DE10006493C2 - Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmessung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen EntfernungsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optoelektronischen Entfernungs
messung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. eine auf dem
Verfahren basierende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
11.
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 Distanz
messung an bestimmten Oberflächen, d. h. ohne den Einsatz von Zielmarken,
ermöglicht insbesondere in den genannten Branchen reduzierte Fertigungszeiten
und Kosteneinsparungen bei gleichzeitiger Verringerung der Fertigungstole
ranzen.
Verfahren und Vorrichtungen zur genauen optoelektronischen Distanzmessung
sind bekannt. In den meisten Fällen wird dabei, wie auch im Falle der Erfin
dung, ein vorzugsweise sinusförmig intensitätsmodulierter Strahl einer Licht
quelle, insbesondere einer Laserdiode auf ein Meßobjekt gerichtet. Das vom
Meßobjekt zurückgestreute intensitätsmodulierte Licht wird von einer Photo
diode detektiert. Die zu messende Distanz ergibt sich aus der Phasenverschie
bung der vom Meßobjekt zurückgestreuten sinusförmig modulierten Lichtinten
sität in Bezug zur emittierten Lichtintensität der Lichtquelle.
Ein Hauptproblem bei hochgenauen Distanz- bzw. Phasenmeßsystemen der
genannten Art ist die Eliminierung von temperatur- und alterungsabhängigen
parasitären Phasenänderungen der Lichtquelle, also insbesondere im Laser
diodensender und/oder im Photodiodenempfänger. Um diesem Problem zu
begegnen sind verschiedene Verfahren bekannt.
Eine in der Druckschrift EP 0 701 702 B1 beschriebene Möglichkeit ist der
Einsatz einer mechanisch umschaltbaren Referenzstrecke. Dabei wird ein inten
sitätsmodulierter 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 gemesse
nen 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 ein
geschränkt werden.
Andere bekannte in DE 196 43 287 A1 beschriebene Entfernungsmeßgeräte der
hier in Rede stehenden Art arbeiten mit einem Referenzphotoempfänger und
einem Hauptphotoempfänger. Dabei wird ein Teil des intensitätsmodulierten
Laserlichts auf das Meßobjekt und von dort auf den Hauptphotoempfänger und
ein vom Laserlichtstrahl getrennter anderer Teil direkt auf den Referenz
photoempfänger 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 elimi
niert, nicht jedoch das zeitlich veränderliche Phasenverhalten der Empfangs
komponenten, welches für den Meß- und Referenzmeßzweig im allgemeinen ver
schieden ist. Außerdem ist auch bei Entfernungsmeßgeräten dieser Art mit stark
unterschiedlichen Empfangsleistungen in beiden Zweigen zu rechnen, woraus
weitere Phasenfehler resultieren.
Bei einer weiteren Art einer bekannten optoelektronischen Distanzmeßvorrich
tung (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 Ober
begriffen der Patentansprüche 1 bzw. 12 im einzelnen angegeben, wird bei die
sem 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 Abgabe
leistung 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.
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 voll
ständig 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 besei
tigt. 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 optischen Strahlung. Außerdem variiert mit der Empfangsleistung
die generierte Ladung in der Sperrschicht der APD, wodurch die Sperrschicht
weite und damit auch die Sperrschichtkapazität beeinflußt wird. Mit der Sperr
schichtkapazität ändert sich das Phasenverhalten des durch sie gebildeten Tief
passes. Bei hohen APD-Verstärkungsfaktoren kann hierdurch bei einer
Empfangsleistungsvariation von zwei Größenordnungen eine Phasendrehung
von in der Regel größer als 5° hervorgerufen werden.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmeßverfahren
und eine nach diesem Verfahren arbeitende Vorrichtung anzugeben, mit denen
sich eine hochgenaue Distanzmessung erreichen läßt und die vollständig unab
hängig 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.
Die Erfindung ist bei einem Verfahren zur optoelektronischen Entfernungs
messung durch die Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruchs 1 definiert.
Vorteilhafte Weiterbildungen dieses erfindungsgemäßen Entfernungsmeß
verfahrens sind in rückbezogenen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmes
sung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 11 umschrieben.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Entfernungsmeßvor
richtung sind ebenfalls in weiteren abhängigen Patentansprüchen definiert.
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 Referenz
strecke auf den als Referenzempfänger bezeichneten zweiten Photoempfänger
geführt. Der Referenzemitter wird mit einer zweiten Modulationsfrequenz f2
ebenfalls vorzugsweise sinusförmig intensitätsmoduliert. Ein Teil seiner modu
lierten 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. Um eine eindeutige
Distanzmessung sowie eine weiter unten in Einzelheiten erläuterte Verbesse
rung der Meßergebnisse zu erzielen, werden in zeitsequentieller Folge mehrere
Meßvorgänge durchgeführt, wobei die Modulationsfrequenzen f1, f2 für die In
tensitätsmodulation nach einem festgelegten Schema vertauscht und gegebe
nenfalls zusätzlich gleichermaßen verändert werden.
