DE102018201735A1 - Apparatus and method for determining a distance of a moving object - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Sender (110) zum Aussenden eines optischen Sendersignals (111), wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz (ω(t)) aufweist, einen Detektor (150) zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals (121) und eines zweiten 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 vorherige 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 (Δω) zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals (122) und der Frequenz des ersten Teilsignals (121) charakteristisch ist, und eine Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung des Abstandes des Objekts (105) auf Basis eines zeitlichen Verlaufs dieser Differenzfrequenz (Δω(t)) auf.The invention relates to a device and a method for determining a distance of a moving object. A device according to the invention has a transmitter (110) for emitting an optical transmitter signal (111), wherein the transmitter signal has a time-varying frequency (ω (t)), a detector (150) for generating a detector signal from a superposition of a first partial signal (121 ) and a second partial signal (122), wherein the first partial signal (121) and the second partial signal (122) have arisen by decomposing the transmitter signal (111), wherein the first partial signal (121) without prior reflection on the object (105) for Detector (150) passes and wherein the second partial signal (122) after reflection at the object (105) passes to the detector (150), wherein the detector signal for the difference frequency (Δω) between the frequency of the second partial signal (122) and the frequency of first characteristic signal (121) is characteristic, and an evaluation device (160) for determining the distance of the object (105) on the basis of a time profile of this difference frequency (Δω (t)) on.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Gebiet der ErfindungField 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 TechnikState of the art

Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes 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 measuring principle, also referred to as lidar, in which a frequency-temporally changed optical signal is radiated toward the relevant object and evaluated after back-reflection at the object.

5 zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 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 5 mit „5“ bezeichneten) Objekt zum Detektor 50 gelangt. Das zweite Teilsignal 22 wird hingegen über einen optischen Zirkulator 30 zum Objekt 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 einem Gesamtsignal, welches als Produkt zweier Oszillationen dargestellt werden kann, von denen die eine die mittlere Frequenz der Teilsignale 21, 22 und die andere die Differenzfrequenz der Frequenzen der Teilsignale 21, 22 besitzt, wobei mit einem realen Detektor 50 lediglich die Differenzfrequenz zeitlich auflösbar ist. 5 shows only a schematic representation of a known per se basic structure in which one of a light source and a transmitter 10 emitted optical transmitter signal with time linearly changed frequency via a partially transmissive mirror 11 split into two sub-signals. These two sub-signals are at a detector 50 superimposed on each other, wherein the first sub-signal 21 without reflection on the (in 5 with "5") object to the detector 50 arrives. The second partial signal 22 is, however, via an optical circulator 30 to the object 5 guided, reflected back from this and thus passes in comparison to the first sub-signal 21 with a time delay and correspondingly changed frequency to the detector 50 , About an evaluation device 60 that will be from the detector 50 supplied measuring signal for determining the distance of the object 5 evaluated (with respect to the measuring device). The superposition of the two sub-signals 21 and 22 at the detector 50 leads in a known manner to an overall signal, which can be represented as the product of two oscillations, one of which is the average frequency of the partial signals 21 . 22 and the other the difference frequency of the frequencies of the sub-signals 21 . 22 owns, using 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 6a dargestellt zeitlich konstant und nur von der Zeitverzögerung 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 Variation der letztlich gemessenen Differenzfrequenz, so dass ohne entsprechende Berücksichtigung fehlerhafte Werte bei der Abstandsbestimmung erhalten werden.If now the object to be measured in terms of its distance 5 is in motion, the difference frequency of the frequencies of the sub-signals 21 . 22 not like in 6a shown time constant and only dependent on the time delay, but it results due to the Doppler effect, a speed-dependent shift of the frequency of the moving object 5 reflected second sub-signal 22 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.

