe eines Encoders 34 bestimmen. Die Ausgangssignale des Encoders 34 sind ebenfalls der Auswerte- und Steuereinheit 16 zugeführt, was hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Drehachse 32 horizontal angeordnet und der Spiegel 22 ist gegenüber der Drehachse 32 in einem Winkel von etwa 45° geneigt. Eine Drehung des Spiegels 22 um die Horizontalachse 32 hat daher zur Folge, dass der Sendelichtstrahl 18 entlang einer Vertikalebene (Eleva- tion) abgelenkt wird, die senkrecht zu der Drehachse 32 steht. Der Sendelichtstrahl 18 bildet gewissermaßen einen Fächer, mit dem der Raumbereich 36 in einer Vertikalebene abgetastet wird.

Der Laserscanner 10 besitzt hier eine Gehäusestruktur, die im Wesentlichen zwei Gehäuseteile 38, 40 aufweist. Die Gehäuseteile 38, 40 sind auf einer gemeinsamen Grundplatte 42 angeordnet. Der Sender 12, der Empfänger 14 und die Auswerte- und Steuereinheit 16 sind in dem in Fig. 1 links dargestellten Gehäuseteil 38 untergebracht. Der in Fig. 1 rechts dargestellte Gehäuseteil 40 beherbergt den Drehantrieb 30 mit dem Encoder 34 und dem Zylinder 26, wobei der Zylinder 26 mit dem Spiegel 22 aus dem Gehäuseteil 40 herausragt, so dass der Spiegel 22 etwa mittig zwischen den beiden Gehäuseteilen 38, 40 angeordnet ist.

Die Grundplatte 42 ist auf einem Drehantrieb 44 angeordnet, der auf einem Stativ 46 sitzt. Das Stativ 46 ist in der Höhe verstellbar und besitzt eine Skalierung 48, um eine reproduzierbare Höheneinstellung vornehmen zu können. Mit der Bezugsziffer 50 ist ein weiterer Encoder bezeichnet, mit dessen Hilfe sich die Drehposition des Drehantriebs 44 bestimmen lässt Die Ausgangssignale des Encoders 50 sind ebenfalls der Auswerte- und Steuereinheit 16 zugeführt (hier nicht dargestellt).

Der Drehantrieb 44 ermöglicht eine Drehung des Laserscanners 10 um eine vertikale Achse 52, die zusammen mit der Drehachse 32 einen Achsen Schnittpunkt definiert. Der Achsenschnittpunkt liegt etwa mittig auf dem Spiegel 22 und definiert in bevorzugten Ausführungsbeispielen den Ursprung eines Koordinatensystems, auf das sämtliche Entfernungsmesswerte bezogen sind. Mit Hilfe des Drehantriebes 44 kann der vertikale „Abtastfächer", der mit Hilfe des rotierenden Spiegels 22 erzeugt wird, um bis zu 360° im Azimut gedreht werden. Damit kann der Sendelichtstrahl 18 nahezu jeden Objektpunkt in der Umgebung des Laserscanners 10 beleuchten. Eine Abschattung findet lediglich nach unten hin durch die Grundplatte 42 statt, so dass der Blickwinkel des Laserscanners 10 nach un- ten hin begrenzt ist.

Die Auswerte- und Steuereinheit 16 beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel einen Mikroprozessor 54 und ein FPGA (field programmable gate array) 56. Das FPGA 56 erzeugt hier ein binäres rechteckwellenförmiges Modulationssignal, mit dem die Laserdiode des Lichtsenders 12 angesteuert wird. Der Mikroprozessor 54 liest digitalisierte Empfangsdaten des Lichtempfängers 14 ein und bestimmt anhand dieser Daten die Entfernung d zwischen dem Laserscanner 10 und dem Objekt 20. Zusätzlich kommunizieren der Mikroprozessor 54 und das FPGA 56 miteinander, wobei der Mikroprozessor 54 unter anderem die Phaseninformation des Modulationssignals für die Laufzeitbestimmung erhält.

