DE19830684C1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents
Optoelektronische VorrichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung (1) zur Ermittlung der Distanz von Gegenständen mittels des Impulslaufzeitverfahrens mit einem eine Folge von Sendelichtimpulsen emittierenden Sender (3) und einem Empfangslichtimpulse empfangenden Empfänger (6), welche an eine gemeinsame Steuereinheit (2) angeschlossen sind. Zur Vorgabe des Sendetakts der Sendelichtimpulse ist ein Taktgeber vorgesehen, welcher den Sender (3) periodisch mit einer Periodendauer T¶S¶ triggert. Jeweils innerhalb einer Periodendauer T¶S¶ wird mit einer vorgegebenen Abtastrate 1/DELTAT das am Ausgang des Empfängers (6) anstehende analoge Empfangssignal abgetastet und als Folge von diskreten Abtastwerten E¶n¶ in die Steuereinheit (2) eingelesen. Aus den Abtastwerten E¶n¶ wird der Maximalwert der Amplitude des Empfangssignals bestimmt. Aus dessen zeitlicher Verzögerung bezüglich der Emission des Sendelichtimpulses wird ein Abstandswert A¶i¶ ermittelt. Dem Taktgeber ist ein Verzögerungsglied (14) nachgeordnet, wodurch eine vorgegebene Anzahl N von Sendelichtimpulsen jeweils um ein Zeitintervall DELTAt¶i¶ verzögert bezüglich des durch den Taktgeber vorgegebenen Triggerzeitpunkts ausgesendet wird. Die Zeitintervalle DELTAt¶i¶ entsprechen unterschiedlichen Teilen des Abtastintervalls DELTAT oder sind maximal etwa gleich groß wie das Abtastintervall DELTAT. In der Steuereinheit (2) wird für jeden der um die Zeitintervalle DELTAt¶i¶ verzögert emittierten N Sendelichtimpulse ein Abstandswert A¶i¶ ermittelt. Durch ...
Description
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5,179,286 bekannt. Bei dieser Vor
richtung wird die Distanz eines Objekts nach dem Impulslaufzeitverfahren be
stimmt. Hierzu weist die Vorrichtung einen Pulsgenerator zur Erzeugung eines
Puls-Signals vorgegebener Frequenz und einen gepulsten Laser zur Emission
von Lichtimpulsen auf. In einem Photodetektor werden als Echos die vom
Objekt reflektierten Lichtimpulse empfangen. In einen Analog-Digitalwandler
wird das analoge Signal am Ausgang des Photodetektors mit der vom Pulsge
nerator vorgegebenen Frequenz in ein digitales Empfangssignal gewandelt. In
einem Speicher am Ausgang des Analog-Digitalwandlers werden die digitalen
Empfangssignale sequentiell abgespeichert und dann in einer Rechnereinheit
ausgewertet.
Dabei wird aus dem zeitlich seriell abgespeicherten digitalen Empfangssignal
eine synthetische Echo-Wellenform berechnet. Für diese Echo-Wellenform
wird das Maximum bestimmt. Aus der Frequenz des Pulssignals sowie der
Zeitdifferenz des emittierten Lichtimpulses und dem Maximum der Echo-
Wellenform wird schließlich die Distanz des Objekts zur Vorrichtung berech
net. Dadurch läßt sich zwar die Distanz des Objekts zur Vorrichtung exakt be
stimmen, jedoch ist der Rechenaufwand hierfür beträchtlich.
Bei weiteren bekannten optoelektronischen Vorrichtungen werden zur Bestim
mung der Distanz von Gegenständen zur Vorrichtung periodisch Sendelichtim
pulse ausgesandt. In der Steuereinheit wird die Laufzeit der Sendelichtimpulse
vom Gegenstand und zurück zur Vorrichtung ausgewertet und in einen Ab
standswert umgerechnet.
Um eine hinreichend genaue Meßgenauigkeit zu erzielen, wird in der Steuer
einheit der zeitliche Verlauf des Empfangssignals, welches durch einen auf den
Empfänger auftreffenden Empfangslichtimpuls generiert wird, näherungsweise
bestimmt. Hierzu wird das Empfangssignal mit einer vorgegebenen Abtastrate
abgetastet und die so ermittelte Folge von diskreten Abtastwerten in die Steu
ereinheit eingelesen. Mit einigen dieser Abtastwerte wird eine mathematische
Funktion angepaßt, welche näherungsweise den zeitlichen Verlauf des Emp
fangssignals beschreibt. Beispielsweise kann diese Funktion von einer Gauß
funktion gebildet sein.
