DE2301945C2

DE2301945C2 - Empfänger für impulsförmige Lichtsignale

Info

Publication number: DE2301945C2
Application number: DE2301945A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Prof. Dr.-Ing 8012 Ottobrunn Flachenecker; Heinz Prof. Dr.-Ing. 8033 Planegg Lindenmeier
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1973-01-16
Filing date: 1973-01-16
Publication date: 1982-04-08
Also published as: US3891319A; DE2301945B1; GB1423275A; SE413360B; IT1000678B; NL7400546A; FR2214206B1; BE807252A; FR2214206A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Empfänger impulsförmiger Lichtsignale nach dem Oberbegriff des

Anspruchs 1.

Bei praktischen Anwendungsfällen können solche Lichtsignale entweder einzelne rechteckförmig verlaufende Lichtimpulse sein oder auch eine Gruppe schnell aufeinanderfolgender Lichtinipulse geringer Gesamtdauer, wie sie beispielsweise entstehen, wenn ein Gelände mit dem Lichtblitz eines Laserstrahls angestrahlt wird und mehrere Objekte aus unterschiedlichen Entfernungen Lichtimpulse zurückstrahlen. Entscheidend für die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist, daß die Gesamtzeit der Gruppe der .m Empfänger eintreffenden Lichtimpulse wesentlich kleiner ist als die Zeit, die anschließend verstreicht, bis die nächste Signalgruppe im Empfänger eintrifft. Neben diesen Signalen gibt es in dem Empfänger auch Störspannungen, die entweder elektronisches Rauschen der Verstärker oder elektronisches Rauschen des lichtempfindlichen Umsetzers (z. B. Photodiode) oder Störspannungen aus dem Außenraum (z. B. Streulicht, thermische Strahlung, fremde Lichtquellen) sind. Wenn der Empfänger für impulsförmige Signale gebaut ist, d. h. sehr niedrige Frequenzen nicht verstärkt, erscheinen auch diese Störungen am Ausgang des Empfängers impulsförmig.

Ein gattungsgemäßer Empfänger ist bereits aus »The Review of Scientific Instruments«, Band 41, 1970, Nr. 8, Seite 1192, bekannt. Die Regelgröße für die Regelung der Eingisngsempfindlichkeit wird hier erst am Ausgang einer Schaltung zur Nullpunktsunterdrückung gewonjo neu. Diese Schaltung sperrt den größten Teil des vom Videoverstärker gelieferten Signals und läßt nur wenige diskrete Impulse passieren. In derselben Literaturstelle findet sich im dritten Absatz der linken Spalte der Hinweis auf eine andere einfache Möglichkeit zur )5 Regelung der Empfindlichkeit der Fotodiode im Eingang des Empfängers. Hierbei wird als Regelgröße das volle Ausgangssignal des Videoverstärkers verwendet.

In dem »Grundkurs der Regelungstechnik« von Ludwig Merz, Verlag R. Oldenbourg, München, 1964, Seiten A/14 bis A/17, wird eine Kaskadenregelung behandelt, wobei im Bild 2.19 eine schnelle Durchfluß- und eine langsame Temperaturregelung dargestellt sind. Schwankungen der Heißdampfmenge werden durch schnelle Durchflußregelung ausgeregelt. Ferner wird im »ABC Technik und Naturwissenschaft«, Band 2, S. 852, Stichwort »Regelgröße«, auf die gemeinsame Verwendung einer Haupt- und einer Hilfsregelgröße hingewiesen und in der DE-AS 16 23 420 aus den am Ausgang des so Empfängers vorhandenen Störsignalen — nach vorhergehender Nullpunktsunterdrückung — eine Regelspannung gebildet. Die in »The Review of Scientific Instruments« erwähnten beiden Regelungen etwa in diesem Sinne zu vereinen, erfordert Überlegungen über die Geschwindigkeiten, mit denen die verschiedenen Regelkreise arbeiten sowie über den generellen Sinn der Verwendung der an zweiter Stelle angeführten Regelung, da im gleichen Atemzug mit ihrer Erwähnung ausgeführt wird, daß diese Form der Regelung für M) Impulssysteme weniger geeignet sei, da störendes Rauschen bei geringem Effektivwert einzelne Nadelirnpulse von beachtlicher Amplitude enthalten könne, die ebenfalls zur Auswerteeinrichtung gelangen, falls nur der Effektivwert des Rauschens als Regelgröße dient. f>5 Wenn aber bereits die Anwendung dieser einen Regelung in Frage steht, besteht auch kein Anlaß, diese unvorteilhafte mit der erstgenannten vorteilhaften Regelung zu kombinieren.

