DE102005045555A1

DE102005045555A1 - Method for measuring error correction of non-linear systems

Info

Publication number: DE102005045555A1
Application number: DE102005045555A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Kompa
Original assignee: Universitaet Kassel
Current assignee: Universitaet Kassel
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-09-23
Publication date: 2007-07-05

Abstract

To correct measurement faults in non-linear sensor systems, especially radar, a computer model is used for a computer to generate software corrections. The corrections relate especially to the non-linear behavior of a photo diode.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Korrektur von Laufzeitfehlern, die aufgrund der Signaldynamik von Empfangssignalen bei optischen Radarsystemen auftreten. Ursache liegt im wesentlichen in der nichtlinearen Empfangscharakteristik der optischen Empfängers. Innerhalb des optischen Empfängers weist im allgemeinen die Photodiode die stärksten nichtlinearen Eigenschaften auf. Erfahrungsgemäß trifft dies nicht nur für die häufig eingesetzte Avalanche-Photodiode zu, sondern betrifft alle weiteren für Radarsysteme eingesetzten Detektoren (u.a. auch Mikrowellendetektoren für z.B. Dauerstrich- sowie Pulsbetrieb). Die MSM-Photodiode gilt eine ein weitgehend lineares Element. Jedoch wenn Abstände, Profile oder Gegenstände dreidimensional hochgenau mit einer Genauigkeit im Millimeter- und Submillimeterbereich gemessen werden sollen, führt auch das nichtlineare Verhalten einer MSM-Photodiode zu nicht tolerierbaren Messfehlern. Dynamikfehler treten zum einen entfernungsabhängig auf, zum anderen entstehen sie bei konstanter Entfernung bei Schwarz-Weiß-Kontrasten.The The present invention describes a method for correcting Runtime errors due to the signal dynamics of received signals occur in optical radar systems. Cause is essentially in the non-linear reception characteristic of the optical receiver. Within of the optical receiver In general, the photodiode has the strongest nonlinear properties on. Experience meets this not only for the frequently used Avalanche photodiode, but affects all others for radar systems detectors used (including microwave detectors for e.g. as well as pulsed operation). The MSM photodiode is considered a one largely linear element. However, if distances, profiles or objects are three-dimensional high precision with an accuracy in the millimeter and submillimeter range be measured leads also the non-linear behavior of an MSM photodiode to intolerable Measurement errors. Dynamic errors occur on the one hand, depending on the distance, on the other hand they arise at constant distance with black and white contrasts.

Dynamikfehler werden in (Mehnert, MITEC) dadurch vermieden, dass über ein mechanisches optisches Drehdämpfungsglied dafür gesorgt wird, dass stets konstante optische Leistung auf die Photodiode auftrifft, und diese somit stets im selben Arbeitspunkt arbeitet. Dieses Verfahren ist für langsame Intensitätsänderungen geeignet, jedoch für dynamische Messvorgänge zu schwerfällig. Es können auch elektronische Regelschleifen zur Aufrechterhaltung eines Empfangssignals genutzt werden (z.B. Riegl). Jedoch haben solche geschlossenen Regelkreise (closed-loop) stets den Nachteil, dass eine präzise Messung erst nach einer Einschwingzeit erfolgen kann. Dieser Nachteil ist auch bei Dauerstrich-Systemen mit extremen Amplitudenschwankungen gegeben.dynamic error are avoided in (Mehnert, MITEC) by having a mechanical optical rotary attenuator ensured is that always constant optical power impinges on the photodiode, and thus always works in the same operating point. This method is for slow intensity changes suitable, however for dynamic measuring processes too cumbersome. It can also electronic control loops for maintaining a received signal be used (e.g., Riegl). However, such closed-loop control circuits have always the disadvantage that a precise measurement can only be done after a settling time. This disadvantage is also with continuous wave systems with extreme amplitude fluctuations given.

