Abstandsmessung (optisch)

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Eine Laserpistole wendet die optische Abstandsmessung an.

Die optische Abstandsmessung, auch Laserentfernungsmessung genannt, ist eine elektronische Entfernungsmessung anhand Laufzeitmessung, der Phasenlagemessung oder Lasertriangulation von Licht, meistens Laser.

Weitere aktive und passive optische Abstandsmessverfahren sind u. a. das Lichtschnittverfahren und die Triangulation auf dem Gebiet der Geodäsie bzw. Vermessung.

Die Lasertriangulation und das Laserinterferometer eignen sich bevorzugt für kurze Entfernungen (einige Mikrometer bis 100 Meter), die Laufzeitverfahren dagegen eher für große Entfernungen (ein Meter bis 1011 Meter).

Laufzeitmessung[Bearbeiten]

Laser-Entfernungsmesser; Erkennbar die Öffnung für die Laserdiode und darüber den optischen Empfangssensor

Bei der Laufzeitmessung wird ein zeitlicher Lichtpuls ausgesandt. Die Pulslaufzeit ist die Zeit, die der Lichtstrahl braucht, um zur Quelle reflektiert zu werden. Durch Messen dieser Laufzeit \Delta t kann man über die Lichtgeschwindigkeit die Distanz l zwischen Quelle und Objekt ermitteln. Der Faktor 0,5 trägt dem Umstand Rechnung, dass das Licht die Entfernung zum Objekt hin und zurück durchlaufen muss. Die Lichtgeschwindigkeit wird durch das umgebende Medium mit der Brechkraft/Brechzahl n reduziert.


 l = \frac{c \cdot\Delta t}{2 \cdot n}

Der Vorteil dieses Verfahrens ist die geringe Reaktionszeit. Das Verfahren hat Messbereiche von einem Meter bis mehrere 10 Kilometer. Der Nachteil ist die erforderliche Messung sehr kurzer Zeiten (Nano- bis Picosekunden), es ist daher schwierig, eine höhere Auflösung als einige Zentimeter zu erreichen.

Um die Anforderung an die Zeitmessung zu verringern, werden Verfahren eingesetzt, bei denen der Laserstrahl selbst frequenzmoduliert oder mit einem hochfrequenten Signal moduliert wird.

Dieses Verfahren verwendet der Lidar, die Satelliten-Distanzmessung, TOF-Kamera, PMD-Sensor.

Messung über die Phasenlage[Bearbeiten]

Die Phasenverschiebung des reflektierten Laserstrahls oder dessen Modulation gegenüber dem ausgesandten Strahl ist entfernungsabhängig. Diese Phasenverschiebung kann gemessen und benutzt werden, um die zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Wird die Laserfrequenz selbst zur Überlagerung genutzt, arbeitet das Gerät wie ein Laserinterferometer. Laserinterferometer messen keine absoluten Weglängen sondern nur die relative Änderung bei Verschiebung des Zieles bzw. eines Referenzspiegels. Beim Verschieben des Spiegels wird die Summe aus ausgesandtem und reflektiertem Strahl periodisch moduliert (Interferenz). Es durchläuft bei der Verschiebung um eine halbe Lichtwellenlänge genau eine Periode. Zählt man die Durchgänge und multipliziert sie mit der Lichtwellenlänge, erhält man die gesuchte Wegstrecke. Mit einer genaueren Auswertung des Signals erreicht man Genauigkeiten von etwa 1/100 Wellenlänge, das sind bei sichtbarem Licht wenige Nanometer. Die Lichtwellenlänge ist allerdings abhängig vom Brechungsindex der Luft und verändert sich mit Temperatur, Druck und Feuchtigkeit. Für genaue Messungen muss der Zählwert der Lichtwellenlängen mit diesen Eigenschaften der Luft korrigiert werden (Luftdichtekorrektion).

Bei größeren Entfernungen arbeitet man mit einer Hochfrequenzmodulation der Laseramplitude und wertet nicht die Laserwellenlänge, sondern die Phasenlage dieser aufmodulierten Hochfrequenzsignale aus. Wenn man annimmt, dass der ausgesandte Strahl mit einer Frequenz f = 1/T moduliert wurde, so erhält man folgende Grafik:

PhasenModulation.JPG

Die Phasendifferenz erhält man durch die Gleichung:

\phi = \frac{\Delta t}{T} \cdot 2\pi

Die Distanz kann mit

s_{n} = \frac{c \cdot T}{4 \pi} \cdot (\phi + 2\pi \cdot n)

errechnet werden.

Der Vorteil dieser Methoden ist die gegenüber Laufzeitverfahren höhere Auflösung, die mit geringerem messtechnischen Aufwand zu realisieren ist. Die Messentfernung ist jedoch – aufgrund des notwendigerweise kontinuierlich bei kleiner Leistung arbeitenden Lasers – geringer.

Ein weiteres Problem ist die fehlende Eindeutigkeit der Signale bei Entfernungen eines Vielfachen der halben Laser- bzw. Modulationswellenlänge.

