DE4434666A1 - Sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor und insbesondere auf Sensoren, die gepulste, abgestrahlte Signale von einem Objekt empfangen, um dessen Entfernung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung zu messen.

In diesem Zusammenhang sind Radar- und Ultraschall­ sensoren als Abstandssensoren bekannt, die ein entsprechendes Signal zu einem Objekt richten, dessen Entfernung zu messen ist. Das von dem Objekt zurück­ reflektierte Signal wird erfaßt und aus der zwischen Aussendung des Signales und Ankunft des Signales verstrichenen Laufzeit wird die Entfernung bestimmt.

Bei diesem bekannten Verfahren besteht jedoch die Gefahr, daß der Schall bzw. das Radarsignal an Objekten reflektiert wird, die nicht das Meßobjekt darstellen, wodurch sich ein fehlerhaftes Signal ergibt. Ferner kann die Form und der Aufbau des Objektes einen vollständigen Verlust des Signales hervorrufen, so daß keine Messung durchgeführt werden kann.

Aus diesem Grund sind auf der Aussendung von Licht basierende Sensoren entwickelt worden. Eine bekannte Art eines solchen Sensors ist ein Laser-Geschwindigkeits­ detektor, wie er z. B. durch die Polizei zur Feststellung der Geschwindigkeit von Fahrzeugen verwendet wird. Diese Laser-Geschwindigkeitsdetektoren arbeiten im wesentlichen auch auf einer Laufzeitmessung, wobei zwei solche Messungen verwendet werden, um die Geschwindigkeit festzustellen.

Während diese Art von Detektor eine Verbesserung gegenüber den zuvor beschriebenen Detektoren darstellt, verbleiben immer noch Probleme. Beispielsweise ist es schwierig, die Laufzeit des Lasersignales zu dem Objekt auf Grund der Geschwindigkeit des Lasersignales bei kleinen Objektentfernungen zu bestimmen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Sensor anzugeben, der bei einem einfachen und somit kosten­ günstigen Aufbau eine sehr genaue Bestimmung der Entfernung, der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung eines Objektes gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Sensors sind den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.

Der Sensor umfaßt einen Laser, dessen kohärenter Strahl durch eine Linse gebündelt wird. Der Laserstrahl wird durch einen Oszillator moduliert, wobei dies vorzugsweise mit einer Frequenz von 10 bis 200 MHz geschieht.

Das von dem Objekt reflektierte Licht wird durch eine zweite Linse gesammelt und auf einem Empfänger fokussiert, der ein erstes Ausgangssignal erzeugt. Das erste Ausgangssignal wird in gleicher Weise wie das Oszillatorsignal durch einen Bearbeitungsschaltkreis bearbeitet, der identische Streckenlängen für beide Signale aufweist, um Fortpflanzungsverzögerungen zu eliminieren. Das bearbeitete erste Ausgangssignal und das bearbeitete Oszillatorsignal werden sodann einem Phasenvergleicher zugeführt, um die Phasendifferenz zwischen beiden Signalen festzustellen. Die Phasendifferenz ist der Entfernung zu dem Objekt proportional. Durch genaue Messung der Phasendifferenz kann die Entfernung zu dem Objekt berechnet werden.

Ebenso kann die Geschwindigkeit eines Objektes oder die Beschleunigung des Objektes berechnet werden. Zu diesem Zweck wird ein zweites Lasersignal zu dem Objekt mit einer bekannten Verzögerung gegenüber dem ersten Signal ausgesendet und die Entfernung des Objektes wird erneut berechnet. Der Entfernungsunterschied bei bekannter Zeitverzögerung ergibt die Geschwindigkeit. Um die Beschleunigung festzustellen, wird die Differenz zwischen zwei Geschwindigkeiten bei einer bekannten Zeitver­ zögerung festgestellt.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein elektrisches Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Sensors;

Fig. 2 ein Zeittaktdiagramm zur Veranschaulichung des Zustandes verschiedener Signale des Sensors;

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Laser- Sensoreinheit; und

Fig. 4 ein schematisches Diagramm der Avalanche- Photodiodenschleife, wie sie für die automatische Verstärkungsregelung benutzt wird.

Gemäß Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Lasersensors 100 dargestellt. Der Lasersensor umfaßt einen Oszillator 105, einen Laser 108, einen Empfänger 120, einen Signalverarbeitungsschaltkreis 122, einen Phasenkomparator 135 und einen Mikroprozessor 145.

