Triple-INs KEM Methode

KEM ist ein Kompromiss und eine Kombination aus EM und KM. Zum besseren Verständnis werden EM und KM zuerst erläutert.

Was ist EM?

EM ist die heute praktisch ausschließlich verwendete Messmethode der Pulslaser Entfernungsmessung und auch die einfachste
Es werden nur Zeitpunkte der Durchbrüche durch die Detektionsschwelle („Events“) gemessen. Daher: EM = Event Messung
Amplitudenmessung: 1 bit-A/D-Wandlung mittels Komparator (unvollständige Information)
Rauschpulse sind von Echo-Pulsen nicht zu unterscheiden und ihr Auftreten ist ein Fehler des Sensoreinstellung
Mittelungen können nur zur Steigerung der Genauigkeit verwendet werden
Probleme der EM:

Zu geringe Messgeschwindigkeit für 2D/3D-Anwendungen (Entfernungsprofile und -bilder)
Auswertung von nur einem oder zwei Echopulsen (praktisch keine Mehr-Zielauswertung)
nur einen, selten mehrere Zeitmesskanäle
auf etwa 4,5 NEP begrenzte Empfindlichkeit infolge EM
siehe auch Seite „Nachteil heutiger TOF-Methoden“

Was ist KM?

KM ist die schwierigste aber auch beste Messmethode und wird aus Kostengründen bis heute praktisch überhaupt nicht verwendet
Das Empfängersignal wird mit einer hohen Abtastrate (quasi kontinuierlich) A/D-gewandelt. Daher: KM = Kontinuierliche Messung
Dadurch liegt das Empfängersignal digital vor (annähernd vollständige Information). Sind Rauschpulse enthalten, können diese durch Mittelung vermindert und dann erst mittels SW-Detektionsschwelle ausgewertet werden
Die Empfindlichkeit kann also durch Mittelung erhöht werden
Probleme der KM:

Hohe Samplerate erforderlich
extrem schnelle A/D Wandler erforderlich
hoher Informationsdurchsatz, deshalb hoher Rechenaufwand
technologisch extrem schwierig
hoher Leistungsverbrauch,
teure Komponenten.

KM ist z.Z. aus technischen und Kostengründen nicht verwendbar.

Was sollte oder könnte also an der EM verbessert werden und wäre das erforderlich?

Erhöhung der Empfindlichkeit und/oder Erhöhung der Messgeschwindigkeit für 2D/3D,
Mehr-Echo Auswertung
Verbesserung der Absolutgenauigkeit
Messung mit verschmutzter Abdeckscheibe
Messung in Staub, Schnee und Regen
Messung von örtlich aufgelösten Zielen wie Nebel oder Staub
Reduzierung der Baugröße
diese Forderungen sollten zu niedrigeren oder gleichen Kosten wie mit EM und eingeschränktem Funktionsumfang erfüllt werden!

Gesucht ist also eine Kombination aus der KM und der EM Methode, die die genannten technischen Vorteile bringt! Die Lösung wird als „KEM“ Methode bezeichnet.

KEM Methode

In KEM werden die besten Eigenschaften der EM und KM Methode auf vorteilhafter Weise vereinigt:

Aus EM:

Bewertung des Receiver Ausgangssignals mit 1bit A/D-Wandler (Komparator) und nur Messung der Events

Aus KM:

Detektionsschwelle bis << 4,5 NEP (im Rauschen) und alle Events messen, auch die von Rauschpulsen.

Neu:

Nicht mit konstanter Frequenz sampeln, sondern alle Events messen und speichern. Führt zur sog. Event Liste
Event Liste summieren und zur SW-Amplitude integrieren. Dabei werden Signale vom Rauschen frei gestellt
Mit SW-Detektionsschwelle die SW-Events aus der SW-Amplitude bestimmen (wie bei EM nur jetzt im SW-Bereich) und daraus die Entfernungen errechnen
Viele Zeitmesskanäle als Array im Timing IC integrieren. Damit werden simultane Messungen ermöglicht und die Messrate um den Faktor der Breite des Receiver Arrays erhöht

Visualisierung der KEM Methode

Verarbeitung im KEM IC (1 Kanal):

Analoges Eingangssignal in das KEM IC

Digitisiertes Signal

Events; positive Nadeln: up-Events

negative Nadeln: dw-Events

Verarbeitungssequenz zusammengefasst:

analoger Signalpuls

Signalpuls mit Rauschen überlagert

digitisiertes Signal plus Rauschen integriert

10 integrierte Signale summiert

100 integrierte Signale summiert

1000 integrierte Signale summiert

SW-Events sind als Pfeile markiert.

Umsetzung in verwendbare KEM Technologie

Triple-IN hat die KEM-Methode in Module eines Meßsystems umgesetzt, die als Basis für praktisch alle Arten von vorhandenen und vielen neuen Pulslaser Sensortypen verwendet werden können. Das erste Resultat war ein Chip Set zur parallelen Auswertung von Distanzmessungen in 4 Zeitmesskanälen mit Meßschwellen, die weit unter 4,5 NEP liegen können.

Der KEM Chip Set umfasst:

KEM-4 IC
KEM-4-CPLD zur Messablaufkontrolle
ICs des μ-Prozessorsystems

Mit der KEM-Firmware wird aus einer Platine mit dem KEM Chip Set der KEM-Messkern. Er ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Messrate. Damit wird insbesondere die Aufnahme von Entfernungsprofilen und Entfernungsbildern mit 2D- und 3D-KEM Sensoren verbessert.

Weitere Alpha-Stage und Prototypen basic Module und Sensoren werden in der Sektion "Angebot" dargestellt.

Verifikation des KEM ICs

Reale Messungen werden mittels berechneter Inputsignalproben simuliert, die in Waveforms für einen AWG umgesetzt und auf das KEM IC geleitet werden.

Die im KEM IC pro Messung gespeicherte Event Liste wird extern mittels einer Evaluation Software ausgewertet und mit dem ursprünglichen Inputsignal verglichen, so dass die komplexe Funktion des KEM-IC für jede messtechnische Situation verifiziert werden konnte.

Mit dem Oszillograph wurde parallel das Ergebnis der KM erzeugt und zum Vergleich gespeichert.

Vergleich KM / KEM

Links oben: Mittelung der Stimulierungssignalproben mit verbessertem S/N bei KM.

Links unten: Stimulierungssignalprobe aus abfallender Serie von Signalpulsen mit Rauschen überlagert.

Rechts oben: Gemittelte SW-Amplitude bei KEM.

Rechts unten: Stimulierungssignalprobe aus abfallender Serie von Signalpulsen mit Rauschen überlagert.

KEM produziert mit viel weniger Information fast das gleiche Signal als SW-Amplitude, wie KM mit der gesamten verfügbaren Information einer Messung. Der Daten-Reduktionsfaktor liegt näherungsweise bei 400.

Das ist Teil von KEMs „Warum“ und „Wie“.