Fig. 2 zeigt drei idealisiert dargestellte Modulationssignale 60, 62, 64 über einer Zeitachse. Das erste Modulationssignal 60 ist ein rechteckwellenförmiges Modulationssignal mit einer Grundfrequenz von bspw. 125 MHz. Das zweite Modulationssignal 62 ist ein rechteckwellenförmiges Signal mit einer Grundfrequenz von 13 MHz und das dritte Modulationssignal 64 ist ein rechteckwellenförmiges Signal mit einer Grundfrequenz von 15 MHz. Bei der Bezugsziffer 66 ist ein Summensignal dargestellt, das sich aus einer Addition der drei Modulationssignale 60, 62, 64 ergibt. Das Summensignal 66 ist ein rechteckwellenförmiges Signal mit einer Anzahl von Rechteckpulsen 68, 70, die mit der Grundfrequenz des ersten Modulationssignals 60 aufeinander folgen. Aufgrund der Addition mit dem zweiten und dritten Modulationssignal 62, 64 besitzen die Rechteckpulse 68, 70 des Summensignals 66 allerdings unterschiedliche Pulshöhen. Das Summensignal 66 ist daher ein kombiniertes Signal, in dem zusätzlich zu der Basisfrequenz des ersten Modulationssignals 60 weitere Signalfrequenzen enthalten sind. Insbesondere beinhaltet das Summensignal 66 eine Signalfrequenz, die der Differenz der Basisfrequenzen des zweiten und dritten Modulationssignals 62, 64 entspricht. Diese weitere Signalfrequenz zeigt sich in dem periodischen Muster, mit dem die höchsten Rechteckpulse 68 über den bei der Bezugsziffer 72 angedeuteten Schwellenwert hinausgehen. Darüber hinaus enthält das Summensignal 66 eine Signalfrequenz, die dem Mittelwert aus den Grundfrequenzen der beiden Modulationssignale 62, 64 entspricht. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Summensignal somit eine Signalfrequenz von etwa 2 MHz (15 MHz - 13 MHz) und eine Signalfrequenz von etwa 14 MHz (15 MHz + 13 MHz/2). Das Summensignal 66 eig- net sich damit als Modulationssignal für eine Amplitudenmodulation des Sendelichtstrahls 18, wobei die relativ hohe Signalfrequenz von 125 MHz eine Feinphase für die genaue Bestimmung der Entfernung d liefert, während die niedrige Signalfrequenz von 2 MHz eine Grobphase für einen großen Eindeutigkeitsbereich liefert. Es versteht sich, dass diese unterschiedlichen Signalfrequenzen und Phasendifferenzen in der Auswerte- und Steuereinheit der neuen Vorrichtung entsprechend ausgewertet werden, und zwar vorzugsweise in jedem einzelnen Messzyklus.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Pulsamplitude des ersten Modulationssignals 60 doppelt so hoch wie die Pulsamplitude des zweiten und des dritten Modulationssignals 62, 64. Dies hat zur Folge, dass das Summensignal 66 ein quaternäres Signal ist, bei dem die Rechteckpulse 68, 70 einen von vier möglichen Pulswerten annehmen. Grundsätzlich kann dieses quaternäre Signal 66 als Modulationssignal für den Sendelichtstrahl verwendet werden.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird allerdings nicht das quaternäre Summensignal 66, sondern ein binäres Modulationssignal 74 verwendet, das sich aus dem Summensignal 66 ergibt, indem lediglich die Rechteckpulse 68 verwendet werden, die über den Pulswert bei der Bezugsziffer 72 hinausreichen. Mit anderen Worten werden hier lediglich die „hohen" Pulsspitzen des Summensignals 66 verwendet, die in Fig. 2 mit der Bezugsziffer 68' bezeichnet sind. Der untere Teil des Signals 66 wird „abgeschnitten". Wie man anhand Fig. 2 erkennen kann, wechseln die zeitlichen Abstände PA zwischen den Rechteckpulsen 68' periodisch. Des Weiteren variiert die Anzahl von Rechteckpulsen 68' pro Gruppe 76 von Rechteckpulsen 68'. Das Modulationssignal 74 ist daher ein frequenzmoduliertes, rechteckwellenförmiges, binäres Signal, dessen Grundfrequenz der Grundfrequenz des ersten Modulationssignals 60 entspricht (hier also 125 MHz). Diese Grundfrequenz ist mit der Schwebungsfrequenz, die sich aus der Frequenzdifferenz des zweiten und dritten Modulationssignals 62, 64 ergibt, frequenzmoduliert.

Fig. 3 zeigt ein mit Hilfe eines digitalen Schalkreises berechnetes Modulationssignal, das dem Modulationssignal 74 aus Fig. 2 entspricht. Fig. 4 zeigt das Frequenzspektrum des Modulationssignals aus Fig. 3. Bei der Bezugsziffer 80 ist ein erster Peak zu erkennen, der einen hohen Signalanteil bei der Grundfrequenz von 125 MHz anzeigt. Mit der Bezugsziffer 82 sind weitere Peaks bezeichnet, die bei 375 MHz, 625 MHz, 875 MHz etc. liegen. Es handelt sich hier um ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz, die typisch für ein rechteckwellenförmiges Signal sind.