Erreichen einer Absolutmessung[Bearbeiten]

Die Mehrdeutigkeit interferometrischer Verfahren kann mit Hilfe einer Frequenzmodulation des Lasers oder dessen Hochfrequenz-Modulationssignales umgangen werden. Man führt dadurch in die Phasenmessung eine Laufzeitkomponente ein. Durch eine niedrigere Frequenz (= längere Periodendauer) erhält man eine größere Distanz eines eindeutigen Ergebnisses, jedoch eine geringere Auflösung. Zum Prinzip siehe auch bei FMCW-Radar. Verfahren mit HF-moduliertem Laser erreichen maximale Messentfernungen von ungefähr 200 Metern.

Zwei Methoden, um eine absolute Entfernungsmessung durch Messung der Phasenlage zu erreichen:

Methode 1

Kontinuierliche Frequenzmodulation (Funktion wie ein FM-Radar); vergleicht man nun das ursprüngliche mit dem reflektierten Signal, besteht zwischen beiden ein Frequenzunterschied. Dieser Unterschied ist proportional zur Distanz.

Interferometrie.JPG

Unter Berücksichtigung der Phasendifferenz :

L = \Delta \phi \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\lambda_{1} \cdot \lambda_{2}}{\mid \lambda_{1}- \lambda_{2} \mid}

Allerdings ist es nicht möglich, die Wellenlänge des Lasers exakt zu steuern. Daher muss seine Wellenlänge als Referenz benutzt werden.

L = L_\mathrm{ref} \cdot \frac{\Delta \phi}{\Delta \phi_\mathrm{ref}}

Bei direkter Frequenzmodulation des Lasers werden Auflösungen um 1 Mikrometer erreicht. Jedoch erhält man mit herkömmlichen Lasern eine maximale Mess-Distanz um 1 Meter.

Methode 2

Um die Unbestimmtheit einer relativen interferometrischen Messung zu beseitigen, wird bei zwei oder mehreren diskreten Frequenzen die Phasenlage gemessen. Die Frequenzen können wiederum die Laserfrequenz selbst (verschiedene Laser, bei kleinsten Entfernungen) oder Modulationsfrequenzen ein und desselben Lasers sein (Frequenzen müssen zu Entfernungen und Messbereich passen).

Lasertriangulation[Bearbeiten]

Prinzip der Lasertriangulation

Bei der Lasertriangulation wird ein Laserstrahl (bei geringen Anforderungen auch die Strahlung einer Leuchtdiode) auf das Messobjekt fokussiert und mit einer daneben im Sensor befindlichen Kamera, einer ortsauflösenden Photodiode oder einer CCD-Zeile beobachtet. Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Sensor, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes vom Laserprojektor berechnet.

Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Aus dieser Bildposition wird die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet.

Ein Vorteil der Triangulation ist der Umstand, dass es sich um rein trigonometrische Zusammenhänge handelt. Die Messung kann darum kontinuierlich erfolgen und eignet sich damit gut zur Abstandsmessung an bewegten Objekten. Um die Fremdlichtempfindlichkeit und den Einfluss inhomogen reflektierender Oberflächen zu senken, muss der Messpunkt möglichst klein und hell sein. Oft arbeiten solche Sensoren auch im Impulsbetrieb.

Das Verfahren ist nur für geringe Entfernungen geeignet, da dessen Empfindlichkeit in der vierten Potenz (Zweiwegdämpfung) mit dem Abstand zwischen Sender und Empfänger abfällt. Laser und Fotoempfänger sind meist zusammen in einem Gehäuse untergebracht.

Relation triangulation.JPG

Das obige Schema verdeutlicht die Relationen zwischen den verschiedenen Distanzen. Mit Hilfe der Trigonometrie ist es möglich die Distanz x - x_0 aus der gemessenen Distanz x'-x_0' zu ermitteln:

\tan \delta = \frac{x'-x_{0}'}{f}  \to \tan \alpha = \frac{x_{0}}{D}


 x = D \cdot \tan(\alpha + \delta) = D \cdot \frac{\tan \alpha + \tan \delta}{1 - \tan \alpha \cdot \tan \delta}

x = D \cdot \frac{\frac{x_{0}}{D} + \frac{x' - x_{0}'}{f}}{1 - \frac{x_{0}}{D} \cdot \frac{x' - x_{0}'}{f}}

Zusammenfassung[Bearbeiten]

Messbereich Kommentar
Laufzeitmessung 1 m - mehrere km kurze Reaktionszeit, kein Aperturwinkel
Phasenmodulation frequenzabhängig max. 200 m niedrige Fabrikationskosten
Interferometrie 10 nm - 20 m höhere Kosten, hohe Auflösung
Triangulation 1 µm - 100 m abhängig von Oberfläche, kostengünstig, robust

Messgeräte[Bearbeiten]

In der Geodäsie heißen die Entfernungsmessgeräte die nach dem Prinzip der Laufzeitmessung oder Phasenmodulation arbeiten Tachymeter oder Distanzer.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]