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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung,
bei dem ein Sender eine Folge von Lichtimpulsen aussendet, die an
mindestens zwei in unterschiedlichen Entfernungen angeordneten Messobjekten
reflektiert werden, ein Detektor das an den Messobjekten reflektierte
Licht detektiert und ein detektiertes Signal bereitstellt, und in
einem Rechner die Laufzeitdifferenz zwischen den Lichtimpulsen,
die an verschiedenen Messobjekten reflektiert wurden, bestimmt wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus der Publikation „random modulation cw lidar", N. Takeuchi et
al., Applied Optics, Band 22, Seite 1382, (1983) und aus der Publikation „Diode-laser
random modulation cw lidar", N.
Takeuhi et al., Applied Optics, Band 25, Seite 63, (1986) bekannt.
Dort sind optische Entfernungsmesser beschrieben, die eine Folge
zufallsverteilter, bandbreitegespreizter Lichtimpulse zum jeweiligen
Messobjekt aussenden. Die Messobjekte können sowohl Aerosole als auch
Oberflächen
fester Körper
sein. Gegenüber Entfernungsmessern,
die Einzelimpulse aussenden, haben diese den Vorteil, dass senderseitig
wesentlich geringere Anforderungen an die spektrale Bandbreite als
auch an die erforderlichen Impulsenergien bei vergleichbaren Messdistanzen
und Messauflösungen
gestellt werden. Auch die Anforderung an die empfängerseitige
zeitliche Auflösung
ist wesentlich reduziert.
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Die
am Messobjekt reflektierten Lichtimpulse werden detektiert, verstärkt, digitalisiert
und anschließend
in einem Rechner mit einem Referenzsignal korreliert, welches einer
zeitlich verzögerten
Version des ausgesandten Signals entspricht. Durch dieses Verfahren
wird die Impulsantwort des Objektes ermittelt. Das Verfahren liefert
jedoch nur dann die korrekte Impulsantwort, wenn die Lichtimpulse
entweder nur an einem einzigen Messobjekt reflektiert sind, oder
wenn solche Impulsfolgen gewählt
sind, deren zeitliche Autokorrelationsfunktion einer δ-Funktion
entspricht, d.h. außer
dem Hauptmaximum keine weiteren Nebenmaxima aufweist.
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In
der Praxis lassen sich jedoch keine Impulsfolgen realisieren, deren
Autokorrelation keine Nebenmaxima aufweist. Alleine die endliche
spektrale Bandbreite des Senders führt zu spektralen Seitenbändern. Diese Seitenbänder führen zu
Nebenmaxima der Autokorrelationsfunktion. Bei der gleichzeitigen
Messung an mehreren Messobjekten sind daher der Korrelationshauptspitze,
die zu einem Messobjekt gehört,
die Korrelationsnebenspitzen der anderen Messobjekte überlagert,
so dass sich nicht der wahre Schwerpunkt der Korrelationshauptspitze
ermitteln lässt.
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Die
DE 37 10 041 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur berührungslosen
elektro-optischen Abstandsmessung mittels Licht, die es ermöglicht,
den Abstand zwischen einem Austrittsende für Licht eines Lichtleiters
und einem lichtreflektierenden Objekt zu vermessen. Der betreffende
Abstand wird dabei gemessen, indem ein Phasenunterschied zwischen
am Objekt gestreutem Licht und Licht in einem Referenzzweig bestimmt
wird. Hierzu umfasst die Vorrichtung zur berührungslosen elektro-optischen
Abstandsmessung eine Phasenmesseinrichtung.
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Aus
der
DE 32 19 423 C2 ist
ein Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung bekannt, bei dem
eine Signal-Laufzeitmessung über
eine Messstrecke und getrennt hiervon über eine geräteinterne
Referenzstrecke durchgeführt
wird. Über
die Differenz der gemessenen Signal-Laufzeiten kann ein Messfehler
eliminiert werden, dessen Ursache in der Unsicherheit für die Auslösung eines
Messlichtimpulses und im Ansprechverhalten der eingesetzten Detektorschaltung
liegt.
