CH695516A5 - Optoelectronic distance measurement in construction and plant engineering industry, involves modulating optical intensities of main and reference emitters, and determining phase of resultant signals simultaneously - Google Patents

Optoelectronic distance measurement in construction and plant engineering industry, involves modulating optical intensities of main and reference emitters, and determining phase of resultant signals simultaneously Download PDF

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CH695516A5 CH00199/01A CH1992001A CH695516A5 CH 695516 A5 CH695516 A5 CH 695516A5 CH 00199/01 A CH00199/01 A CH 00199/01A CH 1992001 A CH1992001 A CH 1992001A CH 695516 A5 CH695516 A5 CH 695516A5
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Abstract

Optical intensities of main emitter (1) and reference emitter (2) are modulated simultaneously at different frequencies (f1,f2). The resultant frequencies are converted to intermediate frequency (IF) components (fzF1,fzF2). The separation of the phase information between the IF component is determined based on modulated difference frequencies (f1-f2) and IF difference frequencies (f(zF1)-f(zF2)). An independent claim is also included for optoelectronic distance measurement device.

Description

CH 695 516 A5 CH 695 516 A5

Beschreibung description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Entfernungsmessung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. eine auf dem Verfahren basierende Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 12. The invention relates to a method for optoelectronic distance measurement according to the preamble of patent claim 1 and a device based on the method according to the preamble of claim 12.

[0002] Die optoelektronische Messung von Distanzen bis zu 100 m mit Genauigkeiten von wenigen Millimetern hat für zahlreiche Anwendungen, insbesondere in der Bauindustrie und im Anlagenbau, Bedeutung erlangt. Die Dynamik derartiger Entfernungsmesssysteme sollte möglichst hoch sein, um sowohl sehr schwache als auch starke Signale verarbeiten zu können. Hierdurch wird die Verwendung definierter Zielmarken am Objekt, dessen Distanz von einem Beobachtungsort aus bestimmt werden soll, überflüssig. Die Möglichkeit der direkten Distanzmessung an bestimmten Oberflächen, d.h. ohne den Einsatz von Zielmarken, ermöglicht insbesondere in den genannten Branchen reduzierte Fertigungszeiten und Kosteneinsparungen bei gleichzeitiger Verringerung der Fertigungstoleranzen. The optoelectronic measurement of distances up to 100 m with accuracies of a few millimeters has become important for numerous applications, especially in the construction industry and in plant construction. The dynamics of such distance measuring systems should be as high as possible in order to be able to process both very weak and strong signals. This eliminates the need to use defined targets on the object whose distance is to be determined from an observation location. The possibility of direct distance measurement on certain surfaces, i. without the use of target brands, it enables reduced production times and cost savings, in particular in the sectors mentioned, while at the same time reducing manufacturing tolerances.

[0003] Verfahren und Vorrichtungen zur genauen optoelektronischen Distanzmessung sind bekannt. In den meisten Fällen wird dabei, wie auch im Falle der Erfindung, ein vorzugsweise sinusförmig intensitätsmoduiierter Strahl einer Lichtquelle, insbesondere einer Laserdiode auf ein Messobjekt gerichtet. Das vom Messobjekt zurückgestreute intensi-tätsmodulierte Licht wird von einer Photodiode detektiert. Die zu messende Distanz ergibt sich aus der Phasenverschiebung der vom Messobjekt zurückgestreuten sinusförmig modulierten Lichtintensität in Bezug zur emittierten Lichtintensität der Lichtquelle. Methods and apparatus for accurate optoelectronic distance measurement are known. In most cases, as in the case of the invention, a preferably sinusoidally intensity-modulated beam of a light source, in particular a laser diode, is directed onto a measurement object. The intensity-modulated light backscattered by the measurement object is detected by a photodiode. The distance to be measured results from the phase shift of the sinusoidally modulated light intensity backscattered by the measurement object in relation to the emitted light intensity of the light source.

[0004] Ein Hauptproblem bei hochgenauen Distanz- bzw. Phasenmesssystemen der genannten Art ist die Eliminierung von temperatur- und alterungsabhängigen parasitären Phasenänderungen der Lichtquelle, also insbesondere im Laserdiodensender und/oder im Photodiodenempfänger. Um diesem Problem zu begegnen sind verschiedene Verfahren bekannt. A major problem with highly accurate distance or phase measurement systems of the type mentioned is the elimination of temperature and age-dependent parasitic phase changes of the light source, ie in particular in the laser diode transmitter and / or in the photodiode receiver. To address this problem, various methods are known.

[0005] Eine in der Druckschrift EP 0 701 702 B1 beschriebene Möglichkeit ist der Einsatz einer mechanisch umschaltbaren Referenzstrecke. Dabei wird ein intensitätsmoduiierter Laserstrahl bei einer ersten Messung zunächst auf das Messobjekt und bei einer zweiten Referenzdistanzmessung über einen verkippbaren Spiegel direkt auf den Photoempfänger geleitet. Durch Subtraktion der gemessenen Phasen sollen Temperatur- und Alterungseinflüsse der Bauteile eliminiert werden. Da bei der abwechselnden Distanz- und Referenzdistanzmessung jedoch mit stark unterschiedlichen optischen Empfangsleistungen zu rechnen ist, wird ein hieraus hervorgehender Messfehler nicht beseitigt. Ein wesentlicher Nachteil dieses Konzepts ist auch der Einsatz beweglicher mechanischer Komponenten, wodurch die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des gesamten Messsystems eingeschränkt werden. A possibility described in the publication EP 0 701 702 B1 is the use of a mechanically switchable reference path. In this case, an intensity-modulated laser beam is first directed at the measurement object during a first measurement and, via a tiltable mirror, at a second reference distance measurement directly onto the photoreceiver. By subtracting the measured phases, temperature and aging effects of the components should be eliminated. However, since the measurement of the distance and the reference distance varies widely with different optical reception powers, a resulting measurement error is not eliminated. A major disadvantage of this concept is also the use of movable mechanical components, which limits the reliability and life of the entire measuring system.

[0006] Andere bekannte in DE 19 643 287 A1 beschriebene Entfernungsmessgeräte der hier in Rede stehenden Art arbeiten mit einem Referenzphotoempfänger und einem Hauptphotoempfänger. Dabei wird ein Teil des intensitätsmodu-lierten Laserlichts auf das Messobjekt und von dort auf den Hauptphotoempfänger und ein vom Laserlichtstrahl getrennter anderer Teil direkt auf den Referenzphotoempfänger geleitet. Da der Referenzphotoempfänger bei einer Messung ständig beleuchtet ist, wird kein beweglicher mechanischer Umschalter benötigt. Bei diesem Konzept wird zwar der Phasengang des Laserdiodensenders eliminiert, nicht jedoch das zeitlich veränderliche Phasenverhalten der Empfangskomponenten, welches für den Mess- und Referenzmesszweig im Allgemeinen verschieden ist. Ausserdem ist auch bei Entfernungsmessgeräten dieser Art mit stark unterschiedlichen Empfangsleistungen in beiden Zweigen zu rechnen, woraus weitere Phasenfehler resultieren. Other known distance measuring devices described in DE 19 643 287 A1 of the type in question here operate with a reference photoreceiver and a main photoreceiver. In this case, part of the intensity-modulated laser light is directed onto the test object and from there to the main photoreceiver and a separate part separated from the laser light beam directly onto the reference photoreceiver. Since the reference photoreceiver is constantly illuminated during a measurement, no moving mechanical switch is required. In this concept, although the phase response of the laser diode transmitter is eliminated, but not the time-varying phase behavior of the receiving components, which is generally different for the measuring and Referenzmesszweig. In addition, even with distance measuring devices of this type with very different reception powers in both branches to be expected, resulting in further phase errors.

[0007] Bei einer weiteren Art einer bekannten optoelektronischen Distanzmessvorrichtung (vgl. US-4 403 857), die den Ausgangspunkt für die hier zu beschreibende Erfindung bildet, werden zwei Laseremitter und zwei Photodiodenempfänger verwendet, um die genannten Phasenfehler zu eliminieren. Wie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 12 im Einzelnen angegeben, wird bei diesem Gerät ein Teil der intensitätsmodulierten Leistung eines Hauptlichtemitters direkt auf das Messobjekt gerichtet, von wo aus es als Streulicht auf einen Hauptphotoempfänger gelangt. Ein weiterer Teil dieser Sendeleistung wird über eine genau bekannte erste Referenzdistanz auf einen Referenzphotoempfänger geleitet. Weiterhin ist ein Referenzlichtemitter vorhanden, dessen Abgabeleistung ebenfalls intensitätsmoduliert ist und von der ein Teil über eine zweite Referenzdistanz auf den Hauptphotoempfänger gelangt, während ein anderer Teil über eine dritte Referenzdistanz direkt auf den Referenzphotoempfänger geführt wird. In another type of known opto-electronic distance measuring device (see US-4,403,857), which forms the starting point for the invention to be described here, two laser emitters and two photodiode receivers are used to eliminate said phase errors. As stated in detail in the preambles of claims 1 and 12, in this device, a part of the intensity modulated power of a main light emitter is directed directly to the measurement object, from where it comes as a scattered light on a main photoreceiver. Another part of this transmission power is routed via a well-known first reference distance to a reference photoreceiver. Furthermore, a reference light emitter is present whose output power is also intensity-modulated and from a part passes through a second reference distance to the main photoreceiver, while another part is passed over a third reference distance directly to the reference photoreceiver.

[0008] Der Haupt- und der Referenzlichtemitter werden über einen elektronischen Umschalter zeitlich nacheinander aktiviert. Dieses Messprinzip erfordert keine mechanischen Umschalter. Zudem werden temperatur- und alterungsbedingte Phasenänderungen sowohl in der Sende- als auch in der Empfangseinheit vollständig eliminiert. Da aber bei den Messungen mit den Signalen des Haupt- und Referenzlichtemitters mit erheblichen Empfangsleistungsunterschieden zu rechnen ist, werden die sich hieraus ergebenden Phasenfehler auch bei dem diesem bekannten Entfernungsmessgerät zugrundeliegenden Konzept nicht beseitigt. Empfangsleistungsabhängige Phasenfehler machen sich vor allem bei Avalanche-Photodioden (APD) stark bemerkbar, die wegen anderer Vorteile als Hauptempfänger bevorzugt werden. Bei hohen Verstärkungen kommt es hier mit steigender Leistung allmählich zu Sättigungseffekten, wodurch die Avalanche-Verstärkung abhängig wird von der empfangenen Leistung. Somit entsteht zusätzlich eine leistungsabhängige Phasendrehung bei Empfang hochfrequent modulierter optischer Strahlung. Ausserdem variiert mit der Empfangsleistung die generierte Ladung in der Sperrschicht der APD, wodurch die Sperrschichtweite und damit auch die Sperrschichtkapazität beeinflusst wird. Mit der Sperrschichtkapazität ändert sich das Phasenverhalten des durch sie gebildeten Tiefpasses. Bei hohen APD-Verstärkungsfaktoren kann hierdurch bei einer Empfangsleistungsvariation von zwei Grössenordnungen eine Phasendrehung von in der Regel grösser als 5° hervorgerufen werden. The main and the reference light emitter are activated in chronological succession via an electronic switch. This measurement principle does not require mechanical switches. In addition, temperature and aging-related phase changes are completely eliminated both in the transmitting and in the receiving unit. Since, however, the measurements with the signals of the main and reference light emitter are to be expected to result in considerable differences in received power, the resulting phase errors are not eliminated even in the concept underlying this known distance measuring device. Receive power-dependent phase errors are particularly noticeable in avalanche photodiodes (APD), which are preferred because of other advantages as the main receiver. At high gains, saturation effects gradually increase with increasing power, which makes the avalanche gain dependent on the received power. Thus arises in addition a power-dependent phase rotation when receiving high-frequency modulated optical radiation. In addition, with the received power, the generated charge in the junction of the APD varies, thereby affecting the junction width and hence the junction capacitance. With the junction capacitance, the phase behavior of the low-pass filter formed by it changes. With high APD amplification factors, a phase rotation of usually greater than 5 ° can thereby be produced with a reception power variation of two orders of magnitude.

