Messtechnik - Das Puls-Laufzeitverfahren

Beim Puls-Laufzeitverfahren (auch Lichtlaufzeit- oder time-of-flight-Messung genannt), werden vom Sender (in der Regel eine Laserdiode) kurze Lichtpulse ausgesendet, die von Objekten in Ausbreitungsrichtung reflektiert oder gestreut werden. Ein Teil dieses Lichts kann vom Empfänger als Echopuls detektiert werden. Der Abstand zum Objekt ist direkt proportional zu der Zeitdauer, die zwischen dem Senden des Lichtpulses und dem Empfang des Echopulses vergeht.

Prinzip der Pulslaufzeit-Messung

Messauflösung und -genauigkeit

Da sich der Lichtpuls mit Lichtgeschwindigkeit (c = 299792 km/s) ausbreitet, sind die Messzeiten sehr kurz. Bei einem Abstand von 10 m zum Objekt ist die Messung schon nach ca. 66,7 ns beendet. Man benötigt für so kurze Messzeiten zwar keine besonders genaue, dafür aber eine hoch auflösende Zeitmessung. Mit einer Auflösung von 1 ns erreicht man eine Messauflösung von 'nur' 15 cm. Es ist daher klar, daß bei einer rein digitalen Zeitmessung die Stoppuhr mit einer Frequenz jenseits der 1 GHz-Grenze getaktet wird.
Kombiniert man die digitale Messung mit einem analogen Signal, dann läßt sich der Basistakt prinzipiell um die Auflösung des verwendeten Analog-Digital-Konverters verbessern.

Aber auch die Amplitude des Echosignals hat einen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Wird ein Lichtpuls nur schwach reflektiert, ist die Amplitude kleiner und damit auch die Flankensteilheit. Der Echopuls erreicht daher später die Triggerschwelle des Empfängers, so daß die Stoppuhr etwas verzögert angehalten wird. Man versucht dieses Verhalten dadurch zu kompensieren, indem man eine oder mehrere Eigenschaften des Echopulses misst: die Pulsbreite, die Pulsamplitude oder die Pulsenergie. Mit Hilfe einer abgespeicherten Kennlinie wird diese Fehler entsprechend kompensiert.

Da die Form des Echopulses von bedeutung ist, muß natürlich auch die Form des Startpulses ideal sein. Da die Pulsenergie durch verschiedene Randbedingungen limitiert ist (z.B. thermische Verluste, Einhaltung der Laserklasse), muß der Puls möglichst kurz und die Amplitude maximal sein.

Störeinflüsse

Störeinflüsse ergeben sich meist durch Schnee, Regen, Nebel (Dampf) und Staub. Wird der vom Sender ausgestrahlte Laserstrahl an zu vielen Teilchen in der Luft reflektiert, können sich diese vielen kleinen Echosignale zu einem so großen Echopuls addieren, das die Triggerschwelle des Empfängers überschritten und die Messung vorzeitig gestoppt wird. Besonders Nebel- und Dampftröpfchen bilden so viele mikroskopisch kleine Spiegel, daß die Triggerschwelle sehr schnell erreicht wird. Das Problem läßt sich prinzipiell dadurch umgehen, indem man nicht eine Stoppuhr verwendet sondern mehrere. Bei jedem Echopuls wird eine Zwischenzeit gemessen. Der letzte eintreffende Echopuls liefert dann den hoffentlich richtigen Abstand zum Messobjekt.
Ein anderes Problem bilden Kantentreffer. Dabei trifft nicht der ganze Messfleck auf das Messobjekt, sondern nur ein Teil. Trifft der Rest des Meßstrahls kurz darauf auf einen anderen Teil des Messobjektes, können sich diese beiden Echos im Empfänger zu einem breitem Echopuls vereinigen. Wird dieser 'zu breit' gemessene Echopuls dann entsprechend der Kennlinie kompensiert, führt das zu einem deutlich sichtbaren Messfehler.

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