6b-6c zeigen Diagramme zur Erläuterung eines herkömmlichen Ansatzes zur Überwindung dieses Problems. Hierbei wird der Einfluss des Dopplereffekts auf das erhaltene Messergebnis gemäß 6b als konstanter Offset betrachtet und der Messprozess in zwei Messabschnitte aufgeteilt, in welchen gemäß 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 werden, dass der nur vom Abstand des Objekts 5 abhängige Anteil der Differenzfrequenz in beiden Messabschnitten von entgegengesetztem Vorzeichen ist, die Dopplerverschiebung der gemessenen Frequenz jedoch in beiden Messabschnitten dasselbe Vorzeichen besitzt. Die Objektbewegung hat somit in dem einen der beiden Messabschnitte eine scheinbare Vergrößerung des Objektabstandes, im anderen Messabschnitt hingegen eine scheinbare Verkleinerung des Objektabstandes zur Folge, so dass der „wahre“ Abstand als Mittelwert aus den in beiden Messabschnitten erhaltenen Messergebnissen gesetzt wird. 6b-6c show diagrams for explaining a conventional approach to overcome this problem. Here, the influence of the Doppler effect on the obtained measurement result according to 6b considered as a constant offset and the measuring process divided into two measuring sections, in which according to 6c the time derivative of the transmitter 10 generated frequency is opposite to each other. By inverting the slope of the transmitter 10 generated temporal frequency dependence is to be achieved that the only of the distance of the object 5 dependent part of the difference frequency in both measuring sections of opposite sign, but 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 of 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 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 (µm) 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 Differenzfrequenz wie in 6d dargestellt zeitlich veränderlich ist, die Behandlung des Dopplereffektes als konstanter Offset also gerade nicht gerechtfertigt ist. Hinzu kommt, dass die anhand von 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 Auswirkungen des Dopplereffekts nicht mehr vollständig gegeben ist. Nicht zuletzt führt auch bereits die Bewegung des Objekts 5 während eines einzigen Messabschnitts zu einer Veränderung der Differenzfrequenz und damit bei der anhand von 6c erfolgenden Abstandsermittlung auf Basis einer einzigen Differenzfrequenz zu einer Verringerung der bei der Abstandsermittlung erzielten Genauigkeit.The above with reference to 6c However, the approach described in practice turns out to be inadequate in scenarios in which moving objects with intervals in the Order of magnitude of several meters a highly accurate distance measurement to a few microns (microns) to be realized exactly. This is due to the fact that, due to the temporal change in the frequency of the transmitter 10 also changes the strength of the Doppler effect in time and thus the difference frequency as in 6d is temporally changeable, the treatment of the Doppler effect as a constant offset is therefore not justifiable. In addition, the basis of 6c disregarding the described distance determination from two successive partial measurements that the object to be measured 5 generally moved on during the two partial measurements, with the result that the compensation of the effects of the Doppler effect is no longer completely given. Last but not least, the movement of the object already leads 5 during a single measuring section to a change in the difference frequency and thus in the basis of 6c taking distance determination based on a single difference frequency to reduce the accuracy obtained in the distance determination.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts bereitzustellen, wobei auch bei bewegten Objekten mit Abständen in der Größenordnung von mehreren Metern eine hochgenaue Abstandsmessung auf wenige Mikrometer (µm) 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 moving object, wherein even with moving objects with distances in the order of several meters, a highly accurate distance measurement to a few microns (microns) can be realized ,

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 bzw. das Verfahren gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 9 gelöst.This object is achieved by the device according to the independent claim 1 and the method according to the independent claim 9.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts weist auf:

• - einen Sender zum Aussenden eines optischen Sendersignals, wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist;
• - einem Detektor zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals und eines zweiten Teilsignals, wobei das erste Teilsignal und das zweite Teilsignal durch Zerlegung des Sendersignals hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal ohne vorherige Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt und wobei das zweite Teilsignal nach Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt, wobei das Detektorsignal für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals charakteristisch ist; und
• - einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Abstandes des Objekts auf Basis eines zeitlichen Verlaufs dieser Differenzfrequenz.

An apparatus according to the invention for determining a distance of a moving object has:

• a transmitter for transmitting an optical transmitter signal, the transmitter signal having a time-varying frequency;
• a detector for generating a detector signal from a superimposition of a first sub-signal and a second sub-signal, the first sub-signal and the second sub-signal having been produced by decomposition of the transmitter signal, wherein the first sub-signal passes without prior reflection to the object to the detector and wherein the second Partial signal passes to the detector after reflection on the object, wherein the detector signal for the difference frequency between the frequency of the second partial signal and the frequency of the first partial signal is characteristic; and
• - An evaluation device for determining the distance of the object based on a time course of this difference frequency.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, zur Abstandsmessung eines bewegten Objekts ausgehend von dem anhand von 5 beschriebenen herkömmlichen Konzept nicht etwa nur eine einzige Differenzfrequenz zu bestimmen und der Abstandsberechnung zugrunde zu legen, sondern vielmehr den gesuchten Abstand des Objekts auf Basis eines zeitlichen Verlaufs dieser Differenzfrequenz zu ermitteln.The invention is based in particular on the concept for measuring the distance of a moving object, starting from the basis of FIG 5 described conventional concept not to determine only a single difference frequency and to base the distance calculation, but rather to determine the desired distance of the object based on a time course of this difference frequency.

