DE2229887B2 - Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser und seine Anwendung zur Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser, einem Strahlablenker zum periodischen Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene und mit einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor mit einer scharf gebündelten Empfangscharakteristik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie, die vom Laserstrahl getroffen wird.

Ein solches Entfemungsmeögerät ist aus der US-PS 54 646 bekannt. Dieses Meßgerät benutzt einen rotierenden Spiegel als Lichtablenker. Der rotierende Spiegel ist auf der Achse eines Motors befestigt, und wird von diesem angetrieben. Dei Laserstrahl wird durch eine zwischen dem rotierenden Spiegel und dem Laser angeordnete Optik auf eine von der Visierlinie ge'.roffene Oberfläche eines Objekts fokussiert.

Die Entfernung des Objekts wird als Abstand * zwischen dem Durchstoßpunkt der Visierlinie durch die Oberfläche des Objekts und dem Fußpunkt des von der Drehachse des rotierenden Spiegels auf die Visierlinie gefällten Lotes, dessen Länge y bekannt ist, ermittelt. Zur Ermittlung von χ wird der Winkel ckf gemessen, den eine Gerade durch die Drehachse des rotierenden Spiegels und den Durchstoßpunkt der Visierlinie mit dem Lot einschließt. Die gesuchte Entfernung ergibt sich aus dem gemessenen Winkel durch χ = ytamx_F.

Der Winkel »f wird mittels einer mit der Drehachse des Motors fest verbundenen und mit einer Stricheinteilung versehenen Kodierscheibe gemessen, indem die an einem ortsfesten Detektor vorbeilaufenden Striche von einem ersten Strich an, welcher der Winkelposition 0° entspricht, gezählt werden, bis der Detektor mit der scharf gebündelten Empfangscharakteristik entlang der Visierlinie ein Signal abgibt Die gezählten Striche geben dann den Winkel &f an

Bei einer anderen Methode wird der Winkel mit Hilfe von Sinus- und Kosinuspotentiometern gemessen,

ίο welche mit der Drehachse des Spiegels verbunden sind, und die Ausgangssignale dieser beiden Potentiometer werden auf eine Dividierschaltung gegeben, deren Ausgangssignal dann dem Tangens des gemessenen Winkels arentspricht

lä Dieses Entfernungsmeßgerät muß auch justiert werden und dazu sind zusätzlich halbdurchlässige Spiegel in den Strahlengängen des Laserstrahls und des vom Objekt reflektierten Lichts angeordnet

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs genannten Art anzugeben, welches keine strahlfokussierende Optik und keine Antriebsmotoren benötigt

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Taktgenerator vorgesehen ist, welcher kontinuierlich Rechteckimpulse erzeugt und damit einen Sägezahngenerator synchronisiert, daß ein piezoelektrischer Strahlablenker mit einem Schwingspiegel vorhanden ist, dessen Ablenkung von der Sägezahnspannung gesteuert wird, und daß eine Vorrichtung vorhanden ist, welche die

JO Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke eines Taktimpulses und derjenigen eines weiteren Impulses mißt, der vom Detektor aufgrund von Licht, das von einem diffus reflektierenden Objekt zu ihm gelangt, ausgelöst wird.

Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß Entfernungsmeßgeräte, bei welchen eine Zeitdifferenz zur Ermittlung der Entfernung dient, beispielsweise aus der DE-AS 12 59 582 und der DE-AS 16 23 512 bereits bekannt sind. Diese Entfernungsmeßgeräte arbeiten aber nach einem anderen Meßpnnzip. Bei ihnen wird die Laufzeit eines Lichtimpulses von der Quelle zum Objekt und vom Objekt zu einem Detektor gemessen, woraus sich dann die Entfernung des Objekts mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit ergibt.

Auch sind Vorrichtungen zur Messung einer Zeitdifferenz an sich bekannt.