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.
Die beiden so gewonnenen Signalspannungen werden anschließend unter
Verwendung einer lokal erzeugten Frequenz durch zugeordnete Mischer in
geeignete Zwischenfrequenzbereiche umgesetzt und anschließend nach Analog-
Digitalwandlung einer Signalauswertung zur fehlerfreien Bestimmung der
signallaufzeitbedingten Phasenverschiebung und damit der Distanz ausgewertet.
Die aus US 4,531,833 und US 5,082,364 bekannten optoelektronischen
Distanzmeßverfahren verwenden ein grundsätzlich anderes Signalempfangsver
fahren, bei dem mit einer optischen Lichtintensitätsmodulation als Lokaloszilla
torsignal gearbeitet wird. Eine solche Modulationsart läßt sich jedoch mit Photo
dioden nicht oder nur schwer realisieren.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug
auf die Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen, bevorzugten Aufbau einer Entfernungs
meßeinrichtung die auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basiert,
und
Fig. 2 verdeutlicht ein am Ausgang des Vertärkers 16 in Fig. 1 erhaltenes
Zwischenfrequenzsignalgemisch im Zeitbereich (links) bzw. im
Frequenzbereich (rechts).
Die Prinzipanordnung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten
den Entfernungsmeßgeräts enthält einen als Hauptemitter 1 bezeichneten
ersten Lichtsender, insbesondere Laser und einen als Referenzemitter 2 bezeich
neten 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 λ1 = 650 nm beträgt. Als Referenzemitter 2
wird eine vorzugsweise auf einer anderen Wellenlänge, beispielsweise λ2 = 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 Filte
rung, so daß sich mögliche Probleme durch optisches Übersprechen reduzieren
lassen. Als Referenzempfänger 4 dient vorzugsweise eine PIN-Photodiode, wäh
rend als Hauptempfänger 5 bevorzugt eine Avalanche-Photodiode vorgesehen ist.
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, vorzugs
weise sinusförmig, in ihrer Intensität zu modulieren. So wird beispielsweise der
Hauptemitter 1 (zunächst) mit der Frequenz f1 und der Referenzemitter 2
(zunächst) mit der Frequenz f2 intensitätsmoduliert. Die beiden Modulations
frequenzen f1, f2 werden über zwei von einem gemeinsamen Oszillator 20
angesteuerte Frequenzsynthesizer 21 bzw. 22 gewonnen. Die Einspeisung der
Modulationssignale mit den Frequenzen f1 bzw. f2 in den (nicht dargestellten)
Erregerstromkreis für den Hauptemitter 1 bzw. den Referenzemitter 2 erfolgt
beispielsweise über Hochfrequenzverstärker 23 bzw. 24.
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 D1, 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 Strahl
teiler 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 D2 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 Hauptlicht
strahls den Hauptempfänger 5 beaufschlagt. Als Scatter 11 kann im Prinzip
jedes streuende Material verwendet werden. Selbst die Gehäusewand wäre geeig
net. 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 zumin
dest beim Hauptempfänger 5 ein Scatter-Material mit geringem Streugrad von
Vorteil, z. B. schwarzes Papier, schwarzer Samt oder dgl.
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 Punk
te des Strahlquerschnitts besitzen verschiedene Phasen bezüglich der modulier
ten Lichtintensität. Bei einer homogenen Rückstreuung wird eine über den
Strahlquerschnitt gemittelte Phase gemessen. In dem Fall jedoch, daß bestimm
te 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 Meßobjektober
fläche, so verändert sich die mittlere Phase und es entsteht ein Meßfehler, der
von der unbekannten Meßobjektoberfläche abhängt. Dieser Fehler läßt sich
nicht kompensieren. In den meisten Fällen werden jedoch alle Punkte des
Leuchtflecks nahezu in gleicher Stärke zurückgestreut.
Bei einem direkt auf den Hauptempfänger 5 geführten Referenzemitterstrahl 35
würde aufgrund der kleinen APD-Fläche nur ein kleiner Teil des Strahlquer
schnitts detektiert. Die somit gemessene Phase des Strahles repräsentiert dann
in der Regel nicht die mittlere Modulationsphase. Zudem ist die Phasenver
teilung 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 redu
ziert.
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.
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 verhin
dert, daß die APD im Hauptempfänger 5 übersteuert wird. Außerdem wird hier
durch das mit der detektierten Lichtleistung ansteigende Schrotrauschen redu
ziert.
