DE102005057278A1

DE102005057278A1 - Range finding device e.g. laser range finder, has set of voltage controlled oscillators and phase locked loop circuit, where frequencies of oscillators differ around factor of two or approximately two

Info

Publication number: DE102005057278A1
Application number: DE200510057278
Authority: DE
Inventors: Berndt Apel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-11-27
Filing date: 2005-11-27
Publication date: 2007-06-06

Abstract

The device has a set of voltage controlled oscillators (116) and a phase locked loop circuit (114), where frequencies of the oscillators differ around a factor of two or approximately two. A set of transmitter frequencies (110) is provided in the device, and a mixer frequency, which is 120 kilo hertz higher than the transmitter frequencies, is provided for each transmitter frequency.

Description

Stand der Technikwas standing of the technique

Laserentfernungsmesser, die mit der Verwendung der Laufzeit des Lichtes arbeiten, sind Stand der Technik. Es werden dabei 2 oder 3 Messfrequenzen verwendet, um Mehrdeutigkeiten des Messergebnisses zu vermeiden.Laser rangefinder, who are working with the use of the duration of the light are standing of the technique. 2 or 3 measuring frequencies are used, to avoid ambiguity of the measurement result.

Die Laserentfernungsmesser dürfen aus Augenschutzgründen nur mit einer gesetzlich festgelegten maximalen Laserleistung arbeiten. Damit ist ihre Reichweite, Messgeschwindigkeit und Messgenauigkeit begrenzt.The Laser rangefinder allowed for eye protection reasons only work with a legally stipulated maximum laser power. This is their range, measuring speed and accuracy limited.

Bei der diffusen Reflexion am Messobjekt wird das Laserlicht nahezu halbkugelförmig in Richtung Lasersender zurückreflektiert. Die zum Empfänger des Entfernungsmessers ankommende Laserlichtleistung nimmt damit mit dem Quadrat der Entfernung ab.at the diffuse reflection at the measurement object, the laser light is almost hemispherical reflected back towards the laser transmitter. The recipient the distance meter incoming laser light power decreases with it with the square of the distance.

Bei grosser Entfernung und schwachen Reflexionsfaktor des Messobjektes wird das empfangene Laserlichtsignal so schwach, dass es im Rauschen des Eingangsverstärkers untergeht und nur ungenaue Messungen möglich sind, bzw. nur mit hohen Messzeiten genauere Ergebnisse erzielt werden können.at large distance and weak reflection factor of the measurement object the received laser light signal becomes so weak that it is in noise of the input amplifier goes down and only inaccurate measurements are possible, or only with high Measuring times more accurate results can be achieved.

Derzeit angebotene Laserentfernungsmesser mit Lasern im sichtbaren Bereich erreichen bei max. 150 m Entfernung Messgenauigkeiten im mm-Bereich bei guten Reflexionsfaktor des Messobjektes.Currently offered laser rangefinders with lasers in the visible range reach at max. 150 m distance measuring accuracies in the mm range with good reflection factor of the measurement object.

Zielfernrohre mit eingebauten Entfernungsmesser erreichen bei Verwendung infraroter Strahlung 800...1000 m bei Messgenauigkeiten von > = 1 m.Scopes with built-in rangefinder reach when using infrared Radiation 800 ... 1000 m with measuring accuracies of> = 1 m.

Im Patent DE 102 15 333 werden durch die schwebende 1. ZF im Bereich von 119..123 kHz und über die Phasenregelung zur Stabilisierung der 2. ZF von 1 kHz Messgenauigkeiten von 0.1 mm erreicht. Bei grösserer Entfernung (> 20 m) oder geringen Reflexionsfaktor des Messobjektes ist dafür eine lange Messzeit notwendig.In the patent DE 102 15 333 are achieved by the floating 1st IF in the range of 119..123 kHz and the phase control to stabilize the 2nd IF of 1 kHz measurement accuracies of 0.1 mm. With a longer distance (> 20 m) or a small reflection factor of the measuring object, a long measuring time is necessary.

Das Patent DE 19855296 erreicht wegen fehlender Stabilisierung der unteren Frequenz für die Fourierauswertung nur Genauigkeiten > 1 mm.The patent DE 19855296 reached due to lack of stabilization of the lower frequency for the Fourier evaluation only accuracies> 1 mm.

