CH694975A5 - Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes  nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. 



   Da bei bekannten Verfahren der oben genannten Art, bzw. bei Geräten  zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens jeweils pro Rasterelement  ein Entfernungsmesswert zur Verfügung steht, sind im Vergleich zu  modernen Laser-Entfernungsmessern (Rangefindern) die mit diesen Systemen  erzielbaren Reichweiten, Empfindlichkeiten und auch Genauigkeiten  begrenzt. Es ist ein Ziel der Erfindung, auch mit Laser-Scanner-Systemen  Reichweiten, Empfindlichkeiten und Genauigkeiten zu erreichen, die  mit jenen von modernen Rangefindern vergleichbar sind. 



   Dieses Ziel wird erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale  des Patentanspruches 1 erreicht. 



   Vorzugsweise beträgt die Taktrate der ausgesendeten optischen Impulse  innerhalb eines Bursts mindestens 50 kHz, vorteilhaft mindestens  100 kHz. 



     Vorteilhaft wird durch eine mehrkanal- bzw. mehrziel-fähige Zeitintervallmessung  für jeden einzelnen Impuls eines Bursts ein Laufzeitintervall bestimmt,  die in ihrer Gesamtheit eine Tabelle von Laufzeitintervallen definieren,  wobei ein elektronischer Rechner mittels definierter Algorithmen  aus diesen Laufzeitintervallen der Impulse jedes Bursts in Bezug  auf einen zugehörigen Startimpuls mindestens einen, einem Rasterelement  zugeordneten Entfernungswert ermittelt. 



   Ein alternatives Verfahren beruht auf einer digitalen Signalverarbeitung,  bei welcher in einem elektronischen Rechner aus den zeitdiskreten,  digitalisierten und aufaddierten Empfangssignalen der Impulse jedes  Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt  und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug  auf einen zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert berechnet wird.                                                          



   Vorteilhaft besteht ein Burst aus 2-50, vorzugsweise 10 Impulsen.  In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest  teilweise während der Impulslücken zwischen zwei Bursts in dem elektronischen  Rechner mittels definierter Algorithmen jeweils aus den Empfangssignalen  der Impulse des vorhergehenden Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter  Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses Empfangsimpulses  in Bezug auf den zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert berechnet  und in einem Speicher zusammen mit den Koordinaten des Raster- bzw.  Bildelementes abgelegt. 



   Einerseits wird durch eine grosse Zahl von Impulsen pro Burst die  Reichweite, Empfindlichkeit und auch Genauigkeit insbesondere dann  gesteigert, wenn die Amplituden der Empfangssignale klein sind und  auch das Signal-Rausch-Verhältnis ungünstig ist, auf der anderen  Seite wird durch eine grosse Zahl von Impulsen pro Burst die Zeit  zur Abtastung eines gegebenen Objektraumes entsprechend verlängert.  In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird durch eine  adaptive Bestimmung der Zahl der Impulse pro Burst die Impulszahl  und damit die Messzeit den jeweiligen Bedingungen während einer Messung  optimal angepasst. 



   In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden zu diesem  Zweck aus den Empfangssignalen der Bursts eines Scans des Objektraumes  die Signalamplituden bzw. die Signal-Rausch-Verhältnisse der jedem  Rasterelement zugeordneten Messwerte ermittelt und gespeichert und  die Impulszahlen pro Burst bei den folgenden Scans als Funktion dieser  Werte verändert, in dem Sinn, dass bei grossen Signalamplituden bzw.  Signal-Rausch-Verhältnissen eines Rasterelementes die Zahl der Impulse  pro Burst und damit die Zeitdauer eines    Messzyklus reduziert und  bei kleinen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen die  Zahl der Impulse pro Burst erhöht wird, wobei die Scan-Rate der Scan-Einrichtung  in Abhängigkeit von der Impulszahl pro Burst variabel ist.

   Diese  Optimierung der Zahl der Impulse pro Burst und damit Hand in Hand  die Änderung der Scan-Rate kann individuell für die einzelnen Raster-elemente  erfolgen, es ist aber auch möglich, diese Anpassung für eine grössere  Anzahl von Rasterelementen, z.B. für ganze Zeilen oder auch für das  gesamte Abtastfeld bzw. für den ganzen Scan-Zyklus gemeinsam durchzuführen.                                                    



   Bei der adaptiven Wahl der Anzahl der Sendeimpulse pro Burst ist  es zweckmässig, dass die Bursts eines ersten Scan-Zyklus eine überdurchschnittlich  grosse Impulszahl aufweisen, so dass auch unter ungünstigen Bedingungen  ein Entfernungs-Messwert für jedes einzelne Rasterelement bestimmbar  ist, um daraus abgeleitet für die folgenden Scan-Vorgänge die Parameter  der Messung in geeigneter Weise bestimmen zu können. 