[0009] Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmessverfahren und eine nach diesem Verfah- The invention is therefore based on the object of providing a distance measuring method and a method according to this method.

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ren arbeitende Vorrichtung anzugeben, mit denen sich eine hochgenaue Distanzmessung erreichen iässt und die vollständig unabhängig ist von temperatur-, alterungs- und empfangsleistungsabhängigen Phasenfehlern. Auf mechanische oder elektronische Umschalter soll verzichtet werden und die Gesamtmesszeit zur Gewinnung zuverlässiger Messergebnisse soll deutlich verkürzt werden. specify ren operating device with which a highly accurate distance measurement urse and which is completely independent of temperature, aging and receiving power-dependent phase errors. Mechanical or electronic switches should be dispensed with and the overall measuring time for obtaining reliable measurement results should be significantly shortened.

[0010] Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur optoelektronischen Entfernungsmessung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensitäten des Haupt- und des Referenzemitters mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig moduliert werden, wobei die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signalgemische, die jeweils einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Hauptemitters als auch einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Referenzemitters enthalten, jeweils in einen Zwischenfrequenzbereich konvertiert werden, der zwei Frequenzanteile enthält, wobei der eine Frequenzanteil mit dem Signal des Referenzemitters und der andere Frequenzanteil mit dem Signal des Hauptemitters gebildet wird, und dass zur vergleichenden Signalauswertung die Separation der in den beiden simultan anfallenden Zwischenfrequenzsignalen enthaltenen Phaseninformation aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen im Zwischenfrequenzbereich und der unterschiedlichen Modulationsfrequenz für die Intensitätsmodulation von Haupt- und Referenzstrahl erfolgt. The invention is in a method for optoelectronic distance measurement according to the preamble of claim 1, characterized in that the light intensities of the main and the reference emitter are modulated simultaneously with different frequencies, wherein the signal supplied by the main and by the reference receiver signal mixtures, respectively each containing a signal component with the intensity modulation frequency of the main emitter and a signal component with the intensity modulation frequency of the reference emitter, each converted into an intermediate frequency range containing two frequency components, wherein the one frequency component is formed with the signal of the reference emitter and the other frequency component with the signal of the main emitter , And that for the comparative signal evaluation, the separation of the phase information contained in the two simultaneously incurred intermediate frequency signals due to the different frequencies in Zwischenfreque Nzbereich and the different modulation frequency for the intensity modulation of the main and reference beam takes place.

[0011] Vorteilhafte Weiterbildungen dieses erfindungsgemässen Entfernungsmessverfahrens sind in rückbezogenen abhängigen Patentansprüchen definiert. Advantageous developments of this inventive distance measuring method are defined in dependent dependent claims.

[0012] Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmessung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 12 ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch eine Einrichtung, durch welche die vom Haupt- bzw. vom Referenzemitter abgegebenen Lichtstrahlen gleichzeitig mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen intensitätsmodulierbar sind. An inventive apparatus for optoelectronic distance measurement with the features of the preamble of claim 12 is inventively characterized by a device by which the light emitted from the main or by the reference emitter light beams are intensity modulated simultaneously with different frequencies.

[0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemässen Entfernungsmessvorrichtung sind ebenfalls in weiteren abhängigen Patentansprüchen definiert. Advantageous embodiments of this inventive distance measuring device are also defined in further dependent claims.

[0014] Ähnlich wie bei dem in US-4 403 857 beschriebenen Distanzmessverfahren werden auch beim Gegenstand der Erfindung zwei Lichtsender, insbesondere Laser und zwei Photodiodenempfänger verwendet. Abweichend von diesem bekannten Verfahren jedoch wird gemäss der Erfindung das mit einer ersten Modulationsfrequenz f1 vorzugsweise sinusförmig intensitätsmodulierte Licht des als Hauptemitter bezeichneten ersten Lichtsenders auf die Oberfläche eines Messobjekts geleitet. Das von dort rückgestreute, ebenfalls intensitätsmodulierte Licht gelangt zum Beispiel über eine Empfangsoptik auf den als Hauptempfänger bezeichneten zweiten Photoempfänger. Gleichzeitig wird ein Teil des modulierten Lichts des Hauptemitters direkt über eine erste Referenzstrecke auf den als Referenzempfänger bezeichneten zweiten Photoempfänger geführt. Der Referenzemitter wird mit einer zweiten Modulationsfrequenz ebenfalls vorzugsweise sinusförmig intensitätsmoduliert. Ein Teil seiner modulierten optischen Strahlung gelangt über eine zweite bekannte Referenzstrecke und insbesondere über ein streuendes Medium, auf den Hauptempfänger, während ein anderer Anteil seiner modulierten optischen Strahlung über eine dritte Referenzstrecke auf den Referenzempfänger gelangt. Similar to the distance measuring method described in US Pat. No. 4,403,857, two light emitters, in particular lasers and two photodiode receivers, are also used in the subject matter of the invention. In contrast to this known method, however, according to the invention, the first light source, which is preferably sinusoidally intensity-modulated with a first modulation frequency f1, is directed onto the surface of a measurement object of the first light transmitter designated as the main emitter. The backscattered from there, also intensity-modulated light passes, for example via a receiving optics on the designated as the main receiver second photoreceptor. At the same time, part of the modulated light of the main emitter is led directly over a first reference path onto the second photoreceiver designated as the reference receiver. The reference emitter is also preferably sinusoidally intensity modulated with a second modulation frequency. A portion of its modulated optical radiation reaches the main receiver via a second known reference path and in particular via a scattering medium, while another portion of its modulated optical radiation reaches the reference receiver via a third reference path.

[0015] Beide Empfänger werden gleichzeitig von beiden Emittersignalen beaufschlagt, so dass im Gegensatz zu dem in der genannten US-Patentschrift beschriebenen Distanzmessverfahren kein Umschalter benötigt und die Messzeit deutlich verkürzt wird. Die Photoempfänger konvertieren die detektierten modulierten optischen Leistungen in Photoströme, welche anschliessend vorzugsweise mit Transimpedanzverstärkern in Spannungen konvertiert werden. Both receivers are acted upon by both emitter signals simultaneously, so that in contrast to the distance measuring method described in said US Patent no switch is needed and the measurement time is significantly shortened. The photoreceivers convert the detected modulated optical powers into photocurrents, which are then converted into voltages, preferably with transimpedance amplifiers.

[0016] Die beiden so gewonnenen Signalspannungen werden anschliessend unter Verwendung einer lokal erzeugten Frequenz durch zugeordnete Mischer in geeignete Zwischenfrequenzbereiche umgesetzt und anschliessend nach Ana-log-Digitalwandlung einer Signalauswertung zur fehlerfreien Bestimmung der signallaufzeitbedingten Phasenverschiebung und damit der Distanz ausgewertet. The two signal voltages thus obtained are then converted by using a locally generated frequency by associated mixer in suitable intermediate frequency ranges and then evaluated by analog-to-digital conversion of a signal evaluation for error-free determination of signal delay time-dependent phase shift and thus the distance.

[0017] Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention and advantageous details are explained below with reference to the drawings.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen, bevorzugten Aufbau einer Entfernungsmesseinrichtung, die auf dem erfindungsgemässen Verfahren basiert, und Fig. 1 shows a principal, preferred construction of a distance measuring device based on the method according to the invention, and

Fig. 2a, b verdeutlicht ein am Ausgang des Verstärkers 16 in Fig. 1 erhaltenes Zwischenfrequenzsignalgemisch im Zeitbereich (Fig. 2a) bzw. im Frequenzbereich (Fig. 2b). Fig. 2a, b illustrates a obtained at the output of the amplifier 16 in Fig. 1 intermediate frequency signal mixture in the time domain (Fig. 2a) and in the frequency domain (Fig. 2b).

[0018] Die Prinzipanordnung eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren arbeitenden Entfernungsmessgeräts enthält einen als Hauptemitter 1 bezeichneten ersten Lichtsender, insbesondere Laser und einen als Referenzemitter 2 bezeichneten zweiten Lichtsender, bevorzugt ebenfalls ein Laser, sowie einen als Referenzempfänger 4 bezeichneten ersten Photoempfänger bzw. einen als Hauptempfänger 5 bezeichneten zweiten Photoempfänger. Der Hauptemitter 1 kann eine vergleichsweise leistungsstarke kantenemittierende Laserdiode (EEL: Edge Emitting Laser Diode) sein, deren Emissionswellenlänge, wie in der Zeichnung angegeben, beispielsweise A, = 650 nm beträgt. Als Referenzemitter 2 wird eine vorzugsweise auf einer anderen Wellenlänge, beispielsweise = 850 nm strahlende Laserdiode z.B. eine VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser Diode) verwendet. Die Wahl unterschiedlicher Wellenlängen für Haupt- und Referenzemitter ermöglicht eine weiter unten näher erläuterte optische Filterung, so dass sich mögliche Probleme durch optisches Übersprechen reduzieren lassen. Als Referenzempfänger 4 dient vorzugsweise eine PIN-Photodiode, während als Hauptempfänger 5 bevorzugt eine Avalanche-Photodiode vorgesehen ist. The principle arrangement of a method according to the invention operating distance measuring device includes a main emitter 1 designated first light emitter, in particular laser and a reference emitter 2 designated second light emitter, preferably also a laser, and designated as a reference receiver 4 first photoreceiver or one as a main receiver 5 designated second photoreceptor. The main emitter 1 can be a comparatively high-performance edge-emitting laser diode (EEL) whose emission wavelength, as indicated in the drawing, is for example A, = 650 nm. As the reference emitter 2, a laser diode preferably radiating at a different wavelength, for example = 850 nm, is used e.g. a VCSEL (Vertical Cavity Emitting Laser Diode) is used. The choice of different wavelengths for main and reference emitter allows a further explained below optical filtering, so that can be reduced by optical crosstalk possible problems. The reference receiver 4 is preferably a PIN photodiode, while the main receiver 5 is preferably an avalanche photodiode.

