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Die Erfindung betrifft ein System zur optischen Entfernungsmessung mittels elektromagnetischer Strahlen vom Ultraviolett- bis in den Infrarotbereich, beispielsweise mittels Laserstrahlen, mit mindestens einem Sender und einem Empfänger, die jeweils einen photoelektrischen Wandler aufweisen, wobei eine Messung nach einem Impulslaufzeitverfahren und eine Messung nach einem Phasenmessverfahren durchgeführt wird.
Aus der DE-AS 1773287 ist eine Kombination einer Phasen-Feinmessung mit einer an sich bekannten Grobmessung unter Zuhilfenahme der Korrelationsmesstechnik bekanntgeworden. In der Fachliteratur wird die Methode der empfängerseitigen Impulskompression zur Signalauswertung als eine Art der Optimalfilterung, und diese wieder im weitesten Sinn als formal identisch mit der Korrelationsmesstechnik angesehen.
Die bekannten optischen Radar-Abstandsmessgeräte arbeiten nach dem Dauerstrichprinzip, wenn hohe Genauigkeit gefordert wird und die Messzeitdauer eine untergeordnete Rolle spielt, oder nach dem Impulsprinzip, wenn die Messzeit sehr kurz sein soll und die Ansprüche an die Genauigkeit nicht allzu hoch gestellt sind. Diese typischen Eigenschaften sind darauf zurückzuführen, dass bei Dauerstrichgeräten ein kontinuierlich ausgesandter Lichtstrahl in seiner Intensität sinusförmig moduliert wird und die Abstandsmessung in Form einer Messung der Phasenlage der Modulationsschwingung von Sende- und Empfangssignal zueinander durchgeführt wird. Zum Erzielen hoher Messgenauigkeit ist eine hohe Modulationsfrequenz, zum Erzielen eines hohen Eindeutigkeitsbereiches hingegen eine niedrige Modulationsfrequenz erforderlich.
Insgesamt sind also Phasenmessungen bei mehreren Frequenzen auszuführen, was beträchtliche Zeit erfordert. Einen guten Überblick über die genauere Wirkungsweise und die technische Ausführung derartiger Geräte gibt beispielsweise die Veröffentlichung von H. Zetsche in der Zeitschrift "Vermessung-Mensuration", Heft 9/1972 und Heft 1/1973.
Bei bekannten Impulsgeräten wird der optische Träger nur impulsweise ausgesandt und die Laufzeit zwischen Sende- und Empfangssignal gemessen. Man führt also eine Grobmessung durch. Es werden sehr kurze Messzeiten erreicht, aber auch nur mit beschränkter Genauigkeit, zumal die elektronische Verarbeitung von Impulsen wesentlich schwieriger und fehlerempfindlicher ist als die von Sinussignalen.
Nähere Erläuterungen dazu gibt beispielsweise ein Bericht von J. Riegl in der Zeitschrift "Optik", Heft 1/1976, Seite 217 bis 222.
Die CH-PS Nr. 488196 beschreibt die Kombination von Impuls-Grobmessung und Phasen-Feinmessung, mit der hohe Messgenauigkeit und die Eindeutigkeit des Messwertes bzw. Messergebnisses erzielbar sind.
Von Nachteil ist jedoch, dass dieses bekannte Messsystem nur eine Reichweite besitzt, die durch die Reichweite der zugehörigen Impulsmesseinrichtung bekannt und wesentlich geringer als die Reichweite der Phasenmesseinrichtung ist.
Es gibt aber eine ganze Reihe von Anwendungsfällen, wo sowohl hohe Messgenauigkeit als auch kurze Messzeitdauer bei grosser Reichweite der Messanordnung angestrebt werden. Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein optisches Abstandsmesssystem zu schaffen, bei dem hohe Messgenauigkeit mit geringer Messzeitdauer und grosser Reichweite erzielbar ist.
Gemäss der Erfindung wird bei einem System der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, dass eine Einrichtung zur Impuls-Laufzeitmessung und eine Einrichtung zur Phasenmessung vorgesehen sind, die gegebenenfalls zumindest gemeinsame, elektrooptische Systeme, insbesondere Sendeoptik, Empfangsoptik und photoelektrische Wandler aufweisen, wobei der durch die Impulsmessung ermittelte Messwert einer Auswerteeinrichtung zugeführt ist, die zur Anzeige der durch die Phasenmessung ermittelten Entfernung vorgesehen ist und durch den Messwert aus der Impulsmessung die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung eleminiert bzw. die der tatsächlichen Entfernung zugeordnete Phase der Messung zugrunde legt, und für die Impulsmessung senderseitig eine Impulsexpansionsstufe und empfängerseitig eine Impulskompressionsstufe vorgesehen ist.
Hiedurch kann man beispielsweise trotz der geringen maximalen Sendeleistung einer Halbleiter-Laserdiode eine mindestens gleich grosse Reichweite wie im Dauerstrichverfahren erzielen.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen in einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt. Fig. l zeigt das Blockschaltbild des erfindungsgemässen Entfernungsmess-Systems, Fig. 2 zeigt schematisch die zeitliche Form von Sende- und Empfangssignal und Fig. 3 zeigt das zugehörige Frequenzspektrum.