Dabei sollen durch die vorliegende Erfindung sowohl Ausführungsformen als umfasst gelten, bei denen der betreffende zeitliche Verlauf der Differenzfrequenz über ein vorgegebenes Zeitintervall bestimmt wird, als auch Ausführungsformen, bei denen wie im Weiteren noch näher erläutert von vorneherein ein oder mehrere für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz charakteristische Parameter bestimmt werden.In this case, both embodiments are considered to be encompassed by the present invention, in which the relevant time profile of the difference frequency over a predetermined time interval is determined, as well as embodiments in which, as explained in more detail from the outset one or more for the time course of the difference frequency characteristic parameters are determined.

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 insbesondere 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 Abstandsermittlungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich realisiert werden können.The distance determination according to the invention 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 with respect to its distance are not taken into account - in an incorrectly simplified way - as a constant offset, in particular due to the Doppler effect. In a sense, taking into account higher orders of the Doppler effect) are recorded varying in time and consequently can be realized as a result even with moving objects in several meters distance highly accurate distance determinations with accuracies in the micrometer range.

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 Aufwand verzichtet werden kann.Furthermore, the inventive concept has the advantage that a linearization of the temporal frequency response of the optical transmitter signal emitting transmitter is dispensable according to the invention, with the result that can also be dispensed with the associated with such a linearization equipment complexity.

Diesem vorteilhaften weiteren Effekt liegt der Umstand zugrunde, dass mit der erfindungsgemäßen Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz, welche wiederum die Messung „augenblicklicher“ bzw. instantaner Frequenzen umfasst, das im Stand der Technik infolge Zugrundelegung einer konstanten Differenzfrequenz bestehende Erfordernis einer linearen Frequenzänderung entfällt. Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß kein bestimmter zeitlicher Frequenzverlauf hinsichtlich des vom Sender ausgesandten Sendersignals (insbesondere keine sich notwendigerweise linear mit der Zeit ändernde Frequenz des Sendersignals) gefordert, sondern es wird lediglich eine genaue 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 difference frequency, which in turn comprises the measurement of "instantaneous" or instantaneous frequencies, the requirement of a linear frequency change existing in the prior art as a result of a constant difference frequency is eliminated. In other words, according to the invention, no specific temporal frequency profile with respect to the transmitter signal emitted by the transmitter (in particular, no necessarily linearly time-varying frequency of the transmitter signal) is required, but only an exact knowledge of the time frequency characteristic 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 zur Bestimmung wenigstens eines für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz charakteristischen Parameters konfiguriert.According to one embodiment, the evaluation device is configured to determine at least one parameter that is 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 Zeitintervall zu bestimmen.According to one embodiment, the evaluation device is configured to determine the time profile of the difference frequency over a predetermined time interval.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst dieses Zeitintervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs.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 Frequenzmesseinrichtung zur Messung der Frequenz des von dem Sender ausgesandten Signals auf. According to one embodiment, the apparatus further comprises a frequency measuring device for measuring the frequency of the signal emitted by the transmitter.

Gemäß einer Ausführungsform weist diese Frequenzmesseinrichtung ein Interferometer 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 Zeitabhängigkeit 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 dependence 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 Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals beschreibenden Funktion in dem vorgegebenen Zeitintervall von der mittleren zeitlichen Ableitung über dieses 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 such that the time derivative of the function describing the time dependence of the frequency of the transmitter signal in the predetermined time interval deviates 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% ; this applies for at least 10% of this time interval.

Mit diesem Kriterium unterscheidet sich die Erfindung insbesondere weiter von dem eingangs anhand von 5 und 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 Größenordnung 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.With this criterion, the invention differs in particular further from the beginning with reference to 5 and 6a-6d cited prior art, since in this prior art in a certain order of magnitude deviations of the temporal frequency response of the linearity already lead to in the same order of magnitude measurement inaccuracies performed distance measurement, so that in the prior art about the order of 0.1% lying deviations the time dependence of the frequency of the transmitter signal from a time-linear course at a desired high accuracy of the distance measurement would not be acceptable.

Gemäß einer Ausführungsform weicht die Zeitabhängigkeit der Frequenz des Sendersignals 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. Wird die zeitliche Ableitung dieser Frequenz sehr groß, so wird bei gegebenem Abstand zum Objekt die zu messende Differenzfrequenz unter Umständen so groß, dass sie vom Detektor nicht mehr aufgelöst werden kann. Wird die zeitliche 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 Kompromiss) 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 idealen Wert ist, zu erhalten. According to one embodiment, the time dependence of the frequency of the transmitter signal over a predetermined time interval with monotonous time dependence of this frequency deviates from a time-linear course by a maximum of 25%, in particular a maximum of 20%, more particularly by a maximum of 10%. If the time derivative of this frequency is very large, then at a given distance to the object, the differential frequency to be measured may under certain circumstances become so large 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 an optimal 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 approximately equal to this ideal value to be obtained at each instant.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

• - Aussenden eines optischen Sendersignals, wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist;
• - 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 Detektor auftrifft und wobei ein zweites Teilsignal dieser Teilsignale nach Reflexion an dem Objekt auf den Detektor auftrifft; und
• - Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis eines zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals.

