3. Leibniz-Konferenz LIFIS Lasersensoren für Verkehrstechnik, Kfz und industrielle Anlagen

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Teresa Vogt
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1 3. Leibniz-Konferenz LIFIS Lasersensoren für Verkehrstechnik, Kfz und industrielle Anlagen Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH, Jena Jörg Apitz

2 Lasersensoren für Verkehrstechnik, Kraftfahrzeuge und industrielle Anlagen 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 2

3 Lasersensoren für Freiraummessung Große Entfernungen ohne kooperative Ziele. Ausgewählte Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung Einzelpulsmessung Akkumulation Phasenvergleich Licht durchläuft Distanz Erde - Mond km in 1,3 s Laser-Distanzmessung 1 mm = Zeitmessung 0, s 3

4 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 Interface 345,60 m Laserquelle Start-Refer.diode Stop-Fotodiode Display Einzelpuls-Laufzeitmessung für schnelle und genaue Distanz- oder Geschwindigkeitsmessungen. P d =½ c t t start Laufzeit t stop t 4

5 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung LIDAR-Gleichung P 9... Empfangene Leistung auf APD η 3... Sendereffizienz η 7... Empfängereffizienz K... Koschmiedersche Leuchtdichte-Kontrastschwelle V... N Normsichtweite λ... Wellenlänge q... Fit-Parameter q = 1,3 für 6 km < V N < 50 km l... Entfernung R 5... Albedo (diffuses Reflexionsvermögen) r... 7 Radius Empfängerlinse P... 1 ausgesandte Leistung aus Laserdiode 5

6 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung 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

7 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung 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 Prozessor Interface Display 58,943 m Laserdiode Refer.diode Fotodiode Display Modulationsfrequenzen f1 bis f5 ergeben Phasenverschiebungen ϕ1 bis ϕ5 und bestimmen die Eindeutigkeit der Distanzmessung. ϕ1 ϕ ϕn Phasenvergleich-Licht-Laufzeitmessung für mm-genaue Distanzmessung, mit oder ohne zusätzlichem Reflektor. 7

8 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung Phasenvergeich-Laufzeitmessung Applikationsbeispiele 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

9 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung Puls-Akkumulation-Laufzeitmessung Pulstreiber FD-Verstärker AD-Wandler + Ereignisspeicher Prozessor Interface 1345,6 m Laserdiode Fotodiode Display Schnelle AD-Wandlung des Fotoempfängersignals und Akkumulation vieler Signalantworten in zeitzugeordneten Speicherplätzen. P Kriterium Softtarget Kriterium Hardtarget Hohe Empfindlichkeit und Reichweite. Lidarsysteme mit Multitargetdetektion Distanz Hardtarget 9

10 Signalauswerteverfahren für Licht-Laufzeitmessung Puls-Akkumulation-Laufzeitmessung Applikationsbeispiele 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

11 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. 11

12 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 12

13 Minimal zu detektierende Pulsleistung Einzelpulsverfahren gegenüber Akkumulationsverfahren I min... minimal detektierbarer Strom i Rausch... Gesamtrauschstrom (Wurzel aus Summe der Einzelquadrate: thermisches, Quanten- und Dunkelstromrauschen) S... Detektorempfindlichkeit (0,6 A/W für Si) M... Verstärkungsfaktor APD SNR min... minimal benötigter optischer (!) Signal-Rausch-Abstand zur Pulsdetektion B... 3-dB-Bandbreite des Analogverstärkers Einzelpulsauswertung (Schwellwertanalyse) Akkumulationsverfahren 35 pw 905 nm Wellenlänge 3 Photonen je 20 ns [Puls]! 13

14 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 14

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Name des Referenten: Jörg Apitz Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH Goeschwitzer Strasse 25 D Jena Tel.: Fax: joerg.apitz@jenoptik.com 15

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