   Bei Anwendung von digitalen Signalverarbeitungsverfahren kann es  vorteilhaft sein, für jedes Raster-element Fenster von Speicheradressen,  welche Entfernungswerten entsprechen, zu definieren, innerhalb welchem  Samples (Proben) der Empfangssignale zur Auswertung herangezogen  werden. 



   Vorteile ergeben sich bei digitaler Signalverarbeitung auch dann,  wenn zwischen der Sende-Impulsfolgefrequenz und der Samplefrequenz  eine relative Phasenverschiebung von 



   d = L/n eingestellt wird, in welcher Formel n eine ganze Zahl,  vorzugsweise 5 ist, d die Phasenverschiebung und L die Periodendauer  der Samplefrequenz bedeuten, so dass Samples der digitalisierten  Empfangssignale gegeneinander mit einer Periode von n verkämmt sind  und die wirksame Samplefrequenz um den Faktor n vergrössert erscheint,  wobei in absoluten Werten vorzugsweise die Sendeimpulse in ihrer  Phasenlage verschoben werden. 



   Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden  Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf  die Zeichnung:      Fig.1 zeigt schematisch eine Scan-Einrichtung  gemäss der Erfindung; die     Fig. 2 und 3 veranschaulichen Details  dieser Einrichtung;       Fig. 4 stellt das Blockdiagramm einer  Variante der Erfindung mit digitaler Signalverarbeitung dar; die     Fig. 5 und 6 zeigen Diagramme der zugehörigen Sende- und Empfangsimpulse;  und die     Fig. 7 veranschaulicht schliesslich ein Blockdiagramm  einer alternativen Ausführungsform mit analoger Signalverarbeitung.  



   Die Einrichtung gemäss Fig. 1 umfasst einen aktiven optischen Kanal  1, der im Wesentlichen aus einem Laser-Entfernungsmesser besteht,  wie er beispielsweise in der Österreichischen Patentschrift Nr. 405  105 beschrieben ist. Der aktive Kanal weist eine Sende-Diode 2 sowie  eine Empfangs-Diode 3 auf. Durch die Sende-Diode 2 werden Folgen  extrem kurzer Laser-Impulse ausgesendet, die an Objekten im Aufnahme-Raum  reflektiert werden. Die in Richtung der Aufnahme-Einrichtung reflektierte  Strahlung wird durch die Empfangs-Diode 3 aufgenommen. Im Laser-Entfernungsmesser,  bzw. im aktiven Kanal 1 der Einrichtung wird aus der Laufzeit der  Laser-Impulse die Entfernung zu dem jeweiligen Objekt ermittelt.  Der Sende-Diode 2 und der Empfangs-Diode 3 ist jeweils ein optisches  Scan-System vorgeschaltet, mit dessen Hilfe der Objektraum abgetastet  wird.

   Im Interesse einer möglichst übersichtlichen Darstellung ist  nur die Scan-Einrichtung für die Empfangs-Diode 3 dargestellt. Der  auf die Diode 3 auftreffende Strahl 4 wird beispielsweise durch einen  Schwingspiegel 5 abgelenkt, der durch einen Aktor 6 angetrieben wird.  Ein mit dem Aktor 6 verbundener Winkelgeber 7 gibt ein Signal  alpha  ab, das von der Stellung des Spiegels 4 abhängt. Der durch den Schwingspiegel  4 abgelenkte Strahl 8 fällt auf die Spiegelfläche eines Spiegelprismas  9, das von einem Motor 10 mit hoher Geschwindigkeit angetrieben wird.  Die jeweilige Winkelposition des Spiegelprismas 9 wird durch einen  Sensor 11 gemessen; die entsprechenden Signale  ?  werden der Signalverarbeitungsstufe  12 zugeleitet. Durch die Bewegung des Spiegels 4 und des Prismas  9 wird der Objektraum durch den Strahl 13 zeilenförmig abgetastet.

                                                               



   Die Abtasteinrichtung für die Sende-Diode ist analog aufgebaut und  tastet den Objektraum in beiden Richtungen synchron und mit gleicher  Phasenlage ab, so dass der Strahl 13 und der entsprechende Strahl  der Sende-Einrichtung im Wesentlichen parallel verlaufen. Vorteilhaft  weisen die beweglichen optischen Elemente 4 und 9 für den Sende-  und Empfangskanal die gleichen Antriebselemente 6 bzw. 10 auf. Es  kann zweckmässig sein, den Spiegel 4 und das Prisma 9 axial zu verlängern,  so dass Sende- und Empfangskanal dieselben Ablenkeinrichtungen benutzen  können. 



     In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Laser-Entfernungsmesser  mit seinen Sende- und Empfangsoptiken und einem rotierenden Spiegelprisma  zu einer starren Einheit zusammengefasst, die in ihrer Gesamtheit  zur Abtastung eines Objekt-raumes verschwenkt wird. 