The invention further relates to a method for determining a distance of a moving object, the method comprising the following steps:

• - emitting an optical transmitter signal, the transmitter signal having a time-varying frequency;
• - Detecting generated by decomposing this transmitter signal, superimposed partial signals with a detector, wherein a first partial signal of these partial signals without prior reflection on the object impinges on the detector and wherein a second partial signal of these partial signals after reflection on the object impinges on the detector; and
• - Determining a distance of the object based on a time course of the difference frequency between the frequency of the second partial signal and the frequency of the first partial signal.

Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich des Abstandes vermessenen Objekten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um Roboterkomponenten wie Roboterarme oder auch um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich relevante Objekte (z.B. Fremdfahrzeuge) handeln.In the case of objects measured in the context of the invention in terms of distance, it may be exemplary only (and without the invention being limited thereto) to be robot components such as robot arms or also objects relevant to road traffic or the automobile sector (for example, foreign vehicles).

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.

Figurenlistelist of figures

Es zeigen:

• 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
• 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer beispielhaften Ausführungsform;
• 3-4 schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele zur Bestimmung einer bei der vorliegenden Erfindung zur Abstandsermittlung herangezogenen instantanen Frequenz;
• 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer herkömmlichen Vorrichtung zur Abstandmessung; und
• 6a-d schematische Darstellung zur Erläuterung weiterer Aspekte der herkömmlichen Vorrichtung von 5.

Show it:

• 1 a schematic representation for explaining the possible structure of a device according to the invention;
• 2 a diagram for explaining the operation of a device according to the invention in an exemplary embodiment;
• 3-4 schematic representations of different embodiments for determining an instantaneous frequency used in the present invention for distance determination;
• 5 a schematic representation for explaining the structure of a conventional device for distance measurement; and
• 6a-d schematic representation for explaining other aspects of the conventional device of 5 ,

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED 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 1 sowie 2a-2b beschrieben.In the following, construction 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 representations in FIG 1 such as 2a-2b described.

Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 100 - insoweit zunächst analog zu dem anhand von 5 bereits beschriebenen herkömmlichen Konzept - einen Sender 110 zum Aussenden eines optischen Sendersignals 111 mit zeitlich variierender Frequenz auf. Beispielhafte optische Sender, welche als Sender 110 in der Messvorrichtung dienen können, sind MEMS-VCSEL, DBR-Laser (DBR = „Distributed Bragg Reflector“), SGDBR-Laser (SGDBR= „Segmented Grating Distributed Bragg Reflector“ und WGMR-stabilisierte / WGMRdurchstimmbare Laser (WGMR= „Whispering Gallery Mode Resonator“).According to 1 has a measuring device according to the invention 100 - in this respect, first analogous to that of 5 already described conventional concept - a transmitter 110 for transmitting an optical transmitter signal 111 with time varying frequency. Exemplary optical transmitters serving as transmitters 110 can be used in the measuring device are MEMS-VCSEL, DBR (Distributed Bragg Reflector) laser, SGDBR (Segmented Grating Distributed Bragg Reflector) and WGMR-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 1 ebenfalls analog zu dem Aufbau von 5 über einen teildurchlässigen Spiegel 115 aufgespalten mit der Folge, dass an einem Detektor 150 zwei durch Zerlegung des Sendersignals 111 hervorgegangene Teilsignale 121, 122 eintreffen. 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 For example, it can have wavelengths in the visible range or in the infrared range. This transmitter signal 111 is according to 1 also analogous to the structure of 5 via a partially transparent mirror 115 split with the result that at a detector 150 two by breaking the transmitter signal 111 resulting partial signals 121 . 122 arrive. From these partial signals 121 . 122 arrives the first part signal 121 without prior reflection on an object to be measured with respect to its distance 105 to the detector 150 whereas the second sub-signal 122 after reflection on the object 105 via an optical circulator 130 to the detector 150 arrives.

Der Detektor 150 weist im Ausführungsbeispiel einen geeigneten Sensor z.B. in Form einer Photodiode auf und wandelt das durch Überlagerung der Teilsignale 121, 122 generierte optische Überlagerungssignal in ein elektrisches Signal um.The detector 150 has in the exemplary embodiment a suitable sensor, for example in the form of a photodiode, and converts this by superimposing the partial signals 121 . 122 generated optical heterodyne signal into an electrical signal.

