WO2019149725A1 - Device and method for determining a distance to a moving object - Google Patents

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WO2019149725A1
WO2019149725A1 PCT/EP2019/052187 EP2019052187W WO2019149725A1 WO 2019149725 A1 WO2019149725 A1 WO 2019149725A1 EP 2019052187 W EP2019052187 W EP 2019052187W WO 2019149725 A1 WO2019149725 A1 WO 2019149725A1
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signal
time
distance
detector
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PCT/EP2019/052187
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Michael Patra
Jan Horn
Andy ZOTT
Vladimir Davydenko
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Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • G01S7/4912Receivers
    • G01S7/4917Receivers superposing optical signals in a photodetector, e.g. optical heterodyne detection

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining a distance of a moving object.
  • LIDAR optical distance measurement of objects u.a.
  • a measurement principle also known as LIDAR in which an optical signal, which is temporally changed in its frequency, is emitted toward the relevant object and evaluated after back reflection on the object.
  • FIG. 5 shows only a schematic representation of a known basic structure of a measuring device 40 in which an optical transmitter signal emitted by a light source or a transmitter 10 is split over a partially transmissive mirror 11 into two partial signals with a time-linearly changed frequency. These two sub-signals are superimposed on one another at a detector 50, wherein the first sub-signal 21 without reflection at the (in Fig. 5 denoted by "5") object to the detector 50 passes.
  • the second partial signal 22, on the other hand is conducted to the object 5 via an optical circulator 30, and is reflected back to the detector 50 with a time delay and a correspondingly changed frequency compared to the first partial signal 21.
  • the evaluation device 60 receives the signal from the detector 50 delivered measurement signal for determining the distance of the object 5 (in relation to the measuring device) evaluated.
  • the superposition of the two partial signals 21 and 22 at the detector 50 leads in a known manner to a total signal, which can be represented as the product of two oscillations, one of which the average frequency of the partial signals 21, 22 and the other the difference frequency the frequencies of the partial signals 21, 22 possesses, whereby with a real detector 50 only the difference frequency is temporally resolvable.
  • the difference frequency of the frequencies of the partial signals 21, 22 is not constant in time and only dependent on the time delay, as shown in FIG. 6a, but results from the Doppler effect a speed-dependent shift of the frequency of the second partial signal 22 reflected at the moving object 5 and thus also a temporal variation of the finally measured difference frequency, so that erroneous values are obtained in the distance determination without appropriate consideration.
  • Figs. 6b-6c are diagrams for explaining a conventional approach for overcoming this problem.
  • the influence of the Doppler effect on the obtained measurement result according to FIG. 6b is regarded as a constant offset and the measurement process is divided into two measurement sections, in which according to FIG. 6c the time derivative of the frequency generated by the transmitter 10 is opposite to each other.
  • This inversion of the slope of the temporal frequency dependence generated by the transmitter 10 is intended to ensure that the portion of the differential frequency dependent only on the distance of the object 5 is of opposite sign in both measuring sections,
  • the Doppler shift of the measured frequency has the same sign in both measuring sections.
  • the object movement thus has an apparent increase in the object distance in one of the two measurement sections, while an apparent reduction in the object distance results in the other measurement section, so that the "true" distance is set as the mean value of the measurement results obtained in both measurement sections.
  • An apparatus according to the invention for determining a distance of a moving object has:
  • a detector for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal and a second partial signal, wherein the first partial signal and the second partial signal have arisen by decomposing the transmitter signal, wherein the first partial signal reaches the detector without prior reflection at the object and wherein the second sub-signal reaches the detector after reflection from the object, the difference frequency signal detection signal being characteristic of the frequency of the second sub-signal and the frequency of the first sub-signal;
  • An evaluation device which is designed to, from the time course of the difference frequency (Aco (t)) and the time course of the frequency (co s (t)) of the transmitter signal self-consistent the time course of distance d (t) and speed v ( t) of the object.
  • the invention is based in particular on the concept of not determining, for the distance measurement of a moving object based on the conventional concept described with reference to FIG. 5, not just a single difference frequency and based on the distance calculation, but rather the search the desired distance of the object on the basis of a time profile of this difference frequency.
  • the present invention is intended to include both embodiments in which the relevant time profile of the differential frequency over a predetermined time interval is determined, as well as embodiments in which, as explained in more detail below one or more of the Characteristic parameters are determined over the course of the difference frequency.
  • the determination of the distance on the basis of the time profile of the difference frequency has the advantage that the effects of the movement of the object to be measured in terms of its distance, in particular due to the Doppler effect, are not taken into account - in an incorrectly simplified way - as a constant offset, but rather with a higher one Accuracy (in a sense, taking into account higher orders of the Doppler effect) are recorded varying over time and, as a result, highly accurate distance determinations with accuracies in the micrometer range can be realized even with moving objects in several meters distance.
  • the concept according to the invention has the advantage that according to the invention a linearization of the temporal frequency characteristic of the transmitter emitting the optical transmitter signal can be dispensed with, with the result that the apparatus cost associated with such a linearization can also be dispensed with.
  • This exact knowledge of the temporal frequency response of the transmitter signal can be achieved according to the invention in that either the said temporal frequency characteristic of the transmitter or the transmitter signal emitted by it is known from the outset due to sufficient knowledge of the characteristics of the transmitter, or that as described below the frequency of from the transmitter emitted optical transmitter signal via a suitable frequency measuring device, for is measured in the form of an interferometer.
  • the evaluation device is designed to determine the time profile of distance d (t) and speed v (t) by determining the parameters of a model for distance d (t) and speed v (t).
  • At least one of the parameters distance and speed is not constant in this model.
  • this model includes either an acceleration of the object or a temporal change of the distance due to a finite speed of the object.
  • the evaluation device is configured to determine at least one parameter characteristic of the time profile of the difference frequency.
  • the evaluation device is configured to determine the time profile of the difference frequency over a predetermined time interval.
  • this time interval comprises two sub-intervals with mutually opposite slope of the temporal frequency response.
  • the device further comprises a frequency measuring device for measuring the frequency of the signal emitted by the transmitter.
  • this frequency measuring device has an interferometer.
  • the time dependence of the frequency of the transmitter signal over a predetermined time interval with monotonous time dependency of this frequency deviates from a time-linear course by at least 0.1%, in particular by at least 0.5%, more particularly by at least 1%.
  • This criterion is to be understood as meaning that the time derivative of the function describing the time dependency of the frequency of the transmitter signal in the predetermined time interval from the mean time derivative over this time interval by at least 0.1%, in particular by at least 0.5%, more particularly by at least 1% deviates; this applies for at least 10% of this time interval.
  • the invention differs in particular further from the prior art cited at the outset with reference to FIG. 5 and FIGS. 6a-6d, since in this prior art deviations of the temporal frequency characteristic from linearity are already in the same range Deviations of the time dependency of the frequency of the transmitter signal from a time-linear course with an aspired high accuracy of the distance measurement would not be acceptable in the state of the art on the order of 0.1%.
  • the time dependency of the frequency of the transmitter signal deviates over a predetermined time interval with monotonous time dependency of this frequency from a time-linear course by a maximum of 25%, in particular a maximum of 20%, further in particular a maximum of 10%.
  • the difference frequency to be measured at a given distance from the object may become so great that it can no longer be resolved by the detector. If the time derivative becomes very small, the difference frequency to be measured decreases for a given distance to the object, which can reduce the resolution of the measurement. For each special application there is therefore an optimum value (best compromise) for the time derivation of the frequency.
  • An approximate (but not necessarily exact) linear progression of the frequency allows a derivative of the frequency, which is approximately equal to this ideal value, to be obtained at all times.
  • the invention further relates to a method for determining a distance of a moving object, the method comprising the following steps:
  • robot components such as robot arms or also in the traffic or automotive sector relevant objects (eg foreign vehicles) act.
  • Figure 1 is a schematic representation for explaining the possible
  • FIG. 2 shows a diagram for explaining the mode of operation of a device according to the invention in an exemplary embodiment
  • FIG. 3-4 show schematic representations of different exemplary embodiments for determining an instantaneous frequency used for distance determination in the present invention
  • Figure 5 is a schematic representation for explaining the structure of a conventional device for distance measurement.
  • a measuring device 100 has a transmitter 110 for emitting an optical transmitter signal 111 with a time-varying frequency, insofar as it is initially analogous to the conventional concept already described with reference to FIG. 5.
  • the optical transmitter signal 111 may be e.g. Have wavelengths in the visible range or in the infrared range. According to FIG. 1, this transmitter signal 111 is likewise split analogously to the structure of FIG. 5 via a partially transmissive mirror 115, with the result that two partial signals 121, 122 resulting from decomposition of the transmitter signal 111 arrive at a detector 150. Of these partial signals 121, 122, the first partial signal 121 reaches the detector 150 without prior reflection at an object 105 to be measured with respect to its distance, whereas the second partial signal 122, after reflection at the object 105, reaches the detector 150 via an optical circulator 130.
