CH694975A5 - Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes. - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Da bei bekannten Verfahren der oben genannten Art, bzw. bei Geräten zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens jeweils pro Rasterelement ein Entfernungsmesswert zur Verfügung steht, sind im Vergleich zu modernen Laser-Entfernungsmessern (Rangefindern) die mit diesen Systemen erzielbaren Reichweiten, Empfindlichkeiten und auch Genauigkeiten begrenzt. Es ist ein Ziel der Erfindung, auch mit Laser-Scanner-Systemen Reichweiten, Empfindlichkeiten und Genauigkeiten zu erreichen, die mit jenen von modernen Rangefindern vergleichbar sind. Dieses Ziel wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht. Vorzugsweise beträgt die Taktrate der ausgesendeten optischen Impulse innerhalb eines Bursts mindestens 50 kHz, vorteilhaft mindestens 100 kHz. Vorteilhaft wird durch eine mehrkanal- bzw. mehrziel-fähige Zeitintervallmessung für jeden einzelnen Impuls eines Bursts ein Laufzeitintervall bestimmt, die in ihrer Gesamtheit eine Tabelle von Laufzeitintervallen definieren, wobei ein elektronischer Rechner mittels definierter Algorithmen aus diesen Laufzeitintervallen der Impulse jedes Bursts in Bezug auf einen zugehörigen Startimpuls mindestens einen, einem Rasterelement zugeordneten Entfernungswert ermittelt. Ein alternatives Verfahren beruht auf einer digitalen Signalverarbeitung, bei welcher in einem elektronischen Rechner aus den zeitdiskreten, digitalisierten und aufaddierten Empfangssignalen der Impulse jedes Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf einen zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert berechnet wird. Vorteilhaft besteht ein Burst aus 2-50, vorzugsweise 10 Impulsen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest teilweise während der Impulslücken zwischen zwei Bursts in dem elektronischen Rechner mittels definierter Algorithmen jeweils aus den Empfangssignalen der Impulse des vorhergehenden Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses Empfangsimpulses in Bezug auf den zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert berechnet und in einem Speicher zusammen mit den Koordinaten des Raster- bzw. Bildelementes abgelegt. Einerseits wird durch eine grosse Zahl von Impulsen pro Burst die Reichweite, Empfindlichkeit und auch Genauigkeit insbesondere dann gesteigert, wenn die Amplituden der Empfangssignale klein sind und auch das Signal-Rausch-Verhältnis ungünstig ist, auf der anderen Seite wird durch eine grosse Zahl von Impulsen pro Burst die Zeit zur Abtastung eines gegebenen Objektraumes entsprechend verlängert. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird durch eine adaptive Bestimmung der Zahl der Impulse pro Burst die Impulszahl und damit die Messzeit den jeweiligen Bedingungen während einer Messung optimal angepasst. In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden zu diesem Zweck aus den Empfangssignalen der Bursts eines Scans des Objektraumes die Signalamplituden bzw. die Signal-Rausch-Verhältnisse der jedem Rasterelement zugeordneten Messwerte ermittelt und gespeichert und die Impulszahlen pro Burst bei den folgenden Scans als Funktion dieser Werte verändert, in dem Sinn, dass bei grossen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen eines Rasterelementes die Zahl der Impulse pro Burst und damit die Zeitdauer eines Messzyklus reduziert und bei kleinen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen die Zahl der Impulse pro Burst erhöht wird, wobei die Scan-Rate der Scan-Einrichtung in Abhängigkeit von der Impulszahl pro Burst variabel ist. Diese Optimierung der Zahl der Impulse pro Burst und damit Hand in Hand die Änderung der Scan-Rate kann individuell für die einzelnen Raster-elemente erfolgen, es ist aber auch möglich, diese Anpassung für eine grössere Anzahl von Rasterelementen, z.B. für ganze Zeilen oder auch für das gesamte Abtastfeld bzw. für den ganzen Scan-Zyklus gemeinsam