WO2013174613A1

WO2013174613A1 - Lichtlaufzeitkamerasystem

Info

Publication number: WO2013174613A1
Application number: PCT/EP2013/058735
Authority: WO
Inventors: Ralph Wilks; Christian Prestele
Original assignee: Ifm Electronic Gmbh
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2013-11-28
Also published as: US9726762B2; DE102013207651A1; DE102013207651B4; US20150103330A1

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems, das mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, mit den Schritten a) Ermittlung einer Phasenverschiebung (φ_i) eines emittierten und empfangenen Signals (Sp1, Sp2) für eine Modulationsfrequenz (f₁, f₂, f₃) in einem Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂,...), b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...), c) Ermittlung eines Entfernungswerts (d_n,n+1) anhand der in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM_n, PM_n+1) ermittelten Phasenverschiebungen (φ_n, φ_n+1) in einem Distanzmesszyklus (M₁, M₂,...), d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen (M₁, M₂,...) e) Ermittlung einer Distanzabweichung (Δd) zwischen Entfernung s werten aufeinander folgender Distanzmesszyklen, f) Ausgabe eines Entfernung s wert (d_n,n+1) als gültigen Entfernungswert, wenn die Distanzabweichung (Δd) innerhalb einer Toleranzgrenze (Δd_tol) liegt.

Description

Lichtlaufzeitkamerasystem

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D- TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF- Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747, US 6 587 186 und auch DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH' oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber 03D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät OID der Anmelderin.

Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der

Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ (Inphase, Quadratur)- Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, mit den Schritten:

a) Ermittlung einer Phasenverschiebung eines emittierten und empfangenen Signals für eine Modulationsfrequenz in einem Phasenmesszyklus,

b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen,

c) Ermittlung eines Entfernungswerts anhand der in zwei aufeinander folgenden

Phasenmesszyklen ermittelten Phasenverschiebungen in einem Distanzmesszyklus, d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen

e) Ermittlung einer Distanzabweichung zwischen Entfernung s werten aufeinander folgender Distanzmesszyklen,

f) Ausgabe eines Entfernung s wert als gültigen Entfernungswert, wenn die Distanzabweichung innerhalb einer Toleranzgrenze liegt.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass aufgrund der Verwendung mehrerer

Modulationsfrequenzen der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmessung erhöht und zudem die Ermittlung eines eindeutigen Entfernungswerts verbessert werden kann. Darüber hinaus wird eine Störung mehrere Lichtlaufzeitkamerasysteme untereinander durch den ständigen Wechsel der Modulationsfrequenzen reduziert.

Ferner ist es vorteilhaft, dass trotz einer Auswertung mehrerer Phasen durch die zyklische Messung die effektiven Framerate nicht reduziert wird.

Die tolerierten Abweichungsgrenzen werden nach unten typischerweise durch

Signalrauschen, Eigenbewegung und Objektbewegungen begrenzt, wobei vorteilhaft die Abweichungsgrenze so festgelegt wird, dass vornehmlich Entfernung s-Fehlzuordnungen erkannt werden.

Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Modulator, der mit einer Beleuchtung und einem Empfänger des Lichtlaufzeitkamerasystems verbunden ist, wobei ein Modulationssteuergerät mit dem Modulator verbunden ist und derart ausgestaltet ist, dass der Modulator mit mindestens drei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, und das eine Auswerteeinheit dem Empfänger zugeordnet und derart ausgestaltet ist, dass ein

Entfernung s wert nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn eine Distanzabweichung aufeinander folgenden, ermittelten Entfernung s werte innerhalb einer Toleranzgrenze liegt. Es zeigen:

Figur 1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,

Figur 2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,

Figur 3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,

Figur 4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,

Figur 5 eine Distanzmessung mit einer Wellenlänge,

Figur 6 eine Distanzmessung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen,

Figur 7 einen Verlauf der Phasenverschiebungen mit dem Abstand,

Figur 8 einen Verlauf der Distanzwerte für unterschiedliche Wellenlängen,

Figur 9 bis 11 schematisch eine Entfernungsbestimmung für unterschiedliche Wellenlängen,

Figur 12 einen zeitlichen Ablauf der Distanzmessungen,

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

Figur 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer

Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem

Lichtlaufzeitsensor 22.

