Puls-Akkumulation-Laufzeitmessung

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3. Leibniz-Konferenz
LIFIS
Lasersensoren für Verkehrstechnik, Kfz und industrielle Anlagen
Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH, Jena
Jörg Apitz
Lasersensoren für Verkehrstechnik, Kraftfahrzeuge
und industrielle Anlagen
JENOPTIK Laser, Optik, Systeme GmbH
Lasersensoren mit Licht-Laufzeit-Messverfahren
Freiraummessung ohne kooperative Ziele
Signalverarbeitungs-Technologien und Applikationen
Wesentliche physikalische Zusammenhänge
Akkumulations-Laufzeitmessung für Automotiv- und Industrie
Ausblick auf die weitere Entwicklung
Lasersensoren_Leibniz-Konferenz.ppt 2006-10-12
Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH
2
Lasersensoren für Freiraummessung
Große Entfernungen ohne kooperative Ziele.
Ausgewählte Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung
• Einzelpulsmessung
• Akkumulation
• Phasenvergleich
d
istanz Erde - Mon
Licht durchläuft D
380 000 km
in 1,3 s
Laser-Distanzmessung 1 mm = Zeitmessung 0,000 000 000 006 6 s
3
Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung
Einzelpuls-Laufzeitmessung
Erzeugung kurzer Laserlichtimpulse mit Laserdioden (850nm, 905nm, 1550nm), FKL-Laser,
Faserlasern. Mit jedem Impuls erfolgt nach dem Start-Stop-Prinzip eine Zeitmessung.
Laserpulstreiber
FD-Verstärker
+Trigger
Prozessor,
Zeitmessung
Laserquelle
Start-Refer.diode
Stop-Fotodiode
Interface
345,60 m
Display
Einzelpuls-Laufzeitmessung für schnelle und genaue
Distanz- oder Geschwindigkeitsmessungen.
P
d =½ • c • t
Laufzeit
tstart
tstop
t
4
LIDAR-Gleichung
P9
η3
η7
K
...
...
...
...
VN ...
λ ...
Empfangene Leistung auf APD
Sendereffizienz
Empfängereffizienz
Koschmiedersche
Leuchtdichte-Kontrastschwelle
Normsichtweite
Wellenlänge
q ...
km
l ...
R5 ...
r7 ...
P1 ...
Fit-Parameter q = 1,3 für 6 km < VN < 50
Entfernung
Albedo (diffuses Reflexionsvermögen)
Radius Empfängerlinse
ausgesandte Leistung aus Laserdiode
5
Einzelpuls-Laufzeitmessung
Applikationsbeispiele
• Industrielle Abstandsmessung in schneller Folge
• Gelände- und Objektvermessung ohne koop. Targets
• Laser-Geschwindigkeitsmessgeräte, Stausensoren,
Kameratriggerung
• Militärische Rangefinder für große Entfernungen
• Laserscanneranwendungen
Vorteile:
• Distanzmessungen bis zu 100kHz-Messfolge, cm genau
• Entfernungsmessungen mit FKL bis >20km
• Geschwindigkeiten bis 500km/h, Reichweite 500m,
• kurze Messzeit = Lichtlaufzeit + Signalverarbeitung, im µs-Bereich
6
Phasenvergeich-Laufzeitmessung
Hochfrequente Amplitudenmodulation von CW-Laserdioden, sichtbare oder infrarote
Wellenlänge. Messung der Phasenverschiebungen zwischen ausgesendetem und
reflektiertem Licht. Mehrere Modulations-Frequenzen für eindeutige Abstandszuordnung.
VCO
Mischer
Verstärker
Laserdiode
Refer.diode
Prozessor
Interface
Fotodiode
Modulationsfrequenzen f1 bis f5 ergeben Phasenverschiebungen ϕ1 bis ϕ5
und bestimmen die Eindeutigkeit der Distanzmessung.
Display
58,943 m
Display
ϕ1
ϕ2
. . . . . .ϕn
Phasenvergleich-Licht-Laufzeitmessung für mm-genaue
Distanzmessung, mit oder ohne zusätzlichem Reflektor.
7
Phasenvergeich-Laufzeitmessung
• handhaltbare Distanzmesser für das Bauhandwerk
• Industrielle Abstandsmessung hoher Messgenauigkeit
• Geodätische Gelände- und Objektvermessung mit und
ohne Reflektor- Targets
• Laserscanneranwendungen
Vorteile:
• präzise Distanzmessungen mit mm-Genauigkeit
• low-cost-Lösungen für Massenproduktion möglich
8
Pulstreiber
FD-Verstärker
Laserdiode
AD-Wandler +
Ereignisspeicher
Prozessor
Fotodiode
Interface
1345,6 m
Display
P
Kriterium
Softtarget
Schnelle AD-Wandlung des Fotoempfängersignals und Akkumulation
vieler Signalantworten in zeitzugeordneten Speicherplätzen.
