DE19644791C2

DE19644791C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Lichtlaufzeit über eine zwischen einer Meßvorrichtung und einem reflektierenden Objekt angeordnete Meßstrecke

Info

Publication number: DE19644791C2
Application number: DE19644791A
Authority: DE
Inventors: Frank Bloehbaum
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2016-10-29
Also published as: DE19644791A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim mung der Signallaufzeit über eine zwischen einer Meßvorrich tung und einem reflektierenden Objekt angeordnete Meßstrecke, bei dem ein in der Meßvorrichtung enthaltener Sender ein mo duliertes Signal s(t) über die Meßstrecke sendet, das von ei nem in der Meßvorrichtung enthaltenen Empfänger empfangen, in ein Empfangssignal e(t) gewandelt und in der Meßvorrichtung ausgewertet wird. Weiter ist die Erfindung auf eine Vorrich tung zur Durchführung dieses Verfahrens gerichtet.

Derartige Verfahren bzw. Vorrichtungen werden bei Abstands messungen eingesetzt, die den zu ermittelnden Abstand zwi schen Meßvorrichtung und reflektierendem Objekt bzw. die Län ge der Meßstrecke aus der Signallaufzeit über die Meßstrecke berechnen.

Bei derartigen Verfahren bzw. Vorrichtungen ist es oftmals problematisch, daß bei vergleichsweise großen Abständen eine sehr genaue Auflösung erzielt werden muß, wobei zudem bezüg lich der verwendeten Strahlungsleistung die bestehenden Vor schriften hinsichtlich der Augensicherheit eingehalten werden müssen.

Zur Erfüllung der genannten Anforderungen ist bei Vorrichtun gen bzw. Verfahren gemäß dem Stand der Technik ein hoher technischer Aufwand zu betreiben, der sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt.

In der DE 34 35 949 C2 ist ein CW-Radarsystem beschrieben, bei dem das Sendesignal moduliert wird und zur Bestimmung der Entfernung eines jeweiligen Zielobjekts Echosignale mit un terschiedlich verzögerten Wiederholungen des Sendesignals korrigiert werden, um die laufzeitbedingte Verzögerung der Echosignale feststellen zu können. Die gesuchte Entfernung ergibt sich aus dem Korrelationsergebnis, bei dem die beste Anpassung zwischen einer bestimmten verzögerten Wiederholung des Sendesignals und dem Empfangssignal festzustellen ist. Vergleichbare Systeme sind auch in der DE 39 37 787 C1 und der DE 33 16 630 C2 beschrieben.

Gemäß der DE 32 39 403 C2 werden zur Bestimmung von Laufzei ten Empfangssignale in ein komplexes Frequenzspektrum umge wandelt und die komplexen Frequenzspektren konjugiert komplex miteinander multipliziert. Das erhaltene Kreuzspektrum wird anschließend in den Zeitbereich rücktransformiert. Aus dem Betrag der Rücktransformierten werden dann die Laufzeiten von an unterschiedlichen Stellen empfangenen Signalen ermittelt.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit möglichst geringem wirtschaftlichen Auf wand unter Gewährleistung der Augensicherheit auch bei großen Abständen eine hohe Auflösung erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Signallaufzeit über eine zwischen einer Meßvorrichtung und einem reflektierenden Objekt angeordnete Meßstrecke, bei dem ein in der Meßvorrichtung enthaltener Sender ein moduliertes Signal s(t) über die Meßstrecke sen det, das von einem in der Meßvorrichtung enthaltenen Empfän ger empfangen, in ein Empfangssignal e(t) gewandelt und in der Meßvorrichtung ausgewertet wird, zwischen den Sende- und Empfangssignalen s(t) und e(t) eine Korrelationsfunktion k(t) gebildet wird, indem die Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) in den Frequenzbereich trans formiert werden, im Frequenzbereich das Spektrum K(f) der Korrelationsfunktion k(t) aus den Spektren S(f) und E(f) der Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) berechnet und an schließend durch Rücktransformation in den Zeitbereich die Korrelationsfunktion k(t) bestimmt wird, das Maximum k_max = k(t_max) der Korrelationsfunktion k(t) ermittelt wird, t_max zur Bestimmung der Signallaufzeit ausgewertet wird, zur Bildung des Spektrums K(f) der Korrelationsfunktion k(t) das Produkt A(f) aus dem Spektrum E(f) und dem konjugiert komple xen Spektrum S*(f) bzw. aus dem Spektrum S(f) und dem konju giert komplexen Spektrum E*(f) gebildet wird und das Spektrum A(f) symmetrisch bezüglich der Frequenz f in die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) aufgespalten wird und zwischen die Teilspek tren A₁(f) und A₂(f) q = (i × p) - p Amplitudenwerte w_j (1 ≦ j ≦ q) eingefügt werden, wobei i den ganzzahligen Interpolati onsfaktor darstellt.

Erfindungsgemäß wird also eine Korrelationsfunktion zwischen den Sende- und Empfangssignalen gebildet, wobei diese Bildung im Frequenzbereich durchgeführt wird. Dadurch können preis günstige Bauelemente verwendet werden, da lediglich mit Fre quenzen gearbeitet wird, die in der Videotechnik gebräuchlich sind.

Bevorzugt werden das auszusendende Signal s(t) in Form von p (p < 0) Digitalwerten in einem Sendespeicher abgelegt, die gespeicherten Digitalwerte sequentiell ausgelesen und einem mit einem Steuertaktsignal beaufschlagten, den Sender ansteu ernden D/A-Wandler zugeführt, das Empfangssignal e(t) einem mit dem Steuertaktsignal beaufschlagten A/D-Wandler zugeführt, die von dem A/D-Wandler gelieferten Werte in einem Empfangsspeicher abgelegt und die Spektren S(f) und E(f) aus den im Sende- und im Empfangsspeicher gespeicherten Signalen s(t) und e(t) berechnet.

Erfindungsgemäß werden also der D/A-Wandler und der A/D- Wandler synchron mit dem identischen Steuertaktsignal beauf schlagt, was zur Folge hat, daß immer genau dann, wenn ein Digitalwert aus dem Sendespeicher in einen Analogwert gewan delt und vom Sender ausgesandt wird, der im gleichen Augen blick vom Empfänger gelieferte Analogwert in einen Digital wert gewandelt und im Empfangsspeicher abgelegt wird. Nach einem Sende- und Empfangszyklus liegen folglich im Sende- und im Empfangsspeicher Signale im wesentlichen gleicher Kurven form, wobei, unter Vernachlässigung interner Signallaufzeiten das empfangene Signal gegenüber dem ausgesandten Signal zeit lich um die einer bestimmten Anzahl von Taktzyklen entspre chende Signallaufzeit über die Meßstrecke verschoben ist.