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Eine
wichtige Anwendung der gleichzeitigen Entfernungsmessung zu mehreren
Messobjekten ist die Untersuchung von Glasfasern auf Fehlerstellen.
Hier stellen die Fehlerstellen die Messobjekte dar, deren Entfernungen
vom Faserende zu bestimmen sind. Zur Untersuchung solcher Fehlerstellen
in Glasfasern durch Optical Time Domain Reflectrometry ist es aus
der EP-OS 269448 und der EP-OS 379609 bekannt, mindestens zwei komplementäre Impulsfolgen,
beispielsweise sogenannte Golaysequenzen in die Glasfaser einzukoppeln.
Durch diese spezielle Wahl mehrerer Impulsfolgen wird erreicht,
dass sich die Korrelationsnebenspitzen der einen Impulsfolge und
die Korrelationsnebenspitzen der dazu komplementären Impulsfolge größtenteils
gegenseitig aufheben. Problematisch ist hier, dass die komplementären Impulssequenzen
auch negative Sequenzanteile haben, wogegen sich durch Amplitudenmodulation
keine negativen Amplituden erzeugen lassen. Die negativen Sequenzanteile
können
daher erst im Auswerterechner durch Subtraktion zweier geeigneter
positiver Sequenzanteile gebildet werden. Dies wirkt sich negativ
auf die Messzeit aus, da für
eine Messung mindestens drei Impulssequenzen ausgesandt und detektiert
werden müssen.
Außerdem
ist die zulässige
Signalformvielfalt stark eingeschränkt, was dann nachteilig ist,
wenn dieselben Messobjekte gleichzeitig von mehreren Messgeräten vermessen
werden. Durch die eingeschränkte
Signalformvielfalt ist eine gegenseitige Störung der Messgeräte wahrscheinlich.
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Aufgabe
der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung
bereitzustellen, bei dem Messfehler aufgrund von Laufzeitschwankungen
der elektronischen Komponenten von Sender und Empfänger vermieden
werden.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur elektrooptischen Entfernungsmessung
der eingangs genannten Art gelöst,
bei dem die an den Messobjekten reflektierten Lichtsignale mit dem
Detektor zeitlich überlagert
detektiert werden, die zeitlich überlagert
detektierten Lichtsignale als mit dem Detektor detektierte Signal in
dem Rechner abgespeichert werden, aus der ausgesendeten Folge von
Lichtimpulsen rechnerisch ein Signal gebildet wird, welches das
detektierte Signal bestmöglich
approximiert, wobei Schätzwerte
für die
Laufzeit der Lichtimpulse vom Sender zum jeweiligen Messobjekt und
von dort zum Empfänger
und Schätzwerte
für die
Reflektivität
der Messobjekte als Anpassparameter dienen, und aus dem rechnerisch
gebildeten Signal, das dem mit dem Detektor detektierten Signal
bestmöglich
angepasst ist, die Laufzeiten der von dem Sender ausgesendeten Lichtimpulse
zwischen den Messobjekten ermittelt werden.
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Die
an den Messobjekten reflektierten Lichtsignale werden zeitlich überlagert
detektiert und im Rechner abgespeichert. Anschließend wird
aus der ausgesendeten Impulsfolge rechnerisch ein Signal gebildet,
das das detektierte Signal bestmöglich
approximiert. Die Laufzeit der Lichtimpulse vom Sender zum jeweiligen Messobjekt
und von dort zum Empfänger
als auch die Amplituden der jeweiligen Reflexionsanteile dienen
dabei als Anpassparameter. Wenn das rechnerische Signal bestmöglich dem
detektierten Signal angepasst ist, sind die Laufzeiten der Lichtimpulse
ermittelt. Aufgrund der Abweichungen des approximierten Signals
vom detektierten Signal können
auch Aussagen über
die statistische Sicherheit der ermittelten Anpassparameter gemacht
werden, so dass zusätzlich
zum Entfernungswert auch die aktuelle statistische Messgenauigkeit
ausgegeben werden kann.