Anschließend wird von dieser Funktion die Lage des Maximums bestimmt,
welche als Bezugsgröße zur Bestimmung des Abstandswerts verwendet wird.
Dieses Verfahren wird für die Auswertung sämtlicher Empfangslichtimpulse
wiederholt.
Da der zeitliche Verlauf des Empfangssignals durch eine mathematische Funk
tion nur näherungsweise rekonstruiert ist, ergibt sich bei der Laufzeitmessung
ein systembedingter Meßfehler. Der Meßfehler hängt dabei von der Form der
mathematischen Funktion und dem Verlauf des Empfangssignal ab. Insbeson
dere ergibt sich dadurch eine nur ungenaue Bestimmung der Lage des Maxi
mums des Empfangssignals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf einfache Weise eine mög
lichst exakte Distanzmessung gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die Sendelichtimpulse vom
Sender nicht exakt periodisch emittiert. Durch ein dem Taktgeber des Senders
nachgeordnetes Verzögerungsglied werden jeweils N, vorzugsweise aufeinan
derfolgende Sendelichtimpulse zur Ermittlung der Distanz des Gegenstands zur
Vorrichtung herangezogen.
Dabei werden die einzelnen Sendelichtimpulse gegenüber dem vom Taktgeber
vorgegebenen periodischen Takt jeweils um Zeitintervalle Δti verzögert ausge
sendet. Die Zeitintervalle Δti sind so gewählt, daß sie unterschiedlichen Teilen
des Abtastintervalls ΔT entsprechen, mit welchem das analoge Empfangssignal
abgetastet wird. Maximal sind die Zeitintervalle Δti etwa gleich groß wie das
Abtastintervall ΔT.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, für jeden der N Sendelich
timpulse durch Auswertung der aus dem entsprechenden Empfangssignal ge
wonnenen Folge von diskreten Abtastwerten En in der Steuereinheit die Lauf
zeit des Sendelichtimpulses zu ermitteln und daraus ein Abstandswert Ai zu
errechnen. Dabei wird jeweils aus den aus einem Empfangssignal gewonnenen
Abtastwerten En der Maximalwert der Amplitude des Empfangssignals be
stimmt. Die zeitliche Verzögerung dieses Maximalwerts gegenüber dem Sen
delichtimpuls ergibt die Laufzeit des Sendelichtimpulses.
In einer besonders einfachen Ausführungsform der Erfindung wird der Maxi
malwert der Amplitude des Empfangssignals durch den maximalen Abtastwert
En einer Abtastung angenähert. Alternativ wird eine vorgegebene Anzahl von
Abtastwerten En zur Bestimmung der Parameter einer mathematischen Funkti
on, vorzugsweise einer Gaußfunktion, herangezogen, wobei die Funktion den
zeitlichen Verlauf des Empfangssignals näherungsweise beschreibt. In diesem
Fall wird durch das Maximum dieser Funktion der Maximalwert der Amplitude
des Empfangssignals angenähert.
Schließlich wird durch Mittelung der mit den einzelnen Sendelichtimpulsen
bestimmten Abstandswerten Ai der Abstandswert A ermittelt.
Der Abstandswert A stimmt mit hoher Genauigkeit mit der tatsächlichen Ent
fernung des Gegenstands zur Vorrichtung überein.
Der Grund hierfür liegt darin, daß durch die erfindungsgemäße Entfernungsbe
stimmung die durch die diskrete Abtastung des Empfangssignals entstehenden
Approximationsfehler weitgehend eliminiert werden.
Die Abtastung der Empfangssignale erfolgt mit einer durch das Abtastintervall
ΔT vorgegebenen Schrittweite. Die bei der Abtastung gewonnenen Abtastwerte
En geben den zeitlichen Verlauf des Empfangssignals nur näherungsweise wie
der. Dasselbe gilt für die mathematische Funktion, die aus den Abtastwerten En
gewonnen wird. Der dabei auftretende Meßfehler variiert dabei bedingt durch
die periodische Abtastung periodisch mit einer dem Abtastintervall ΔT entspre
chenden Periodendauer.