Nulldurchgangsverfahren beruhen auf der Differentiation des Eingangssignals. Die Messgenauigkeit ist in diesem Fall durch das Rauschen des Empfängers und der Auswerteelektronik begrenzt. Insbesondere bei schwächeren Signalen nimmt die Steilheit des Nulldurchgangs ab, so dass die Auswertefehler zunehmen.Zero-crossing procedures are based on the differentiation of the input signal. The measuring accuracy in this case is due to the noise of the receiver and the transmitter limited. Especially with weaker ones Signals decreases the steepness of the zero crossing, so that the Evaluation error increase.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Fehlerkorrektur von Laufzeitfehlern in Radarsystemen mit einer nichtlinearen Empfangseinheit zu schaffen, das nicht auf einer bekannten hardwaremäßigen Lösung beruht, sondern ausschließlich auf der vollständigen Kenntnis der dynamischen nichtlinearen Eigenschaften des verwendeten optischen Empfängers. Eine hardwaremäßige Kompensation der nichtlinearen Bauelementeigenschaften wird damit überflüssig, wodurch der Hardwareaufwand und damit die Kosten einer Systementwicklung minimiert werden. Das vorgeschlagene Verfahren lässt auch noch bei schwachen Signalen eine Laufzeitfehlerkorrektur ohne Einbuße an Messgenauigkeit zu.The The object of the invention is a method for error correction Runtime errors in radar systems with a nonlinear receiving unit which is not based on a known hardware solution, but exclusively on the complete Knowledge of the dynamic non-linear properties of the used optical receiver. A hardware compensation the non-linear component properties is thus superfluous, which The hardware expenditure and thus the costs of a system development minimized become. The proposed method is still weak Signals a runtime error correction without loss of accuracy.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen 1–11 niedergelegten Merkmale vor. Anhand der 1–5 wird im folgenden die Erfindung beschrieben.To achieve this object, the invention provides the laid down in the claims 1-11 features. Based on 1 - 5 The invention will be described below.

1 verdeutlicht das Problem der präzisen Entfernungsmessung bei einer hohen Signaldynamik des Empfangssignals, wie es beispielsweise bei optischen Impulsradarsystemen typisch ist. Eine Entfernungsmessung beruht auf einer Zeitdifferenzmessung eines Referenzimpulses 1 (Startimpuls) und verzögerten Empfangsimpulses 2 (Stoppimpuls). Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wird nur ein Detektor benötigt, so dass wie in der Abbildung dargestellt, ein Messereignis aus einem Doppelimpuls besteht, bei dem die Amplitude 1 nur langsamen Schwankungen, z.B. durch Temperatur oder Degradationseffekten, unterworfen ist. Dagegen weist die Signalamplitude des Empfangssignals allgemein hohe Schwankungen auf, was zu Signalformverzerrungen und internen Impulslaufzeitänderungen führt, so dass die Zeitmessung bei einem konstanten Abstand des Gegenstands aufgrund der Signaldynamik nicht mehr eindeutig ist. Die Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes des Empfangsimpulses 2 erfolgt bei einem Empfangspegel von 50 %. Aus der Darstellung ist ersichtlich, dass mit abnehmender Empfangsamplitude eine positive Zeitverschiebung erfolgt. So besteht für die abnehmenden Signale 2a. 2b und 2c ein entsprechender Zusammenhang der zeitsignifikanten Zeitpunkte, nämlich t₁ < t₂ < t₃. Die Messentfernung T ergibt sich aus dem Zeitintervall der zeitsignifikanten Punkte des Referenz- und Empfangssignals (beispielhaft durch T₁ in 1 verdeutlicht). Das System wird in der Form kalibiriert, dass bei gleicher Amplitude von Mess- und Referenzsignal ein Nullfehler entsteht. Mit zunehmender Abnahme der Amplitude des Empfangssignals tritt eine signaldynamik-basierte Verzögerung ein, so dass gegenüber der aktuellen Entfernung ein erhöhter Entfernungswert gemessen wird, d.h. es muss eine negative Zeitfehlerkorrektur vorgenommen werden. Umgekehrt erscheint der Messimpuls bei Amplituden, die größer als der Referenzimpuls sind, zu einem früheren Zeitpunkt, so dass eine positive Laufzeitfehlerkorrektur vorzunehmen ist. 1 illustrates the problem of precise distance measurement with high signal dynamics of the received signal, as is typical for example in optical pulse radar systems. A distance measurement is based on a time difference measurement of a reference pulse 1 (Start pulse) and delayed receive pulse 2 (Stop pulse). In the embodiment according to the invention, only one detector is required, so that as shown in the figure, a measurement event consists of a double pulse, in which the amplitude 1 only slow fluctuations, eg by temperature or degradation effects, is subjected. In contrast, the signal amplitude of the received signal generally has high fluctuations, which leads to waveform distortions and internal pulse propagation time changes, so that the time measurement at a constant distance of the object due to the signal dynamics is no longer unambiguous. The determination of the time-significant point of the received pulse 2 takes place at a reception level of 50%. It can be seen from the illustration that a positive time shift takes place with decreasing reception amplitude. So exists for the decreasing signals 2a , 2 B and 2c a corresponding relationship of the time-significant times, namely t ₁ <t ₂ <t ₃ . The measuring distance T results from the time interval of the time-significant points of the reference and received signals (for example, by T ₁ in FIG 1 illustrated). The system is calibrated in such a way that with the same amplitude of measurement and reference signal a zero error arises. As the amplitude of the received signal decreases, a signal-dynamics-based delay occurs, so that an increased distance value is measured relative to the current distance, ie a negative time error correction must be performed. Conversely, at amplitudes greater than the reference pulse, the measurement pulse appears at an earlier point in time so that a positive transit time error correction is to be made.

