SENSOR OPTOELECTRÓNICO Y PROCEDIMIENTO PARA MEDIR DISTANCIAS SEGÚN EL PRINCIPIO DEL TIEMPO DE PROPAGACION 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, en el que está prevista una unidad de evaluación (18) que está concebida para fijar el instante de emisión para la señal luminosa con relación a un instante de referencia y para digitalizar la señal luminosa recibida sobre una trama de exploración (108) con un periodo de exploración a fin de obtener el instante de recepción de la señal luminosa, y en el que está prevista una unidad de base de tiempo (38) por medio de la cual se puede desplazar el instante de emisión con relación a la trama de exploración (108) con una exactitud temporal por debajo del periodo de exploración, es decir, sobre una trama de tiempo con una resolución temporal más fina que la de la trama de exploración, caracterizado porque la unidad de base de tiempo (38) está concebida para hacer que este desplazamiento temporal del instante de emisión sea derivado de una primera cadencia de tiempo con una primera frecuencia (f1) y una segunda cadencia de tiempo con una segunda frecuencia (f2) distinta de la primera frecuencia (f1) y para proporcionar desplazamientos temporales de cualquier índole con una resolución temporal dada por el periodo de diferencia perteneciente a las frecuencias primera y segunda (f1, f2), a cuyo fin la unidad de base de tiempo (38) selecciona y desacopla una parejita de un mº periodo de la primera frecuencia y un nº periodo de la segunda frecuencia

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 de 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.

Por tanto, para una alta precisión temporal es necesario conseguir exactitudes por debajo de estas frecuencias de trabajo. Dado que para una medición del tiempo de propagación de la luz es importante la posición relativa y no la posición absoluta entre el instante de emisión y la exploración de la señal de recepción, se puede conseguir una resolución más alta por desplazamiento del instante de emisión o del instante de recepción.

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 a partir de las señales de recepción correspondiente un histograma para derivar de éste el tiempo de propagación de la luz. Los retardos de emisión definidos se generan, por ejemplo, con una DDS.

Se conoce por el documento DE 10 2005 021 358 A1 un procedimiento de medición del tiempo de propagación para obtener la distancia. En este caso, se emite periódicamente una señal de emisión con una frecuencia de repetición de impulsos y se la transforma por una señal de exploración generada con una frecuencia de exploración en una señal de frecuencia intermedia dilatada en tiempo. La señal de medida se filtra con un filtro pasabanda de alta calidad. En lugar de elegir un filtro pasabanda con una frecuencia central adaptada a la frecuencia intermedia, el documento DE 10 2005 021 358 A1 prevé lo contrario, es decir, prevé adaptar la frecuencia intermedia al filtro pasabanda variando para ello, especialmente de manera iterativa, la frecuencia de repetición de impulsos, y/o la frecuencia de exploración. En una forma de realización se han previsto osciladores digitales de cadencia de emisión y de cadencia de exploración que, como un bucle bloqueado en fase, derivan de una frecuencia de comparación altamente constante la frecuencia estable deseada por medio de un divisor ajustable.

Se conoce por el documento DE 10 2006 048 697 A1 un sensor según el principio del tiempo de propagación de la luz, en el que los instantes de emisión con relación al instante de recepción pueden elegirse por medio de una implementación especial de una síntesis digital directa (DDS). Sin embargo, se pone aquí de manifiesto que la resolución teórica de las posiciones de fase no siempre se alcanza en la práctica. Los módulos DDS que se pueden obtener en el mercado y que proporcionan posiciones de fase en el intervalo de resolución deseado son simplemente demasiado caros para muchas aplicaciones.

Se conoce por la solicitud EP aún no publicada del mismo solicitante con el número de expediente 08101432.6 el recurso de aumentar la tasa de exploración por medio de líneas de conducción paralelas, retardando cada línea de conducción la señal en una cuantía igual a una fracción creciente del periodo de exploración, de modo que en cada periodo de exploración se genere un número de puntos de muestreo correspondiente al número de líneas de conducción. Para compensar una variación cíclica de las líneas de retardo se imprime un retardo adicional al impulso de recepción, de modo que casi se permutan cíclicamente entre ellos los retardos de las líneas de retado. Este retardo adicional se genera recorriendo dos frecuencias, por ejemplo en la relación de 7 a 8, que se desplazan una respecto de otra con cada periodo de exploración adicional en una cuantía igual a un múltiplo adicional de un periodo de diferencia. Sin embargo, con este procedimiento no es posible fijar un instante de emisión con el periodo de diferencia, ya que las dos frecuencias solo recorren y, por tanto, ponen a disposición en un instante dado el decalaje que justamente se aplica y no un decalaje deseado. El procedimiento conocido no tiene tampoco el objetivo de ajustar un decalaje deseado, sino que, por el contrario, está obligado a recorrer uniformemente los decalajes, puesto que solamente entonces se promedia la variación cíclica.

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

Este problema se resuelve con un sensor optoelectrónico según la reivindicación 1 y un procedimiento de medida de distancias o variaciones de distancias según la reivindicación 8.

La solución según la invención parte de la idea de aprovechar los periodos de diferencia de dos frecuencias ligeramente diferentes. Como quiera que se contabiliza el periodo en que coinciden cada vez las dos frecuencias, se pueden desacoplar así intervalos de tiempo cuya exactitud viene dada por el periodo de diferencia.