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel- Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als

Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfang s- als auch sendeseitig verzichtet werden.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M_Q mit einer Basisphasenlage c o beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase c o des Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen (p_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von (p_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein

intensitätsmoduliertes Signal S_pl mit der ersten Phaselage pl bzw. pl = c o + (p_var aus. Dieses Signal S_pl bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend

phasenverschoben Δφ(^) mit einer zweiten Phasenlage p2 = c o + cp_Var + Δφ(^) als

Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M_Q mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem

resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs ist es vorteilhaft, die Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulations Steuergerät 38 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenz Spektrums

Modulationsfrequenzen vorgeben kann.

Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 38 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird. Auch ist ein Umschalten zwischen Quarzoszillator mit festen Frequenzen denkbar.

Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die

Aus werteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein. Aufgabe der Aus werteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz

Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen

Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. PMD-Sensor. Ferner kann das Modulationssteuergerät 38 auch Bestandteil der

Aus werteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die

Aus werteeinheit 27 die Funktion des Modulations Steuergeräts 38 vollständig oder teilweise übernimmt.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbreichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht. Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals Mo mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(^) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten

Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals Mo in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage Mo + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(^) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

Figur 3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz Äq = q_a - q_b / (q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(^) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die Figur 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase Mo mit einer Phasenlage ( _var = 0 ° .

Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(^) = 0°,

beispielsweise, wenn das Sendesignal S_pi direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation Mo und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Aq = 1 anliegt.

Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(^) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung "- 1 ". Mit weiter zunehmender

Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.

Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal Mo. q(T) = jS_p2 (t - T)M₀(t)dt Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.

Wie Figur 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer

Phasenverschiebung Δφ(^) < 180° eindeutig.

Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase- Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen

Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage (p_var = 0 ° und ( var = 90 ° . Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage (p _var = 90 ° ist in Figur 3b dargestellt.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. Figur 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.

Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bestimmen:

Ag(90°)

φ = arctan

Aq(0°)

Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der

Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt.

Ag(90°) - Ag(270°)

φ = arctan

A(0°) - A^(180°)

Aus der in Figur 2 dargestellten laufzeitbedingten Phasenverschiebung Δφ(^) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d < λ/2 in bekannter Weise ein Abstand bestimmen.

Für Entfernungen d > λ/2 besteht in der Regel keine Möglichkeit die Phasenverschiebung absolut zu messen, so dass die ermittelte Phasenverschiebung nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden kann.

Figur 5 zeigt ein Beispiel, bei dem das Objekt 40 einen Abstand d vom Sender 10 von d = 2A+— aufweist, wobei selbstverständlich die bis zum Empfänger 20 zurückgelegt Wegstrecke doppelt so groß ist, nämlich D = 2d = 4Ä + R

Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs ist es, wie in Figur 6 schematisch dargestellt, vorgesehen, mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen respektive

Modulationswellenlängen eine Objektabstand d zu bestimmen. Der Einfachheit halber ist in Figur 6 die Gesamtstrecke D zwischen Sender 10 und Empfänger 20 dargestellt. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs der beiden Wellenlängen λι, λ₂, der typischerweise durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen λι, λ₂ aufgespannt wird, gilt folgende

Distanzgleichung:

mit

R_i = D - (modX:₎ = <p_i{f_i, D)^- wobei für die von der Modulationsfrequenz und dem Objektabstand abhängige relative Phasenverschiebung ( i(fj,D) gilt:

• 2 r(mod 2π) =—^■ 2 r(mod 2π)

Ä:

Die relative Phasenverschiebung ( i(fj,D) ist somit ein Maß für das in der Entfernungsmessung verbleibende Reststück Rj. Für die Entfernungsbestimmung kann nun mit zwei für

unterschiedliche Modulationsfrequenzen fi, f₂ erfassten Phasenverschiebungen cpi_/2(fi_/2,D) eine Lösung für die oben dargestellte Distanzgleichung gefunden werden.