Bei den Bezugsziffern 84, 86 sind weitere Peaks zu erkennen, die infolge der Kombination mit dem zweiten und dritten Modulationssignal 62, 64 auftreten. Die weiteren Peaks 84, 86 kennzeichnen Frequenzanteile, die in dem kombinierten Modulationssignal 74 ebenfalls enthalten sind und die in den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusätzlich zu der Grundfrequenz des ersten Modulationssignals 60 ausgewertet werden, um die Laufzeit des Sendelichtstrahls 18 und des Empfangslichtstrahls 24 und infolgedessen die Entfernung d zu bestimmen. In derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen werden lediglich die Grundfrequenzen, nicht jedoch die weiteren harmonischen Frequenzen 82, 88 ausgewertet, um eine Phasenverschiebung zwischen dem Sendelichtstrahl 18 und dem Empfangslichtstrahl 24 zu bestimmen. In anderen Ausführungsbeispielen können auch noch die harmonischen Frequenzen, d.h. die Frequenzen bei den Peaks 82 und die jeweils darum gruppierten Frequenzen 88 ausgewertet werden. In den derzeit bevorzugten Ausführungsbeispielen werden die harmonischen Frequenzen 82, 88 mit Hilfe eines geeigneten Eingangsfilters im Bereich des Lichtempfängers 14 unterdrückt. Es versteht sich, dass ein solches Eingangsfilter (hier nicht dargestellt) entfallen kann und/oder modifiziert werden muss, wenn die harmonischen Frequenzanteile ebenfalls ausgewertet werden sollen.

In dem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Modulationssignal 74 mit Hilfe eines digitalen Schaltkreises in Form des FPGAs 56 als binäres rechteckwellenförmiges Modulationssignal erzeugt. In dem FPGA 56 ist zu diesem Zweck eine Rechenvorschrift und/oder eine Wertetabelle hinterlegt, die die Modulationssignale 60, 62, 64 repräsentiert. Mit Hilfe dieser Rechenvorschrift und/oder eine Wertetabelle erzeugt das FPGA 56 die binäre Pulsfolge, die als Modulationssignal 74 dem Lichtsender 12 zugeführt ist.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem das Modulationssignal für den Lichtsender 12 auf analoge Weise erzeugt wird. Wie man anhand Fig. 5 erkennen kann, beinhaltet der Lichtsender 12 die Laserdiode 13 und einen Transistor 90, durch den ein Steuerstrom I fließt, mit dem die Laserdiode 13 gespeist wird. Indem man den Steuerstrom I durch den Transistor 90 variiert, erzeugt man eine Amplitudenmodulation des von der Laserdiode 13 erzeugten Laserlichts, Die Phasenlage des Steuerstroms I ist ein Maß für die Phasenlage des Modulationssignals, mit dem der Sendelichtstrahl moduliert ist. Vorzugsweise wird die Phasenlage des Steuerstroms I mit einem Phasendetektor 91 gemessen und als Referenzphase an den Mikroprozessor 54 gemeldet. In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Teil des ausgesendeten Lichtstrahls mit einem Signalteiler abgezweigt und der abgezweigte Teil wird mit einer lichtempfindlichen Monitordiode gemessen. Man erhält auf diese Weise die Phasenlage des Modulationssignals im ausgesendeten Lichtstrahl. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Übertragung der Phaseninformation ein Kommunikationskanal des FPGA 56 verwendet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird die Basis des Transistors 90 mit einem Summensignal gespeist, das bspw. dem Summensignal 66 aus Fig. 2 entspricht. Das Summensignal wird erzeugt, indem ein erstes Modulationssignal 60, ein zweites Modulationssignal 62 und ein drittes Modulationssignal 64 an einem Summationspunkt 91 addiert werden. Die Modulationssignale 60, 62, 64 werden mit Hilfe von drei sinusförmigen Signalen 92, 94, 96 erzeugt. Jedes der drei sinusförmigen Signale 92, 94, 96 wird mit Hilfe eines Verstärkers 98 verstärkt und anschließend über einen Begrenzer 100 „abgeschnitten". Auf diese Weise werden aus den sinusförmigen Signalen 92, 94, 96 rechteckwellenförmige Signale, wie sie in Fig. 2 idealisiert dargestellt sind.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dieselben Elemente wie zuvor. In diesem Ausführungsbeispiel werden die sinusförmigen Signale 92, 94, 96 mit Hilfe der Verstärker 98 jeweils so stark verstärkt, dass das Summensignal den Transistor 90 jeweils in die Sättigung führt. In diesem Ausführungsbeispiel wirkt der Transistor 90 selbst als Begrenzer, der aus den sinusförmigen Modulationssignalen 92, 94, 96 das rechteckwellenförmige Modulationssignal erzeugt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung (d) zu einem Objekt (20), mit den Schritten :