Dieser periodische Meßfehler wird durch die Mittelwertbildung der einzelnen
Abstandswerte Ai weitgehend eliminiert. Dies beruht darauf, daß die einzelnen
Abstandswerte Ai für jeweils unterschiedliche bezüglich des periodischen
Takts des Taktgebers verzögerte Sendelichtimpulse ermittelt werden.
Somit wird bei der Mittelung über die Abstandswerte Ai über unterschiedlich
verzögerte Empfangssignale gemittelt, wobei deren Verzögerungen entspre
chend den Zeitintervallen Δti innerhalb des Intervalls ΔT variieren. Die Mitte
lung erfolgt demzufolge über eine Periodendauer, mit welcher der Meßfehler F
variiert. Der verbleibende Restfehler ist umso kleiner, desto mehr Sendelich
timpulse N zur Auswertung herangezogen werden. Zudem läßt sich die Mitte
lung ohne großen Rechenaufwand auf einfache Weise durchführen.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1: Blockschaltbild der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vor
richtung.
Fig. 2: Zeitlicher Verlauf des analogen Empfangssignals und dessen Appro
ximation durch diskrete Abtastwerte.
Fig. 3: Ortsabhängigkeit des Meßfehlers bei der Approximation gemäß
Fig. 2.
Fig. 4: Impulsdiagramme der Sende- und Empfangslichtimpulse für unter
schiedlich verzögerte Sendelichtimpulse.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zur Entfer
nungsmessung. Die Vorrichtung 1 ist in einem nicht dargestellten Gehäuse in
tegriert und weist eine Sendeeinheit und eine Empfangseinheit auf, welche an
eine Steuereinheit 2 angeschlossen sind. Die Steuereinheit 2 ist von einem Sig
nalprozessor gebildet. Die Sendeeinheit umfaßt im wesentlichen einen von ei
ner Laserdiode gebildeten Sender 3 und eine an diese angeschlossene Lichtleit
faser 4. An die Lichtaustrittsfläche der Lichtleitfaser 4 schließt eine von einer
Linse gebildete Sendeoptik 5 an.
Die Empfangseinheit weist einen Empfänger 6 auf, der vorzugsweise von einer
pin-Photodiode gebildet ist. Dem Empfänger 6 ist eine von einer Linse gebilde
te Empfangsoptik 7 vorgeordnet. Die am Ausgang des Empfängers 6 anstehen
den Empfangssignale werden über ein Speicherelement 8, welches vorzugswei
se von einem FIFO-Speicher gebildet ist, in die Steuereinheit 2 eingelesen.
Zwischen dem Speicherelement 8 und dem Empfänger 6 ist eine Abtasteinheit
9 vorgesehen, welche vorzugsweise von einem 8-bit Analog-Digital-Wandler
gebildet ist.
Zwischen der Empfangsoptik 7 und dem Empfänger 6 ist eine rotierende
Dämpfungsscheibe 10 angeordnet. Die Dämpfungsscheibe 10 wird über einen
Motor 11 angetrieben, welcher von der Steuereinheit 2 angesteuert wird. Die
Dämpfungsscheibe 10 weist vier 90°-Segmente auf, welche jeweils das durch
tretende Laserlicht unterschiedlich stark dämpfen. Vorzugsweise betragen die
Transmissionskoeffizienten der vier Segmente 0,1%, 1%, 10% und 100% der
auftreffenden Lichtmenge. Alternativ kann die Dämpfungsscheibe 10 einen
sich kontinuierlich ändernden Transmissionskoeffizienten aufweisen.
Zur Durchführung der Entfernungsmessung wird das in der Lichtleitfaser 4
geführte Laserlicht, welches die Hauptlichtstrahlen 12 bildet, durch die Sen
deoptik 5 fokussiert und wird aus dem Gehäuse in einen Überwachungsbereich
zum Erfassen von Gegenständen geführt. Die am Gegenstand reflektierten
Hauptlichtstrahlen 12 treffen auf die Empfangsoptik 7 und werden dort zum
Empfänger 6 reflektiert. Die Regelung der dort auftreffenden Lichtmenge er
folgt durch die Steuereinheit 2, welche die Dämpfungsscheibe 10 in eine vor
gegebenen Position bringt. Die Dämpfungsscheibe 10 wird dabei so positio
niert, daß diese auf das geeignete 90°-Segment auftrifft. Zwischenabstufungen
können dadurch erzielt werden, daß das Laserlicht auf die Grenzlinie zwischen
zwei 90°-Segmenten gerichtet ist. Wird eine noch feinere Abstufung benötigt
kann eine Dämpfungsscheibe 10 mit einem sich kontinuierlich ändernden
Transmissionskoeffizienten verwendet werden. Dadurch wird erreicht, daß die
Amplituden der auf den Empfänger 6 auftreffenden Hauptlichtstrahlen 12 und
Referenzlichtstrahlen 13 etwa gleich groß sind, so daß der Analog-Digital-
Wandler gut ausgesteuert ist.