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Da
für die
beschriebene endgültige
Auswertung keine Korrelation durchgeführt wird, arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren
auch dann sehr zuverlässig,
wenn Impulssequenzen mit großen
Korrelationsnebenmaxima verwendet werden. Es kann daher die Entfernung
zwischen beliebig vielen Messobjekten mit hoher Genauigkeit gemessen
werden, ohne dass spezielle Impulssequenzen erforderlich sind.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird stets die Entfernung zwischen zwei Messobjekten, von denen
eines auch ein interner Referenzkanal sein kann, ermittelt.
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Die
Bestimmung der optimalen Anpassparameter erfolgt vorzugsweise nach
dem aus der Faktorenanalyse bekannten Maximum-Likelihood-Algorithmen.
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Die
Lichtimpulse werden vorzugsweise über eine zeitliche Periode
ausgesendet, die größer ist,
als die Laufzeitdifferenz zwischen solchen Lichtimpulsen, die an
unterschiedlichen Messobjekten reflektiert sind. Dadurch ist die
Eindeutigkeit der ermittelten Entfernungen gewährleistet. Die vom Sender ausgesendeten
optischen Signale sind vorzugsweise bandbreitgespreizt, d.h. die
Impulsdauer der einzelnen Impulse ist wesentlich größer als
ihre reziproke spektrale Bandbreite. Solche bandbreitegespreizten
Impulse können
beispielsweise durch zufällige
oder pseudozufällige
Hell/Dunkeltastung des Strahlungssenders nach Maßgabe der in den eingangs zitierten
Literaturstellen beschriebenen m-Sequenzen oder nach Maßgabe der
komplementären Golaysequenzen
erzeugt sein. Die Verwendung bandbreitegespreizter Lichtsignale
ermöglicht
eine große
Vielfalt unterschiedlicher Signalsequenzen. Da sich solche Entfernungsmesser,
die zwar im gleichen Orts- und Zeitbereich aber mit verschiedenen
Signalsequenzen arbeiten, nicht gegenseitig stören, können dieselben Messobjekte
gleichzeitig durch eine entsprechend große Anzahl an Entfernungsmessern
vermessen werden. Außerdem
ist es möglich,
durch eine zusätzliche
schmalbandige Modulation der ausgesendeten Signale Nachrichten zu
den Messobjekten zu senden.
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Zur
Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses und damit der statistischen
Sicherheit der Messwerte ist es vorteilhaft, die Impulse über eine
Vielzahl von Perioden auszusenden, wobei die Folge der Einzelimpulse
in jeder Periode identisch ist. Vorzugsweise wird dann aus dem über eine
Vielzahl an Perioden detektierten Signal ein gemitteltes Signal
gebildet, das die Dauer einer einzigen Periode hat. Die Auswerterechnung wird
dann lediglich für
die gemittelte Periode durchgeführt,
wodurch sich die Auswertezeit wesentlich verkürzen lässt. Eine rekursiv geschaltete
Additionsstufe erlaubt dabei die Mittelung in Echtzeit.
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Um
bereits vor der Auswerterechnung eine gute digitale Messauflösung zu
erzielen, ist es vorteilhaft, wenn die Abtastfrequenz, mit der die
empfangenen Lichtsignale detektiert werden, größer ist als die Chipfrequenz,
durch welche die minimale Impulsdauer bestimmt ist.
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Im
folgenden werden Einzelheiten der Erfindung anhand des in der Figur
schematisch dargestellten Entfernungsmessgerätes näher erläutert.
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Das
in der Figur dargestellte Entfernungsmessgerät besteht aus einem Rechner
(1), der eine binäre, zufallsverteilte
Impulssequenz erzeugt. Die Impulssequenz hat eine Periodendauer
TS und wird nach der Zeit TS stets wiederholt. Der minimale zeitliche
Abstand zwischen einer ansteigenden und einer abfallenden Impulsflanke
ist durch (1/F1) gegeben, wobei (F1) die Chipfrequenz ist. Die Impulssequenz
wird von einem Analog/Digitalwandler (2) analogisiert und
zur Modulation einem Sender (3) zugeführt, der im wesentlichen aus
einem modulierbaren Laser und einer zugehörigen Stromversorgung besteht.