Ein möglicher Lösungsweg ist in Figur 7 schematisch dargestellt. Die Figur 7 zeigt zwei relative Phasenverschiebung cpi_/2(fi_/2,D) in Abhängigkeit des doppelten Objektabstandes 2d = Gesamtweglänge D für zwei unterschiedliche Frequenzen fi, f₂. Mit durchgezogener Linie ist die Phasenverschiebung c i für fi = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 40 m und mit gestrichelter Line für f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m dargestellt. Der Eindeutigkeitsbereich EBi₂ für die beiden Frequenzen fi, f₂ ergibt sich in bekannter Weise aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Wellenlänge λ_ΐ5 λ₂, also hier 120 m.

Für jeden Entfernungswert bzw. jeder Gesamtweglänge D innerhalb des gemeinsamen Eindeutigkeitsbereich EBi₂ gibt es genau ein Phasendifferenzpaar (φι, φ₂). Für den beispielhaften Entfernung s wert D von 23 m, also einem Objektabstand d von 11,5 m, ergibt sich ein Phasendifferenzpaar von ca. (1,2 I 0,8).

In einem möglichen Anwendungsfall könnte es beispielsweise vorgesehen sein, eine geeignete Anzahl von Phasendifferenzpaaren mit dem ihnen zugeordneten Entfernung s wert D oder Objektabstand d in einer Wertetabelle abzulegen. Bei einer Entfernungsmessung kann dann beispielsweise ermittelt werden, welches tabellierte Phasendifferenzpaar mit einem entsprechend zugeordnetem Entfernung s wert dem ermittelten Phasendifferenzpaar am nächsten kommt. Alternativ kann der Objektabstand auch jedesmal berechnet werden.

Figur 8 entspricht der Darstellung gemäß Figur 7 mit dem Unterschied, dass auf der y- Achse die Länge des jeweiligen Reststücks aufgetragen ist mit:

R_i = D - {modX:₎ = <p_i{f_i, D)^-

Im dargestellten Beispiel sind bis zu einer Gesamtweglänge D, die der kleinsten Wellenlänge entspricht, also hier 40 m, beide Reststücke gleich lang. Für eine Gesamtstrecke D von beispielsweise 70 m hingegen sind die Reststücke unterschiedlich groß.

Der in den Figuren 7 und 8 dargestellte Zusammenhang von Phase und Abstand lässt sich vorteilhaft in einem so genannten Modulodiagramm gemäß den Figuren 9 bis 11 darstellen. Auf der x- und y- Achse sind die Phasenwerte c i und φ₂ für eine erste und zweite

Modulationsfrequenz und auf der sekundären x- und y- Achse die den Phasenwerten entsprechenden Distanzwerte bzw. Reststückwerte di, d₂ dargestellt. Wie bereits erwähnt existiert für einen Entfernwert innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur ein einziges

Phasenwertepaar.

Figur 9 zeigt ein Modulodiagramm für die Frequenzen fi = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge _\ = 40 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m wie bereits in Figur 7 und 8 dargestellt. Die Kurve beginnt mit dem Phasendifferenzpaar (0 I 0) für D = 0. Erreicht die Gesamtweglänge des vom Objekt reflektierten Licht die Wellenlänge λ₁ = 40 m der ersten Modulationsfrequenz so erreicht auch der Phasenwert seinen maximalen Wert, nämlich 2π mit dem Phasenwertepaar (2 I 1,33). Mit größer werdender Entfernung springt die Kurve immer an den Punkten, an denen eine der beiden Phasenwerte einen 2π -Wert durchläuft, bis ein Eindeutigkeitsbereich EB von 120 m erreicht ist.

Eine Entfernung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, indem ein ermitteltes Phasenwertepaar einem Entfernungspunkt der Distanzkurve zugeordnet wird. Im in Figur 9 dargestellten Fall ist exemplarisch ein gemessenes Phasenwertepaar mit (1,05 I 0,85) eingezeichnet. Dieses Phasenwertepaar liegt nicht auf der Distanzkurve und ist nun einem Entfernungspunkt auf einer der beiden Kurvenabschnitte zuzuordnen. Der Abstand dAB zwischen den Kurvenabschnitten ist bekannt. Für die Zuordnung ist es daher ausreichend den Abstand dA, dß zu einer der beiden Kurvenabschnitte zu bestimmen. Der Objektabstand bestimmt sich alsdann aus dem am nächsten liegenden Entfernungspunkt. Im dargestellten Fall kann dem Phasenwertepaar ein Entfernungwert D von 23 m, also einem tatsächlichen Objektabstand d von 11,5 m zugeordnet werden.

