DE2014681C2 - Entfernungsmeßgerät mit HF-Lichtmodulation und ZF-Phasenvergleich - Google Patents
Entfernungsmeßgerät mit HF-Lichtmodulation und ZF-PhasenvergleichInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Entfernungsmeßgerät mit einer eine modulierte Lichtstrahlung aussendenden Lichtquelle, zwei Photodetektoren, von denen
der eine die von einem Gegenstand reflektierte Lichtstrahlung und der andere unmittelbar einen Teil
der von der Lichtquelle ausgesendeten modulierten Lichtstrahlung empfangen und die jeweils ein der
Modulation der empfangenen Lichtstrahlung entsprechendes elektrisches Signal abgeben, zwei gleichen
Schaltungskanälen, die jeweils an den Ausgang eines der beiden Photodetektoren angeschlossen sind und jeweils
eine HF-Stufe enthalten, der eine Mischstufe nachgeschaltet ist, die zur Bildung eines Mischprodukts
niedrigerer Frequenz das Ausgangssignal eines den
beiden Schaltungskanälen gemeinsamen Oberlagerungsoszillators empfängt, und mit einer an die
Ausgänge der beiden Schaltungskanäle angeschlossenen Phasenmeßanordnung zur Feststellung der Phasendifferenz zwischen den Phasen der von den beiden
Photodetektoren abgegebenen elektrischen Signale.
Bei Entfernungsmeßgeräten dieser Art erfolgt die Messung der Entfernung zwischen der Lichtquelle und
dem das, Licht reflektierenden Gegenstand durch
ίο Messung der Phasenänderung, die das Modulationssignal der Lichtstrahlung auf dem Hin- und Rückweg
erfährt Diese Phasenänderung ist der Laufzeit proportional, so daß sie bei bekannter Lichtgeschwindigkeit
unmittelbar den zurückgelegten Weg und damit die
gesuchte Entfernung anzeigt Die Messung der Phasenänderung geschieht durch den Vergleich der Phasenlage der Modulation des vom Ziel reflektierten Signals
mit der Phasenlage der ausgesendeten Lichtstrahlung.
Die Genauigkeit der Entfernungsmessung hängt also
in erster Linie von der Genauigkeit ab, mit der die
Phasendifferenz gemessen werden kann. Alle im Übertragungsweg des Meßsignals und des Bezugssignals auftretenden unkontrollierbaren Phasendrehungen beeinträchtigen die Meßgenauigkeit Solche Phasen-
Verfälschungen sind umso mehr zu befürchten, je höher die Frequenz des Modulationssignals ist. Diese Frequenz
ist wiederum durch den gewünschten Meßbereich bedingt und muß umso höher sein, je kleiner die maximale
Entfernung ist, die gemessen werden soll. Bei einem
jo Meßbereich mit einer oberen Grenze von 10 m muß
beispielsweise die Frequenz des Modulationssignals in der Größenordnung von 5 MHz liegen. Bei dieser
Frequenz können durch Änderungen der Betriebsspannung, der Signalamplitude und der Temperatur sowie
S5 durch Alterung der Bauelemente Phasendrehungen
verursacht werden, welche die Einhaltung der erforderlichen Meßgenauigkeit unmöglich machen. Es ist zwar
möglich, solche Phasendrehungen durch entsprechende Schaltungsmaßnahmen ausreichend klein zu machen,
At) jedoch werden dann Kosten, Gewicht und Raumbedarf
des Meßgeräts beträchtlich groß.
Bei dem beispielsweise aus der GB-PS 8 32 622 bekannten, mit einem Entfernungsmeßgerät der eingangs angegebenen Art vergleichbaren Radargerät, bei
Vi dem das Ausgangssignal des gemeinsamen Uberlagerungsoszillators direkt den Mischstufen in den beiden
Schaltungskanälen zugeführt wird, sollen solche Phasenfehler dadurch vermieden werden, daß Meßsignal
und Bezugssignal völlig gleiche Schaltungskanäle
durchlaufen, so daß alle durch den Schaltungsaufbau und
durch Umweltbedingungen verursachten Phasendrehungen sich in gleicher Weise auf die beiden Signale
auswirken und sich bei der Phasendifferenzmessung gegenseitig aufheben. Dieses Ergebnis wird in dem sich
an die Mischstufen anschließenden Teil der Schaltungskanäle auch in befriedigender Weise erreicht, weil die
Frequenz des Mischproduktes ausreichend niedrig ist. Dagegen zeigt es sich, daß es insbesondere bei
Anwendung einer automatischen Verstärkungsregelung
praktisch nicht möglich ist, in den den Mischstufen
vorgeschalteten Hochfrequenzstufen gleiche Phasencharakteristiken zu erhalten; gerade in diesem Teil der
Schaltungskanäle wirken sich aber Phasendrehungen wegen der hohen Frequenz der übertragenen Signale
b5 besonders stark auf das Meßergebnis aus.
