DE102008025825A1 - Method for highly accurate distance measurement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Objekt mit einer Strahlungsquelle, mit der Einzelpulse bereitgestellt und die auf das Objekt gerichtet werden, wobei ein Aufnahmemittel zur Detektion der vom Objekt reflektierten Strahlung vorgesehen ist und die Messung der Distanz zum Objekt über die Bestimmung der Laufzeit der Strahlung zwischen Strahlungsquelle und Aufnahmemittel erfolgt. Erfindungsgemäß sind Mittel vorgesehen, mit denen die Einzelpulse als wellenlängen- und zeitkodierte Pulsfolge bereitgestellt und auf das Objekt gesandt werden, wobei die vom Objekt reflektierte Strahlung durch die Aufnahmemittel wellenlängen- und zeitdiskret detektiert werden.The present invention relates to a method for measuring a distance to an object with a radiation source, is provided with the individual pulses and which are directed to the object, wherein a recording means for detecting the reflected radiation from the object is provided and the measurement of the distance to the object on the Determination of the duration of the radiation between the radiation source and recording medium takes place. According to the invention, means are provided with which the individual pulses are provided as a wavelength- and time-coded pulse sequence and sent to the object, the radiation reflected by the object being detected by the recording means in a wavelength- and time-discrete manner.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Objekt mit einer Strahlungsquelle, mit der Einzelpulse bereitgestellt und die auf das Objekt gerichtet werden, wobei ein Aufnahmemittel zur Detektion der vom Objekt reflektierten Strahlung vorgesehen ist und die Messung der Distanz zum Objekt über die Bestimmung der Laufzeit der Strahlung zwischen Strahlungsquelle und Aufnahmemittel erfolgt.The The present invention relates to a method of measuring a distance to an object with a radiation source, with the individual pulses provided and which are directed to the object, with a Recording means for detecting the radiation reflected by the object is provided and the measurement of the distance to the object on the Determination of the duration of the radiation between the radiation source and Recording means takes place.
Die Messung von Distanzen zwischen einer Messanordnung und einem Objekt basiert auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von an dem Messobjekt reflektierter Strahlung. Die Strahlung kann eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge aufweisen, die im sichtbaren Bereich liegt. Bekannt sind ferner Strahlungsquellen, die als Laserstrahlquellen ausgeführt sind und Wellenlängen emittieren, die im nahen oder direktem Infrarotbereich liegen. Anwendungen finden derartige Laufzeitmessungen bei Laser-Entfernungsmessern, bei LIDAR-Systemen, eine dem Radar sehr verwandte Methode zur Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung, wobei auch Laserpistolen der Verkehrspolizei auf dem Prinzip der Laufzeitmessung beruhen. Die resultierende Genauigkeit solcher Messsysteme wird durch die Grenzen der technischen Realisierbarkeit sehr kurzer Zeitmessungen begrenzt. Insbesondere die Detektion der reflektierten Strahlung in Form von Einzelpulsen weist eine zeitlich endliche Auflösung auf, so dass eine Puls-zu-Puls-Messung nicht in beliebig kurzen Zeitabschnitten erfolgen kann. Um die Genauigkeit darüber hinaus zu steigern, ist bekannt, neben der reinen Laufzeit zusätzliche Informationen zu gewinnen, um die Genauigkeit der Bestimmung der Laufzeit und im Ergebnis die Bestimmung der Distanz weiter zu steigern. Dies geschieht beispielsweise über die Bestimmung von Interferenzen oder die Messung von Phasenlagen der emittierten Strahlung. Jedoch sind auch einer derartigen Modulation der Einzelpulse Grenzen gesetzt, so dass es wünschenswert ist, die Genauigkeit der Messung von Distanzen weiter zu erhöhen.The Measurement of distances between a measuring arrangement and an object is based on the principle of transit time measurement of reflected on the measurement object Radiation. The radiation can be an electromagnetic wave with a wavelength which lies in the visible range. Also known are Radiation sources, which are designed as laser beam sources and wavelengths emit in the near or direct infrared range. applications find such transit time measurements in laser rangefinders, in LIDAR systems, Radar-related method for distance and speed measurement, being also laser pistols of the traffic police on the principle of Runtime measurement based. The resulting accuracy of such measuring systems becomes due to the limits of the technical feasibility of very short time measurements limited. In particular, the detection of the reflected radiation in the form of single pulses has a finite resolution, so that a pulse-to-pulse measurement can not be done in any short periods of time. To the accuracy about that It is well-known, besides the pure running time additional, to increase Gain information to determine the accuracy of the determination of the term and, as a result, to further increase the determination of the distance. This happens, for example, over the determination of interferences or the measurement of phase angles the emitted radiation. However, such a modulation is also The single pulse limits, so it is desirable to accuracy continue to increase the measurement of distances.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung von Distanzen zu einem Objekt anzugeben, das eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit zur Bestimmung der Distanz zu einem Objekt ermöglicht.It is therefore the object of the present invention, a method to measure distances to an object that is another increase the measurement accuracy for determining the distance to an object allows.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren zur Messung einer Distanz zu einem Objekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These Task is based on a method for measuring a distance to an object according to the generic term of claim 1 in conjunction with the characterizing features. advantageous Further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Einzelpulse als wellenlängen- und zeitkodierte Pulsfolge bereitgestellt und auf das Objekt gesandt werden, wobei die vom Objekt reflektierte Strahlung durch die Aufnahmemittel wellenlängen- und zeitdiskret detektiert werden.The Invention includes the technical teaching that means are provided with which the individual pulses as wavelength and time-coded pulse train and sent to the object be, with the reflected radiation from the object by the recording means wavelength- and discrete-time detected.
