DE19830684C1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

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 Δt_i verzögert ausge­ sendet. Die Zeitintervalle Δt_i sind so gewählt, daß sie unterschiedlichen Teilen des Abtastintervalls ΔT entsprechen, mit welchem das analoge Empfangssignal abgetastet wird. Maximal sind die Zeitintervalle Δt_i 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 E_n in der Steuereinheit die Lauf­ zeit des Sendelichtimpulses zu ermitteln und daraus ein Abstandswert A_i zu errechnen. Dabei wird jeweils aus den aus einem Empfangssignal gewonnenen Abtastwerten E_n 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 E_n einer Abtastung angenähert. Alternativ wird eine vorgegebene Anzahl von Abtastwerten E_n 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 A_i 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 E_n geben den zeitlichen Verlauf des Empfangssignals nur näherungsweise wie­ der. Dasselbe gilt für die mathematische Funktion, die aus den Abtastwerten E_n 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 A_i weitgehend eliminiert. Dies beruht darauf, daß die einzelnen Abstandswerte A_i für jeweils unterschiedliche bezüglich des periodischen Takts des Taktgebers verzögerte Sendelichtimpulse ermittelt werden.

Somit wird bei der Mittelung über die Abstandswerte A_i über unterschiedlich verzögerte Empfangssignale gemittelt, wobei deren Verzögerungen entspre­ chend den Zeitintervallen Δt_i 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 T_S, 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 Δt_i 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 E_n 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 E_n 8 Bit beträgt. Die diskreten Abtastwerte E_n 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 E_n 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 E_n+2. Dieser Wert stellt jedoch nur eine grobe Näherung dar, da die Abweichung der Lage (n + 2) ΔT des Abtastwerts E_n+2 von der tatsächlichen Lage t_m, 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 E_n 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 E_n+1, E_n+2 und E_n+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 t_m des Maximums des analogen Empfangssignals und der Lage t_m' 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 Δt_i 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 A_i 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 T_S. Würden die Sendelichtimpulse ohne Verzögerung emittiert, so wären die Sen­ dezeitpunkte t_S1, t_S2 ... t_SN ganzzahlige Vielfache von T_S.

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 t_SO. 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 t_RO bezeichnet. Der auf den Gegenstand auftreffende Sendelichtimpuls wird vom Gegenstand als Emp­ fangslichtimpuls auf den Empfänger 6 zurückreflektiert. Der Auftreffzeitpunkt ist mit t_EO gekennzeichnet. Aus der Zeitdifferenz t_EO - t_RO 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 t_SO des vorigen Sendelichtimpulses nicht um T_S sondern um eine Zeit T_S + Δt₁ verzögert ist. Auf diesen Sendelichtimpuls folgend werden weitere N - 1 Sendelichtimpulse verzögert emittiert. Dabei wird die Verzöge­ rungszeit gemäß der Beziehung Δt_i = 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 Δt_N = N . Δt beträgt.

Die Verzögerungszeiten Δt_i sind an die Größe des Zeitintervalls ΔT angepaßt. Die maximale Verzögerungszeit Δt_N ist so gewählt, daß sie gerade größer oder gleich ΔT ist, Δt_N-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 Δt_i = 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 t_Ei - t_Ri die Abstandswerte A_i für die jeweilige Messung gewonnen.

Anschließend erfolgt durch Mittelwertbildung der einzelnen Abstandswerte A_i die Bestimmung des Abstandswerts A gemäß der Beziehung

A = (A₁ + A₂ + ...... + A_N)/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 Δt_i jeweils unterschiedliche Teile des Abtastintervalls ΔT darstellen, wird durch die Bildung des Mittel­ werts der einzelnen Abstandswerte A_i 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 Δt_i = 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 A_i ermittelt, wobei K der Anzahl der unterschiedlichen Verzögerungszeiten Δt_i entspricht. Die Bestimmung des Abstandswerts A erfolgt wieder durch Mittelwertbildung über die verschiedenen Abstandswerte A_i .

Damit für dieses Auswerteverfahren nicht eine unnötig große Rechenzeit in der Steuereinheit 2 beansprucht wird, können die bei einer Verzögerungszeit Δt_i ermittelten M Folgen von Abtastwerten E_n für jeweils entsprechende Werte von n aufsummiert werden. Erst aus diesen aufsummierten Abtastwerten E_n 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 Δt_i 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 T_S triggert, wobei jeweils innerhalb einer Peri­ odendauer T_S mit einer vorgegebenen Abtastrate 1/ΔT das am Ausgang des Empfängers anstehende analoge Empfangssignal abgetastet und als Folge von diskreten Abtastwerten E_n in die Steuereinheit eingelesen wird, in welcher aus den Abtastwerten E_n der Maximalwert der Amplitude des Empfangssignals bestimmt wird und aus dessen zeitlicher Verzögerung bezüglich der Emission des Sendelichtimpulses ein Abstandswert A_i er­ mittelt wird, und wobei dem Taktgeber ein Verzögerungsglied nachge­ ordnet ist, wodurch eine vorgegebene Anzahl N von Sendelichtimpulsen jeweils um ein Zeitintervall Δt_i verzögert bezüglich des durch den Takt­ geber vorgegebenen Triggerzeitpunkts ausgesendet wird, wobei die Zei­ tintervalle Δt_i 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 Δt_i verzögert emittierten N Sendelichtimpulse ein Ab­ standswert A_i ermittelt wird, und daß durch Mittelung der Abstandswerte A_i 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 E_n 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 E_n 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 E_n herangezogen werden.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitintervalle Δt_i = i . Δt(i = 1....N) schrittweise erhöht werden, bis die Verzögerungszeit Δt_i größer oder gleich dem Ab­ tastintervall ΔT ist.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einer eingestellten Verzögerungszeit Δt_i jeweils M Sende­ lichtimpulse emittiert werden.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß für jede Verzögerungszeit Δt_i jeweils die für die M Sendelich­ timpulse erhaltenen Abtastwerte E_n 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 Δt_i 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 E_n 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.