[0019] Für die Erfindung von ausschlaggebender Bedeutung ist der Gedanke, die vom Hauptemitter 1 bzw. vom Referenzemitter 2 abgegebene Strahlungsleistung zu einem bestimmten Messzeitpunkt mit unterschiedlichen Frequenzen, For the invention of crucial importance is the idea that emitted by the main emitter 1 and the reference emitter 2 radiant power at a given measurement time with different frequencies,

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vorzugsweise sinusförmig, in ihrer Intensität zu modulieren. So wird beispielsweise der Hauptemitter 1 (zunächst) mit der Frequenz f und der Referenzemitter 2 (zunächst) mit der Frequenz f intensitätsmoduliert. Die beiden Modulationsfrequenzen f f werden über zwei von einem gemeinsamen Oszillator 20 angesteuerte Frequenzsynthesizer 21 bzw. 22 gewonnen. Die Einspeisung der Modulationssignale mit den Frequenzen fi bzw. f in den (nicht dargestellten) Erregerstromkreis für den Hauptemitter 1 bzw. den Referenzemitter 2 erfolgt beispielsweise über Hochfrequenzverstärker 23 bzw. 24. preferably sinusoidal, to modulate in intensity. Thus, for example, the main emitter 1 (initially) with the frequency f and the reference emitter 2 (first) with the frequency f intensity modulated. The two modulation frequencies f f are obtained via two frequency synthesizers 21 and 22 driven by a common oscillator 20. The feeding of the modulation signals with the frequencies f1 or f into the excitation circuit (not shown) for the main emitter 1 or the reference emitter 2 takes place, for example, via high-frequency amplifiers 23 and 24.

[0020] Der vom Hauptemitter 1 abgegebene, gebündelte Hauptlichtstrahl 30 gelangt, beispielsweise geführt in einem Rohr 40, zunächst auf einen Strahlteiler 3, der den Hauptlichtstrahl 30 in zwei Anteile, nämlich einen Hauptanteil 32, der auf das Messobjekt geleitet wird und in einen abgezweigten Anteil 33 aufteilt, der über eine erste bekannte Referenzdistanz D^ unter Zwischenschaltung eines Diffusers 51 bzw. Scatters auf den Referenzempfänger 4 gelangt. Durch den Diffuser 51 bzw. den Scatter wird eine homogene Modulationsphasenverteilung im Strahlquerschnitt vor dem Referenzempfänger 4 gewährleistet. Als Strahlteiler 3 kann ein halbdurchlässiger Spiegel, ein Prisma, eine Glasplatte, ein integriert-optischer Strahlteiler, ein diffraktives Element, z. B. ein Hologramm oder dgl. vorgesehen werden. Es sei jedoch betont, dass die Strahlen der Referenzstrecken nicht unbedingt kollimiert oder durch Strahlteiler umgelenkt werden müssen. Alternativ kann beispielsweise eine Volumenstreuung oder eine direkte Beleuchtung der Empfänger z. B. über einen Diffuser vorgesehen werden. Der vom entfernten Messobjekt rückgestreute Anteil 36 des Messstrahls 32 gelangt über eine Sammeloptik 37 auf den Hauptempfänger 5. Der vom Referenzemitter 2 abgegebene in der Regel kollimierte Referenzlichtstrahl 31 wird mittels eines Strahlteilers 6 ebenfalls in zwei Anteile aufgeteilt, wobei ein erster Anteil 34 über eine zweite Referenzdistanz D und über einen bzw. den Diffuser 51 bzw. Scatter auf den Referenzempfänger 4 gelangt, während ein zweiter Anteil 35 über eine dritte Referenzdistanz D3, vorzugsweise über ein auf die Wellenlänge des Referenzemitters abgestimmtes optisches Filter 41, zunächst ein streuendes Medium (Scatter) 11 und sodann als gestreuter Anteil zusammen mit dem vom Messobjekt rückgestreuten Anteil 36 des Hauptlichtstrahls den Hauptempfänger 5 beaufschlagt. Als Scatter 11 kann im Prinzip jedes streuende Material verwendet werden. Selbst die Gehäusewand wäre geeignet. Zur Kontrolle der Streulichtleistung des Referenzemitterlichtes sollte der Streugrad des Scatter-Materials jedoch auf das Empfangssystem abgestimmt sein. Da aufgrund der in der Regel schwachen Messsignale eine starke Leistungsdämpfung des Referenzemitterstrahls 35 angestrebt wird, ist zumindest beim Hauptempfänger 5 ein Scatter-Material mit geringem Streugrad von Vorteil, z.B. schwarzes Papier, schwarzer Samt oder dgl. The output from the main emitter 1, bundled main light beam 30 passes, for example, guided in a tube 40, first on a beam splitter 3, the main light beam 30 in two parts, namely a main portion 32 which is passed to the measurement object and in a branched Divides portion 33, which passes over a first known reference distance D ^ with the interposition of a diffuser 51 or scatter on the reference receiver 4. By means of the diffuser 51 or the scatter, a homogeneous modulation phase distribution in the beam cross-section in front of the reference receiver 4 is ensured. As a beam splitter 3, a semipermeable mirror, a prism, a glass plate, an integrated-optical beam splitter, a diffractive element, for. As a hologram or the like. Be provided. It should be emphasized, however, that the beams of the reference lines do not necessarily have to be collimated or deflected by beam splitters. Alternatively, for example, a volume dispersion or direct illumination of the receiver z. B. be provided via a diffuser. The backscattered from the remote measurement object portion 36 of the measuring beam 32 passes through a collection optics 37 on the main receiver 5. The output from the reference emitter 2 usually collimated reference light beam 31 is also divided by means of a beam splitter 6 into two parts, wherein a first portion 34 via a second Reference distance D and via a diffuser 51 or Scatter on the reference receiver 4 passes, while a second portion 35 over a third reference distance D3, preferably via a matched to the wavelength of the reference emitter optical filter 41, first a scattering medium (scatter) 11 and then applied as a scattered portion together with the backscattered by the measurement object portion 36 of the main light beam to the main receiver 5. As Scatter 11 can be used in principle any scattering material. Even the housing wall would be suitable. However, to control the stray light output of the reference emitter light, the scattering wheel of the scatter material should be tuned to the receiving system. Since a strong power attenuation of the reference emitter beam 35 is desired due to the generally weak measurement signals, a scattering material with a low spreading degree is advantageous, at least for the main receiver 5, e.g. black paper, black velvet or the like

[0021] Der im Zusammenhang mit der Erfindung sehr vorteilhaften Verwendung des Scatters 11 liegt folgende Beobachtung zugrunde: Im Strahlquerschnitt von Laserdioden ist die Modulationsphase nicht homogen, d. h., verschiedene Punkte des Strahlquerschnitts besitzen verschiedene Phasen bezüglich der modulierten Lichtintensität. Bei einer homogenen Rückstreuung wird eine über den Strahlquerschnitt gemittelte Phase gemessen. In dem Fall jedoch, dass bestimmte Bereiche des Strahls von der Messobjektoberfläche ausgeblendet werden, z. B. wenn ein Teil des Leuchtflecks auf schwarze, absorbierende Bereiche trifft und ein anderer Teil auf weisse, stark rückstreuende Bereiche der Messobjektoberfläche, so verändert sich die mittlere Phase und es entsteht ein Messfehler, der von der unbekannten Messobjektoberfläche abhängt. Dieser Fehler Iässt sich nicht kompensieren. In den meisten Fällen werden jedoch alle Punkte des Leuchtflecks nahezu in gleicher Stärke zurückgestreut. The very advantageous use of the scattering 11 in connection with the invention is based on the following observation: In the beam cross section of laser diodes, the modulation phase is not homogeneous, d. that is, different points of the beam cross section have different phases with respect to the modulated light intensity. Homogeneous backscattering measures a phase averaged over the beam cross section. In the case, however, that certain areas of the beam are faded out of the target surface, e.g. For example, if one part of the light spot strikes black, absorbing areas and another part on white, strongly backscattering areas of the measuring object surface, then the middle phase changes and a measurement error arises, which depends on the unknown object surface. This error can not be compensated. In most cases, however, all points of the spot are scattered back almost equally.

[0022] Bei einem direkt auf den Hauptempfänger 5 geführten Referenzemitterstrahl 35 würde aufgrund der kleinen APD-Fläche nur ein kleiner Teil des Strahlquerschnitts detektiert. Die somit gemessene Phase des Strahles repräsentiert dann in der Regel nicht die mittlere Modulationsphase. Zudem ist die Phasenverteilung im Strahlquerschnitt nicht zeitlich konstant und hängt überdies von der Temperatur ab. Durch die Verwendung des Scatters 11 wird gewährleistet, dass von allen Punkten des Strahlquerschnitts Signalanteile erfasst werden. Somit wird eine mittlere Phase gemessen, welche ein konstanteres Verhalten aufweist als eine punktuelle Phase. Dabei werden Fehler, die durch punktuelle Messung der Phase des Referenzemitterstrahles 35 entstehen, durch den Scatter 11 reduziert. In a guided directly to the main receiver 5 reference emitter beam 35, only a small portion of the beam cross-section would be detected due to the small APD area. The thus measured phase of the beam then usually does not represent the mean modulation phase. In addition, the phase distribution in the beam cross section is not constant over time and also depends on the temperature. The use of the scatter 11 ensures that signal components are detected from all points of the beam cross section. Thus, a middle phase is measured, which has a more constant behavior than a punctiform phase. In this case, errors caused by punctual measurement of the phase of the reference emitter beam 35 are reduced by the scatter 11.

[0023] Zur Vermeidung derartiger Phasenfehler kann es auch von Vorteil sein, die Strahlen 33 bzw. 34 über einen Scatter, z.B. den Diffuser 51, zu führen, bevor das modulierte Licht vom Referenzempfänger 4 erfasst wird. To avoid such phase errors, it may also be advantageous to irradiate the beams 33 and 34, respectively, via a scatter, e.g. the diffuser 51, before the modulated light is detected by the reference receiver 4.

[0024] Eine weitere Aufgabe des Scatters 11 ist eine starke Leistungsdämpfung des Referenzemitterlichtes. Aufgrund der sehr schwachen Messsignale ist das Empfangssystem sehr empfindlich. Durch die Leistungsdämpfung wird verhindert, dass die APD im Hauptempfänger 5 übersteuert wird. Ausserdem wird hierdurch das mit der detektierten Lichtleistung ansteigende Schrotrauschen reduziert. Another object of the scatter 11 is a strong power attenuation of the reference emitter light. Due to the very weak measuring signals, the receiving system is very sensitive. The power attenuation prevents the APD in the main receiver 5 from being overdriven. In addition, this reduces the increased shot noise with the detected light output.

