2.5.2 Laufzeit-Messverfahren

 
Bei diesen Verfahren besteht durchgehend eine lineare Beziehung zwischen erfasster Grösse und Distanz. Das heisst, dass zumindest die Auflösung theoretisch über den ganzen Messbereich konstant verläuft. Sie wird aber schlussendlich durch die Auflösung und Genauigkeit der entsprechenden Messeinrichtungen bestimmt (Zeit-Spannungs-Wandler oder Phasendiskriminator). Dadurch können die Verfahren nur beschränkt der gegebenen Distanz angepasst werden. Dafür erlauben diese Verfahren ein absolutes Messen der Entfernung.

Impuls versus Phasen-Laufzeitmessung

nach [1 ii)] [20] [21]
 

	Puls-Laufzeitmessung	Phasen-Laufzeitmessung
Eingangsleistung des Senders	5W	5mW
Empfängerbandbreite	500MHz	500Hz
SNR des Empfängers	15	15
Signalform	Pulsanstiegszeit 5ns	Modulationsfrequenz 32MHz
Genauigkeit	s r = 0.05m × n1/2	s r = 0.05m × n1/2

 

Diese Tabelle vergleicht die beiden Verfahren anhand typischer Kenndaten [20], falls für beide Systeme die gleiche Genauigkeit gefordert wird.

Wenn die Gleichungen (2-14) und (2-18) verglichen werden, so ist ersichtlich, dass für das Impuls- wie für das Phasen-Laufzeitverfahren die gleiche Genauigkeit erreicht wird, wenn die Pulsanstiegszeit der Flanke im Nulldurchgang der Modulationsfrequenz entspricht. Demnach gilt für dieselben vorherrschenden Bedingungen (SNR, Anzahl Messungen) [20]:

 (2-28)

Dabei muss zusätzlich berücksichtigt werden, dass beide Systeme mit der gleichen optischen Leistung arbeiten. Der Impulsspitzenwert ist daher rund dreimal grösser, als die Amplitude der Modulationsfrequenz. Durch das bessere Signal-Rausch-Verhältnis kann daher mit dem Impuls-Laufzeitverfahren die längere Distanz gemessen werden. Für die Phasen-Laufzeitmessung muss eine Leistungssteigerung vorgenommen werden, um die gleiche Entfernung zu erreichen. Dem wird jedoch eine Grenze durch die bestehenden Industrienormen (Laserschutzklassen) gesetzt.

Bei der Impuls-Laufzeitmessung kann bereits mit einem einzelnen Impuls die Distanz eindeutig mit cm-Genauigkeit gemessen werden. Dies kann aber für kurze Distanzen - 1mm Messdistanz entspricht einer Laufzeit von 6.66ps - einen erheblichen technischen Aufwand bedeuten. Die Phasen-Laufzeitmessung gestaltet sich in diesem Punkt einfacher, obwohl Messungen mit zwei verschiedenen Frequenzen notwendig sind, um ein eindeutiges Ergebnis zu erlangen.
 
Hybrid-Modulation versus Phasen-Laufzeitmessung

Die Hybrid-Modulation entstand zum einen aus dem Wunsch, ein Verfahren zu haben, welches die negativen Eigenschaften der Phasen-Laufzeitmessung behebt, zum anderen auch die Möglichkeit bietet, gleichzeitig die Geschwindigkeit eines Objekts zu messen. Auf den zweiten Punkt wird hier nicht eingegangen.

Die Signalerzeugung bei der Hybrid-Modulation erfordert einen erhebliche Mehraufwand, verglichen mit der Phasen-Laufzeitmessung. Sie benötigt lediglich einen stabilen Sinus-Generator. Für die Erzeugung eines Chirp-Signals hingegen ist ein spannungskontrollierter Oszillator (VCO) mit hoher Linearität erforderlich, da dieser die Genauigkeit des Systems mitbestimmt. Es kommt die Schwierigkeit hinzu, dass die Frequenzen im MHz - Bereich liegen.

Das Problem bei der Phasen-Laufzeitmessung sind die unerwünschten Streuungen, die vor allem bei der Reflexion des Signals am Objekt auftreten^xxiv. Diese zwar kleinen Amplituden haben durch ihre Phasenverschiebung (kann rund 1° erreichen) einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtmessung. Wird jedoch, wie beim Chirp-Signal, ein breites Spektrum verwendet, treten diese Probleme nicht mehr auf.

Was die Reichweite anbelangt, so ist sie bei beiden Verfahren ähnlich gelagert. Daher besitzt die Hybrid-Modulation in diesem Punkt den gleichen Nachteil gegenüber der Impuls-Laufzeitmessung.
 
Interferometrie