  • the detector 150 has a suitable sensor, for example in the form of a photodiode, and converts the optical heterodyne signal generated by superposing the partial signals 121, 122 into an electrical one Signal around.
  • another semitransparent mirror 112 is used to decouple a part of the first sub-signal 121, this part being guided via an interferometer 140 for the purpose of measuring the time-frequency curve of the transmitter signal 111.
  • the device according to the invention differs from the conventional concept according to FIG. 5, in particular with regard to the mode of operation of an evaluation device 160 present for evaluating the detector signal generated by the detector 150:
  • Superposition signal in an electrical signal determines a single difference frequency and is used for distance measurement, according to the invention from the time course l (t) of the electrical signal, a determination of the time course of the so-called instantaneous frequency.
  • l (t) the time course of the so-called instantaneous frequency
  • the detector signal generated by the detector 150 finally gives the time profile of the difference frequency Aco (t) between the received frequency co e (t) of the second partial signal 122 and the frequency co s (t) of the first partial signal 121 and the transmitter signal 111, the latter due to the measurement with the interferometer 140 (or already due to accurate knowledge of the transmitter 110) is known.
  • Sensible maximum difference frequencies can range from 100 MHz to 1 GHz, for less demanding applications including.
  • the time profile d (t) of the searched distance of the object 105 can be determined by parameterizing d (t) suitably eg according to the following equation (2):
  • the distance d (t) of the object 105 at a certain point in time t results from the fact that a signal 122a was sent from the measuring device 100 at an earlier time ti and reaches the object 105 at the time t. The reflected signal then reaches 122b at a later time t 2 again, the measuring device 100.
  • the relationship of the various times is given by the speed of light c of the medium between the measuring device 100 and object 105:
  • the frequency Wi22 a (t) of the signal 122a differs from the frequency (0i 22b (t) of the signal 122b.)
  • This effect is called the Doppler effect eg in the publication Aleksandar Gjurchinovski: "Reflection from a moving mirror - simple derivation using the photon mode! of light ", European Journal of Physics 34, L1 -4. The result is:
  • the velocity v (t) in equation (4) is only the component of the velocity of the object 105 along the direction between the measuring device 100 and the object 105. This definition is advantageous in that the distance d (t) to be determined is along is measured in this direction and then v (t) is the time derivative of d (t).
  • the frequency m (ti) of the transmitted signal is known, either because of a measurement using the interferometer 140 or because the characteristics of the transmitter 110 are sufficiently well known. This frequency is identical to the frequency wi 223 ( ⁇ i).
  • the signal 122 enters the detector 150 at the time t 2 .
  • This has the frequency c0i 22b (t 2 ), which depends in particular on the distance d (t), velocity v (t) and emitted frequency m (ti) according to the formulas given above.
  • c0i 22b (t 2 ) the frequency of the detector 150 at the time t 2 .
  • the signal 121 enters the detector at time t 2 .
  • This has the frequency u) m (t 2 ).
  • This system of equations makes it possible to derive Dw ( ⁇ 2 ) from the measured time course and the knowledge of Frequency course m (ti) self-consistent to determine the time course of distance d (t) and speed v (t) of the object 105.
  • the determination of d (t) and v (t) and the further processing can be simplified by d (t) and v (t) are parameterized appropriately, eg as a polynomial.
  • the measurement according to the invention of the time profile of the difference frequency can take place over predetermined time intervals or in a sequence of sections of signals, wherein in each section the temporal progression of the transmitter frequency is monotonous.
  • Typical measuring period durations that is to say time ranges with a monotonous change in the wavelength of the emitted radiation, can be in the range from 1 microsecond (ps) to 10 milliseconds (ms), for example.
  • the corresponding time profile of the distance d ⁇ k ⁇ t) can in principle be determined for every k th section from the difference frequency measured during this section.
  • the difference frequency can already change over time within a measuring section.
  • FIG. 2b shows a diagram for explaining a further possible embodiment, in which each time interval comprises two subintervals with mutually opposite slope of the temporal frequency profile.
  • the time derivation of the frequency of the transmitter signal 111 emitted by the transmitter 110 may be within the scope of the invention, for example in the range of 10 15 Flz / s to 10 18 Hz / s.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 is based on the consideration that an instantaneous frequency can be approximated by determining in each case a mean frequency over a multiplicity of (overlapping or non-overlapping) time windows.
  • One possible approach for determining the respective mean frequencies over a respective time window can be based on the implementation of fast Fourier transforms (FFT).
  • FIG. 3 shows the calculation both for the time profile of the differential frequency and for the frequency of the transmitter signal.
  • "311” denotes the intensity of the detector signal generated by the detector 150.
  • the energy content is determined over different frequency intervals, and in a function block 320 of these frequency intervals, the frequency interval with the highest energy content is searched out. Then again the energy as a function of the frequency is determined only for frequencies within the frequency interval in a function block 330. This process can be repeated until the width of an interval is smaller than the necessary measurement accuracy of the frequency.
  • the calculation for the temporal progression of the frequency of the transmitter signal in which case the detector signal measured at the interferometer 140 is used as the input signal 351 and wherein the functional blocks corresponding to the function blocks 310, 320 and 330 with 350, 360 or 370 are designated.
  • 411 or 451 is advantageously used instead of the real signal 411 or 451 with a complex signal 415 or 455, which consists only of the positive frequency component.
  • This signal can be determined in a manner known per se via a Flickertransformation (function block 410 or 450) from the real signal 411 or 451.
  • FFT fast Fourier transforms
  • the Hilbert transform provides a complex signal (with phase and amplitude) as a function of time.
  • the complex signal 415 or 425 is decomposed into phases 425 or 465 and amplitudes, wherein the amplitudes are not used in the further.
  • the phase derivative of the phase calculated in function blocks 430 and 470 is respectively smoothed with respect to possible measurement errors or existing signal noise via a low-pass filter 440 or 480 and then supplies the desired output signal 445 or 485 for the time profile of the instantaneous frequency or the frequency the transmitter signal.
  • Achievable accuracies for distances measured within the scope of the invention are better than 10 micrometers. This also applies in particular if the object in question moves at speeds of a few 100 m / s and accelerations of a few multiples of the gravitational acceleration. Sensible maximum measuring distances can be in the range of (10-50) m, for example.

Abstract

The invention relates to a device and method for determining a distance to a moving object. A device according to the invention comprises a transmitter (110) for broadcasting an optical transmitter signal (111), wherein the transmitter signal has a temporally varying frequency (ωs(t)), a detector (150) for generating a detector signal from a superimposition of a first part signal (121) and a second part signal (122), wherein the first part signal (121) and the second part signal (122) arise from the transmitter signal (111) being broken down, wherein the first part signal (121) arrives at the detector (150) without previous reflection on the object (105) and wherein the second part signal (122) arrives at the detector (150) after reflection on the object (105), wherein the detector signal is characteristic for the differential frequency (Δω) between the frequency of the second part signal (122) and the frequency of the first part signal (121), and an evaluation device (160) which is designed to determine self-consistently the development over time of the distance d(t) and speed v(t) of the object from the development over time of the differential frequency (Δω(t)) and the development over time of the frequency (ωs(t)) of the transmitter signal.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts  Apparatus and method for determining a distance of a moving object
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patent- anmeldung DE 10 2018 201 735.2, angemeldet am 05. Februar 2018. Der Inhalt dieser DE-Anmeldung wird durch Bezugnahme („incorporation by reference“) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen. The present application claims the priority of German Patent Application DE 10 2018 201 735.2, filed on 05 February 2018. The content of this DE application is incorporated by reference into the present application text by "incorporation by reference".
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
Gebiet der Erfindung Field of the invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts. The invention relates to a device and a method for determining a distance of a moving object.
Stand der Technik State of the art
Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR be- zeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird. For optical distance measurement of objects u.a. a measurement principle also known as LIDAR, in which an optical signal, which is temporally changed in its frequency, is emitted toward the relevant object and evaluated after back reflection on the object.