Vorteile der Erfindungadvantages the invention

Das erfindungsgemässe Messverfahren arbeitet mit einer Vielzahl von Oszillatoren, deren Frequenzen so gestaffelt sind, dass sich die Frequenz bei jedem nacheinander angeschalteten Oszillator verdoppelt oder um einen Faktor in der Nähe von 2 erhöht. Trotz der hohen Zahl der notwendigen Oszillatoren (Anzahl der Oszillatoren im Bereich von 10...25 je nach Entfernung und maximal möglicher oberster Messfrequenz) veringert sich die Messzeit gegenüber Laserentfernungsmessern mit 3 Frequenzen um Grössenordnungen. Die folgenden Berechnungen und das Diagramm (2) zeigen die Vorteile der Verwendung vieler Oszillatoren zur Entfernungsmessung nach dem Laufzeitverfahren:
Bei einer Einzelmessung mit verrauschtem Empfangssignal tritt bei Berechnung der Phase ein Fehler auf. Die Größe dieses Fehlers kann durch Simulation mit Sinus und Rauschen ermittelt werden. Der maximale Fehler bleibt sicher unter:

R: = Rauscheffektivwert
S: = Sinusamplitudet
t: = Messzeit in ms

The measuring method according to the invention uses a large number of oscillators whose frequencies are graduated in such a way that the frequency doubles for each successively connected oscillator or increases by a factor in the vicinity of 2. Despite the large number of necessary oscillators (number of oscillators in the range of 10 ... 25 depending on the distance and maximum possible upper measurement frequency), the measuring time is reduced by orders of magnitude compared to laser rangefinders with 3 frequencies. The following calculations and the diagram ( 2 ) show the advantages of using many distance measuring oscillators according to the transit time method:
In a single measurement with noisy received signal occurs when calculating the phase an error. The size of this error can be determined by simulation with sine and noise. The maximum error stays under:

R: = Noise effective value
S: = Sinus amplitude
t: = Measuring time in ms

Umgestellt nach t, der erforderlichen Messzeit, die den Phasenfehler sicher unterschreitet:

Switched to t, the required measuring time, which certainly falls below the phase error:

Bei Vewendung von je einer Frequenz für Grobmessung (tiefe Frequenz) und Feinmessung (hohe Frequenz) muß der Grob-Messfehler etwas kleiner sein als ein halbes Wellenraster bei der Feinmessung, dann kann er bei der Feinmessung korrigiert werden. Der Phasenfehler bei der Grobmessung muß also einen Grenzwert unterschreiten, der umgekehrt proportional ist zum Frequenzverhältnis. Deshalb steigt die benötigte Messzeit mit dem Quadrat des Frequenz-Verhältnisses:

fo: = obere Messfrequenz
fu: = untere Messfrequenz

When using one frequency each for coarse measurement (low frequency) and fine measurement (high frequency), the coarse measurement error must be slightly smaller than half a wave raster in the fine measurement, then it can be corrected during the fine measurement. The phase error in the coarse measurement must therefore fall below a limit which is inversely proportional to the frequency ratio. Therefore, the required measurement time increases with the square of the frequency ratio:

fo: = upper measuring frequency
fu: = lower measuring frequency

Bei Verwendung weiterer dazwischen liegender Frequenzen, sinnvollerweise in einer geometrischen Reihe, vergrößert sich die Anzahl der Messungen, aber wegen kleinerer Frequenzsprünge wird die Einzelmesszeit kürzer. Die Gesamtmesszeit:

n: = 1 kleiner als Anzahl der Frequenzen
T: = gesamte Messzeit

Using further intermediate frequencies, usefully in a geometric series, increases the number of measurements, but because of smaller frequency jumps, the single measurement time becomes shorter. The total measuring time:

n: = 1 less than the number of frequencies
T: = total measuring time

Diese Funktion T = f(n) hat ein Minimum, dessen Lage durch Differenzieren und Nullsetzen des Differentials bei sqrt(e) gefunden werden kann:

hat eine sinnlose Lösung bei n → ∞ (kein Minimum).

ergibt mit

das Minimum. Der Frequenzsprung von einer zur nächsten Teilmessung ergibt sich dann:

This function T = f (n) has a minimum whose location can be found by differentiating and zeroing the differential at sqrt (e):

has a meaningless solution with n → ∞ (no minimum).

results with

the minimum. The frequency jump from one to the next partial measurement then results:

Dieses Minimum ist sehr breit, deshalb liegt man mit einem Frequenzverhältnis von 2 immer noch gut. Das ist aber elektronisch und mathematisch günstiger.This Minimum is very wide, so one lies with a frequency ratio of 2 still good. But that is electronically and mathematically cheaper.

Beschreibung des Ausführungsbeispielsdescription of the embodiment

In 1 sind die elektronischen Baugruppen sowie die Laserdiode als Lichtsender und die Avalanchediode als Lichtempfänger zu sehen.In 1 the electronic assemblies as well as the laser diode as light emitter and the avalanche diode as light receiver can be seen.