Liegt hingegen ein erfasstes Phasenwertepaar beispielsweise in der Mitte der benachbarten Entfernungsgerade bzw. Kurvenabschnitte ist die Entfernungszuordnung unklar. In einem solchen Fall könnte statt der tatsächlichen Entfernung von 23 m dem Phasenwertepaar eine Entfernung von 93 m zugeordnet werden.

Fehlzuordnungen entstehen jedoch nicht nur durch unklare Phasenwertepaare, sondern auch durch Überreichweiten von Objekten außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs. Im dargestellten Fall erstreckt sich der Eindeutigkeitsbereich EB bis 120 m Gesamtdistanz D, also einem maximalen Objektabstand d von 60 m. Typischerweise ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgelegt, dass Objekte außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur noch ein geringes Signal liefern und in der Auswertung unberücksichtigt bleiben. Objekte mit einer hohen Reflektivität können jedoch eine ausreichend hohe Signalstärke am Sensor erzeugen und werden als Objekt erkannt.

Seht ein solches Objekt beispielsweise in einer tatsächlichen Entfernung von d = 71, 5, also einer Gesamtlaufstrecke von 143 m, wird ein solches Objekt aufgrund des auf 120 m begrenzten Eindeutigkeitsbereich mit einer Gesamtdistanz D von 23 m erfasst. Bei einer Überreichweite mit der Gesamtstrecke von 213 m ergibt sich ein Distanzwert D von 93 m. Um derartige Fehlzuordnungen zu erkennen ist es erfindungsgemäße vorgesehen, die

Entfernungsmessung mit weiteren unterschiedlichen Modulationsfrequenzen und

entsprechend unterschiedlichen Eindeutigkeitsbereichen zu wiederholen und

Entfernung s werte nur dann zuzulassen, wenn vorzugsweise alle oder eine vorbestimmte Anzahl von Entfernungsmessungen innerhalb tolerierter Grenzen zum selben Ergebnis führen.

In Figur 10 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung fi = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 40 m und f₂ = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 50 m dargestellt. Diese Frequenzpaarung spannt einen Eindeutigkeitsbereich EB bis 200 m auf. Das mit dieser Frequenzpaarung ermittelte Phasenwertepaar kann einer Entfernung von 23,3 m zugeordnet werden. Bei einem unklaren Phasenwertepaar könnte die Entfernung auf 178 m springen. Für die genannten Überreichweitenbeispiel von D = 143 m und D = 213 m würden sich Entfernung s werte D = 143 m und D = 13 m ergeben.

In Figur 11 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung fi = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁ = 50 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m dargestellt mit einem Eindeutigkeitsbereich von 300 m. Das mit dieser Frequenzpaarung ermittelte Phasenwertepaar kann einer Entfernung von 22,9 m zugeordnet werden. Eine Fehlzuordnung durch ein unklares Phasenwertepaar führt ggf. zu einem Entfernungswert von 267,5 m. Für die genannten Überreichweitenbeispiele von D = 143 m und D = 213 m würden sich bei eindeutiger Zuordnung Entfernung s werte D = 143 m und D = 213 m ergeben.

In folgender Tabelle sind einige Beispiele von Fehlzuordnungen und Messrauschen dargestellt:

Distanzmesszyklus 1 2 3 4 5 6 7 8 9

EB 120 200 300 120 200 300 120 200 300

Distanz dl2 d₂₃ d₃₁ dl2 d₂₃ d₃₁ dl2 d₂3 d₃i

Unklare Phasenwertepaare

D = 23 m 23 178 267,5 93 23 23 93 23 267,5

Überreichweite

D = 143 m 23 143 143 23 143 143 23 143 143

D = 213 m 93 13 213 93 13 213 93 13 213

D = 340 m 100 140 40 100 140 40 100 140 40

Signalrauschen

D = 23 m 23,2 22.5 23,0 23,4 23,4 22,8 22,7 23,1 22,9 Im dargestellten Beispiel ist zu erkennen, dass durch Signalrauschen verursachte Messschwankungen um Größenordnungen kleiner sind als die durch Überreichweiten oder durch unklare Messwerte generierten Fehlzuordnungen. Während durch Signalrauschen verursachte Schwankungen ohne weiteres durch Mittelung geglättet werden können, müssen fehlerhaft zugeordnete Entfernung s werte erkannt und ggf. verworfen werden.