[0025] Wichtig ist, die Streuleistung des Referenzemitterlichtes auf das System abzustimmen, damit ein optimiertes Si-gnal-Rausch-Verhältnis (SNR = Signal-to-Noise-Ratio) erzielt wird. Bei zu starken Streulichtleistungen ist mit grossem Schrotrauschen und somit bei schwachen Messsignalen bei der Bestimmung der Phase des Messsignals mit einem schlechten SNR zu rechnen. Bei zu geringen Streulichtleistungen andererseits ist das SNR bei der Bestimmung der Phase des Referenzemittersignals schlecht. Da diese Phase auch in die Entfernungsmessung eingeht, kann hierdurch ein Messfehler entstehen. Es ist also zweckmässig, einen geeigneten Kompromiss zu finden. Für einen Entfernungsmessbereich bis 100 m hat sich bei Versuchen ergeben, dass die detektierte Streulichtleistung des Referenzemitterstrahles 35 ungefähr so gross sein sollte wie eine aus einer Entfernung von 15 m zurückgestreute Leistung des Messstrahls 36. Dabei wird von einem Rückstreukoeffizienten der Messobjektoberfläche von 0,5 und homogener Rückstreuung ausgegangen. Bei einer Leistung des Messstrahles 32 von 1 mW und einem Durchmesser der Empfangsoptik 37 von 50 mm entspricht dies einer detektierten Streulichtleistung des Referenzemitterstrahls von 0,7 nW. It is important to tune the scattering power of the reference emitter light to the system, so that an optimized signal-to-noise ratio (SNR) is achieved. If the scattered light power is too strong, large shot noise and therefore weak measurement signals can be expected to cause a poor SNR when determining the phase of the measurement signal. On the other hand, if the stray light powers are too low, the SNR will be poor in determining the phase of the reference emitter signal. Since this phase is also included in the distance measurement, this can lead to a measurement error. It is therefore appropriate to find a suitable compromise. For a distance measuring range of up to 100 m, it has been found in experiments that the detected scattered light power of the reference emitter beam 35 should be approximately as large as a power scattered back from a distance of 15 m of the measuring beam 36. In this case, a backscatter coefficient of the measuring object surface of 0.5 and Homogeneous backscatter assumed. For a power of the measuring beam 32 of 1 mW and a diameter of the receiving optics 37 of 50 mm, this corresponds to a detected scattered light power of the reference emitter beam of 0.7 nW.

[0026] Die vom Referenzempfänger 4 bzw. vom Hauptempfänger 5 gelieferten Photoströme werden zunächst über Transimpedanzverstärker 9 bzw. 10 in entsprechende Messspannungen Xg bzw. X1 konvertiert. The photocurrents supplied by the reference receiver 4 and the main receiver 5 are first converted via transimpedance amplifiers 9 and 10 into corresponding measuring voltages Xg and X1, respectively.

[0027] Anstelle der Transimpedanzverstärker können prinzipiell auch impedanzkontrollierte (50 Ohm) HF- In principle, instead of the transimpedance amplifiers also impedance-controlled (50 ohms) HF

4 4

CH 695 516 A5 CH 695 516 A5

Leistungsverstärker eingesetzt werden. Sie besitzen in der Regel aber schlechtere Rauscheigenschaften und geringere Verstärkungen. Für den Referenzzweig kann es anstelle des Tranzimpedanzverstärkers 9 jedoch schon aus Kostengründen sinvoll sein, einen impedanzkontrollierten HF-Leistungsverstärker einzusetzen, wobei sich ein starkes Signal bei geringerer Stromaufnahme erreichen Iässt. Power amplifiers are used. They usually have worse noise properties and lower reinforcements. However, instead of the transimpedance amplifier 9, it may be useful for the reference branch to use an impedance-controlled HF power amplifier for cost reasons, whereby a strong signal can be achieved with a lower current consumption.

[0028] Das vom Referenzempfänger 4 stammende Signal xg beaufschlagt sodann einen Messsignaleingang eines ersten Mischers 7, während das Signal xi auf den Messsignaleingang eines zweiten Mischers 8 gelangt. Die beiden Mischer 7 und 8 werden vom gleichen lokalen Frequenzoszillator 20 (Mutteroszillator) via Frequenzsynthesizer 12 mit einer Frequenz f angesteuert, die so gewählt ist, dass auch im ausgangsseitig entstehenden Zwischenfrequenzbereich jeweils ein Signalgemisch mit den Frequenzanteilen f und f vorliegt. Hierbei ist wichtig, dass die Modulationsfrequenzen des Hauptemitters 1 bzw. des Referenzemitters 2 unterschiedlich sind und der Hauptempfänger 5 bzw. der Referenzempfänger 4 beide ein Signalgemisch liefern, das aus zwei Signalen mit den Frequenzen fi und f besteht. Dieses Signalgemisch wird in den beiden Signalzweigen mit den in der Regel gleich aufgebauten Mischern 7 und 8 und dem Lokaloszillatorsignal der Frequenz f in den erwähnten Zwischenfrequenzbereich konvertiert. Auch eine Direktmischung über Avalanche-Photodioden (APD) ist in diesem Zusammenhang denkbar, wobei der APD-Betriebshochspannung direkt das Signal des Lokaloszillators 12 überlagert wird. Durch die resultierende Modulation der Avalanche-Verstärkung wird dieses Lokaloszillatorsignal mit dem Empfangssignal gemischt, so dass der APD-Ausgangsstrom die beiden ZF-Signalanteile f und fZF2 enthält. Auf Hochfrequenzverstärker und Hochfrequenzmischer kann somit verzichtet werden. Sowohl für den Referenz- als auch für den Messzweig sind in diesem Fall allerdings Avalanche-Photodioden zu verwenden. Das erste Zwischenfrequenzsignal mit der Frequenz f wird anschliessend aus dem Empfangssignal mit der ersten Modulationsfrequenz f und das Zwischenfrequenzsignal mit der zweiten Zwischenfrequenz f aus dem Empfangssignal mit der zweiten Modulationsfrequenz f abgeleitet. Nach einer Tiefpassfilterung 13 bzw. 14 zur Eliminierung der Signalanteile mit den Summenfrequenzen f + f und f + f sowie zur Rauschsignalreduzierung und einer Verstärkung 15 bzw. 16 werden die geeignet verstärkten ZF-Signale x4 bzw. x3 mit Analog-Digi-tal-Wandlern 17 bzw. 18 abgetastet. Die erste und die zweite Zwischenfrequenz f bzw. fZF2 und die Abtastzeiten der Analog-Digitalwandler 17, 18, also das Messfenster, werden dabei zweckmässigerweise so gewählt, dass jeweils eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der beiden Zwischenfrequenzsignale f - f im Messfenster der digitalen Abtastung liegen. Hierdurch wird ein sog. Leckeffekt vermieden, der bei der digitalen, cfisKreten Fouriertransformation (DFT) auftritt, wenn die Frequenzanteile nicht im Frequenzraster der DFT liegen; z.B. 40 kHz und 60 kHz für ein 1-kHz-Frequenzraster, d. h., der Abstand der diskreten Frequenzwerte beträgt 1 kHz und das zugehörige Messfenster 1/1 kHz = 1 ms. The signal originating from the reference receiver 4 xg then acts on a measuring signal input of a first mixer 7, while the signal xi reaches the measuring signal input of a second mixer 8. The two mixers 7 and 8 are controlled by the same local frequency oscillator 20 (mother oscillator) via frequency synthesizer 12 with a frequency f, which is selected so that also in the output side resulting intermediate frequency range a signal mixture with the frequency components f and f is present. Here, it is important that the modulation frequencies of the main emitter 1 and the reference emitter 2 are different and the main receiver 5 and the reference receiver 4 both provide a signal mixture consisting of two signals with the frequencies fi and f. This signal mixture is converted in the two signal branches with the usually identically constructed mixers 7 and 8 and the local oscillator signal of the frequency f in the aforementioned intermediate frequency range. A direct mixing via avalanche photodiodes (APD) is conceivable in this context, wherein the APD operating high voltage is superimposed directly on the signal of the local oscillator 12. Due to the resulting modulation of the avalanche amplification, this local oscillator signal is mixed with the received signal so that the APD output current contains the two IF signal components f and fZF2. On high frequency amplifier and high frequency mixer can thus be dispensed with. However, avalanche photodiodes should be used for both the reference and the measuring branch in this case. The first intermediate frequency signal with the frequency f is then derived from the received signal at the first modulation frequency f and the intermediate frequency signal at the second intermediate frequency f from the received signal at the second modulation frequency f. After a low-pass filtering 13 or 14 for eliminating the signal components with the sum frequencies f + f and f + f and for noise signal reduction and amplification 15 or 16, the suitably amplified IF signals x4 and x3 with analog-to-digital converters 17 or 18 sampled. The first and the second intermediate frequency f or fZF2 and the sampling times of the analog-to-digital converters 17, 18, ie the measurement window, are expediently selected such that an integer number of periods of the two intermediate frequency signals f-f lie in the measurement window of the digital scan , This avoids a so-called leakage effect, which occurs in the case of the digital, cfisKreten Fourier transformation (DFT) if the frequency components are not in the frequency grid of the DFT; e.g. 40 kHz and 60 kHz for a 1 kHz frequency raster, d. h., the distance of the discrete frequency values is 1 kHz and the associated measurement window 1/1 kHz = 1 ms.

[0029] Eine digitale Fouriertransformation 19 des abgetasteten Signalgemisches x3 des Hauptempfängerzweigs 42 und unabhängig davon des abgetasteten Signalgemisches x des Referenzempfängerzweigs 43, z.B. für ein bestimmtes Messfenster wie oben angegeben, liefert die Phasen der Lichtsignalanteile 33 und 36 des Hauptemitters 1, die Phasen der Lichtsignalanteile 34 und 35 des Referenzemitters 2 sowie temperatur-, alterungs- und empfangsleistungsabhängige Phasenverschiebungen, welche im Haupt- und Referenzempfängerzweig hervorgerufen werden. Es werden also vier Phasenbeziehungen ermittelt. A digital Fourier transform 19 of the sampled composite signal x3 of the main receiver branch 42 and independently of the sampled composite signal x of the reference receiver branch 43, e.g. for a given measurement window as indicated above, the phases of the light signal components 33 and 36 of the main emitter 1, the phases of the light signal components 34 and 35 of the reference emitter 2 and temperature, aging and receiving power-dependent phase shifts, which are caused in the main and reference receiver branch. Thus, four phase relationships are determined.

[0030] Da die Phase nur in einem Intervall von 0 bis 27t eindeutig gemessen werden kann, die Messdistanz aber in den meisten Fällen wesentlich grössere Phasenverschiebungen produziert, werden gemäss einer signifikanten Verbesserung des Grundgedankens der Erfindung - um eine eindeutige Distanzmessung zu erzielen und um die Messergebnisse zu verbessern - bei einem zweiten Messdurchgang die Modulationsfrequenzen gewechselt, d.h., der Hauptemitter 1 wird jetzt mit der Frequenz f und der Referenzemitter 2 mit der Frequenz f sinusförmig intensitätsmoduliert. Der oben beschriebene Messvorgang wird mit diesen neuen Einstellungen wiederholt, so dass sich für diese neuen Einstellungen vier weitere Phasen für die abgetasteten Signalgemische im Haupt- und Referenzempfängerzweig ergeben. Since the phase can be clearly measured only in an interval from 0 to 27t, but the measuring distance produces in most cases significantly larger phase shifts, according to a significant improvement of the basic idea of the invention - to achieve a clear distance measurement and the To improve measurement results - in a second measurement cycle, the modulation frequencies changed, ie, the main emitter 1 is now modulated with the frequency f and the reference emitter 2 with the frequency f sinusoidal intensity. The measurement procedure described above is repeated with these new settings, so that for these new settings there are four more phases for the sampled signal mixes in the main and reference receiver branches.