   Durch den aktiven Kanal 1 (Laser-Entfernungsmesser) wird in Kombination  mit der Scan-Einrichtung der Objektraum abgetastet, wobei zu jeder,  über die Werte der Winkelgeber 7 und 11 definierten Raumrichtung  ein Entfernungswert ermittelt wird. Der entsprechende Datensatz bestehend  aus den Bildkoordinaten und dem zugehörigen Entfernungswert wird  der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeleitet. 



   Im Strahlengang des Strahles 4 ist zwischen dem Schwingspiegel 5  und der Empfangs-Diode 3 ein Strahlen-Teilungsprisma 14 angeordnet,  welches einen Teil der einfallenden Strahlung einer zweiten Fotodiode  15 zuleitet. Vorteilhaft weist die Fotodiode 15 eine unterschiedliche  spektrale Empfindlichkeit auf, verglichen mit der Diode 3, die in  ihrer spektralen Empfindlichkeit der Sende-Diode 2 angepasst ist.  Es kann zweckmässig sein, eine Diode für langwelligeres Infrarot  einzusetzen, um eine bessere Durchdringung bei Nebel zu erzielen.  Für andere Anwendungsfälle kann eine Fotodiode für den sichtbaren  Bereich des Spektrums verwendet werden. Anstelle einer einzigen Fotodiode  kann auch ein Fotodioden-Tripel mit Empfindlichkeiten entsprechend  den drei Grundfarben eingesetzt werden.

   Die spektralen Empfindlichkeiten  können in bekannter Weise durch vorgesetzte Farbfilter oder dichroiische  Spiegel angepasst werden. Vorteilhaft weist auch der Strahlenteiler  15 eine dichroiische Spiegelfläche 16 auf, durch welche die Strahlung  der Laser-Diode 2 im Wesentlichen ungehindert passieren kann, während  Strahlung, für welche die Diode 15 eine maximale Empfindlichkeit  aufweist, optimal reflektiert wird. 



   Die von der Fotodiode 15 bzw. dem jeweiligen Foto-Empfänger abgeleiteten  Signale beschreiben in ihrer Gesamtheit ein passives Bild des Objektraumes,  das also beleuchtungsmässig von dem Laser-Licht der Sende-Diode unabhängig  ist. 



   Die Signale werden in der mit "Passiver Kanal" bezeichneten Stufe  17 bearbeitet und der Signalverarbeitungsstufe 12 zugeführt, in welcher  nun zu jedem, durch die Signale der Sensoren 7 und 11 definierten  Punkt nicht nur eine Entfernungs- sondern auch eine Helligkeits-  und gegebenenfalls eine Farbinformation vorliegt. In der Stufe 12  werden die Daten weiter aufbereitet. 



     Die Fig. 2 zeigt im Detail wie gemäss der Erfindung das Objektfeld  abgetastet bzw. gescannt wird. Der Kopf 20 des Laser-Scanners ist  auf einem Stativ 21 angeordnet. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten  Version umfasst der Scanner-Kopf 20 ein rotierendes Spiegelprisma  zur Abtastung des schematisch angedeuteten Objektfeldes 22 in Richtung  einer Zeile 23. Die zeilenweise Abtastung des Objektfeldes erfolgt  durch Verschwenken des beweglichen Teils 20a des Scanner-Kopfes gegenüber  dem stationären, am Stativ 21 befestigten Teil 20b. 



   Die einzelnen Rasterelemente 24 sind im Wesentlichen quadratisch  mit den Abmessungen von 3 mrad  x  3 mrad. Abgetastet wird dieses  Rasterelement im Gegensatz zum Stand der Technik nicht durch einen  einzelnen Laserimpuls sondern durch eine Vielzahl von Impulsen, in  dem vorliegenden Beispiel von insgesamt sechs Impulsen, die zusammen  einen sogenannten Burst ergeben. Die Laserdiode 2 weist ein rechteckiges  Feld auf, welches die Laserstrahlung emittiert. Der ausgesandte Laserstrahl  weist somit keinen Kreisquerschnitt auf, sondern hat eine fächerartige  Konfiguration. In Fig. 3 ist ein Rasterelement 24 gezeigt, in welchem  mit 25 die balkenförmigen, sogenannten "Foot-Prints" der einzelnen  Laserimpulse dargestellt sind. Diese weisen in dem vorliegenden Beispiel  die Abmessungen 3 mrad  x  0,5 mrad auf.

   Im einfachsten Fall wird  durch Mittelwertbildung aus den reflektierten Signalen dieser Impulse  ein Empfangssignal für dieses Rasterelement ermittelt und in weiterer  Folge aus diesem und dem zugehörigen Startimpuls ein Entfernungswert  errechnet, der mit den Ablenkwinkeln  alpha  und  phi  bzw. den Koordinaten  des Rasterelements in einem Speicher abgelegt wird. 