Im Betrieb erzeugt der Oszillator 105, der einen Kristall-Taktgeber umfassen kann, ein periodisches Signal, wie beispielsweise eine Rechteckwelle oder eine Sinuswelle. Der Oszillator ist mit dem Laser 108 verbunden, um das Lasersignal zu modulieren. Der Oszillator ist ferner mit dem Signalverarbeitungs­ schaltkreis 122 verbunden.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht der Laser aus einem Lasertreiber 110 und einer Laserdiode 115. Diese Teile werden gewählt wegen ihrer niedrigen Kosten und leichten Verfügbarkeit. Der Laser erzeugt ein Lasersignal 117, das durch eine Linse 316 gebündelt werden kann, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist.

Nachdem das Lasersignal an einem Objekt 10 reflektiert worden ist, wird ein reflektiertes Lasersignal 118 durch den Empfänger 120 erfaßt. Im vorliegenden Fall wurde eine Avalanche-Photodiode (APD) als Empfänger ausgewählt. Die APD wandelt das optische Signal in ein elektrisches Signal um. Diese Art von Diode wurde ausgewählt, weil sie eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) ermöglicht, um eine unterschiedliche Reflexion, Form und Farbe des angemessenen Objektes zu berücksichtigen. Eine herkömmliche AGC-Elektronik kann leicht Anpassungen an Veränderungen in der Amplitude vornehmen; hält aber nicht die Unversehrtheit der Phase des Signales aufrecht. Wenn somit beispielsweise die Farbe sich verändert, so interpretiert der Sensor dies fälschlicherweise als eine Bewegung, obgleich sich das Objekt nicht relativ zu dem Sensor bewegt hat. Die APD gestattet dem erfaßten optischen Signal eine variable Verstärkung über einen dynamischen 30dB-Bereich und sie bewerkstelligt dies ohne Änderungen der Phase des Signales. Das verstärkte Signal von dem Objekt wird durch den Schaltkreis abgetastet und verwendet, um eine Rückführung vorzugeben, die die Vorspannung einstellt, die der APD zugeführt wird. Dies gestattet seinerseits dem optischen Signal die Behandlung mit einer Verstärkung, die von 1 bis über 1000 (und somit über den 30dB-Bereich) verläuft. Diese Vorspannungs­ steuerung in einer geschlossenen Schleife eliminiert ebenfalls Probleme der Temperaturdrift, die gewöhnlicherweise optischen APD-Empfängern zugeordnet sind. Es wurde gefunden, daß durch Überwachung der der APD zugeführten Vorspannung eine sehr geringe Verstärkungs/Phasenbeziehung kompensiert werden kann. Diese schwache Beziehung kommt von der Veränderung der Kapazität der APD, da die Breite des Verarmungsbereiches mit erhöhter Vorspannung vergrößert wird. Der schwache Vorspannungsfehler und die Temperaturfehler wurden korrigiert unter Verwendung einer mehrdimensionalen Aufsuchtabelle in einem Computerspeicher.

Um ein Objekt mit einer Auflösung von 1 mm zu vermessen, muß ungefähr eine Zeitdifferenz von 7 psec gemessen werden. Dies ist eine schwierige Aufgabe auch bei einer teuren Hochgeschwindigkeitselektronik. Das reflektierte Lasersignal besitzt jedoch die gleiche Frequenz aber eine unterschiedliche Phase gegenüber dem ursprünglichen Oszillatorsignal. Die vorliegende Erfindung stellt die Entfernung zu dem Objekt durch Messung der Phasen­ differenz zwischen dem reflektierten Lasersignal und dem Oszillatorsignal fest, wobei relativ billige und leicht verfügbare Teile verwendet werden. Der Ausgang des Empfängers 120 ist mit dem Signalverarbeitungsschaltkreis 122 verbunden, der erste und zweite Signalstrecken 123A,B entsprechend aufweist. Die zwei getrennten Strecken werden verwendet, um individuell das reflektierte Lasersignal und das Oszillatorsignal zu bearbeiten. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält jede Strecke des Signalverarbeitungsschaltkreises einen Verstärker 125A,B und einen Vergleicher 130A,B für die Umwandlung des analogen Detektorsignales in ein Digitalsignal. Normalerweise könnte das Oszillatorsignal ohne jegliche Verarbeitung verwendet werden. Der Schaltkreis ist jedoch so aufgebaut, daß sowohl das reflektierte Lasersignal, als auch das Oszillatorsignal genau die gleiche Wegstrecke durchwandern müssen, so daß Fehler in dem letztlichen Ausgangssignal auf Grund von Unterschieden in der Signalfortpflanzung eliminiert werden.