[0031] Da das Signal des Hauptemitters 1 und das Signal des Referenzemitters 2 im Zweig des Hauptempfängers 5 bzw. im Zweig des Referenzempfängers 4 - wie dargestellt - dieselben Komponenten durchlaufen, wird durch Bildung von Phasendifferenzen bezüglich der im Hauptempfangszweig 42 bzw. im Referenzempfangszweig 43 gemessenen Signalphasen das Phasenverhalten der jeweiligen Empfängerkomponenten vollständig eliminiert. Ausserdem sind die Empfangsverhältnisse konstant, da Haupt- und Referenzemittersignale gleichzeitig die jeweiligen Empfangszweige passieren. Die Trennung der Signale erfolgt - wie ebenfalls dargestellt - über die unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f bzw. f Empfangsleistungsabhängige Phasenfehler werden somit ebenfalls beseitigt. Since the signal of the main emitter 1 and the signal of the reference emitter 2 in the branch of the main receiver 5 and in the branch of the reference receiver 4 - as shown - the same components through, is formed by forming phase differences with respect to the main receiving branch 42 and in the reference receiving branch 43rd measured signal phases completely eliminates the phase behavior of the respective receiver components. In addition, the reception ratios are constant, since the main and reference emitter signals pass through the respective reception branches at the same time. The separation of the signals is - as also shown - on the different modulation frequencies f and f receive power-dependent phase errors are thus also eliminated.

[0032] Durch weitere Bildung von Phasendifferenzen wird zusätzlich das Phasenverhalten des Hauptemitters 1 und das Phasenverhalten des Referenzemitters 2 beseitigt, so dass letztendlich nur noch eine konstante Phasendifferenz übrigbleibt, welche durch die angegebenen geräteinternen Wegdifferenzen der Referenzdistanzen D , D und D3 sowie durch die (in Fig. 1 nicht näher bezeichnete) Messdistanz Dq beider Emittersignale ausserhalb der beiden Laseremitter entsteht. Die Messdistanz Dq beeinflusst dabei die Phase des modulierten und vom Hauptempfänger 5 detektierten Lichtanteils 32 des Hauptemitters 1, die Referenzdistanz D1 die Phase des modulierten und vom Referenzempfänger detektierten Lichtanteils 33 des Hauptemitters 1, die Referenzdistanz Dg die Phase des modulierten und vom Referenzempfänger detektierten Lichtanteils 34 des Referenzemitters 2 und die Referenzdistanz D3 die Phase des modulierten und vom Referenzempfänger detektierten Lichtanteils 35 des Referenzemitters 2. Da die geräteinternen Laufzeiten über die Referenzdistanzen D , D und D ausserhalb der Emitter 1, 2 bekannt und konstant sind, Iässt sich die zu messende Di- By further formation of phase differences in addition, the phase behavior of the main emitter 1 and the phase behavior of the reference emitter 2 is eliminated, so that ultimately only a constant phase difference remains, which by the specified device-internal path differences of the reference distances D, D and D3 and by the ( in Fig. 1 unspecified) measuring distance Dq of both emitter signals outside the two laser emitter is formed. The measuring distance Dq thereby influences the phase of the modulated and detected by the main receiver 5 light portion 32 of the main emitter 1, the reference distance D1, the phase of the modulated and detected by the reference receiver light portion 33 of the main emitter 1, the reference distance Dg the phase of the modulated and detected by the reference receiver light portion 34th of the reference emitter 2 and the reference distance D3, the phase of the modulated and detected by the reference receiver light portion 35 of the reference emitter 2. Since the device internal maturities on the reference distances D, D and D outside the emitter 1, 2 are known and constant, the Di can be measured -

12 3 12 3

stanz bestimmen. Sie wird demnach mit dem erfindungsgemässen Verfahren völlig unabhängig vom Phasenverhalten der Sende- und Empfangseinheiten ermittelt. determine punching. It is therefore determined with the inventive method completely independent of the phase behavior of the transmitting and receiving units.

[0033] Die Phasendifferenzermittlung mittels Fouriertransformation wird nachfolgend erläutert. Die prinzipielle Form der ZF-Signale, welche von den Analog-Digital-Wandlern 17 und 18 abgetastet werden, ist in Fig. 2a zu sehen. Im Dia5 The phase difference determination by Fourier transformation will be explained below. The principal form of the IF signals sampled by the analog-to-digital converters 17 and 18 can be seen in FIG. 2a. In Dia5

CH 695 516 A5 CH 695 516 A5

gramm gem. Fig. 2b ist auch das Signalgemisch im Frequenzbereich dargestellt. gram acc. Fig. 2b is also the signal mixture shown in the frequency domain.

[0034] Zunächst emittiert der Hauptemitter 1 Strahlung mit der Modulationsfrequenz f und der Referenzemitter 2 Strahlung mit der Modulationsfrequenz f Die Mischereingangssignale xi und Xg besitzen jeweils zwei sinusförmige Signalanteile mit den Frequenzen fi und f der Modulation. Es gilt x, = x,., cos(2rt/,f + + <p„e(f,)-2izf,2Da / c) +XI2 cos(2jr/^f (p+ <pHgifz)~/c) First, the main emitter 1 emits radiation at the modulation frequency f and the reference emitter 2 radiation at the modulation frequency f The mixer input signals xi and Xg each have two sinusoidal signal components with the frequencies fi and f of the modulation. We have x, = x,., Cos (2rt /, f + + <p "e (f,) - 2izf, 2Da / c) + XI2 cos (2jr / ^ f (p + <pHgifz) ~ / c)

(1) (1)

[0035 [0035

^HS ^RS ^ HS ^ RS

<PHE <PHE <PHE <PHE

^RE ^ RE

^RE ^ RE

mit xä = Xv cos(2rt£f + (pHS(f,) + <pReß) - 2Kfp, i c) with xä = Xv cos (2rt £ f + (pHS (f,) + <pReß) - 2Kfp, i c)

(2) (2)

+x22 cos(2;r V Jr(pRS{fi) + <pRe(f.) - 2-xfzDz / c) + x22 cos (2; r V Jr (pRS {fi) + <pRe (f.) - 2-xfzDz / c)

Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (21) und Phasenverschiebung des Treibers (23) und Hauptemitters (1) bei der Frequenz f ; temperatur- und alterungsabhängig; Sum of the initial phase of the synthesizer (21) and phase shift of the driver (23) and main emitter (1) at the frequency f; dependent on temperature and age;

Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (22) und Phasenverschiebung des Treibers (24) und Referenzemitters (2) bei der Frequenz f ; temperatur-und alterungsabhängig. Sum of the initial phase of the synthesizer (22) and phase shift of the driver (24) and reference emitter (2) at the frequency f; temperature and age dependent.

Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f ; temperatur- und alterungsabhängig; Sum of phase shift of the main receiver (5) and the transimpedance amplifier (10) at the frequency f; dependent on temperature and age;

Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f ; temperatur- und alterungsabhängig; Sum of phase shift of the main receiver (5) and the transimpedance amplifier (10) at the frequency f; dependent on temperature and age;

Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f ; temperatur- und alterungsabhängig; Sum of phase shift of the reference receiver (4) and the transimpedance amplifier (9) at the frequency f; dependent on temperature and age;

Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f ; temperatur- und alterungsabhängig; Sum of phase shift of the reference receiver (4) and the transimpedance amplifier (9) at the frequency f; dependent on temperature and age;

Dq Messdistanz; Dq measuring distance;

D1 konstante und bekannte geräteinterne Distanz; D1 constant and known device internal distance;

Dg konstante und bekannte geräteinterne Distanz; Dg constant and known device internal distance;

Dg konstante und bekannte geräteinterne Distanz; Dg constant and known device internal distance;

c Lichtgeschwindigkeit in Luft. c speed of light in air.

[0036] Durch Mischung (Multiplikation) der Signale aus Gl. (1) und (2) mit dem Lokaloszillatorsignal der Frequenz f und anschliessender Tiefpassfilterung folgt By mixing (multiplying) the signals from Eq. (1) and (2) with the local oscillator signal of frequency f followed by low-pass filtering

= *3.t cos(2^4fi^ + 9hs^-) + ~2^2D0 i c) = * 3.t cos (2 ^ 4fi ^ + 9hs ^ -) + ~ 2 ^ 2D0 i c)

+x3 2 cos(2rt4p2f + 9ss (f2 )+ 9HS (U ) + 9zfz (Ïzfî ) ~ 2t:/3D3 / c) + x3 2 cos (2rt4p2f + 9ss (f2) + 9HS (U) + 9zfz (Ïzfî) ~ 2t: / 3D3 / c)

xt - X4i1 cos(2tc^p/ + <pHS(/i) - -p / c) xt - X4i1cos (2tc ^ p / + <pHS (/ i) - -p / c)

+x22 cos(2tifali + (pRS(f2) + <PzË(f2) + <PZfJfZF2)~ 2Tzf2D2 / c) + x22 cos (2tifali + (pRS (f2) + <PzË (f2) + <PZfJfZF2) ~ 2Tzf2D2 / c)

(3) (3)

(4) (4)

mit den Zwischenfrequenzen with the intermediate frequencies

4fi=|^i-4oÌ (5) 4fi = | ^ i-4oÌ (5)

und and

^ZF2=%~Lo I (6) ^ ZF2 =% ~ Lo I (6)

[0037] Durch die Tiefpassfilterung werden die Signalanteile mit den Summenfrequenzen fi + f und f + f , welche auch durch den nichtlinearen Mischprozess entstehen, eliminiert. Auch der Rauschpegel wird hierdurch herabgesetzt. By the low-pass filtering, the signal components with the sum frequencies fi + f and f + f, which also arise through the non-linear mixing process, are eliminated. Also, the noise level is thereby reduced.

[0038] Es bedeuten: They mean:

tpzF3(fzFi) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpass (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz f ; tpzF3 (fzFi) sum of the initial phase of the synthesizer (12), initial sampling phase of the ADC (18) and phase shift of the low pass (14) and amplifier (16) at the frequency f;

(pZF3(fzF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastpnase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpass (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz f ; (pZF3 (fzF2) Sum of the initial phase of the synthesizer (12), the initial sampling pnase of the ADC (18) and the phase shift of the low-pass filter (14) and amplifier (16) at the frequency f;

<p (f ) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastpnase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpass (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz f ; <p (f) sum of the initial phase of the synthesizer (12), the initial sampling pnase of the ADC (17) and the phase shift of the low-pass filter (13) and the amplifier (15) at the frequency f;

(pZF4(fzF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastpnase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpass (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz f (pZF4 (fzF2) Sum of the initial phase of the synthesizer (12), initial sampling pnase of the ADC (17) and phase shift of the low pass (13) and amplifier (15) at the frequency f

[0039] Die ZF-Signale x3 und x4 werden nun mit den A/D-Wandlern 17, 18 synchron abgetastet. Durch diskrete Fouriertransformation der abgetasteten Signale x3 und x4 in Block 19 lassen sich die Signalanteile mit den verschiedenen Zwi- The IF signals x3 and x4 are now sampled synchronously with the A / D converters 17, 18. By discrete Fourier transform of the sampled signals x3 and x4 in block 19, the signal components with the various intermediate signals

6 6

CH 695 516 A5 CH 695 516 A5

schenfrequenzen f und fZF2 separieren. separate the frequencies f and fZF2.

