SENSOR OPTOELECTRÓNICO Y PROCEDIMIENTO PARA MEDIR DISTANCIAS SEGÚN EL PRINCIPIO DEL TIEMPO DE PROPAGACIÓN DE LA LUZ.

Sensor optoelectrónico (10) para medir distancias o variaciones de distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz,

que comprende un emisor de luz (12) para emitir una señal luminosa y un receptor de luz (16) para recibir la señal luminosa remitida o reflejada, estando prevista una unidad de evaluación (18) que está concebida para desencadenar en cada periodo de medida (100), en un instante de emisión, la emisión de una señal luminosa y para explorar la señal luminosa recibida, así como para acumular a lo largo de un gran número de periodos de medida (100) un histograma (110) de señales luminosas recibidas de esta manera a fin de determinar a partir del histograma (110) el instante de recepción y, a partir de éste, el tiempo de propagación de la luz, estando prevista una unidad (40) de ajuste fino del tiempo de emisión que está concebida para desplazar el respectivo instante de emisión dentro de los periodos de medida (100) en la cuantía de un decalaje respectivo con respecto a un instante de referencia, y formando los decalajes una distribución (56, 60) cuyo centro de gravedad forma una instante de emisión pretendido, estando concebida la unidad de evaluación (18) para digitalizar la señal luminosa recibida sobre una respectiva trama de exploración (108) con un periodo de exploración y para poder elegir el instante de emisión solamente en instantes discretos con una exactitud prefijada por el más pequeño tiempo de cadencia que pueda generarse, caracterizado porque el instante de emisión pretendido puede elegirse fuera de la trama de exploración (108), es decir, entre los instantes discretos y, por tanto, en instantes distintos de los instantes discretos, a cuyo fin se prefija un gran número de distribuciones cuyo respectivo centro de gravedad se desplaza crecientemente en la cuantía de incrementos de tiempo con respecto al instante de referencia, no estando ligados los incrementos de tiempo al instante discreto

Sensor optoelectrónico y procedimiento para medir distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz.

La invención concierne a un sensor optoelectrónico y a un procedimiento para medir distancias o variaciones de distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz, de acuerdo con el preámbulo las reivindicaciones 1 y 8, respectivamente.

Con sensores optoelectrónicos se puede determinar la distancia de objetos con arreglo al principio conocido del procedimiento del tiempo de propagación de la luz. En un procedimiento del tiempo de propagación de impulsos se emite para ello un corto impulso luminoso y se mide el tiempo hasta la recepción de una remisión o reflexión del impulso luminoso. Como alternativa, en un procedimiento de fase se modula en amplitud una luz de emisión y se determina un desplazamiento de fase entre la luz de emisión y la luz de recepción, siendo también el desplazamiento de fase una medida del tiempo de propagación de la luz. Debido a condiciones de protección de los ojos, los procedimientos de modulación de fase citados en último lugar son menos adecuados precisamente para objetivos poco remitentes a causa de los grandes tiempos de integración necesarios. En el procedimiento de impulsos se puede utilizar provechosamente la potencia integral en el sentido de que se pueden emitir cortos impulsos con alta densidad de energía y se mejora así la relación señal-ruido para cada tiro individual.

La medición de distancias puede ser necesaria, por ejemplo, en el campo de la seguridad de vehículos, la automatización de la logística o las fábricas o la técnica de seguridad. Particularmente, un telémetro que se base en un rayo de luz reflejado puede reaccionar a una variación de la distancia del reflector o del objetivo reflectante o remitente. Una aplicación especial es una barrera óptica de reflexión en la que se vigila la distancia entre un emisor de luz y un reflector. El procedimiento del tiempo de propagación de la luz es también el principio según el cual trabajan los escáneres de láser medidores de distancia cuyo rayo móvil mide una línea o incluso una superficie.

Si la resolución de la telemetría debe alcanzar una precisión en el rango de algunas decenas de milímetros, el tiempo de propagación de la luz tiene que ser determinado entonces exactamente dentro de un orden de magnitud de centenares de picosegundos. Para conseguir una resolución de distancia de un milímetro, se tienen que captar seis picosegundos por vía metrotécnica. Esta precisión se puede materializar con sistemas convencionales solamente con una electrónica muy costosa.

Los módulos más baratos, tales como los FPGAs (Field Programmable Gate Array = agrupación ordenada de puertas programables de campo) y otros módulos lógicos digitales programables, tienen típicamente frecuencias de trabajo en el rango de algunos centenares de MHz. Se pueden resolver así nanosegundos, pero no picosegundos.

La exploración de la señal de recepción para determinar el instante de recepción en módulos digitales depende siempre de una trama de tiempo discreta y la resolución temporal está limitada a la de la trama de tiempo. Es conocido mejorar en el lado de recepción la resolución por medio de interpolación. Sin embargo, esto requiere nuevamente un alto coste para la adecuación funcional que sirve de base a la interpolación. Además, la precisión de una interpolación es también limitada.