2 zeigt beispielhaft die nichtlineare Übertragungsfunktion 3 einer Avalanche-Photodiode. Es wird deutlich, dass bei extrem hohen Signalschwankungen mit großen Messfehlern bis zu 40 ps zu rechnen ist, so dass ohne weitere Fehlerkorrekturmaßnahmen eine minimale Messunsicherheit im unteren Millimeterbereich oder oberen Submillimeterbereich nicht möglich ist, es sei denn in einem sehr eingeschränkten Entfernungsbereich, was aber die Einsatzmöglichkeiten eines Entfernungsmessers erheblich einschränken würde. 2 shows by way of example the non-linear transfer function 3 an avalanche photodiode. It becomes clear that with extremely high signal fluctuations with large measurement errors up to 40 ps is to be expected, so that without further error correcting measures a minimum measurement uncertainty in the lower millimeter range or upper submillimeter area is not possible, except in a very limited distance range, but this would significantly limit the capabilities of a rangefinder.

3 zeigt ein grobes Blockschaltbild der Laufzeitfehlererkennung. Das Empfangssignal 1 wird von einem nichtlinearen Detektor 4 gemessen. An seinem Ausgang erscheint ein verzerrtes Ausgangssignal 2. In einer nachgeschalteten Laufzeitfehlererkennungseinheit 5 wird der Laufzeitfehler Δt (6) bestimmt und der Zeitmesseinrichtung zugeführt. 3 shows a rough block diagram of the runtime error detection. The received signal 1 is from a nonlinear detector 4 measured. At its output a distorted output signal appears 2 , In a downstream runtime error detection unit 5 the runtime error Δt ( 6 ) and supplied to the time measuring device.