Aussenden eines Sendelichtstrahls (18) von einem Lichtsender (12),

Empfangen eines Empfangslichtstrahls (24) mit einem Lichtempfänger (14), wobei der Empfangslichtstrahl (24) durch Reflexion des Sendelichtstrahls (18) an dem Objekt (20) entsteht, und

Bestimmen der Entfernung (d) anhand einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls (18, 24), wobei der Sendelichtstrahl (18) mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal (66; 74) amplitudenmoduliert wird, und wobei das Modulationssignal (66; 74) eine Vielzahl von Rechteckpulsen (68; 68') besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen (76; 76') auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (76; 76') in variierenden zeitlichen Abständen (PA) zueinander auftreten und wechselnde Anzahlen von Rechteckpulsen (68; 68') ausweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitlichen Abstände (PA) periodisch wechseln.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl von Rechteckpulsen (68; 68') pro Gruppe (76) periodisch wechselt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationssignal (66; 74) erzeugt wird, indem ein erstes rechteckwellenförmiges Modulationssignal (60) mit einer ersten Modulationsfrequenz und ein zweites rechteckwellenförmiges Modulationssignal (62) mit einer zweiten Modulationsfrequenz addiert werden, wobei die erste Modulationsfrequenz groß gegenüber der zweiten Modulationsfrequenz ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein drittes rechteckweüenförmiges Modulationssignal (64) mit einer dritten Modulationsfrequenz zu dem ersten und zweiten rechteckwellenförmigen Modulati- onssignal (60, 62) addiert wird, wobei die zweite und die dritte Modulationsfrequenz verschieden voneinander sind, und wobei die erste Modulationsfrequenz auch groß gegenüber der dritten Modulationsfrequenz ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und das dritte Modulationssignal (62, 64) weitgehend gleiche Pulsamplituden haben.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Modulationssignal (60) eine größere Pulsamplitude besitzt als das zweite Modulationssignal (62).

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rechteckpulse (68') des Modulationssignals (74) eine weitgehend gleiche Pulsamplitude haben.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rechteckwellenförmige Modulationssignal (74) mit Hilfe eines digitalen Schaltkreises (56) als binäres rechteckwellenförmiges Modulationssignal erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das rechteckwellenförmige Modulationssignal aus zumindest zwei sinusförmigen Signalen (92, 94, 96;) unterschiedlicher Frequenz erzeugt wird, wobei die sinusförmigen Signale (92, 94, 96; 92', 94', 96') jeweils verstärkt und amplitudenbegrenzt werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls (18, 24) anhand einer Phasendifferenz des Modulationssignals (66; 74) im Sendelichtstrahl (18) und im Empfangslichtstrahl (24) bestimmt wird, wobei die Phasenlage des Modulationssignals (66; 74) im Sendelichtstrahl an dem Lichtsender (12) gemessen wird.

12. Vorrichtung zum Bestimmen einer Entfernung (d) zu einem Objekt (20), mit einem Lichtsender (12) zum Aussenden eines Sendelichtstrahls (18), einem Lichtempfänger (14) zum Empfangen eines Empfangslichtstrahls (24), wobei der Empfangslichtstrahl (24) durch Reflexion des Sendelichtstrahls (18) an dem Objekt (20) entsteht, und einer Auswerteeinheit (16) zum Bestimmen der Entfernung (d) des Objekts (20) anhand einer Laufzeit des Sende- und Empfangslichtstrahls (18, 24), wobei der Sendelichtstrahl (18) mit einem rechteckwellenförmigen Modulationssignal (66; 74) amplitudenmoduliert ist, und wobei das Modulationssignal (66; 74) eine Vielzahl von Rechteckpulsen (68; 68') besitzt, die in einer Vielzahl von Gruppen (76; 76') auftreten, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen (76; 76') in variierenden zeitlichen Abständen (PA) zueinander auftreten und verschieden viele Rechteckpulse (68; 68') aufweisen.