Die erfindungsgemäße Wellenlängenkodierung wird anstelle von Phasen- oder Interferenzinformationen mit den von der Strahlungsquelle emittierten Einzelpulsen übermittelt. Zunächst werden Einzelpulse von der Strahlungsquelle emittiert, die durch die erfindungsgemäßen Mittel in eine Folge von Pulsen überführt werden, die sich sowohl hinsichtlich ihrer Wellenlänge als auch in ihrer Zeitfolge voneinander unterscheiden. Die Zeitkodierung der Einzelpulse bewirkt eine Aufspaltung in mehrere Teilpulse, die gemeinsam eine Pulsfolge bilden. Beispielsweise kann die Pulsfolge aus drei Pulsen bestehen, die jeweils unterschiedliche Farben aufweisen. Die Mittel zur Überführung der Einzelpulse in eine Pulsfolge sind derart ausgebildet, dass der Abstand der die Pulsfolge bildenden Farbpulse bekannt ist. Ferner ist die Wellenlänge der Farbpulse bekannt, so dass die Aussendung der einzelnen Farbpulse zeitlich bekannt und durch das Aufnahmemittel wieder aufgenommen werden, wobei die Zeitauflösung des Aufnahmemittels die Farbpulse unterschiedlicher Wellenlängen differenzieren kann.The Wavelength coding according to the invention is used instead of phase or interference information with the transmitted by the radiation source transmitted individual pulses. First single pulses are emitted by the radiation source, which is caused by the agents according to the invention be converted into a sequence of pulses, which are both in terms of their wavelength and in their time sequence differ from each other. The time coding of the individual pulses causes a split into several partial pulses, which together form a pulse sequence form. For example, the pulse train can consist of three pulses, each having different colors. The means of transfer of the Single pulses in a pulse sequence are designed such that the Distance of the pulse sequence forming color pulses is known. Further is the wavelength the color pulses known, so that the emission of the individual color pulses known in time and resumed by the receiving means, being the time resolution of the receiving means to differentiate the color pulses of different wavelengths can.
Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Pulsfolge beinhaltet eine Serie von Farbpulsen mit einem jeweils
gleichen zeitlichen Abstand, wobei die Einzelpulsdauer der Dauer
der Pulsfolge entspricht und durch die Anzahl der Farbpulse der
Pulsfolge bestimmt wird. Die Pulsfolgendauer ΔT beschreibt die Summe der jeweiligen
zeitlichen Abstände Δt, die zwischen
den Farbpulsen liegen. Die Anzahl der Farbpulse ist mit K gekennzeichnet,
so dass gilt:
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist ein Aufnahmemittel auf, das aus wenigstens einer Kamera gebildet wird, die eine Abfolge von Belichtungszeiten vorgibt. Die Belichtungszeiten können beschrieben werden als TN-1, TN, TN+1, usw., so dass einzelne Belichtungszeitfenster entstehen. Detektiert die Kamera eine Pulsfolge, so können die Farbpulse der Pulsfolge in die einzelnen Belichtungszeitfenster TN-1, TN und TN-1, etc. eingeordnet werden, wobei die farblich unterschiedliche Zuordnung der Farbpulse im Folgenden näher beschrieben wird.A further embodiment of the method according to the invention has a recording means, which is formed from at least one camera, which specifies a sequence of exposure times. The exposure times can be described as T N-1 , T N , T N + 1 , etc., so that individual exposure time windows are formed. If the camera detects a pulse sequence, the color pulses of the pulse sequence can be classified into the individual exposure time windows T N-1 , T N and T N-1 , etc., wherein the different color assignment of the color pulses is described in more detail below.
