DE19757834B4

DE19757834B4 - Verfahren zum Reduzieren des Rauschens im Empfänger eines Laser-Entfernungsmeßgeräts

Info

Publication number: DE19757834B4
Application number: DE19757834A
Authority: DE
Original assignee: Asia Optical Co Inc
Current assignee: Asia Optical Co Inc
Priority date: 1997-12-08
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: DE19757834A1; US5946081A

Abstract

Verfahren zum Reduzieren des Rauschens eines Empfängers (20) in einem Laser-Entfernungsmessgerät, aufweisend die Schritte:
– Bereitstellen einer Hochspannung für einen Sender (10) und den Empfänger (20) des Laser-Entfernungsmessgeräts unter Verwendung einer Hochspannungsstromversorgung (30), die eine Impulsmodulationssteuereinheit (31) aufweist, um ein Laserimpulssignal zu einem Ziel auszustrahlen;
– Abschalten der Impulsmodulationssteuereinheit (31) für eine bestimmte Zeitdauer durch einen Rückkopplungsschaltkreis (R24, R25) nach Aussenden des Laserimpulssignals durch den Sender (10), um den Oszillator der Hochspannungsstromversorgung (30) in einem rauscharmen Zustand zu halten, während ein Detektor (APD) des Empfängers (20) sich im Empfangszustand befindet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren des Empfängerrauschens eines Laser-Entfernungsmeßgeräts, und insbesondere ein Verfahren zum Reduzieren des Rauschens im Empfänger, um die Präzision und Qualität der Ziel-Entfernungsmessung zu verbessern.
Zwei primäre Techniken kommen beim Stand der Technik zum Einsatz. Als erstes wird ein Verfahren zum schnellen Laden und langsamen Entladen verwendet, um die Funktion zur Vergrößerung der Empfangszeit zu erzielen. Die Zeitperiode bzw. Zeitdauer (etwa 6,6 μs), wenn die Empfangsschaltung das jeweilige Echo nicht empfängt, nachdem die Laserdiode das Licht ausgestrahlt hat, wird etwa um das 100fache vergrößert. Die Zeitperiode wird in die Entfernung durch Zählen von Probenahmen bzw. Abtastungen (etwa 8 MHz) unter Niedriggeschwindigkeitstakt gewandelt. Die Schaltung in dem Entfernungsmeßgerät basiert auf einer Stromquelle hoher Genauigkeit, um die Anforderungen an ein schnelles Laden und langsames Entladen zu erfüllen; eine Instabilität der Vorrichtungen bzw. Geräte ist jedoch unvermeidlich. Zweitens wird eine automatische Schwellenwerteinstellung verwendet, um die Empfindlichkeit der Empfangsschaltung zu opti mieren. Die Rückkopplungsempfindlichkeit ist dabei jedoch zu hoch, um eine Steuerung vornehmen zu können.

Aus der US 5,359,404 ist ein auf einem Laser basierende Geschwindigkeitsmessvorrichtung bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein durch einen Detektor empfangenes Foto- bzw. Lichtsignal ohne weitere Verarbeitung einem Empfänger zugeleitet und bildet ein Abbild eines gepulsten Laserstrahls, der von einem Ziel reflektiert wird.

Aus der US 5,691,808 A ist ein Laser-Entfernungsmeßgerät bekannt, das einen Filter umfaßt, um das Signalrauschverhältnis um ein bestimmtes Ausmaß zu verbessern.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Reduzieren des Rauschens eines Empfängers in einem Laser-Entfernungsmeßgerät zu schaffen, das ein optimiertes Signalrauschverhältnis gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

