Laser-Entfernungsmessung: Lichtlaufzeit-Prinzip

Ablauf einer Messung

Ein Stromimpuls von einigen zehn Nanosekunden treibt die Laserdiode. Vom Ziel kommt nur ein kleiner Teil des Lichts zurück und trifft über die Empfangsoptik auf die Fotodiode (APD oder SPAD). Die Zeitmessung bestimmt die Differenz zwischen Senden und Empfangen, der Mikrocontroller rechnet sie in eine Distanz um und gibt sie über UART aus.

Ist das Echo schwach, mittelt das Modul über mehr Pulse. Deshalb sinkt die Messrate bei großen Distanzen, im Datenblatt steht dann zum Beispiel "2–20 Hz adaptiv".

Was die Reichweite begrenzt

Das zurückkommende Licht nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab und hängt von Reflexionsgrad und Größe des Ziels ab. Jede Reichweitenangabe gilt deshalb nur mit ihren Bedingungen, etwa 30 % Reflexion, 2,3 m × 2,3 m Ziel, Sichtweite über 10 km. Bei 905 nm begrenzt die Augensicherheit die Pulsenergie; im Katalog reichen 905-nm-Module bis 3 km, 1535-nm-Module bis 18 km.

Genauigkeit und Strahldivergenz

Datenblätter geben die Genauigkeit oft zweistufig an. Beim LR1000E2 sind es ±1 m bis 400 m und ±(1 + 0,001 D) m darüber, bei 1 km also ±2 m.

Der Strahl weitet sich auf. Ein Strahl mit 6 mrad ist bei 100 m etwa 0,6 m breit und bei 1 km etwa 6 m. Ist das Ziel kleiner als der Lichtfleck, geht Energie daneben, und Reichweite wie Genauigkeit sinken.

Nebel, Regen, dunkle Ziele

Nebel und Regen streuen den Puls und können ein frühes Echo aus der Luft erzeugen, das als zu kurzer Messwert erscheint. Eine Filterung in der Software fängt das ab. Dunkle und nasse Oberflächen reflektieren wenig, die erreichbare Distanz liegt dort deutlich unter dem Datenblattwert.

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