Wichtig ist, die Streuleistung des Referenzemitterlichtes auf das System
abzustimmen, damit ein optimiertes Signal-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 Entfernungs
messung eingeht, kann hierdurch ein Meßfehler entstehen. Es ist also zweck
mäßig einen geeigneten Kompromiß zu finden. Für einen Entfernungsmeß
bereich bis 100 m hat sich bei Versuchen ergeben, daß die detektierte Streu
lichtleistung 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 Meß
strahles 32 von 1 mW und einem Durchmesser der Empfangsoptik 37 von 50 mm
entspricht dies einer detektierten Streulichtleistung des Referenzemitter
strahls von 0,7 nW.
Die vom Referenzempfänger 4 bzw. vom Hauptempfänger 5 gelieferten Photo
ströme werden zunächst über Transimpedanzverstärker 9 bzw. 10 in entsprechende
Meßspannungen x2 bzw. x1 konvertiert.
Anstelle der Transimpedanzverstärker können pinzipiell auch impedanz
kontrollierte (50 Ohm) HF-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 läßt.
Das vom Referenzempfänger 4 stammende Signal x2 beaufschlagt sodann einen
Meßsignaleingang eines ersten Mischers 7, während das Signal x1 auf den Meß
signaleingang eines zweiten Mischers 8 gelangt. Die beiden Mischer 7 und 8
werden vom gleichen lokalen Frequenzoszillator 20 (Mutteroszillator) via
Frequenzsynthesizer 12 mit einer Frequenz fLO angesteuert, die so gewählt ist,
daß auch im ausgangsseitig entstehenden Zwischenfrequenzbereich jeweils ein
Signalgemisch mit den Frequenzanteilen fZF1 und fZF2 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 f1 und f2 besteht. Dieses Signalgemisch wird in den beiden
Signalzweigen mit den in der Regel gleich aufgebauten Mischern 7 und 8 und
dem Lokaloszillatorsignal der Frequenz fLO in den erwähnten Zwischenfrequenz
bereich konvertiert. Auch eine Direktmischung über Avalanche-Photodioden
(APD) ist in diesem Zusammenhang denkbar, wobei der APD-Betriebshoch
spannung direkt das Signal des Lokaloszillators 12 überlagert wird. Durch die
resultierende Modulation der Avalanche-Verstärkung wird dieses Lokaloszilla
torsignal mit dem Empfangssignal gemischt, so daß der APD-Ausgangsstrom die
beiden ZF-Signalanteile fZF1 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-Photo
dioden zu verwenden. Das erste Zwischenfrequenzsignal mit der Frequenz fZF1
wird anschließend aus dem Empfangssignal mit der ersten Modulationsfrequenz
f1 und das Zwischenfrequenzsignal mit der zweiten Zwischenfrequenz fZF2 aus
dem Empfangssignal mit der zweiten Modulationsfrequenz f2 abgeleitet. Nach
einer Tiefpaßfilterung 13 bzw. 14 zur Eliminierung der Signalanteile mit den
Summenfrequenzen f1 + fLO und f2 + fLO sowie zur Rauschsignalreduzierung
und einer Verstärkung 15 bzw. 16 werden die geeignet verstärkten ZF-Signale
x4 bzw. x3 mit Analog-Digital-Wandlern 17 bzw. 18 abgetastet. Die erste und die
zweite Zwischenfrequenz fZF1 bzw. fZF2 und die Abtastzeiten der Analog-Digi
talwandler 17, 18, also das Meßfenster, werden dabei zweckmäßigerweise so
gewählt, daß jeweils eine ganzzahlige Anzahl von Perioden der beiden Zwischen
frequenzsignale fZF1, fZF2 im Meßfenster der digitalen Abtastung liegen.
Hierdurch wird ein sog. Leckeffekt vermieden, der bei der digitalen, diskreten
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.
Eine digitale Fouriertransformation 19 des abgetasteten Signalgemisches x3 des
Hauptempfängerzweigs 42 und unabhängig davon des abgetasteten Signal
gemisches x4 des Referenzempfängerzweigs 43, z. B. für ein bestimmtes Meß
fenster wie oben angegeben, liefert die Phasen der Lichtsignalanteile 33 und 36
des Hauptemitters 1, die Phasen der Lichtsignalanteile 34 und 35 des Referen
zemitters 2 sowie temperatur-, alterungs- und empfangsleistungsabhängige
Phasenverschiebungen, welche im Haupt- und Referenzempfängerzweig hervor
gerufen werden. Es werden also vier Phasenbeziehungen ermittelt.
Da die Phase nur in einem Intervall von 0 bis 2π eindeutig gemessen werden
kann, die Meßdistanz aber in den meisten Fällen wesentlich größere Phasenver
schiebungen produziert, werden gemäß einer signifikanten Verbesserung des
Grundgedankens der Erfindung - um eine eindeutige Distanzmessung zu erzie
len und um die Meßergebnisse zu verbessern - bei einem zweiten Meßdurchgang
die Modulationsfrequenzen gewechselt, d. h., der Hauptemitter 1 wird jetzt mit
der Frequenz f2 und der Referenzemitter 2 mit der Frequenz f1 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 Referenzempfänger
zweig ergeben.