Die Entfernungsmessung erfolgt nach dem Impuls-Laufzeitverfahren. Die La
serdiode emittiert Hauptlichtstrahlen 12 in Form einer Folge von Sendelichtim
pulsen. Die Pulslängen der Sendelichtimpulse betragen vorzugsweise 25 nsec
Das Puls-Pausenverhältnis beträgt vorzugsweise 1 : 2000.
Zur Durchführung der Entfernungsmessung werden neben den Hauptlichtstrah
len 12 zusätzlich Referenzlichtstrahlen 13 benötigt.
Die Referenzlichtstrahlen 13 werden aus der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelt.
Hierzu ist die Lichtleitfaser 4 in einem vorgegebenen Abschnitt gebogen. Im
Bereich der Biegung ist eine nicht dargestellte Austrittsöffnung vorgesehen, an
welcher der Mantel der Lichtleitfaser 4 entfernt ist. Das an der Austrittsöffnung
austretende Streulicht bildet die Referenzlichtstrahlen 13, welche zum Emp
fänger 6 geführt sind. Dabei treffen die Referenzlichtstrahlen 13 in Form von
Referenzlichtimpulsen auf den Empfänger 6.
Zur Bestimmung der Entfernung des Gegenstands zur Vorrichtung 1 wird die
Zeitdifferenz zwischen dem Auftreffen eines Sendelichtimpulses, welcher am
Gegenstand reflektiert wird und als Empfangslichtimpuls auf den Empfänger 6
auftrifft, und dem Auftreffen des zugehörigen Referenzlichtimpulses auf den
Empfänger 6 ausgewertet. Dabei ist das Puls-Pausenverhältnis so gewählt, daß
auf den Empfänger 6 jeweils vor einem Empfangslichtimpuls der zugehörige
Referenzlichtimpuls auftrifft, so daß diese paarweise ausgewertet werden kön
nen.
Der Sender 3 wird über einen nicht dargestellten vorzugsweise in der Steuer
einheit 2 integrierten Taktgeber betrieben. Der Taktgeber triggert dabei den
Sender 3 mit einer vorgegebenen Periodendauer TS, so daß der Sender 3 peri
odisch Sendelichtimpulse emittiert.
Der Steuereinheit 2 ist ein Verzögerungsglied 14 nachgeordnet. Mit diesem
Verzögerungsglied 14 kann die Emission einzelner Sendelichtimpulse bezüg
lich dem durch den Taktgeber vorgegebenen Triggerzeitpunkt um eine be
stimmte Verzögerungszeit Δti verzögert werden.
In Fig. 2 ist schematisch die Auswertung des am Ausgang des Empfängers 6
anstehenden Empfangssignals bei Empfang eines Empfangslichtimpulses oder
eines Referenzlichtimpulses dargestellt. Das analoge Empfangssignal wird da
bei durch die Abtasteinheit 9 mit einer Abtastrate 1/ΔT abgetastet. Dement
sprechend wird jeweils innerhalb eines Abtastintervalls ΔT ein Abtastwert En
ermittelt. Die Abtasteinheit 9 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von
einem 8-bit Analog-Digital-Wandler gebildet. Somit wird das analoge Emp
fangssignal bei der Abtastung digitalisiert, wobei die Wortbreite des Ab
tastwerts En 8 Bit beträgt. Die diskreten Abtastwerte En werden zur Auswer
tung im Speicherelement 8 zwischengespeichert und dann in die Steuereinheit
2 eingelesen. Die Abtastrate 1/ΔT liegt vorzugsweise im Bereich von 40 MHz
bis 100 MHz. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt die Abtastrate 40
MHz. Die Länge des Abtastintervalls ΔT beträgt demnach 25 nsec.
Als Bezugspunkte zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zwischen den Sende-
und Referenzlichtimpulsen werden jeweils die Maxima der Amplituden des
Empfangssignals herangezogen.