   Durch den Ersatz eines Einzelimpulses durch eine Vielzahl von Impulsen,  einem sogenannten Burst, kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert  und die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung erhöht werden.  Ein weiterer Vorteil dieses neuen Verfahrens ist die wesentlich erhöhte  Messsicherheit: Durch geeignete Algorithmen können bei der Signalverarbeitung  sogenannte "Ausreisser" - das heisst Messwerte, die vom Mittelwert  deutlich abweichen ausgeblendet bzw. bei der Berechnung des Messwertes  unterdrückt werden. Durch das neue Verfahren ist überdies eine Reichweitensteigerung  durch eine höhere "False-Alarm-Rate" möglich. 



   In dem obigen Beispiel wird das Objektfeld mit einer Geschwindigkeit  von 10 Zeilen pro Minute abgetastet. Infolge der relativ grossen  Apertur des Messstrahles und der begrenzten Abmessung des Spiegelprismas,  können nur rund 33% einer Umdrehung des Spiegelpris   mas zur Ablenkung  des Messstrahles genutzt werden. Bei einer Zeilenlänge von 1,4 rad  (80 DEG ) ergibt sich somit eine Messstrahlgeschwindigkeit von 42  rad/sec. Mit Rasterelementen von 3 mrad  x  3 mrad und 6 Impulsen  pro Rasterelement bzw. Burst beträgt die Einzel-Impulsfrequenz (innerhalb  eines Bursts) somit 84 kHz. 



   Die Fig. 4 zeigt in Form eines Blockdiagrammes schematisch den Aufbau  eines Laser-Scanners gemäss der Erfindung wobei in diesem Diagramm  nur die den Ablenkeinheiten nachgeschalteten Systeme dargestellt  sind. Mit 30 ist ein Laser-Transmitter bezeichnet, der eine Laserdiode  2 ansteuert, welcher eine Optik 31 vorgeschaltet ist, die die Emitterzone  des Lasers vorzugsweise ins Unendliche abbildet. Neben der Sendeoptik  31 ist eine Empfängeroptik 32 vorgesehen, deren optische Achse parallel  zu der der Sendeoptik 31 ausgerichtet ist. Im Strahlengang der Empfängeroptik  32 ist ein Strahlenteilungsprisma 33 vorgesehen Die Empfängeroptik  32 konzentriert einerseits die von einem im Strahlengang der Sendeoptik  befindlichem Objekt bzw. Ziel im Allgemeinen diffus reflektierte  Strahlung auf eine Empfangsdiode 3. Mit Vorteil wird als Empfangsdiode  eine Avalanche-Diode eingesetzt.

   Vorzugsweise sind Sende- und Empfangsdioden  in ihrer spektralen Charakteristik aufeinander abgestimmt, wobei  die Empfangsdiode ihre maximale spektrale Empfindlichkeit in dem  Bereich aufweist, in welchem die Sendediode maximal emittiert. Da  die Empfangsdiode 3 aber neben der von der Sendediode emittierten  und vom Ziel reflektierten Strahlung viel Störstrahlung in Form von  Tageslicht oder Licht von den verschiedensten Kunstlichtquellen empfängt,  kann es vorteilhaft sein, der Empfangsdiode ein möglichst schmalbandiges,  optisches Filter vorzusetzen, welches seine maximale Transmission  in dem Spektralband aufweist, in welchem der Laser emittiert. 



   Durch das Strahlenteilerprisma 33 wird ein Teil des aus dem Objektraumes  abgestrahlten Lichtes auf eine Empfangsdiode 15 konzentriert. Vorzugsweise  weist das Strahlenteilungsprisma 33 eine dichroiische Verspiegelung  auf, welche Strahlung der Wellenlänge der Laserdiode 2 im Wesentlichen  ungestört passieren lässt, während kurzwelligere Strahlung, insbes.  sichtbares Licht zum überwiegenden Teil auf die Diode 15 reflektiert  wird. Anstelle einer einzelnen Empfangsdiode 15 kann auch ein Dioden-Tripel  vorgesehen sein, deren Dioden in ihrer spektralen Empfindlichkeit  auf die drei Grundfarben abgestimmt sind. Mit einer solchen Variante  kann daher parallel zum Entfernungsbild (aktiver Kanal) über den  zweiten, passiven Kanal ein Schwarz- Weiss- oder Farb-Bild des Objektfeldes  aufgezeichnet werden. 



   Der Lasertransmitter 30 umfasst einen Impulsgenerator, der die Laserdiode  2 ansteuert. Der Lasertransmitter gibt, wenn er vom Prozessor 34  entsprechend angesteuert wird, eine Folge    von Laserimpulsen, sogenannte  Bursts ab. Ein solcher Burst kann je nach vom Prozessor gegebenen  Befehl 5-50 Impulse umfassen. Im Regelfall wird ein solcher Burst  etwa 10 Impulse aufweisen. Mittels eines vom Prozessor 34 steuerbaren  Verzögerungsgenerators 35 können die einzelnen Impulse eines Bursts  in ihrer Phasenlage verändert werden, wobei die Phasenverschiebung  periodisch erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung  wiederholen sich beispielsweise die Phasenbeziehungen jeweils mit  einer Periode von 5 Impulsen. 



