DE2420194B2

DE2420194B2 - Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät mit Mittelung der Phasendifferenzwerte

Info

Publication number: DE2420194B2
Application number: DE2420194A
Authority: DE
Inventors: Richard J. Clark; Claude M. Mott
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1973-05-09
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1979-08-30
Also published as: JPS5013067A; SE394751B; US3900259A; AU6560274A; ZA74801B; GB1446801A; CA1041636A; DE2420194C3; JPS5719395B2; DE2420194A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-optisches Entfernungsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Entfernungsmeßgeräte sind in verschiedene nen Ausführungen bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3619 058, der CH-PS 488196, der GB-PS 1246 224 und der US-PS 3680 964. AUe diese Geräte haben jedoch den Nachteil, daß Meßfehler und insbesondere die Streuung der Meßergebnisse nicht erkannt werden können.

Aus ZfV 1968, 11, Seite 439 ff. und aus Japan Electronic Engineering 1971, Juli, Seite 30 ff ist bekannt, eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Messungen vorzunehmen, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Es erfolgt jedoch lediglich eine arithmetische Mittelwertbildung über Meßwerten, die sich aus der Phasendifferenz zwischen ausgesandten und empfangenen Meßstrahlen ergeben. Die dabei zu erreichende Meßgenauigkeit ist nicht in allen Fällen befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß es Messungen mit eimern vorher festgelegten Genauigkeitsgrad auszuführen im Stande ist Die Lösung dr-xer Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet

Vonieilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert In der Zeichnung zeigt

Fig.. 1 ein Blockdiagramm der Sender-, Empfängerund Oiizillatorschaltungen in einem Entfernungsmeßgerät,

F i g. 2 ein Blockdiagramm der digitalen Phasenmeßschaltuing in dem Entfernungsmeßgerät,

Fig.3 ein Kurvenformdiagramm, aus welchem die Zeitbeiziehungen zwischen verschiedenen Signalen in der Schaltung gemäß F i g. 1 und 2 hervorgehen,

Fig.4 A-F ein Flußdiagramm der logischen Vorgänge, die durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung gemäß F i g. 2 ausgeführt werden.

Der allgemeine Betrieb des Entfernungsmeßgerätes gemäß der Erfindung wird als bekannt vorausgesetzt Die Frequenzen bei denen die Lichtquelle (Leuchtdiode) ein- und ausgeschaltet wird, werden nicht mehr in Zehnerdekaden verändert, sondern eine der beiden Modulationsfrequenzen, nämlich 75 kHz oder 15 MHz, wird durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 gemäß Fig.2 gewählt Diese Frequenzen ändern sich nicht mit dem gewählten Meßsystem. Alle Messungen werden im metrischen System ausgeführt und dann gewünschtenfalls in englische Meßeinheiten

durch einen Algorithmus innerhalb der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200 umgerechnet

Die Modulationsfrequenz von 75IcHz entspricht einer Modulationswellenlänge von 4000 m. Dieses entspricht wiederum einer MeBwellenlänge von 2000 m, da das ausgesendete Lichtsignal (das vom Ziel kommende Signal) den: Abstand zwischen dem Meßgerät und dem Zielreflektor pro Periode zweimal durchläuft Bei Verwendung einer Modulationsfiequenz von 75 kHz entspricht ein Zielabstand von 2000 m 360° ι ο Phasenverschiebung; 500 m entsprechen 90° Phasenverschiebung u. dgl.

Die Modulationsfrequenz von 15 MHz fuhrt zu einer Meßwellenlänge von 10 in. Daher tritt eine Phasenverschiebung von 360° bei jedem Vielfachen von 10 m zwischen dem Instrument und dem Ziel auf.

Die Wahl dieser beiden Modulationsfrequenzen gestattet eine eindeutige Messung der Zielabstände zwischen 0 und 1999,999 m bei einer Auflösung von 0,001 m. Dieses erfolgt während des automatischen Meßvorganges, indem -^mär-w die Wellenlänge 2000,0 m gewählt und die Phasenverschiebung über den Meßweg hinweg beil einer Auflösung von 0,2 m gemessen wird. Dann 'wird eine Frequenz von 15 MHz (10 m Wellenlänge) gewählt und die Phasenverschiebung fiber den Abstand zum Ziel gemessen. Da die bei dieser Betriebsart festgestellte Phasenverschiebung sich alle 10,000 m wiederholt, wird ein MaB desjenigen Teiles des Zielabstandes zwischen 0 und 9399 m bei einer Auflösung von 0,001 m erhalten. Wenn beispielsweise der zu messende Zielabstand 472,139 m beträgt, ist das Ergebnis des 75-kHz-Anteiles der Messung 472,1 m, während sich im Betrieb mit 15 MHz 2,139 m ergeben. Diese beiden Meßanteile werden verknüpft, und entsprechend dem Zustandsdiagramm der Fig.4A-F wird das Ergebnis, d. h. 472,139 m, ermittelt