Die zwei Strecken 123A,B des Signalverarbeitungs­ schaltkreises sind mit einem Phasenvergleicher verbunden. Hier wird ein Exklusiv-ODER-Gatter (XOR) als Phasen­ vergleicher auf Grund der geringen Kosten und der leichten Verfügbarkeit verwendet, wobei ein Gatter vorzugsweise vom Hochgeschwindigkeits-Silicium-ECL-Typ verwendet wird. Das Ausgangssignal ist sodann ein in seiner Breie moduliertes Impulssignal (PWM). Fig. 2 zeigt als ein Beispiel den Vergleich des Oszillator­ signales (oben) mit dem reflektierten Lasersignal (Mitte) und das Ausgangssignal des XOR-Gatters.

Das PWM-Signal wird sodann über einen Verstärker 140 zu einem Tiefpaßfilter 143 weitergereicht, um das PWM-Signal in ein analoges Signal umzuwandeln, das mit einem Analog/Digital-Wandler 144 überwacht werden kann, bevor es durch einen Prozessor 145 verarbeitet wird, der ein Mikroprozessor sein kann. Das digitale PWM-Signal könnte direkt in den Mikroprozessor eingegeben werden, um die Kosten eines Analog/Digital-Wandlers einzusparen. Die Taktgeschwindigkeit des Mikroprozessors müßte jedoch höher als die Modulationsfrequenz des Lasers in diesem Falle sein.

Die Phasenverschiebung bzw. die Verzögerung ist direkt proportional der zweifachen Entfernung zu dem Objekt. Die Proportionalitätskonstante ist umgekehrt proportional zu der Lichtgeschwindigkeit. Somit ergibt sich die Zeitdifferenz wie folgt:

Δt = 2d/c

und die Phasendifferenz ist wie folgt vorgegeben:

ΔΦ = 4 πd/c

wobei d die zu messende Entfernung ist und c = 3×10⁸m/s ist. Δ bedeutet die zeitliche Differenz bzw. die Phasendifferenz und Φ ist der Phasenwinkel.

Um die Geschwindigkeit des Objektes zu berechnen, werden gewünschtenfalls Entfernungsmessungen in bekannten Zeitintervallen durchgeführt und gespeichert, wobei die Geschwindigkeit durch den Prozessor festgestellt wird, indem dieser die Entfernungsdifferenz durch das Zeitintervall dividiert. Alternativ könnte ein Differenzierglied verwendet werden, um diese Aufgabe durchzuführen.

Um die Beschleunigung des Objektes zu berechnen, wird gewünschtenfalls die Differenz zwischen zwei Geschwindigkeiten über ein bekanntes Zeitintervall durch den Prozessor berechnet. Erneut könnte hier ein Differenzierglied verwendet werden, um diese Aufgabe in gleicher Weise durchzuführen.

Gemäß Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 100 dargestellt. Ein Gehäuse 300 stützt Platinen 305 und 310 und eine Fresnel-Linse 313 ab. Die Laserdiode 115 ist auf der Platine 305 angeordnet. Die Linse 316, welche vorzugsweise eine Gradienten-Indexlinse (GRIN) ist bündelt das die Laserdiode 115 verlassende Licht in ein Lasersignal 117, welches durch einen kohärenten Strahl vorgegeben ist. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Platine 310 eine Öffnung 311, durch die das Lasersignal verläuft.

Nach Reflexion durch das Objekt kann das Licht gestreut werden, wie dies durch die Signale 118A-E gezeigt ist. Die Signale werden auf der APD 120 durch eine Linse 313 fokussiert, die beispielsweise ein Fresnel-Linse sein kann. Die Linse 313 umfaßt in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein Fenster 314, durch welches das Lasersignal verläuft.

Nachdem die Signale auf der APD fokussiert sind, erzeugt die APD ein elektrisches Signal in der zuvor beschriebenen Weise.