Die der Lichtlaufzeit entsprechende Anzahl der Taktzyklen wird erfindungsgemäß dadurch ermittelt, daß zwischen dem Sen de- und dem Empfangssignal eine Korrelationsfunktion gebildet wird, wobei die Bildung dieser Korrelationsfunktion erfin dungsgemäß im Frequenzbereich durchgeführt wird und nach Rücktransformation des Spektrums der Korrelationsfunktion in den Zeitbereich das Maximum der Korrelationsfunktion ermit telt wird. Beim Maximum der Korrelationsfunktion sind Sende- und Empfangssignale so weit relativ zueinander verschoben, daß ihre Kurven einen minimalen Abstand voneinander aufweisen bzw. sich weitgehend überdecken.

Da diese Verschiebung exakt der Signallaufzeit bzw. der An zahl der Taktzyklen, die zwischen dem Aussenden und dem Emp fangen des Signals verstrichen sind, entspricht, wird der die Verschiebung kennzeichnende Zeitwert in einer bevorzugten Ausführungsform als zu bestimmende Signallaufzeit verwendet.

Somit läßt sich erfindungsgemäß die Signallaufzeit mit gerin gem Rechenaufwand unter Einsatz kostengünstiger Bauelemente ermitteln, ohne daß beispielsweise wie beim Stand der Technik ein großer optischer Aufwand betrieben oder ein GHz-Zähler eingesetzt werden muß.

Durch die erfindungsgemäße Interpolation bereits im Frequenz bereich wird erreicht, daß kein systematischer Fehler beim Berechnen der Korrelationsfunktion entsteht, wobei das rück transformierte Zeitsignal der Korrelationsfunktion über den Interpolationsfaktor i zeitlich gedehnt wird, so daß sich ei ne um den Faktor i erhöhte Anzahl von Stützstellen ergibt, die zu einer höheren Genauigkeit führen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung wird das Maximum der Korrelationsfunktion k(t) durch ein Kurvenfitting-Verfahren bestimmt, wobei bevorzugt ein insbe sondere quadratisches Polynom p(t) ermittelt wird, dessen Ab stand bzw. das Quadrat des Abstandes zur Korrelationsfunktion k(t) im Bereich von k_max minimal ist. Nach Bestimmung des Ma ximums p_max = p(t_max/pol) wird anstelle t_max zur Bestimmung der Signallauf Zeit t_max/pol ausgewertet und insbesondere direkt als Repräsentant für die Signallaufzeit verwendet. Dabei können zur Ermittlung des Polynoms drei oder mehr Werte der Korrela tionsfunktion k(t) herangezogen werden.

Problematisch bei den beschriebenen Verfahren ist die Tatsa che, daß Signallaufzeiten innerhalb der Meßvorrichtung zu Meßfehlern führen. Diese können durch Einschaltung einer Re ferenzstrecke eliminiert werden, in der Referenzsignale iden tische oder entsprechende Bauelemente für die Meßsignale durchlaufen. Die von Meßfehlern bereinigte Signallaufzeit kann in diesem Fall dadurch erhalten werden, daß bei der Be stimmung der Korrelationsfunktion anstelle des Sendesignals s(t) das über die Referenzstrecke empfangene Referenzsignal r(t) verwendet wird, da sich bei Bestimmung der Korrelations funktion zwischen dem Referenzsignal r(t) und dem Empfangs signal e(t) die geräteinternen Laufzeiten gegenseitig kompen sieren und nach Bestimmen des Maximums der Korrelationsfunk tion der Zeitwert t'_max von entsprechenden Meßfehlern berei nigt ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dem zufolge zur Bestimmung der Signallaufzeit anstelle des Si gnals s(t) das über die Referenzstrecke empfangene Referenz signal r(t) verwendet, insbesondere wird das Spektrum R(f) aus den im Referenzempfangsspeicher gespeicherten Referenzsi gnalen r(t) berechnet, das Produkt A'(f) = E (f) × R*(f) bzw. A'(f) = E*(f) × R(f) bestimmt, das Spektrum K'(f) gemäß der Gleichung

gebildet und durch Rücktransformation in den Zeitbereich die Korrelationsfunktion k'(t) bestimmt. Nach Ermittlung des Ma ximums k'_max = k'(t'_max) der Korrelationsfunktion k'(t) kann t'_max direkt als zu bestimmende Signallaufzeit verwendet wer den.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es auch möglich, das Referenzsignal r(t) nicht anstelle des Sendesi gnals s(t) zu verwenden, sondern zusätzlich zur Bildung der Korrelationsfunktion k(t) zwischen dem Sendesignal s(t) und dem Empfangssignal e(t) in analoger Weise eine Korrelations funktion k"(t) zwischen dem über die Referenzstrecke empfan genen Referenzsignal r(t) und dem Sendesignal s(t) zu bilden. Die beiden ermittelten Korrelationsfunktionen k(t) und k"(t) enthalten dann beide den gleichen, durch die Bauelemente be dingten Meßfehler. Nach Bestimmung jeweils des Maximums der Korrelationsfunktionen k(t) und k"(t) kann die Differenz der beiden ermittelten Signallaufzeiten t_max und t"_max, die beide mit dem Meßfehler der Signallaufzeiten innerhalb der Meßvor richtung behaftet sind, gebildet werden, so daß dieser Meß fehler durch die Differenzbildung eliminiert wird.

Bevorzugt können für das erfindungsgemäße Verfahren Lichtsi gnale, Ultraschallsignale oder Mikrowellensignale verwendet werden.

Eine mögliche Ausführungsform einer Meßvorrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt beispiels weise einen Sendespeicher zum Speichern des auszusendenden Signals s(t) in Form von Digitalwerten, einen vom Sendespei cher beaufschlagten und den Sender ansteuernden D/A-Wandler, einen mit dem Empfangssignal e(t) beaufschlagten A/D-Wandler, einen Empfangsspeicher zum Speichern der von dem A/D-Wandler gelieferten Werte und einen den D/A-Wandler und den A/D- Wandler mit jeweils dem identischen Steuertaktsignal beauf schlagenden Taktgeber, wobei die Auswerteschaltung mit Mit teln zur Transformation der Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) in den Frequenzbereich, zur Bildung des Spektrums K(f) einer Korrelationsfunktion k(t) zwischen den im Sende- und im Empfangsspeicher gespeicherten Signalen s(t) und e(t) zur Rücktransformation des Spektrums K(f) in den Zeitbereich und zur Ermittlung des die zu bestimmende Laufzeit t_max reprä sentierenden Maximums k_max = k(t_max) der Korrelationsfunktion k(t) versehen ist, und wobei zur Bildung des Spektrums K(f) der Korrelationsfunktion k(t) das Produkt A(f) aus dem Spek trum E(f) und dem konjugiert komplexen Spektrum S*(f) bzw. aus dem Spektrum S(f) und dem konjugiert komplexen Spektrum E*(f) gebildet wird und das Spektrum A(f) symmetrisch bezüg lich der Frequenz f in die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) auf gespalten wird und zwischen die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) q = (i × p) - p Amplitudenwerte w_j (1 ≦ j ≦ q) eingefügt wer den, wobei i den ganzzahligen Interpolationsfaktor darstellt.