[0040] In Fig. 2a ist als Beispiel ein Signalgemisch x3 im Zeitbereich mit den Frequenzanteilen f = 40 kHz und fZF2 = 60 kHz dargestellt. Rechts ist der Betrag des fouriertransformierten Signalgemisches über die Zwischenfrequenz f aufgetragen. Es sind zwei scharfe Signalpeaks bei den jeweiligen Zwischenfrequenzen zu erkennen. Bei anderen Frequenzen sind die Werte des Spektrums nahezu Null. Die unterschiedlichen Höhen der Peaks resultieren aus unterschiedlichen Amplituden der Signalanteile im Zeitbereich (0,7 V, 0,4 V). In Fig. 2a, a signal mixture x3 in the time domain with the frequency components f = 40 kHz and fZF2 = 60 kHz is shown as an example. On the right, the magnitude of the Fourier-transformed signal mixture is plotted against the intermediate frequency f. There are two sharp signal peaks at the respective intermediate frequencies. At other frequencies, the values of the spectrum are nearly zero. The different heights of the peaks result from different amplitudes of the signal components in the time domain (0.7 V, 0.4 V).

[0041] Die Werte des transformierten Signalgemisches im Frequenzbereich sind komplex, d. h. es setzt sich gemäss The values of the transformed signal mixture in the frequency domain are complex, i. H. it sits down according to

X3(fZF) = Re{X3(/>)} + j ■ \m{X3(fZF)} X3 (fZF) = Re {X3 (/>)} + j ■ \ m {X3 (fZF)}

aus einem Real- und einem Imaginäranteil zusammen. In Fig. 2 ist der Betrag dargestellt. Aus den komplexen Werten bei den jeweiligen Frequenzen f und fZF2 können mittels der Arctan- composed of a real and an imaginary part. In Fig. 2, the amount is shown. From the complex values at the respective frequencies f and fZF2, by means of the Arctan

\X,(fz.)\ = ^'l m2 [Xz{fZF)}-¥\ e2 [X 3 (fZF )} \ X, (fz.) \ = ^ 'L m2 [Xz {fZF}} - ¥ \ e2 [X 3 (fZF)}

t. Aus den komplexen We t. From the complex We

Funktion gemäss Function according to

= ancten(lfn{X3(fZF1)}/Re{X3(/tari)}) = ancten (lfn {X3 (fZF1)} / Re {X3 (/ tari)})

und and

ç2(fz) = arctan(lm{X3 (f^ )} / Re{X3 (fZF2 )}) ç2 (fz) = arctane (lm {X3 (f ^)} / Re {X3 (fZF2)})

die Phasen der separierten Signalanteile bei den zu betrachtenden Zwischenfrequenzen f und fZF2 ermittelt werden. Für x3 aus Gl. (3) lauten sie the phases of the separated signal components are determined at the intermediate frequencies f and fZF2 to be considered. For x3 from Eq. (3) they are

•Pi(^i)= •PhsCT) + 9ne(fì) ^PzfsÌ^ZFÌ) ~ / c (7) • Pi (^ i) = • PhsCT) + 9ne (fì) ^ PzfsÌ ^ ZFÌ) ~ / c (7)

und and

9 2(f2) = <pRs(f2) + 9HE(4) + 9ZFZ(fzn)"2B^s lc- (8) 9 2 (f2) = <pRs (f2) + 9HE (4) + 9ZFZ (fzn) "2B ^ s lc- (8)

[0043] Für die Phasen von xd aus Gl. (4) folgt entsprechend For the phases of xd from Eq. (4) follows accordingly

93$) = 9 ns i)+ 9 ae (%)"*" 9 ~ 2Jt^2D, / c (9) 93 $) = 9 ns i) + 9 ae (%) "*" 9 ~ 2y ^ 2, / c (9)

und and

<P4(4) = <Pw(4) + 9'fl€(4) + <P2F4(4Fa)-27t4D2/c. (10) <P4 (4) = <Pw (4) + 9'fl € (4) + <P2F4 (4Fa) -27t4D2 / c. (10)

[0044] Besonders vorteilhaft ist es, wenn im nächsten Schritt die Modulationsfrequenzen fi und f vertauscht werden, so dass nun der Hauptemitter 1 Strahlung mit der Modulationsfrequenz f und der Referenzemitter 2 Strahlung mit der Modulationsfrequenz fi emittiert. Wie weiter unter beschrieben wird, verbessert diese Messung mit vertauschten Modulati-onsfrequenze die eindeutige Distanzmessung ganz erheblich. Gemäss dem oben beschriebenen Ablauf werden jetzt die Phasen It is particularly advantageous if in the next step, the modulation frequencies fi and f are reversed, so that now the main emitter 1 radiation with the modulation frequency f and the reference emitter 2 emits radiation with the modulation frequency fi. As will be described further below, this measurement with exchanged modulation frequency considerably improves the unambiguous distance measurement. According to the procedure described above, now the phases

= Phs(4) + 9hs(^)9ZF3^ZF2)~~271^2^01C (11) = Phs (4) + 9hs (^) 9ZF3 ^ ZF2) ~~ 271 ^ 2 ^ 01C (11)

92(4) = 9rs(Q + <Pne(f,) + 9zfîVzf<) -Sxfpa ! G (12) 92 (4) = 9rs (Q + <Pne (f,) + 9zfîVzf <) -Sxfpa! G (12)

93 (4 ) = 9 HS V* )+ 9RS ih ) + 9zf* {fan ) - 2«4 2DJc (13) 93 (4) = 9 HS V *) + 9RS ih) + 9zf * {fan) - 2 «4 2DJc (13)

tpM) = 9rsWÌ) + 9R£[fi) + 9zF*(fzFi)~2ïc^D2 /c (14) tpM) = 9rsWÌ) + 9R £ [fi) + 9zF * (fzFi) ~ 2ïc ^ D2 / c (14)

gemessen. Durch Bilden der Differenzen folgt aus den Gin. (7-14) measured. By making the differences, the gin follows. (7-14)

<P,ß) -<PaVi) « 9nsW) ~ 9ne(ft)+ 9iFz(fzpù ~ 9zf^zfì) ~ 2j^2D0 / c + 2jl/,2Dt /C (15) <P, ß) - <PaVi) «9nsW) ~ 9ne (ft) + 9iFz (fzpù ~ 9zf ^ zfì) ~ 2j ^ 2D0 / c + 2jl /, 2Dt / C (15)

92(4)~9Af2) = 9he^2)-9RS(f2)+ 9zfi{fzF2)-9zFt(fzF2) ~ 2rc4D3 / c + 2%f2D2 lc (16) 92 (4) ~ 9Af2) = 9he ^ 2) -9RS (f2) + 9zfi {fzF2) -9zFt (fzF2) ~ 2rc4D3 / c + 2% f2D2 lc (16)

9^2) ~ 9s(fi)= 9Hs(fz) ~ 9Rs(fz) + 9zf^zfz)^9zFi(fzF2) ~~2izfz2DQ 1 c + 2nf22D,/ c (17) 9 ^ 2) ~ 9s (fi) = 9Hs (fz) ~ 9Rs (fz) + 9zf ^ zfz) ^ 9zFi (fzF2) ~~ 2izfz2DQ 1 c + 2nf22D, / c (17)

9iß)~= 9hs(f-\)~9r£{ft) + 9zf3(fzf\)~9zf*{fzf\)~2-'kfß3 !c + 2tzfidî /c, (18) und durch Subtraktion der Gin. (15) und (18) bzw. (16) und (17) ergibt sich schliesslich 9f) ~ = 9hs (f - \) ~ 9r £ {ft) + 9zf3 (fzf \) ~ 9zf * {fzf \) ~ 2-'kfß3! C + 2tzfidî / c, (18) and by subtraction of the gin. (15) and (18) or (16) and (17) finally results

7 7

CH 695 516 A5 CH 695 516 A5

A(p{ft) = 2ït/t12D, !c -2tzIDz !c + 2%fp3 ! c-~2nf,2D0 ! c + 2%n (19) A (p {ft) = 2it / t12D,! C -2tzIDz! C + 2% fp3! c- ~ 2nf, 2D0! c + 2% n (19)

A<p(f2 ) = ~2Tif22Dì t c + 2%f2D2 ! c- 2izf2D3 Ì c + 2 izf22D0 ! c- 2 un . (20) A <p (f2) = ~ 2Tif22D t c + 2% f2D2! c- 2izf2D3 Ì c + 2 izf22D0! c- 2 un. (20)

[0045] Da die Phase nur in einem Intervall von 0 bis 2 k eindeutig gemessen werden kann, die Messdistanz aber in den meisten Fällen wesentlich grössere Phasenverschiebungen produziert, wird in den Gin. (19) und (20) die ganzzahlige Anzahl n der vollen Perioden eingeführt, die zusätzlich zum Restphasenterm die gesamte Phasendrehung bestimmt. Aus den letztgenannten beiden Gin. (19) und (20) können nun die zu messende Distanz Dq und die Periodenzahl n eindeutig ermittelt werden, denn die geräteinternen Distanzen D , Dg und D3 sind konstant und lassen sich vorab messtechnisch bestimmen. Die beiden Modulationsfrequenzen fi und f sollten dabei so dicht beisammen liegen, dass sich für beide Gin. (19) und (20) dieselbe Periodenzahl n ergibt. Diese ^Mehrdeutigkeit der Messdistanz ist der Grund für die Vertauschung der Modulationsfrequenzen gemäss der Lehre des Patentanspruchs 2, denn die zusätzliche Messung mit vertauschten Frequenzen liefert die zusätzliche von Gl. (19) unabhängige Gl. (20). Diese beiden unabhängigen Gleichungen liefern auch bei grossen Messdistanzen Dq eindeutige Werte für n und Dq. Since the phase can be clearly measured only in an interval of 0 to 2 k, but the measuring distance produces in most cases much larger phase shifts, is in the Gin. (19) and (20) introduce the integer number n of the full periods, which determines the total phase rotation in addition to the residual phase term. From the latter two gin. (19) and (20), the distance Dq to be measured and the period number n can now be unambiguously determined, since the device-internal distances D, Dg and D3 are constant and can be determined beforehand by measurement. The two modulation frequencies fi and f should be close enough together for both gin. (19) and (20) gives the same number of periods n. This ambiguity of the measuring distance is the reason for the permutation of the modulation frequencies according to the teaching of patent claim 2, since the additional measurement with exchanged frequencies provides the additional value of Eq. (19) independent equ. (20). These two independent equations yield unique values for n and Dq even for large measurement distances Dq.

[0046] Ein weiterer Vorteil aus der zusätzlichen Messung mit Frequenzvertauschung ist der, dass sich - wie die Gin. (17) und (18) erkennen lassen - eine vollständige Eliminierung der Haupt- und Refrenzempfängerphasen (<p (f ), ^he^' <pHE(fi)' ^HE^y) sowie der Phasen des ZF-Bereichs erreichen Iässt. Diese Eliminierung geschieht durch SubfraK-tion der Gin. (15) und (18) bzw. der Gin. (16) und (17). Another advantage of the additional measurement with frequency interchange is that - like the Gin. (17) and (18) - achieve complete elimination of the main and reference receptor phases (<p (f), ^ h ^ '<pHE (fi)' ^ HE ^ y) and the phases of the IF region. This elimination is done by subfractionation of the gin. (15) and (18) or the Gin. (16) and (17).

[0047] Die Phasendifferenzen auf der jeweils linken Seite der Gin. (19) und (20) ergeben sich aus der Phasenmessung. The phase differences on the left side of the Gin. (19) and (20) result from the phase measurement.