durchzuführen. Bei der adaptiven Wahl der Anzahl der Sendeimpulse pro Burst ist es zweckmässig, dass die Bursts eines ersten Scan-Zyklus eine überdurchschnittlich grosse Impulszahl aufweisen, so dass auch unter ungünstigen Bedingungen ein Entfernungs-Messwert für jedes einzelne Rasterelement bestimmbar ist, um daraus abgeleitet für die folgenden Scan-Vorgänge die Parameter der Messung in geeigneter Weise bestimmen zu können. Bei Anwendung von digitalen Signalverarbeitungsverfahren kann es vorteilhaft sein, für jedes Raster-element Fenster von Speicheradressen, welche Entfernungswerten entsprechen, zu definieren, innerhalb welchem Samples (Proben) der Empfangssignale zur Auswertung herangezogen werden. Vorteile ergeben sich bei digitaler Signalverarbeitung auch dann, wenn zwischen der Sende-Impulsfolgefrequenz und der Samplefrequenz eine relative Phasenverschiebung von d = L/n eingestellt wird, in welcher Formel n eine ganze Zahl, vorzugsweise 5 ist, d die Phasenverschiebung und L die Periodendauer der Samplefrequenz bedeuten, so dass Samples der digitalisierten Empfangssignale gegeneinander mit einer Periode von n verkämmt sind und die wirksame Samplefrequenz um den Faktor n vergrössert erscheint, wobei in absoluten Werten vorzugsweise die Sendeimpulse in ihrer Phasenlage verschoben werden. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung: Fig.1 zeigt schematisch eine Scan-Einrichtung gemäss der Erfindung; die Fig. 2 und 3 veranschaulichen Details dieser Einrichtung; Fig. 4 stellt das Blockdiagramm einer Variante der Erfindung mit digitaler Signalverarbeitung dar; die Fig. 5 und 6 zeigen Diagramme der zugehörigen Sende- und Empfangsimpulse; und die Fig. 7 veranschaulicht schliesslich ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform mit analoger Signalverarbeitung. Die Einrichtung gemäss Fig. 1 umfasst einen aktiven optischen Kanal 1, der im Wesentlichen aus einem Laser-Entfernungsmesser besteht, wie er beispielsweise in der Österreichischen Patentschrift Nr. 405 105 beschrieben ist. Der aktive Kanal weist eine Sende-Diode 2 sowie eine Empfangs-Diode 3 auf. Durch die Sende-Diode 2 werden Folgen extrem kurzer Laser-Impulse ausgesendet, die an Objekten im Aufnahme-Raum reflektiert werden. Die in Richtung der Aufnahme-Einrichtung reflektierte Strahlung wird durch die Empfangs-Diode 3 aufgenommen. Im Laser-Entfernungsmesser, bzw. im aktiven Kanal 1 der Einrichtung wird aus der Laufzeit der Laser-Impulse die Entfernung zu dem jeweiligen Objekt ermittelt. Der Sende-Diode 2 und der Empfangs-Diode 3 ist jeweils ein optisches Scan-System vorgeschaltet, mit dessen Hilfe der Objektraum abgetastet wird. Im Interesse einer möglichst übersichtlichen Darstellung ist nur die Scan-Einrichtung für die Empfangs-Diode 3 dargestellt. Der auf die Diode 3 auftreffende Strahl 4 wird beispielsweise durch einen Schwingspiegel 5 abgelenkt, der durch einen Aktor 6 angetrieben wird. Ein mit dem Aktor 6 verbundener Winkelgeber 7 gibt ein Signal alpha ab, das von der Stellung des Spiegels 4 abhängt. Der durch den Schwingspiegel 4 abgelenkte Strahl 8 fällt auf die Spiegelfläche eines Spiegelprismas 9, das von einem Motor 10 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird. Die jeweilige Winkelposition des Spiegelprismas 9 wird durch einen Sensor 11 gemessen; die entsprechenden Signale ? werden der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeleitet. Durch die Bewegung des Spiegels 4 und des Prismas 9 wird der Objektraum durch den Strahl 13 zeilenförmig abgetastet. Die Abtasteinrichtung für die Sende-Diode ist analog aufgebaut und tastet den Objektraum in beiden Richtungen synchron und mit gleicher Phasenlage ab, so dass der Strahl 13 und der entsprechende Strahl der Sende-Einrichtung im Wesentlichen parallel verlaufen. Vorteilhaft weisen die beweglichen optischen Elemente 4 und 9 für den Sende- und Empfangskanal die gleichen Antriebselemente 6 bzw. 10 auf. Es kann zweckmässig sein, den Spiegel 4 und das Prisma 9 axial zu verlängern, so dass Sende- und Empfangskanal dieselben Ablenkeinrichtungen benutzen können. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Laser-Entfernungsmesser mit seinen Sende- und Empfangsoptiken und einem rotierenden Spiegelprisma zu einer starren Einheit zusammengefasst, die in ihrer Gesamtheit zur Abtastung eines Objekt-raumes verschwenkt wird. Durch den aktiven Kanal 1 (Laser-Entfernungsmesser) wird in Kombination mit der Scan-Einrichtung der Objektraum abgetastet, wobei zu jeder, über die Werte der Winkelgeber 7 und 11 definierten Raumrichtung ein Entfernungswert ermittelt wird. Der entsprechende Datensatz bestehend aus den Bildkoordinaten und dem zugehörigen Entfernungswert wird der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeleitet. Im Strahlengang des Strahles 4 ist zwischen dem Schwingspiegel 5 und der Empfangs-Diode 3 ein Strahlen-Teilungsprisma 14 angeordnet, welches einen Teil der einfallenden Strahlung einer zweiten Fotodiode 15 zuleitet. Vorteilhaft weist die Fotodiode 15 eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit auf, verglichen mit der Diode 3, die in ihrer spektralen Empfindlichkeit der Sende-Diode 2 angepasst ist. Es kann zweckmässig sein, eine Diode für langwelligeres Infrarot einzusetzen, um eine bessere Durchdringung bei Nebel zu erzielen. Für andere Anwendungsfälle kann eine Fotodiode für den sichtbaren Bereich des Spektrums verwendet werden. Anstelle einer einzigen Fotodiode kann auch ein Fotodioden-Tripel mit Empfindlichkeiten entsprechend den drei Grundfarben eingesetzt werden. Die spektralen Empfindlichkeiten können in bekannter Weise durch vorgesetzte Farbfilter oder dichroiische Spiegel angepasst werden. Vorteilhaft weist auch der Strahlenteiler 15 eine dichroiische Spiegelfläche 16 auf, durch welche die Strahlung der Laser-Diode 2 im Wesentlichen ungehindert passieren kann, während Strahlung, für welche die Diode 15 eine maximale Empfindlichkeit aufweist, optimal reflektiert wird. Die von der Fotodiode 15 bzw. dem jeweiligen Foto-Empfänger abgeleiteten Signale beschreiben in ihrer Gesamtheit ein passives Bild des Objektraumes, das also beleuchtungsmässig von dem Laser-Licht der Sende-Diode unabhängig ist. Die Signale werden in der mit "Passiver Kanal" bezeichneten Stufe 17 bearbeitet und der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeführt, in welcher nun zu jedem, durch die Signale der Sensoren 7 und 11 definierten Punkt nicht nur eine Entfernungs- sondern auch eine Helligkeits- und gegebenenfalls eine Farbinformation vorliegt. In der Stufe 12 werden die Daten weiter aufbereitet. Die Fig. 2 zeigt im Detail wie gemäss der Erfindung das Objektfeld abgetastet bzw. gescannt wird. Der Kopf 20 des Laser-Scanners ist auf einem Stativ 21 angeordnet. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Version umfasst der Scanner-Kopf 20 ein rotierendes Spiegelprisma zur Abtastung des schematisch angedeuteten Objektfeldes 22 in Richtung einer Zeile 23. Die zeilenweise Abtastung des Objektfeldes erfolgt durch Verschwenken des beweglichen Teils 20a des Scanner-Kopfes gegenüber dem stationären, am Stativ 21 befestigten Teil 20b. Die einzelnen Rasterelemente 24 sind im Wesentlichen quadratisch mit den Abmessungen von 3 mrad x 3 mrad. Abgetastet wird dieses Rasterelement im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch einen einzelnen Laserimpuls sondern durch eine Vielzahl von Impulsen, in dem vorliegenden Beispiel von insgesamt sechs Impulsen, die zusammen einen sogenannten Burst ergeben. Die Laserdiode 2 weist ein rechteckiges Feld auf, welches die Laserstrahlung emittiert. Der ausgesandte Laserstrahl weist somit keinen Kreisquerschnitt auf, sondern hat eine fächerartige Konfiguration. In Fig. 3 ist ein Rasterelement 24 gezeigt, in welchem mit 25 die balkenförmigen, sogenannten "Foot-Prints" der einzelnen Laserimpulse dargestellt sind. Diese weisen in dem vorliegenden Beispiel die Abmessungen 3 mrad x 0,5 mrad auf. Im einfachsten Fall wird durch