Die Sendefrequenzen 110 sind so gestaffelt, dass jede höhere Frequenz doppelt so hoch ist wie die vorhergehende Frequenz. Zu jeder Sendefrequenz gehört eine Mischerfrequenz 111, die um 120 kHz höher ist als die Sendefrequenz.. Jeweils 1 Sende-und zugehörige Mischerfrequenz werden über HF-Schalter an den 50 Ohm Bus für die Sendefrequenzen und den 50 Ohm Bus für die Mischerfreqenzen geschaltet.The transmission frequencies 110 are staggered so that each higher frequency is twice as high as the previous frequency. Each transmission frequency includes a mixer frequency 111 Each transmit and associated mixer frequency is switched via RF switch to the 50 Ohm bus for the transmit frequencies and the 50 Ohm bus for the mixer frequencies.

Über die beiden 50 Ohm -Busse gelangen Sende- und Mischerfrequenz an die Mischstufe 112. Die Ausgangsfrequenz der Mischstufe beträgt 120 kHz, die bei den niedrigen Frequenzen sehr genau ist und bei den hohen Frequenzen um max. +/– 2 kHz abweicht.Both transmit and mixer frequencies reach the mixing stage via the two 50 Ohm buses 112 , The output frequency of the mixer is 120 kHz, which is very accurate at the low frequencies and at the high frequencies by max. +/- 2 kHz deviates.

Die jeweilige Sendefrequenz gelangt ausserdem an den Messkopf 119 und moduliert die Laserdiode. Die zugehörige Mischerfrequenz gelangt ebenfalls zum Messkopf 119 und erzeugt zusammen mit dem Empfangssignal und der im Messkopf 119 enthaltene Mischstufe die 1. Zwischenfrequenz von 120 kHz für den Empfänger.The respective transmission frequency also reaches the measuring head 119 and modulates the laser diode. The associated mixer frequency also reaches the measuring head 119 and generates together with the received signal and that in the measuring head 119 included mixer the 1st intermediate frequency of 120 kHz for the receiver.

Die Mischstufe 113 mischt die 1. ZF des Senders auf die 2. ZF von 1 kHz herunter.The mixing stage 113 shuffles the 1st IF of the transmitter down to the 2nd IF of 1 kHz.

Das Empfangsignal wird in 117 auf 1 kHz heruntergemischt und anschliessend durch eine Pegelregelung mit einem Dynamikbereich von 1:10 000 auf den optimalen Amplitudenwert für die Fourierauswertung gebracht.The receive signal is in 117 down to 1 kHz and then brought by a level control with a dynamic range of 1:10 000 to the optimum amplitude value for the Fourier evaluation.

Die zweite Mischerfrequenz im Bereich von 119...123 kHz wird durch den spannungsgesteuerten Quarzoszillator 116 erzeugt.The second mixer frequency in the range of 119 ... 123 kHz is controlled by the voltage controlled quartz oscillator 116 generated.

Der VCO 116 wird über die PLL-Schaltung 114 gesteuert. Die PLL-Schaltung vergleicht die 2.ZF mit einer genauen 1 kHz-Frequenz. Die Vergleichsfrequenz von genau 1 kHz wird in 115 von einem Quarzoszillator durch Frequenzteilung erzeugt und hat eine Genauigkeit von < = 10^–5.The VCO 116 is via the PLL circuit 114 controlled. The PLL circuit compares the 2.ZF with an accurate 1 kHz frequency. The comparison frequency of exactly 1 kHz is in 115 generated by a quartz oscillator by frequency division and has an accuracy of <= 10 ^-5 .

Aus den Endfrequenzen von 1 kHz für den Sender und den Empfänger wird in 118 mittels Fourierauswertung die Phasendifferenz ermittelt. Für die Fourierauswertung werden Sende- und Empfangsfrequenz mit einer Frequenz von 1 MHz abgetastet. Mit der Überabtastung von 1 MHz wird auch ein für ein stark verrauschtes Empfangssignal noch eine Messung möglich.From the final frequencies of 1 kHz for the transmitter and the receiver is in 118 determined by Fourierauswertung the phase difference. For the Fourier evaluation, the transmission and reception frequencies are sampled at a frequency of 1 MHz. With the oversampling of 1 MHz, a measurement is also possible for a strongly noisy received signal.

2 zeigt den Zusammenhang zwischen Anzahl der Frequenzen bei der Grobmessung und der dafür benötigten Zeit bei 2 verschiedenen Signal-Rauschverhälnissen. 2 shows the relationship between the number of frequencies in the coarse measurement and the time required for 2 different signal-noise ratios.