[0048] Eine geringere Frequenzdifferenz fi - f (z. B. einige 100 kHz, bei f1 = 900 MHz) ist einerseits erwünscht, um bei grossen Messdistanzen (z. B. >100 m) die ganzzahlige Periodenzahl n eindeutig zu bestimmen (dasselbe n in Gin. (19) und 20)). Andererseits entstehen bei geringen Frequenzdifferenzen grössere rauschbedingte Messfehler, so dass n unter Umständen fehlerhaft bestimmt wird. On the one hand, a smaller frequency difference fi-f (for example a few 100 kHz, at f1 = 900 MHz) is desirable in order to unambiguously determine the integer period number n at large measuring distances (eg> 100 m) n in Gin. (19) and 20)). On the other hand, larger noise-related measurement errors occur at low frequency differences, so that n may be determined incorrectly under certain circumstances.

[0049] Zur noch genaueren Messung grosser Distanzen und gleichzeitiger genauer Bestimmung der Periodenzahl n ist es vorteilhaft, noch ein zweites Frequenzpaar f und f zur Intensitätsmodulation bei einem weiteren Messdurchgang zu verwenden, das sich beispielsweise um 10 MHz von fi und f unterscheidet. Mit diesem Frequenzpaar wird die oben genannte Prozedur nochmals durchgeführt, wobei hierbei keine Vertauschung erforderlich ist, da die genaue Distanzmessung mit dem Frequenzpaar f1 und f durchgeführt wird. Durch den grösseren Frequenzunterschied (z.B. f - f1 = 10 MHz) wird ein möglicher Messfehler weiter reduziert, und die ganzzahlige Periodenzahl n Iässt sich nun auch bei sehr grossen Messdistanzen eindeutig bestimmen. Durch diese im Patentanspruch 18 angegebene Massnahme der gleich-mässigen, geringen Veränderung der Intensitätsmodulationsfrequenzen Iässt sich bei schwachen, verrauschten Messsignalen eine fehlerfreie Distanz- und Periodenzahlbestimmung durch Verwenden eines weiteren Frequenzpaars, z.B. f - 10 MHz, f - 10 MHz erreichen. Zudem lassen sich durch Verändern der Messfrequenzen optimale Arbeitspunkte auffinden, die zu optimalen Signal-Rausch-Verhältnissen führen. Aufgrund von Toleranzen von Bandpassfiltern können sich diese optimalen Frequenzen von Gerät zu Gerät geringfügig unterscheiden. For even more accurate measurement of large distances and simultaneous accurate determination of the period number n, it is advantageous to use a second frequency pair f and f for intensity modulation in another measurement passage, which differs, for example, by 10 MHz from fi and f. With this frequency pair, the above-mentioned procedure is carried out again, in which case no interchanging is required, since the exact distance measurement is performed with the frequency pair f1 and f. Due to the larger frequency difference (for example, f-f1 = 10 MHz), a possible measurement error is further reduced, and the integer period number n can now be determined unambiguously even for very large measurement distances. By this measure specified in claim 18, the uniform moderate, small change in the intensity modulation frequencies can be used for weak, noisy measurement signals an error-free distance and period number determination by using a further frequency pair, e.g. f - 10 MHz, f - reach 10 MHz. In addition, by changing the measurement frequencies, optimal operating points can be found which lead to optimum signal-to-noise ratios. Due to bandpass filter tolerances, these optimum frequencies may differ slightly from device to device.

[0050] Das erfindungsgemässe Verfahren und die darauf beruhende Entfernungsmesseinrichtung zeichnen sich vor allem durch folgende Vorteile aus: The method according to the invention and the distance measuring device based thereon are characterized in particular by the following advantages:

- Es werden alle Phasenfehler durch gleichzeitige Messung des Referenz- und des Hauptemittersignals eliminiert. Damit werden alle temperatur-, alterungs- und empfangsleistungsabhängigen Phasenfehler sowohl der Sende- als auch der Empfangseinheit vollständig beseitigt. - All phase errors are eliminated by simultaneous measurement of the reference and the main emitter signal. Thus, all temperature, aging and receiving power-dependent phase errors of both the transmitting and the receiving unit are completely eliminated.

- Die Messgenauigkeit wird wesentlich verbessert. - The measurement accuracy is significantly improved.

- Die Zuverlässigkeit der Messergebnisse ist deutlich besser. - The reliability of the measurement results is significantly better.

- Das Messgerät ist weitgehend wartungsfrei, da keine mechanischen Umschalter oder dergleichen benötigt werden. - The meter is largely maintenance-free, since no mechanical switches or the like are needed.

- Durch die gleichzeitige Messung des Referenz- und des Hauptemittersignals wird die Messzeit reduziert und die Messgenauigkeit erhöht. - The simultaneous measurement of the reference and the main emitter signal reduces the measuring time and increases the measuring accuracy.

Claims (28)