   Die von der Diode 3 empfangenen Signale werden in einer Verstärker-  und Analog-Signal-Prozessorstufe 36 verstärkt und bearbeitet. Die  auf diese Weise bearbeiteten Signale werden in einem Analog-Digital-Converter  37 mit einer Sample-Frequenz von beispielsweise 60 MHz digitalisiert.  Diese gesampelten Echosignale werden in einem Speicher 38 abgelegt.  Zufolge der Phasenverschiebung der Sendeimpulse eines Bursts gegenüber  der Samplefrequenz werden die gesampelten Echosignale in verschiedene  Speicherzellen abgelegt. Weist die Phasenverschiebung, wie oben ausgeführt,  eine Periodizität von 5 Impulsen auf, so wird der gesampelte Puls  nach 5 Impulsen auf den vorhergehenden aufaddiert.

   Umfasst ein Burst  z.B. 50 Impulse und werden die digitalisierten Impulse mit der Periode  5 "verkämmt", so werden jeweils in einer Speicherzelle 10 Digitalwerte  aufaddiert und die Sample-Frequenz von 60 MHz erscheint um die Periodenzahl  der Verkämmung vergrössert, in dem vorliegenden Beispiel auf 300  MHz, so dass das Abtasttheorem in Bezug auf den rekonstruierten Empfangsimpuls  eingehalten werden kann. 



   Getaktet wird die gesamte Einrichtung durch einen Clock-Generator  52. Der Prozessor 34 und der Datenspeicher 38 sind durch einen Datenbus  miteinander verbunden, der schematisch angedeutet und mit 39 bezeichnet  ist. An diesen Datenbus 39 sind ferner ein Programmspeicher 40 für  den Prozessor 34 angeschlossen, sowie ein Datenzwischenspeicher 41,  in welchen nach einer ersten Auswertung durch den Prozessor 34 Rohdaten  abgelegt werden, die am Ende des Messzyklus ausgelesen werden. Aus  diesen Rohdaten wird mit im Programmspeicher abgelegten Algorithmen  ein Entfernungswert für jedes einzelne Rasterelement ermittelt. 



   Das von der Diode (bzw. dem Dioden-Tripel) 15 gelieferte Signal wird  in einer Video-Prozessorstufe 42 verstärkt und weiter bearbeitet.  Dieser Videoprozessor ist über den Bus 39 mit dem Prozessor 34 und  den anderen Blöcken des Systems, insbesondere mit einem digitalen  Bildspeicher 43 und einem Video-Interface 44, in Verbindung. Die  zu den einzelnen Rastere   lementen gehörigen Bildkoordinaten werden  von den beiden Ablenkelektronik-Einheiten 45 und 46 über den Datenbus  39 in das System eingespeist. 



   Der Prozessor 34 ermittelt aus den Empfangssignalen die Amplitudenwerte,  das Signal-Rausch-Verhältnis etc., legt auf Grund dieser Werte die  Zahl der Impulse pro Burst fest und steuert den Laser-Transmitter  30 entsprechend an. Gleichzeitig wird über den Datenbus 39 ein entsprechender  Befehl an die Ablenkelektroniken 45 und 46 gesandt. Bei ungünstigen  Bedingungen (niedere Amplitude der Empfangsimpulse, geringes Signal-Rausch-Verhältnis,  grosse Messwertstreuung) wird die Zahl der Impulse pro Burst erhöht  und die Ablenkgeschwindigkeit der Scan-Einrichtung entsprechend reduziert.  Diese Anpassung kann individuell für jedes einzelne Raster-element,  für eine Zeile von Rasterelementen oder für den ganzen Scan-Zyklus  erfolgen. 



   Die Funktionsweise der neuen Einrichtung bzw. das neue Messverfahren  wird anhand der Fig. 5 und 6 näher erläutert: Über eine nicht dargestellte  Trigger-einrichtung wird dem Prozessor 34 der Befehl zum Auslösen  eines Messzyklus erteilt. Über den Verzögerungsgenerator 35 wird  der Impulsgenerator des Laser-Transmitters 30 so angesteuert, dass  er mit einer Impulsfolgefrequenz von z.B. 84 kHz einen ersten Burst  von beispielsweise 20 Impulsen aussendet. Es folgt eine Impulslücke,  deren Dauer mindestens der der innerhalb derselben auszuführenden  Rechenoperationen entspricht, worauf der nächste Burst ausgesendet  wird. Da im Allgemeinen die Rechenoperationen bereits parallel zum  Aussenden von Impulsen durchgeführt werden, kann die Impulslücke  auf 1-3 Pulsbreiten reduziert werden. 