Das Ausgangssignal eines Sinusgenerators --SG--, der die Frequenz fl abgibt, wird über einen Umschalter --U-- für einen bestimmten Zeitraum an den Sendeverstärker-SV-- geschaltet und dient zur
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sinusförmigen Intensitätsmodulation der Laserdiode --LD--, deren optisches Sendesignal SIN über eine geeignete Sendeoptik --SO-- abgestrahlt wird.
Das vom Zielobjekt reflektierte Empfangssignal RSIN wird über eine Empfangsoptik--EO--auf eine Photodiode --FD-- konzentriert und deren elektrisches Ausgangssignal über ein auf die Frequenz fl abgestimmtes Filter-Fl-geleitet und anschliessend im Verstärker-EV1-verstärkt. Die nachfolgende Phasenmesseinrichtung --PM-- liefert in bekannter Weise einen sehr genauen Messwert für die Entfernung des Zielobjektes, allerdings behaftet mit einer Unbestimmtheit entsprechend der halben Wellenlänge der Modulationsfrequenz fl ; bei einer Frequenz fl von beispielsweise 15 MHz ergibt sich eine Unbestimmtheit der Entfernung um ein ganzzahliges Vielfaches von 10 Meter.
Die zusätzliche Impuls-Laufzeitmessung hat demnach die Aufgabe, den Eindeutigkeitsbereich der beschriebenen Phasen-Feinmessung festzulegen. Grundsätzlich könnte man die Laserdiode --LD-- einfach impulsförmig ansteuern und die zeitliche Verzögerung des Empfangssignals gegenüber dem Sendesignal in an sich bekannter Weise zur Entfernungsmessung auswerten (wie beispielsweise in der Patentschrift Nr. 307762 beschrieben). Wegen der für die Impulsverarbeitung erforderlichen hohen Bandbreite würde sich aber ein gegenüber der Phasenmessung sehr schlechtes Signal-Rausch-Verhältnis und dementsprechend eine geringere Reichweite der Impulsmessung ergeben, was natürlich nicht sinnvoll ist.
Es wird daher durch einen Impulsgenerator-IG--ein sehr kurzer und kräftiger Ansteuerimpuls AI erzeugt, der über ein Expansionsfilter-EF-- an sich bekannter Art (beispielsweise ausgeführt als SAW-Surface Acustic Wave Filter) geschickt und dadurch stark verbreitert wird. Auf diese Weise wird z. B. ein Impuls von 10 Mikrosekunden Länge und einer während der Impulsdauer von f2 = 20 MHz auf f3 = 50 MHz durchgestimmter Frequenz erzeugt. Dieser Impuls gelangt über den Umschalter --U--, den Sendeverstärker--SV--an die Laserdiode --LD-- und wird als expandierter Sendeimpuls ES abgestrahlt.
Dies erfolgt dann, wenn die kontinuierliche Modulation mit der Frequenz fl gerade abgeschaltet ist.
Dieser zeitliche Ablauf ist aus Fig. 2 ersichtlich. Das laufzeitverschobene, optische Empfangssignal RS wird von der Photodiode --FD-- wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt und anschliessend vorverstärkt. Wenn, wie dies erfindungsgemäss der Fall ist, die untere Grenzfrequenz f2 des frequenzmodulierten Impulses höher liegt, als die Frequenz fl des für die Phasenmessung verwendeten Modulationssignals (im gegenständlichen Beispiel fl = 15 MHz, f2 = 20 MHz), erfordert es keine eigene Umschalteinrichtung im Empfangskanal um Phasenmesssignal und Impulssignal voneinander zu trennen ; (Fig. 3) dies erfolgt bereits durch die Filter-Fl- (Schmalbandfilter mit der Mittenfrequenz fl) und F2 (Breitbandfilter mit dem Durchlassbereich f2 f f3).
Das Impuls-Empfangssignal RS wird nun durch den Empfängerverstärker --EV2-- verstärkt und einem, dem Expansionsfilter in geeigneter, bekannter Weise angepassten und ähnlich aufgebauten Kompressionsfilter --KF-- zugeführt, das eine zeitliche Kompression bei gleichzeitiger Erhöhung der Spitzenleistung des Empfangsimpulses RS durchführt. Zwischen komprimiertem Empfangssignal EK und dem vom Impulsgenerator --IG-- ursprünglich abgegebenen Ansteuerimpuls AI ist sodann eine ausreichend genaue Zeitmessung (Messeinrichtung --ZM--) möglich, wobei die erzielbare Reichweite gut mit der Phasenmessung in Übereinstimmung gebracht werden kann.
Die Zeitdauer des komprimierten Empfangsimpulses ist verkehrt proportional der Bandbreite des Sendeimpulses, während die Impulsamplitude mit der Wurzel aus dem Zeit-Bandbreiteprodukt des Sendesignals vergrössert wird. Im konkreten Zahlenbeispiel wird somit der Empfangsimpuls von ursprünglich 10 Mikrosekunden Dauer auf etwa 34 Nanosekunden komprimiert, bei gleichzeitiger Erhöhung der Amplitude um etwa den Faktor 17.