Gemäß 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 1 serves another semitransparent mirror 112 for decoupling a part of the first part signal 121 , this part for the purpose of measuring the temporal frequency variation of the transmitter signal 111 via an interferometer 140 to be led.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung unterscheidet sich insbesondere hinsichtlich der Arbeitsweise einer zur Auswertung des von dem Detektor 150 erzeugten Detektorsignals vorhandenen Auswerteeinrichtung 160 von dem herkömmlichen Konzept gemäß 5:The device according to the invention differs in particular with respect to the mode of operation of an evaluation of the detector 150 generated detector signal existing evaluation 160 according to the conventional concept 5 :

Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Konzept gemäß 5, bei welchem aus dem elektrischen Signal des Detektors 150 (erzeugt durch Umwandlung des durch Überlagerung der Teilsignale 121, 122 generierten optischen Überlagerungssignals in ein elektrisches Signal) eine einzige Differenzfrequenz bestimmt und zur Abstandsmessung herangezogen wird, erfolgt erfindungsgemäß aus dem zeitlichen Verlauf I(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 interpreting the instantaneous frequency of a signal“ I - Fundamentals. II - Algorithms and applications, Proceedings of the IEEE 80, 520-538, 540-568 (1992) verwiesen.In contrast to the conventional concept according to 5 in which from the electrical signal of the detector 150 (generated by converting the by superposition of the sub-signals 121 . 122 In accordance with the invention, a determination of the time profile of the so-called instantaneous frequency takes place from the time profile I (t) of the electrical signal using a generated optical interference signal in an electrical signal) a single difference frequency and used for distance measurement. 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 Δω (t) zwischen der empfangenen Frequenz ω_e (t) des zweiten Teilsignals 122 und der Frequenz ω_s (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. $$\Delta \omega \left(t\right)={\omega }_e\left(t\right)-{\omega }_s\left(t\right)$$

That of the detector 150 generated detector signal ultimately gives the time course of the difference frequency Δω (t) between the received frequency ω _e (t) of the second partial signal 122 and the frequency ω _s (t) of the first sub-signal 121 or the transmitter signal 111 the latter being due to measurement with the interferometer 140 (or already as a result of exact knowledge of the sender 110 ) is known. $$\Delta \omega \left(t\right)={\omega }_e\left(t\right)-{\omega }_s\left(t\right)$$

Sinnvolle maximale Differenzfrequenzen können im Bereich 100 MHz bis 1 GHz liegen, für weniger anspruchsvolle Anwendungen auch darunter.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: $$d\left(t\right)=d_0+d_0+\nu \cdot t+\frac{1}{2}\cdot a\cdot t^2$$

From equation (1), the time course d (t) of the sought distance of the object 105 can be determined by parameterizing d (t) suitably eg according to the following equation (2): $$d\left(t\right)=d_0+d_0+\nu \cdot t+\frac{1}{2}\cdot a<figure-callout\; id="2"\; label="\cdot \; t"\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png,DE102018201735A1\_0006.png"\; state="\{\{state\}\}">\cdot \; </figure-callout>t^{}{}^2$$

Im Weiteren wird eine mögliche Ausführungsform zur Bestimmung des Abstandsverlaufs d(t) aus dem zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz Δω beschrieben. Zur einfacheren Verständlichkeit werden dabei die Laufwege innerhalb 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 Realisierung des hier beschriebenen Verfahrens leicht berücksichtigt werden.In the following, a possible embodiment for determining the distance profile d (t) from the time profile of the difference frequency Δω will be described. For ease of understanding while the running paths within the measuring device 100 (eg from the beam splitter 115 over the beam splitter 112 to the detector 150 or from the circulator 130 to the detector 150 ) ignored. Since these are constant offsets, they can easily be taken into account when implementing the method described here.

Der Abstand d(t) des Objektes 105 zu einem bestimmten Zeitpunkt t ergibt sich daraus, dass zu einem früheren Zeitpunkt t₁ ein Signal 122a von der Messvorrichtung 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 Messvorrichtung 100 und Objekt 105 gegeben: $$\begin{array}{c}t-t_1=d\left(t\right)/c\\ t_2-t=d\left(t\right)/c\end{array}$$

The distance d (t) of the object 105 at a certain point in time t, it follows that at an earlier point in time t ₁ a signal 122a from the measuring device 100 was sent and at time t the object 105 reached. The reflected signal 122b then reaches the measuring device again at a later time t ₂ 100 , The relationship of the different times is due to the speed of light c of the medium between the measuring device 100 and object 105 where: $$\begin{array}{c}t-{\mathrm{<figure-callout\; id="1"\; label="t"\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png,DE102018201735A1\_0006.png"\; state="\{\{state\}\}">t</figure-callout>}}_1=d\left(t\right)/c\\ t_2-t=d\left(t\right)/c\end{array}$$

