Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Die 1A und 1B zeigen ein Flussdiagramm mit den wesentlichen Verfahrensschritten der Erfindung. Die 2a veranschaulicht ein Diagramm mit den digitalisierten Abtastwerten eines Impulses. Die 2b gibt die Formel zur Berechnung der Schwerlinie eines Blockes von Abtastwerten wieder. Die 3 zeigt in Form eines Blockdiagammes eine Variante der Erfindung.

Das Ausführungsbeispiel gemäß der Zeichnung bezieht sic auf einen Laserentfernungsmesser, der eine Auflösung im mm-Bereich und darunter aufweist. Bekanntlich weisen diese Geräte einen Laser-Transmitter auf, der kurze Laser-Impulse aussendet. Diese Impulse werden von den Zielen, welche in der Regel das Laserlicht diffus reflektieren, zurückgeworfen und in einem Empfangssystem in ein elektrisches Signalumgewandelt. Im allgemeinen sind diese Echoimpulse gegenüber den Sendeimpulsen stark gedämpft und in der Regel durch die Struktur der Zieloberfläche auch in der Pulsform mehr oder weniger stark verändert. Da auch ein kleiner Teil des Sendeimpulses dem Empfangssystem zugeführt wird, kann aus dem Zeitintervall zwischen Aussenden eines Impulses und dem Empfang des zugehörigen Echo-Impulses der Abstand zwischen dem Entfernungsmesser und dem Ziel ermittelt werden. Bei diesem Laufzeit- oder TOF-(time of flight)-Verfahren bestimmt die Genauigkeit und Auflösung der Zeit- bzw. der Zeitintervallmessung unmittelbar die Genauigkeit und Auflösung der Entfernungsmessung.

Wird die Entfernungsmessung gemäß einem bekannten Verfahren durch Auszählen von Impulsen eines Clockgenerators durchgeführt, so erzielt man beispielsweise mit einer Zählrate von 1 GHz eine Entfernungsauflösung von 15 cm, dementsprechend benötigt man für eine Auflösung besser als 1mm Zählraten von 150 bis 200 GHz. Geräte für so hohe Frequenzen sind aber mit dem heutigen Stand der Technik wirtschaftlich nicht darstellbar und auch vom Energieverbrauch her nicht beherrchbar.

Die Erfindung basiert auf einem TOF-Prinzip mit digitalisierten Impulsen, wobei der AD-Konverter von einem Clockgenerator getaktet wird. Aus den Abtastwerten werden Impulse rekonstruiert. Zur Zeitmessung werden die Impulse des Clockgenerators zwischen dem Reset eines Zählers und den rekonstruierten ausgezählt, wobei diese Messung allerdings nur als eine Grobmessung genutzt wird. Durch ein off-line-Processing sowohl des Sende- als auch des Empfangsimpulses werden die Zeitpunkte der entsprechenden Ereignisse mit hoher Auflösung ermittelt. Würde man diese Werte als Absolutzeitwerte benutzen, so würde die Genauigkeit durch die geringe Auflösung des Anfangswertes der Zeitmessung beeinträchtigt. Gemäß der Erfindung wird aber das Zeitintervall durch eine Differenzbildung aus den für die beiden Ereignisse ermittelten Werten gebildet, wodurch der Anfangswert der Zeitmessung mit seiner geringen Auflösung in der Rechnung unberücksichtigt bleibt. Es ist mit dem neuen Verfahren daher möglich, mit einer Frequenz des Clockgenerators von nur 1 GHz eine Standardabweichung in der Zeitintervallmessung von 5 ps, entsprechend einer Entfernungsmessgenauigkeit von kleiner 1 mm zu erzielen, dh. also dass, durch das neue Verfahren gegenüber dem Stand der Technik eine Verbesserung in der Zeit- bzw. Entfernungsmessung von 2-3 Zehnerpotenzen möglich wird. Durch das neue Verfahren ist es damit auch möglich, das Shannonsche Abtasttheorem (auch als Nyquist-Kriterium bezeichnet) zu umgehen, gemäß welchem der Verlauf eines frequenzbandbegrenzten Signals nur dann rekonstruiert werden kann, wenn die Abtastrate größer als die doppelte im Signal enthaltene Frequenz ist.

Sind bei bestimmten Anwendungen, die verwendeten Impulse so kurz, dass sie mit einer Abtastrate von beispielsweise 1 GHz nicht digitalisiert werden können, wird der Impulsverabeitung eine Impulserzeuger- bzw. Impulswandlerstufe vorausgestellt. Um eine ausreichende Anzahl von Abtastwerten zu erzielen, weisen die erzeugten Impulse in dem vorliegenden Beispiel eine Breite von mindestens 10–20 ns auf. Langen nun im Abstand von Pico-Sekunden Echoimpulse ein, so ist die AD-Wandlung des ersten Pulses noch nicht abgeschlossen, wenn der nächste eintrifft. Das System hat also eine Totzeit, die von der Pulslänge und der Abtastrate bestimmt wird.

