DE3540157A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Distanz zu einem Objekt nach dem Laserradar-Impulslaufzeitprinzip, wobei zur Erzeugung sowohl der Start-Signale als auch zur Erzeugung der Stopp-Signale für die Zeitintervallmessung nur ein einziges Detektorelement verwendet wird.
Bei Laserentfernungsmessern wird die Entfernung zu einem Zielobjekt aus der Laufzeit eines modulierten Lasersignals vom Meßgerät zum Zielobjekt und zurück zum Meßgerät bestimmt. Die Zeitdifferenz Δ T zwischen Aussenden des Lasersignals und Empfang des vom Zielobjekt reflektierten Signals ist ein direktes Maß für die Entfernung D zum Zielobjekt: c ist dabei die Vakuumlichtgeschwindigkeit, n o der Brechungsindex des Übertragungsmediums (c = 299793 km/s, n o ≃ 1,0003 für Normalatmosphäre).
Zur genauen Entfernungsbestimmung ist eine präzise Zeitintervallmessung erforderlich. So entspricht beispielsweise eine Änderung der Zielentfernung um 1 mm einer Laufzeitänderung von nur 6.7 ps. Gewöhnlich werden Maßnahmen zur Meßgrößenumwandlung ergriffen, damit die erforderliche Zeitauflösung erreicht werden kann. Entweder wird das zu messende Zeitintervall durch elektronische Verfahren gestreckt oder in eine andere, leichter zu erfassende Meßgröße umgewandelt. Im folgenden sind einige bekannte Verfahren aufgeführt:
Bei kontinuierlich modulierten Strahlungsquellen wird die Phasenlage des Sendesignals mit der Phasenlage des Empfangssignals verglichen. Die Zeitdehnung erfolgt durch Mischen beider Signale mit einem Lokaloszillatorsignal, dessen Frequenz gegenüber der Sendefrequenz geringfügig verschoben ist. Die Zwischenfrequenzen beim Sendesignal und beim Empfangssignal weisen dieselbe Phasendifferenz auf wie die Originalfrequenzen. Somit wird mit Hilfe der Frequenzmischung eine Zeitdehnung um das Verhältnis Sendefrequenz/Zwischenfrequenz erzielt.
Bei der Einzelpulsmessung erfolgt die Laufzeitbestimmung häufig dadurch, daß während des zu messenden Zeitintervalls ein Kondensator mit konstantem Strom geladen wird. Nach Beendigung der Ladezeit wird der Ladezustand entweder direkt über die anliegende Spannung gemessen (TAC = time-to-amplitude conversion = Zeitamplituden- Umwandlung), oder der Kondensator wird anschließend mit einem konstanten, aber wesentlich geringerem Strom wieder entladen, wobei die Entladezeit einer Dehnung der Ladezeit und damit einer Streckung des zu messenden Zeitintervalls entspricht (TTC = time-to-time conversion = Zeit-Zeit Umwandlung).
Bei allen Verfahren, die eine präzise Entfernungsbestimmung zum Ziel haben, wird ein einziger Detektor und Vorverstärker sowohl für das ausgehende Signal (Referenz- oder Start-Signal) als auch für das reflektierte Zielsignal (Meß- oder Stop-Signal) verwendet, damit die elektronischen Verzögerungen im Detektor und Vorverstärker für beide Signale gleich sind. Näheres dazu ist beispielsweise aus EP-Al 00 57 447 zu entnehmen.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch einige Nachteile auf. So muß bei kontinuierlicher Signalmodulation zwischen zwei optischen Meßstrecken, nämlich der Zielmeßstrecke und der Referenzmeßstrecke, umgeschaltet werden. Die Umschaltung, die mechanisch oder elektrooptisch erfolgt, beeinflußt die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer. Darüberhinaus erfordert eine genaue Phasenmessung relativ lange Meßzeiten.
Bei der Pulslaufzeitmessung entfällt die mechanische oder elektrooptische Meßkanalumschaltung, da das Referenzsignal und das vom Zielobjekt reflektierte Signal zeitlich unterschiedlich am Detektor eintreffen und die Umschaltung auf rein elektronische Weise durch Setzen eines Zeittors oder mehrerer Zeittore direkt in der Signalauswerte- Schaltung erfolgen kann. Das Zeitintervall zwischen Referenz- und Zielsignal kann nun - wie oben dargelegt - auf verschiedene Weise gemessen werden, entweder durch Zeit-Amplituden-Umwandlung (TAC) oder durch eine Zeitdehnschaltung (TTC).