Bei einer anderen bekannten Entfernungsmeßanordnung (DR-AS 12 98 296) ist zur Ausschaltung der
Fehlerquellen für die beiden Photodetektoren zum Teil
ein gemeinsamer Schaltungskanal vorgesehen, der eine einzige Mischstufe und eine der Mischstufe vorgeschaltete
HF-Stufe enthält, und es sind Schalteinrichtungen vorhanden, die diesen gemeinsamen Schalt jngskanal
abwechselnd mit den beiden Photodetektoren und mit den beiden Eingängen der Phasenmeßanordnung
verbinden. Auch in diesem Fall ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, weil einerseits die beiden
Schalteinrichtungen synchronisiert sein müssen und andererseits die Phasen vorübergehend gespeichert
werden müssen.
Schließlich ist aus der Zeitschrift »Vermessungstechnik«,
1965, Seite 125, eine Entfernungsmeßanordnung bekannt, bei der das Überlagerungssignal direkt an die
Photokathoden der beiden Photodetektoren (in diesem Fall Sekundärelektronen-Vervielfacher) angelegt wird,
so daß das Differenzsignal direkt in den Photodetektoren gebildet und in anschließenden Niederfrequenzverstärkern
weiter verstärkt wird. Eine solche Schaltungstechnik
hat zur Folge, daß die Photodetektoren auch für niederfrequent moduliertes Fremdlicht empfindlich
werden, das in verhältnismäßig starkem Maße durch Luftflimmern, bewegte Äste und Bäume, Brumm-Modulation
von Glühlampen und ganz besonders Leuchtstoff- und Gasentladungslampen aller Art einschließlich
höherfrequenter Oberwellen und auch durch die Videomodulation des Lichtes von Fernsehbildröhren
bei Anwendung von Entfernungsmessern für photographische Zwecke vorhanden ist. Vor allem aber fehlt die
Hochfrequenzstufe, die für bestimmte Anwendungszwecke, vor allem bei Entfernungsmeßgeräten für
photographische und kinematographische Zwecke, unerläßlich ist. In diesen Fällen muß neben der
Reflexion des Meßstrahls an dunklen und diffusen Gegenständen in der Maximalentfernung auch die
Reflexion an einer Spiegelfläche in unmittelbarer Nähe des Entfernungsmessers ein einwandfreies Meßergebnis
liefern, und zwar beim üblichen Gebrauch und Schwenken des Gerätes in Bruchteilen einer Sekunde.
Die dabei entstehenden Schwankungen der Reflexionsintensität von mehr als 1:1 000 000 können ohne
Überschreitung der Meßfehlergrenzen nur durch sehr automatisch geregelte Hochfrequenz-Verstärkerschaltungen
und Begrenzerschaltungen verarbeitet werden. Das Vorhandensein derartiger Hochfrequenzstufen
ergibt jedoch dann das zuvor geschilderte Problem hinsichtlich der Phasendrehungen der hochfrequenten
Signale.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs angegebenen Art zu
schaffen, bei welchem trotz einfachem und billigem Schaltungsaufwand schaltungsbedingte Phasenfehler
weitgehend beseitigt sind.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß das Ausgangssignal des gemeinsamen Überlagerungsoszillators zusammen mit dem Ausgangssignal des
betreffenden Photodetektors dem Eingang der in dem jeweils angeschlossenen Schaltungskanal der Mischstufe
vorgeschalteten HF-Stufe zugeführt wird.