Fig. 5 zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau einer Messvorrichtung 40, in welchem ein von einer Licht- quelle bzw. einem Sender 10 ausgesandtes optisches Sendersignal mit zeitlich linear veränderter Frequenz über einen teildurchlässigen Spiegel 11 in zwei Teilsignale aufgespalten wird. Diese beiden Teilsignale werden an einem Detektor 50 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal 21 ohne Reflexion an dem (in Fig. 5 mit„5“ bezeichneten) Objekt zum Detektor 50 gelangt. Das zweite Teilsignal 22 wird hingegen über einen optischen Zirkulator 30 zum Ob- jekt 5 geführt, von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum ersten Teilsignal 21 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Detektor 50. Über eine Auswerteeinrichtung 60 wird das vom Detektor 50 gelieferte Messsignal zur Ermittlung des Abstandes des Objekts 5 (in Bezug auf die Messvorrichtung) ausgewertet. Die Überlagerung der beiden Teilsignale 21 und 22 am Detektor 50 führt hierbei in bekannter Weise zu ei- nem Gesamtsignal, welches als Produkt zweier Oszillationen dargestellt wer- den kann, von denen die eine die mittlere Frequenz der Teilsignale 21 , 22 und die andere die Differenzfrequenz der Frequenzen der Teilsignale 21 , 22 be- sitzt, wobei mit einem realen Detektor 50 lediglich die Differenzfrequenz zeitlich auflösbar ist. 5 shows only a schematic representation of a known basic structure of a measuring device 40 in which an optical transmitter signal emitted by a light source or a transmitter 10 is split over a partially transmissive mirror 11 into two partial signals with a time-linearly changed frequency. These two sub-signals are superimposed on one another at a detector 50, wherein the first sub-signal 21 without reflection at the (in Fig. 5 denoted by "5") object to the detector 50 passes. The second partial signal 22, on the other hand, is conducted to the object 5 via an optical circulator 30, and is reflected back to the detector 50 with a time delay and a correspondingly changed frequency compared to the first partial signal 21. The evaluation device 60 receives the signal from the detector 50 delivered measurement signal for determining the distance of the object 5 (in relation to the measuring device) evaluated. The superposition of the two partial signals 21 and 22 at the detector 50 leads in a known manner to a total signal, which can be represented as the product of two oscillations, one of which the average frequency of the partial signals 21, 22 and the other the difference frequency the frequencies of the partial signals 21, 22 possesses, whereby with a real detector 50 only the difference frequency is temporally resolvable.
Wenn sich nun das hinsichtlich seines Abstandes zu messende Objekt 5 in Bewegung befindet, ist die Differenzfrequenz der Frequenzen der Teilsignale 21 , 22 nicht wie in Fig. 6a dargestellt zeitlich konstant und nur von der Zeitver- zögerung abhängig, sondern es ergibt sich aufgrund des Dopplereffekts eine geschwindigkeitsabhängige Verschiebung der Frequenz des am bewegten Objekt 5 reflektierten zweiten Teilsignals 22 und damit auch eine zeitliche Vari- ation der letztlich gemessenen Differenzfrequenz, so dass ohne entsprechende Berücksichtigung fehlerhafte Werte bei der Abstandsbestimmung erhalten werden. If now the object 5 to be measured with respect to its distance is in motion, the difference frequency of the frequencies of the partial signals 21, 22 is not constant in time and only dependent on the time delay, as shown in FIG. 6a, but results from the Doppler effect a speed-dependent shift of the frequency of the second partial signal 22 reflected at the moving object 5 and thus also a temporal variation of the finally measured difference frequency, so that erroneous values are obtained in the distance determination without appropriate consideration.
Fig. 6b-6c zeigen Diagramme zur Erläuterung eines herkömmlichen Ansatzes zur Überwindung dieses Problems. Hierbei wird der Einfluss des Doppler- effekts auf das erhaltene Messergebnis gemäß Fig. 6b als konstanter Offset betrachtet und der Messprozess in zwei Messabschnitte aufgeteilt, in welchen gemäß Fig. 6c die zeitliche Ableitung der vom Sender 10 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist. Durch diese Invertierung der Steigung der vom Sender 10 erzeugten zeitlichen Frequenzabhängigkeit soll erreicht wer- den, dass der nur vom Abstand des Objekts 5 abhängige Anteil der Differenz- frequenz in beiden Messabschnitten von entgegengesetztem Vorzeichen ist, die Dopplerverschiebung der gemessenen Frequenz jedoch in beiden Mess- abschnitten dasselbe Vorzeichen besitzt. Die Objektbewegung hat somit in dem einen der beiden Messabschnitte eine scheinbare Vergrößerung des Objektabstandes, im anderen Messabschnitt hingegen eine scheinbare Ver- kleinerung des Objektabstandes zur Folge, so dass der„wahre“ Abstand als Mittelwert aus den in beiden Messabschnitten erhaltenen Messergebnissen gesetzt wird. Figs. 6b-6c are diagrams for explaining a conventional approach for overcoming this problem. In this case, the influence of the Doppler effect on the obtained measurement result according to FIG. 6b is regarded as a constant offset and the measurement process is divided into two measurement sections, in which according to FIG. 6c the time derivative of the frequency generated by the transmitter 10 is opposite to each other. This inversion of the slope of the temporal frequency dependence generated by the transmitter 10 is intended to ensure that the portion of the differential frequency dependent only on the distance of the object 5 is of opposite sign in both measuring sections, However, the Doppler shift of the measured frequency has the same sign in both measuring sections. The object movement thus has an apparent increase in the object distance in one of the two measurement sections, while an apparent reduction in the object distance results in the other measurement section, so that the "true" distance is set as the mean value of the measurement results obtained in both measurement sections.
Der vorstehend anhand von Fig. 6c beschriebene Ansatz erweist sich jedoch in der Praxis in Szenarien als unzureichend, in denen bei bewegten Objekten mit Abständen in der Größenordnung von mehreren Metern eine hochgenaue Abstandsmessung auf wenige Mikrometer (pm) genau realisiert werden soll. Dies ist zum einen darauf zurückzuführen, dass sich infolge der zeitlichen Änderung der Frequenz des vom Sender 10 ausgesandten Signals auch die Stärke des Dopplereffekts zeitlich ändert und demzufolge die Differenz- frequenz wie in Fig. 6d dargestellt zeitlich veränderlich ist, die Behandlung des Dopplereffektes als konstanter Offset also gerade nicht gerechtfertigt ist. Hinzu kommt, dass die anhand von Fig. 6c beschriebene Abstandsbestimmung aus zwei aufeinanderfolgenden Teilmessungen außer Acht lässt, dass sich das zu vermessende Objekt 5 im Allgemeinen während der beiden Teilmessungen weiterbewegt mit der Folge, dass auch insoweit die Kompensation der Auswir- kungen des Dopplereffekts nicht mehr vollständig gegeben ist. Nicht zuletzt führt auch bereits die Bewegung des Objekts 5 während eines einzigen Mess- abschnitts zu einer Veränderung der Differenzfrequenz und damit bei der an- hand von Fig. 6c erfolgenden Abstandsermittlung auf Basis einer einzigen Differenzfrequenz zu einer Verringerung der bei der Abstandsermittlung erziel- ten Genauigkeit. However, the approach described above with reference to FIG. 6c proves to be insufficient in practice in scenarios in which a highly accurate distance measurement to a few micrometers (pm) is to be precisely realized for moving objects with distances of the order of several meters. This is due, on the one hand, to the fact that, as a result of the temporal change in the frequency of the signal emitted by the transmitter 10, the intensity of the Doppler effect also changes over time, and consequently the difference frequency is time-variable, as shown in FIG. 6d, the treatment of the Doppler effect is more constant Offset is just not justified. In addition, the distance determination from two successive partial measurements described with reference to FIG. 6c disregards the fact that the object 5 to be measured generally continues to move during the two partial measurements, with the consequence that the compensation of the effects of the Doppler effect does not occur more completely given. Last but not least, the movement of the object 5 during a single measuring section already leads to a change of the difference frequency and thus to a reduction in the accuracy achieved during the distance determination in the distance determination based on a single difference frequency on the basis of FIG. 6c ,
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Vor dem obigen Flintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines be- wegten Objekts bereitzustellen, wobei auch bei bewegten Objekten mit Abständen in der Größenordnung von mehreren Metern eine hochgenaue Abstandsmessung auf wenige Mikrometer (gm) realisierbar ist. Against the above background, it is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for determining a distance of a wegten object provide, even with moving objects with distances in the order of several meters, a highly accurate distance measurement on a few microns (gm) can be realized.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patent- anspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 12 gelöst. This object is achieved by the device according to the independent patent claim 1 and the method according to the independent claim 12.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines be- wegten Objekts weist auf: An apparatus according to the invention for determining a distance of a moving object has:
- einen Sender zum Aussenden eines optischen Sendersignals, wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist;  a transmitter for transmitting an optical transmitter signal, the transmitter signal having a time-varying frequency;
- einem Detektor zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlage- rung eines ersten Teilsignals und eines zweiten Teilsignals, wobei das erste Teilsignal und das zweite Teilsignal durch Zerlegung des Sender- signals hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal ohne vorherige Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt und wobei das zweite Teil- signal nach Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt, wobei das Detektorsignal für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zwei- ten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals charakteristisch ist; und  a detector for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal and a second partial signal, wherein the first partial signal and the second partial signal have arisen by decomposing the transmitter signal, wherein the first partial signal reaches the detector without prior reflection at the object and wherein the second sub-signal reaches the detector after reflection from the object, the difference frequency signal detection signal being characteristic of the frequency of the second sub-signal and the frequency of the first sub-signal; and
- einer Auswerteeinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) sowie dem zeitlichen Verlauf der Frequenz (cos(t)) des Sendersignals selbstkonsistent den zeitlichen Verlauf von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) des Objektes zu bestimmen. - An evaluation device which is designed to, from the time course of the difference frequency (Aco (t)) and the time course of the frequency (co s (t)) of the transmitter signal self-consistent the time course of distance d (t) and speed v ( t) of the object.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, zur Abstandsmes- sung eines bewegten Objekts ausgehend von dem anhand von Fig. 5 be- schriebenen herkömmlichen Konzept nicht etwa nur eine einzige Differenzfre- quenz zu bestimmen und der Abstandsberechnung zugrunde zu legen, son- dern vielmehr den gesuchten Abstand des Objekts auf Basis eines zeitlichen Verlaufs dieser Differenzfrequenz zu ermitteln. Dabei sollen durch die vorliegende Erfindung sowohl Ausführungsformen als umfasst gelten, bei denen der betreffende zeitliche Verlauf der Differenz- frequenz über ein vorgegebenes Zeitintervall bestimmt wird, als auch Ausfüh- rungsformen, bei denen wie im Weiteren noch näher erläutert von vorneherein ein oder mehrere für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz charakteristi- sche Parameter bestimmt werden. The invention is based in particular on the concept of not determining, for the distance measurement of a moving object based on the conventional concept described with reference to FIG. 5, not just a single difference frequency and based on the distance calculation, but rather the search the desired distance of the object on the basis of a time profile of this difference frequency. The present invention is intended to include both embodiments in which the relevant time profile of the differential frequency over a predetermined time interval is determined, as well as embodiments in which, as explained in more detail below one or more of the Characteristic parameters are determined over the course of the difference frequency.