Bevorzugt kann am Ende einer zusätzlich vorgesehenen Refe renzstrecke ein mit der Auswerteschaltung koppelbarer Refe renzempfänger zur Erzeugung eines Referenzsignals r(t) vorge sehen sein. In diesem Fall umfaßt die Meßvorrichtung vorteil haft einen von dem Referenzsignal r(t) und dem Steuertaktsi gnal beaufschlagten A/D-Wandler, einen Empfangsspeicher zum Speichern der von dem A/D-Wandler gelieferten Werte und Mit tel zur Transformation der Referenzsignale r(t) in den Fre quenzbereich, zur Bildung des Spektrums K"(f) einer Korrela tionsfunktion k"(t) zwischen den im Empfangs- und im Referen zempfangsspeicher gespeicherten Signalen e(t) und r(t), zur Rücktransformation des Spektrums K"(f) in den Zeitbereich und zur Ermittlung des Maximums k"_max = k"(t"_max) der Korrelations funktion k"(t). Dabei kann für das Empfangssignal e(t) und das Referenzsignal r(t) derselbe A/D-Wandler sowie derselbe Empfangsspeicher verwendet werden, indem die Signale bei spielsweise über einen Umschalter wechselseitig dem A/D-Wand ler zugeführt werden und in unterschiedlichen Adreßbereichen des Empfangsspeichers abgelegt werden.

Durch eine solche Vorrichtung können die von der Meßvorrich tung verursachten Meßfehler kompensiert werden, indem bei spielsweise Mittel zur Bildung der die zu bestimmenden Lauf zeit repräsentierenden Differenz Δt_max = |t_max - t"_max| vorgesehen sind. Weiterhin können durch die Verwendung derselben elektronischen Bauelemente für das Empfangssignal e(t) und das Referenzsignal r(t) zusätzliche systematische Fehler ver hindert werden.

Eine weitere bevorzugte Meßvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besitzt anstelle der Mittel zur Verarbeitung der Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) Mittel zur entsprechenden Verarbeitung der Referenz- und Emp fangssignale r(t) und e(t), so daß durch Transformation in den Frequenzbereich und anschließende Rücktransformation eine Korrelationsfunktion k'(t) zwischen dem Referenzsignal r(t) und dem Empfangssignal e(t) berechnet werden kann, deren Ma ximum k'_max bei einem Zeitwert t'_max gelegen ist, der unmittel bar die von den durch die Meßvorrichtung verursachten Meßfeh lern bereinigte Signallaufzeit darstellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Meß vorrichtungen lassen sich bevorzugt in einer Reflexionslicht schranke verwenden. Bei derartigen Reflexionslichtschranken sind Lichtsender und Lichtempfänger in einem Gehäuse angeord net, wobei das vom Lichtsender ausgesandte Licht von einem reflektierenden Objekt in sich selbst reflektiert und vom Lichtempfänger empfangen wird. Eine derartige Reflexions lichtschranke gibt immer dann ein Warn- bzw. Steuersignal ab, wenn die empfangene Strahlungsleistung einen vorgegebenen Pe gel unterschreitet.

Für bestimmte Anwendungsfälle, insbesondere im Bereich der Sicherheitstechnik, ist es nötig, zusätzlich zu der Informa tion über den Pegel der empfangenen Signalleistung bzw. die Anwesenheit eines Objektes im zu überwachenden Bereich auch noch den Ort des reflektierenden Objekts zu bestimmen, um so beispielsweise Manipulationen am Reflektor erkennen zu kön nen.

Zu letztgenanntem Zweck kann das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung eingesetzt werden, um so eine Information über den Abstand zwischen der Meßvorrichtung und dem reflektierenden Objekt zu gewinnen. Die Komponenten Lichtsender und Lichtempfänger erfüllen in diesem Fall eine Doppelfunktion, da sie einerseits für die eigentliche Licht schrankenfunktion und andererseits für die Abstandsmessung verwendet werden. Dies trägt ebenfalls zur Kostenreduzierung bei, da die entsprechenden Komponenten in der Vorrichtung nur einfach vorhanden sein müssen.

Auch bei der Verwendung in Reflexionslichtschranken können anstelle von sichtbaren Lichtsignalen Ultraschallsignale oder Mikrowellensignale verwendet werden.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrie ben; in diesen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchfüh rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 den Realteil des Spektrums E(f) eines Empfangs signals e(t),

Fig. 3 den Realteil des Spektrums K(f) einer erfindungsge mäß interpolierten Korrelationsfunktion k(t),

Fig. 4 die Gesamtdarstellung der erfindungsgemäß interpo lierten Korrelationsfunktion k(t),

Fig. 5 Stützstellen einer im Zeitbereich berechneten Kor relationsfunktion,

Fig. 6 die durch ein Polynom angenäherte Korrelationsfunk tion nach Fig. 5,

Fig. 7 eine Detaildarstellung der interpolierten Korrela tionsfunktion nach Fig. 4,

Fig. 8 die Korrelationsfunktionen nach den Fig. 5 und 7 sowie zwei quadratische Polynome zur Annäherung dieser Korrelationsfunktionen,

Fig. 9 eine Detaildarstellung aus Fig. 8 und

Fig. 10 ein Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt einen Licht sender 1, der Licht 2 über eine Meßstrecke zu einem Reflektor 3 sendet, der das Licht wiederum über die Meßstrecke zurück zu einem Lichtempfänger 4 reflektiert, wobei Lichtsender 1 und Lichtempfänger 4 vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäu se untergebracht sind.

Der Lichtsender 1 ist von einem D/A-Wandler 5 beaufschlagt, dem seinerseits in einem Sendespeicher 6 abgelegte Digital werte zugeführt werden.

Das Ausgangssignal des Lichtempfängers 4 wird einem A/D- Wandler 7 zugeleitet, der entsprechende Digitalwerte erzeugt und diese in einem Empfangsspeicher 8 ablegt. Der D/A-Wandler 5 und der A/D-Wandler 7 werden synchron betrieben und mit einem gemeinsamen Taktsignal beaufschlagt, das von einem Takt generator 9 erzeugt wird.

Die im Sendespeicher 6 und im Empfangsspeicher 8 abgelegten Digitalsignale werden von einer Prozessoreinheit 10 abgeru fen, die aus diesen Signalen die Laufzeit des Lichtes über die Meßstrecke berechnet und diese über einen Ausgang 11 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung stellt.

Im folgenden wird das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfah rens und der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung näher beschrieben:
Die im Sendespeicher 6 als digitales Signal abgelegte Impuls folge mit Impulsen und Impulspausen unterschiedlicher Breite wird vom D/A-Wandler 5 in ein Analogsignal gewandelt, das den vorzugsweise als Laserdiode ausgebildeten Lichtsender 1 be aufschlagt. Die auf diese Weise erzeugte Folge von Lichtim pulsen wird über die Meßstrecke in Richtung des Reflektors 3 abgestrahlt, der die Lichtimpulsfolge in umgekehrter Richtung über die Meßstrecke zum Lichtempfänger 4 reflektiert.