Die obere Kurve mit einem Signal/Rauschverhältnis von 0.1, d.h. mit einen im Rauschen untergehenden Signal, zeigt auch bei einer höheren Anzahl der Grobmessfrequenzen nur einen geringen Anstieg der Gesamtmesszeit. Das bedeutet, dass mit einer sehr hohen letzten (d.h. der technisch machbaren höchsten) Messfrequenz gemessen werden kann, was zu einer entsprechend hohen Messgenauigkeit führt, die durch Verlängerung der Messzeit für die höchste Frequenz noch gesteigert werden kann.The upper curve with a signal / noise ratio of 0.1, i. with one in the noise sinking signal, shows even with a higher number the rough measuring frequencies only a small increase in the total measuring time. This means that with a very high last (i.e. feasible highest) measuring frequency can be measured, resulting in a correspondingly high measurement accuracy leads, by extension the measuring time for the highest Frequency can still be increased.

Die untere Kurve in 2 mit einem Signal/Rauschverhältnis von 0,4 zeigt die wesentlich geringere notwendige Messzeit gegenüber der oberen Kurve mit dem Signal/Rauschverhältnis von 0,1.The lower curve in 2 with a signal / noise ratio of 0.4 shows the much lower required measuring time compared to the upper curve with the signal / noise ratio of 0.1.

Durch Messung des Signal/Rauschverhältnisses am Anfang des Messzyklusses kann unter Verwendung der in „Vorteile der Erfindung" angegebenen Formeln die notwendige Messzeit berechnet werden.By Measurement of the signal-to-noise ratio At the beginning of the measurement cycle, using the "Advantages of the invention Formulas are calculated the necessary measuring time.

Claims

Device for distance measurement according to the transit time principle, characterized in that for the distance measurement many oscillators are used whose frequencies differ by a factor of 2 or about 2.

Apparatus according to claim 1, characterized in that by the use of frequency intervals in the range of 2: 1 the security is given that, while maintaining the measurement times for each frequency no ambiguities can occur even with signals that are orders of magnitude below the noise.

Device according to claim 1, characterized in that that by choosing the frequency ratio of 2: 1 for the transmission frequencies a frequency divider chain of 2: 1 is possible for the transmission frequencies and only for the associated Mixer frequencies discrete frequencies must be used.

Device according to claim 1, characterized in that that over the choice of measuring time for the highest frequency Any desired high accuracy can be achieved without the measuring times the other frequencies changed Need to become.

Device according to claim 1, characterized in that that the receiving part of the laser rangefinder a mechanical Light Shutter contains and thus measured with closed light shutter, the noise of the receiver can be

Device according to claim 5, characterized in that that the signal / noise ratio is determined by measuring the level at the beginning of the measuring cycle and the entire measurement cycle is optimized afterwards.

Device according to claim 1, characterized in that that each effective oscillator for the transmitter frequency to a 50 ohm bus line is switched and the effective oscillator for the mixer frequency is switched to a second 50 ohm bus and the end of both Buses ends in a mixer stage, which generates the 1.ZF of 120 kHz.

Device according to claim 1, characterized in that that by the 2-fold frequency mixing (transmission frequency / mixer frequency at 120 kHz and 120 kHz / 121 kHz to 1 kHz) unwanted radiations electrical crosstalk be screened by not switched to the 50 ohm bus (but constantly running) oscillators come.

Device according to claim 1, characterized in that that due to the high 1.ZF of 120 kHz and the 2nd IF of 1 kHz for the Fourier evaluation over the Control through the high 121 kHz mixer frequency a quick settling of the phase locked loop to exactly 1 kHz for the evaluation of transmit and Reception phase takes place.

Device according to claim 1, characterized in that that the receiving part of the laser rangefinder, a level control with a dynamic range of 1:10 000, which at the 2.ZF of 1 kHz becomes effective.

Device according to claim 1, characterized in that that the transmitter with a Fouriermessung the 1 kHz received signal works and by a sampling frequency of 1 MHz a high resolution of the Measured value reached.

Device according to claim 1, characterized in that that for very large distances of the receiver is equipped with a large reception area and so many photons are received that the benefits of Multi-frequency method even at the greatest distances to bear come.

Device according to claim 1, characterized in that that for each measuring frequency is used its own phase control and no settling times occur during frequency switching.

Device according to claim 1, characterized in that that for all measuring frequencies the same phase control is used and the settling time of the phase control small compared to Measuring time for one Frequency is.