4 zeigt die erfindungsgemäße Laufzeitfehlerkorrektur. Referenzsignal 1 und Messsignal 2 werden auf einen Amplituden-Komparator 6 gegeben. Dieser stellt die Amplitudendifferenz 7 des Empfangssignals zum Referenzsignal fest. In einem Rechnermodell sind die nichtlinearen Eigenschaften der zur Laufzeitfehlerkorrektur herangezogenen nichtlinearen Systemkomponenten erfasst. Erfindungsgemäß ist diese nichtlineare Systemkomponente durch ein Modell einer nichtlinearen Avalanche-Photodiode beschrieben. Die komplexe nichtlineare Nachbildung der Photodiode erlaubt die getreue Simulation des nichtlinearen Übertragungsverhaltens des Bauelements. Somit ist bei Kenntnis der Empfangsamplitude über Simulation die aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften des Detektorelements verzerrte Signalform und der zeitsignifikante Zeitpunkt auf der Vorderflanke des Empfangsimpuls bestimmbar. Als Referenz des nichtlinearen Laufzeitfehlers dient die Amplitude des Referenzimpulses. Das nichtlineare Modell 8 kann erfindungsgemäß on-line in den Fehlerkorrekturalgorithmus eingebunden sein. Es kann aber auch erfindungsgemäß als Look-up Table gespeichert sein. Weiterhin können die nichtlinearen Eigenschaften erfindungsgemäß durch analytische Funktionen nachgebildet werden. In einer Zeitmesseinheit wird die Laufzeitdifferenz von Messsignal 2 und Referenzsignal 1 unter Berücksichtigung des nichtlinearen Laufzeitfehlers 10 bestimmt und in herkömmlicher Weise in einen erfindungsgemäßen fehlerkorrigierten Entfernungswert 11 umgerechnet. 4 shows the transit time error correction according to the invention. reference signal 1 and measuring signal 2 be on an amplitude comparator 6 given. This represents the amplitude difference 7 of the received signal to the reference signal. In a computer model, the nonlinear properties of the non-linear system components used for the propagation error correction are recorded. According to the invention, this nonlinear system component is described by a model of a nonlinear avalanche photodiode. The complex non-linear simulation of the photodiode allows faithful simulation of the non-linear transmission behavior of the device. Thus, with knowledge of the reception amplitude via simulation, the signal shape distorted due to the non-linear properties of the detector element and the time-significant instant on the leading edge of the received pulse can be determined. The amplitude of the reference pulse serves as reference for the non-linear transit time error. The nonlinear model 8th According to the invention, it can be integrated on-line into the error correction algorithm. However, it can also be stored according to the invention as a look-up table. Furthermore, according to the invention, the nonlinear properties can be simulated by analytical functions. In a time measuring unit, the transit time difference of measuring signal 2 and reference signal 1 taking into account the nonlinear transit time error 10 determined and in a conventional manner into an error-corrected distance value according to the invention 11 converted.

5 zeigt beispielhaft das nichtlineare optoelektronische Rechnermodell 8 einer Avalanche-Photodiode. Alle dargestellten Modellparameter lassen sich mit Hilfe geeigneter Messtechniken sehr genau bestimmen. 5 shows by way of example the non-linear optoelectronic computer model 8th an avalanche photodiode. All represented model parameters can be determined very accurately with the help of suitable measuring techniques.

Claims

Method for measuring error correction of non-linear sensor systems, characterized in that a computer model is created by the non-linear system and a measuring error correction is carried out by software with the aid of a computer unit.

Method according to claim 1, characterized in that that these are preferably radar sensors.

Method according to one of claims 1 and 2, characterized that these are preferably optical radar systems.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that the Meßfehlerkorrekturmaßnahme on the entire nonlinear system relates.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized that the Meßfehlerkorrekturmaßnahme on refers to a nonlinear subsystem.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized that the Meßfehlerkorrekturmaßnahme on refer to the nonlinear properties of a photodiode.

Method according to Claim 6, characterized that the nonlinear properties of the photodiode by an accurate be simulated nonlinear optoelectronic equivalent circuit diagram, which has known appropriate measurement techniques is obtained.

Method according to claim 7, characterized in that that the measurement error correction measure during the Measurement interactive with the help of the non-linear equivalent circuit diagram he follows.

Method according to one of claims 7 and 8, characterized that the nonlinear model is stored in the form of a look-up table or has been modeled using analytic functions.

Method according to one of claims 1 to 9, characterized in that in an amplitude comparator 6 the amplitude difference of the measuring signal 2 to the reference signal 1 is determined, and from the amplitude difference, a non-linear runtime error 10 about the nonlinear model 8th is derived.

A method according to claim 10, characterized in that in a time measuring device 9 a transit time difference from the reference and measurement signal and the resulting from the signal dynamics of the received signal non-linear delay error is determined.