Das Maximum der Amplitude des analogen Empfangssignals wird aus der in
der Steuereinheit 2 vorliegenden Folge von diskreten Abtastwerten En nähe
rungsweise bestimmt.
Eine besonders einfache Näherungsmethode besteht darin, daß das Maximum
der Amplitude des Empfangssignals durch den Abtastwert mit der größten
Amplitude angenähert wird. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist dies der Ab
tastwert En+2. Dieser Wert stellt jedoch nur eine grobe Näherung dar, da die
Abweichung der Lage (n + 2) ΔT des Abtastwerts En+2 von der tatsächlichen
Lage tm, der maximalen Amplitude des analogen Empfangssignals relativ groß
ist. Dieser Meßfehler F ist umso größer, je größer das Abtastintervall ΔT ist.
Der Vorteil dieser Näherung besteht jedoch darin, daß sie sehr einfach und oh
ne Rechenaufwand realisierbar ist.
Eine weitere in Fig. 2 dargestellte Näherungsmethode besteht darin, daß eine
vorgegebene Anzahl von Abtastwerten En zur Bestimmung der Parameter einer
mathematischen Funktion verwendet wird, welche den zeitlichen Verlauf des
analogen Empfangssignals näherungsweise beschreibt. In dem in Fig. 2 dar
gestellten Ausführungsbeispiel wird das Empfangssignal durch eine Dreiecks
funktion angenähert, welche spiegelsymmetrisch zur vertikalen Achse ist. Die
se Funktion ist durch drei Parameter bestimmbar, nämlich der Steigung der
Flanken, sowie der Amplitude und der zeitlichen Lage des Zentrums der Funk
tion.
Demzufolge werden zur Bestimmung dieser Parameter drei Abtastwerte benö
tigt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abtastwerte En+1, En+2 und En+3.
Durch den Maximalwert der Dreiecksfunktion wird das Maximum der Ampli
tude des Empfangssignals angenähert. Zwar ist bei diesem Näherungsverfahren
gegenüber dem ersten Verfahren ein größerer Rechenaufwand erforderlich.
Jedoch wird bei diesem Näherungsverfahren eine höhere Genauigkeit erzielt,
da, wie aus Fig. 2 ersichtlich, die Differenz der Lage tm des Maximums des
analogen Empfangssignals und der Lage tm' des Maximums der Dreiecksfunk
tion gering ist, so daß ein geringerer Meßfehler F' erzielt wird.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird zur
Approximation des Verlaufs des analogen Empfangssignals eine Gaußfunktion
verwendet, wobei zur Bestimmung der Parameter der Gaußfunktion wiederum
drei Abtastwerte benötigt werden.
In Fig. 3 ist die Ortsabhängigkeit des Meßfehlers F schematisch dargestellt.
Durch die diskrete Abtastung des analogen Empfangssignals mit der Abtastrate
1/ΔT ergibt sich ein periodisches Systemverhalten. Dies bedeutet, daß der Meß
fehler F eine periodische Ortsabhängigkeit aufweist, wobei die Periodenlänge
ΔX durch 1/2c ΔT = ΔX gegeben ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Da
bei ist ΔX die halbe Wegstrecke, die das Sendelicht während eines Abtastinter
valls ΔT zurücklegt. Bei einer Abtastrate von 40 MHz ergibt sich für ΔX ein
Wert von etwa 3,75 m. Im Vergleich zum Wert von ΔX beträgt der Meßbereich,
innerhalb dessen Gegenstände erfaßt werden, typischerweise 200 m.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist der Meßfehler F entfernungsabhängig. Durch
die Differenzbildung der Laufzeiten des Empfangs- und Referenzlichtimpulses
können jedoch nur entfernungsunabhängige Meßfehler eliminiert werden.
Erfindungsgemäß wird zur Elimination des Meßfehlers F eine vorgegebene
Anzahl N von Sendelichtimpulsen ausgewertet, deren Sendezeitpunkte durch
das Verzögerungsglied 14 um vorgegebene Zeitintervalle Δti gegenüber dem
vom Taktgeber vorgegebenen periodischen Takt verzögert sind. Die Arbeits
weise der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in Fig. 4 veranschaulicht.