Die Erhöhung der Messgenauigkeit erfolgt auf dem Prinzip der Zuordnung der Pulsfolgen zu den Belichtungszeitfenstern, wobei die Zuordnung wellenlängenabhängig erfolgt. Somit können einzelne Farbpulse jeweiligen Belichtungszeitfenstern zugeordnet werden. Die Belichtungszeitfenster können auch als Zeitschlitze oder so genannte Gates bezeichnet werden. Die Aufnahme des vom Objekt reflektierten Lichtes erfolgt üblicherweise zeitintegriert in den Gates, wobei die Wahl der zeitlichen Länge eines solchen Gates die Genauigkeit der Laufzeitmessung beeinflusst. Bei Empfang eines reflektierten Lichtpulses innerhalb eines Gates kann dem Signal nur eine einzige Laufzeit TLAUF zugeordnet werden. Eine beliebige Reduktion der Belichtungszeit zur Verminderung der Ungenauigkeit der Laufzeitmessung kann dabei nicht erfolgen, da damit gleichzeitig die Anzahl der integrierten Photonen reduziert wird, wobei die Anzahl der innerhalb der Kamera integrierten Photonen auch die Genauigkeit der Laufzeitmessung begrenzt. Würde die Zeitdauer eines Belichtungszeitfensters kürzer gewählt, so ist die Anzahl der innerhalb des Belichtungszeitfensters integrierten Photonen nicht groß genug oder die technische Umsetzung noch kürzerer Belichtungszeitfenster ist nicht realisierbar. Folglich können zwar kürzere Pulsfolgendauern ΔT durch die Strahlungsquelle bereitgestellt werden, jedoch kann die Position des eingefangenen Einzelpulses innerhalb des Gates nicht bestimmt werden. Folglich ist die Zeitkonstante der Laufzeitmessung durch die Dauer des Belichtungszeitfensters begrenzt. Wird erfindungsgemäß jedoch der Einzelpuls in wellenlängen- und zeitkodierte Farbpulse überführt und diese als Pulsfolge auf das Objekt gerichtet, reflektiert die Folge der Farbpulse am Objekt und kann von der Kamera aufgenommen werden. Treffen alle einzelnen Farbpulse innerhalb eines Gates ein, so kann die Aussage getroffen werden, dass der Einzelpuls mittig innerhalb des Gates liegt.The increase in the measurement accuracy is based on the principle of assigning the pulse sequences to the exposure time windows, wherein the assignment is wavelength-dependent. Thus, individual color pulses can be allocated to respective exposure time windows be ordered. The shutter speed windows may also be referred to as time slots or so-called gates. The recording of the reflected light from the object is usually time-integrated in the gates, wherein the choice of the time length of such a gate affects the accuracy of the transit time measurement. Upon receipt of a reflected light pulse within a gate, the signal can be assigned only a single time T LAUF . Any reduction of the exposure time to reduce the inaccuracy of the transit time measurement can not be done here, since at the same time the number of integrated photons is reduced, the number of photons integrated within the camera also limits the accuracy of the transit time measurement. If the time duration of an exposure time window was shorter, the number of photons integrated within the exposure time window is not large enough or the technical implementation of even shorter exposure time windows is not feasible. Thus, while shorter pulse train durations ΔT can be provided by the radiation source, the position of the trapped single pulse within the gate can not be determined. Consequently, the time constant of the transit time measurement is limited by the duration of the exposure time window. However, according to the invention, if the individual pulse is converted into wavelength- and time-coded color pulses and these are directed onto the object as a pulse sequence, the sequence of color pulses on the object reflects and can be recorded by the camera. If all the individual color pulses arrive within a gate, then the statement can be made that the single pulse lies centrally within the gate.