Die TAC-Auswertung ist ungenau aufgrund der mangelnden Ladestromkonstanz, der Temperaturabhängigkeit der Kondensatorkapazität, des Kondensatorleckstroms und der Instabilität der Komparatorschaltwellen.
Die Genauigkeit der TTC-Auswertung ist beschränkt durch die Ungenauigkeit des Lade- und Entladestroms und durch die Temperaturabhängigkeit der Schaltschwellen. Weiterhin ist für die Ausmessung des gestreckten Zeitintervalls eine genaue Zeitbasis erforderlich, die üblicherweise durch einen Quarzoszillator festgelegt wird. Quarzoszillatoren sind in ihrer Frequenz jedoch nach oben beschränkt, so daß der Quantisierungsfehler bei der Digitalisierung des Meßintervalls merklich eingeht.
Vorteilhaft wäre eine sehr hohe Oszillatorfrequenz; die Stabilisierung von Hochfrequenzoszillatoren verursacht jedoch einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand; eine dauernde Nacheichung der Frequenz ist für präzise Messungen unerläßlich.
Es ist das Ziel der Erfindung, unter Beseitigung der genannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung zu schaffen, die eine Erhöhung der Meßgenauigkeit bei geringerer Störanfälligkeit und bei geringerem apparativem Aufwand bieten.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
- daß ein erster Bruchteil des Sendesignales über eine erste optische Verzögerungsstrecke (erste Referenzstrecke) und gleichzeitig ein zweiter Bruchteil des Sendesignals über eine zweite, optisch längere Verzögerungsstrecke (zweite Referenzstrecke) direkt dem Empfangsdetektor zugeführt und der Rest des Sendesignals zur Erzeugung des Zielsignals verwendet wird, und
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem Zielsignal als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem zweiten Referenzsignal als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
Durch die unterschiedliche Länge der Verzögerungsstrecke treffen die entsprechenden Signale zu verschiedenen Zeiten am Detektor ein. Somit ist bei jeder Messung durch die beiden Referenzsignale ein festes Zeitintervall, das der optischen Weglängendifferenz aus beiden Verzögerungsstrecken entspricht, vorgegeben. Das feste Zeitintervall zwischen den beiden Referenzsignalen entspricht exakt einer Eichstrecke, gebildet aus der optischen Wegdifferenz zwischen beiden Referenzstrecken; es entfällt die Notwendigkeit einer genauen und stabilen Zeitbasis.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im Folgenden anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaues einer Anordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm der bei deren Betrieb erzeugten Signale,
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erzeugung des Zeittaktes und der Zeittore beim Gegenstand nach Fig. 1 und
Fig. 4 eine schematische Darstellung zu einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaues einer Anordnung gemäß der Erfindung. Die bei dessen Betrieb erzeugten Signale sind in Fig. 2 dargestellt.
Das von einem Lasersender 10 entsprechend dem Takt eines Taktgebers 16 abgestrahlte Signal wird über eine Lichtleitfaser 11 zu einem Koppelelement 12 geführt, wo ein geringer Bruchteil des Sendesignals abgespalten und über eine zugehörige Verzögerungsleitung 22, ein Koppelelement 32 und eine Empfängerlichtleitfaser 31 direkt zu einem Detektor 30 gelangt. Der Großteil des Sendesignals läuft vom Koppelelement 12 weiter zu einem weiteren Koppelelement 13, wo wiederum ein geringer Teil des Signals abgespalten und über eine weitere längere Verzögerungsleitung 23, ein Koppelelement 33 und eine weitere Lichtleitfaser 31 wiederum zum Detektor 30 gelangt. Das verbleibende Sendesignal läuft weiter über eine Verzögerungsleitung 14 zu einer Sendeoptik 15, die den Laserstrahl in Richtung Zielobjekt (nicht dargestellt) bündelt. Das reflektierte Zielsignal gelangt über eine Empfangsoptik 35 und den Lichtleiter 31 ebenfalls zum Detektor 30.
Es erscheinen pro Messung also drei aufeinanderfolgende Signale, nämlich das erste Referenzsignal Ref 1 über den Lichtleiter 22, das zweite Referenzsignal Ref 2 über den Lichtleiter 23 und das Zielsignal ZS.