Por el contrario, los instantes de emisión pueden elegirse solamente con la precisión que proporciona la electrónica, es decir que, en último término, dependen del tiempo de cadencia más pequeño que puede generar el sistema de activación. Por tanto, no es posible una precisión en el rango de picosegundos o incluso fracciones de picosegundos.

Se conoce por el documento EP 1 972 961 A2 un sensor optoelectrónico para medir una distancia o una variación de distancia. Para cada medición se emite un gran número de impulsos luminosos individuales con un retardo de emisión definido y se forma un histograma a partir de las señales de recepción correspondientes para derivar del mismo el tiempo de propagación de la luz. Los retardos de emisión definidos presentan en una forma de realización unas desviaciones iguales al retardo definido para corresponder solamente en valor medio al retardo definido y para promediar así un comportamiento no lineal del circuito de retardo que proporciona el retardo de emisión.

Se conoce por el documento DE 10 2005 021 358 A1 un procedimiento de medida del tiempo de propagación para obtener la distancia. En este caso, los instantes de emisión se derivan de dos frecuencias prefijadas con ayuda de un NCO (oscilador numéricamente controlado) o por medio de una frecuencia intermedia.

El documento DE 10 2006 048 697 A1 describe la generación de una señal con fase prefijada en un módulo programable, así como un telémetro con un módulo de esta clase.

Por tanto, el problema de la invención consiste en indicar una posibilidad de medición de distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz con una mayor precisión temporal.

Este problema se resuelve por medio de un sensor optoelectrónico según la reivindicación 1 y por medio de un procedimiento para medir distancias o variaciones de distancias según la reivindicación 8.

La solución según la invención parte de la idea de no refinar la trama de tiempo discreta, sino incrementar la resolución temporal, a pesar de una trama de tiempo existente, hasta más allá de la resolución de ésta. En este caso, una trama de tiempo lo más fina posible forma una posición de partida especialmente buena. La posición temporal de las señales luminosas emitidas no es mejorada entonces ciertamente para el tiro individual con respecto a la trama de tiempo, pero sí se mejora muchísimo para un grupo de tiros individuales. El instante de emisión pretendido, es decir, en último término, la fase del grupo de tiros individuales, se consigue a través de recuentos de segmentos de señal y así expresamente a través de un centro de gravedad ajustado por medio de información de amplitud estadística. A su vez, los grados de libertad para la posición del centro de gravedad son en principio ilimitados, ya que dependen solamente del número de repeticiones, es decir, de la multitud de periodos de medida. Se compensa así la precisión temporal con tiempo de reacción, que no tiene cometido alguno para la mayoría de las aplicaciones, puesto que se efectúa ya un número suficiente de repeticiones en un tiempo muy corto, de modo que el intervalo de vigilancia o la diana pueden seguirse considerando como casi estáticos. Por tanto, se han superado límites técnicos impuestos al ajuste del instante de emisión real de cada señal luminosa individual.

Con esto se liga la ventaja de que el instante de emisión operativo puede elegirse con prácticamente con cualquier exactitud que se desee. Se obtiene un sistema barato con una altísima exactitud de medida.

Es de subrayar a este respecto que los instantes de emisión no han de entenderse en ningún caso como absolutos, sino como relativos al instante de recepción. Por tanto, es enteramente posible considerar la situación desde otra perspectiva y hablar en cada caso de instantes de recepción desplazados o de un ajuste fino del instante de recepción. Esto no se diferencia lingüísticamente en lo que sigue ni en las reivindicaciones. En particular, el intervalo entre instante de emisión y instante de recepción puede ser desplazado en cada caso temporalmente como un todo sin que ello tenga repercusiones sobre el resultado de medida. En consecuencia, con retardo del tiempo de emisión no se quiere dar a entender un desplazamiento común de esta clase del instante de emisión y el instante de recepción, sino que éste puede producirse siempre adicionalmente como una opción. Análogamente, con términos tales como decalaje o retardo de tiempo de emisión quedan abarcados desplazamientos sobre el eje de tiempo tanto en dirección positiva como en dirección negativa.

La unidad de evaluación está concebida preferiblemente para digitalizar la señal luminosa recibida sobre una respectiva trama de exploración con un periodo de exploración y para poder elegir el instante de emisión solamente en instantes discretos, pudiendo elegirse el instante de emisión pretendido fuera de la trama de exploración y en instantes distintos de los instantes discretos. Por tanto, los...