Aus der DE-AS 16 23 512 ist auch bereits ein Entfernungsmeßgerät bekannt, welches mit einem Sägezahngenerator und einem davon gesteuerten Prisma aus piezoelektrischem Material zur Strahlablenkung versehen ist. Der Sägezahngenerator wird dort durch den abgestrahlten Lichtimpuls synchronisiert und das piezoelektrische Prisma ist im Strahlengang des vom Objekt zurückkehrenden Lichts angeordnet. Das piezoelektrische Prisma bewirkt eine Ablenkung der zurückkehrenden Energieimpulse um einen Winkel, der der Zeit zwischen der Erzeugung und Rückkehr der Impulse proportional ist.

Wesentliche Vorteile des hier vorgeschlagenen Entfernungsmeßgerätes werden im folgenden aufgezählt.

Es sind keine aufwendigen Justierarbeiten erforderlich, wie dies beispielsweise beim Gegenstand der US-PS 35 54 646 erforderlich ist. Der die Oberfläche des Objekts abtastende Lichtfleck darf relativ groß sein, so daß keine strahlfokussierende Optik erforderlich ist. Da ein piezoelektrischer Strahlablenker mit einem Schwingspiegel verwendet wird, sind keine Antriebsmo-

toren notwendig. Mit einem solchen Strahlablenker mit Schwingspiegel lassen sich Ablenkungen bis zu 20° erreichen. Ein solcher Strahlablenker kann mit hohen Frequenzen betrieben werden, wodurch eine hohe Abtastgeschwindigkeit erreichbar ist. Die Anzahl der Entfernungsmessungen entspricht der Abtastfrequenz, mit der das Objekt abgetastet wird, wodurch die Geschwindigkeit auch bewegter Objekte senkrecht zur Bezugsebene sehr genau ermittelt werden kann. Da die Entfernung als eine Zeitdifferenz gemessen wird, kann die in Längeneinheiten ausgedrückte Entfernung bequem mit herkömmlichen digitalen oder analogen Anzeigegeräten, wie beispielsweise handelsübliche digitale oder analoge Z^itmeßgeräte direkt angezeigt werden. Im Gegensatz zu Entfernungsmeßgeräten, welche die Laufzeit von Liditimpulsen messen, und wo wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit zu kleineren Abständen hin eine Grenze vorhanden ist, die nicht unterschritten werden kann, weil die dann gemessenen Zeitdifferenzen zu klein sind und nicht mehr gemessen werden können, ist das hier vorgeschlagene Entfernungsmeßgerät gerade für diesen Bereich kleinerer Abstände besonders gut geeignet. Es vereinigt so in sich die Vorteile eines Entfernungsmeßgerätes, bei welchem zur Ermittlung der Entfernung ein Winkel gemessen wird, mit den Vorteilen eines Entfernungsmeßgerätes, bei welchem die Entfernung als Zeitdifferenz gemessen wird. Außerdem lassen sich mit dem hier vorgeschlagenen Entfernungsmeßgerät die Entfernungen sehr genau messen.

Die Erfindung wird anhand der Figuren im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. I in schematischer Darstellung ein vorgeschlagenes Entfernungsmeßgerät,

Fig.2 Spannungsdiagramme über der Zeit t. welche zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des vorgeschlagenen Entfernungsmeßgeräts dienen.