Der Lichtempfänger 4 erzeugt ein entsprechendes elektrisches Signal, verstärkt dieses gegebenenfalls mittels einer zusätz lichen Verstärkerkomponente und führt es dem A/D-Wandler 7 zu, der das empfangene Signal in eine Folge von Digitalwerten wandelt, die dann wiederum im Empfangsspeicher 8 abgelegt wird.

Bei ungestörter Reflexion und Nichtberücksichtigung eventuell auftretender Störsignale liegen somit nach einem Sende-/Emp fangszyklus einer Folge von Lichtimpulsen im Sendespeicher 6 und im Empfangsspeicher 8 Signale gleicher Form vor, welche aufgrund der Lichtlaufzeit über die Meßstrecke sowie aufgrund interner Signallaufzeiten zeitlich gegeneinander verschoben sind.

Sowohl die im Sendespeicher 6 als auch die im Empfangsspei cher 8 abgespeicherten digitalen Signale haben eine definier te Länge von p Impulsen zu je n Bit.

Die Prozessoreinheit 10 errechnet die Fouriertransformierte S(f) von s(t) und E(f) von e(t). Dies kann zur Rechenzeitmi nimierung beispielsweise über bekannte FFT-Routinen erfolgen.

Fig. 2 zeigt den Realteil des auf diese Weise erzeugten Spek trums E(f) eines Empfangssignals e(t) mit 256 Abtastwerten, die jeweils mit 8 Bit kodiert sind.

Um eine Interpolation der Korrelationsfunktion k(t) zu erhal ten, die keinen systematischen Fehler aufweist, wird in einem nächsten Verfahrensschritt von S(f) das konjugiert komplexe Spektrum S*(f) gebildet und in einem weiteren Verfahrens schritt das Spektrum E(f) mit dem konjugiert komplexen Spek trum S*(f) multipliziert. Auf diese Weise wird das Spektrum A(f) = E(f) × S*(f) erhalten.

Das Spektrum A(f) ist, wie die beiden Ausgangsspektren S(f) und E(f), bezüglich p/2 symmetrisch und wird in einem näch sten Verfahrensschritt in die beiden Teilspektren A₁(f) und A₂(f) geteilt. Diese ergeben sich somit zu

Anschließend wird durch Einfügen von q "komplexen" Nullen (0 + j0) im Bereich zwischen p/2 und p/2 + 1 das modifizierte Spektrum K(f) gemäß nachstehender Gleichung gebildet, dessen Realteil in Fig. 3 dargestellt ist:

Die Anzahl q der Nullen berechnet sich dabei gemäß der Glei chung

q = (i × p) - p,

wobei i den ganzzahligen Interpolationsfaktor darstellt. Ge mäß der Gleichung

bei der t_res das Laufzeitinkrement, f_s die Samplingfrequenz und n die Auflösung des Gesamtsystems in Bits darstellt, kann der Interpolationsfaktor sinnvoll bis i = 2ⁿ festgelegt wer den. Bei einer Kodierung der Signale mit 8 Bit und einer Taktfrequenz von 30 MHz ergibt sich somit eine mögliche Auf lösung von 130,21 ps.

Das Spektrum K(f) wird anschließend beispielsweise durch eine inverse schnelle Fouriertransformation in den Zeitbereich zu rücktransformiert, wodurch die gewünschte Korrelationsfunk tion k(t) mit interpolierten Stützstellen erhalten wird.

Die Korrelationsfunktion k(t) ist in Fig. 4 für einen Inter polationsfaktor i = 10 und einer Signallänge von 256 Ab tastwerten dargestellt. Das erhaltene Zeitsignal wird über den Interpolationsfaktor i zeitlich gedehnt, so daß sich 256 × 10 = 2560 Stützstellen ergeben.

Fig. 5 zeigt die Stützstellen einer Korrelationsfunktion kt(t), die im Zeitbereich durch Berechnung eines jeweiligen Korrelationswertes für jeden Abtastwert erzeugt wurde. Man erkennt, daß das Maximum diese Funktion nur in Intervallen von 1/Abtastfrequenz, d. h. im Beispiel entsprechend 33,33 ns ermittelbar ist. Bestimmt man das Maximum dieser im Zeitbe reich berechneten Korrelationsfunktion beispielsweise durch eine Interpolation mit einem Polynom zweiten Grades, so er hält man zur Bestimmung des Maximums kt_max(t_max) das in Fig. 6 dargestellte Polynom 12. Wie aus Fig. 6 zu erkennen ist, un terscheiden sich die Strukturen der Korrelationsfunktion kt(t) und des ermittelten Polynoms 12 deutlich, so daß ein nicht unbeachtlicher, systematischer Fehler bei der Bestim mung des Maximums und damit bei der Bestimmung der Signal laufzeit entsteht.

Fig. 7 zeigt eine Detaildarstellung der mit dem erfindungsge mäßen Verfahren ermittelten interpolierten Korrelationsfunk tion gemäß Fig. 4, die das gesuchte Maximum der Korrelations funktion k(t) umfaßt. Zur Verdeutlichung der Verbesserung ge genüber der Bestimmung der Korrelationsfunktion im Zeitbe reich wurden die gleichen Maßstäbe wie in Fig. 5 gewählt. Da bei erfolgt die Umrechnung von dem in Fig. 4 dargestellten Zeitmaßstab (Stützstellen) in ns entsprechend der gewählten Taktfrequenz der verwendeten A/D- und D/A-Wandler. Bei der im Beispiel gewählten Taktfrequenz von 30 MHz (entsprechend 33,33 ns) ergibt sich ein Stützstellenabstand von 3,333 ns. Das Maximum der Korrelationsfunktion k(t) nach Fig. 4 liegt somit bei ca. 1301 × 3,333 ns = 4,336 µs bezogen auf den er sten Abtastwert (= 0 ns). Da in der Praxis nur ein Bereich von etwa 1 µs für Entfernungen bis ca. 150 m interessant sind, ergeben sich für diesen Bereich ±150 interpolierte Ab tastpunkte um das Maximum für das gewählte Beispiel mit i = 10, wie es in Fig. 7 dargestellt ist.

Während die klein dargestellten Punkte die Stützstellen für die Korrelationsfunktion k(t) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen, kennzeichnen die dick dargestellten Punkte die Stützstellen, die bei Berechnung der Korrelations funktion im Zeitbereich ermittelt wurden. Aus diesem Ver gleich ist sofort erkennbar, daß aufgrund der höheren Auflö sung die erfindungsgemäß ermittelten, interpolierten Funk tionswerte frei von systematischen Fehlern bezüglich der Lage des Maximums der Korrelationsfunktion k(t) sind.

Somit kann durch Bestimmung des Maximums der erfindungsgemäß ermittelten Korrelationsfunktion k(t) mit großer Genauigkeit die Signallaufzeit bestimmt werden.

Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Diagramme zeigen eine korrekte Skalierung der zeitlichen Abstände, wobei die ange gebenen Absolutwerte willkürlich gewählt sind und zur besse ren Veranschaulichung mit 0 ns entsprechend einem Maximum von ca. 155 ns beginnen. Der Nullpunkt wird im realen Gerät für Absolutmessungen kalibriert oder bei bekannter Referenzstrec ke und vernachlässigbarem Einfluß der elektronischen Si gnallaufzeiten berechnet. In relativ messenden Geräten ist nur die Differenz des aktuellen Meßwertes vom vorhergehenden oder bei Inbetriebnahme gespeicherten Meßwert von Interesse. In diesem Fall ist eine Kalibrierung nicht notwendig, da der entsprechende Null-Offset automatisch kompensiert wird.

Um die maximale Auflösung von 130,21 ps zu erhalten, muß der Interpolationsfaktor i auf den maximalen Wert 2ⁿ, d. h. im vorliegenden Beispiel i = 256 gewählt werden. In diesem Fall ist bei der Rücktransformation des Spektrums K(f) in den Zeitbereich eine inverse FFT über 256 × 256 = 65536 Punkte erforderlich, die sehr viel Rechenzeit bzw. schnelle und teu re Spezialprozessoren benötigt.

Um den Einsatz solcher teuerer Spezialprozessoren zu vermei den, kann die Maximumsbestimmung der Korrelationsfunktion k(t) durch folgendes Näherungsverfahren durchgeführt werden:
Zunächst wird nach dem beschriebenen, erfindungsgemäßen Ver fahren, jedoch mit einem reduzierten Interpolationsfaktor von beispielsweise i = 10, die interpolierte Korrelationsfunktion k(t)bzw. deren Stützstellen bestimmt. Aufgrund des reduzier ten Interpolationsfaktors ist lediglich eine inverse FFT über 256 × 10 = 2560 Punkte erforderlich, die in relativ kurzer Rechenzeit durchgeführt werden kann.

Anschließend wird der maximale Funktionswert der ermittelten Stützstellen der interpolierten Korrelationsfunktion ermit telt und durch diesen sowie durch mindestens je einen benach barten Funktionswert ein quadratisches Polynom nach der Me thode der kleinsten Quadrate gelegt. Das Maximum dieses qua dratischen Polynoms wird bestimmt und als Maximum der Korre lationsfunktion verwendet.

In Fig. 8 ist sowohl das quadratische Polynom 12 gemäß Fig. 6 als auch ein Polynom 13, das an die erfindungsgemäß berechne te, interpolierte Korrelationsfunktion angenähert ist, darge stellt. Es ist auf den ersten Blick ersichtlich, daß durch das Polynom 13 die Korrelationsfunktion k(t) in ihrem Maximum besser angenähert wird als durch das Polynom 12, so daß die über die Maximumsbestimmung erhältliche Signallaufzeit einen kleineren systematischen Fehler enthält. Die zeitlich unter schiedliche Lage der Maxima der beiden Polynome 12, 13 ist in der Dataildarstellung nach Fig. 9 besser zu erkennen. Die Ma xima sind um 1,43 ns verschoben zueinander angeordnet, was als Entfernungsänderung einem systematischen Fehler von ca. 21,45 cm entspricht.

Fig. 10 zeigt eine Meßvorrichtung ähnlich der Meßvorrichtung nach Fig. 1, bei der das vom Lichtsender ausgestrahlte Licht 2 nicht nur über die Meßstrecke zum Lichtempfänger 4, sondern auch über eine Referenzstrecke zu einem Referenzempfänger 14 ausgesandt wird. Der Referenzempfänger 14 befindet sich bei spielsweise innerhalb des Gehäuses der erfindungsgemäßen Meß vorrichtung, so daß die Signallaufzeit über die Referenz strecke entweder vernachlässigbar klein oder hinreichend ge nau bekannt ist.

Die Ausgänge der Empfänger 4 und der Referenzempfänger 14 sind mit dem A/D-Wandler 7 über einen Umschalter 15 verbun den, der zwischen einer Stellung "Ref" und einer Stellung "Meß" umschaltbar ist.

Der Referenzempfänger 14 erzeugt ein zum empfangenen Signal entsprechendes elektrisches Signal r(t), welches über den Um schalter 15 dem A/D-Wandler 7 zugeführt wird, wenn sich der Umschalter 15 in der Stellung "Ref" befindet. In der Stellung "Meß" wird hingegen das vom Empfänger 4 erzeugte Ausgangs signal dem A/D-Wandler 7 zugeleitet.

Für die Dauer der Meßwertgewinnung wird der Schalter in die Stellung "Meß" gebracht. Das vom Sender 1 abgestrahlte und vom Reflektor 3 reflektierte Signal 2 wird vom Empfänger 4 empfangen und über den Umschalter 15 dem A/D-Wandler 7 zuge führt. Das vom A/D-Wandler 7 erzeugte digitale Ausgangssignal wird anschließend in einem dem Empfangssignal zugeordneten Adreßraum des Empfangsspeichers 8 abgelegt.

Anschließend wird der Umschalter 15 in die Stellung "Ref" ge bracht, so daß das vom Sender 1 abgestrahlte, die Referenz strecke durchlaufende Signal vom Referenzempfänger 14 über den Umschalter 15 zum A/D-Wandler 7 geleitet wird. Das vom A/D-Wandler 7 erzeugte digitale Referenzsignal wird anschlie ßend in einem dem Referenzsignal zugeordneten, vom Adreßraum des Empfangssignals verschiedenen Adreßraum des Empfangsspei chers 8 abgelegt.

Dieser Vorgang kann einmal oder mehrmals wiederholt werden. Bevorzugt werden solange aufeinanderfolgende Meß- und Refe renzsignale im Empfangsspeicher abgelegt, bis dessen Spei cherkapazität erschöpft ist. Durch eine alternierende Meß- und Referenzsignalgewinnung können kurzzeitig auftretende, beispielsweise durch thermische Driftvorgänge verursachte Störungen kompensiert werden. Durch Mittelwertbildungen über die jeweils erfaßten Meß- und Referenzsignalwerte und an schließender Berechnung der Korrelationsfunktion anhand der gemittelten Werte kann die benötigte Rechenzeit im Vergleich zu einer Berechnung der Korrelationsfunktion für jedes erfaß te Wertepaar deutlich verringert werden.

Zur Kompensierung der durch die Elektronikkomponenten verur sachten Laufzeitanteile sind erfindungsgemäß folgende zwei Verfahren möglich:
In einer ersten Ausführungsform wird zunächst gemäß dem be reits beschriebenen Verfahren die Korrelationsfunktion k(t) zwischen den Sende- und Empfangssignalen s(t) und e(t) be stimmt, das Maximum von k(t) berechnet und der zugehörige Zeitwert t_max ermittelt. Anschließend wird die Korrelations funktion k"(t) zwischen dem Sendesignal s(t) und dem Referenzsignal r(t) analog zur Bestimmung der Korrelationsfunkti on k(t) gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt. Von k"(t) wird ebenfalls das Maximum nach einem der beschriebenen Verfahren bestimmt und die zugehörige Laufzeit t"_max, die die Summe der geräteinternen Laufzeiten repräsentiert, berechnet.