Die erfindungsgemäße Abstandsermittlung auf Basis des zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz hat zum einen den Vorteil, dass die Auswirkungen der Bewegung des hinsichtlich seines Abstandes zu messenden Objekts insbe- sondere aufgrund des Dopplereffektes nicht - in unzutreffend vereinfachter Weise - als konstanter Offset berücksichtigt, sondern vielmehr mit höherer Genauigkeit (gewissermaßen unter Berücksichtigung höher Ordnungen des Dopplereffektes) zeitlich variierend erfasst werden und demzufolge im Ergebnis auch bei bewegten Objekten in mehreren Metern Entfernung hochgenaue Ab- standsermittlungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich realisiert werden können. The determination of the distance on the basis of the time profile of the difference frequency has the advantage that the effects of the movement of the object to be measured in terms of its distance, in particular due to the Doppler effect, are not taken into account - in an incorrectly simplified way - as a constant offset, but rather with a higher one Accuracy (in a sense, taking into account higher orders of the Doppler effect) are recorded varying over time and, as a result, highly accurate distance determinations with accuracies in the micrometer range can be realized even with moving objects in several meters distance.
Des Weiteren hat das erfindungsgemäße Konzept den Vorteil, dass eine Linearisierung des zeitlichen Frequenzverlaufs des das optische Sendersignal aussendenden Senders erfindungsgemäß entbehrlich ist mit der Folge, dass auch auf den mit einer solchen Linearisierung verbundenen apparativen Auf- wand verzichtet werden kann. Furthermore, the concept according to the invention has the advantage that according to the invention a linearization of the temporal frequency characteristic of the transmitter emitting the optical transmitter signal can be dispensed with, with the result that the apparatus cost associated with such a linearization can also be dispensed with.
Diesem vorteilhaften weiteren Effekt liegt der Umstand zugrunde, dass mit der erfindungsgemäßen Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Differenz- frequenz, welche wiederum die Messung„augenblicklicher“ bzw. instantaner Frequenzen umfasst, das im Stand der Technik infolge Zugrundelegung einer konstanten Differenzfrequenz bestehende Erfordernis einer linearen Frequenz- änderung entfällt. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß kein bestimmter zeitlicher Frequenzverlauf hinsichtlich des vom Sender ausgesandten Sender- signals (insbesondere keine sich notwendigerweise linear mit der Zeit ändern- de Frequenz des Sendersignals) gefordert, sondern es wird lediglich eine ge- naue Kenntnis des zeitlichen Frequenzverlaufs des Sendersignals benötigt. This advantageous further effect is based on the fact that with the determination according to the invention of the time profile of the differential frequency, which in turn comprises the measurement of "instantaneous" or instantaneous frequencies, the requirement of a linear frequency existing in the prior art as a result of a constant difference frequency - no amendment. In other words, according to the invention, there is no specific chronological frequency profile with regard to the transmitter signal emitted by the transmitter (in particular, no signal that changes necessarily linearly with time). de frequency of the transmitter signal), but only a precise knowledge of the temporal frequency response of the transmitter signal is required.
Diese genaue Kenntnis des zeitlichen Frequenzverlaufs des Sendersignals kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass entweder der besagte zeitliche Frequenzverlauf des Senders bzw. des von ihm ausgesandten Sendersignals infolge hinreichender Kenntnis der Eigenschaften des Senders von vorneherein bekannt ist, oder dass wie im Weiteren beschrieben die Frequenz des von dem Sender ausgesandten optischen Sendersignals über eine geeignete Frequenzmesseinrichtung z.B. in Form eines Interferometers gemessen wird. This exact knowledge of the temporal frequency response of the transmitter signal can be achieved according to the invention in that either the said temporal frequency characteristic of the transmitter or the transmitter signal emitted by it is known from the outset due to sufficient knowledge of the characteristics of the transmitter, or that as described below the frequency of from the transmitter emitted optical transmitter signal via a suitable frequency measuring device, for is measured in the form of an interferometer.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, den zeitlichen Verlauf von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) zu bestim- men, indem die Parameter eines Modells für Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) bestimmt werden. According to one embodiment, the evaluation device is designed to determine the time profile of distance d (t) and speed v (t) by determining the parameters of a model for distance d (t) and speed v (t).
Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens eine der Größen Abstand und Geschwindigkeit in diesem Modell nicht konstant. According to one embodiment, at least one of the parameters distance and speed is not constant in this model.
Gemäß einer Ausführungsform beinhaltet dieses Modell entweder eine Be- schleunigung des Objekts oder eine zeitliche Änderung des Abstandes auf- grund einer endlichen Geschwindigkeit des Objekts. According to one embodiment, this model includes either an acceleration of the object or a temporal change of the distance due to a finite speed of the object.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung zur Bestimmung wenigstens eines für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz charakteristi- schen Parameters konfiguriert. According to one embodiment, the evaluation device is configured to determine at least one parameter characteristic of the time profile of the difference frequency.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung dazu konfiguriert, den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz über ein vorgegebenes Zeitinter- vall zu bestimmen. Gemäß einer Ausführungsform umfasst dieses Zeitintervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs. According to one embodiment, the evaluation device is configured to determine the time profile of the difference frequency over a predetermined time interval. According to one embodiment, this time interval comprises two sub-intervals with mutually opposite slope of the temporal frequency response.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ferner eine Frequenz- messeinrichtung zur Messung der Frequenz des von dem Sender ausgesand- ten Signals auf. According to one embodiment, the device further comprises a frequency measuring device for measuring the frequency of the signal emitted by the transmitter.
Gemäß einer Ausführungsform weist diese Frequenzmesseinrichtung ein Inter- ferometer auf. According to one embodiment, this frequency measuring device has an interferometer.
Gemäß einer Ausführungsform weicht die Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals über ein vorgegebenes Zeitintervall mit monotoner Zeitabhän- gigkeit dieser Frequenz von einem zeitlich linearen Verlauf um wenigstens 0.1 %, insbesondere um wenigstens 0.5%, weiter insbesondere um wenigstens 1 % ab. According to one embodiment, the time dependence of the frequency of the transmitter signal over a predetermined time interval with monotonous time dependency of this frequency deviates from a time-linear course by at least 0.1%, in particular by at least 0.5%, more particularly by at least 1%.
Dieses Kriterium ist so zu verstehen, dass die zeitliche Ableitung der die Zeit- abhängigkeit der Frequenz des Sendersignals beschreibenden Funktion in dem vorgegebenen Zeitintervall von der mittleren zeitlichen Ableitung über die- ses Zeitintervall um wenigstens 0.1 %, insbesondere um wenigstens 0.5%, weiter insbesondere um wenigstens 1 % abweicht; dieses gilt für mindestens 10% dieses Zeitintervalls. This criterion is to be understood as meaning that the time derivative of the function describing the time dependency of the frequency of the transmitter signal in the predetermined time interval from the mean time derivative over this time interval by at least 0.1%, in particular by at least 0.5%, more particularly by at least 1% deviates; this applies for at least 10% of this time interval.