Bei dem Entfernungsmeßgerät nach der Erfindung wird durch die Art der Zuführung des Überlagerungssignals erreicht, daß das hochfrequente Meßsignal und
das Überlagerungssignal in jedem Schaltungskanal alle Stufen der Hochfrequenzschaltung bis zur Mischstufe
gemeinsam durchlaufen, so daß sich jede Phasenänderung in diesen Stufen auf beide Signale gemeinsam
auswirkt. Diese Phasenänderungen heben sich daher bei der Bildung des Mischprodukts mit der Differenzfrequenz
gegenseitig auf, so daß das Niederfrequenzsignal ohne erkennbaren Phasenfehler gebildet wird. Die
beiden gleichen Schaltungskanäle können daher einschließlich der Hochfrequenzstufen aus einfachen und
billigen Schaltungselementen aufgebaut werden, insbesondere in Halbleitertechnik, wodurch sich ein kleines
und leichtes Gerät ergibt Die Schaltungen eignen sich besonders gut für eine Ausführung als integrierte
Schaltungen, bei denen sich bekanntlich Fertigungs-
iu Streuungen auf gleichartige Schaltungselemente in
gleicher Weise auswirken.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung leichter und billiger Entfernungsmeßgeräte, die leicht
transportabel sind und beispielsweise mit Batteriespan-
i r, nungen betrieben werden können. Solche Entfernungsmeßgeräte eignen sich für die automatische Entfernungsmessung
bei Photoapparaten, Filmkameras und anderen optischen Geräten, insbesondere für eine
automatische Schärfeeinstellung des Objektivs. Weitere Anwendungsmöglichkeiten für solche Entfemungsmeßgeräte
finden sich bei Automobilen, Schienenfahrzeugen und Fahrzeugen anderer Art als Auffahr- und
Kollisionswarneinrichtung, vorzugsweise kombiniert mit automatischer Lenk- und Bremseinrichtung, Förder-
2"> geräten, Ortungsgeräten für Blinde, Überwachungs- und
Sicherungseinrichtungen sowie bei Maschinen oder anderen Einrichtungen, bei denen die genaue Lage von
schwer zugänglichen Objekten, z. B. hinter Schutzwänden gegen radioaktive Strahlung, gemessen werden
in muß.
Durch die Verwendung von Licht, das mit einem hochfrequenten Wechselstrom moduliert ist, besteht
eine vollkommene Unabhängigkeit der Arbeitsweise von Konstantlicht (Tageslicht) und durch die Netzfre-
i") quenz moduliertem Glühlampen- und Leuchtstofflampenlicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß jeder Mischstufe eine Anordnung zur
Umwandlung des Mischprodukts niedriger Frequenz in
4« ein Rechtecksignal nachgeschaltet ist. Dadurch wird
einerseits der Störabstand noch weiter verbessert und andererseits eine besonders einfache Ausbildung der
Phasenmeßanordnung ermöglicht.
Diese besteht darin, daß die Phasenmeßanordnung j eine Antivalenzschaltung enthält, deren beide Eingänge
mit den Ausgängen der beiden Schaltungskanäle verbunden sind.
Da eine Antivalenzschaltung bekanntlich nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn ihre Eingangssignale
r>o voneinander verschieden sind, erhält man am Ausgang
der Antivalenzschaltung eine Folge von Rechteckimpulsen, deren Dauer direkt der gegenseitigen Phasenverschiebung
und damit der gesuchten Entfernung proportional ist.
Vi Die Verwendung von Infrarotlicht ist für viele
Anwendungszwecke vorteilhaft, insbesondere dann, wenn die für die Entfernungsmessung verwendete
Lichtstrahlung für das menschliche Auge oder bei photographischen Aufnahmen unsichtbar bleiben, oder
«ι bei Anwendung an Fahrzeugen im Freien, z. B. bei Nebel, eine größere Reichweite und Meßsicherheit als
sichtbares Licht ergeben soll.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
tvi F i g. 1 ein Schema zur Erläuterung des der Erfindung
zugrunde liegenden Prinzips,
Fig. 2 das Blockschaltbild eines nach der Erfindung ausgeführten Entfernungsmeßgeräts und
F i g. 3 Zeitdiagramme der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Antivalenzschaltung in F i g. 2.
F i g. 1 zeigt das bei der Erfindung angewendete Meßprinzip. Eine Sendeanordnung I sendet eine
amplitudenmodulierte Lichtstrahlung aus. Das Modulationssignal ist vorzugsweise eine kontinuierliche Sinusschwingung,
doch sind auch andere Formen des Modulationssignals, beispielsweise ein Rechtecksignal,
anwendbar. Die Lichtstrahlung kann aus sichtbarem oder unsichtbarem Licht bestehen. Bei dem hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß es sich um eine Infrarotstrahlung handelt.
Infrarotlicht ist für viele Anwendungsfälle besonders vorteilhaft, weil sie für das menschliche Auge unsichtbar
ist und die üblichen fotografischen Emulsionen dafür unempfindlich sind.