Patentansprücheclaims 1. Verfahren zur optoelektronischen Entfernungsmessung, bei dem1. A method for optoelectronic distance measurement, in which - ein von einem Licht-Hauptemitter (1) abgegebener, intensitätsmoduiierter Hauptlichtstrahl einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (Dq) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, gerichtet und das dort gestreute Licht (36) über eine Empfangsoptik (37) auf einen Photo-Hauptempfänger (5) gelangt, und andererseits ein abgezweiggter Teil (33) des Hauptlicht strahls gleichzeitig über eine erste bekannte Referenzdistanz (D^ auf einen Photoreferenzempfänger (4) geleitet wird;- One of a main light emitter (1) emitted, intensity-modulated main light beam on the one hand to a remote measurement object whose distance (Dq) is to be measured from an observation site, and the light scattered there (36) via a receiving optics (37) on a photo Main receiver (5) passes, and on the other hand, a branched-off portion (33) of the main light beam is simultaneously passed over a first known reference distance (D ^ on a photoreference receiver (4); - ein von einem Referenzlichtemitter (2) abgegebener, ebenfalls intensitätsmoduiierter Referenzlichtstrahl einerseits über eine zweite bekannte Referenzdistanz (Dg) auf den Photoreferenzempfänger (4) und andererseits ein Teil (35) des Referenzlichtstrahls über eine dritte Referenzdistanz (D ) auf den Hauptempfänger (5) gelangt, und bei dema reference light emitter also emitted by a reference light emitter (2), also intensity modulated, on the one hand via a second known reference distance (Dg) to the photo reference receiver (4) and on the other hand a part (35) of the reference light beam over a third reference distance (D) to the main receiver (5) arrives, and in which - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signale einer vergleichenden Signalauswertung zur Gewinnung eines fehlerkompensierten Messsignals zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass- The signals supplied by the main and the reference receiver of a comparative signal evaluation for obtaining an error-compensated measuring signal are supplied, characterized in that - die Lichtintensitäten des Haupt- und des Referenzemitters (1, 2) mit unterschiedlichen Frequenzen (f fg) gleichzeitig intensitätsmoduliert werden, wobei- The light intensities of the main and the reference emitter (1, 2) with different frequencies (f fg) are intensity-modulated simultaneously, 88th CH 695 516 A5CH 695 516 A5 - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signalgemische, die jeweils einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Hauptemitters als auch einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Referenzempfängers enthalten, jeweils in einen Zwischenfrequenzbereich konvertiert werden, der zwei Frequenzanteile enthält, wobei der eine Frequenzanteil mit dem Signal des Referenzemitters und der andere Frequenzanteil mit dem Signal des Hauptemitters gebildet wird, und dass- The signal mixtures supplied by the main and the reference receiver, each containing a signal component with the intensity modulation frequency of the main emitter and a signal component with the intensity modulation frequency of the reference receiver, are each converted into an intermediate frequency range containing two frequency components, the one frequency component with the signal of the reference emitter and the other frequency component is formed with the signal of the main emitter, and that - zur vergleichenden Signalauswertung die Separation der in den beiden simultan anfallenden Zwischenfrequenzsi-gnalen enthaltenen Phaseninformation aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen im Zwischenfrequenzbereich und der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation von Haupt- und Referenzlichtstrahl erfolgt.- For the comparative signal evaluation, the separation of the phase information contained in the two simultaneously incurred Zwischenfrequenzsi- signals carried out due to the different frequencies in the intermediate frequency range and the different modulation frequencies for the intensity modulation of main and reference light beam. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer eindeutigen Distanzmessung und zur Verbesserung des Messergebnisses zeitsequentiell mehrere Messvorgänge durchgeführt werden, wobei die Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation nach einem festgelegten Schema einerseits untereinander vertauscht und andererseits gleichermassen verändert werden.2. The method according to claim 1, characterized in that to achieve a clear distance measurement and to improve the measurement result time sequentially several measurement operations are performed, the modulation frequencies for the intensity modulation according to a fixed scheme on the one hand interchanged and on the other hand alike changed. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung an unterschiedliche Dynamikanforderungen eines jeweiligen Messvorgangs die Abgabeleistung des Haupt- und/oder des Referenzemitters variiert wird/ werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the output power of the main and / or the reference emitter is / are varied to adapt to different dynamic requirements of each measurement process. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptlichtemitter (1) sowie für den Referenzlichtemitter (2) Laser verwendet werden.4. The method according to claim 1, characterized in that as the main light emitter (1) and for the reference light emitter (2) lasers are used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwellenlängen (A , A ) der beiden Laser (1, 2) unterschiedlich gewählt werden.5. The method according to claim 4, characterized in that the fundamental wavelengths (A, A) of the two lasers (1, 2) are chosen differently. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch optische Filterung ein Übersprechen zwischen den dem Hauptstrahl bzw. dem Referenzstrahl zugeordneten Lichtsignalwegen reduziert wird.6. The method according to claim 5, characterized in that by optical filtering crosstalk between the main beam and the reference beam associated Lichtsignalwegen is reduced. 7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur vergleichenden Signalauswertung die Phasen der Signalanteile der Signalgemische (42; 43) im Zwischenfrequenzbereich durch digitale Fouriertransformation mit Auswertung der Real- und Imaginärteile der in den Frequenzbereich fouriertransformierten Signalgemische bei den jeweiligen Zwischenfrequenzen (f und f ) ermittelt werden.7. The method according to claim 4, characterized in that for the comparative signal evaluation, the phases of the signal components of the signal mixtures (42; 43) in the intermediate frequency range by digital Fourier transform with evaluation of the real and imaginary parts of the Fourieriertierformierten in the frequency range signal mixtures at the respective intermediate frequencies (f and f) are determined. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der digitalen Fouriertransformation zuzuführenden Signalgemische zunächst einer Tiefpassfilterung unterworfen werden.8. The method according to claim 7, characterized in that the digital Fourier transformation to be supplied signal mixtures are first subjected to a low-pass filtering. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfrequenzen (f und f ) und die Abtastzeiten einer der Fouriertransformation vorausgehenden Analog-Digital-Wandlung (17, 18), d.h. das Messfenster der jeweiligen digitalen Abtastung, so gewählt werden, dass eine ganzzahlige Anzahl von Perioden sowohl des Signalanteils mit der ersten Zwischenfrequenz (f ) als auch des Signalanteils mit der zweiten Zwischenfrequenz (f ) im Messfenster der digitalen Abtastung liegen.A method according to claim 8, characterized in that the intermediate frequencies (f and f) and the sampling times of an analog-to-digital conversion (17, 18) preceding the Fourier transform, i. the measurement window of the respective digital sampling, be selected so that an integer number of periods of both the signal component with the first intermediate frequency (f) and the signal component with the second intermediate frequency (f) are in the measurement window of the digital scan. 10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Hauptempfänger (5) gelangende Anteil des Referenzlichtstrahls zunächst diffus reflektiert oder gestreut und nur als Streuanteil zusammen mit dem über die Empfangsoptik einfallenden Rückstreuanteil des Hauptlichtstrahls auf den Hauptempfänger (5) geleitet wird.10. The method according to claim 1, characterized in that on the main receiver (5) reaching proportion of the reference light beam is first diffusely reflected or scattered and only as Streuanteil together with the incident on the receiving optical Rückstreuanteil the main light beam to the main receiver (5) is passed. 11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Referenzempfänger (4) gelangenden Anteile des Referenz- und Hauptlichtstrahls zunächst diffus reflektiert oder gestreut und nur als Streulichtanteile auf den Referenzempfänger (4) geleitet werden.11. The method according to claim 1 or 10, characterized in that on the reference receiver (4) reaching portions of the reference and main light beam initially diffusely reflected or scattered and passed only as scattered light components on the reference receiver (4). 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur optoelektronischen Entfernungsmessung mit12. An apparatus for performing the method according to claim 1 for optoelectronic distance measurement with - zwei Lichtsendern (1, 2), deren jeweiliger Lichtstrahl intensitätsmoduliert ist, wobei der Lichtstrahl des ersten als «Hauptemitter» (1) bezeichneten Lichtsenders einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (D ) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, ausrichtbar ist, und andererseits ein abgetrennter Strahlanten über eine erste Referenzdistanz (D^ auf einen von zwei Photoempfängern (4, 5) gelangt, der als «Referenzempfänger» (4) bezeichnet ist, und wobei der Lichtstrahl des zweiten als «Referenzemitter» (2) bezeichneten Lichtsenders über eine zweite Referenzdistanz (D ) auf den Referenzempfänger (4) und ein davon abgetrennter Strahlanteil über eine dritte Referenzdistanz (D ) auf den als «Hauptempfänger» bezeichneten zweiten Photoempfänger (5) gelangt, der ausserdem mit dem vom Messobjekt rückgestreuten Anteil des Lichtstrahls vom Hauptemitter (1) beaufschlagt ist,two light emitters (1, 2) whose respective light beam is intensity-modulated, the light beam of the first light emitter designated as "main emitter" (1) being alignable on the one hand to a remote measurement object whose distance (D) is to be measured from an observation location, and on the other hand, a separated radiant passes through a first reference distance (D ^) to one of two photoreceptors (4, 5) referred to as the "reference receiver" (4) and the light beam of the second light emitter designated as the "reference emitter" (2) via a second reference distance (D) to the reference receiver (4) and a beam portion separated therefrom via a third reference distance (D) to the second photoreceiver (5) designated as the "main receiver", which also receives the portion of the light beam from the backscattered from the object to be measured Main emitter (1) is applied, - jeweils einem dem Referenzempfänger (4) bzw. dem Hauptempfänger (5) zugeordneten Signal-Mischer (7, 8), welche die Empfängersignalgemische in einen Zwischenfrequenzbereich umsetzen, sowie mit- Each one the reference receiver (4) and the main receiver (5) associated signal mixer (7, 8), which convert the receiver signal mixtures in an intermediate frequency range, and with - einer Auswerteeinrichtung (17 bis 19) zur Bestimmung der Messdistanz (Dq) aus den Ausgangssignalen der beiden Mischer (7, 8), gekennzeichnet durch- An evaluation device (17 to 19) for determining the measuring distance (Dq) from the output signals of the two mixers (7, 8), characterized by - eine Einrichtung, durch welche die vom Haupt- bzw. vom Referenzemitter (1, 2) abgegebenen Lichtstrahlen gleichzeitig mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen (f fg) intensitätsmodulierbar sind.a device by means of which the light beams emitted by the main emitter or by the reference emitter (1, 2) can be intensity-modulated simultaneously with respectively different frequencies (f fg). 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch jeweils einen zwischen dem Referenzempfänger (4) bzw. dem Hauptempfänger (5) und dem jeweils zugeordneten Mischer angeordneten Transimpedanzverstärker (9, 10) oder impedanzkontrollierten HF-Verstärker.13. The apparatus according to claim 12, characterized by a respective between the reference receiver (4) and the main receiver (5) and the respective associated mixer arranged transimpedance amplifier (9, 10) or impedance-controlled RF amplifier. M.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine Avalanche-Photodiode verwendet ist.M.Vorrichtung according to claim 12, characterized in that as the main receiver (5) and / or as a reference receiver (4) each have an avalanche photodiode is used. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Avalanche-Photodiode des Hauptempfängers (5)15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the avalanche photodiode of the main receiver (5) 99 CH 695 516 A5CH 695 516 A5 und/oder die Avalanche-Photodiode des Referenzempfängers (4) als Direktmischer genutzt werden, wobei durch Modulation der Avalanche-Verstärkung über ein von einem Lokaloszillator (20, 12) erzeugtes Lokaloszillatorsignal (f10) das jeweilige Empfangssignalgemisch direkt in den Zwischenfrequenzbereich konvertiert wird.and / or the avalanche photodiode of the reference receiver (4) are used as a direct mixer, wherein the respective received signal mixture is converted directly into the intermediate frequency range by modulation of the avalanche gain via a local oscillator signal (f10) generated by a local oscillator (20, 12). 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Lokaloszillator ein LC-Oszillator verwendet wird, dessen schwingungsbestimmende Elemente vor allem durch die Kapazität der Avalanche-Photodiode des Hauptempfängers und/oder durch die Kapazität der Avalanche-Photodiode des Referenzempfängers gebildet werden.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that a LC oscillator is used as a local oscillator whose vibration-determining elements are mainly formed by the capacity of the avalanche photodiode of the main receiver and / or by the capacity of the avalanche photodiode of the reference receiver. 17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine PIN-Photodiode verwendet ist.17. The apparatus according to claim 12, characterized in that as the main receiver (5) and / or as a reference receiver (4) each have a PIN photodiode is used. 18. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine in der Intensitätsmodulationseinrichtung (20-22) vorhandene Einrichtung zum gegenseitigen Vertauschen der Frequenzen (f fg) der auf den jeweiligen Lichtemitter gelangenden Modulationssignale.18. The apparatus according to claim 12, characterized by an in the intensity modulation means (20-22) existing means for mutually exchanging the frequencies (f fg) of the reaching on the respective light emitter modulation signals. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum zeitsequentiellen gegenseitigen Vertauschen der Frequenz der auf den jeweiligen Lichtemitter gelangenden Intensitätsmodulationssignale.19. The apparatus according to claim 18, characterized by a device for time-sequential mutual exchange of the frequency of reaching the respective light emitter intensity modulation signals. 20. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum gieichmässigen Verändern der Frequenz der auf den jeweiligen Lichtemitter (1, 2) gelangenden Intensitätsmodulationssignale.20. The apparatus according to claim 18, characterized by a device for gieichmässig changing the frequency of the respective light emitter (1, 2) reaching intensity modulation signals. 21. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch eine im Strahlengang des vom Referenzemitter (2) auf den Hauptempfänger (5) gelangenden Strahlanteils angeordnete Streueinrichtung (11), von der ein gestreuter Lichtanteil des vom Referenzemitter (2) stammenden Strahlanteils auf den Hauptempfänger (5) gelangt.21. Device according to one of the preceding claims 12 to 20, characterized by a in the beam path of the reference emitter (2) on the main receiver (5) reaching beam portion arranged scatterer (11), of which a scattered light component of the reference emitter (2) originating beam component to the main receiver (5). 22. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 21, gekennzeichnet durch eine im Strahlengang der vom Referenzemitter (2) und vom Hauptemitter (1) auf den Referenzempfänger (4) gelangenden Strahlanteile angeordnete Streueinrichtung (51), von der gestreute Lichtanteile der vom Referenzemitter (2) und Hauptemitter (1) stammenden Strahlanteile auf den Referenzempfänger (4) gelangen.22. Device according to one of the preceding claims 12 to 21, characterized by a in the beam path of the reference emitter (2) and the main emitter (1) on the reference receiver (4) reaching beam portions arranged scatterer (51), of the scattered light components of the reference emitter (2) and main emitter (1) coming beam portions on the reference receiver (4). 23. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Variation der Lichtabgabeleistung des Referenzemitters (2) und/oder des Hauptemitters (1).23. The device according to claim 12, characterized by means for varying the Lichtabgabeleistung the reference emitter (2) and / or the main emitter (1). 24. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenlängen (A , A ) von Referenz-und Hauptemitter unterschiedlich sind.24. The device according to claim 12, characterized in that the optical wavelengths (A, A) of reference and main emitter are different. 25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vom Hauptemitter (1) zum Referenzempfänger (4) ein auf die vom Hauptemitter abgegebene Wellenlänge abgestimmtes optisches Filter (52) und/ oder im Strahlengang vom Referenzemitter (2) zum Hauptempfänger (5) ein auf die vom Referenzemitter abgegebene Wellenlänge abgestimmtes optisches Filter (41) angeordnet ist.25. The apparatus according to claim 24, characterized in that in the beam path from the main emitter (1) to the reference receiver (4) tuned to the output from the main emitter wavelength optical filter (52) and / or in the beam path from the reference emitter (2) to the main receiver (5 ) is arranged on the output from the reference emitter wavelength tuned optical filter (41). 26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptemitter (1) bzw. der Referenzemitter (2) eine kantenemittierende Laserdiode, eine VCSEL oder eine Leuchtdiode ist/sind.26. The device according to claim 24, characterized in that the main emitter (1) or the reference emitter (2) is an edge emitting laser diode, a VCSEL or a light emitting diode is / are. 27. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen für Sende- und Empfangsteil verwendeten Mutteroszillator (20).27. The apparatus according to claim 12, characterized by a common used for transmitting and receiving part of the master oscillator (20). 28. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Mischer (7, 8 bzw. 4, 5) vom gleichen Lokaloszillator (20, 12) ansteuerbar sind, dessen Frequenz (f ) so gewählt ist, dass im Zwischenfrequenzbereich jeweils ein Signalgemisch vorliegt, dessen Signalanteile mit beiden Zwischenfrequenzanteilen (f fZF2) die Phasen bei den Modulationsfrequenzen (f f ) enthält.28. The apparatus of claim 12 or claim 15, characterized in that the two mixers (7, 8 and 4, 5) from the same local oscillator (20, 12) are controlled, the frequency (f) is selected so that in the intermediate frequency range in each case a signal mixture is present whose signal components with both intermediate frequency components (f fZF2) contains the phases at the modulation frequencies (ff). 1010
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011134889A1 (en) * 2010-04-26 2011-11-03 Balluff Gmbh Optical sensor device
EP4160264A1 (en) * 2021-09-30 2023-04-05 Renesas Electronics America Inc. Lidar system with reference receiver channel, suitable optical receiver and corresponding lidar operating method

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