Mittelwertbildung aus den reflektierten Signalen dieser Impulse ein Empfangssignal für dieses Rasterelement ermittelt und in weiterer Folge aus diesem und dem zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert errechnet, der mit den Ablenkwinkeln alpha und phi bzw. den Koordinaten des Rasterelements in einem Speicher abgelegt wird. Durch den Ersatz eines Einzelimpulses durch eine Vielzahl von Impulsen, einem sogenannten Burst, kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert und die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung erhöht werden. Ein weiterer Vorteil dieses neuen Verfahrens ist die wesentlich erhöhte Messsicherheit: Durch geeignete Algorithmen können bei der Signalverarbeitung sogenannte "Ausreisser" - das heisst Messwerte, die vom Mittelwert deutlich abweichen ausgeblendet bzw. bei der Berechnung des Messwertes unterdrückt werden. Durch das neue Verfahren ist überdies eine Reichweitensteigerung durch eine höhere "False-Alarm-Rate" möglich. In dem obigen Beispiel wird das Objektfeld mit einer Geschwindigkeit von 10 Zeilen pro Minute abgetastet. Infolge der relativ grossen Apertur des Messstrahles und der begrenzten Abmessung des Spiegelprismas, können nur rund 33% einer Umdrehung des Spiegelpris mas zur Ablenkung des Messstrahles genutzt werden. Bei einer Zeilenlänge von 1,4 rad (80 DEG ) ergibt sich somit eine Messstrahlgeschwindigkeit von 42 rad/sec. Mit Rasterelementen von 3 mrad x 3 mrad und 6 Impulsen pro Rasterelement bzw. Burst beträgt die Einzel-Impulsfrequenz (innerhalb eines Bursts) somit 84 kHz. Die Fig. 4 zeigt in Form eines Blockdiagrammes schematisch den Aufbau eines Laser-Scanners gemäss der Erfindung wobei in diesem Diagramm nur die den Ablenkeinheiten nachgeschalteten Systeme dargestellt sind. Mit 30 ist ein Laser-Transmitter bezeichnet, der eine Laserdiode 2 ansteuert, welcher eine Optik 31 vorgeschaltet ist, die die Emitterzone des Lasers vorzugsweise ins Unendliche abbildet. Neben der Sendeoptik 31 ist eine Empfängeroptik 32 vorgesehen, deren optische Achse parallel zu der der Sendeoptik 31 ausgerichtet ist. Im Strahlengang der Empfängeroptik 32 ist ein Strahlenteilungsprisma 33 vorgesehen Die Empfängeroptik 32 konzentriert einerseits die von einem im Strahlengang der Sendeoptik befindlichem Objekt bzw. Ziel im Allgemeinen diffus reflektierte Strahlung auf eine Empfangsdiode 3. Mit Vorteil wird als Empfangsdiode eine Avalanche-Diode eingesetzt. Vorzugsweise sind Sende- und Empfangsdioden in ihrer spektralen Charakteristik aufeinander abgestimmt, wobei die Empfangsdiode ihre maximale spektrale Empfindlichkeit in dem Bereich aufweist, in welchem die Sendediode maximal emittiert. Da die Empfangsdiode 3 aber neben der von der Sendediode emittierten und vom Ziel reflektierten Strahlung viel Störstrahlung in Form von Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfängt, kann es vorteilhaft sein, der Empfangsdiode ein möglichst schmalbandiges, optisches Filter vorzusetzen, welches seine maximale Transmission in dem Spektralband aufweist, in welchem der Laser emittiert. Durch das Strahlenteilerprisma 33 wird ein Teil des aus dem Objektraumes abgestrahlten Lichtes auf eine Empfangsdiode 15 konzentriert. Vorzugsweise weist das Strahlenteilungsprisma 33 eine dichroiische Verspiegelung auf, welche Strahlung der Wellenlänge der Laserdiode 2 im Wesentlichen ungestört passieren lässt, während kurzwelligere Strahlung, insbes. sichtbares Licht zum überwiegenden Teil auf die Diode 15 reflektiert wird. Anstelle einer einzelnen Empfangsdiode 15 kann auch ein Dioden-Tripel vorgesehen sein, deren Dioden in ihrer spektralen Empfindlichkeit auf die drei Grundfarben abgestimmt sind. Mit einer solchen Variante kann daher parallel zum Entfernungsbild (aktiver Kanal) über den zweiten, passiven Kanal ein Schwarz- Weiss- oder Farb-Bild des Objektfeldes aufgezeichnet werden. Der Lasertransmitter 30 umfasst einen Impulsgenerator, der die Laserdiode 2 ansteuert. Der Lasertransmitter