Infolge der Reflexion am bewegten Objekt 105 unterscheidet sich die Frequenz ω_122a (t) des Signals 122a von der Frequenz ω_122b (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 model of light“, European Journal of Physics 34, L1-4. Das Ergebnis lautet: $${\omega }_{122b}\left(t\right)={\omega }_{122a}\left(t\right)\frac{1-2\nu \left(t\right)/c+\nu {\left(t\right)}^2/c^2}{1-\nu {\left(t\right)}^2/c^2}$$

As a result of the reflection on the moving object 105 the frequency ω _122a (t) of the signal differs 122a from the frequency ω _122b (t) of the signal 122b , This effect is called a Doppler effect. The relevant formulas can be found eg in the publication Aleksandar Gjurchinovski: "Reflection from a moving mirror - simple derivation using the photon model of light", European Journal of Physics 34 . L1 - 4 , The result is: $${\mathrm{<figure-callout\; id="122b"\; label="\omega "\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_{122b}\left(t\right)={\mathrm{<figure-callout\; id="122a"\; label="\omega "\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega </figure-callout>}}_{122a}\left(t\right)\frac{1-2\nu \left(t\right)/c+\nu {\left(t\right)}^2/{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="c"\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png,DE102018201735A1\_0006.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}^2}{1-\nu {\left(t\right)}^2/{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="c"\; filenames="DE102018201735A1\_0005.png,DE102018201735A1\_0006.png"\; state="\{\{state\}\}">c</figure-callout>}}^2}$$

Die Geschwindigkeit v(t) in Gleichung (4) ist nur die Komponente der Geschwindigkeit des Objektes 105 entlang der Richtung zwischen Messvorrichtung 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 measuring device 100 and object 105 , This definition is advantageous in that the distance d (t) to be determined along this direction is measured, and then v (t) is the time derivative of d (t).

Die Frequenz ω₁₁₁ (t₁) des ausgeschickten Signals ist bekannt, entweder aufgrund einer Messung anhand des Interferometers 140 oder weil die Eigenschaften des Senders 110 hinreichend gut bekannt sind. Diese Frequenz ist identisch mit der Frequenz ω_122a (t₁).The frequency ω ₁₁₁ (t ₁ ) of the transmitted signal is known, either on the basis of a measurement using the interferometer 140 or because of the characteristics of the transmitter 110 are sufficiently well known. This frequency is identical to the frequency ω _122a (t ₁ ).

In den Detektor 150 tritt zum Zeitpunkt t₂ zum einen das Signal 122 ein. Dieses besitzt die Frequenz ω_122b (t₂), welche gemäß der oben angegebenen Formeln insbesondere von Abstand d(t), Geschwindigkeit v(t) und ausgesandter Frequenz ω₁₁₁ (t₁) abhängt. In den Formeln treten alle drei Zeitpunkte t₁, t und t₂ auf, weswegen eine Bestimmung von ω_122b (t₂) im allgemeinen Fall nicht in geschlossener Form, sondern nur iterativ möglich ist.In the detector 150 occurs at the time t ₂ on the one hand, the signal 122 on. This has the frequency ω _122b (t ₂ ), which _depends in particular on the distance d (t), velocity v (t) and emitted frequency ω ₁₁₁ (t ₁ ) according to the formulas given above. In the formulas, all three times t ₁ , t and t ₂ occur, so that a determination of ω _122b (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 ω₁₁₁ (t₂). Hieraus ergibt sich direkt die Differenzfrequenz Δω (t₂) = ω_122b (t₂) - ω₁₁₁ (t₂) . Dieses System von Gleichungen erlaubt es, aus dem gemessenen zeitlichen Verlauf Δ_ω (t₂) sowie der Kenntnis des Frequenzverlaufs ω₁₁₁ (t₁) 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.On the other hand, the signal enters the detector at time t ₂ 121 on. This has the frequency ω ₁₁₁ (t ₂ ). This results directly in the difference frequency Δω (t ₂ ) = ω _122b (t ₂ ) - ω ₁₁₁ (t ₂ ). This system of equations allows _ω from the measured time course of Δ (t ₂₎ and the knowledge of the frequency profile ₁₁₁ ω (t ₁₎ self-consistently the time course of distance d (t) and speed v (t) of the object 105 to investigate. 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.