Kriterium
Hardtarget
Hohe Empfindlichkeit und Reichweite.
Lidarsysteme mit Multitargetdetektion
Distanz Hardtarget
9
• Lidargeräte für Sichtweite und Wolkenhöhenmessung
• Sichtweite- und Abstandssensor für Automotiv
• Entfernungsmesser mittlerer Reichweite mit Laserdioden
für Ferngläser und Zielfernrohre bei Sport, Jagd, Polizei
• Industrielle Abstandsmessung geringer Messgenauigkeit,
Füllstandsmessung
• Geschwindigkeitsmessung großer Reichweite
Vorteile:
• Entfernungsmesssung durch trübe Medien möglich
• große Reichweite durch gute Rauschunterdrückung
• low-cost-Lösungen für Massenproduktion möglich
10
Puls-Akkumulation-Laufzeitmessung in Automotivanwendungen
Optischer Sensor zur Steuerung intelligenter Heckleuchten
Sichtweite und Abstandslidar
LIDAR-Sensor
• Laserdistanzmesser zur Bewertung der Sichttrübung
durch Nebel, Regen, Schnee usw. bis 20m hinter dem
Fahrzeug
• Abstandsmessung zu nachfolgenden Fahrzeugen
Messreichweite 150m
• Berechnung der Sichtweite bis zu 500m (Nebelsensor)
• Messwert steuert die Helligkeit der Heckleuchten mit
weiteren Umwelt- und Fahrzeugsensoren.
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Puls-Akkumulation-Laufzeitmessung in Automotivanwendungen
Rohdatenkurve
vom Messmodul
Impulslaufzeitmessung durch
Positionsbestimmung der Echos im
Signalverlauf
Unterscheidung zwischen Sichtbeeinträchtigungen (Softtargets) und Abstand zu
Objekten (Hardtargets).
Hauptunterscheidungsmerkmal ist
Rückflanke
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Minimal zu detektierende Pulsleistung
Einzelpulsverfahren gegenüber Akkumulationsverfahren
Imin
... minimal detektierbarer Strom
iRausch ... Gesamtrauschstrom (Wurzel aus Summe
der Einzelquadrate: thermisches, Quanten- und
Dunkelstromrauschen)
S
... Detektorempfindlichkeit (0,6 A/W für Si)
M
...
Verstärkungsfaktor APD
SNRmin ...
minimal benötigter optischer (!)
Signal-Rausch-Abstand zur Pulsdetektion
B
...
3-dB-Bandbreite des
Analogverstärkers
Einzelpulsauswertung (Schwellwertanalyse)
Akkumulationsverfahren
35 pW entsprechen @ 905 nm Wellenlänge 3 Photonen je 20 ns [Puls]!
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Ausblick auf die weitere Entwicklung
der Lasersensoren mit Licht-Laufzeitmessung
• Automobileinsatz sorgt für weitere Preissenkungen bei Pulsdioden für 905nm (<5€)
• höherer Integrationsgrad – Zeitmessschaltkreise kombiniert mit DSP und Speicher;
Einsatz von Microoptik für Beamshaper - Geräte werden kleiner, leichter, teilw.
billiger.
• Nanostacklaserdioden auch als 1550nm Bauelemente (Augensicherheit).
Preissenkungen bei 1550nm wegen größerer Verbreitung im Defence- und
Securitybereich, auch Automobil. Evtl. für PMD-Technik.
• Bei Phasenmessung ist „Baumarktpreis“ bald erreicht. Massenanwendung als
Zusatzfunktion für Profi-Handwerkzeuge (Bohrmaschine...?) wird dann möglich.
• PMD-Technologie wird weiter ausgebaut und hält in Industrie und Automobil
Einzug.
• Multibeamtechnik mit Laserdiodenarrays kombiniert mit Microscanneranwendung.
• Neue Auswerteverfahren durch noch billiger verfügbare Mikrorechnertechnik, und
optoelektr. Bauelemente.
• Erweiterung der Scannertechniken
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
Name des Referenten: Jörg Apitz
Goeschwitzer Strasse 25
D-07745 Jena
Tel.: + 49 3641 65 3046
Fax: + 49 3641 65 3573
[email protected]
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