Da das Singal des Hauptemitters 1 und das Singal 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 jewei
ligen Empfängerkomponenten vollständig eliminiert. Außerdem sind die
Empfangsverhältnisse konstant, da Haupt- und Referenzemittersignale gleich
zeitig die jeweiligen Empfangszweige passieren. Die Trennung der Signale erfolgt
- wie ebenfalls dargestellt - über die unterschiedlichen Modulationsfrequenzen
f1 bzw. f2. Empfangsleistungsabhängige Phasenfehler werden somit ebenfalls
beseitigt.
Durch weitere Bildung von Phasendifferenzen wird zusätzlich das Phasenver
halten des Hauptemitters 1 und das Phasenverhalten des Referenzemitters 2
beseitigt, so daß letztendlich nur noch eine konstante Phasendifferenz übrig
bleibt, welche durch die angegebenen geräteinternen Wegdifferenzen der Refe
renzdistanzen D1, D2 und D3 sowie durch die (in Fig. 1 nicht näher bezeichne
te) Meßdistanz D0 beider Emittersignale außerhalb der beiden Laseremitter ent
steht. Die Meßdistanz D0 beeinflußt dabei die Phase des modulierten und vom
Hauptempfänger 5 detektierten Lichtanteils 32 des Hauptemitters 1, die Refe
renzdistanz D1 die Phase des modulierten und vom Referenzempfänger detek
tierten Lichtanteils 33 des Hauptemitters 1, die Referenzdistanz D2 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 D1, D2 und D3 außer
halb der Emitter 1, 2 bekannt und konstant sind, läßt sich die zu messende
Distanz bestimmen. Sie wird demnach mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
völlig unabhängig vom Phasenverhalten der Sende- und Empfangseinheiten
ermittelt.
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. 2 zu sehen. Dort ist im
rechten Diagramm auch das Signalgemisch im Frequenzbereich dargestellt.
Zunächst emittiert der Hauptemitter 1 Strahlung mit der Modulationsfrequenz
f1 und der Referenzemitter 2 Strahlung mit der Modulationsfrequenz f2. Die
Mischereingangssignale x1 und x2 besitzen jeweils zwei sinusförmige
Signalanteile mit den Frequenzen f1 und f2 der Modulation. Es gilt
x1 = 1,1cos(2πf1t + ϕHS(f1) + ϕHE(f1) - 2πf12D0/c)
+ 1,2cos(2πf2t + ϕRS(f2) + ϕHE(f2) - 2πf2D3/c) (1)
x2 = 2,1cos(2πf1t + ϕHS(f1) + ϕRE(f1) - 2πf1D1/c)
+ 2,2cos(2πf2t + ϕRS(f2) + ϕRE(f1) - 2πf2D2/c) (2)
mit
ϕHS(f1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (21) und Phasenverschiebung des Treibers (23) und Hauptemitters (1) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRS(f2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (22) und Phasenverschiebung des Treibers (24) und Referenzemitters (2) bei der Frequenz f2; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕHE(f1) Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕHE(f2) Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f2; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRE(f1) Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRE(f2) Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f2; temperatur- und alteningsabhängig;
D0 Meßdistanz;
D1 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
D2 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
D3 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
c Lichtgeschwindigkeit in Luft.
ϕHS(f1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (21) und Phasenverschiebung des Treibers (23) und Hauptemitters (1) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRS(f2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (22) und Phasenverschiebung des Treibers (24) und Referenzemitters (2) bei der Frequenz f2; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕHE(f1) Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕHE(f2) Summe aus Phasenverschiebung des Hauptempfängers (5) und des Transimpedanzverstärkers (10) bei der Frequenz f2; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRE(f1) Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f1; temperatur- und alterungsabhängig;
ϕRE(f2) Summe aus Phasenverschiebung des Referenzempfängers (4) und des Transimpedanzverstärkers (9) bei der Frequenz f2; temperatur- und alteningsabhängig;
D0 Meßdistanz;
D1 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
D2 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
D3 konstante und bekannte geräteinterne Distanz;
c Lichtgeschwindigkeit in Luft.
Durch Mischung (Multiplikation) der Signale aus Gl. (1) und (2) mit dem Lokaloszillator
signal der Frequenz fLO und anschließender Tiefpaßfilterung folgt
x3 = 3,1cos(2πfZF1t + ϕHS(f1) + ϕHE(f1) + ϕZF3(fZF1) - 2πf12D0/c)
+ 3,2cos(2πfZF2t + ϕRS(f2) + ϕHE(f2) + ϕZF3(fZF2) - 2πf2D3/c) (3)
x4 = 4,1cos(2πfZF1t + ϕHS(f1) + ϕRE(f1) + ϕZF4(fZF1) - 2πf1D1/c)
+ 2,2cos(2πfZF2t + ϕRS(f2) + ϕRE(f2) + ϕZF4(fZF2) - 2πf2D2/c) (4)
mit den Zwischenfrequenzen
fZF1 = |f1 - fLO| (5)
und
fZF2 = |f2 - fLO| (6)
Durch die Tiefpaßfilterung werden die Signalanteile mit den Summenfrequenzen f1 + fLO
und f2 + fLO, welche auch durch den nichtlinearen Mischprozeß entstehen, eliminiert.