Die einlangenden oder die auf die oa. Weise erzeugten Impulse werden einer kontinuierlichen Analog-Digital-Wandlung unterworfen. Das neue Verfahren setzt schnelle ADCs (Analog-Digital-Converter) mit einer relativ großen Digitalisierungstiefe und eine leistungsfähige Digitalelektronik voraus. Die letztere kann beispielsweise aus FPGAs (field progammable gate arrays) oder einem ASISc bestehen. Durch die Digitalelektronik werden Gruppen D von N aufeinanderfolgenden Abtastwerten gebildet. Die Abtastwerte werden über einen Schwellwertfilter der weiteren Verarbeitung zugeführt. Sind alle N Abtastwerte kleiner als der Schwellwert A, so bleiben die Werte unberücksichtigt. Ist mindestens ein Abtastwert größer als A wird aus den N Abtastwerten der Gruppe D ein Block B von Abtastwerten erstellt, zu welchem in einem weiteren Schritt der Sample-Index des ersten Abtastwertes ermittelt und abgespeichert wird. Anschließend werden die nächsten N Abtastwerte über das Schwellwertfilter geführt. Ist mindestens ein Abtastwert größer als A werden die Abtastwerte dieser Gruppe dem Block B angefügt. Sind die N Abtastwerte der nächsten Gruppe kleiner als A wird der Block B zur Weiterverarbeitung weitergereicht. (1B). Bei Auftreten der nächsten Gruppe von Abtastwerten mit zumindest einem Wert > A wird ein neuer Block (B+1) angelegt.

Die weitere Verarbeitung der Blöcke erfolgt off-line in einem &mgr;P: In einem ersten Schritt wird überprüft, ob die Impulsform plausibel ist, da sporadisch auftretende Störungen des ADCs nicht ausgeschlossen werden können. Entspricht die Impulsform nicht der Erwartung, beziehungsweise einer definierten Pulsform unter Berücksichtigung eines entsprechenden Toleranzbandes, so wird der fragliche Block von Abtastwerten gelöscht. Entspricht die Impulsform der Erwartung, so wird im nächsten Schritt innerhalb des Blockes B der Abtastwert mit maximaler Amplitude ermittelt und es werden 3 Abtastwerte vor und 3 Abtastwerte nach diesem Maximalwert ausgewählt. Es ist nicht erforderlich, dass alle diese Abtastwerte über dem Schwellwert A liegen. Von diesen 7 Werten wird im folgenden der Schwerpunkt bzw. die Schwerlinie berechnet. Die auf diese Weise ermittelte Zeitkoordinate T_est eines ersten Ereignisses bzw. Impulses wird von dem eines zweiten Ereignisses subtrahiert. Die Differenz stellt das Zeitintervall zwischen den beiden Ereignissen dar.

Anhand der 2a wird das oben beschriebene Verfahren an einem Diagramm verdeutlicht. Man erkennt die Definition eines Blockes sowie den Schwellwert A des Schwellwertfilters.

Die Zeitwerte T₀ und T_est beziehen sich auf einen Nullpunkt, der durch das letzte Reset des Zählers gegeben ist. Bei der Ermittlung der Zeitintervalle müssen sich alle Messungen der Einzel-Ereignisse auf den gleichen Null- bzw. Resetpunkt beziehen.

Wie oben erwähnt, wird für den ersten Abtastwert jedes Blockes der Sample-Index I₀ ermittelt. Dieser Index ergibt multipliziert mit Wert T_sample die entsprechende Zeit des ersten Abtastwertes T₀.

In Bezug auf den Sample-Index I₀ des ersten Abtastwertes des Blockes wird die Lage des Abtastwertes des Blockes ermittelt (i_max), der die größte Amplitude aufweist (Maximalwert). Von diesem ausgehend werden je 3 Abtastwerte vor und nach dem Maximalwert bestimmt. In dem konkreten Beispiel ist der Index des Maximalwertes (R+11), ausgewählt werden daher die Werte mit dem Index (R+8), (R+9) und (R+10) sowie (R+12), (R+13) und (R+14). Für diese 7 Werte wird gemäß der Formel nach 2b der Index bzw. die Zeitkoordinate des Schwerpunktes bzw. die Schwerlinie berechnet. Dieser Absolut-Wert weist eine relativ geringe Genauigkeit auf, da der Startzeitpunkt des Ereignisses in der Regal vom Indexraster der Abtastung abweichen wird. Da zur Ermittlung des Zeitintervalles zwischen zwei zusammengehörigen Ereignissen die Differenz der entsprechenden Zeitkoordinaten gebildet wird, fällt der mit einer deutlichen Ungenauigkeit behaftete Startzeitpunkt des Zählersaus der Rechnung. Das Zeitintervall weist daher eine um Größenordnungen höhere Genauigkeit auf, wie die zuvor ermittelten absoluten Zeitwerte.