Zur Bestimmung eines Abstandswerts A des Gegenstands zur Vorrichtung 1
werden jeweils die Abstandswerte Ai für N aufeinanderfolgende Sendelichtim
pulse verwendet, wobei N vorzugsweise im Bereich von 10 ≦ N ≦ 100 liegt.
Der Taktgeber triggert den Sender 3 periodisch mit einer Periodendauer TS.
Würden die Sendelichtimpulse ohne Verzögerung emittiert, so wären die Sen
dezeitpunkte tS1, tS2 ... tSN ganzzahlige Vielfache von TS.
In Fig. 4 sind drei Impulsdiagramme dargestellt, wobei in jedem Impulsdia
gramm ein Sendelichtimpuls dargestellt ist sowie der von diesem Sendelicht
impuls in der Lichtleitfaser 4 ausgekoppelte Referenzlichtimpuls und der vom
Gegenstand zurückreflektierte Empfangslichtimpuls, welche zeitversetzt auf
den Empfänger 6 treffen.
Im oberen Impulsdiagramm wird ein Sendelichtimpuls unverzögert ausgesen
det. Die Lage des Zentrums dieses Sendelichtimpulses definiert den Sendezeit
punkt tSO. Von diesem Sendelichtimpuls wird in der Lichtleitfaser 4 der zuge
hörige Referenzlichtimpuls ausgekoppelt und auf den Empfänger 6 geführt.
Der Auftreffzeitpunkt auf den Empfänger 6 ist mit tRO bezeichnet. Der auf den
Gegenstand auftreffende Sendelichtimpuls wird vom Gegenstand als Emp
fangslichtimpuls auf den Empfänger 6 zurückreflektiert. Der Auftreffzeitpunkt
ist mit tEO gekennzeichnet. Aus der Zeitdifferenz tEO - tRO wird die Entfernung
des Gegenstandes zur Vorrichtung 1 berechnet. Der Übersichtlichkeit halber
sind in Fig. 4 nur die Maxima der analogen Empfangssignale aufgeführt, nicht
jedoch die durch die Approximation gewonnenen Näherungswerte, wie bei
spielsweise in Fig. 2 beschrieben.
Im mittleren und unteren Impulsdiagramm ist jeweils ein Sendelichtimpuls
dargestellt, der gegenüber dem periodischen Takt des Taktgebers verzögert
emittiert wird.
Das mittlere Impulsdiagramm zeigt einen Sendelichtimpuls, der bezüglich des
Sendezeitpunkts tSO des vorigen Sendelichtimpulses nicht um TS sondern um
eine Zeit TS + Δt1 verzögert ist. Auf diesen Sendelichtimpuls folgend werden
weitere N - 1 Sendelichtimpulse verzögert emittiert. Dabei wird die Verzöge
rungszeit gemäß der Beziehung Δti = i . Δt fortlaufend erhöht. Hierzu ist das
Verzögerungsglied 14 vorzugsweise als Reihenschaltung von Logikgattern
ausgebildet. Im unteren Diagramm ist der letzte Sendelichtimpuls dieser Grup
pe dargestellt, wobei die Verzögerungszeit in diesem Fall ΔtN = N . Δt beträgt.
Die Verzögerungszeiten Δti sind an die Größe des Zeitintervalls ΔT angepaßt.
Die maximale Verzögerungszeit ΔtN ist so gewählt, daß sie gerade größer oder
gleich ΔT ist, ΔtN-1 aber noch kleiner als ΔT ist. Im vorliegenden Ausführungs
beispiel beträgt ΔT = 25 nsec entsprechend der Abtastrate 1/ΔT = 40 MHz. Die
Schrittweite der Verzögerung Δt beträgt vorzugsweise 2 nsec. Dementspre
chend werden zur Bestimmung des Abtastwerts N = 13 Sendelichtimpulse her
angezogen, so daß die Verzögerungszeiten Δti = i . Δt im Bereich von 2 nsec (i
= 1) bis 26 nsec (i = N = 13) variieren.
Zur Bestimmung des Abstands des Gegenstands zur Vorrichtung 1 werden die
Meßergebnisse herangezogen welche mit den N verzögert emittierten Sende
lichtimpulsen gewonnen werden. Hierzu werden durch die Differenzbildung
der Auftreffzeiten der jeweiligen Empfangs- und Referenzlichtimpulse tEi - tRi
die Abstandswerte Ai für die jeweilige Messung gewonnen.