Anhand der Fig. 1 wird das vorgeschlagene Entfernungsmeßgerät beschrieben. Ein Taktgenerator 7. speziell ein astabiler Multivibrator, erzeugt Rechteckspannungsimpulse, die als Ausgangsspannung für die Referenz- und Steuerimpulse dienen. Aus der Rechteckspannung wird in einem Sägezahngenerator 8 eine Sägezahnsteuerspannung, die auch eine Dreiecksteuerspannung sein kann, gewonnen. Diese wird einem piezoelektrischen Lichtablenker 9 nil einem Schwingspiegel 10 zugeleitet. Als Lichtquelle für diesen Lichtstrahl dient ein Dauerstrichlaser 12, dessen Strahlung am Schwingspiegel 10 umgelenkt wird. Der Spiegel 10 schwingt nv einer Frequenz von mehreren kHz, wobei der umgelenkte Strahl mehrere tausendmal in einer Sekunde einen V/inkel von 20° zwischen den maximalen Auslenkamplituden zwischen den Punkten 14 und 15 überstreicht. Bei Ansteuerung des Spiegels 10 mit einer Dreieckspannung verläuft die Bewegung des Lichtstrahles zwischen den Punkten 14 und 15 mit gleicher Geschwindigkeit in beiden Richtungen. Wird der Schwingspiegel 10 mit einer Sägezahnspannung angesteuert, so verläuft die Bewegung zwischen den Punkten 14 und 15 in einer Richtung schneller als in der anderen. Der Lichtstrahl wird am Objekt 13 gestreut. Das Streulicht gelangt darauf in den Detektor 17, welcher entlang der Visierlinie 17' eine scharf gebündelte Empfangscharakteristik aufweist. Überstreicht der Lichtstrahl die Fläche in einem Bereich Δβ, so wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der Laserlichtstrahl das Objekt 13 treffen und das Streulicht in den Detektor 17 gelangen. Dieser Zeitpunkt wird der Entfernung 11 des Objekts 13 von einer Bezugsebene 6 in der Nähe des Schwingspiegels 10 zugeordnet, da die Ablenkstellung des Schwingspiegels zu diesem Zeitpunkt zum Empfang des Streulichtes im Detektor führt.

Das vom Detektor 17 registrierte Lichtsignal wird in einem Verstärker 19 mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt und gelangt über einen Impulsformer 20, welcher aus dem Signal eine Rechteckspannung formt, zu einem Differentiator 21, welcher nur die

ίο Anstiegsflanke des Meßimpulses einem Impulsdiskriminator 22 zuführt. Diesem Impulsdiskriminator 22 wird auch die Anstiegsflanke des in einem Differentiator 23 differenzierten Spannungssignals aus dem Taktgenerator 7 zugeführt Der Impulsdiskriminator erzeugt der Zeitdifferenz von Referenzimpuls und Meßimpuls entsprechend lange Impulse, die in einem Integrator 24 integriert und einer Digitalanzeigevorrichtung 25 und einer Analoganzeigevorrichtung 26 zugeführt werden.

Diese Anzeigen geben den Meßwert wieder, welcher der Entfernung des Objektes 13 von der Bezu.gsebene 6 entspricht. Befindet sich das Obj-u-.t 13 in Höhe der Linien 27 oder 28, dann trifft der gestaute Lichtstrahl den Detektor 17 entsprechend später, so daß die im Impulsdiskriminator erzeugten Impulslängen geändert werden. Berührt das Objekt beispielsweise als dickes Band ,nit seiner von der Meßstation abgewandten ebenen Oberfläche eine Bezugsebene mit einer von der Meßstation bekannten Entfernung, dann läßt sich durch Messen der Entfernung der der Meßstation zugewandten ebenen Oberfläche des Bandes dessen Dicke bestimmen.

Anhand der F i g. 2 wird der zeitliche Verlauf der in den einzelnen elektronischen Geräten vorliegenden Spannungen dargestellt.

J5 Der Generator 7 erzeug: eine Rechteckspannung Ur,. von der die Anstiegsflanken Ur als Referenzimpulse in den Impulsdiskriminator gelangen. Der piezoelektrische Lichtablenker 9 wird mit den Steucrspannungen U< angesteuert, welche entweder sägezahnförnrg 29 oder

w dreieckförmig 30 verlaufen. Die zu drei verschiedenen Entfernungen des Objektes von der Bezugsebene 6 gemäß der eingezeichneten Lage des Objektes 13 oder einem Ort in Höhe der Bezugsebenen 27 bzw. 28 gehörigen Änderungen des Einfallswinkels Δβ sind durch drei Spannungswerte Ux u, I //, u und Us a gekennzeichnet. Diese Spannungswerte gebi;n an. bei welcher Stejerspannung und zu welcher Zeit der Meßimpuls Um entsteht. Für diese drei verschiedenen Entfernungen des Objektes erhält man aus dem