Auch der Rauschpegel wird hierdurch herabgesetzt.
Es bedeuten:
ϕZF3(fZF1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz fZF1;
ϕZF3(fZF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz fZF2;
ϕZF4(fZF1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz fZF1;
ϕZF4(fZF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz fZF2.
ϕZF3(fZF1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz fZF1;
ϕZF3(fZF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (18) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (14) und Verstärkers (16) bei der Frequenz fZF2;
ϕZF4(fZF1) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz fZF1;
ϕZF4(fZF2) Summe aus Anfangsphase des Synthesizers (12), Anfangsabtastphase des ADC (17) und Phasenverschiebung des Tiefpaß (13) und Verstärkers (15) bei der Frequenz fZF2.
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
schenfrequenzen fZF1 und fZF2 separieren.
In Fig. 2 ist links als Beispiel ein Signalgemisch x3 im Zeitbereich mit den Fre
quenzanteilen fZF1 = 40 kHz und fZF2 = 60 kHz dargestellt. Rechts ist der Be
trag des fouriertransformierten Signalgemisches über die Zwischenfrequenz fZF
aufgetragen. Es sind zwei scharfe Signalpeaks bei den jeweiligen Zwichenfre
quenzen zu erkennen. Bei anderen Frequenzen sind die Werte des Spektrums
nahezu Null. Die unterschiedlichen Höhen der Peaks resultieren aus unter
schiedlichen Amplituden der Signalanteile im Zeitbereich (0,7 V, 0,4 V).
Die Werte des transformierten Signalgemisches im Frequenzbereich sind kom
plex, d. h. es setzt sich gemäß
X3(fZF) = Re{X3(fZF)} + j.Im{X3(fZF)}
aus einem Real- und einem Imaginäranteil zusammen. In Fig. 2 ist der Betrag
dargestellt. Aus den komplexen Werten bei den jeweiligen Frequenzen fZF1 und fZF2
können mittels der Arctan-Funktion gemäß
ϕ1(f1) = arctan(Im{X3(fZF1)}/Re{X3(fZF1)})
und
ϕ2(f2) = arctan(Im{X3(fZF2)}/Re{X3(fZF2)})
die Phasen der separierten Signalanteile bei den zu betrachtenden Zwischenfrequen
zen fZF1 und fZF2 ermittelt werden. Für x3 aus Gl. (3) lauten sie
ϕ1(f1) = ϕHS(f1) + ϕHE(f1) + ϕZF3(fZF1) - 2πf12D0/c (7)
und
ϕ2(f2) = ϕRS(f2) + ϕHE(f2) + ϕZF3(fZF2) - 2πf2D3/c. (8)
Für die Phasen von x4 aus Gl. (4) folgt entsprechend
ϕ3(f1) = ϕHS(f1) + ϕRE(f1) + ϕZF4(fZF1) - 2πf12D1/c (9)
und
ϕ4(f2) = ϕRS(f2) + ϕRE(f2) + ϕZF4(fZF2) - 2πf2D2/c. (10)
ϕ4(f2) = ϕRS(f2) + ϕRE(f2) + ϕZF4(fZF2) - 2πf2D2/c. (10)
Besonders vorteilhaft ist es, wenn im nächsten Schritt die Modulationsfrequen
zen f1 und f2 vertauscht werden, so daß nun der Hauptemitter 1 Strahlung mit
der Modulationsfrequenz f2 und der Referenzemitter 2 Strahlung mit der Modu
lationsfrequenz f1 emittiert. Wie weiter unter beschrieben wird, verbessert diese
Messung mit vertauschten Modulationsfrequenzn die eindeutige Distanzmes
sung ganz erheblich. Gemäß dem oben beschriebenen Ablauf werden jetzt die
Phasen
ϕ1(f2) = ϕHS(f2) + ϕHE(f2) + ϕZF3(fZF2) - 2πf22D0/c (11)
ϕ2(f1) = ϕRS(f1) + ϕHE(f1) + ϕZF3(fZF1) - 2πf1D3/c (12)
ϕ3(f2) = ϕHS(f2) + ϕRE(f2) + ϕZF4(fZF2) - 2πf22D1/c (13)
ϕ1(f1) = ϕRS(f1) + ϕRE(f1) + ϕZF4(fZF1) - 2πf1D2/c (14)
gemessen. Durch Bilden der Differenzen folgt aus den Gln. (7-14)
ϕ1(f1) - ϕ3(f1) = ϕHE(f1) - ϕRE(f1) + ϕZF3(fZF1) - ϕZF4(fZF1) - 2πf12D0/c + 2πf12D1/c (15)
ϕ2(f2) - ϕ4(f2) = ϕHE(f2) - ϕRE(f2) + ϕZF3(fZF2) - ϕZF4(fZF2) - 2πf2D3/c + 2πf2D2/c (16)
ϕ1(f2) - ϕ3(f2) = ϕHE(f2) - ϕRE(f2) + ϕZF3(fZF2) - ϕZF4(fZF2) - 2πf2D0/c + 2πf22D1/c (17)
ϕ2(f1) - ϕ4(f1) = ϕHE(f1) - ϕRE(f1) + ϕZF3(fZF1) - ϕZF4(fZF1) - 2πf1D3/c + 2πf1D2/c, (18)
und durch Subtraktion der Gln. (15) und (18) bzw. (16) und (17) ergibt sich schließlich