Eine Empfangsanordnung 2 empfängt die modulierte Infrarotstrahlung, die von einem Gegenstand 3 reflektiert
wird, dessen Entfernung gemessen werden soll. Eine zweite Empfangsanordnung 4, die der ersten
Empfangsanordnung 2 völlig gleich ist, empfängt unmittelbar einen Teil der von der Sendeanordnung 1
ausgestrahlten amplitudenmodulierten Infrarotstrahlung, beispielsweise mit Hilfe eines unmittelbar vor der
Sendeanordnung 1 angebrachten Spiegels 5. In den beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 wird ein
elektrisches Signal erzeugt, das dem Modulationssignal der empfangenen Infrarotstrahlung entspricht und die
gleiche Phasenlage wie dieses hat. Diese elektrischen Signale werden in den beiden Empfangsanordnungen 2
und 4 mit Hilfe einer Überlagerungsfrequenz, die von einem gemeinsamen Überlagerungsoszillator 6 erzeugt
wird, einer Frequenzumsetzung unterworfen, die in bekannter Weise so erfolgt, daß die in den beiden
Empfangsanordnungen erhaltenen Mischprodukte mit der Differenzfrequenz die gleiche gegenseitige Phasenverschiebung
aufweisen wie die ursprünglichen elektrischen Signale.
Diese Mischprodukte mit der Differenzfrequenz werden von den Ausgängen den beiden Eingängen einer
Phasenmeßanordnung 7 zugeführt, die am Ausgang ein Signal abgibt das ein Maß für die gegenseitige
Phasenverschiebung der ihren Eingängen zugeführten Signale ist. Es läßt sich leicht zeigen, daß diese
Phasenverschiebung der Entfernung zwischen der Sendeanordnung 1 mit Spiegel 5 und dem Gegenstand 3
proportional ist, so daß das Ausgangssignal der Phasenmeßanordnung 7 auch unmittelbar ein Maß für
die gesuchte Entfernung ist.
Wenn angenommen wird, daß sich die Sendeanordnung 1 und die beiden Empfangsanordnungen 2 und 4
am gleichen Ort befinden, und daß sich der Gegenstand 3 in der Entfernung a von diesem Ort befindet, so
beträgt die Laufzeit der Lichtstrahlung von der Sendeanordnung 1 zu der Empfangsanordnung 2:
f = 2·^-
wenn cdie Lichtgeschwindigkeit ist
Das Modulationssignal der von der Empfangsanordnung 2 empfangenen Lichtstrahlung weist daher
gegenüber dem Modulationssignal der von der Sendeanordnung 1 abgehenden Lichtstrahlung die folgende
Phasenverschiebung auf:
oder
I y = 360 ·.//,
wenn Adie Frequenz des Modulationssignals ist.
Durch Einsetzen der Gleichung (1) folgt daraus:
Durch Einsetzen der Gleichung (1) folgt daraus:
ίο Da die Laufzeit der Lichtstrahlung von der Sendeanordnung
1 zur Empfangsanordnung 4 praktisch vernachlässigbar ist, besteht die gleiche Phasendifferen
auch zwischen den Ausgangssignalen der beiden Empfangsanordnungen 2 und 4. Durch Messung dei
Phasendifferenz Δφ in der Phasenmeßanordnung
erhält man daher die gesuchte Entfernung a nach folgender Gleichung:
erhält man daher die gesuchte Entfernung a nach folgender Gleichung:
■I?
α 2 ' f 360 '
Die Frequenz f des Modulationssignals muß s<
gewählt werden, daß keine Mehrdeutigkeit entsteht Be einer Frequenz von 5 MHz erhält man z. B. be
a = 10 meine Phasendifferenz von
2- 10m-5· 10"s"
3· 108m -s"
360" * 120 .
A ψ = 2 -.τ/·ί
Das Meßergebnis ist von der Signalamplitud« unabhängig. Das elektrische Signal muß in de
Empfangsanordnung nur so weit verstärkt werden, dat ein Phasenvergleich in der Phasenmeßanordnung
möglich ist. In der Amplituden-Unabhängigkeit liegt eir großer Vorteil des Prinzips der Phasenmessung.
Das Entfernungsmeßgerät spricht auf den Wegunter schied der vom Ziel reflektierten und der direktei
Infrarotstrahlung an. Bei geeigneter konstruktive Gestaltung des Geräts mit Reflexion der direkter
Strahlung im Gehäuse läßt sich die Vorderfläche de Gerätegehäuses als Bezugsebene für die Messung de
Entfernung verwenden.