Folgen die Impulse in sehr rascher Folge aufeinander, wie dies bei einem Laserentfernungsmesssystem bzw. einem Laserradar der Fall sein kann, wenn das Ziel eine flach strukturierte Oberfläche aufweist, dann ist die Digitalisierung des ersten Wertes noch nicht abgeschlossen, wenn der nächste eintrifft. Um eine solche Totzeit des Systems zu vermeiden, wird der Eingang des Systems mit den (optionalen) Impulserzeugungsstufen 20, der DAC 21 und die Digitalelektronikstufe 22 zweikanalig ausgeführt. Ein De-Multiplexer 19 schaltet bei Bedarf von Kanal 1 auf den Kanal 2 um und umgekehrt.

Der vom Sendeimpuls abgeleitete Impuls und die Echoimpulse werden, wenn die Impulse typisch nicht für die weitere Verarbeitung geeignet sind, in Pulse von definierter Form, Breite und Amplitude verwandelt. Dazu wird entweder von der aufsteigenden oder der abfallenden Flanke der zu verarbeitenden Impulse ein Signal abgeleitet, das in der Stufe 20 die Erzeugung der entsprechenden Pulse auslöst. In dem nachfolgenden ADC 21 wird der Impuls digitalisiert. Der im wesentlichen kontinuierliche Strom von Abtastwerten wird einer weiteren Stufe 22 zugeleitet. Durch diese werden Gruppen von jeweils N Abtastwerten gebildet. Es folgt darauf ein Vergleich mit einem Schwellwert A: sind alle N-Abtastwerte einer Gruppe kleiner als A, so werden die entsprechenden Gruppen von Abtastwerten verworfen. Überschreitet hingegen zumindest ein Abtastwert einer Gruppe den Schwellwert A, so wird ein Block B angelegt. Der Index-Zählerwert des ersten Abtastwertes des Blockes wird zusammen mit dem Block gespeichert. Enthält die nächste Gruppe von N Abtastwerten keinen Wert > A, so wird der Block B zur weiteren Verarbeitung an den &mgr;P übergeben (1B). Sind hingegen in den folgenden Gruppen von jeweils N Abtastwerten Abtastwerte > A enthalten, so werden die entsprechenden Gruppen dem Block B hinzugefügt, bis schließlich in einer Gruppe von N Abtastwerten sämtliche Werte < A sind. Da in dieser Stufe 22 die sehr großen, vom ADC gelieferten Datenmengen in Echtzeit bearbeitet werden müssen, sind die entsprechenden Funktionen hardwaremäßig in die Bausteine implimentiert. Bewährt haben sich für diesen Zweck sogen. „field programmable gate arrays", FPGAs und ASISc. Anschließend werden die im folgenden einlangenden Gruppen D von jeweils N Abtastwerten wieder auf das Auftreten eines Abtastwertes > A überprüft, im positiven Fall wird die Bildung eines Blockes (B+1) ausgelöst.

Nachdem der Block B an den &mgr;P übergeben worden ist, wird dieser im &mgr;P off-line weiterverarbeitet. Im besonderen werden im &mgr;P die Plausibilitätsprüfung, die Maximalwertbestimmung, die Auswahl der je 3 Abtastwerte vor und nach dem Maximalwert und die Berechnung des Schwerpunktes bzw. der Schwerlinie durchgeführt. Als Ergebnis dieser Verarbeitung werden an die folgende Stufe die Werte T_est weitergereicht, wo aus diesen Werten die entsprechenden Zeitintervalle berechnet werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt: gemäß den oa. Beispielen werden beidseits der Maximalwerte je drei Abtastwerte ausgewählt. Diese Zahl kann selbstverständlich im Rahmen der Erfindung in weiten Grenzen verändert werden.

Die Erfindung kann auch nicht nur in Laserentfernungsmessern sondern auch in Mirowelllen-Entfernungsmessern und -Radargeräten angewendet werden. Es ist auch möglich, die Erfindung in anderen Messsystemen, beispielsweise für Teilchenbeschleuniger einzusetzen.