In der deutschen Patentanmeldung H 2 091, Klasse 21a⁴, Gruppe 22-05, wird ein Empfänger für impulsmodulierte Trägerwellen beschrieben. Bei dieser bekannten Einrichtung sind zwei Verstärkerstu.^fen vorhanden, die so ausgebildet sind, daß die erste nur diejenigen Teile der Impulse durchläßt, deren Höhe einen bestimmten Wert übersteigt, während die zweite Verstärkerstufe nur diejenigen Impulse durchläßt, deren Zeitdauer einen bestimmten Mindestwert übersteigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwei unterschiedlich schnell arbeitende Regelungen unter möglichst günstiger Aufteilung und Ausnutzung der Störimpulse gleichzeitig aufrechtzuerhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs ! genannten Merkmale gelöst. Eine solche Kombination beider Regelverfahren bietet bei Anwendungsfällen mit sich schnell ändernden Störungen Vorteile, wie z. B. beim Beobachten des Erdbodens von einem Flugzeug aus oder beim schnellen Schwenken des optischen Systems in einer Landschaft mit großen Unterschieden des Streulichts oder der Hintergrundhelligkeit. Hierbei reicht ein einziger über die Nullpunktsunterdrückung führender Regelkreis nicht aus, weil in der amplitudenbegrenzenden Schaltung die meisten Störsignale unterdrückt werden, so daß dann zur Erzeugung der Regelspannung nur relativ wenige Störimpulse verfügbar sind. Eine Regelgeschwindigkeit mit vergleichsweise langer Zeitkonstante wäre die Folge. Mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag erreicht man dagegen eine schnelle Regelung und gleichzeitig die Einhaltung des gewünschten Kriteriums, daß die Zahl der Störimpulse des gereinigten Signals hinter der Nullpunktsunterdrückung langzeitlich konstant bleibt mit nur kurzfristigen Abweichungen im Fall sehr schneller Änderungen der Störsignale, aber mit kleineren Abweichungen und kürzerer Dauer der Abweichungen als ohne den zweiten Regelkreis.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die in den beiden Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigt

Fig. 1 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Impulsempfängers und

Fig. 2 eine den Impulsverstärker des Empfängers gemäß Fig. 1 überbrückendeTiefpaßrückführutig.

in Fig.l fäl't das Lichtsignal über ein optisches Signal 0 auf eine Photodiode D, die ein entsprechendes elektrisches Signal einem Impulsverstärker V zuführt. Am Ausgang t des Verstärkers Vliegt eine Schaltung N zur Unterdrückung des Nullpunkts, die alle Spannungen unterdrückt, die kleiner sind als eine Vergleichsspannung U>. Diese Schaltung Λ/ kann auch in bekannter Weise eine Impulsregenerierung vornehmen, d. h. alle Ausgangsimpulse rechteckförniig abgeben, gegebenenfalls auch alle Impulse in gleicher Höhe. Am Ausgang 4 der Schaltung /Vliegt also ein gereinigtes Signal vor. Die Empfindlichkeit des lichtempfindlichen Elements D oder die Verstärkung des Verstärkers V werden derart ι geregelt, daß die im gereinigten Signal enthaltenen Störimpulse auf ein bestimmtes Maß eingestellt werden. Beispielsweise kann die Anzahl der Störimpulse pro Zeiteinheit vorgeschrieben sein und durch die Regelung eingestellt werden. Dies geschieht durch den Kompara- > tor K1, in dem das vorgeschriebene Maß der Störimpulse durch eine Vergleichsspannung Ui dargestellt wird. Da die Störimpulse statistischer Natur sind.

benötigt der Komparator K 1 einen Speicher SI, in dem aus den einkommenden Störimpulsen eine hinreichend langsam veränderliche, für den gewünschten Regelvorgang geeignete Spannung Ui erzeugt wird. Aus dem Spannungsvergleich von £Λ und Ui gewinnt der Komparator K 1 eine Regelspannung Ua, die bei bereits bekannten Geräten dieser Art direkt zur Regelung der Empfindlichkeit und/oder der Verstärkung verwendet wird. Hierbei werden je nach Art des lichtempfindlichen Elements entweder das lichtempfindliche Element D oder der Verstärker V oder beide geregelt. Die Regelung des lichtempfindlichen Elements wird als Empfindlichkeitsregelung, die Regelung des Verstärkers als Verstärkungsregelung bezeichnet.