1. Sensor optoelectrónico (10) para medir distancias o variaciones de distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz, que comprende un emisor de luz (12) para emitir una señal luminosa y un receptor de luz (16) para recibir la señal luminosa remitida o reflejada, estando prevista una unidad de evaluación (18) que está concebida para desencadenar en cada periodo de medida (100), en un instante de emisión, la emisión de una señal luminosa y para explorar la señal luminosa recibida, así como para acumular a lo largo de un gran número de periodos de medida (100) un histograma (110) de señales luminosas recibidas de esta manera a fin de determinar a partir del histograma (110) el instante de recepción y, a partir de éste, el tiempo de propagación de la luz, estando prevista una unidad (40) de ajuste fino del tiempo de emisión que está concebida para desplazar el respectivo instante de emisión dentro de los periodos de medida (100) en la cuantía de un decalaje respectivo con respecto a un instante de referencia, y formando los decalajes una distribución (56, 60) cuyo centro de gravedad forma una instante de emisión pretendido, estando concebida la unidad de evaluación (18) para digitalizar la señal luminosa recibida sobre una respectiva trama de exploración (108) con un periodo de exploración y para poder elegir el instante de emisión solamente en instantes discretos con una exactitud prefijada por el más pequeño tiempo de cadencia que pueda generarse, caracterizado porque el instante de emisión pretendido puede elegirse fuera de la trama de exploración (108), es decir, entre los instantes discretos y, por tanto, en instantes distintos de los instantes discretos, a cuyo fin se prefija un gran número de distribuciones cuyo respectivo centro de gravedad se desplaza crecientemente en la cuantía de incrementos de tiempo con respecto al instante de referencia, no estando ligados los incrementos de tiempo al instante discreto.

2. Sensor (10) según la reivindicación 1, en el que el instante de emisión pretendido puede elegirse con una alta exactitud temporal de menos de diez picosegundos o incluso menos de un picosegundo.

3. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la distribución (56, 60) de los decalajes es unimodal, estando ésta prefijada especialmente según una función triangular, parabólica o gaussiana.

4. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que está prevista una memoria en la que está archivada para la unidad (40) de ajuste fino del tiempo de emisión una tabla que contiene, para un gran número de incrementos de tiempo, una distribución de decalajes correspondiente, especialmente una respectiva distribución de decalajes para incrementos de tiempo distribuidos uniformemente sobre un periodo de tiempo y/o sobre el intervalo de tiempo entre dos instantes discretos.

5. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que está prevista una unidad (46) de determinación de nivel que está concebida para utilizar la señal de recepción (82) registrada de manera acumulada en el histograma (110) como medida del nivel, especialmente por formación de la suma total sobre los segmentos de señal (84) después de que previamente se haya retirado el nivel de ruido de cada segmento de señal (84).

6. Sensor (10) según la reivindicación 5, en el que la unidad de evaluación (18) está concebida para realizar una corrección de distancia que compense un desplazamiento dependiente de la remisión a consecuencia de la medición del nivel.

7. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de evaluación (18) está concebida para realizar una codificación temporal (46, 48) en la que los instantes de emisión sean solicitados con un decalaje de codificación adicional y éste sea retirado nuevamente para realizar la evaluación, especialmente por medio de un mezclado aleatorizado o determinado de la distribución o mediante un desplazamiento adicional del centro de gravedad.

8. Procedimiento para medir distancias o variaciones de distancias según el principio del tiempo de propagación de la luz, en el que se emite una señal luminosa y se recibe la señal luminosa remitida o reflejada, en el que se desencadena en un respectivo periodo de medida (100), en un instante de emisión, la emisión de una señal luminosa y se explora la señal luminosa recibida, así como se acumula a lo largo de un gran número de periodos de medida (100) un histograma (110) de señales luminosas recibidas de esta manera para determinar a partir del histograma (110) el instante de recepción y, a partir de éste, el tiempo de propagación de la luz, en el que se ajusta finamente el tiempo de emisión desplazando para ello el respectivo instante de emisión dentro del periodo de medida (100) en la cuantía de un respectivo decalaje con relación a un instante de referencia, en el que los decalajes forman una distribución (56, 60) cuyo centro de gravedad forma un instante de emisión pretendido, y en el que se digitaliza la señal luminosa recibida sobre una respectiva trama de exploración (108) con un periodo de exploración y se emiten señales luminosas solamente en instantes discretos con una exactitud prefijada por el más pequeño tiempo de cadencia que se puede generar, caracterizado porque el instante de emisión pretendido está, al menos en una parte de los periodos de medida (100), fuera de la trama de exploración (108), es decir que está entre los instantes discretos y, por tanto, en instantes distintos de los instantes discretos, a cuyo fin se prefija un gran número de distribuciones cuyo respectivo centro de gravedad se desplaza crecientemente en la cuantía de incrementos de tiempo con respecto al instante de referencia, no estando ligados los incrementos de tiempo al instante discreto.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que se emplea para los instantes de emisión pretendidos una respectiva distribución de decalajes predefinida para el incremento de tiempo deseado.

10. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9, en el que la distribución (56, 60) se prefija según una distribución unimodal, tal como una función triangular, parabólica o gaussiana.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que se determina como medida del nivel la superficie del impulso de recepción registrado de manera acumulada en el histograma (108), especialmente por formación de la suma total sobre los segmentos de señal (84) una vez que previamente se haya retirado un nivel de ruido de cada segmento de señal (84), en el que el nivel ruido es el valor medio sobre todos los segmentos de señal (84) y en el que se realiza una corrección de distancia que compensa el desplazamiento negro-blanco a consecuencia de la medición del nivel.

12. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que se realiza una codificación temporal (46, 48) en la que se solicitan los instantes de emisión con un decalaje de codificación adicional y se retira éste nuevamente para efectuar la evaluación, especialmente por mezclado aleatorizado o determinado de la distribución o mediante un desplazamiento adicional del centro de gravedad.