Hinsichtlich der Überreichweiten könnte beispielsweise festgelegt werden, dass ein

Distanzmesswert nur dann gültig ist, wenn in zwei aufeinanderfolgenden Distanzmesszyklen im Wesentlichen der gleiche Entfernungswert ermittelt wird. Gemäß einer solchen Vorschrift würde entsprechend der obigen Tabelle für eine Überreichweite von 143 m nach Durchlaufen des zweiten und dritten Distanzmesszyklus ein Entfernung s wert von 143 m als gültig erkannt werden. Werden mindestens drei gleiche Entfernungswerte gefordert, so werden im dargestellten Beispiel alle Überreichweiten größer 120 m verworfen.

Figur 12 zeigt beispielhaft eine zeitliche Abfolge einer erfindungsgemäßen

Entfernungsmessung für unterschiedliche Frequenzpaarungen, bei der die relative

Phasenverschiebung ( i(fj,D) für jede Modulationsfrequenz fi mit vier Phasenlagen (p_var = 0°, 90°, 180°, 270° durchgeführt wird. Selbstverständlich sind auch Entfernungsmessungen mit weniger und ggf. auch mehr Phasenlagen denkbar.

In einem ersten Phasenmesszyklus PMi wird für eine erste Modulationsfrequenz fi eine erste Phasenverschiebung c i und für die nachfolgende Phasenmesszyklen PM₂/3 für eine zweite und dritte Modulationsfrequenz f₂, f₃ eine zweite und dritte Phasenverschiebung φ₂, φ₃ ermittelt. Nach dem dritten Phasenmesszyklus PM₃ beginnen die Phasenmessungen wieder mit der ersten Modulationsfrequenz fi und so fort. Bei mehr als drei Modulationsfrequenzen können auch andere Frequenz-Reihenfolgen, insbesondere auch zufällige Reihenfolgen gewählt werden.

Jeweils zwei aufeinander folgende Phasenmesszyklen PM_niI1+i bilden einen

Distanzmesszyklus M_n aus dem ein Phasenwertepaar (φ_η, φ_η+1) und ein diesem Paar zugeordneter Entfernung s wert d_nin+i ermittelt wird.

Erfindungsgemäß ist es hierbei vorgesehen, dass nur dann ein Entfernungswert d als gültig gewertet wird, wenn die Distanzdifferenz aufeinander folgenden Distanzmesszyklen innerhalb tolerierter Grenzen liegt. Ein mögliches erfindungsgemäßes Vorgehen ist beispielhaft in folgender Tabelle veranschaulicht:

Zur Erfassung von Fehlzuordnungen ist die Toleranzgrenze vorzugsweise deutlich oberhalb eines üblichen Signalrauschens und unterhalb eines minimal möglichen Entfernung s Sprungs durch Fehlzuordnung gesetzt. Ein übliches Signalrauschen kann beispielweise im

Winkelbereich bei π/100 und somit im Entfernungsbereich bei EB/100 angenommen werden. Im Fall gemäß Figur 9 würde sich somit eine untere Schwelle für die Toleranzgrenze von 1,2 m ergeben. Wie sich ferner der Figur 9 entnehmen lässt, sind Entfernung s spränge zur benachbarten Geraden von 70 m und 50 m möglich, somit bemisst sich der minimal mögliche Entfernung s sprang auf 50 m. Die Toleranzgrenze ist dann vorteilhaft zwischen 1,2 m und 50 m zu wählen. Geeignet wäre beispielsweise eine Toleranzgrenze Äd_toi auf ± 20 m.

Ausgangspunkt für die Anwendung der Toleranzgrenze ist im dargestellten Beispiel die Distanzdifferenz zum vorhergehenden Entfernungswert.

Mit Beginn der Messung liegt im ersten Distanzmesszyklus noch keine vorangegangene Distanzmessung vor, so dass der an sich zutreffenden Entfernung s werte nicht ausgegeben wird. Die Auswertung ist dann ab der zweiten Distanzmessung möglich.