Eine zweite schnellere Regelung ist durch den zusätzlichen Komparator K 2 gegeben, dem die Regelspannung Ua als Vergleichsspannung zugeführt wird. Dem Komparator K 2 werden die Ausgangsspannungen des Verstärkerausgangs 1 zugeführt und dort durch Soeicherung in dem Speicher 52 in eine zum schnelleren Regeln geeignete Spannung ö% umgewandelt. Die Erzeugung der Regelspannung /L/5 in K 2 über den Speicher 52 kann wesentlich schneller erfolgen als die Regelung über den Speicher 51, weil direkt am Verstärkerausgang 1 mehr Störimpulse pro Zeiteinheit verfügbar sind als hinter dem Gerät /V, das die weitaus meisten StGrimpulse nicht durchläßt.

Der Regelvorgang wird in gewissem Umfang dadurch gestört, daß in der Spannung am Ausgang 1 des Verstärkers Vneben den Störspannungen auch noch die Signalimpulse vorhanden sind. Im Idealfall soll die Regelung unabhängig von den in wechselnder Anzahl und wechselnder Größe auftretenden Signalimpulsen sein. Wenn die Signalimpulse hinreichend selten und hinreichend klein sind, kann die Regelung nach der bisher beschriebenen Methode erfolgen, ohne daß die Signale den Regelvorgang meßbar beeinflussen. Im Fall stärkerer und häufiger Signale werden in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung mehrere Maßnahmen einzeln oder gleichzeitig angewendet, um den Einfluß der Lichtsignale auf den Regelvorgang zu vermindern oder aufzuheben.

Eine dieser Maßnahmen besteht darin, daß das gleichrichtende Element, z. B. Diode, so angeschlossen ist, daß die am Ausgang 1 des Verstärkers V auftretenden Impulse der Lichtsignale den Gleichrichter in seiner Sperr-Richtung aussteuern und deshalb keinen Beitrag zum gleichgerichteten Strom geben. Hierbei wird die bekannte Tatsache benutzt, daß Impulsverstärker für Lichtsignale Gleichstromverstärker sind, die zwecks langzeitlicher Konstanthaltung des Arbeitspunkts eine Tiefpaßrückführungsschaltung zwischen Eingang und Ausgang des Verstärkers besitzen, wie beispielsweise die /?C-Schaltung A aus F i g. 2 bei eingeschalteten Schaltern Sch 1 bis Schi. Die dauernd vorhandenen Störimpulse werden durch diese Tiefpaß-Rückführungsschaltung A so verschoben, daß ihr zeitlicher Mittelwert nahezu Null ist und die statistisch verlaufenden Störimpulse am Verstärktrausgang 1 den Charakter von Stör-Wechselspannungen haben. Dagegen erscheinen dort die kurzzeitigen und in relativ geringerer Zahl auftretenden Impulse der Lichtsignale immer in Form von Gleichstromimpulsen gleicher Polrrität, wenn die Grenzfrequenz der Tiefpaß-Rückführung hinreichend niedrig ist. Der Gleichrichter im Speicher 52 richtet also stets die Störimpulse als Wechselspannungsvorgänge gleich, während er die GleichstrominiDulse der Lichtsienale unterdrückt, wenn

23 Ol 945

diese in der Sperrichtung des Gleichrichters zugeführt werden.

Der vorher beschriebene Vorgang wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch unterstützt, daß die Gleichrichterschaltung im Speicher 52 in bekannter Weise so gestaltet wird, daß sie Hochpaßcharakter hat, d. h. auf hinreichend langsame, gleichstromähnliche Vorgänge nicht reagiert. Im einfachsten Fall geschieht dies dadurch, daß man zwischen den Ausgang 1 der Verstärkerschaltung V und den Eingang (2) des Gleichrichters in 52 ein Hochpaß-Filter legt. Dieses Hochpaßverhalten eliminiert ebenfalls gleichspannungsähnliche, niederfrequente Anteile und fördert das Entstehen wechselspannungsähnlicher, gleichrichtbarer Störkomponenten. Die Grenzfrequenz dieses Hochpaßvcrha'lcns muß oberhalb der Grenzfrequenz des Verstärkers liegen, wenn dieser Hochpaß zusätzliche Wirkungen erzeugen soll, die der Verstärker noch nicht erzeugt.