Mit diesem Kriterium unterscheidet sich die Erfindung insbesondere weiter von dem eingangs anhand von Fig. 5 und Fig. 6a-6d zitierten Stand der Technik, da bei diesem Stand der Technik in einer bestimmten Größenordnung liegende Abweichungen des zeitlichen Frequenzverlaufs von der Linearität bereits zu in gleicher Größenordnung liegenden Messungenauigkeiten der durchgeführten Abstandsmessung führen, so dass im Stand der Technik etwa in der Größen- ordnung von 0.1 % liegende Abweichungen der Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals von einem zeitlich linearen Verlauf bei einer angestrebten hohen Genauigkeit der Abstandsmessung nicht akzeptabel wären. Gemäß einer Ausführungsform weicht die Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals über ein vorgegebenes Zeitintervall mit monotoner Zeitabhän- gigkeit dieser Frequenz von einem zeitlich linearen Verlauf um maximal 25%, insbesondere maximal 20%, weiter insbesondere um maximal 10%, ab. Wird die zeitliche Ableitung dieser Frequenz sehr groß, so wird bei gegebenem Ab- stand zum Objekt die zu messende Differenzfrequenz unter Umständen so groß, dass sie vom Detektor nicht mehr aufgelöst werden kann. Wird die zeitli- che Ableitung sehr klein, so sinkt bei gegebenem Abstand zum Objekt die zu messende Differenzfrequenz, was die Auflösung der Messung verringern kann. Für jede spezielle Anwendung gibt also einen optimalen Wert (bester Kom- promiss) für die Zeitableitung der Frequenz. Ein näherungsweise (aber nicht notwendigerweise exakt) linearer Verlauf der Frequenz erlaubt es, zu jedem Zeitpunkt eine Ableitung der Frequenz, die näherungsweise gleich diesem ide- alen Wert ist, zu erhalten. With this criterion, the invention differs in particular further from the prior art cited at the outset with reference to FIG. 5 and FIGS. 6a-6d, since in this prior art deviations of the temporal frequency characteristic from linearity are already in the same range Deviations of the time dependency of the frequency of the transmitter signal from a time-linear course with an aspired high accuracy of the distance measurement would not be acceptable in the state of the art on the order of 0.1%. According to one embodiment, the time dependency of the frequency of the transmitter signal deviates over a predetermined time interval with monotonous time dependency of this frequency from a time-linear course by a maximum of 25%, in particular a maximum of 20%, further in particular a maximum of 10%. If the time derivative of this frequency becomes very large, the difference frequency to be measured at a given distance from the object may become so great that it can no longer be resolved by the detector. If the time derivative becomes very small, the difference frequency to be measured decreases for a given distance to the object, which can reduce the resolution of the measurement. For each special application there is therefore an optimum value (best compromise) for the time derivation of the frequency. An approximate (but not necessarily exact) linear progression of the frequency allows a derivative of the frequency, which is approximately equal to this ideal value, to be obtained at all times.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: The invention further relates to a method for determining a distance of a moving object, the method comprising the following steps:
- Aussenden eines optischen Sendersignals, wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist;  - emitting an optical transmitter signal, the transmitter signal having a time-varying frequency;
- Erfassen von durch Zerlegung dieses Sendersignals erzeugten, einander überlagernden Teilsignalen mit einem Detektor, wobei ein erstes Teilsignal dieser Teilsignale ohne vorherige Reflexion an dem Objekt auf den Detek- tor auftrifft und wobei ein zweites Teilsignal dieser Teilsignale nach Refle- xion an dem Objekt auf den Detektor auftrifft; und  Detecting a superimposed partial signal generated by decomposing this transmitter signal with a detector, wherein a first partial signal of these partial signals impinges on the detector without prior reflection on the object and wherein a second partial signal of these partial signals after Reflection on the object on the Detector hits; and
- selbstkonsistentes Bestimmen des zeitlichen Verlaufs von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) des Objektes aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals sowie dem zeitlichen Verlauf der Frequenz (cos(t)) des Sendersignals. - Self-consistent determination of the time course of distance d (t) and speed v (t) of the object from the time course of the difference frequency (Aco (t)) between the frequency of the second partial signal and the frequency of the first partial signal and the time profile of the frequency (co s (t)) of the transmitter signal.
Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich des Abstandes vermessenen Objek- ten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf be- schränkt wäre) um Roboterkomponenten wie Roboterarme oder auch um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich relevante Objekte (z.B. Fremdfahr- zeuge) handeln. For objects measured in the context of the invention with regard to the distance, it can only be described by way of example (and without the invention being would be limited) to robot components such as robot arms or also in the traffic or automotive sector relevant objects (eg foreign vehicles) act.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen. Further embodiments of the invention are described in the description and the dependent claims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments shown in the accompanying drawings.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Es zeigen: Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Figure 1 is a schematic representation for explaining the possible
Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;  Structure of a device according to the invention;
Figur 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfin- dungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausfüh- rungsform; FIG. 2 shows a diagram for explaining the mode of operation of a device according to the invention in an exemplary embodiment;
Figur 3-4 schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungs- beispiele zur Bestimmung einer bei der vorliegenden Erfin- dung zur Abstandsermittlung herangezogenen instantanen Frequenz; FIG. 3-4 show schematic representations of different exemplary embodiments for determining an instantaneous frequency used for distance determination in the present invention;
Figur 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandmessung; und Figure 5 is a schematic representation for explaining the structure of a conventional device for distance measurement; and
Figur 6a-d schematische Darstellung zur Erläuterung weiterer Aspekte der herkömmlichen Vorrichtung von Figur 5. DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER 6a-d schematic representation for explaining further aspects of the conventional device of Figure 5. DETAILED DESCRIPTION PREFERRED
AUSFÜHRUNGSFORMEN  EMBODIMENTS
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in Fig. 1 sowie Fig. 2a-2b beschrieben. In the following, the structure and mode of operation of a device according to the invention for determining a distance of a moving object in an exemplary embodiment will be described with reference to the schematic illustrations in FIG. 1 and FIGS. 2a-2b.
Gemäß Fig. 1 weist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 100 - insoweit zunächst analog zu dem anhand von Fig. 5 bereits beschriebenen herkömm- lichen Konzept - einen Sender 110 zum Aussenden eines optischen Sender- signals 111 mit zeitlich variierender Frequenz auf. Beispielhafte optische Sen- der, welche als Sender 110 in der Messvorrichtung dienen können, sind MEMS-VCSEL, DBR-Laser (DBR =„Distributed Bragg Reflector“), SGDBR- Laser (SGDBR=„Segmented Gräting Distributed Bragg Reflector“ und WGMR- stabilisierte / WGMR-durchstimmbare Laser (WGMR= „Whispering Gallery Mode Resonator“). According to FIG. 1, a measuring device 100 according to the invention has a transmitter 110 for emitting an optical transmitter signal 111 with a time-varying frequency, insofar as it is initially analogous to the conventional concept already described with reference to FIG. 5. Exemplary optical transmitters which can serve as transmitters 110 in the measuring device are MEMS-VCSEL, DBR (Distributed Bragg Reflector) laser, SGDBR (Segmented Grating Distributed Bragg Reflector) and WGMR (SGDBR). stabilized / WGMR tunable lasers (WGMR = Whispering Gallery Mode Resonator).
Das optische Sendersignal 111 kann z.B. Wellenlängen im sichtbaren Bereich oder im Infrarotbereich aufweisen. Dieses Sendersignal 111 wird gemäß Fig. 1 ebenfalls analog zu dem Aufbau von Fig. 5 über einen teildurchlässigen Spie- gel 115 aufgespalten mit der Folge, dass an einem Detektor 150 zwei durch Zerlegung des Sendersignals 111 hervorgegangene Teilsignale 121 , 122 ein- treffen. Von diesen Teilsignalen 121 , 122 gelangt das erste Teilsignal 121 ohne vorherige Reflexion an einem hinsichtlich seines Abstandes zu messenden Objekt 105 zum Detektor 150, wohingegen das zweite Teilsignal 122 nach Reflexion an dem Objekt 105 über einen optischen Zirkulator 130 zum Detektor 150 gelangt. The optical transmitter signal 111 may be e.g. Have wavelengths in the visible range or in the infrared range. According to FIG. 1, this transmitter signal 111 is likewise split analogously to the structure of FIG. 5 via a partially transmissive mirror 115, with the result that two partial signals 121, 122 resulting from decomposition of the transmitter signal 111 arrive at a detector 150. Of these partial signals 121, 122, the first partial signal 121 reaches the detector 150 without prior reflection at an object 105 to be measured with respect to its distance, whereas the second partial signal 122, after reflection at the object 105, reaches the detector 150 via an optical circulator 130.