Je nach Länge der Verzögerungsleitungen 22, 23 und 14 erscheint das Zielsignal ZS entweder zwischen den beiden Referenzsignalen Ref 1 und Ref 2 oder nach den beiden Referenzsignalen. Das Zeitintervall zwischen Ref 1 und Zielsignal stellt ein Maß für die Zielentfernung dar; das Zeitintervall zwischen Ref 1 und Ref 2 hingegen ist ein Maß für die optische Eichstrecke.
Die Zielentfernung wird gewonnen durch Verhältnisbildung des Zielintervalls zum Eichintervall. Zur Realisierung der Messung werden vom Sendertakt 16 Zeitfenstersignale abgeleitet. Zwei Pulsdiskriminatoren 41 und 42 werden für die benötigten Detektorsignale durch die Zeitfenstersignale aktiviert. Der Diskriminator 41 spricht immer auf das Ref 1-Signal an, Diskriminator 42 abwechselnd auf das Zielsignal ZS und auf das Ref 2- Signal.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung des Zeittores für den Pulsdiskriminator 41 zur Ref 1-Auswertung und für die Erzeugung des alternierend auf Ref 2 und Zielmessung umschaltenden Zeittors für den zweiten Pulsdiskriminator 42 dargestellt. Dabei ist mit FF ein bistabiler Multivibrator (Flip-Flop) und mit MF 1, MF 2 und MF 3 je ein monostabiler Multivibrator (Mono- Flop) bezeichnet. Die Zeitkonstanten der letzteren drei sind unabhängig voneinander den jeweiligen Meßanforderungen entsprechend eingestellt.
An dem gemäß Fig. 1 nachgeordneten astabilen Multivibrator 43 wird somit ein Zeitsignal erzeugt, das abwechselnd der Meßstrecke und der internen Eichstrecke entspricht. Nach Durchlaufen einer Zieldehnschaltung 44 werden die Intervalle mit Hilfe eines hochfrequenten Oszillators 46 ausgezählt und in geeigneter Form im Zähler 45 festgehalten. Es ergeben sich nach Fig. 2 ein Wert n Z für die Zielmessung und ein Wert n R für die Referenzmessung. Für die entsprechenden relativen Entfernungen ergeben sich:
Die absolute Zielentfernung D wird anschließend durch Division des digitalen Zielwertes n Z durch den ebenfalls digitalen Referenzwert n R und durch Multiplikation des Ergebnisses mit dem Wert der optischen Eichstrecke D o ermittelt:
Durch diese fortlaufende Kalibration auf eine feste optische Strecke kommen die sonst unvermeidlichen systematischen Fehler durch Stromschwankungen in der Zeitdehnschaltung und durch Instabilitäten der Zeitbasis nicht zur Auswirkung.
Die Zeitfensterumschaltung für den Diskriminator 42 erfolgt rein elektronisch. Die Diskriminatoren sind im einfachsten Fall bei hohen Signalpegeln als Schwellendiskriminatoren, oder als "zero crossing", oder als "constant fraction" Diskriminatoren ausgeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Zahlenbeispieles noch weiter erläutert. Bei Werten für
Laser Pulsfolgefrequenz10 kHz Laser Pulsbreite1 ns Verzögerungsleitung 22 L 221 m Lichtleiter (n = 1.5) Verzögerungsleitung 23 L 2349 m Lichtleiter (n = 1.5) optische Eichstrecke L o = 36 m Verzögerungsleitung 14 : L 145 m Lichtleiter (n = 1.5)
ergibt sich eine Anordnung nach Fig. 4 für den Meßbereich Mit dieser Anordnung kann von 0 bis 30 m Zieldistanz gemessen werden; das feste Zeitintervall Ref 1- Ref 2 dient als 36 m lange Eichstrecke.
Wird eine Zeitdehnschaltung mit dem Dehnfaktor K = 300 (Kondensatorladestrom 3 mA, Entladestrom 10 µA) und ein Oszillator mit f o = 500 MHz zur Auswertung verwendet, so beträgt rechnerisch die Genauigkeit der Einzelmessung: Aufgrund statistischer Schwankungen in den Pulsdiskriminatoren, dem bistabilen Multivibrator und der Zeitdehnschaltung ist die Stabilität der Einzelmessung mit z. Z. verfügbaren Bauteilen auf ca. 30 ps beschränkt, so daß in Realität die Einzelmeßgenauigkeit nicht besser als 5 mm ist. Da die systematischen Fehler durch die Erfindung weitgehend eliminiert werden, können durch Mittelwertbildung über beispielsweise 100 Messungen die statistischen Fehler so reduziert werden, so daß nach einer Meßzeit von 10 ms ein sicherer Meßwert mit einem Millimeter Genauigkeit gewonnen werden kann.