   Die Fig. 6 veranschaulicht die einzelnen Laser-Sendeimpulse 48 (Startimpulse),  die vom Lasertransmitter 30 ausgesendet werden. Die Impulse werden  von verschiedenen, im Strahlengang der Sendeoptik befindlichen Objekten  reflektiert. Durch die Empfangsdiode 3 wird ein mehr oder weniger  stark verrauschtes Empfangssignal der Verstärker- und Signalprozessorstufe  36 zugeleitet. In diesen Empfangssignalen erscheinen die Echos der  Sendeimpulse entsprechend der Zielentfernung und damit der Impulslaufzeit  zeitlich versetzt, im Allgemeinen stark gedämpft und vielfach auch  in der Kurvenform verzerrt. Die Kurvenformänderung kann durch die  Geometrie des Zieles bedingt sein, so kann eine Abstufung oder eine  entsprechende Neigung der reflektierenden Fläche des Zieles zur Achse  des Sendestrahles zu einer Impulsverbreiterung führen.

   Die Empfangssignale  49 werden in dem Analog-Digital-Converter 37 mit einer Sample-Frequenz  von ca. 60 MHz gesampelt. Zwischen der Impulsfolgefrequenz der Sendeimpulse  48 und der Frequenz der Sample-Pulse besteht eine relative Phasenverschiebung  entsprechend d=L/n   wobei L die Periodendauer der Samplefrequenz  und n eine ganze Zahl ist. 



   Wird n zum Beispiel mit 5 angenommen und von einem stationärem Ziel  ausgegangen, so wird das Empfangsignal von 5 aufeinanderfolgenden  Sendeimpulsen jeweils so zeitversetzt gesampelt, dass diese gegeneinander  verkämmt sind. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Periode von  5 Impulsen. Die wirksame Samplefrequenz wird damit um den Faktor  n, in dem obigen Beispiel, um den Faktor 5 vergrössert. Die gesampelten  und gegeneinander verkämmten Echosignale werden in die Zellen des  Datenspeichers 38 abgelegt. Für einen Burst von 20 Sendeimpulsen  und einer Verkämmung entsprechend einem Faktor 5 werden in einer  Zelle jeweils 4 Samplewerte aufaddiert.

   Da die Rauschsignale statistisch  auftreten, werden sie in bekannter Weise beim Aufaddieren der Digitalsignale  gegenüber den systematisch auftretenden Nutzsignalen unterdrückt,  so dass es zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses  kommt. 



   Schon während der Aussendung der einzelnen Impulse eines Bursts und  anschliessend in den Impulslücken zwischen zwei Bursts wird durch  den Prozessor 34 aus den im Speicher 38 abgelegten Digitalwerten  mittels eines im Programmspeicher 40 abgelegten weiteren Algorithmus  zum Beispiel durch Berechnung des Maximalwertes des Empfangsimpulses  und Ermittlung der Laufzeit in Bezug auf den Zeitpunkt der Aussendung  des Sendeimpulses 48 ein Entfernungswert ermittelt. Gleichzeitig  können noch weitere Signaleigenschaften wie Signalamplitude, Signal-Rausch-Verhältnis  und/oder Impulsbreite des Echoimpulses berechnet werden. Diese Daten  werden zusammen mit den Koordinaten des dem Burst entsprechenden  Rasterelementes in dem Rohdatenspeicher 41 abgelegt. Der Datenspeicher  38 kann anschliessend gelöscht oder nach dem nächsten Burst mit den  Daten desselben überschrieben werden. 



   In Fig. 7 ist, ebenfalls in Form eines Blockdiagramms, eine Variante  der oben beschriebenen Ausführung gezeigt. Im Gegensatz zu der in  Fig. 4 gezeigten Einrichtung weist die Lösung gemäss Fig. 7 keine  digitale sondern eine analoge Signalverarbeitung auf. In Fig. 7 werden  für Positionen, die mit jenen in Fig. 4 übereinstimmen, gleiche Bezugszeichen  verwendet. 



     Durch den Prozessor 34 wird die Laser-Transmitter-Elektronik 30  angesteuert. Entsprechend der vom Prozessor vorgegebenen Impulszahl  und Taktfrequenz sendet die Laser-Transmitter-Elektronik 30 eine  Folge von Impulsen an die Laser-Diode 2, die eine entsprechende Folge  von Laser-Licht-Impulsen abgibt. Die Emitterzone der Laser-Diode  2 wird durch die Optik 31 im Wesentlichen ins Unendliche abgebildet.  Durch eine der Optik vorgesetzte, in dieser Figur nicht dargestellten  Ablenkeinheit wird der Laserstrahl in zwei orthogonalen Richtungen  zur zeilenweisen Abtastung des Objektfeldes abgelenkt. Die von einem  Ziel reflektierte Strahlung wird durch eine analog aufgebaute und  synchron und phasengleich arbeitende Ablenkeinheit auf die Empfangsoptik  32 geworfen, welche die Strahlung auf ein Strahlenteilerprisma 33  richtet.