gibt, wenn er vom Prozessor 34 entsprechend angesteuert wird, eine Folge von Laserimpulsen, sogenannte Bursts ab. Ein solcher Burst kann je nach vom Prozessor gegebenen Befehl 5-50 Impulse umfassen. Im Regelfall wird ein solcher Burst etwa 10 Impulse aufweisen. Mittels eines vom Prozessor 34 steuerbaren Verzögerungsgenerators 35 können die einzelnen Impulse eines Bursts in ihrer Phasenlage verändert werden, wobei die Phasenverschiebung periodisch erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wiederholen sich beispielsweise die Phasenbeziehungen jeweils mit einer Periode von 5 Impulsen. Die von der Diode 3 empfangenen Signale werden in einer Verstärker- und Analog-Signal-Prozessorstufe 36 verstärkt und bearbeitet. Die auf diese Weise bearbeiteten Signale werden in einem Analog-Digital-Converter 37 mit einer Sample-Frequenz von beispielsweise 60 MHz digitalisiert. Diese gesampelten Echosignale werden in einem Speicher 38 abgelegt. Zufolge der Phasenverschiebung der Sendeimpulse eines Bursts gegenüber der Samplefrequenz werden die gesampelten Echosignale in verschiedene Speicherzellen abgelegt. Weist die Phasenverschiebung, wie oben ausgeführt, eine Periodizität von 5 Impulsen auf, so wird der gesampelte Puls nach 5 Impulsen auf den vorhergehenden aufaddiert. Umfasst ein Burst z.B. 50 Impulse und werden die digitalisierten Impulse mit der Periode 5 "verkämmt", so werden jeweils in einer Speicherzelle 10 Digitalwerte aufaddiert und die Sample-Frequenz von 60 MHz erscheint um die Periodenzahl der Verkämmung vergrössert, in dem vorliegenden Beispiel auf 300 MHz, so dass das Abtasttheorem in Bezug auf den rekonstruierten Empfangsimpuls eingehalten werden kann. Getaktet wird die gesamte Einrichtung durch einen Clock-Generator 52. Der Prozessor 34 und der Datenspeicher 38 sind durch einen Datenbus miteinander verbunden, der schematisch angedeutet und mit 39 bezeichnet ist. An diesen Datenbus 39 sind ferner ein Programmspeicher 40 für den Prozessor 34 angeschlossen, sowie ein Datenzwischenspeicher 41, in welchen nach einer ersten Auswertung durch den Prozessor 34 Rohdaten abgelegt werden, die am Ende des Messzyklus ausgelesen werden. Aus diesen Rohdaten wird mit im Programmspeicher abgelegten Algorithmen ein Entfernungswert für jedes einzelne Rasterelement ermittelt. Das von der Diode (bzw. dem Dioden-Tripel) 15 gelieferte Signal wird in einer Video-Prozessorstufe 42 verstärkt und weiter bearbeitet. Dieser Videoprozessor ist über den Bus 39 mit dem Prozessor 34 und den anderen Blöcken des Systems, insbesondere mit einem digitalen Bildspeicher 43 und einem Video-Interface 44, in Verbindung. Die zu den einzelnen Rastere lementen gehörigen Bildkoordinaten werden von den beiden Ablenkelektronik-Einheiten 45 und 46 über den Datenbus 39 in das System eingespeist. Der Prozessor 34 ermittelt aus den Empfangssignalen die Amplitudenwerte, das Signal-Rausch-Verhältnis etc., legt auf Grund dieser Werte die Zahl der Impulse pro Burst fest und steuert den Laser-Transmitter 30 entsprechend an. Gleichzeitig wird über den Datenbus 39 ein entsprechender Befehl an die Ablenkelektroniken 45 und 46 gesandt. Bei ungünstigen Bedingungen (niedere Amplitude der Empfangsimpulse, geringes Signal-Rausch-Verhältnis, grosse Messwertstreuung) wird die Zahl der Impulse pro Burst erhöht und die Ablenkgeschwindigkeit der Scan-Einrichtung entsprechend reduziert. Diese Anpassung kann individuell für jedes einzelne Raster-element, für eine Zeile von Rasterelementen oder für den ganzen Scan-Zyklus erfolgen. Die Funktionsweise der neuen Einrichtung bzw. das neue Messverfahren wird anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert: Über eine nicht dargestellte Trigger-einrichtung wird dem Prozessor 34 der Befehl zum Auslösen eines Messzyklus erteilt. Über den Verzögerungsgenerator 35 wird der Impulsgenerator des Laser-Transmitters 30 so angesteuert, dass er mit einer Impulsfolgefrequenz von z.B. 84 kHz einen ersten Burst von beispielsweise 20 Impulsen