Auch eine Entfernungsdifferenzmessung zwischei zwei Zielen ist mit einem derartigen Gerät möglich
wenn der Reflektor 5 nicht starr mit dem Sender 1 un( den Empfängern verbunden ist Es wird dann di<
Entfernung zwischen den reflektierenden Gegenstän den 3 und 5 gemessen. Der Aufstellungsort des Senden
1 mit den Empfängern 2 und 4 kann beliebig sein.
so Die Messung der Phasendifferenz wäre zwar aucl unmittelbar bei der Frequenz des Modulationssignal
möglich, jedoch mit hohen Anforderungen an di« Toleranzen und die Stabilität der Schaltung verbunden
Außerdem müßte die Empfangsanordnung wegen der ir einem großen Bereich veränderlichen Entfernung, di<
von einigen Zentimetern bis 10 m und mehr betragei kann, sowie wegen des unterschiedlichen Reflexionsgra
des der anzumessenden Gegenstände (dunkle bis weiß« Flächen, matte bis metallisch spiegelnde Flächen) eim
hohe dynamische Stabilität aufweisen und schwächst wie starke Eingangssignale ohne geringste nachweisba
re Phasendrift verarbeiten.
Diese Schwierigkeiten werden durch die in dei Empfengsanordnungen vorgenommene Frequenzum
Setzung vermieden, durch welche das elektrisch« Empfangssignal unter Aufrechterhaltung der Phasendif
ferenz Δφ in eine niedrigere Frequenzlage transponier wird. Die Frequenz des Überlagerungsoszillators 7 lieg
um einen kleinen Betrag oberhalb oder unterhalb der Modulationsfrequenz der Richtstrahlung, z. B. bei
5 000 050 Hz bei der zuvor als Beispiel angenommenen Modulationsfrequenz von 5 MHz. Die Differenzfrequenz beträgt dann 50 Hz. Ein Signal mit so niedriger
Frequenz läßt sich mit verhältnismäßig einfachen Niederfrequenzverstärkern weiter verstärken und mit
unkritischen und kostensparenden RC-F\hern von
störenden Rauschanteilen befreien. Zur weiteren Verbesserung des Störabstandes kann das Niederfrequenzsignal in der Amplitude begrenzt werden. Das ist
zulässig, weil die Information der Entfernung in der zeitlichen Verschiebung der Nulldurchgänge der Signalspannung und nicht in deren Amplitude vorhanden ist.
Zur Begrenzung können einfache und billige Transistcrschaltungen gewählt werden, wobei wegen der niedrigen Frequenz die Transistorspeicherzeit noch nicht
störend in Erscheinung tritt.
Durch die Frequenzumsetzung von 5 MHz auf 50 Hz wird ferner die Systemgenauigkeit bedeutend gesteigert Eine noch erkennbare Phasenänderung von
όφ = ±'/4° bei 50Hz entspricht nach Gleichung (2a)
einer zeitlichen Verschiebung von
dt =
360°■ /
Λί = ± -τ-
4-360-50
Eine solche Zeitverschiebung ist am Ausgang des Empfängers nicht auswertbar. Da die Phasenverschiebung
bei der Frequenzumsetzung unverändert übertragen wird, entspricht sie einer Laufzeitänderung des
Hochfrequenzsignals von
Ot = ±
4-360-5- 10V
± 135 ps.
Diese Laufzeitänderung ist gemäß Gleichung (1) gleich einer Entfernungstoleranz von
fia =
-c
fia = ±
135- 10"12S- 3
% ±2- 10-2m
Der Phasenvergleich muß mindestens mit derselben Genauigkeit durchgeführt werden. Dazu muß ein
zeitlich stabiles Bezugssignal zur Verfugung stehen, und es müssen alle die Messung verfälschenden Phasenfehler
vermieden werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß das Bezugssignal auf gleichem Wege
wie das Meßsignal über die ausgesendete Lichtstrahlung erzeugt wird und daß die beiden Signale völlig gleiche
Schaltungen durchlaufen.
Fig.2 zeigt die Ausbildung der verschiedenen Teile
der Anordnung von Fi g. 1 in näheren Einzelheitea
Die Sendeanordnung 1 enthält als Infrarotstrahlungsquelle
eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode 8, die bis zu sehr hohen Frequenzen amplitudenmodulierbar ist
Der größte Teil der von dieser Lumineszenzdiode abgegebenen Infrarotstrahlung wird über ein optisches
Linsen- oder Spiegelsystem auf den zu messenden Gegenstand gerichtet, so daß er nach Reflexion zur
Empfangsanordnung 2 gelangt. Ein kleiner Teil der Infrarotstrahlung wird seitlich vor oder hinter dem
senderseitigen Linsen- oder Spiegelsystem ausgekoppelt und auf einem direkten und kurzen Weg der
Empfangsanordnung 4 zugeführt. Dabei kann aus konstruktiven Gründen eine Strahlumlenkung an der
Innenwand des Gerätegehäuses oder durch einen kleinen Umlenkspiegel erfolgen.