1. Vorteilhafterweise ist der Stromverbrauch gering, weil die Zeitperiode zum Senden und Empfangen des Laserlichts in eine Spannung gewandelt wird, wobei diese Spannung in eine jeweilige Entfernung derart gewandelt wird, daß als Stromversorgung lediglich eine 9-Volt-Batterie erforderlich ist.
2. Die Genauigkeit kann innerhalb von 0,5 m liegen.
3. Die Ausgangsleistung eines Halbleiterlasers in der Grössenordnung von 24 W bis 3 8 W wird bei der vorliegenden Erfindung genutzt, und die Impulsbreite liegt zwischen 20 ns und 50 ns, um ein konkretes Gebäudeziel in Entfernung von 1 km zu messen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist so empfindlich, daß selbst die Entfernung zu einem Golfball gemessen werden kann. Um die Genauigkeit weiter zu erhöhen, wenn der Empfänger im optimalen Zustand arbeitet, kann der Nutzer die Sendezahl bzw. Anzahl an Sendevorgängen in bezug auf ein unterschiedliches Ziel einstellen, um zumindest zwei Abstandsdaten mit einer Genauigkeit innerhalb von 3 m für jede Sendung zu erzielen, woraufhin sämtliche Daten gemittelt werden, um präzisere Abstandsdaten zu gewinnen.

Im folgenden sind die Vorteile aufgelistet, die durch die Schaltung zum Reduzieren des Empfängerrauschens erzielbar sind.

Um das Rauschen im Empfänger zu reduzieren sind drei Einrichtungen vorgesehen:

1. Eine rauscharme Hochspannungsschaltung, welche die Schaltstromversorgungssteuerung ausschaltet, um das minimale Rauschen beizubehalten, während der Detektor des Empfängers sich im Empfangszustand befindet.
2. Ein logarithmischer Verstärker, der verwendet wird, damit der Empfänger so konstruiert werden kann, daß die starke Echowelle reduziert wird, die aus dem Sättigungsphänomen für den Empfänger aufgrund eines zu kurzen Abstandes resultiert, wobei ein Anpassungsfilter und ein Verstärker vorgesehen sind, um ein optimales Signal/Rauschverhältnis (S/N) zu erhalten.
3. Ein Umsetz(transresistance)verstärker, welcher das Sonnenrauschen verstärkt und das verstärkte Signal verwendet, um die Schwellenspannung einzustellen, damit die Empfindlichkeit des Empfängers optimiert ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert; es zeigen:
1 ein Funktionsblockdiagramm eines erfindungsgemäßen Laser-Entfernungsmeßgeräts,
2 ein schematisches Schaltungssdiagramm eines Sendeabschnitts des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts,
3 ein schematisches Schaltungsdiagramm eines Empfangsabschnitts des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts,
4 ein schematisches Diagramm einer Hochspannungsstromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung, und
5 ein Taktdiagramm des reduzierten Rauschens für das Sonnenlichtrauschen, den Empfänger und den Sender.
Wie in 1 gezeigt, weist das erfindungsgemäße Laser-Entfernungsmeßgerät einen Lasersendeabschnitt 10 auf, einen Laserempfangsabschnitt 20, eine Hochspannungs(HV)stromversorgung 30, einen Präzisionsladeabschnitt 40, einen Selbstkalibrierabschnitt 50, eine CPU 60 und einen Analog/Digital-Wandler 70.
Der Lasersendeabschnitt 10 empfängt eine gewünschte Hochspannung, die durch die HV-Stromversorgung 30 bereitgestellt wird, und ein Triggersignal von der CPU 60, um eine Laserdiode LD zum Senden von Laserlicht zu einem geeigneten bzw. richtigen Zeitpunkt zu veranlassen.
Der Laserempfangsabschnitt 20 empfängt eine geeignete Detektor-Bias bzw. Vorspannung, um das Echolaserlicht zu empfangen und zu verstärken, das durch das Ziel reflektiert wird, und um die höchste Arbeitsempfindlichkeit einzustellen.
Der Präzisionsladeabschnitt 40 setzt die Zeitdifferenz zwischen dem Sendeimpuls und dem Empfangsimpuls durch ein (nicht gezeigtes) internes R/S-Flip-Flop in eine jeweilige Impulsbreite um und wandelt daraufhin die Impulsbreite in ein jeweiliges Spannungsverhältnis durch eine Ladeschaltung mit linearem Kondensator.
Der Selbstkalibrierabschnitt 50 kompensiert die Schwankung der Stromquelle und der Kapazität aufgrund der Temperatur.
Die CPU 60 stellt gewünschte Zeitsteuerungs- bzw. Taktsignale für die vorstehend genannten Einrichtungen bereit.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren des Rauschens, so daß im folgenden lediglich der Lasersendeabschnitt 10, der Laserempfangsabschnitt 20, die HV-Stromversorgung 30 und die CPU 60 näher erläutert werden.
Um den Arbeitszustand des Laserempfangsabschnitts 20 zu optimieren, ist wesentlich, das Rauschen in Betracht zu ziehen. Primär liegen drei Rauschquellen vor, die berücksichtigt werden müssen:

1. Das Kopplungsrauschen von der SM-Schaltung der HV-Stromversorgung 30.
2. Das weiße Rauschen vom Sonnenlicht.
3. Weiteres Kopplungsrauschen von den anderen Einrichtungen.

Die Zeit zum Senden und Empfangen beträgt etwa 6,6 μs für eine Entfernung von 1 km, weil das Laser-Entfernungsmeßgerät in der Synchron-Betriebsart arbeitet. Lediglich das Rauschen innerhalb der 6,6 μs vermag das Laser-Entfernungsmeßgerät deshalb zu beeinflussen, und anderes Rauschen außerhalb dieser Zeitperiode kann deshalb ignoriert werden. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Konzept besteht darin, die Rauschquelle während der Meßperiode bzw. Meßzeitdauer so stark wie möglich zu reduzieren.
Um das vorstehend genannte Konzept umzusetzen, verwendet die vorliegende Erfindung die Schaltung für den Lasersendeabschnitt, die in 2 gezeigt ist, um das Rauschen zu reduzieren, das durch den Lasersendeabschnitt 10 erzeugt wird. Wie aus 2 hervorgeht, sind wenige Komponenten für die Schaltung erforderlich, so daß sie in einem kleinen Gehäuse implementiert werden kann, das dazu ausgelegt ist, die Inteferenz elektromagnetischer Wellen abzuschirmen. In 2 bilden die Kondensatoren C1, C2, C4 und C6 und der Widerstand R1 einen π-Filter zum Beseitigen der Interferenz der HV-Stromversorgung 30. Ein Widerstand R2 und der Kondensator C5 bilden eine Ladeschaltung. Der Kondensator C5, eine Laserdiode LD, die schnelle Diode D1, der Lastwiderstand R3 und ein SCR bilden eine Entladeschaltung. Die Lade- und Entladeschaltungen werden verwendet, um Laserlicht zu erzeugen (wie im Taktdiagramm von 5 gezeigt). Die Triggerzeit wird durch ein TTL-Signal mit positiver Flanke bestimmt, das den Widerständen R4, R5 aufgeprägt wird, um den SCR zu triggern. Die Taktgabe bzw. die Zeitsteuerung wird durch die CPU 60 gesteuert.
Damit der Laserempfangsabschnitt 20 mit optimaler Empfindlichkeit durch Einstellen der Schwellenspannung vom Ermitteln des Sonnenrauschens optimal arbeitet, werden die folgenden Schaltungen verwendet. Wie in 3 gezeigt, weist der Laserempfangsabschnitt 20 einen logarithmischen Verstärker 21, einen Anpassungsfilter 22, eine Sonnenrauschen-Mittelwertbildungsschaltung 23, einen Hochgeschwindigkeitskomparator 24 und einen optischen Bandpaßfilter 25 auf.
Die Bias bzw. Vorspannung des Detektors APD wird durch den π-Filter erzeugt, der aus den Kondensatoren C1, C2, C4 und C6 und dem Widerstand R1 besteht, um die Interferenz von der HV-Stromversorgung 30 und das Hochspannungskopplungsrauschen von dem Lasersendeabschnitt 10 und dem Laserempfangsabschnitt 20 zu beseitigen.
Der vorstehend genannte optische Bandpaßfilter 25 ist vor dem Detektor APD angeordnet, um den größten Teil des Sonnenrauschens auszufiltern.
Der Lastwiderstand R7, der zwischen den Widerstand R6 und den Detektor geschaltet ist, und der logarithmische Verstärker 21, der aus dem Kondensator C8, dem Widerstand R8 und den schnellen Dioden D2 und D3 besteht, werden verwendet, um den dynamischen Bereich für den Laserempfangsabschnitt 20 bereitzustellen. Ähnlich der AGC bzw. der automatischen Verstärkungsschaltung nimmt die Verstärkung ab, wenn das Ziel näher liegt, und die Verstärkung nimmt zu, wenn das Ziel weiter weg liegt.
Drei Transistoren Q1, Q2 und Q3 (bei denen es sich um Transistoren mit niedrigem Rauschen gemäß der vorliegenden Erfindung handelt) und fünf Widerstände, R9, R10, R11, R12 und R13, bilden eine erste Umsetz(transresistance)verstärkerstufe 221, welche das durch den APD empfangene Lasersignal in ein Spannungssignal wandelt. Die erste Umsetzverstärkerstufe 221 und der logarithmische Verstärker 21 bilden einen Bandpaßfil ter, der geeignete Parameter wählen kann, um das Frequenzverhalten des Bandpaßfilters an das Frequenzverhalten des Laserimpulses abzustimmen. Dadurch ist ein Anpassungsverstärker bereitgestellt.