Die beiden der Lichtquelle zugeordneten Modulationsfrequenzen werden durch einen Frequenzgenerator 45 erzeugt, welcher die Frequenzen synthetisiert Dieser Frequenzgenerator gibt auch ein Referenzsignal 52 mit 3,75kHz gemäß Fig.3 ab. Das gewählte Hochfrequenzsignal vom Frequenzgenerator 45 wird einem Leistungsverstärker 49 zur Speisung der Lichtquelle sowie einem Mischer 51 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal eines Oszillators 53 verknüpft wird. Dieser Oscillator wird durch einen Phasendetektor 55 gesteuert dem die Referenzfrequenz 52 und das Ausgangssignal des Mischers 51 zugeführt wird, .so daß das Ausgangssignal des Oszillators 53 bei einer Frequenz gehalten wiru, die von der Frequenz des übertragenen Hochfrequenzsignals um genau 3,75 kHz verschiedtn ist

Ein Zerhackersignal-Generator 44 gibt ein Zerhackersignal 38 mit 5Hz gemäß Fig«3 ab. Das Ausgangssignal eines Zwischenfrequenzverstärkers 57 ändert sich periodisch mit der Frequenz des Zerhackersignals zwischen dem für das empfangene Empfängersignal signifikanten Zwischenfrequenzsignal und dem für das erfaßte Referenzsignal 34 signifikanten Zwischenfrequenzsignal bei einer Kurvenform gemäß ^Μ Fig. 1. Die Rechteckweiiensignaie am Ausgang des Begrenzers 65 treten mit der Referenzfrequenz oder Zwischenfrequenz von 3,75 kHz auf. Zusätzlich treten sie in Halbperioden auf, die durch eine Drehblende gesteuert sind und enthalten die relative Phaseninfor- ^6S mation, welche den zu messenden Abstand darstellt

Die anhand des B! jckdiagnunms gemäß Fig.2 erläuterte Schaltungsanordnung dient zum Messen des Phasenunterschiedes von zwei Gruppen von abwechselnd auftretenden Signalen mittels einer digitalen Einrichtung,

Eine Einrichtung 202 bewirkt eine Phasenverschiebung von 0° oder 180° des Referenzsignals von 3,75 kHz bei einem Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200.

Das Zerhackersignal 38 wird einem Impulsflankendetektor 208 zugeführt, der den Beginn des nächsten vollständigen Intervalles des Zielweges oder Referenzweges des Zerhackersignals bestimmt Im Ergebnis wird eine »TWED«-Markt in Übereinstimmung mit der positiven Ranke des Zerhackersignals gesetzt während eine »RWED«-Marke in Übereinstimmung mit der negativen Flanke des Zerhackersignals gesetzt wird. Der Flankendetektor 208 gibt diese Signalmarken entsprechend den positiven und negativen Triggersignalen von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung .'200 ab. Die Ausgangssignale des Begrenzers 65 und des Phasenschiebers 202 werden einem Kippstufen-Phasendetektor 204 und einem Phastmdetektor 206 mit einer UND-Verknüpfung zugeführt Der Phassendetektor 204 gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional der Phasendifferenz zwischen seinen beiden Eingangssignalen ist wenn er ein Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung empfängt Ein Erfordernis für den Kippstufen-Phasendetektor 204 ist daß er eine Impulsform mit einem Logikpegel abgibt dessen Impulsbreite proportional der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Phasenschiebers 202 und dem Ausgangssignal des Begrenzers 65 ist Daher ist die Impulsbreite am Ausgang des Kippstufen-Phasendetektors 204 eine lineare Funktion der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen über einen Bereich von 0° bis 360° ausschließlich der Endpunkte. Die Ausgangskurvenform des Phasendetektors 204 ist im Verhältnis zu den Eingangssignalen in Fig.3 dargestellt Der Phasendetektor 206 spricht auf die beiden gleichen Eingangssignale ebenso wie der Detektor 204 bei einem anderen Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200 an und gibt eine Ausgangskurvenform gemäß F i g. 3 ab. Eine Bedingung für den Phasendetektor 206 mit der UN D-Verknüpfung besteht darin, daß das Ausgangssignal eine Kitrvenform mit einem Logikpegel sein muß, dessen Impulsbreite proportional der Größe des Phasenunterschiedes zwischen den beiden Eingangssignalen ist Daher bezeichnet die Impulsbreite am Ausgang des Phasendetektors 206 ein maximales Tastverhältnis von 50%, wenn der Phasenunterschied zwischen seinen beiden Eingangssignalen C ist und ein Tastverhältnis von 0% bei Phasenunterschieden, die sich ±180° nähern. BeUe Detektoren 204 und 206 sind derart aufgebaut daß ihre Ausgangssignale jeweils auf eine ganze Zahl von Phasenvergleichen bezogen sind. Das bedeutet daß keine Teiiphasenmessungen wegen des zufälligen Auftretens eines der Triggersignale zugelassen sind. Die Ausgangssignale der Detektoren 204 und 206 werden dem ODER-Verknüpfungsglied 210 zugeführt und das sich ergebende Signal wird einem UND· Verknüpfungsglied 212 zusammen mit einem Modulationssignal mit 15 MHz zugeführt Das Ausgangssignal dm Verknüpfungsgliedes 212 wird dem Takt in den Akkumulator 214 eingeführt der eine Kette aus sechs binär codierten Dekadenzählern aufweist Die am Takteingang des Akkumulators 214 empfangenen Impulse werden während des Zeitabschnittes gezählt, in welchem ein Löschsignal durch ein Triggersignal von der digitalen