Das Modulationssignal wird von einem hochkonstan ten Quarzoszillator 9 erzeugt, in einem HF-Leistungs
verstärker 10 verstärkt und über einen Auskoppel-HF-Schwingkreis 11 an die Lumineszenzdiode 8 angelegt.
Es ist unmittelbar erkennbar, daß alle in dieser Sendeschaltung auftretenden Phasendrehungen ohne
5 Einfluß auf das Meßergebnis sind, weil sie sich in gleicher Weise auf das Meßsignal und auf das
Bezugssignal auswirken.
Die beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 sind vollkommen gleich ausgebildet Der Empfangskanal 2
enthält einen Fotodetektor 12, der für die Infrarotstrahlung der Lumineszenzdiode 8 empfindlich ist und beim
Empfang einer reflektierten Strahlung ein elektrisches Signal abgibt das der Modulation der empfangenen
Strahlung entspricht Als Fotodetektoren eignen sich
alle schnellen Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Fotozellen und Fotovervielfacher.
Das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 wird über einen HF-Bandpaß 13 und einen HF-Verstärker 14 einer
Mischstufe 15 zugeführt und in dieser mit Hilfe des vom
Überlagerungsoszillator 6 gelieferten Überlagerungssignals auf eine niedrige Frequenz umgesetzt Der
Überlagerungsoszillator 6 ist vorzugsweise gleichfalls ein hochkonstanter Quarzoszillator, und seine Ausgangsfrequenz ist wie bereits erwähnt von der
so daß die am Ausgang der Mischstufe 15 erhaltene
ein Überlagerungssignal nicht einem zweiten Eingang der Mischstufe 15 zugeführt wird, sondern zusammen
mit dem Ausgangssignal des Fotodetektors 12 dem Eingang des Bandpasses 13 zugeführt wird. Durch eine
mit hochohmiger Impedanz ausgeführte Ankopplung
wird weitgehende Stromeinprägung erreicht. Diese
Maßnahme hat zur Folge, daß das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 und das Überlagerungssignal des
Überlagerungsoszillators 6 gemeinsam die Hochfrequenzstufen 13 und 14 durchlaufen. Da die beiden
so Frequenzen nur sehr wenig auseinanderliegen, ist der Einfluß der Phasendrift in den Hochfrequenzstufen auf
beide Signale praktisch gleich groß, so daß das niederfrequente Mischprodukt in der Mischstufe 15
ohne einen von den Hochfrequenzstufen hervorgerufe
nen Phasenfehler gebildet wird.
Das niederfrequente Ausgangssignal der Mischstufe
15 wird über einen /?C-Bandpäß und einen Niederfrequenzverstärker 17 einem Begrenzerverstärker 18
zugeführt dessen Ausgangssignal einen Kleinstwert-
Größtwert-Begrenzer 19 aussteuert Die beiden Be
grenzer 18 und 19 wandeln das niederfrequente sinusförmige Ausgangssignal der Mischstufe 15 in ein
Rechtecksignal um, in dessen Nulldurchgängen die durch die Phasenverschiebung ausgedrückte Entfer
misinformation noch vorhanden ist
Damit unabhängig von der Entfernung des gemessenen Gegenstands und von dessen Reflexionseigenschaften ein etwa konstantes Ausgangssignal erhalten wird,
ist der H F-Verstärker 14 mit einem Verstärkungsregeleingang versehen, zu dem ein vom Ausgang des
Niederfrequenzverstärkers 17 kommender Verstärkungsregelkreis führt, der einen Regelspannungsgleichrichter 20 und einen Regelspannungsverstärker 21
enthält.
Die Empfangsanordnung 4 ist in völlig gleicher Weise aufgebaut, und sie ergibt die gleiche Wirkung. Die
Bestandteile der Empfangsanordnung 4 sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden
Bestandteile der Empfangsanordnung 2 versehen, jedoch mit einem zusätzlichen Indexstrich.
Die von den beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 abgegebenen Rechtecksignale, welche die gleiche
gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen wie die Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren 12 und 12',
werden der Phasenmeßanordnung 7 zugeführt. Diese enthält eine Antivalenzschaltung 22 mit zwei Eingängen, die an die Ausgänge der beiden Schaltungskanäle 2
und 4 angeschlossen sind, und eine an den Ausgang der Antivalenzschaltung angeschlossene Rauschsperre 23.