Eine zweite Umsetzverstärkerstufe 222 besteht aus Transistoren Q4, Q5 und Q6 und Widerständen, R14, R15, R16, R17, R18 und R19, die mit dem Drain des Transistors Q3 durch einen Widerstand R20 und einen Kondensator C9 verbunden sind. Ein weiterer Spannungsverstärker mit einem Bandpaßfilter wird dadurch bereitgestellt. Der Anpassungsfilter 22, der aus dem logarithmischen Verstärker 21, der ersten Umsetzverstärkerstufe 221 und der zweiten Umsetzverstärkerstufe 222 besteht, kann ein Signal in Übereinstimmung mit dem Laserimpuls erzeugen, um ein optimales Signalrauschverhältnis S/N zu erhalten.
Das Ausgangssignal der ersten Umsetzverstärkerstufe 221 durchläuft einen Transistor Q7 als Emitterfolger über eine Gleichrichterdiode D4, einen Kondensator C10 und die Teilerwiderstände R21 und R22 (d.h. die Sonnenrauschen-Mittelwertbildungsschaltung 23), um ein gemitteltes Rauschen für die erste Umsetzverstärkerstufe 221 zu erhalten. Bei dem gemittelten Rauschen handelt es sich um das weiße Rauschen im optischen Bandpaßfilter 25, das durch Sonnenlicht induziert wird. Für das Kopplungsrauschen, das durch den HV-Stromversorgungsabschnitt 30 erzeugt ist, wird der HV-Stromversorgungsabschnitt 30 durch einen Stromrückkopplungskreis (nachfolgend erläutert) automatisch abgeschaltet, da die Hochspannung im vornherein aufgebaut wird.
Die Schwellenspannung eines Hochgeschwindigkeitskomparators 24 wird durch die Ausgangsspannung des gemittelten Sonnenrauschens und die feststehende Schwellenspannung eingestellt, die durch die Widerstände R23 und R24 gebildet wird. Die Schwellenspannung nimmt zu, wenn das Sonnenrauschen zunimmt, und die Schwellenspannung nimmt ab, wenn das Sonnenrauschen abnimmt.
Bevor der Laserabschnitt 10 sendet, wird die Sonnenrauschen-Mittelwertbildungsschaltung 23 durch den APD aufgebaut, der durch den HV-Stromversorgungsabschnitt 30 bereitgestellt ist. Das jeweilige bzw. entsprechende Zeitsteuer- bzw. Taktdiagramm ist in 5 gezeigt.
Um das Rauschen des APD während des Empfangs zu minimieren, verwendet die vorliegende Erfindung folgende Konstruktion. Wie in 4 gezeigt, steuert ein Impulsmodulations-IC 31 (bei der vorliegenden Erfindung wird ein TL494 verwendet) in dem HV-Stromversorgungsabschnitt 30 die Bias bzw. Vorspannung V_LD und V_APD, die für die Laserdiode LD bzw. den APD bereitgestellt sind. Die durch den HV-Stromversorgungsabschnitt 30 erzeugte Hochspannung wird durch die negative Rückkopplung der Transistoren R24 und R25 und die V_REF gesteuert. Aufgrund des sehr geringen Stromverbrauchs für die V_APD schaltet die Impulsbreite des Impulsmodulations-IC 31 die Hochspannungsimpulsbreite durch vorstehend genannte negative Rückkopplung (siehe 5) ab bzw. beseitigt diese, wenn der Lasersendeabschnitt 10 nicht arbeitet, und die CPU 60 stellt ein TTL-Signal bereit, um den Impulsmodulations-IC 31 für eine Periode bzw. Zeitdauer größer als 6,6 μm abzuschalten, um den Oszillator der HV-Stromversorgung 30 in einem rauscharmen Zustand zu halten, nachdem das Laserlicht ausgesendet wurde.
Wie vorstehend angeführt, bietet die vorliegende Erfindung eine Lösung zum Reduzieren des Empfangsrauschens des Laser-Entfernungsmeßgeräts, und zwar unter Überwindung der dem Stand der Technik innewohnenden Nachteile.