Gemäß 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 Verlauf der Senderfrequenz monoton ist. Typische Messabschnittsdauern, also Zeitbereiche mit monotoner Veränderung der Wellenlänge der ausgesendeten Strahlung, können hierbei z.B. im Bereich 1 Mikrosekunde (µs) bis 10 Millisekunden (ms) liegen. Dabei kann grundsätzlich für jeden k-ten Abschnitt aus der während dieses Abschnittes gemessenen Differenzfrequenz der entsprechende zeitliche Verlauf des Abstandes d^(k)(t) bestimmt werden. Es wird also erfindungsgemäß berücksichtigt, dass sich bereits innerhalb eines Messabschnitts die Differenzfrequenz zeitlich verändern kann.According to 2a For example, the measurement according to the invention of the variation with time of the difference frequency can take place over predetermined time intervals or in a sequence of sections of signals, wherein in each section the time profile of the transmitter frequency is monotonous. Typical measuring period durations, ie time periods with monotonous change in the wavelength of the emitted radiation, can be in the range, for example 1 Microsecond (μs) to 10 milliseconds (ms). In principle, the corresponding time profile of the distance d ^(k) (t) can be determined for every k th section from the difference frequency measured during this section. It is thus taken into account according to the invention that the difference frequency can already change over time within a measuring section.

2b zeigt ein Diagramm zur Erläuterung einer weiteren möglichen Ausführungsform, bei welcher jedes Zeitintervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs umfasst. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsermittlung gegenüber Messfehlern verringert werden. 2 B shows a diagram for explaining a further possible embodiment, in which each time interval comprises two sub-intervals with mutually opposite slope of the temporal frequency characteristic. 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 Hz/s bis 10¹⁸ Hz/s liegen.The time derivative of the frequency of the transmitter 110 emitted transmitter signal 111 may be within the scope of the invention, for example in the range of 10 ¹⁵ Hz / s to 10 ¹⁸ Hz / s.

Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele zur zumindest näherungsweisen Bestimmung der bei der vorliegenden Erfindung zur Abstandsermittlung herangezogenen instantanen Frequenz unter Bezugnahme auf die schematischen Abbildungen in 3 und 4 beschrieben.In the following, further exemplary embodiments for the at least approximate determination of the instantaneous frequency used in the present invention for distance determination will be described with reference to the schematic illustrations in FIG 3 and 4 described.

Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 basiert auf der Überlegung, dass eine instantane Frequenz dadurch approximiert werden kann, dass über eine Vielzahl von (einander überlappenden oder nicht überlappenden) Zeitfenstern jeweils eine mittlere Frequenz bestimmt wird. Ein möglicher Ansatz zur Bestimmung der betreffenden mittleren Frequenzen über jeweils ein Zeitfenster kann auf der Implementierung schneller Fourier-Transformationen (FFT) basieren. In 3 ist die Berechnung sowohl für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz als auch für die Frequenz des Sendersignals dargestellt.The embodiment according to 3 is based on the consideration that an instantaneous frequency can be approximated by determining 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 may be based on the implementation of fast Fourier transforms (FFT). In 3 the calculation is shown both for the time course of the difference frequency and for the frequency of the transmitter signal.

Mit „311“ ist in 3 die Intensität des vom Detektor 150 erzeugten Detektorsignals bezeichnet. Hierfür wird in einem Funktionsblock 310 der Energieinhalt über verschiedene Frequenzintervalle ermittelt, und es wird in einem Funktionsblock 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 Messgenauigkeit der Frequenz ist.With "311" is in 3 the intensity of the detector 150 called generated detector signal. This is done in a function block 310 the energy content is determined over different frequency intervals, and it is in a function block 320 from these frequency intervals, the frequency interval with the highest energy content picked out. Then again the energy as a function of the frequency only for frequencies within the frequency interval in a function block 330 certainly. This process can be repeated until the width of an interval is smaller than the necessary measurement accuracy of the frequency.

Analog erfolgt gemäß 3 die Berechnung für den zeitlichen Verlauf der Frequenz des Sendersignals, wobei hier das am Interferometer 140 gemessene 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.Analogously, according to 3 the calculation for the time course of the frequency of the transmitter signal, in which case that at the interferometer 140 measured detector signal as input signal 351 is used and where the to the function blocks 310 . 320 and 330 analog function blocks are labeled 350, 360 and 370, respectively.