Diese Referenzlaufzeit t"_max wird dann von der während des ei gentlichen Meßvorgangs ermittelten Laufzeit t_max subtrahiert, wodurch die bezogen auf die Meßstrecke erhaltene Signallauf zeit von den internen Signallaufzeiten der Meßvorrichtung be freit wird.

Die Bestimmung der Referenzlaufzeit kann entweder in einem separaten Vorgang, beispielsweise beim Einschalten des Gerä tes, oder in beispielsweise periodischen Abständen oder auch jeweils parallel zum eigentlichen Meßvorgang über die Meß strecke erfolgen.

Falls die Signallaufzeit über die Referenzstrecke auch ohne interne Signallaufzeiten nicht Null, sondern einen bestimm ten, bekannten Wert besitzt, kann diese Referenzstreckensi gnallaufzeit dadurch berücksichtigt werden, daß sie nach Be stimmung der Laufzeit t"_max von dieser subtrahiert wird. Das Ergebnis dieser Subtraktion repräsentiert somit ausschließ lich die durch die elektronischen Bauteile bedingte Signal laufzeit der Meßvorrichtung.

Da bei dem beschriebenen Verfahren sowohl zur Bestimmung der Korrelationsfunktion k(t) zwischen dem Sendesignal s(t) und dem Empfangssignal e(t) als auch zur Bestimmung der Korrela tionsfunktion k"(t) zwischen dem Sendesignal s(t) und dem Re ferenzsignal r(t) jeweils eine inverse Fouriertransformation notwendig ist, die insbesondere bei der Verwendung eines gro ßen Interpolationsfaktors erheblich Rechenzeit benötigen, kann durch die folgende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens Rechenzeit eingespart werden:
Anstelle der Korrelationsfunktionen k(t) zwischen dem Sende signal s(t) und dem Empfangssignal e(t) und der Korrelations funktion k"(t) zwischen dem Sendesignal s(t) und dem Refe renzsignal r(t) wird nur die Korrelationsfunktion k'(t) zwi schen dem Empfangssignal e(t) und dem Referenzsignal r(t) ge bildet.

Dazu werden in einem ersten Verfahrensschritt die Fourier transformierten E(f) und R(f) des Empfangssignals e(t) und des Referenzsignals r(t) gebildet.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird das konjugiert kom plexe Spektrum R*(f) berechnet und dieses mit E(f) multipli ziert, so daß sich das Spektrum A'(f) = E(f) × R*(f) ergibt. Alternativ kann auch das konjugiert komplexe Spektrum E*(f) berechnet und dieses mit R(f) multipliziert werden, so daß sich das Spektrum A'(f) zu A'(f) = E*(f) × R(f) ergibt.

A'(f) wird analog zu A(f) behandelt, d. h. bei p/2 in die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) aufgespalten und anschließend symmetrisch mit q Nullen aufgefüllt, so daß K'(f) gemäß fol gender Gleichung erzeugt wird:

K'(f) wird beispielsweise über eine inverse FFT in den Zeit bereich zurücktransformiert, so daß die Korrelationsfunktion k'(t) erzeugt wird. Anschließend wird das Maximum der Korre lationsfunktion k'(t) durch eines der oben angegebenen Ver fahren, d. h. entweder durch direkte Berechnung oder durch Kurvenfitting bestimmt und der zu diesem Maximum gehörende Zeitwert t'_max berechnet.

Für den Fall, daß das Referenzsignal r(t) ausschließlich auf grund von geräteinternen Signallaufzeiten gegenüber dem Sen designal s(t) verschoben ist, d. h. daß die Signallaufzeit über die Referenzstrecke gleich Null ist, liefert somit der gefundene Zeitwert t'_max unmittelbar die gewünschte Signal laufzeit, da die im Empfangssignal e(t) enthaltenen, durch die elektronischen Bauelemente bedingten Anteile der Si gnallaufzeit durch die Bildung der Korrelationsfunktion auto matisch eliminiert werden.

Falls die durch die endliche Länge der Referenzstrecke be dingte Signallaufzeit einen von Null verschiedenen, bekannten Wert besitzt, muß dieser zu der über die Korrelationsfunktion k'(t) berechneten Signallaufzeit t'_max addiert werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Referenzzweig nicht aus zusätzlichen elektronischen Komponenten, sondern aus ei nem geschalteten optischen Weg mit optischen Verzögerungsele menten, beispielsweise Lichtfasern, zu bilden. Ferner ist es möglich, das Meßsignal optisch, z. B. mittels Lichtleitfaser soweit geräteintern zu verzögern, daß eine Separation von Meß- und Referenzsignal auf der Zeitebene erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß die verwendeten elektronischen Bauelemente für den Meß- und den Referenzzweig identisch sind, so daß der systematische Fehler, der durch die unterschiedlichen Lauf zeiten in unterschiedlichen elektronischen Bauelementen ver ursacht wird, vollständig eliminiert werden kann.

Durch die Bestimmung der Korrelationsfunktion unmittelbar zwischen dem Empfangssignal und dem Referenzsignal kann der Zeitbedarf zur Bestimmung der Signallaufzeit, insbesondere dadurch, daß nur eine einzige Rücktransformation in den Zeit bereich erforderlich ist, erheblich reduziert werden. Die er findungsgemäße Interpolation der Korrelationsfunktion erlaubt den Einsatz des Korrelationsverfahrens auch in absolut mes senden Geräten mit hohen Genauigkeitsanforderungen. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren in der Ultraschallmeßtech nik für Entfernungs- oder Geschwindigkeitsmeßgeräte einsetz bar.

Da lediglich mit Frequenzen gearbeitet wird, die in der Vi deotechnik gebräuchlich sind, ist die erfindungsgemäße Inter polation der Korrelationsfunktion auch besonders preisgünstig realisierbar. Dabei ist ein weiterer Vorteil, daß das Zeitli neal amplitudenunabhängig gestapelt werden kann und ein sehr hohes S/N-Verhältnis erreichbar ist.

Die Bestimmung der Korrelationsfunktion k'(t) zwischen dem Empfangssignal e(t) und dem Referenzsignal r(t) kann auch un mittelbar im Zeitbereich zwischen den im Empfangs- und Refe renzadreßraum des Speichers 8 gespeicherten Signalen erfol gen. Dazu wird jeweils die Summe der Produkte gegenüberlie gender Stützstellenwerte der beiden Signale berechnet und ge speichert, woraufhin eines der gespeicherten Signale, bei spielsweise das im Referenzadreßraum des Speichers 8 gespei cherte Signal um ein Abtastintervall bzw. einen Funktionswert verschoben wird und die genannte Summe wiederum berechnet und gespeichert wird. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis alle Werte der auf diese Weise berechneten Korrelationsfunk tion vorliegen. Die Anzahl der Verschiebe-, Produkt- und Sum menbildungsschritte hängt dabei von der Frequenz des Taktge nerators 9 und der Länge der Meßstrecke ab.