Die Modulationsbandbreite des Senders (3) ist wesentlich
größer als
die Chipfrequenz, so dass eine bandbreitegespreizte Impulssequenz
entsteht.
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Die
vom Sender erzeugten Lichtimpulse werden über eine Teleskopoptik (4)
zu den durch Tripelprismen (M1, M2) markierten Zielpunkten ausgesendet,
an diesen jeweils teilweise reflektiert, von der Teleskopoptik wieder
aufgesammelt und von Strahlteilern (6a, 6b) zu
einem Empfänger
(7) gelenkt. Die Ausgangssignale des Empfängers werden
von einem Analog/Digitalwandler (8) digitalisiert. Die
Abtastfrequenz des Analog/Digitalwandlers (8) Fa = 1/Ta
ist doppelt so groß wie
die Chipfrequenz (F1). Die über
eine Vielzahl von Perioden aufgenommenen Meßwerte werden in einer rekursiv
geschalteten Additionsstufe, die aus einer arithmethisch logischen
Einheit (9) und einem Speicher (10) besteht, zu
einer einzigen Periode gemittelt. Im Speicher (10) ist
jedem Abtastzeitpunkt einer Periode ein Speicherplatz zugeordnet,
und der zur nächsten
Periode gehörige
Meßwert
in einem Abtastzeitpunkt wird einfach dem bisherigen Speicherinhalt
des Abtastzeitpunktes hinzuaddiert. Nachdem über die gewünschte Anzahl an Perioden Meßwerte aufgenommen
sind, wird der Inhalt des Speichers (10) von dem Rechner
(1) ausgelesen und der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen, die
an unterschiedlichen Meßobjekten
(M1, M2) reflektiert sind, ermittelt.
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Im
folgenden werden kurz die Grundlagen für die rechnerische Auswertung
beschrieben:
Die Signalantwort V(t) auf die ausgesendete Impulssequenz
S(t) eines nomierten Meßobjektes,
dessen Reflektivität
als eins und dessen Abstand vom Meßgerät als Bezugspunkt (Abstand
null) definiert wird, wird in einer ersten Eichmessung gemessen
und im Rechner abgespeichert, so daß V(t) und dessen zeitliche
Ableitung V .(t) anschließend
bekannt sind. Der Unterschied zwischen V(t) und S(t) wird einerseits
durch die Laufzeit und andererseits durch die empfängerseitige
Bandbreitebegrenzung verursacht.
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Das
nach Reflexion an den beiden Meßobjekten
(M1, M2) empfangene und digitalisierte Signal e (iTa) am i-ten Abtastpunkt
einer Periode ist gegeben durch
wobei
Ak die Reflektivitäten
und Tk die Laufzeiten der Lichtimpulse vom Sender zum Objekt Mk
(k = 1, 2) und von dort zum Empfänger
(
7) sind, und n (iTa) ein statistisches Rauschsignal ist.
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Das
Meßsignal
e (iTa) wird nun folgend durch zeitverzögerte Versionen der Signalantwort
V (t) approximiert. Die bestmögliche
Approximation ist erreicht, wenn die folgenden vier Gleichungen
(2 bis 5) erfüllt
sind:
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Dabei
ist Ak ^, k = 1,2, der Schätzwert
für die
komplexe Reflektivität
des Meßobjektes
Mk und Tk ^, k = 1,2, die geschätzte
Laufzeit der Lichtimpulse vom Sender (3) zum Meßobjekt
Mk und von dort zum Empfänger (7).
Die Summationen werden jeweils über
die N Abtastpunkte der Periode durchgeführt.