Anschließend erfolgt durch Mittelwertbildung der einzelnen Abstandswerte Ai
die Bestimmung des Abstandswerts A gemäß der Beziehung
A = (A1 + A2 + ...... + AN)/N.
Durch diese Auswertung läßt sich der durch die diskrete Abtastung des analo
gen Empfangssignals entstehende Meßfehler F weitgehend kompensieren.
Durch die schrittweise Erhöhung der Verzögerung der Emission der Sendelich
timpulse werden auch Auftreffzeitpunkte der Empfangslichtimpulse ebenso
wie die Auftreffzeitpunkte der Referenzlichtimpulse auf dem Empfänger 6
schrittweise verzögert. Somit wird das Empfangssignal in kleinen Verzöge
rungsschritten verzögert bis die maximale Verzögerung dem Abtastintervall ΔT
entspricht. Da die einzelnen Verzögerungszeiten Δti jeweils unterschiedliche
Teile des Abtastintervalls ΔT darstellen, wird durch die Bildung des Mittel
werts der einzelnen Abstandswerte Ai eine Mittelung über eine Periode des in
Fig. 3 dargestellten Meßfehlers F erreicht. Durch diese Mittelung wird somit
der Meßfehler F erheblich reduziert, wobei der verbleibende Restfehler umso
kleiner ist, je größer die Anzahl N der Meßpunkte gewählt wird.
Nachdem die Bestimmung des Abstandswerts A erfolgt ist, wird die beschrie
bene Auswertung fortlaufend periodisch wiederholt. Dementsprechend wird
von neuem eine Folge von N Sendelichtimpulsen mit Verzögerungszeiten Δti =
i . Δt emittiert, die in gleicher Weise ausgewertet werden.
Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann die Anzahl der Meßpunkte auch da
durch gesteigert werden, daß bei jeder eingestellten Verzögerungszeit nicht nur
ein Sendelichtimpuls sondern M Sendelichtimpulse emittiert werden. Dadurch
werden insgesamt K . M = N verschiedene Abstandswerte Ai ermittelt, wobei
K der Anzahl der unterschiedlichen Verzögerungszeiten Δti entspricht. Die
Bestimmung des Abstandswerts A erfolgt wieder durch Mittelwertbildung über
die verschiedenen Abstandswerte Ai .
Damit für dieses Auswerteverfahren nicht eine unnötig große Rechenzeit in der
Steuereinheit 2 beansprucht wird, können die bei einer Verzögerungszeit Δti
ermittelten M Folgen von Abtastwerten En für jeweils entsprechende Werte von
n aufsummiert werden. Erst aus diesen aufsummierten Abtastwerten En wird
dann die mathematische Funktion zur Beschreibung des Verlaufs des Emp
fangssignals bestimmt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die Parameter der
mathematischen Funktion nicht für jeden registrierten Empfangslichtimpuls
separat bestimmt werden müssen.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden
die Abfolgen der Zeitintervalle Δti nach dem Zufallsprinzip generiert. In diesem
Fall ist das Verzögerungsglied 14 vorzugsweise von einem zweiten Taktgeber
gebildet, welcher asynchron zum ersten Taktgeber arbeitet.
Claims (18)
1. Optoelektronische Vorrichtung zur Ermittlung der Distanz von Gegen
ständen mittels des Impulslaufzeitverfahrens mit einem eine Folge von
Sendelichtimpulsen emittierenden Sender und einem Empfangslichtim
pulse empfangenden Empfänger, welche an eine gemeinsame Steuerein
heit angeschlossen sind, wobei zur Vorgabe des Sendetakts der Sende
lichtimpulse ein Taktgeber vorgesehen ist, welcher den Sender periodisch
mit einer Periodendauer TS triggert, wobei jeweils innerhalb einer Peri
odendauer TS mit einer vorgegebenen Abtastrate 1/ΔT das am Ausgang
des Empfängers anstehende analoge Empfangssignal abgetastet und als
Folge von diskreten Abtastwerten En in die Steuereinheit eingelesen wird,
in welcher aus den Abtastwerten En der Maximalwert der Amplitude des
Empfangssignals bestimmt wird und aus dessen zeitlicher Verzögerung
bezüglich der Emission des Sendelichtimpulses ein Abstandswert Ai er
mittelt wird, und wobei dem Taktgeber ein Verzögerungsglied nachge
ordnet ist, wodurch eine vorgegebene Anzahl N von Sendelichtimpulsen
jeweils um ein Zeitintervall Δti verzögert bezüglich des durch den Takt
geber vorgegebenen Triggerzeitpunkts ausgesendet wird, wobei die Zei
tintervalle Δti unterschiedlichen Teilen des Abtastintervalls ΔT entspre
chen oder maximal etwa gleich groß wie das Abtastintervall ΔT sind, da
durch gekennzeichnet, daß in der Steuereinheit (2) für jeden der um die
Zeitintervalle Δti verzögert emittierten N Sendelichtimpulse ein Ab
standswert Ai ermittelt wird, und daß durch Mittelung der Abstandswerte
Ai ein Abstandswert A ermittelt wird.