Claims

Verfahren zum Reduzieren des Rauschens eines Empfängers (20) in einem Laser-Entfernungsmessgerät, aufweisend die Schritte: – Bereitstellen einer Hochspannung für einen Sender (10) und den Empfänger (20) des Laser-Entfernungsmessgeräts unter Verwendung einer Hochspannungsstromversorgung (30), die eine Impulsmodulationssteuereinheit (31) aufweist, um ein Laserimpulssignal zu einem Ziel auszustrahlen; – Abschalten der Impulsmodulationssteuereinheit (31) für eine bestimmte Zeitdauer durch einen Rückkopplungsschaltkreis (R24, R25) nach Aussenden des Laserimpulssignals durch den Sender (10), um den Oszillator der Hochspannungsstromversorgung (30) in einem rauscharmen Zustand zu halten, während ein Detektor (APD) des Empfängers (20) sich im Empfangszustand befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassen den Schritt: – Optimieren des Signalrauschverhaltens des empfangenen Laserimpulssignals durch Optimieren der Frequenzreaktion des empfangenen Laserimpulssignals mittels eines Anpassungsfilters (22).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend den Schritt: – Ausfiltern von Sonnenlichtrauschen durch einen optischen Bandpassfilter (25), der dem Detektor des Empfängers (20) vorgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ausfiltern von Sonnenlichtrauschen folgende Schritte umfasst: – Mitteln des Sonnenlichtrauschens unter Verwendung einer Sonnenrauschen-Mittelwertbildungsschaltung (23); – Erzeugen eines Schwellenwerts in Übereinstimmung mit dem gemittelten Sonnenrauschen unter Verwendung einer Schwellenwerteinstellschaltung (R23, R24), und – Abtrennen von Sonnenlichtrauschen durch Vergleichen des empfangenen Laserimpulssignals mit dem Schwellenwert unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitskomparators (24).