Die Rauschsperre 23 hat die Aufgabe, den Ausgang zu verriegeln und Fehlmessungen zu verhindern, wenn
durch eine die Systemreichweite überschreitende Entfernung des Gegenstandes 3 an der Empfangsanordnung 2 ein zu schwaches und durch starkes Rauschen
gestörtes Empfangssignal vorhanden ist
Bekanntlich gibt eine Antivalenzschaltung am Ausgang nur dann ein Signal ab, wenn ihre beiden
Eingangssignale voneinander verschieden sind, so daß die folgende Wahrheitstabelle gilt:
Signal 1 | Signal 2 | Ausgang |
0 | 0 | 0 |
0 | L | L |
L | L | 0 |
L | 0 | L |
In den Diagrammen von F i g. 3 sind bei a und b die beiden phasenverschobenen rechteckigen Ausgangssignale der beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 und bei
c das Ausgangssignal der Antivalenzschaltung 22 dargestellt Wie zu erkennen ist, erscheinen am Ausgang
der Antivalenzschaltung 22 für jede ansteigende und für jede abfallende Flanke der beiden Eingangssignale
Impulse, deren Dauer der gegenseitigen Phasenverschiebung der beiden Eingangssignale entspricht Die
Beziehung zwischen der Dauer der Ausgangsimpulse und der Phasenverschiebung und damit auch der
Entfernung ist linear.
Bei einer Frequenz von z. B. 50 Hz werden auf diese
Weise pro Sekunde 100 impulsförmige Einzelinformationen geliefert, die jede für sich die Entfernungsinformation tragen. Dies ist gleichbedeutend mit einer hohen
Redundanz des Systems.
Wenn bei großen Entfernungen des Gegenstands 3 die einfallende reflektierte Strahlung schwach ist, zeigt
das empfangene elektrische Signal an der Grenze der Empfindlichkeit des Fotodetektors auf Grund des
thermischen Eigenrauschens einen relativ hohen Rauschanteil. Dieses Rauschen besteht aus zwei
Anteilen, die sich als Amplituden- und Phasenmodulation äußern. Während die stark störende Amplitudenmodulation des Rauschens in den Begrenzerstufen
vollkommen unterdrückt wird, bleibt die Phasenmodulation übrig, die sich am Ausgang der Antivalenzschaltung
ίο in einer statistischen Schwankung der Impulsbreite
äußert Auf Grund der mechanischen Trägheit d. h. der Integrationswirkung des der Phasenvergleichsschaltung
nachgeschalteten Anzeigeinstruments, eines Steuerungs- oder Nachführmotors od. dgl. erfolgt eine
zeitliche Mittelung der ursprünglich durch Phasenrauschen streuenden Ausgangsgröße und eine erhebliche
Störbefreiung. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der meßbaren Maximalentfernung.
Bei dieser Ausführungsform ist eine maximale
Phasenverschiebung von Δφ<= 180° auswertbar. Durch
Hinzufügen einer weiteren logischen Verknüpfung ist es möglich, jeden zweiten Ausgangsimpuls zu unterdrükken, so daß eine maximale Phasenverschiebung von
360° aufgenutzt werden kann, was einer Verdoppelung
des Meßbereichs gleichkommt
Die Ausgangsimpulse der Phasenmeßanordnung 7, deren Dauer der zu messenden Entfernung proportional
ist, werden einer Anordnung 24 zugeführt in der sie je nach dem betreffenden Anwendungsfall weiter verwen
det werden. Insbesondere ist es möglich, diese Impulse
für Steuerungs- und Regelungszwecke direkt an eine Sollwert-Istwert-Vergleichsstufe zu geben, beispielsweise um den Einstellmotor für die Entfernungseinstellung eines Objektivs zu steuern, oder um Bremsvorgän-
ge auszulösen. Durch Integration, beispielsweise mit einem ÄC-Glied, erhält man dagegen ein kontinuierliches Analogsignal, dessen Größe ein Maß für die zu
messende Entfernung ist Dieses Analogsignal kann einem entsprechend geeichten Meßinstrument zuge
führt werden, das dann direkt die Entfernung in Metern
oder Zentimetern anzeigt
Andererseits ist der Entfernungsmesser nach diesem System auf Grund der hohen möglichen Impulsrate pro
Sekunde in der Lage, rasche Änderungen der Entfer
nung bei schnell bewegten Objekten sofort anzuzeigen.
Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei Anwendungen an Fahrzeugen.
Vorzugsweise ist dieser Entfernungsmesser in Verbindung mit einer Nachführregelung für die Anwendung
so in automatisch arbeitenden Systemen geeignet, wenn
bei sich rasch ändernden Entfernungen zu verschiedenen Objekten entsprechende Steuerungsprozesse unmittelbar folgen sollen. Das ist von besonderer
Bedeutung, wenn solche Steuerungsprozesse von einer
Bedienungsperson ohne eine derartige Einrichtung, z. B.
auf manuellem Wege, bedingt durch die begrenzte menschliche Reaktionszeit nicht mehr schnell genug
ausgeführt werden können.
Claims (5)
1. Entfernungsmeßgerät mit einer eine modulierte Lichtstrahlung aussendenden Lichtquelle, zwei Photodetektoren, von denen der eine die von einem
Gegenstand reflektierte Lichtstrahlung und der andere unmittelbar einen Teil der von der
Lichtquelle ausgesendeten modulierten Lichtstrahlung empfangen und die jeweils ein der Modulation
der empfangenen Lichtstrahlung entsprechendes Signal abgeben, zwei gleichen Schaltungskanälen,
die jeweils an den Ausgang eines der beiden Photodetektoren angeschlossen sind und jeweils
eine HF-Stufe enthalten, der eine Mischstufe nachgeschaltet ist, die zur Bildung eines Mischprodukts niedrigerer Frequenz das Ausgangssignal
eines den beiden Schaltungskanälen gemeinsamen Überlagerungsoszillators empfängt, und mit einer an
die Ausgänge der beiden Schaltungskanäle angeschlossenen Phasenmeßanordnung zur Feststellung
der Phasendifferenz zwischen den Phasen der von den beiden Photodetektoren abgegebenen elektrischen Signale, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangssignal des gemeinsamen Oberlagerungsoszillators (6) zusammen mit dem Ausgangssignal des betreffenden Photodetektors (12; 12') dem
Eingang der in dem jeweils angeschlossenen Schaltungskanal der Mischstufe (15,15') vorgeschalteten HF-Stufe (13,14; 13', 14') zugeführt wird.
2. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jeder
Mischstufe (15, 15') ein Filter (16, 16') und/oder Integrationsglied zum Ausfiltern der in der Mischstufe gebildeten Differenzfrequenz angeschlossen
ist
3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mischstufe (15,
15') eine Anordnung (18, 19; 18', 19') zur Umwandlung des Mischprodukts niedriger Frequenz in ein Rechtecksignal nachgeschaltet ist
4. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmeßanordnung (7) eine Antivalenzschaltung (22) enthält, deren
beide Eingänge mit den Ausgängen der beiden Schaltungskanäle verbunden sind.
5. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Schaltungskanal einen Verstärkungsregelkreis (20,21; 20', 21') enthält.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2014681A DE2014681C2 (de) | 1970-03-26 | 1970-03-26 | Entfernungsmeßgerät mit HF-Lichtmodulation und ZF-Phasenvergleich |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2014681A DE2014681C2 (de) | 1970-03-26 | 1970-03-26 | Entfernungsmeßgerät mit HF-Lichtmodulation und ZF-Phasenvergleich |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2014681A1 DE2014681A1 (de) | 1971-07-29 |
DE2014681B2 DE2014681B2 (de) | 1971-07-29 |
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Family
ID=5766417
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2014681A Expired DE2014681C2 (de) | 1970-03-26 | 1970-03-26 | Entfernungsmeßgerät mit HF-Lichtmodulation und ZF-Phasenvergleich |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2014681C2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3514982A1 (de) * | 1984-04-25 | 1985-10-31 | Matsushita Electric Works, Ltd., Kadoma, Osaka | Vorrichtung mit photosensoren zum erfassen von objekten in einem begrenzten erfassungsbereich |
-
1970
- 1970-03-26 DE DE2014681A patent/DE2014681C2/de not_active Expired
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3514982A1 (de) * | 1984-04-25 | 1985-10-31 | Matsushita Electric Works, Ltd., Kadoma, Osaka | Vorrichtung mit photosensoren zum erfassen von objekten in einem begrenzten erfassungsbereich |
DE3514982C2 (de) * | 1984-04-25 | 1989-04-06 | Matsushita Electric Works, Ltd., Kadoma, Osaka, Jp |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2014681A1 (de) | 1971-07-29 |
DE2014681B2 (de) | 1971-07-29 |
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Legal Events
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C2 | Grant after previous publication (2nd publication) |