2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß zur Ermittlung der Abstandswerte N aufeinanderfolgende Sen
delichtimpulse herangezogen werden, wobei N im Bereich von 10 ≦ N ≦
100 liegt.
3. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der Amplitude des Emp
fangssignals durch den Abtastwert En mit der größten Amplitude angenä
hert wird.
4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten
En zur Bestimmung der Parameter einer mathematischen Funktion ver
wendet wird, welche näherungsweise dem zeitlichen Verlauf des Emp
fangssignals entspricht, und daß durch den Maximalwert der mathemati
schen Funktion der Maximalwert der Amplitude des Empfangssignals
angenähert wird.
5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß der zeitliche Verlauf des Empfangssignals durch eine Gaußfunk
tion angenähert ist, wobei zur Bestimmung der Parameter der Gaußfunk
tion drei Abtastwerte En herangezogen werden.
6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zeitintervalle Δti = i . Δt(i = 1....N) schrittweise
erhöht werden, bis die Verzögerungszeit Δti größer oder gleich dem Ab
tastintervall ΔT ist.
7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß bei einer eingestellten Verzögerungszeit Δti jeweils M Sende
lichtimpulse emittiert werden.
8. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß für jede Verzögerungszeit Δti jeweils die für die M Sendelich
timpulse erhaltenen Abtastwerte En für jedes Abtastintervall ΔT auf
summiert werden und diese Werte zur Bestimmung des Maximalwerts
der Amplitude des Empfangssignals herangezogen werden.
9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied (14) als Reihenschaltung
mehrerer Logikgatter ausgebildet ist.
10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abfolge der Zeitintervalle Δti nach dem Zu
fallsprinzip generiert wird.
11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß als Verzögerungsglied (14) ein zweiter Taktgenerator vorgesehen
ist, welcher asynchron zum ersten Taktgenerator arbeitet.
12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, da
durch gekennzeichnet, daß diese Mittel zur Erzeugung eines Hauptlicht
strahls (12), mit welchem der zu detektierende Gegenstand erfaßt wird,
sowie Mittel zur Erzeugung eines Referenzlichtstrahl (13) aufweist, wo
bei der Hauptlichtstrahl (12) und der Referenzlichtstrahl (13) zeitlich ver
setzt zum Empfänger (6) geführt sind, und daß zur Bestimmung der Di
stanz des Gegenstands zur Vorrichtung (1) die Zeitdifferenz der durch
den Hauptlichtstrahl (12) und durch den Referenzlichtstrahl (13) gene
rierten Empfangssignale in der Steuereinheit (2) ausgewertet wird.
13. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, da
durch gekennzeichnet, daß zur Abtastung des Empfangssignals eine von
einem 8-bit Analog-Digital-Wandler gebildete Abtasteinheit (9) vorgese
hen ist.
14. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß die am Ausgang des 8-bit Analog-Digital-Wandlers anstehenden
Abtastwerte En in einem Speicherelement (8) zwischengespeichert und
anschließend in die Steuereinheit (2) eingelesen werden.
15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, da
durch gekennzeichnet, daß der Sender (3) Sendelichtimpulse mit einer
Pulsdauer von etwa 25 nsec und einem Puls-Pausenverhältnis von etwa 1
: 2000 emittiert.
16. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, da
durch gekennzeichnet, daß die Abtastrate 1/ΔT im Bereich 40 MHz ≦
1/ΔT ≦ 100 MHz liegt.
17. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, da
durch gekennzeichnet, daß deren Meßbereich etwa 200 m beträgt.
18. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, da
durch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (2) von einem Signalprozes
sor gebildet ist.
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