Die Lichtsignale enthalten wegen ihrer Impulsform grundsätzlich ein Frequenzgemisch, in dem auch Frequenzen enthalten sind, die in einem Verstärker mit Hochpaßcharakter in bekannter Weise niederfrequente Störungen ergeben, die die stabilisierende Wirkung der Tiefpaß-Rückführung A beeinflussen und Störspannungen im Verstärkerausgang ergeben, die auch den Gleichrichter 52 signalabhängig beeinflussen. Diese Störungen können sehr klein sein, wenn die Lichtsignale hinreichend klein und selten sind. Falls diese Störungen jedoch so groß sind und der Zeitpunkt des Beginns der Lichtsignale und der Zeitpunkt des Aufhörens der Lichtsignale bekannt ist, können Schalter eingebaut werden, die die am Ausgang des Verstärkers angeschlossenen Regelkreise alle oder teilweise so lange abschalten, wie Störungen durch Lichtsignale zu > erwarten sind. Ein solches Abschalten stört die Regelvorgänge nicht, wenn die Zeitdauer des Abschaltens wesentlich kleiner als die Zeitkonstanten der abgeschalteten Regelkreise ist. Solche Möglichkeiten sind anwendbar, wenn beispielsweise bei einem

in Impulslascr-Entfernungsmesser die Entfernungen der das Laserlicht reflektierenden Objekte in bekannten Grenzen liegen.

Hierbei besteht die Möglichkeil, durch den in F i g. 2 gezeichneten Schalter Sch 1 die Tiefpaß-Rückführung A

ι ϊ für das genannte Zeitintervall abzuschalten. Dann wirkt der Verstärker in diesem Zeitintervall als Gleichstrom-Verstärker mit wesentlich niedrigerer Grenzfrequenz und die genannten Störungen durch niederfrequente Komponenten der Lichtsignal-Impulse sind wesentlich geringer.

Ebenso besteht die Möglichkeit, den Speicher 52 während der Zeit möglicher Störerscheinungen der Lichtimpulse durch den Schalter Sch2 der Fig. 2 abzuschalten. Beide genannten Abschaltmöglichkeiten

2^r> können gleichzeitig angewendet werden, wenn man den Schalter Sch 3 der F i g. 2 abschaltet.

Die genannten Schalter werden wegen der kurzen Schaltzeiten in bekannter Weise mit Hilfe elektronischer Element (Dioden, Transistoren) gebildet. Im Fall

jo eines Laser-Entfernungsmessers werden diese Schalter durch den Sendeimpuls gesteuert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

23 Ol 945 Patentansprüche:

1. Empfänger impulsförmiger Lichtsignale von im Vergleich zu ihrem gegenseitigen Zeitabstand kurzer Dauer, der an seinem Ausgang auftretende Störspannungen durch eine Nullpunktunterdrükkung vermindert, während er die danach noch verbleibenden Störimpulse durch eine vergleichsweise langsame Empfindlichkeits- und/oder Verstärkungsregelung auf ein bestimmtes Maß einstellt, gekennzeichnet durch die gleichzeitige Verwendung einer zweiten, am Ausgang (1) des Empfängers vor der Nullpunktunterdrückung über einen effektivwertbildenden Speicher (S 2) gewonnenen und wesentlich schneller aublaufenden Regelung (über K2).

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (S 2) der zweiten Regelschaltung eine so dimensionierte Schaltung mit Gleichrichter, Kondensator und Ableitwiderstand enthält, daß an seinem Ausgang eine ungefähr dem Effektivwert entsprechende Spannung entsteht.

3. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter so angeschlossen ist, daß die am Ausgang (1) des Empfängers auftretenden Impulse der Lichtsignale den Gleichtrichter in Spei richtung steuern.

4. Empfänger 'lach Anspruch 3, mit einem lichtempfindlichen Element· (D) und einem Impulsverstärker (V) mit Hochpaßeigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß die den Gleichrichter enthaltende Schaltung so gestaltet ist, daß sie Hochpaßcharakter hat und ihre untere Grenzfrequenz oberhalb der unteren Grenzfrequenz des Verstärkers (V) liegt.

5. Empfänger nach Anspruch 3 oder 4 mit einer zwischen Ausgang (1) und Eingang (3) des Verstärkers (V) liegenden Tiefpaß-Schaltung (A) zur Stabilisierung des Arbeitspunktes des Verstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß diese Tiefpaß-Schaltung während der Zeitdauer der Lichtsignale durch einen Schalter (Sch 1) abgeschaltet wird.

6. Empfänger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (S 2) der zweiten Regelschaltung während der Zeitdauer der durch die Lichtsignale im Verstärker (V) erzeugten Spannungen abgeschaltet wird (Sch 2).

7. Empfänger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen zur Tiefpaß-Schaltung (A) und zum Speicher (S2) der zweiten Regelschaltung während der Zeitdauer der Lichtimpulse durch einen gemeinsamen Schalter (Sch 3) abgeschaltet werden.

8. Empfänger nach Anspruch 5 oder 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (Sch 1, Sch 2, Sch 3) mit Dioden und/oder Transistoren aufgebaut sind.

9. Empfänger nach Anspruch 8 für die Verwendung in einem Laser-Entfernungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (Schi, Sch2, Sch 3) durch den Sendeimpuls gesteuert werden.