Δϕ(f1) = 2πf12D1/c - 2πf1D2/c + 2πf1D3/c - 2πf12D0/c + 2πn (19)
Δϕ(f2) = -2πf22D1/c + 2πf2D2/c - 2πf2D3/c - 2πf22D0/c - 2πn. (19)
Da die Phase nur in einem Intervall von 0 bis 2π eindeutig gemessen werden
kann, die Meßdistanz aber in den meisten Fällen wesentlich größere Phasenver
schiebungen produziert, wird in den Gln. (19) und (20) die ganzzahlige Anzahl n
der vollen Perioden eingeführt, die zusätzlich zum Restphasenterm die gesamte
Phasendrehung bestimmt. Aus den letztgenannten beiden Gln. (19) und (20)
können nun die zu messende Distanz D0 und die Periodenzahl n eindeutig ermittelt
werden, denn die geräteinternen Distanzen D1, D2 und D3 sind konstant
und lassen sich vorab meßtechnisch bestimmen. Die beiden Modulationsfre
quenzen f1 und f2 sollten dabei so dicht beisammen liegen, daß sich für beide
Gln. (19) und (20) dieselbe Periodenzahl n ergibt. Diese Mehrdeutigkeit der Meß
distanz ist der Grund für die Vertauschung der Modulationsfrequenzen gemäß
der Lehre des Patentanspruchs 2, denn die zusätzliche Messung mit vertausch
ten Frequenzen liefert die zusätzliche von Gl. (19) unabhängige Gl. (20). Diese
beiden unabhängigen Gleichungen liefern auch bei großen Meßdistanzen D0
eindeutige Werte für n und D0.
Ein weiterer Vorteil aus der zusätzlichen Messung mit Frequenzvertauschung ist
der, daß sich - wie die Gln. (17) und (18) erkennen lassen - eine vollständige
Eliminierung der Haupt- und Refrenzempfängerphasen (ϕHE(f1), ϕHE(f2),
ϕHE(f1), (ϕHE(f2)) sowie der Phasen des ZF-Bereichs erreichen läßt. Diese Elimi
nierung geschieht durch Subtraktion der Gln. (15) und (18) bzw. der Gln. (16)
und (17).
Die Phasendifferenzen auf der jeweils linken Seite der Gln. (19) und (20) ergeben
sich aus der Phasenmessung.
Eine geringere Frequenzdifferenz f1 - f2 (z. B. einige 100 kHz, bei f1 = 900 MHz)
ist einerseits erwünscht um bei großen Meßdistanzen (z. B. < 100 m), die ganz
zahlige Periodenzahl n eindeutig zu bestimmen (dasselbe n in Gln. (19) und 20)).
Andererseits entstehen bei geringen Frequenzdifferenzen größere rauschbeding
te Meßfehler, so daß n unter Umständen fehlerhaft bestimmt wird.
Zur noch genaueren Messung großer Distanzen und gleichzeitiger genauer
Bestimmung der Periodenzahl n ist es vorteilhaft noch ein zweites Frequenzpaar
f3 und f4 zur Intensitätsmodulation bei einem weiteren Meßdurchgang zu ver
wenden, das sich beispielsweise um 10 MHz von f1 und f2 unterscheidet. Mit
diesem Frequenzpaar wird die oben genannte Prozedur nochmals durchgeführt,
wobei hierbei keine Vertauschung erforderlich ist, da die genaue Distanz
messung mit dem Frequenzpaar f1 und f2 durchgeführt wird. Durch den größe
ren Frequenzunterschied (z. B. f3 - f1 = 10 MHz) wird ein möglicher Meßfehler
weiter reduziert, und die ganzzahlige Periodenzahl n läßt sich nun auch bei sehr
großen Meßdistanzen eindeutig bestimmen. Durch diese im Patentanspruch 18
angegebene Maßnahme der gleichmäßigen, geringen Veränderung der Intensitätsmodulationsfrequenzen
läßt sich bei schwachen, verrauschten Meßsignalen
eine fehlerfreie Distanz- und Periodenzahlbestimmung durch Verwenden eines
weiteren Frequenzpaars, z. B. f1 - 10 MHz, f2 - 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.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die darauf beruhende Entfernungs
meßeinrichtung zeichnen sich vor allem durch folgende Vorteile aus:
- - Es werden alle Phasenfehler durch gleichzeitige Messung des Referenz- und des Hauptemittersignals eliminiert. Damit werden alle tempera tur-, alterungs- und empfangsleistungsabhängigen Phasenfehler sowohl der Sende- als auch der Empfangseinheit vollständig beseitigt.