aussendet. Es folgt eine Impulslücke, deren Dauer mindestens der der innerhalb derselben auszuführenden Rechenoperationen entspricht, worauf der nächste Burst ausgesendet wird. Da im Allgemeinen die Rechenoperationen bereits parallel zum Aussenden von Impulsen durchgeführt werden, kann die Impulslücke auf 1-3 Pulsbreiten reduziert werden. Die Fig. 6 veranschaulicht die einzelnen Laser-Sendeimpulse 48 (Startimpulse), die vom Lasertransmitter 30 ausgesendet werden. Die Impulse werden von verschiedenen, im Strahlengang der Sendeoptik befindlichen Objekten reflektiert. Durch die Empfangsdiode 3 wird ein mehr oder weniger stark verrauschtes Empfangssignal der Verstärker- und Signalprozessorstufe 36 zugeleitet. In diesen Empfangssignalen erscheinen die Echos der Sendeimpulse entsprechend der Zielentfernung und damit der Impulslaufzeit zeitlich versetzt, im Allgemeinen stark gedämpft und vielfach auch in der Kurvenform verzerrt. Die Kurvenformänderung kann durch die Geometrie des Zieles bedingt sein, so kann eine Abstufung oder eine entsprechende Neigung der reflektierenden Fläche des Zieles zur Achse des Sendestrahles zu einer Impulsverbreiterung führen. Die Empfangssignale 49 werden in dem Analog-Digital-Converter 37 mit einer Sample-Frequenz von ca. 60 MHz gesampelt. Zwischen der Impulsfolgefrequenz der Sendeimpulse 48 und der Frequenz der Sample-Pulse besteht eine relative Phasenverschiebung entsprechend d=L/n wobei L die Periodendauer der Samplefrequenz und n eine ganze Zahl ist. Wird n zum Beispiel mit 5 angenommen und von einem stationärem Ziel ausgegangen, so wird das Empfangsignal von 5 aufeinanderfolgenden Sendeimpulsen jeweils so zeitversetzt gesampelt, dass diese gegeneinander verkämmt sind. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Periode von 5 Impulsen. Die wirksame Samplefrequenz wird damit um den Faktor n, in dem obigen Beispiel, um den Faktor 5 vergrössert. Die gesampelten und gegeneinander verkämmten Echosignale werden in die Zellen des Datenspeichers 38 abgelegt. Für einen Burst von 20 Sendeimpulsen und einer Verkämmung entsprechend einem Faktor 5 werden in einer Zelle jeweils 4 Samplewerte aufaddiert. Da die Rauschsignale statistisch auftreten, werden sie in bekannter Weise beim Aufaddieren der Digitalsignale gegenüber den systematisch auftretenden Nutzsignalen unterdrückt, so dass es zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses kommt. Schon während der Aussendung der einzelnen Impulse eines Bursts und anschliessend in den Impulslücken zwischen zwei Bursts wird durch den Prozessor 34 aus den im Speicher 38 abgelegten Digitalwerten mittels eines im Programmspeicher 40 abgelegten weiteren Algorithmus zum Beispiel durch Berechnung des Maximalwertes des Empfangsimpulses und Ermittlung der Laufzeit in Bezug auf den Zeitpunkt der Aussendung des Sendeimpulses 48 ein Entfernungswert ermittelt. Gleichzeitig können noch weitere Signaleigenschaften wie Signalamplitude, Signal-Rausch-Verhältnis und/oder Impulsbreite des Echoimpulses berechnet werden. Diese Daten werden zusammen mit den Koordinaten des dem Burst entsprechenden Rasterelementes in dem Rohdatenspeicher 41 abgelegt. Der Datenspeicher 38 kann anschliessend gelöscht oder nach dem nächsten Burst mit den Daten desselben überschrieben werden. In Fig. 7 ist, ebenfalls in Form eines Blockdiagramms, eine Variante der oben beschriebenen Ausführung gezeigt. Im Gegensatz zu der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung weist die Lösung gemäss Fig. 7 keine digitale sondern eine analoge Signalverarbeitung auf. In Fig. 7 werden für Positionen, die mit jenen in Fig. 4 übereinstimmen, gleiche Bezugszeichen verwendet. Durch den Prozessor 34 wird die Laser-Transmitter-Elektronik 30 angesteuert. Entsprechend der vom Prozessor vorgegebenen Impulszahl und Taktfrequenz sendet die Laser-Transmitter-Elektronik 30 eine Folge von Impulsen an die Laser-Diode 2, die eine entsprechende Folge von Laser-Licht-Impulsen abgibt. Die Emitterzone