Wird in die Verzögerungsleitung 23 ein optischer Schalter eingefügt, so kann für größere Entfernungen das Signal Ref 2 abgeschaltet und die Laufzeitintervallmessung zwischen Ref 1-Signal und Zielsignal ZS in konventioneller Weise durchgeführt werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann hierfür der Oszillator an eine Quarzreferenz angeknüpft werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch für große Meßstrecken anwendbar. Hierbei wird zweckmäßigerweise die Verzögerungsleitung 14 länger gewählt als 22 und 23. Die Signale Ref 1 und Ref 2 erscheinen dann zeitlich vor dem Zielsignal ZS am Detektor 30, und zwar selbst bei einer Zielentfernung Null.

Claims (11)

1. Verfahren zur Messung der Distanz zu einem Objekt nach dem Laserradar-Impulslaufzeitprinzip, wobei zur Erzeugung sowohl der Start-Signale als auch zur Erzeugung der Stop-Signale für die Zeitintervallmessung nur ein einziges Detektorelement verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, - daß ein erster Bruchteil des Sendesignales über eine erste optische Verzögerungsstrecke (22) (erste Referenzstrecke) und gleichzeitig ein zweiter Bruchteil des Sendesignals über eine zweite, optisch längere Verzögerungsstrecke (23) (zweite Referenzstrecke) direkt zum Empfangsdetektor (30) zugeführt und der Rest des Sendesignals zur Erzeugung des Zielsignals (ZS) verwendet wird, und
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem Zielsignal (ZS) als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem zweiten Referenzsignal (Ref 2) als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Zeitauswertekanal verwendet wird und daß das Zielintervall und das Eichintervall in zeitlicher Aufeinanderfolge gemessen werden und daß zur Unterscheidung des Zielsignals (ZS) vom zweiten Referenzsignal (Ref 2) eine schnelle Umschaltvorrichtung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung zweier Zeitauswertekanäle gleichzeitig das Zielintervall und das Eichintervall gemessen werden und die eindeutige Zuordnung durch unterschiedliche Zeitfenster erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung systematischer Fehler beide Auswertekanäle durch Umschaltung der Zeitfenster abwechselnd das Zielintervall und das Eichintervall bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schnelle Umschaltung bzw. die Erzeugung der Zeitfenster rein elektronisch durch Schalten eines Zeittors erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Zeitintervalle mit Hilfe eines hochfrequenten, nicht notwendigerweise quarzstabilisierenden Oszillators (46) ausgezählt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Zeitintervalle durch an sich bekannte Zeitdehn- und Meßverfahren (TAC, TTC u. a.) ausgewertet werden und daß die implementierten Referenzströme bzw. -spannungen nicht stabilisiert sind.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Verzögerungsstrecken (22; 23) aus unterschiedlich langen Lichtwellenleitern bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Verzögerungsstrecke (22) kurz, die zweite (23) aber optisch länger als die doppelte Zielentfernung ist, so daß das Zielsignal (ZS) zeitlich immer zwischen den beiden Signalen (Ref 1; Ref 2), die über die Verzögerungsleitungen (22; 23) zum Detektor gelangen, liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sendeseitig eine zusätzliche Verzögerungsleitung (14) zwischen den Kopplern (12; 13) für die beiden Referenzsignale (Ref 1, Ref 2) und der Sendeoptik (15) eingefügt ist, so daß das Zielsignal (ZS) für jeden Zielabstand immer später als beide Referenzsignale (Ref 1, Ref 2) am Detektor eintrifft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß empfängerseitig eine zusätzliche Verzögerungsleitung zwischen der Empfangsoptik (35) und den Kopplern (32; 33) eingefügt ist, so daß das Zielsignal (ZS) für jeden Zielabstand immer später als beide Referenzsignale (Ref 1, Ref 2) am Detektor eintrifft.
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