Für die auf diese Weise berechnete Korrelationsfunktion wird in der beschriebenen Weise das Maximum bestimmt und daraus die zu bestimmende Signallaufzeit berechnet. Dabei sind sämt liche beschriebenen Verfahrensschritte, die nicht offensicht lich die Bestimmung der Korrelationsfunktion im Frequenzbe reich voraussetzen, bei der Bestimmung der Korrelationsfunk tion im Zeitbereich anwendbar.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Signallaufzeit über eine zwischen einer Meßvorrichtung und einem reflektierenden Objekt (3) angeordnete Meßstrecke, bei dem
ein in der Meßvorrichtung enthaltener Sender (1) ein mo duliertes Signal s(t) über die Meßstrecke sendet, das von einem in der Meßvorrichtung enthaltenen Empfänger (4) empfangen, in ein Empfangssignal e(t) gewandelt und in der Meßvorrichtung ausgewertet wird,
zwischen den Sende- und Empfangssignalen s(t) und e(t) eine Korrelationsfunktion k(t) gebildet wird, indem die Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) in den Fre quenzbereich transformiert werden, im Frequenzbereich das Spektrum K(f) der Korrelationsfunktion k(t) aus den Spektren S(f) und E(f) der Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) berechnet und anschließend durch Rück transformation in den Zeitbereich die Korrelationsfunk tion k(t) bestimmt wird,
das Maximum k_max = k(t_max) der Korrelationsfunktion k(t) ermittelt wird,
t_max zur Bestimmung der Signallaufzeit ausgewertet wird,
zur Bildung des Spektrums K(f) der Korrelationsfunktion k(t) das Produkt A(f) aus dem Spektrum E(f) und dem kon jugiert komplexen Spektrum S*(f) bzw. aus dem Spektrum S(f) und dem konjugiert komplexen Spektrum E*(f) gebil det wird und
das Spektrum A(f) symmetrisch bezüglich der Frequenz f in die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) aufgespalten wird und zwischen die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) q = (i × p) - p Amplitudenwerte w_j (1 ≦ j ≦ q) eingefügt werden, wobei i den ganzzahligen Interpolationsfaktor darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auszusendende Signal s(t) in Form von p (p < 0) Digitalwerten in einem Sendespeicher (6) abgelegt wird, daß die gespeicherten Digitalwerte sequentiell ausgele sen und einem mit einem Steuertaktsignal beaufschlagten, den Sender (1) ansteuernden D/A-Wandler (5) zugeführt werden, daß das Empfangssignal e(t) einem mit dem Steu ertaktsignal beaufschlagten A/D-Wandler (7) zugeführt wird, daß die von dem A/D-Wandler (7) gelieferten Werte in einem Empfangsspeicher (8) abgelegt werden und daß die Spektren S(f) und E(f) aus den im Sende- (6) und im Empfangsspeicher (8) gespeicherten Signalen s(t) und e(t) berechnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß t_max als zu bestimmende Signallaufzeit verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum K(f) der Korrelationsfunktion k(t) ge mäß der Gleichung
gebildet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingefügten Amplitudenwerte w_j im wesentlichen gleich groß sind.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß w_j = 0 und das Spektrum K(f) der Korrelationsfunkti on k(t) gemäß der Gleichung
gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation in den Frequenzbereich durch eine Fouriertransformation, insbesondere durch eine schnelle Fouriertransformation erzielt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücktransformation in den Zeitbereich durch eine inverse Fouriertransformation, insbesondere durch eine inverse schnelle Fouriertransformation erzielt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Interpolationsfaktor i zwischen 1 und 2ⁿ gewählt wird, wobei n die Auflösung des Gesamtsystems in Bits darstellt und diese insbesondere mit der Auflösung des D/A-Wandlers (5) bzw. des A/D-Wandlers (7) gleichgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der Korrelationsfunktion k(t) durch ein Kurvenfitting-Verfahren bestimmt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein insbesondere quadratisches Polynom p(t) ermit telt wird, dessen Abstand bzw. das Quadrat des Abstandes zur Korrelationsfunktion k(t) im Bereich von k_max minimal ist und dessen Maximum p_max = p(t_max/pol) bestimmt wird, wo bei t_max/pol anstelle von t_max zur Bestimmung der Signal laufzeit ausgewertet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Polynomberechnung drei oder mehr Werte von k(t) verwendet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des Polynoms p(t) das Maximum k_max so wie die zu diesem Maximum benachbart angeordneten Funk tionswerte k(t_max - 1) und k(t_max + 1) verwendet werden.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als auszusendendes Signal s(t) Rechteck-Tmpulsfolgen jeweils vorgegebener Zeitdauer und großer Bandbreite verwendet werden.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der in der Meßvorrichtung erfolgenden Be rechnung der Signallaufzeit aus den Signalen s(t) und e(t) eine Signalaussendung unterbleibt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal s(t) und/oder e(t) vor der Berechnung der Korrelationsfunktion k(t) in ein um den Wert Null bipo lares Signal gewandelt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das auszusendende Signal ein Signal der Form ge wählt wird, daß die ermittelte Korrelationsfunktion k(t) achsensymmetrisch zu ihrem Maximum k_max verläuft.

18. verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als auszusendendes Signal s(t) ein Lichtsignal, ein Ultraschallsignal oder ein Mikrowellensignal verwendet wird.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das auszusendende Signal s(t) vom Sender (1) zusätz lich über eine Referenzstrecke bekannter oder vernach lässigbar kleiner Länge gesendet wird und für die Er mittlung der Länge der Meßstrecke die Differenz der Si gnallaufzeiten über die Meß- und Referenzstrecke berück sichtigt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das über die Referenzstrecke empfangene Referenzsi gnal r(t) einem mit dem Steuertaktsignal beaufschlagten A/D-Wandler (7) zugeführt wird und daß die von dem A/D- Wandler gelieferten Werte in einem Referenzempfangsspei cher (8) abgelegt werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal e(t) und das Referenzsignal r(t) wechselweise, insbesondere über einen Umschalter (15) dem gleichen A/D-Wandler zugeführt werden und in unter schiedlichen Adreßbereichen des Empfangsspeichers (8) abgelegt werden.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der Signallaufzeit anstelle des Si gnals s(t) das über die Referenzstrecke empfangene Refe renzsignal r(t) verwendet wird, insbesondere daß das Spektrum R(f) aus den im Referenzempfangsspeicher (16) gespeicherten Referenzsignalen r(t) berechnet, das Pro dukt A'(f) = E(f) × R*(f) bzw. A'(f) = E*(f) × R(f) be stimmt, das Spektrum K'(f) gemäß der Gleichung
gebildet und durch Rücktransformation in den Zeitbereich die Korrelationsfunktion k'(t) bestimmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum k'_max = k'(t'_max) der Korrelationsfunktion k'(t) ermittelt wird und t' als zu bestimmende Si gnallaufzeit verwendet wird.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Bestimmung der Signallaufzeit zusätzlich zur Verarbeitung des Emgfangssignals e(t) das über die Refe renzstrecke empfangene Referenzsignal r(t) entsprechend verarbeitet wird, insbesondere daß das Spektrum R(f) aus den im Referenzempfangsspeicher (16) gespeicherten Refe renzsignalen r(t) berechnet, das Produkt
A"(f) = S(f) × R*(f) bzw. A"(f) = S*(f) × R(f) bestimmt, das Spektrum K"(f) gemäß der Gleichung
gebildet und durch Rücktransformation in den Zeitbereich die Korrelationsfunktion k"(t) bestimmt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum k_max = k(t_max) der Korrelationsfunktion k(t) sowie das Maximum k"_max = k"(t"_max) der Korrela tionsfunktion k"(t) ermittelt werden und die Differenz Δt_max = |t_max - t"_max| als zu bestimmende Signallauf Zeit ver wendet wird.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung des Senders (1) vor dem Aus senden einer Impulsfolge über die Meßstrecke auf einen vorgegebenen Mittelwert, insbesondere auf die halbe Ma ximalleistung des Senders (1) eingeregelt wird.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelfunktion während des Aussendens einer Im pulsfolge über die Meßstrecke, insbesondere durch das Umschalten der Zeitkonstante eines entsprechenden Regel kreises außer Betrieb gesetzt wird.