jo Impulsdiskriminator unterschiedlich lange Rechteckimpulse Urκι it, Urhj 32 bzw. Urm η- Diese Impulslängen würden für eine Sägezahnsteuerspannung 29 langer. Infolgedessen könnten geringe Entfernungsunterschie-Je des Objektes genauer festgehalten werden.

■>5 Das Entfernungsmeßgerät läßt sich auch zum Messen der Geschwindigkeit des Objektes 13 verwenden, was anhand der Fig. 1 erläutert wird. Bewegt sien beispielsweise das Objekt 13 senkrecht auf die Bezugsebene 6 zu. so wird es zu zwei kurz aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t\ und /2 auf seine Entfernung vermessen. Zu diesen beiden Zeiten wird der Impulsdiskriminator 22 für die Dauer einer halben Ablenkperiode des Schwingspiegeis 10 über einen Impulsgeber 27' eingeschaltet. Ein automatischer Schalter im Integrier 24 schließt die Anzeigegeräte 25 und 26 nur zum Zeitpunkt l\ an den Impulsdiskriminator 22 an, so daß die Entfernung des Objektes 13 nur zur Zeit t\ angezeigt wird. Der Integrator 24 ist mit einem

weiteren digitalen Anzeigegerät 28' und einem analogen Anzeigegerät 29' verbunden. In diesen beiden Anzeigegeräten werden bei einem fest vorgegebenen zeitlichen Meßabstand /?—t\ die aus dem Impulsdiskriminator 22 gewonnenen Rechteckimpulse, deren Länge von den Entfernungen des Objektes 13 von der Bezugsebene 6 zu den Zeitpunkten /ι und /2 abhängen, mit der Zeitdifferenz h—1\ zu geschwindigkeitsabhängigen Spannungen umgeformt, die digital und analog angezeigt werden.

Das Entfernungsmeßgerät kann beispielsweise für Fahrzeugkontrollen im Straßenverkehr eingesetzt werden. Der erste Entfernungsmeßimpuls zur Zeit fi für die Entfernungsmessung kann für eine automatische Auslösung einer Fotokamera benutzt werden, um das kontrollierte Fahrzeug gleichzeitig fotografieren zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser, einem Strahlablenker zum periodischen Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene und mit einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor mit einer scharf gebündelten Empfangscharakteristik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie, die vom Laserstrahl getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (7) vorgesehen ist, welcher kontinuierlich Rechteckimpulse erzeugt und damit einen Sägezahngenerator (8) synchronisiert, daß ein piezoelektrischer Strahlablenker (9) mit einem Schwingspiegel (10) vorhanden ist, dessen Ablenkung von der Sägezahnspannung gesteuert wird, und daß eine Vorrichtung (21, 22 und 23) vorhanden ist, weiche die Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke eines Taktimpulses und derjenigen eines wehren Impulses mißt, der vom Detektor aufgrund von Licht, das von einem diffus reflektierenden Objekt zu ihm gelangt, ausgelöst wird.

2. Anwendung eines Entfernungsmeßgerätes nach dem vorhergehenden Anspruch zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs im Straßenverkehr, wobei der Impulsdiskriminator (22) in zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten für die Dauer einer halben Ablenkperiode des Schwingspiegels (!0) über einen Impulsgeber (27') eingeschaltet wird und die zu den Zeitpunkten im Impulsdiskriminator (22) gewonnenen Längen der Rechteckimpulse zusammen mit dem zeitlichen Abstand zwiscaen den Zeitpunkten in geschwindigkeitsabhär.gige Spannungen umgeformt werden, die digital und/ode analog angezeigt werden.