Der Detektor 150 weist im Ausführungsbeispiel einen geeigneten Sensor z.B. in Form einer Photodiode auf und wandelt das durch Überlagerung der Teil- signale 121 , 122 generierte optische Überlagerungssignal in ein elektrisches Signal um. In the exemplary embodiment, the detector 150 has a suitable sensor, for example in the form of a photodiode, and converts the optical heterodyne signal generated by superposing the partial signals 121, 122 into an electrical one Signal around.
Gemäß Fig. 1 dient ein weiterer teildurchlässiger Spiegel 112 zur Auskopplung eines Teils des ersten Teilsignals 121 , wobei dieser Teil zwecks Messung des zeitlichen Frequenzverlaufs des Sendersignals 111 über ein Interferometer 140 geführt wird. According to FIG. 1, another semitransparent mirror 112 is used to decouple a part of the first sub-signal 121, this part being guided via an interferometer 140 for the purpose of measuring the time-frequency curve of the transmitter signal 111.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich insbesondere hinsicht- lich der Arbeitsweise einer zur Auswertung des von dem Detektor 150 erzeug- ten Detektorsignals vorhandenen Auswerteeinrichtung 160 von dem herkömm- lichen Konzept gemäß Fig. 5: The device according to the invention differs from the conventional concept according to FIG. 5, in particular with regard to the mode of operation of an evaluation device 160 present for evaluating the detector signal generated by the detector 150:
Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Konzept gemäß Fig. 5, bei welchem aus dem elektrischen Signal des Detektors 150 (erzeugt durch Umwandlung des durch Überlagerung der Teilsignale 121 , 122 generierten optischenIn contrast to the conventional concept according to FIG. 5, in which the electrical signal of the detector 150 (generated by conversion of the optical signal generated by superposition of the partial signals 121, 122) is generated
Überlagerungssignals in ein elektrisches Signal) eine einzige Differenzfrequenz bestimmt und zur Abstandsmessung herangezogen wird, erfolgt erfindungs- gemäß aus dem zeitlichen Verlauf l(t) des elektrischen Signals eine Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der sogenannten instantanen Frequenz. Zu diversen Ansätzen und Algorithmen zur Bestimmung der sogenannten instantanen Frequenz wird auf die Publikation Boualem Boashash:„Estimating and inter- preting the instantaneous frequency of a Signal“ I - Fundamentals. II - Algo- rithms and applications, Proceedings of the IEEE 80, 520-538, 540-568 (1992) verwiesen. Superposition signal in an electrical signal) determines a single difference frequency and is used for distance measurement, according to the invention from the time course l (t) of the electrical signal, a determination of the time course of the so-called instantaneous frequency. To various approaches and algorithms for the determination of the so-called instantaneous frequency is on the publication Boualem Boashash: "Estimating and interpreting the instantaneous frequency of a signal" I - Fundamentals. II - Algorithms and Applications, Proceedings of the IEEE 80, 520-538, 540-568 (1992).
Das vom Detektor 150 erzeugte Detektorsignal ergibt letztlich den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz Aco(t) zwischen der empfangenen Frequenz coe(t) des zweiten Teilsignals 122 und der Frequenz cos(t) des ersten Teilsignals 121 bzw. des Sendersignals 111 , wobei letztere aufgrund der Messung mit dem Interferometer 140 (oder bereits infolge genauer Kenntnis des Senders 110) bekannt ist. The detector signal generated by the detector 150 finally gives the time profile of the difference frequency Aco (t) between the received frequency co e (t) of the second partial signal 122 and the frequency co s (t) of the first partial signal 121 and the transmitter signal 111, the latter due to the measurement with the interferometer 140 (or already due to accurate knowledge of the transmitter 110) is known.
Aw(ί) = we(ί)- wcί) (1 ) Sinnvolle maximale Differenzfrequenzen können im Bereich 100 MHz bis 1 GHz liegen, für weniger anspruchsvolle Anwendungen auch darunter. Aw (ί) = w e (ί) - wcί) (1) Sensible maximum difference frequencies can range from 100 MHz to 1 GHz, for less demanding applications including.
Aus Gleichung (1 ) kann der zeitliche Verlauf d(t) des gesuchten Abstandes des Objekts 105 bestimmt werden, indem d(t) geeignet z.B. gemäß nachfolgender Gleichung (2) parametrisiert wird:
Figure imgf000014_0001
From equation (1), the time profile d (t) of the searched distance of the object 105 can be determined by parameterizing d (t) suitably eg according to the following equation (2):
Figure imgf000014_0001
Im Weiteren wird eine mögliche Ausführungsform zur Bestimmung des Ab- standsverlaufs d(t) aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz Dw be- schrieben. Zur einfacheren Verständlichkeit werden dabei die Laufwege inner- halb der Messvorrichtung 100 (z.B. vom Strahlteiler 115 über den Strahlteiler 112 zum Detektor 150 oder vom Zirkulator 130 zum Detektor 150) ignoriert. Da es sich hierbei um konstante Offsets handelt, können diese bei einer Realisie- rung des hier beschriebenen Verfahrens leicht berücksichtigt werden. In the following, a possible embodiment for determining the distance progression d (t) from the time profile of the difference frequency Dw is described. For easier understanding, the paths within the measuring device 100 (for example, from the beam splitter 115 via the beam splitter 112 to the detector 150 or from the circulator 130 to the detector 150) are ignored. Since these are constant offsets, they can easily be taken into account when realizing the method described here.
Der Abstand d(t) des Objektes 105 zu einem bestimmten Zeitpunkt t ergibt sich daraus, dass zu einem früheren Zeitpunkt ti ein Signal 122a von der Messvor- richtung 100 ausgeschickt wurde und zum Zeitpunkt t das Objekt 105 erreicht. Das reflektierte Signal 122b erreicht dann zu einem späteren Zeitpunkt t2 wieder die Messvorrichtung 100. Der Zusammenhang der verschiedenen Zeiten ist durch die Lichtgeschwindigkeit c des Mediums zwischen Messvor- richtung 100 und Objekt 105 gegeben: The distance d (t) of the object 105 at a certain point in time t results from the fact that a signal 122a was sent from the measuring device 100 at an earlier time ti and reaches the object 105 at the time t. The reflected signal then reaches 122b at a later time t 2 again, the measuring device 100. The relationship of the various times is given by the speed of light c of the medium between the measuring device 100 and object 105:
Figure imgf000014_0002
Figure imgf000014_0002
Infolge der Reflexion am bewegten Objekt 105 unterscheidet sich die Frequenz Wi22a(t) des Signals 122a von der Frequenz (0i22b(t) des Signals 122b. Dieser Effekt wird als Dopplereffekt bezeichnet. Die relevanten Formeln finden sich z.B. in der Publikation Aleksandar Gjurchinovski: “Reflection from a moving mirror- simple derivation using the photon mode! of light”, European Journal of Physics 34, L1 -4. Das Ergebnis lautet:
Figure imgf000015_0001
Due to the reflection on the moving object 105, the frequency Wi22 a (t) of the signal 122a differs from the frequency (0i 22b (t) of the signal 122b.) This effect is called the Doppler effect eg in the publication Aleksandar Gjurchinovski: "Reflection from a moving mirror - simple derivation using the photon mode! of light ", European Journal of Physics 34, L1 -4. The result is:
Figure imgf000015_0001
Die Geschwindigkeit v(t) in Gleichung (4) ist nur die Komponente der Ge- schwindigkeit des Objektes 105 entlang der Richtung zwischen Messvorrich- tung 100 und Objekt 105. Diese Definition ist dahingehend vorteilhaft, dass der zu bestimmende Abstand d(t) entlang dieser Richtung gemessen wird und dann v(t) die zeitliche Ableitung von d(t) ist. The velocity v (t) in equation (4) is only the component of the velocity of the object 105 along the direction between the measuring device 100 and the object 105. This definition is advantageous in that the distance d (t) to be determined is along is measured in this direction and then v (t) is the time derivative of d (t).
Die Frequenz m(ti) des ausgeschickten Signals ist bekannt, entweder auf- grund einer Messung anhand des Interferometers 140 oder weil die Eigen- schaften des Senders 110 hinreichend gut bekannt sind. Diese Frequenz ist identisch mit der Frequenz wi223(ίi). The frequency m (ti) of the transmitted signal is known, either because of a measurement using the interferometer 140 or because the characteristics of the transmitter 110 are sufficiently well known. This frequency is identical to the frequency wi 223 (ίi).
In den Detektor 150 tritt zum Zeitpunkt t2 zum einen das Signal 122 ein. Dieses besitzt die Frequenz c0i22b(t2), welche gemäß der oben angegebenen Formeln insbesondere von Abstand d(t), Geschwindigkeit v(t) und ausgesandter Fre- quenz m(ti) abhängt. In den Formeln treten alle drei Zeitpunkte h, t und t2 auf, weswegen eine Bestimmung von c0i22b(t2) im allgemeinen Fall nicht in ge- schlossener Form, sondern nur iterativ möglich ist. The signal 122 enters the detector 150 at the time t 2 . This has the frequency c0i 22b (t 2 ), which depends in particular on the distance d (t), velocity v (t) and emitted frequency m (ti) according to the formulas given above. In the formulas, all three points in time h, t and t 2 occur, which is why a determination of c0i 22b (t 2 ) in the general case is not possible in a closed form, but only iteratively.