Wird eine Farbe in einem vorgelagerten Gate TN-1 detektiert und zwei übrige Farben im Gate TN , so kann die Aussage getroffen werden, dass der Einzelpuls innerhalb des Gates N angrenzend an das Gate TN-1 liegt. Ebenso ist es möglich, dass ein Farbpuls im Gate TN+1 detektiert wird, und die übrigen Farbpulse im Gate TN . Folglich liegt der Einzelpuls im Gate N in angrenzender Nähe zum Gate TN+1.If a color is detected in an upstream gate T N-1 and two remaining colors in the gate T N , it can be said that the single pulse within the gate N is adjacent to the gate T N-1 . It is also possible that a color pulse in the gate T N + 1 is detected, and the remaining color in the gate pulses T N. Consequently, the single pulse in the gate N is adjacent to the gate T N + 1 .
Infolge dessen kann ein Korrekturterm δ gebildet werden, mit dem die Lage der Pulsfolge innerhalb des Belichtungszeitfensters bestimmt wird, indem die Laufzeit TLAUF des Einzelpulses zunächst einer Laufzeit für ein Belichtungszeitfenster TN zugeordnet wird, und folgend die Korrektur über den Korrekturterm δ vorgenommen wird, so dass gilt: TLAUF = TN + δ.As a result, a correction term δ can be formed with which the position of the pulse train within the exposure time window is determined by first assigning the travel time T LAUF of the individual pulse to a transit time for an exposure time window T N , and then performing the correction via the correction term δ. such that: T RUN = T N + δ.
Der Korrekturterm δ kann den Wert –Δt annehmen, wenn einer der Farbpulse in einem dem Belichtungszeitfenster vorgelagertes Belichtungszeitfenster detektiert wird. Hingegen kann der Korrekturterm δ den Wert +Δt annehmen, wenn einer der Farbpulse in einem dem Belichtungszeitfenster nachgelagertes Belichtungszeitfenster detektiert wird. Nur wenn alle Farbpulse im selben Belichtungszeitfenster detektiert werden, nimmt der Korrekturterm δ den Wert 0 an.Of the Correction term δ can assume the value -Δt, if one of the color pulses in an exposure time window upstream Exposure time window is detected. On the other hand, the correction term δ can be the value + Accept Δt, if one of the color pulses is downstream in the exposure time window Exposure time window is detected. Only if all color pulses are detected in the same exposure time window, the correction term δ takes the value 0 on.
Vorteilhafterweise besteht die Pulsfolge aus drei einzelnen, hintereinander folgenden Farbpulsen, wobei die Wellenlängen der Farbpulse den Farben Blau, Grün und Rot entsprechen. Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messung der Distanz zu einem Objekt kann mit einer Pulsfolge ermöglicht werden, die aus mehr als drei Farbpulsen gebildet ist. Im Ergebnis nimmt der Korrekturterm δ mehr als drei verschiedene Werte an, wenn ein, zwei oder mehrere Farbpulse in einem vorgelagerten oder nachgelagerten Gate detektiert werden.advantageously, If the pulse sequence consists of three individual, consecutively Color pulses, the wavelengths the color pulses correspond to the colors blue, green and red. A further increase The accuracy of measuring the distance to an object can be with a pulse sequence allows which consists of more than three color pulses. In the result the correction term δ takes more as three different values if one, two or more color pulses be detected in an upstream or downstream gate.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Messung der Distanz zu einem Objekt mit einer Strahlungsquelle zur Bereitstellung einer Folge von Einzelpulsen zur Bestrahlung des Objektes. Dabei sind Aufnahmemittel zur Detektion der vom Objekt reflektierten Einzelpulse vorgesehen, wobei die Messung der Distanz zum Objekt über die Bestimmung der Laufzeit der Einzelpulse zwischen Strahlungsquelle und Aufnahmemittel erfolgt. Hierbei sind Mittel vorgesehen, mit denen die Einzelpulse als wellenlängen- und zeitkodierte Pulsfolge überführbar sind und wobei das Aufnahmemittel die vom Objekt reflektierte Strahlung wellenlängen- und zeitdiskret detektiert.The The invention also relates to a device for measuring the Distance to an object with a radiation source for deployment a sequence of individual pulses for irradiating the object. there are recording means for detecting the individual pulses reflected by the object provided, wherein the measurement of the distance to the object on the determination the duration of the individual pulses between the radiation source and recording means he follows. In this case, means are provided with which the individual pulses as wavelength and time-coded pulse sequence can be transferred and wherein the receiving means reflects the radiation reflected from the object wavelength- and discrete time detected.