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Durch
Auflösung
der Gleichungen (2) und (3) nach A1 ^ und A2 ^ und Einsetzen in Gleichungen
(4) und (5) können
die komplexen Reflektivitäten A1 ^ und A2 ^ eliminiert
werden. Man erhält
dann zwei nicht-lineare Gleichungen f1(T1 ^, T2 ^) = 0 (6) f2(T1 ^, T2 ^)
= 0 (7)
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Die
beiden Gleichungen (6) und (7) werden durch das Newton-Verfahren iterativ
gelöst.
Besonders günstige
Startwerte für
die Laufzeiten T1 ^, T2 ^ lassen sich durch eine Korrelation der detektierten
Signalform mit der ausgesandten Signalform realisieren, jedoch dient
die Korrelation hier nur dazu, um geeignete Startwerte für die Iteration
zu erhalten. Die endgültigen
Schätzwerte T1 ^ und T2 ^ werden
dann durch die Iteration selbst ermittelt.
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Nachdem
iterativ die Schätzwerte T1 ^, T2 ^ bestimmt
sind, werden zusätzlich
iterativ Schätzwerte
für die komnplexen
Reflektivitäten A1 ^, A2 ^ ermittelt.
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Solange
stets die Laufzeitdifferenzen zwischen den an dem Meßobjekt
(M1) und den am Meßobjekt (M2)
reflektierten Lichtimpulsen gemessen werden, haben Änderungen
der Signalverarbeitungszeit des Empfängers (7), die sich über Zeiträume erstrecken,
die sehr groß gegenüber der
Periodendauer sind, keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.
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Die
geschätzten
Laufzeiten T1 ^, T2 ^ und die Reflektivitäten A1 ^, A2 ^ werden auf dem Monitor
(11) ausgegeben. Die Entfernung Lk zwischen dem Meßobjekt
Mk und dem Entfernungsnullpunkt ergibt sich dann zu Lk = 1/2 cTk ^ mit
k = 1,2 und c der Lichtgeschwindigkeit. Zusätzlich lassen sich anhand der
Varianzen der Schätzwerte
noch statistische Aussagen über
die Zuverlässigkeit
der geschätzten
Werte, insbesondere über
die erreichte Meßgenauigkeit,
machen. Diese Aussagen über
die Meßgenauigkeit
werden ebenfalls auf dem Monitor (11) dargestellt.
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Nach
dem bisher Beschriebenen können
die Meßobjekte
(M1, M2) außerhalb
des gestrichelt dargestellten Meßgerätes (13) angeordnet
sein. Es ist jedoch auch möglich,
die Entfernung zu einem einzigen Meßobjekt (M2) außerhalb
des Meßgerätes (13)
zu bestimmen. Das zweite Meßobjekt
ist dann durch einen Referenzkanal im Inneren des Meßgerätes realisiert,
indem teildurchlässige
Spiegel (12a, 12b) einen Teil des vom Sender (3)
ausgesandten Lichts direkt zum Empfänger (7) spiegeln.
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Wie
bereits weiter oben beschrieben, ist die Periodenlänge (TS)
der ausgesandten Lichtimpulse größer als
die Laufzeitdifferenz zwischen den an unterschiedlichen Meßobjekten
(M1, M2) reflektierten Lichtstrahlen. Dadurch lassen sich eindeutige
Entfernungsmeßwerte
erzielen. Um andererseits möglichst
kurze Meß- und
Auswertezeiten zu erhalten, sollte die Periodenlänge (TS) stets der aktuellen
Laufzeitdifferenz angepaßt sein.
Dies läßt sich
beim erfindungsgemäßen Entfernungsmesser
leicht softwaremäßig durch
Wahl der Sende- und Abtastperiode realisieren.
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Anhand
der Zeichnung ist das erfindungsgemäße Meßverfahren zur Vereinfachung
lediglich für
den Spezialfall, das zwei Meßobjekte
(M1, M2) vorhanden sind, beschrieben worden. Es läßt sich
jedoch durch eine Verallgemeinerung der Gleichungen (2 bis 5) auf
eine beliebige Anzahl an Meßobjekten
ausdehnen.