der Laser-Diode 2 wird durch die Optik 31 im Wesentlichen ins Unendliche abgebildet. Durch eine der Optik vorgesetzte, in dieser Figur nicht dargestellten Ablenkeinheit wird der Laserstrahl in zwei orthogonalen Richtungen zur zeilenweisen Abtastung des Objektfeldes abgelenkt. Die von einem Ziel reflektierte Strahlung wird durch eine analog aufgebaute und synchron und phasengleich arbeitende Ablenkeinheit auf die Empfangsoptik 32 geworfen, welche die Strahlung auf ein Strahlenteilerprisma 33 richtet. Das Strahlenteilerprisma 33 weist eine frequenzselektiv wirkende, dichroiische Verspiegelung 33a auf, welche das reflektierte infrarote Laserlicht im Wesentlichen ungedämpft passieren lässt. Die Laserstrahlung wird daher auf der Empfangsdiode 3 konzentriert, die in ihrer spektralen Empfindlichkeit der Sendediode 2 angepasst ist. Das Ausgangssignal der Empfangsdiode 3 wird in dem Verstärker und Signal-Prozessor 36 verarbeitet und einer Stufe 50 zugeführt, in welcher durch einen Mikroprozessor aus der Laufzeit (Time of Flight/TOF) in Bezug auf einen von einem Sendeimpuls abgeleiteten Startimpuls ein Entfernungswert ermittelt wird. Aus den den verschiedenen Impulsen eines Bursts entsprechenden Entfernungswerten berechnet der Prozessor 34 nach vorgegebenen Algorithmen einen einzigen, einem Rasterelement zugeordneten Entfernungswert. Dieser Entfernungswert wird durch den Prozessor 34 mit den Koordinaten des Rasterelementes verknüpft, die von den Elektronik-Einheiten der Ablenksysteme 45 und 46 abgeleitet werden. Der einem Rasterelement zugeordnete Datensatz wird dann in einem Speicher 41 abgelegt. Das kürzerwellige sichtbare Licht wird durch den dichroiischen Spiegel 33a auf die Diode 15 abgelenkt. An Stelle einer einzelnen Diode 15 kann auch ein Dioden-Tripel vorgesehen sein, deren einzelne Dioden spektrale Empfindlichkeiten entsprechend den drei Grundfarben aufweisen. Mit einer solchen Anordnung kann daher parallel zu einem sog. Entfernungsbild (aktiver Kanal) ein Schwarz-Weiss- bzw. ein Farb-TV-Bild des Objektfeldes aufgezeichnet werden (passiver Kanal). Das von der Diode 15 abgeleitete Videosignal wird in der Stufe 42 verstärkt und digitalisiert und zusammen mit den Koordinaten des entsprechenden Rasterelementes in dem digitalen Bildspeicher 43 abgelegt. Da die über den aktiven Kanal erzeugten Entfernungsbilder und die über den passiven Kanal erzeugten TV-Bilder über die idente Ablenkeinheit aufgenommen werden, sind sie absolut deckungsgleich und können bei einer späteren Bildverarbeitung in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Zu diesem Zweck kann der Prozessor 34 über den Datenbus 39 sowohl auf den Speicher 41, in wel chem die zu jedem Rasterelement gehörigen Entfernungswerte, als auch auf den Speicher 43 mit der Video-Information zugreifen und diese nach einem vorgegebenen Programm miteinander verknüpfen. Die auf diese Weise erzeugte Video-Gesamtinformation kann über das Video-Interface ausgegeben und beispielsweise auf einem Monitor zur Anzeige gebracht werden. Der Prozessor 34 ermittelt aus den verschiedenen, den einzelnen Impulsen eines Bursts zugeordneten Messwerten, Amplitudenwerte, Signal-RauschVerhältnisse, Mittelwerte und Streuungen etc. Haben die Messwerte nur geringe Amplitudenwerte oder Signal-Rausch-Verhältnisse so gibt der Prozessor 34 dem Laser-Transmitter 30 den Befehl, die Impulszahl pro Burst zu vergrössern. Gleichzeitig werden über den Bus 39 die Ansteuer-Elektronik-Einheiten 45 und 46 des Scanners im Sinne einer Reduktion der Scan-Rate angesteuert. Analog wird bei einer grossen Streuung der Messwerte gegenüber dem Mittelwert verfahren. Weisen nur wenige Resultate aus den Ergebnissen eines Bursts eine grosse Abweichung gegenüber dem Mittelwert auf so ist anzunehmen, dass solche Ergebnisse auf Fehlmessungen oder Störungen beruhen. Diese Ergebnisse werden daher aus dem Speicher eliminiert und nicht zur weiteren Verarbeitung herangezogen. Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.