Die Mittel können als Strahlteiler ausgebildet sein, die die Einzelpulse in mehrere Einzelstrahlen aufteilt, die unterschiedliche Weglängen durchlaufen. Durch die unterschiedlichen Weglängen können die Einzelpulse in eine Pulsfolge überführt werden, die durch geeignete Wahl der Verlängerung der Weglängen gleiche Abstände zueinander aufweisen. Die von der Strahlungsquelle emittierten Einzelpulse können im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich liegen, so dass die erforderliche Differenz der Weglänge der einzelnen Pulse innerhalb der Pulsfolge technisch in einem begrenzten Bauraum realisierbar ist.The Means can be designed as a beam splitter, the individual pulses in several Divides individual beams that go through different path lengths. By the different path lengths can the individual pulses are converted into a pulse sequence, which by suitable Choice of extension the path lengths same distances to each other. The single pulses emitted by the radiation source can in Picosecond range or in the femtosecond range, so that the required difference of the path length of the individual pulses within the pulse sequence technically feasible in a limited space is.
Innerhalb der unterschiedlichen Weglängen sind optisch nichtlineare Materialien angeordnet, durch die die Einzelstrahlen hindurch laufen, um eine Wellenlängentransformation der Einzelstrahlen in unterschiedliche Wellenlängen zu erzielen und eine Pulsfolge farblich und zeitlich diskreter Farbpulse bereitzustellen. Die optisch nichtlinearen Materialien können eine Wellenlängentransformation in die Farben Blau, Grün oder Rot bewirken, wobei eine der Farben der Grundfarbe des Einzelpulses der Strahlungsquelle entsprechen kann.Within the different path lengths are arranged optically non-linear materials through which the individual beams run through to a wavelength transformation to achieve the individual beams in different wavelengths and a pulse train provide color and time discrete color pulses. The optical nonlinear materials can a wavelength transformation in the colors blue, green or red, with one of the colors of the base color of the single pulse may correspond to the radiation source.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention will hereinafter be described together with the description of a preferred embodiment game of the invention shown in more detail with reference to FIGS.
Es zeigt:It shows:
In
Betrachtet wird zunächst das mittlere Belichtungszeitfenster TN. Die Dauer des Belichtungszeitfensters entspricht dabei der Pulsfolgendauer ΔT und berechnet sich zu ΔT = K·Δt, wobei Δt den zeitlichen Abstand der Farbpulse zueinander wiedergibt.Consider first the average exposure time window T N. The duration of the exposure time window corresponds to the pulse duration .DELTA.T and is calculated to .DELTA.T = K · .DELTA.t, where .DELTA.t represents the time interval of the color pulses to each other.
Im
ersten Fall
Im
zweiten Fall
Im
dritten Fall
Im Ergebnis ist die Genauigkeit der Laufzeitmessung zwischen der Aussendung eines Einzelpulses durch die Strahlungsquelle und der Detektion der Strahlung durch die Kamera nach der Reflexion am Objekt mit dem zeitlichen Abstand Δt möglich. Im vorliegenden Beispiel entspricht die Anzahl K der Farbpulse drei Farbpulsen, wobei bei einer weiteren Erhöhung der Anzahl der Farbpulse, deren zeitliche Gesamtlaufzeit der Pulsfolgendauer ΔT entspricht die Genauigkeiten, weiter erhöht werden.As a result, the accuracy of the transit time measurement between the emission of a single pulse by the radiation source and the detection of the radiation by the camera after the reflection at Object with the time interval Δt possible. In the present example, the number K of the color pulses corresponds to three color pulses, with a further increase in the number of color pulses whose total time of the pulse duration .DELTA.T corresponds to the accuracies, further increased.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.The present invention limited in their execution not to the preferred embodiment given above. Rather, a number of variants is conceivable, which of the illustrated solution also in principle different types Use.
- BB
- blauer Farbpulsblue color pulse
- GG
- grüner Farbpulsgreen color pulse
- RR
- roter Farbpulsred color pulse
- TN-1 T N-1
- vorgelagertes erstes Belichtungszeitfensterupstream first exposure time window
- TN T N
- mittleres, zweites Belichtungszeitfenstermedium, second exposure time window
- TN+1 T N + 1
- nachgelagertes drittes Belichtungszeitfensterdownstream third exposure time window
- Ee
- EinzelpulsSingle pulse
- tt
- Laufzeitrunning time
- KK
- Pulsanzahl in der Pulsfolgepulse number in the pulse sequence
- ΔT.DELTA.T
- PulsfolgendauerPulse repetition period
- Δt.delta.t
- zeitlicher Abstandtime distance
- II
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- IIII
- zweiter Fallsecond case
- IIIIII
- dritter Fallthird case
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