Gemäß Fig. 4 ist ein Beispiel eines Avalanche- Photodiodenschaltkreises dargestellt, der für die automatische Verstärkungsregelung verwendet wird. Der Schaltkreis umfaßt eine einstellbare Spannungsversorgung 405, einen Operationsverstärker 410, einen Vergleicher 415, eine Diode 420, einen Vergleicher 425, eine Diode 430, Kondensatoren 451-454, Widerstände 461-466 und 468-470 und veränderliche Widerstände 467 und 471. Dieser Schaltkreis ist an die APD 120 im Punkt B angeschlossen, wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.

Im Betrieb hält der Schaltkreis eine konstante Spannung im Punkt A in Fig. 4 aufrecht, der dem Punkt A in Fig. 3 entspricht. Wenn die APD einen Abfall in dem reflektierten Licht feststellt, wie beispielsweise von einem schwarzen Objekt, so fällt der Signalpegel im Punkt A momentan ab, bis der Schaltkreis um den Vergleicher 425 den Vorspannungs-Einstelleingang der einstellbaren Spannungsversorgung 405 verändert, wodurch seinerseits die Spannung für die APD eingestellt wird, um erneut die Spannung im Punkt A konstant zu halten. Die Zeitkonstante für diese Veränderung wird durch den Widerstand 466 und den Kondensator 453 eingestellt.

Bevorzugte Schaltelemente zur Verwendung in dem Schaltkreis sind: Operationsverstärker 410-ITA-12318, Vergleicher 415-AD9618, Diode 420-IN5711, Vergleicher 425-LF444, Diode 430-IN4148, Kondensatoren 451-0.1F, 452-0.1F, 453-100pF, 454-1000 pF, Widerstände 461-50 Ω, 462-10 Ω, 463-1 KΩ, 464-50 Ω, 465-1 KΩ, 466-10 KΩ, 468- 100 KΩ, 469-1 MΩ, 470-10 KΩ und veränderliche Widerstände 467 auf 5 KΩ eingestellt und 471 auf 5 KΩ eingestellt.

Claims (7)

1. Sensor, gekennzeichnet durch einen Oszillator (105) zur Erzeugung eines ersten Signales;
einen mit dem Oszillator verbundenen Laser (108) zur Erzeugung eines Laserstrahles;
einen Empfänger (120) für den Empfang eines reflektierten Laserstrahles von einem Objekt (10) und zur Erzeugung eines zweiten Signales;
einen an den Oszillator und den Empfänger angeschlossenen Bearbeitungsschaltkreis (122) zur Erzeugung erster und zweiter bearbeiteter Signale, wobei der Bearbeitungsschaltkreis erste und zweite Bearbeitungsstrecken (123A, 123B) mit identischen Schaltkreiselementen (125A, 130A; 125B, 130B) und identischen Streckenlängen für die ersten und zweiten Signale aufweist;
eine an den Bearbeitungsschaltkreis angeschlossenen Phasenvergleicher (135) zur Bildung eines Phasen­ signales entsprechend einer Phasendifferenz zwischen den ersten und zweiten bearbeiteten Signalen; und
einen an den Phasenvergleicher angeschlossenen Prozessor (145) zur Berechnung einer Objektent­ fernung, basierend auf dem Phasensignal.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Laser umfaßt:
einen Lasertreiber (110);
eine Laserdiode (115), die mit dem Lasertreiber verbunden ist; und
eine Sammellinse (316) in körperlicher Nähe zu der Laserdiode.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sammellinse (316) durch eine Gradienten-Indexlinse vorgegeben ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Empfänger eine Avalanche-Photodiode (120) umfaßt.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Bearbeitungs­ schaltkreis umfaßt:
erste und zweite Verstärker (125A, 125B), die an die Avalanche-Photodiode (120) und den Oszillator (105) angeschlossen sind; und
erste und zweite Vergleicher (130A, 130B), die an die ersten und zweiten Verstärker entsprechend ange­ schlossen sind.

6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Phasenvergleicher ein Exklusiv-ODER-Gatter (135) umfaßt mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen, die an die ersten und zweiten Bearbeitungsstrecken angeschlossen sind und mit einem Ausgangsanschluß, an welchem ein impulsbreitenmoduliertes Signal erzeugt wird.

7. Sensor nach Anspruch 6, ferner gekenn­ zeichnet durch:
einen Verstärker (140), der an den Ausgangsanschluß des Exklusiv-ODER-Gatters angeschlossen ist;
ein Tiefpaßfilter (143), das an den Verstärker angeschlossen ist und ein analoges Signal erzeugt; und
einen Analog/Digital-Wandler (144), der zwischen dem Tiefpaßfilter und dem Prozessor angeordnet ist.