Claims (10)
1. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem opto-elektronischen Entfernungsmesser nach dem Impuls-Laufzeit-Verfahren mit einer Sendeeinrichtung (2) zum Aussenden von optischen Signalen in Form von Impulsen, und einer Empfangseinrichtung (3) zum Empfangen von optischen Signalen, die von im Objektraum befindlichen Objekten reflektiert werden, ferner mit einer Scan-Einrichtung (5, 6, 9, 10) zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3), durch welche der Objektraum rasterartig abtastbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (12), die aus der Laufzeit der ausgesandten optischen Impulse Entfernungswerte ermittelt, wobei ein Bildausgabe-System für die Ausgabe eines aus Rasterelementen zusammengesetzten Bildes auf einem Bildschirm (18) vorgesehen ist, auf welchem Bildelemente wiedergegeben werden,
deren Bildinhalt vorzugsweise eine Funktion des dem jeweiligen Rasterelement zugeordneten Entfernungswertes darstellt und deren Bildschirm-Koordinaten den Koordinaten der Rasterelemente im Objektraum entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesandten Impuls-Signale zu Impulspaketen, sogenannten "Bursts", zusammengefasst sind, wobei jedem Rasterelement mindestens ein Burst zugeordnet ist und in einem elektronischen Rechner (12) mittels definierter Algorithmen aus den Empfangssignalen der Impulse jedes Bursts und aus der Laufzeit dieser Empfangsimpulse in Bezug auf die zugehörigen Sendeimpulse ein einem jeweiligen Rasterelement zugeordneter Entfernungswert berechnet wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist: (a) die optischen Signale in Form von Impulsen sind Laser-Impulse; (b) die Taktrate der ausgesendeten optischen Impulse innerhalb eines Bursts beträgt mindestens 50 kHz, vorteilhaft mindestens 100 kHz; (c) die Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3) erfolgt kontinuierlich; (d) Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3) er folgt in zwei orthogonale Richtungen.
3.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mehrkanal- bzw. mehrziel-fähige Zeitintervallmessung für jeden einzelnen Impuls eines Bursts ein Laufzeitintervall bestimmt wird, die in ihrer Gesamtheit eine Tabelle von Laufzeitintervallen definieren, wobei ein elektronischer Rechner (12) mittels definierter Algorithmen aus diesen Laufzeitintervallen der Impulse jedes Bursts in Bezug auf einen zugehörigen Sendeimpuls mindestens einen, einem Rasterelement zugeordneten Entfernungswert ermittelt.
4.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem elektronischen Rechner (12) aus den zeitdiskreten, digitalisierten und aufaddierten Empfangssignalen der Impulse jedes Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf einen zugehörigen Sendeimpuls ein Entfernungswert berechnet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Burst aus 2-50, vorzugsweise 10, Impulsen besteht.
6.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise während der Impulslücken zwischen zwei Bursts in dem elektronischen Rechner (12) mittels definierter Algorithmen jeweils aus den Empfangssignalen der Impulse des vorhergehenden Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf den zugehörigen Sendeimpuls ein Entfernungswert berechnet und in einem Speicher zusammen mit den Koordinaten des Raster- bzw. Bildelementes abgelegt wird.
7.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Empfangssignalen der Bursts eines Scans des Objekt-raumes die Signalamplituden bzw. die Signal-Rausch-Verhältnisse der jedem Rasterelement zugeordneten Messwerte ermittelt und gespeichert werden und die Impulszahlen pro Burst bei den folgenden Scans als Funktion dieser Werte verändert werden, in dem Sinn, dass bei grossen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen eines Rasterelementes die Zahl der Impulse pro Burst und damit die Zeitdauer eines Messzyklus reduziert wird, bei kleinen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen die Zahl der Impulse pro Burst erhöht wird und die Scan-Rate der Scan-Einrichtung (5, 6, 9, 10) in Abhängigkeit von der Impulszahl pro Burst variabel ist.
8.
Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei adaptiver Wahl der Anzahl der Sendeimpulse pro Burst die Bursts eines ersten Scan-Zyklus eine überdurchschnittlich grosse Impulszahl aufweisen, so dass auch unter ungünstigen Bedingungen ein Entfernungs-Messwert bestimmbar ist, um daraus abgeleitet für die folgenden Scan-Vorgänge die Parameter der Messung bestimmen zu können.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Rasterelement Fenster von Speicheradressen, welche Entfernungswerten entsprechen, definierbar sind, innerhalb welchen Samples der Empfangssignale zur Auswertung herangezogen werden.
10.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sende-Impulsfolgefrequenz und der Samplefrequenz eine relative Phasenverschiebung von d = L/n eingestellt wird, in welcher Formel n eine ganze Zahl, vorzugsweise 5 ist, d die Phasenverschiebung, und L die Periodendauer der Samplefrequenz bedeuten, so dass Samples der digitalisierten Empfangssignale gegeneinander mit einer Periode von n verkämmt sind, wodurch die wirksame Samplefrequenz um den Faktor n vergrössert erscheint, wobei in absoluten Werten vorzugsweise die Sendeimpulse in ihrer Phasenlage verschoben werden.
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