Zum anderen tritt in den Detektor zum Zeitpunkt t2 das Signal 121 ein. Dieses besitzt die Frequenz u)m(t2). Flieraus ergibt sich direkt die Differenzfrequenz Dw(ί2)= (0i22b(t2)- UJI 1 1 (t2). Dieses System von Gleichungen erlaubt es, aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf Dw(ί2) sowie der Kenntnis des Frequenz- verlaufs m(ti) selbstkonsistent den zeitlichen Verlauf von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) des Objektes 105 zu ermitteln. Die Ermittlung von d(t) und v(t) sowie die weitere Verarbeitung kann vereinfacht werden, indem d(t) und v(t) geeignet parametrisiert werden, z.B. als Polynom. Gemäß Fig. 2a kann die erfindungsgemäße Messung des zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz über vorgegebene Zeitintervalle bzw. in einer Folge von Abschnitten von Signalen erfolgen, wobei in jedem Abschnitt der zeitliche Ver- lauf der Senderfrequenz monoton ist. Typische Messabschnittsdauern, also Zeitbereiche mit monotoner Veränderung der Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung, können hierbei z.B. im Bereich 1 Mikrosekunde (ps) bis 10 Milli- sekunden (ms) liegen. Dabei kann grundsätzlich für jeden k-ten Abschnitt aus der während dieses Abschnittes gemessenen Differenzfrequenz der entspre- chende zeitliche Verlauf des Abstandes d{k\t ) bestimmt werden. Es wird also erfindungsgemäß berücksichtigt, dass sich bereits innerhalb eines Mess- abschnitts die Differenzfrequenz zeitlich verändern kann. On the other hand, the signal 121 enters the detector at time t 2 . This has the frequency u) m (t 2 ). Flieraus results directly in the difference frequency Dw (ί 2 ) = (0i 22b (t 2 ) - UJ I 1 1 (t 2 ) .This system of equations makes it possible to derive Dw (ί 2 ) from the measured time course and the knowledge of Frequency course m (ti) self-consistent to determine the time course of distance d (t) and speed v (t) of the object 105. The determination of d (t) and v (t) and the further processing can be simplified by d (t) and v (t) are parameterized appropriately, eg as a polynomial. According to FIG. 2 a, the measurement according to the invention of the time profile of the difference frequency can take place over predetermined time intervals or in a sequence of sections of signals, wherein in each section the temporal progression of the transmitter frequency is monotonous. Typical measuring period durations, that is to say time ranges with a monotonous change in the wavelength of the emitted radiation, can be in the range from 1 microsecond (ps) to 10 milliseconds (ms), for example. In this case, the corresponding time profile of the distance d {k \ t) can in principle be determined for every k th section from the difference frequency measured during this section. Thus, according to the invention, it is taken into account that the difference frequency can already change over time within a measuring section.
Fig. 2b zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren möglichen Ausfüh- rungsform, bei welcher jedes Zeitintervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs umfasst. Hier- durch kann die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsermittlung gegenüber Messfehlern verringert werden. FIG. 2b shows a diagram for explaining a further possible embodiment, in which each time interval comprises two subintervals with mutually opposite slope of the temporal frequency profile. As a result, the sensitivity of the distance determination according to the invention with respect to measurement errors can be reduced.
Die zeitliche Ableitung der Frequenz des vom Sender 110 ausgesandten Sendersignals 111 kann im Rahmen der Erfindung z.B. im Bereich von 1015 Flz/s bis 1018 Hz/s liegen. The time derivation of the frequency of the transmitter signal 111 emitted by the transmitter 110 may be within the scope of the invention, for example in the range of 10 15 Flz / s to 10 18 Hz / s.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele zur zumindest nähe- rungsweisen Bestimmung der bei der vorliegenden Erfindung zur Abstandser- mittlung herangezogenen instantanen Frequenz unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen in Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben. In the following, further exemplary embodiments for the at least approximate determination of the instantaneous frequency used in the present invention for determining the distance will be described with reference to the schematic illustrations in FIGS. 3 and 4.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 basiert auf der Überlegung, dass eine instantane Frequenz dadurch approximiert werden kann, dass über eine Viel- zahl von (einander überlappenden oder nicht überlappenden) Zeitfenstern je- weils eine mittlere Frequenz bestimmt wird. Ein möglicher Ansatz zur Bestim- mung der betreffenden mittleren Frequenzen über jeweils ein Zeitfenster kann auf der Implementierung schneller Fourier-Transformationen (FFT) basieren. In Fig. 3 ist die Berechnung sowohl für den zeitlichen Verlauf der Differenz- frequenz als auch für die Frequenz des Sendersignals dargestellt. The exemplary embodiment according to FIG. 3 is based on the consideration that an instantaneous frequency can be approximated by determining in each case a mean frequency over a multiplicity of (overlapping or non-overlapping) time windows. One possible approach for determining the respective mean frequencies over a respective time window can be based on the implementation of fast Fourier transforms (FFT). FIG. 3 shows the calculation both for the time profile of the differential frequency and for the frequency of the transmitter signal.
Mit„311“ ist in Fig. 3 die Intensität des vom Detektor 150 erzeugten Detektor- signals bezeichnet. Hierfür wird in einem Funktionsblock 310 der Energieinhalt über verschiedene Frequenzintervalle ermittelt, und es wird in einem Funkti- onsblock 320 von diesen Frequenzintervallen das Frequenzintervall mit dem höchsten Energieinhalt herausgesucht. Sodann wird erneut die Energie als Funktion der Frequenz nur für Frequenzen innerhalb des Frequenzintervalls in einem Funktionsblock 330 bestimmt. Dieser Vorgang kann solange wiederholt werden, bis die Breite eines Intervalls kleiner als die notwendige Messgenauig- keit der Frequenz ist. In FIG. 3, "311" denotes the intensity of the detector signal generated by the detector 150. For this purpose, in a function block 310, the energy content is determined over different frequency intervals, and in a function block 320 of these frequency intervals, the frequency interval with the highest energy content is searched out. Then again the energy as a function of the frequency is determined only for frequencies within the frequency interval in a function block 330. This process can be repeated until the width of an interval is smaller than the necessary measurement accuracy of the frequency.
Analog erfolgt gemäß Fig. 3 die Berechnung für den zeitlichen Verlauf der Frequenz des Sendersignals, wobei hier das am Interferometer 140 gemesse- ne Detektorsignal als Eingangssignal 351 verwendet wird und wobei die zu den Funktionsblöcken 310, 320 und 330 analogen Funktionsblöcke mit 350, 360 bzw. 370 bezeichnet sind. 3, the calculation for the temporal progression of the frequency of the transmitter signal, in which case the detector signal measured at the interferometer 140 is used as the input signal 351 and wherein the functional blocks corresponding to the function blocks 310, 320 and 330 with 350, 360 or 370 are designated.
Ein weiteres, für sich bekanntes Verfahren zur Berechnung instantaner Frequenz basiert, wie im Weiteren unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert, auf einer Bestimmung der instantanen Frequenz aus der zeitlichen Ableitung der Phase. Auch in Fig. 4 ist die Berechnung sowohl für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz als auch für die Frequenz des Sendersignals dargestellt. Another method known per se for calculating instantaneous frequency is based, as explained below with reference to FIG. 4, on a determination of the instantaneous frequency from the time derivative of the phase. Also in Fig. 4, the calculation is shown both for the time course of the difference frequency and for the frequency of the transmitter signal.
Hierbei wird in vorteilhafter Weise anstelle des reellen Signals 411 bzw. 451 mit einem komplexen Signal 415 bzw. 455 gerechnet, welches nur aus der positiven Frequenzkomponente besteht. Dieses Signal kann in für sich bekann- ter Weise über eine Flilbert-Transformation (Funktionsblock 410 bzw. 450) aus dem reellen Signal 411 bzw. 451 bestimmt werden. Zur Umsetzung in Hard- ware kann es hilfreich sein, die Hilbert-Transformation gemäß Funktionsblock 410 bzw. 450 auf schnelle Fourier-Transformationen (FFT) zurückzuführen. Die Hilbert-Transformation liefert ein komplexes Signal (mit Phase und Amplitude) als Funktion der Zeit. In this case, 411 or 451 is advantageously used instead of the real signal 411 or 451 with a complex signal 415 or 455, which consists only of the positive frequency component. This signal can be determined in a manner known per se via a Flickertransformation (function block 410 or 450) from the real signal 411 or 451. For conversion into hardware, it may be helpful to attribute the Hilbert transform according to function block 410 or 450 to fast Fourier transforms (FFT). The Hilbert transform provides a complex signal (with phase and amplitude) as a function of time.