Die im zweiten, dritten und vierten Messzyklus ermittelten Entfernung s werte liegen innerhalb der Toleranzgrenze, sind somit gültig und werden ausgegeben. Für bestimmte

Aus werte verfahren könnte es ggf. auch vorgesehen sein, den vorlaufenden Entfernung s wert rekursiv auszuwerten und auszugeben, wenn er innerhalb der Toleranz liegt, wie dies im dargestellten ersten Messzyklus der Fall ist.

Im fünften Messzyklus erfolgte eine Fehlzuordnung mit einem Distanzsprang auf 178 m, der die Toleranzgrenze überschreitet. Dieser Entfernung s wert ist ungültig und wird nicht ausgegeben. Ein gültiger Entfernungswert liegt erst wieder im siebten Distanzmesszyklus vor. Ggf. könnten auch hier der vorlaufende innerhalb der Toleranz liegende sechste

Entfernung s wert rekursiv als gültig ausgegeben werden. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen die Toleranzgrenze vornehmlich so festzulegen, dass sicher Fehlzuordnungen erkannt werden. Selbstverständlich kann die Toleranzgrenze je nach Genauigkeitsanforderung der Entfernungsmessungen enger gefasst werden.

Bei einer bewegten Kamera und/oder bewegten Objekten müssen zudem die

Bewegungsgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.

Wird die Kamera beispielsweise mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 m s bewegt und wird für jede Phasenmessung eine Erfassungsrate von 1/50 s angenommen, so verschiebt sich jeder Entfernungspunkt zwischen zwei Messungen um 0,2 m. D.h. bei drei aufeinander folgenden Messungen verschiebt sich ein Entfernungspunkt allein aufgrund der

Kamerabewegung um 0,6 m. Für die Festlegung der Toleranzgrenze wäre es somit von Vorteil vorzugsweise eine Kameraeigenbewegung ggf. auch eine zu erwartende

Objektbewegung und mögliche Messfehler zu berücksichtigen. Im vorliegenden Beispiel könnte beispielsweise die Toleranzgrenze, insbesondere die untere Schwelle für die

Toleranzgrenze, beispielsweise um 1,2 m erweitert werden.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, das mit mindestens drei Modulationsfrequenzen (fi, f₂, f₃) betreibbar ist,

a) Ermittlung einer Phasenverschiebung (φ eines emittierten und empfangenen Signals (Spl, Sp2) für eine Modulationsfrequenz (fi, f₂, f₃) in einem

Phasenmesszyklus (PMi, PM₂,...),

b) Durchführung mehrerer Phasenmesszyklen (PMi, PM₂,...),

c) Ermittlung eines Entfernungswerts (d_n,n+1) anhand der in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM_n, PM_n+i) ermittelten Phasenverschiebungen (φ_η, φ_η+ι) in einem Distanzmesszyklus (Mi, M₂, ...),

d) Durchführung mehrerer Distanzmesszyklen (Mi, M₂, ...)

e) Ermittlung einer Distanzabweichung (Äd) zwischen Entfernung s werten aufeinander folgender Distanzmesszyklen,

f) Ausgabe eines Entfernung s wert (d_n,n+1) als gültigen Entfernungswert, wenn die Distanzabweichung (Äd) innerhalb einer Toleranzgrenze (Äd_toi) liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der betragsmäßige Wert der Toleranzgrenze (Ädtoi) größer ist als ein Signalrauschen der Entfernungswerte und kleiner ist als ein minimal möglicher Entfernung ssprung.

3. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einem Modulator (30), der mit einer Beleuchtung (10) und einem Empfänger (20) des Lichtlaufzeitkamerasystems (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass

ein Modulations Steuergerät (38) mit dem Modulator (30) verbunden

und derart ausgestaltet ist, dass der Modulator (30) mit mindestens drei

Modulationsfrequenzen (fi, f₂, f₃) betreibbar ist,

und das eine Auswerteeinheit (27) derart ausgestaltet ist,

dass ein Entfernung s wert (dn,n+l) nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn eine Distanzabweichung (Äd) aufeinander folgenden, ermittelten Entfernung s werte (d_n,n+1) innerhalb einer Toleranzgrenze (Äd_toi) liegt.

4. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 3, das zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 2 ausgebildet ist.