Es importante hacer notar que la resolución no es necesariamente igual al periodo de diferencia. Esto es lo que ocurre para una relación de las dos frecuencias de n/(n+1), y esta relación es también preferible. El ejemplo de otros números de divisor extraño, tal como, por ejemplo 3/8, muestra que la frecuencia diferencia 5 fija ciertamente la exactitud, pero no es idéntica a ella, puesto que también en este sistema el decalaje mínimo posible es 1. Los decalajes no aumentan de forma monótona con el tiempo, pero, después de una clasificación, todos los decalajes necesarios están presentes exactamente igual que en el caso más claro n/(n+1). Gracias a esta consideración se han acortado las unidades y no se varía la idea cuando se multiplica cada número por una frecuencia base común, por ejemplo de 10 MHz.

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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, en el que está prevista una unidad de evaluación (18) que está concebida para fijar el instante de emisión para la señal luminosa con relación a un instante de referencia y para digitalizar la señal luminosa recibida sobre una trama de exploración (108) con un periodo de exploración a fin de obtener el instante de recepción de la señal luminosa, y en el que está prevista una unidad de base de tiempo (38) por medio de la cual se puede desplazar el instante de emisión con relación a la trama de exploración (108) con una exactitud temporal por debajo del periodo de exploración, es decir, sobre una trama de tiempo con una resolución temporal más fina que la de la trama de exploración, caracterizado porque la unidad de base de tiempo (38) está concebida para hacer que este desplazamiento temporal del instante de emisión sea derivado de una primera cadencia de tiempo con una primera frecuencia (f1) y una segunda cadencia de tiempo con una segunda frecuencia (f2) distinta de la primera frecuencia (f1) y para proporcionar desplazamientos temporales de cualquier índole con una resolución temporal dada por el periodo de diferencia perteneciente a las frecuencias primera y segunda (f1, f2), a cuyo fin la unidad de base de tiempo (38) selecciona y desacopla una parejita de un mº periodo de la primera frecuencia y un nº periodo de la segunda frecuencia.

2. Sensor (10) según la reivindicación 1, en el que la unidad de base de tiempo (38) está concebida para derivar la primera frecuencia (f1) y la segunda frecuencia (f2) a partir de una cadencia maestra (50) que determina también el instante de referencia, y para sincronizar regularmente la primera frecuencia (f1) y la segunda frecuencia (f2) sobre la cadencia maestra (50).

3. Sensor (10) según la reivindicación 2, en el que la unidad de base de tiempo (38) presenta un primer PLL (52) con un primer divisor de la cadencia maestra (50) para la primera frecuencia (f1) y un segundo PLL (54) con un segundo divisor de la cadencia maestra (50) para la segunda frecuencia (f2), y en el que especialmente el primer divisor y el segundo divisor se han elegido de modo que se origine un periodo de diferencia lo más pequeño posible en el rango de algunos centenares, algunas decenas o algunos picosegundos.

4. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de evaluación (18) y/o la unidad de base de tiempo (38) están implementadas sobre un módulo lógico digital, especialmente un FPGA, un PLD, un DSP o un ASIC.

5. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de base de tiempo (38) presenta un primer contador y un segundo contador para contar los periodos completos de las frecuencias primera y segunda (f1, f2), respectivamente, en el que los contadores presentan unos registros de desplazamiento especialmente activados y en el que la unidad de base de tiempo (38) está concebida para generar el desplazamiento temporal como un intervalo de tiempo entre el nº periodo de la primera frecuencia (f1) y el mº periodo de la segunda frecuencia (f2).

6. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de base de tiempo (38) está concebida para prolongar el desplazamiento temporal en una cuantía igual a periodos de la primera frecuencia (f1), de la segunda frecuencia (f2) o de la cadencia maestra (50).

7. Sensor (10) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la unidad de evaluación (18) está concebida para desencadenar en cada periodo de medida (100), en un instante de emisión, la emisión de una señal luminosa y explorar la señal luminosa recibida, así como para acumular durante 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.

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, se fija el instante de emisión para la señal luminosa con relación a un instante de referencia y se digitaliza la señal luminosa recibida sobre una trama de exploración (108) con un periodo de exploración, a fin de obtener el instante de recepción de la señal luminosa, y en el que se desplaza el instante de emisión con relación a la trama de exploración (108) por medio de una unidad de base de tiempo (38) con una exactitud temporal por debajo del periodo de exploración, es decir, sobre una trama con una resolución temporal más fina que la de la trama de exploración, caracterizado porque la unidad de base de tiempo (38) deriva este desplazamiento temporal del instante de emisión a partir de una primera cadencia de tiempo con una primera frecuencia (f1) y una segunda cadencia de tiempo con una segunda frecuencia (f2) distinta de la primera frecuencia (f1) y proporciona desplazamientos temporales de cualquier índole con una resolución temporal dada por el periodo de diferencia correspondiente a las frecuencias primera y segunda (f1, f2), a cuyo fin la unidad de base de tiempo (38) elige y desacopla una parejita de un mº periodo de la primera frecuencia y un nº periodo de la segunda frecuencia.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, en el que la primera frecuencia (f1) y la segunda frecuencia (f2) con un primer divisor y un segundo divisor se derivan de una cadencia maestra (50) que determina también el instante de referencia, en el que el primer divisor y el segundo divisor se han elegido de modo que se origine un periodo de diferencia lo más pequeño posible en el rango de algunos centenares, algunas decenas o algunos picosegundos, y en el que se sincronizan regularmente la primera frecuencia (f1) y la segunda frecuencia (f2) sobre la cadencia maestra (50).

10. Procedimiento según la reivindicación 8 ó 9, en el que se cuentan los periodos completos de las frecuencias primera y segunda (f1, f2), respectivamente, y en el que se genera el desplazamiento temporal como un intervalo de tiempo entre el nº periodo de la primera frecuencia (f1) y el mº periodo de la segunda frecuencia (f2).

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que se prolonga el desplazamiento temporal en la cuantía de periodos de la primera frecuencia (f1), de la segunda frecuencia (f2) o de la cadencia maestra (50).