Ein weiteres, für sich bekanntes Verfahren zur Berechnung instantaner Frequenz basiert, wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 4 erläutert, auf einer Bestimmung der instantanen Frequenz aus der zeitlichen Ableitung der Phase. Auch in 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 further described below with reference to FIG 4 explains on a determination of the instantaneous frequency from the time derivative of the phase. Also in 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 bekannter Weise über eine Hilbert-Transformation (Funktionsblock 410 bzw. 450) aus dem reellen Signal 411 bzw. 451 bestimmt werden. Zur Umsetzung in Hardware 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.This is advantageously in place of the real signal 411 or. 451 with a complex signal 415 or. 455 calculated, which consists only of the positive frequency component. This signal can be obtained in a manner known per se via a Hilbert transformation (function block 410 or. 450 ) from the real signal 411 or. 451 be determined. For implementation in hardware it may be helpful to use the Hilbert transform according to function block 410 or. 450 due 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 Weiteren 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 function block 420 or. 460 becomes the complex signal 415 or. 425 in phases 425 or. 465 and amplitudes decomposed, wherein the amplitudes are not used subsequently. The in the function block 430 or. 470 calculated time derivative of the phase is in each case with regard to any measurement errors or existing signal noise via a low-pass filter 440 or. 480 smoothed and then delivers the desired output signal 445 or. 485 for the time course of the instantaneous frequency or the frequency of 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 Beschleunigungen 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 is especially true when the object in question moves at speeds of a few 100 m / s and accelerations of a few multiples of the acceleration due to gravity. 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 alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente 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 the scope of the invention is to be limited only in terms of the appended claims and their equivalents.

Claims (9)

Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, mit • einem Sender (110) zum Aussenden eines optischen Sendersignals (111), wobei das Sendersignal eine zeitlich variierende Frequenz (ω_s(t)) aufweist; • einem Detektor (150) zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals (121) und eines zweiten 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 vorherige 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 (Δω) zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals (122) und der Frequenz des ersten Teilsignals (121) charakteristisch ist; und • einer Auswerteeinrichtung (160) zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts (105) auf Basis eines zeitlichen Verlaufs dieser Differenzfrequenz (Δω(t)).Apparatus for determining a distance of a moving object, comprising: • a transmitter (110) for transmitting an optical transmitter signal (111), the transmitter signal having a time-varying frequency (ω _s (t)); • a detector (150) for generating a detector signal from a superposition of a first partial signal (121) and a second partial signal (122), wherein the first partial signal (121) and the second partial signal (122) by decomposition of the transmitter signal (111) emerged wherein the first sub-signal (121) passes without prior reflection at the object (105) to the detector (150) and wherein the second sub-signal (122) after reflection at the object (105) passes to the detector (150), wherein the detector signal for the difference frequency (Δω) between the frequency of the second partial signal (122) and the frequency of the first partial signal (121) is characteristic; and • an evaluation device (160) for determining a distance of the object (105) on the basis of a time profile of this difference frequency (Δω (t)). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (160) zur Bestimmung wenigstens eines für den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Δω(t)) charakteristischen Parameters konfiguriert ist.Device after Claim 1 , characterized in that the evaluation device (160) is configured to determine at least one parameter characteristic of the time profile of the difference frequency (Δω (t)). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu konfiguriert ist, den zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz (Δω(t)) über ein vorgegebenes Zeitintervall zu bestimmen.Device after Claim 1 or 2 , characterized in that the evaluation device is configured to determine the time profile of the difference frequency (Δω (t)) over a predetermined time interval. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Zeitintervall zwei Teilintervalle mit zueinander entgegengesetzter Steigung des zeitlichen Frequenzverlaufs umfasst.Device after Claim 3 , characterized in that this time interval comprises two sub-intervals with mutually opposite slope of the temporal frequency response. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Frequenzmesseinrichtung zur Messung der Frequenz des Sendersignals (111) aufweist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it further comprises a frequency measuring device for measuring the frequency of the transmitter signal (111). Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese Frequenzmesseinrichtung ein Interferometer (140) aufweist.Device after Claim 5 , characterized in that said frequency measuring means comprises an interferometer (140). Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.Device according to one of the preceding claims, characterized 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%, more particularly by at least 1 %, deviates. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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%, abweicht.Device according to one of the preceding claims, characterized 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 linear temporal course by a maximum of 25%, in particular a maximum of 20%, more particularly by a maximum of 10% , deviates. Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) Aussenden eines optischen Sendersignals (111), wobei das Sendersignal (111) eine zeitlich variierende Frequenz aufweist; b) Erfassen von durch Zerlegung dieses Sendersignals (111) erzeugten, 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 c) Ermitteln eines Abstandes des Objekts (105) auf Basis eines zeitlichen Verlaufs der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals (122) und der Frequenz des ersten Teilsignals (121).A method of determining a distance of a moving object, the method comprising the steps of: a) emitting an optical transmitter signal (111), wherein the transmitter signal (111) has a time-varying frequency; b) detecting overlapping partial signals generated by breaking this transmitter signal (111) with a detector (150), wherein a first partial signal (121) of these partial signals hits the detector (150) without prior reflection on the object (105) and wherein a second sub-signal (122) of these sub-signals hits the detector (150) after being reflected on the object (105); and c) determining a distance of the object (105) on the basis of a time profile of the difference frequency between the frequency of the second partial signal (122) and the frequency of the first partial signal (121).

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