   Das Strahlenteilerprisma 33 weist eine frequenzselektiv  wirkende, dichroiische Verspiegelung 33a auf, welche das reflektierte  infrarote Laserlicht im Wesentlichen ungedämpft passieren lässt.  Die Laserstrahlung wird daher auf der Empfangsdiode 3 konzentriert,  die in ihrer spektralen Empfindlichkeit der Sendediode 2 angepasst  ist. 



   Das Ausgangssignal der Empfangsdiode 3 wird in dem Verstärker und  Signal-Prozessor 36 verarbeitet und einer Stufe 50 zugeführt, in  welcher durch einen Mikroprozessor aus der Laufzeit (Time of Flight/TOF)  in Bezug auf einen von einem Sendeimpuls abgeleiteten Startimpuls  ein Entfernungswert ermittelt wird. Aus den den verschiedenen Impulsen  eines Bursts entsprechenden Entfernungswerten berechnet der Prozessor  34 nach vorgegebenen Algorithmen einen einzigen, einem Rasterelement  zugeordneten Entfernungswert. Dieser Entfernungswert wird durch den  Prozessor 34 mit den Koordinaten des Rasterelementes verknüpft, die  von den Elektronik-Einheiten der Ablenksysteme 45 und 46 abgeleitet  werden. Der einem Rasterelement zugeordnete Datensatz wird dann in  einem Speicher 41 abgelegt. 



   Das kürzerwellige sichtbare Licht wird durch den dichroiischen Spiegel  33a auf die Diode 15 abgelenkt. An Stelle einer einzelnen Diode 15  kann auch ein Dioden-Tripel vorgesehen sein, deren einzelne Dioden  spektrale Empfindlichkeiten entsprechend den drei Grundfarben aufweisen.  Mit einer solchen Anordnung kann daher parallel zu einem sog. Entfernungsbild  (aktiver Kanal) ein Schwarz-Weiss- bzw. ein Farb-TV-Bild des Objektfeldes  aufgezeichnet werden (passiver Kanal). Das von der Diode 15 abgeleitete  Videosignal wird in der Stufe 42 verstärkt und digitalisiert und  zusammen mit den Koordinaten des entsprechenden Rasterelementes in  dem digitalen Bildspeicher 43 abgelegt.

   Da die über den aktiven Kanal  erzeugten Entfernungsbilder und die über den passiven Kanal erzeugten  TV-Bilder über die idente Ablenkeinheit aufgenommen werden, sind  sie absolut deckungsgleich und können bei einer späteren Bildverarbeitung  in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Zu diesem Zweck  kann der Prozessor 34 über den Datenbus 39 sowohl auf den Speicher  41, in wel   chem die zu jedem Rasterelement gehörigen Entfernungswerte,  als auch auf den Speicher 43 mit der Video-Information zugreifen  und diese nach einem vorgegebenen Programm miteinander verknüpfen.  Die auf diese Weise erzeugte Video-Gesamtinformation kann über das  Video-Interface ausgegeben und beispielsweise auf einem Monitor zur  Anzeige gebracht werden. 



   Der Prozessor 34 ermittelt aus den verschiedenen, den einzelnen Impulsen  eines Bursts zugeordneten Messwerten, Amplitudenwerte, Signal-RauschVerhältnisse,  Mittelwerte und Streuungen etc. Haben die Messwerte nur geringe Amplitudenwerte  oder Signal-Rausch-Verhältnisse so gibt der Prozessor 34 dem Laser-Transmitter  30 den Befehl, die Impulszahl pro Burst zu vergrössern. Gleichzeitig  werden über den Bus 39 die Ansteuer-Elektronik-Einheiten 45 und 46  des Scanners im Sinne einer Reduktion der Scan-Rate angesteuert. 



   Analog wird bei einer grossen Streuung der Messwerte gegenüber dem  Mittelwert verfahren. Weisen nur wenige Resultate aus den Ergebnissen  eines Bursts eine grosse Abweichung gegenüber dem Mittelwert auf  so ist anzunehmen, dass solche Ergebnisse auf Fehlmessungen oder  Störungen beruhen. Diese Ergebnisse werden daher aus dem Speicher  eliminiert und nicht zur weiteren Verarbeitung herangezogen. 



   Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Aufnahme eines Objektraumes mit einem opto-elektronischen Entfernungsmesser nach dem Impuls-Laufzeit-Verfahren mit einer Sendeeinrichtung (2) zum Aussenden von optischen Signalen in Form von Impulsen, und einer Empfangseinrichtung (3) zum Empfangen von optischen Signalen, die von im Objektraum befindlichen Objekten reflektiert werden, ferner mit einer Scan-Einrichtung (5, 6, 9, 10) zur Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3), durch welche der Objektraum rasterartig abtastbar ist, ferner mit einer Auswerteeinrichtung (12), die aus der Laufzeit der ausgesandten optischen Impulse Entfernungswerte ermittelt, wobei ein Bildausgabe-System für die Ausgabe eines aus Rasterelementen zusammengesetzten Bildes auf einem Bildschirm (18) vorgesehen ist, auf welchem Bildelemente wiedergegeben werden,

deren Bildinhalt vorzugsweise eine Funktion des dem jeweiligen Rasterelement zugeordneten Entfernungswertes darstellt und deren Bildschirm-Koordinaten den Koordinaten der Rasterelemente im Objektraum entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesandten Impuls-Signale zu Impulspaketen, sogenannten "Bursts", zusammengefasst sind, wobei jedem Rasterelement mindestens ein Burst zugeordnet ist und in einem elektronischen Rechner (12) mittels definierter Algorithmen aus den Empfangssignalen der Impulse jedes Bursts und aus der Laufzeit dieser Empfangsimpulse in Bezug auf die zugehörigen Sendeimpulse ein einem jeweiligen Rasterelement zugeordneter Entfernungswert berechnet wird.

2.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der folgenden Merkmale erfüllt ist: (a) die optischen Signale in Form von Impulsen sind Laser-Impulse; (b) die Taktrate der ausgesendeten optischen Impulse innerhalb eines Bursts beträgt mindestens 50 kHz, vorteilhaft mindestens 100 kHz; (c) die Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3) erfolgt kontinuierlich; (d) Ablenkung der optischen Achsen von Sende- und Empfangseinrichtung (2, 3) er folgt in zwei orthogonale Richtungen.

3.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mehrkanal- bzw. mehrziel-fähige Zeitintervallmessung für jeden einzelnen Impuls eines Bursts ein Laufzeitintervall bestimmt wird, die in ihrer Gesamtheit eine Tabelle von Laufzeitintervallen definieren, wobei ein elektronischer Rechner (12) mittels definierter Algorithmen aus diesen Laufzeitintervallen der Impulse jedes Bursts in Bezug auf einen zugehörigen Sendeimpuls mindestens einen, einem Rasterelement zugeordneten Entfernungswert ermittelt.

4.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem elektronischen Rechner (12) aus den zeitdiskreten, digitalisierten und aufaddierten Empfangssignalen der Impulse jedes Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf einen zugehörigen Sendeimpuls ein Entfernungswert berechnet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Burst aus 2-50, vorzugsweise 10, Impulsen besteht.

6.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise während der Impulslücken zwischen zwei Bursts in dem elektronischen Rechner (12) mittels definierter Algorithmen jeweils aus den Empfangssignalen der Impulse des vorhergehenden Bursts ein einem Rasterelement zugeordneter Empfangsimpuls ermittelt und aus der Laufzeit dieses rekonstruierten Empfangsimpulses in Bezug auf den zugehörigen Sendeimpuls ein Entfernungswert berechnet und in einem Speicher zusammen mit den Koordinaten des Raster- bzw. Bildelementes abgelegt wird.

7.

Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Empfangssignalen der Bursts eines Scans des Objekt-raumes die Signalamplituden bzw. die Signal-Rausch-Verhältnisse der jedem Rasterelement zugeordneten Messwerte ermittelt und gespeichert werden und die Impulszahlen pro Burst bei den folgenden Scans als Funktion dieser Werte verändert werden, in dem Sinn, dass bei grossen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen eines Rasterelementes die Zahl der Impulse pro Burst und damit die Zeitdauer eines Messzyklus reduziert wird, bei kleinen Signalamplituden bzw. Signal-Rausch-Verhältnissen die Zahl der Impulse pro Burst erhöht wird und die Scan-Rate der Scan-Einrichtung (5, 6, 9, 10) in Abhängigkeit von der Impulszahl pro Burst variabel ist.

8.

Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei adaptiver Wahl der Anzahl der Sendeimpulse pro Burst die Bursts eines ersten Scan-Zyklus eine überdurchschnittlich grosse Impulszahl aufweisen, so dass auch unter ungünstigen Bedingungen ein Entfernungs-Messwert bestimmbar ist, um daraus abgeleitet für die folgenden Scan-Vorgänge die Parameter der Messung bestimmen zu können.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes Rasterelement Fenster von Speicheradressen, welche Entfernungswerten entsprechen, definierbar sind, innerhalb welchen Samples der Empfangssignale zur Auswertung herangezogen werden.

10.

Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Sende-Impulsfolgefrequenz und der Samplefrequenz eine relative Phasenverschiebung von d = L/n eingestellt wird, in welcher Formel n eine ganze Zahl, vorzugsweise 5 ist, d die Phasenverschiebung, und L die Periodendauer der Samplefrequenz bedeuten, so dass Samples der digitalisierten Empfangssignale gegeneinander mit einer Periode von n verkämmt sind, wodurch die wirksame Samplefrequenz um den Faktor n vergrössert erscheint, wobei in absoluten Werten vorzugsweise die Sendeimpulse in ihrer Phasenlage verschoben werden.