Es ist nunmehr möglich, die durch die Impuls-Messung ermittelten hohen Stellen des Entfernungmesswertes mit den aus der Phasenmessung bestimmten niederen Stellen zu einer Gesamt-Entfernungs- anzeige --EA-- zusammenzufügen.
Da die Impulsmessung keine hohe Genauigkeit aufweisen muss, genügen einige wenige Sendeimpulse zur Messwertgewinnung ; da weiters die Phasenmessung bei nur einer einzigen Frequenz vorgenommen zu werden braucht, reichen zur Messwertgewinnung ebenfalls eine oder nur einige wenige Messperioden.
Insgesamt ist also das Messsystem sowohl schnell als auch genau.
Die gesamte zeitliche Aufeinanderfolge von Impuls-Grobmessung und Phasen-Feinmessung wird, wie in Fig.1 eingezeichnet, von einer geeigneten Steuerzentrale --STZ-- koordiniert. Die einfachste Möglichkeit dazu besteht darin, Impuls- und Phasenmessung einfach alternierend vorzunehmen. Da für die
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Impulsmessung die Aussendung einiger Impulse in schneller Aufeinanderfolge, für die Phasenmessung die Aussendung eines einzigen, möglichst langen Wellenzuges optimale Ergebnisse liefert, wird man beispielsweise so vorgehen, dass jeweils in periodischer Folge eine bestimmte Anzahl expandierter Sendeimpulse und daran anschliessend ein vergleichsweise langer kontinuierlicher Wellenzug zur Phasenmessung ausgestrahlt wird.
Es kann unter Umständen auch zweckmässig sein, entweder nur die Impuls-Grobmessung oder die Phasen-Feinmessung durch geeignete Programmierung der Steuerzentrale vorzuwählen.
Prinzipiell besteht auch durchaus die Möglichkeit, bei trennbar gewählten Frequenzspektren Impulsund Phasenmessung gleichzeitig vorzunehmen ; dies erfordert jedoch ein Verringern der Modulationsamplitude sowohl von Impuls- als auch Dauerstrichaussendung und bedeutet daher eine gewisse Einbusse an Maximalreichweite.
Das bisher beschriebene System betrifft ein Messverfahren nach dem Reflexverfahren, d. h. die vom Sender abgestrahlten Signale werden vom Messobjekt reflektiert und vom Signalempfänger aufgenommen. Es wäre aber auch denkbar, das erfindungsgemässe Verfahren mittels eines Sekundärradarverfahrens (Primärund Sekundärgerät) durchzuführen. Hiebei könnten die vom Sender des Primärgerätes abgestrahlten Impulssignale zur Aktivierung des kontinuierlichen Wellenzuges beim Sender des Sekundärgerätes herangezogen werden. Ebenso ist es denkbar, die durch das Impulsverfahren ermittelte Laufzeit zur Einstellung der (Modulations) frequenz des kontinuierlichen Wellenzuges zur Erzielung äusserst exakter Messergebnisse heranzuziehen. Hiebei müssten aber auch die Filter der Empfangseinrichtungen in ihrer Selektion durchstimmbar sein.
Grundsätzlich ist es erforderlich, dass die Genauigkeit der Impulsmessung grösser ist, als die maximale Wellenlänge der Modulationsfrequenz bei der Phasenmessung. Hiedurch wird dann die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung exakt ausgeschlossen. Zu den Angaben "hoher Stellenwert" und "niederer Stellenwert" sei herausgestellt, dass es sich hiebei nicht zwingend um dekadische Stellenwerte handeln muss.
PATENTANSPRÜCHE :
1. System zur optischen Entfernungsmessung mittels elektromagnetischer Strahlen vom Ultraviolettbis in den Infrarotbereich, beispielsweise mittels Laserstrahlen, mit mindestens einem Sender und einem Empfänger, die jeweils einen photoelektrischen Wandler aufweisen, wobei eine Messung nach einem Impulslaufzeitverfahren und eine Messung nach einem Phasenmessverfahren durchgeführt wird, da-
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U, SV, F2, EV2, KF) und eine Einrichtung zur Phasenmessung (SG, U, SV, Fl, EV1, PM) vorgesehen sind, die gegebenenfalls zumindest gemeinsame elektrooptische Systeme, insbesondere Sendeoptik (SO), Empfangsoptik (EO) und photoelektrische Wandler (LD, FD) aufweisen, wobei der durch die Impulsmessung ermittelte Messwert einer Auswerteeinrichtung (ZM, EA) zugeführt ist,
die zur Anzeige der durch die Phasenmessung ermittelten Entfernung vorgesehen ist und durch den Messwert aus der Impulsmessung die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung eliminiert bzw. die der tatsächlichen Entfernung zugeordnete Phase der Messung zugrunde legt, und für die Impulsmessung senderseitig eine Impulsexpansionsstufe (EF) und empfängerseitig eine Impulskompressionsstufe (KF) vorgesehen ist.