28. Meßvorrichtung zur Bestimmung der Signallaufzeit über eine Meßstrecke mit einem Sender (1) zur Aussendung ei nes modulierten Sendesignals s(t), einem Empfänger (4) zum Empfang des von einem Objekt (3) reflektierten Sen designals, einer Auswerteschaltung zur Verarbeitung des vom Empfänger (4) erzeugten Empfangssignals e(t) insbe sondere mittels eines Verfahrens nach einem der vorher gehenden Ansprüche, einem Sendespeicher (6) zum Spei chern des auszusendenden Signals s(t) in Form von Digi talwerten, einem vom Sendespeicher (6) beaufschlagten und den Sender (1) ansteuernden D/A-Wandler (5), einem mit dem Empfangssignal e(t) beaufschlagten A/D-Wandler (7), einem Empfangsspeicher (8) zum Speichern der von dem A/D-Wandler (7) gelieferten Werte und einen den D/A- Wandler (5) und den A/D-Wandler (7) mit jeweils dem identischen Steuertaktsignal beaufschlagenden Taktgeber (9), wobei die Auswerteschaltung mit Mitteln (10) zur Transformation der Sende- und Empfangssignale s(t) und e(t) in den Frequenzbereich, zur Bildung des Spektrums K(f) einer Korrelationsfunktion k(t) zwischen den im Sende- (6) und im Empfangsspeicher (7) gespeicherten Si gnalen s(t) und e(t), zur Rücktransformation des Spek trums K(f) in den Zeitbereich und zur Ermittlung des die zu bestimmende Laufzeit t_max repräsentierenden Maximums k_max = k(t_max) der Korrelationsfunktion k (t) versehen ist, und wobei zur Bildung des Spektrums K(f) der Korrelati onsfunktion k(t) das Produkt A(f) aus dem Spektrum E(f) und dem konjugiert komplexen Spektrum S*(f) bzw. aus dem Spektrum S(f) und dem konjugiert komplexen Spektrum E*(f) gebildet wird und das Spektrum A(f) symmetrisch bezüglich der Frequenz f in die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) aufgespalten wird und zwischen die Teilspektren A₁(f) und A₂(f) q = (i × p) - p Amplitudenwerte w_j (1 ≦ j £ q) eingefügt werden, wobei i den ganzzahligen Interpo lationsfaktor darstellt.

29. Meßvorrichtung nach Anspruch 28, gekennzeichnet durch einen am Ende einer Referenzstrecke angeordneten und mit der Auswerteschaltung koppelbaren Referenzempfänger (14) zur Erzeugung eines Referenzsignals r(t).

30. Meßvorrichtung nach Anspruch 29, gekennzeichnet durch einen von dem Referenzsignal r(t) und dem Steuertaktsi gnal beaufschlagten A/D-Wandler (7), durch einen Refe renzempfangsspeicher (8) zum Speichern der von dem A/D- Wandler (7) gelieferten Werte und durch Mittel (10) zur Transformation der Referenzsignale r(t) in den Frequenz bereich, zur Bildung des Spektrums K"(f) einer Korrela tionsfunktion k"(t) zwischen den im Empfangs- und im Re ferenzempfangsspeicher (8) gespeicherten Signalen e(t) und r(t), zur Rücktransformation des Spektrums K"(f) in den Zeitbereich und zur Ermittlung des Maximums k"_max = k"(t"_max) der Korrelationsfunktion k"(t).

31. Meßvorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschalter (15) zur wahlweisen Kopplung des Emp fängers (4) und des Referenzempfängers (14) mit der Aus werteschaltung vorgesehen ist.

32. Meßvorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangsspeicher zum Speichern der Empfangs signale e(t) und der Referenzempfangsspeicher zum Spei chern der Referenzsignale r(t) als unterschiedliche Adreßbereiche des Empfangsspeichers (8) ausgebildet sind, dem die Empfangssignale e(t) und die Referenzsi gnale r(t) über denselben A/D-Wandler (7) zugeführt wer den.

33. Meßvorrichtung nach Anspruch 30, 31 oder 32, gekennzeichnet durch Mittel zur Bildung der die zu bestimmende Laufzeit re präsentierenden Differenz Δt_max = |t_max - t"_max|.

34. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Mittel (10) zur Transformation der Sen de- und Empfangssignale s(t) und e(t) in den Frequenzbe reich, zur Bildung des Spektrums K(f) einer Korrelati onsfunktion k(t) zwischen den im Sende- (6) und im Emp fangsspeicher (7) gespeicherten Signalen s(t) und e(t), zur Rücktransformation des Spektrums K(f) in den Zeitbe reich und zur Ermittlung des die zu bestimmende Laufzeit t_max repräsentierenden Maximums k_max = k(t_max) der Korrela tionsfunktion k(t) Mittel (10) zur Transformation der Referenz- und Empfangssignale r(t) und e(t) in den Fre quenzbereich, zur Bildung des Spektrums K'(f) einer Kor relationsfunktion k'(t) zwischen den in einem Referenz empfangsspeicher und im Empfangsspeicher (8) gespeicher ten Signalen r(t) und e(t), zur Rücktransformation des Spektrums K'(f) in den Zeitbereich und zur Ermittlung des die zu bestimmende Laufzeit t'_max repräsentierenden Maximums k'_max = k'(t'_max) der Korrelationsfunktion k'(t) vorgesehen sind.

35. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 27 und/oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprü che 28 bis 34 in einer Reflexionslichtschranke.