- - Die Meßgenauigkeit wird wesentlich verbessert.
- - Die Zuverlässigkeit der Meßergebnisse ist deutlich besser.
- - Das Meßgerät ist weitgehend wartungsfrei, da keine mechanischen Umschalter oder dergleichen benötigt werden.
- - Durch die gleichzeitige Messung des Referenz- und des Hauptemitter signals wird die Meßzeit reduziert und die Meßgenauigkeit erhöht.
Claims (25)
1. Verfahren zur optoelektronischen Entfernungsmessung, bei dem
- - ein von einem Licht-Hauptemitter (1) abgegebener, intensitätsmodulier ter Hauptlichtstrahl einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (D0) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, gerichtet und das dort gestreute Licht (36) über eine Empfangsoptik (37) auf einen Foto-Haupt empfänger (5) gelangt, und andererseits ein abgezweigter Teil (33) des Haupt lichtstrahls gleichzeitig über eine erste bekannte Referenzdistanz (D1) auf einen Fotoreferenzempfänger (4) geleitet wird;
- - ein von einem Referenzlichtemitter (2) abgegebener, ebenfalls inten sitätsmodulierter Referenzlichtstrahl einerseits über eine zweite bekannte Refe renzdistanz (D2) auf den Fotoreferenzempfänger (4) und andererseits ein Teil (35) des Referenzlichtstrahls über eine dritte Referenzdistanz (D3) auf den Hauptempfänger (5) gelangt, und bei dem
- - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signale einer vergleichenden Signalauswertung zur Gewinnung eines fehlerkompensierten Messsignals zugeführt werden,
- - die Lichtintensitäten des Haupt- und des Referenzemitters (1, 2) mit unterschiedlichen Frequenzen (f1, f2) gleichzeitig intensitätsmoduliert werden,
- - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger (5, 4) gelieferten Signal gemische, die jeweils, einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Hauptemitters (1) als auch einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulati onsfrequenz des Referenzemitters (2) enthalten, jeweils in einen Zwischenfre quenzbereich konvertiert werden, der zwei Frequenzanteile enthält, wobei der eine Frequenzanteil mit dem Signal des Referenzemitters (2) und der andere Fre quenzanteil mit dem Signal des Hauptemitters (5) gebildet wird,
- - zur vergleichenden Signalauswertung die Separation der in den beiden simultan anfallenden Zwischenfrequenzsignalen enthaltenen Phaseninformation aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen im Zwischenfrequenzbereich und der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation von Haupt- und Referenzlichtstrahl erfolgt, und dass
- - zur Erzielung einer eindeutigen Distanzmessung und zur Verbesserung des Messergebnisses zeitsequenziell mehrere Messvorgänge durchgeführt wer den, wobei die Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation nach einem festgelegten Schema einerseits untereinander vertauscht und andererseits glei chermaßen verändert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur
Anpassung an unterschiedliche Dynamikanforderungen eines jeweiligen
Messvorgangs die Abgabeleistung des Haupt- und/oder des Referenzemitters (1,
2) variiert wird/werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Haupt
lichtemitter (1) sowie für den Referenzlichtemitter (2) Laser verwendet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grund
wellenlängen (λ1, λ2) der beiden Laser (1, 2) unterschiedlich gewählt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch
optische Filterung ein Übersprechen zwischen den dem Hauptlichtstrahl bzw.
dem Referenzlichtstrahl zugeordneten Lichtsignalwegen reduziert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur ver
gleichenden Signalauswertung die Phasen der Signalanteile der Signalgemische
(42; 43) im Zwischenfrequenzbereich durch digitale Fourier-Transformation mit
Auswertung der Real- und Imaginärteile der in den Frequenzbereich Fourier
transformierten Signalgemische bei den jeweiligen Zwischenfrequenzen (fZF1
und fZF2) ermittelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der digi
talen Fourier-Transformation zuzuführenden Signalgemische zunächst einer
Tiefpassfilterung unterworfen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zwischenfrequenzen (fZF1 und fZF2) und die Abtastzeiten einer der Fourier-
Transformation 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 (fZF1) als auch des Signalanteils mit der zweiten Zwischen
frequenz (fZF2) im Messfenster der digitalen Abtastung liegen.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den
Hauptempfänger (5) gelangende Anteil (35) des Referenzlichtstrahls (31) zu
nächst diffus reflektiert oder gestreut und nur als Streuanteil zusammen mit
dem über die Empfangsoptik (37) einfallenden Rückstreuanteil (36) des Haupt
lichtstrahls auf den Hauptempfänger (5) geleitet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
auf den Referenzempfänger (4) gelangenden Anteile des Referenz- und Haupt
lichtstrahls zunächst diffus reflektiert oder gestreut und nur als Streulicht
anteile auf den Referenzempfänger (4) geleitet werden.
11. Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmessung mit
- - zwei Lichtsendern (1, 2), deren jeweiliger Lichtstrahl intensitätsmodu liert ist, wobei der Lichtstrahl des ersten als "Hauptemitter" (1) bezeichneten Lichtsenders einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (D0) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, ausrichtbar ist, und andererseits ein abgetrennter Strahlanteil (33) über eine erste Referenzdistanz (D1) auf einen von zwei Fotoempfängern (4, 5) gelangt, der als "Referenzempfänger" (4) bezeich net ist, und wobei der Lichtstrahl (31) des zweiten als "Referenzemitter" (2) be zeichnete Lichtsenders über eine zweite Referenzdistanz (D2) auf den Referen zempfänger (4) und ein davon abgetrennter Strahlanteil (35) über eine dritte Referenzdistanz (D3) auf den als "Hauptempfänger" bezeichneten zweiten Fotoempfänger (5) gelangt, der ausserdem mit dem vom Messobjekt rückgestreu ten Anteil (36) des Lichtstrahls vom Hauptemitter (1) beaufschlagt ist,
- - jeweils einem dem Referenzempfänger (4) bzw. dem Hauptempfänger (5) zugeordneten Signal-Mischer (7, 8), welche die Empfängersignalgemische in einen Zwischenfrequenzbereich umsetzen, sowie mit
- - einer Auswerteeinrichtung (17 bis 19) zur Bestimmung der Messdistanz (D0) aus den Ausgangssignalen der beiden Mischer (7, 8), gekennzeichnet durch
- - eine Einrichtung, durch welche die vom Haupt- bzw. vom Refe renzemitter (1, 2) abgegebenen Lichtstrahlen gleichzeitig mit jeweils unter schiedlicher Frequenzen (f1, f2) intensitätsmodulierbar sind, und
- - eine in der Intensitätsmodulationseinrichtung (20-22) vorhandene Ein richtung zum zeitsequenziellen gegenseitigen Vertauschen der Frequenzen (f1, f2) der auf den jeweiligen Lichtemitter (1, 2) gelangenden Intensitätsmodula tionssignale.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, 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. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als
Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine Avalanche-
Fotodiode verwendet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Avalanche-Fotodiode des Hauptempfängers (5) und/oder die Avalanche-Foto
diode des Referenzempfängers (4) als Direktmischer genutzt werden, wobei
durch Modulation der Avalanche-Verstärkung über ein von einem Lokaloszilla
tor (20, 12) erzeugtes Lokaloszillatorsignal (f10) das jeweilige Empfangssßgnal
gemisch direkt in den Zwischenfrequenzbereich konvertiert wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Lokaloszillator ein LC-Oszillator ist, dessen schwingungsbestimmende Elemente
vor allem die Kapazität der Avalanche-Fotodiode des Hauptempfängers und/oder
die Kapazität der Avalanche-Fotodiode des Referenzempfängers bildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als
Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine PIN-Foto
diode verwendet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zum gleichmäßigen Verändern der Frequenz der auf den jeweiligen Lichtemitter
(1, 2) gelangenden Intensitätsmodulationssignale.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 17, gekenn
zeichnet 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) gelang.
19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 18, gekenn
zeichnet 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 Refe
renzemitter (2) und Hauptemitter (1) stammenden Strahlanteie auf den Refe
renzempfänger (4) gelangen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung
zur Variation der Lichtabgabeleistung des Referenzemitters (2) und/oder des
Hauptemitters (1).
21. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
optischen Wellenlängen (λ1, λ2) von Referenz- und Hauptemitter unterschiedlich
sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, 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.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der
Hauptemitter (1) bzw. der Referenzemitter (2) eine kantenemittierende Laser
diode, eine VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode) oder eine
Leuchtdiode ist/sind.
24. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen gemein
samen für Sende- und Empfangsteil verwendeten Mutteroszillator (20).
25. Vorrichtung nach Anspruch 11 bzw. Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, dass die beiden Mischer (7, 8 bzw. 4, 5) vom gleichen Lokaloszillator (20,
12) ansteuerbar sind, dessen Frequenz (fLO) so gewählt ist, dass im Zwischen
frequenzbereich jeweils ein Signalgemisch vorliegt, dessen Signalanteile mit bei
den Zwischenfrequenzanteilen (fZF1, fZF2) die Phasen bei den Modulations
frequenzen (f1, f2) enthält.
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