Im Funktionsblock 420 bzw. 460 wird das komplexe Signal 415 bzw. 425 in Phasen 425 bzw. 465 und Amplituden zerlegt, wobei die Amplituden im Weite- ren nicht verwendet werden. Die im Funktionsblock 430 bzw. 470 berechnete zeitliche Ableitung der Phase wird jeweils hinsichtlich etwaiger Messfehler bzw. vorhandenem Signalrauschen über ein Tiefpassfilter 440 bzw. 480 geglättet und liefert dann das gesuchte Ausgangssignal 445 bzw. 485 für den zeitlichen Verlauf der instantanen Frequenz bzw. der Frequenz des Sendersignals. In the functional block 420 or 460, the complex signal 415 or 425 is decomposed into phases 425 or 465 and amplitudes, wherein the amplitudes are not used in the further. The phase derivative of the phase calculated in function blocks 430 and 470 is respectively smoothed with respect to possible measurement errors or existing signal noise via a low-pass filter 440 or 480 and then supplies the desired output signal 445 or 485 for the time profile of the instantaneous frequency or the frequency the transmitter signal.
Erreichbare Genauigkeiten für im Rahmen der Erfindung gemessene Abstände sind besser als 10 Mikrometer. Dies gilt insbesondere auch, wenn sich das betreffende Objekt mit Geschwindigkeiten von einigen 100m/s und Beschleu- nigungen von wenigen Vielfachen der Erdbeschleunigung bewegt. Sinnvolle maximale Messabstände können beispielhaft im Bereich von (10-50)m liegen. Achievable accuracies for distances measured within the scope of the invention are better than 10 micrometers. This also applies in particular if the object in question moves at speeds of a few 100 m / s and accelerations of a few multiples of the gravitational acceleration. Sensible maximum measuring distances can be in the range of (10-50) m, for example.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alter- native Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungs- formen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquiv- alente beschränkt ist. While the invention has been described in terms of specific embodiments, numerous variations and alternative embodiments, e.g. by combination and / or exchange of features of individual embodiments. Accordingly, it will be understood by those skilled in the art that such variations and alternative embodiments are intended to be embraced by the present invention and that the scope of the invention is limited only in terms of the appended claims and their equivalents.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, mit 1. A device for determining a distance of a moving object, with
• einem Sender (110) zum Aussenden eines optischen Sender- signals (111 ), wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz (cos(t)) aufweist; A transmitter (110) for transmitting an optical transmitter signal (111), the transmitter signal having a time-varying frequency (co s (t));
• einem Detektor (150) zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals (121 ) und eines zwei- ten Teilsignals (122), wobei das erste Teilsignal (121 ) und das zweite Teilsignal (122) durch Zerlegung des Sendersignals (111 ) hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal (121 ) ohne vorhe- rige Reflexion an dem Objekt (105) zum Detektor (150) gelangt und wobei das zweite Teilsignal (122) nach Reflexion an dem Objekt (105) zum Detektor (150) gelangt, wobei das Detektorsignal für die Differenzfrequenz (Dw) zwischen der Frequenz des zweiten Teil- signals (122) und der Frequenz des ersten Teilsignals (121 ) charak- teristisch ist; und A detector (150) for generating a detector signal from a superimposition of a first partial signal (121) and a second partial signal (122), the first partial signal (121) and the second partial signal (122) being broken down by the transmitter signal (111) the first partial signal (121) passes without prior reflection at the object (105) to the detector (150) and wherein the second partial signal (122) reaches the detector (150) after reflection at the object (105), the detector signal for the difference frequency (Dw) between the frequency of the second partial signal (122) and the frequency of the first partial signal (121) is characteristic; and
• einer Auswerteeinrichtung (160), welche dazu ausgelegt ist, aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) sowie dem zeitlichen Verlauf der Frequenz (cos(t)) des Sendersignals selbst- konsistent den zeitlichen Verlauf von Abstand d(t) und Geschwin- digkeit v(t) des Objektes zu bestimmen. • an evaluation device (160), which is designed to be consistent with the time course of the difference frequency (Aco (t)) and the time course of the frequency (co s (t)) of the transmitter signal consistently the time course of distance d (t ) and velocity v (t) of the object.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auswer- teeinrichtung (160) dazu ausgelegt ist, den zeitlichen Verlauf von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) zu bestimmen, indem die Parameter eines Modells für Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) bestimmt werden. 2. Device according to claim 1, characterized in that the evaluation device (160) is designed to determine the time profile of distance d (t) and speed v (t) by the parameters of a model for distance d (t ) and velocity v (t).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Größen Abstand und Geschwindigkeit in diesem Modell nicht konstant ist. 3. A device according to claim 2, characterized in that at least one of the sizes distance and speed is not constant in this model.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Modell entweder eine Beschleunigung des Objekts oder eine zeitliche Änderung des Abstandes aufgrund einer endlichen Geschwindig- keit des Objekts beinhaltet. 4. Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that this model includes either an acceleration of the object or a temporal change of the distance due to a finite speed of the object.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (160) zur Bestimmung wenigstens eines für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) charakteristischen Parameters konfiguriert ist. 5. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the evaluation device (160) is configured to determine at least one characteristic of the time course of the difference frequency (Aco (t)) parameter.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu konfiguriert ist, den zeit- lichen Verlauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) über ein vorgegebenes Zeit- intervall zu bestimmen. 6. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the evaluation device is configured to determine the time course of the difference frequency (Aco (t)) over a predetermined time interval.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Zeit- intervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs umfasst. 7. The device according to claim 6, characterized in that this time interval comprises two sub-intervals with mutually opposite slope of the temporal frequency response.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass diese ferner eine Frequenzmesseinrichtung zur Messung der Frequenz des Sendersignals (111 ) aufweist. 8. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that it further comprises a frequency measuring device for measuring the frequency of the transmitter signal (111).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass diese Frequenzmesseinrichtung ein Interferometer (140) aufweist. 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that said frequency measuring device comprises an interferometer (140).
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals (111 ) über ein vorgegebenes Zeitintervall mit monotoner Zeitabhängigkeit dieser Frequenz von einem zeitlich linearen Verlauf um wenigstens 0.1 %, insbesondere um wenigstens 0.5%, weiter insbesondere um wenigstens 1 %, abweicht. 10. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the time dependence of the frequency of the transmitter signal (111) over a predetermined time interval with monotonous time dependence of this frequency of a time linear course by at least 0.1%, in particular by at least 0.5%, on in particular by at least 1%, deviates.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals (111 ) über ein vorgegebenes Zeitintervall mit monotoner Zeitabhängigkeit dieser Frequenz von einem zeitlich linearen Verlauf um maximal 25%, insbesondere maximal 20%, weiter insbesondere um maximal 10%, ab- weicht. 11. Device according to one of the preceding claims, character- ized in that the time dependence of the frequency of the transmitter signal (111) over a predetermined time interval with monotonous time dependence of this frequency of a time-linear course by a maximum of 25%, in particular a maximum of 20%, more particularly by a maximum of 10%, deviates.
12. Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: 12. A method of determining a distance of a moving object, the method comprising the steps of:
a) Aussenden eines optischen Sendersignals (111 ), wobei das Sender- signal (111 ) eine zeitlich variierende Frequenz aufweist;  a) emitting an optical transmitter signal (111), wherein the transmitter signal (111) has a time-varying frequency;
b) Erfassen von durch Zerlegung dieses Sendersignals (111 ) erzeug- ten, einander überlagernden Teilsignalen mit einem Detektor (150), wobei ein erstes Teilsignal (121 ) dieser Teilsignale ohne vorherige Reflexion an dem Objekt (105) auf den Detektor (150) auftrifft und wobei ein zweites Teilsignal (122) dieser Teilsignale nach Reflexion an dem Objekt (105) auf den Detektor (150) auftrifft; und  b) detecting overlapping sub-signals generated by decomposing this transmitter signal (111) with a detector (150), a first sub-signal (121) of these sub-signals impinging on the detector (150) without prior reflection at the object (105) and wherein a second sub-signal (122) of these sub-signals impinges upon the detector (150) upon reflection at the object (105); and
c) selbstkonsistentes Bestimmen des zeitlichen Verlaufs von Abstand d(t) und Geschwindigkeit v(t) des Objektes aus dem zeitlichen Ver- lauf der Differenzfrequenz (Aco(t)) zwischen der Frequenz des zwei- ten Teilsignals (122) und der Frequenz des ersten Teilsignals (121 ) sowie dem zeitlichen Verlauf der Frequenz (cos(t)) des Sendersignals. c) self-consistent determination of the time course of distance d (t) and speed v (t) of the object from the time course of the difference frequency (Aco (t)) between the frequency of the second partial signal (122) and the frequency of first sub-signal (121) and the time course of the frequency (co s (t)) of the transmitter signal.
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