Steuerungs- und Rechenschaltung 200 unwirksam gemacht wird. Das Ausgangssignal des Akkumulators 214, das durch die Parallelverbindung der vier höchsten Binärziffern des sechs Dekadenzahlers gebildet wird, wird der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200 fOr weitere Logikvorgänge entsprechend dem Zustaiidsdiagramm in Fig.4A-F zugeführt Die am Ausgang des ODER-Verknüpfungsgliedes 210 auftretenden Impulse werden am Taktgebereingang eines Zählers 216 erhalten und durch 250 geteilt und während des Zeitabschnittes gezählt, in welchem ein Löschsignal durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 unwirksam gemacht wird. Wenn der 250. Impuls gezählt worden ist, wird ein Ausgangssignal des Phasendetektors abgegeben und an die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung zurückgeführt. Diese Schaltung 200 hat sowohl eine Frequenz-Wählleitung als auch eine

a .--..i-:. ei. _i i.:_j al.

/AUStOStICItUlIg £UI OtCUCIUIIg UCI VCI 3111ICUCIlCII rtU' schnitte der Schaltung gemäß F i g. 1. Die Triggerleitung für die Frequenzauswahl wählt die geeigneten Frequenzen in Abhängigkeit von der speziellen Betriebsart des Gerätes, bei denen der Frequenzgenerator 45 und der Oszillator 53 arbeiten sollen. Die Austastleitung wählt die geeignete durch das Gerät 104 anzuzeigende Funktion während des Zeitabschnittes, in welchem das Gerät entweder auf Zieljustierung oder Intensitätsabgleich eingestellt ist.

Die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 enthält eine digitale Darstellung der erforderlichen Schritte, um eine Abstandsmessung entsprechend dem Zustandsdiagramm der Fig.4A —F zu bewirken. Die Steuerungsfunktionen werden durch programmierte Auswahl verschiedener Triggerleitungen 218 entsprechend der Information bewirkt, die auf den Markierungs-Rückleitungen 220 erhalten wird. Die Steuerungsund Rechenschaltung 200 führt auch verschiedene mathematische Operationen mit den vom Akkumulator 214 und vom Außenmeßfühler 222 erhaltenen Daten aus, die bei der Berechnung des Endergebnisses der Entfernungsmessung erforderlich sind. Diese mathematischen Operationen sind im einzelnen in dem Zustandsdiagramm der Fig.4A —F beschrieben und enthalten die Mittelwertbildung von iterativen Messungen, um eine hohe Genauigkeit für das angezeigte Ergebnis zu erreichen.

Das Sichtgerät 224 erhält das digital codierte Endergebnis der Messung zur sichtbaren Anzeige für die Bedienungsperson. Es ist ein Wählschalter 226 für die Umschaltung zwischen Fuß und Meter vorgesehen. Das Sichtgerät 224 J-nnn beispielsweise eine Anzahl von Leuchtdioden enthalten. Die digital codierten Daten des Endergebnisses sind auch für verschiedene Ausgangsgeräte, beispielsweise einen digitalen Rechner, Taschenrechner oder Speichergeräte zugänglich.

Der Außenmeßfühler 222 enthält einen binär codierten Dezimalschalter, den die Bedienungsperson entsprechend den gerade vorliegenden Bedingungen der Außentemperatur und des Druckes einstellt

Es sind Lese-, Justier- und Abgleichschalter 228 vorgesehen, mit denen die Bedienungsperson die Entfernungsmessung durchführen kann. Der Zieljustierbetrieb wird zunächst dazu verwendet um das Entfernungsmeßgerät mit dem entfernten reflektierenden Ziel zu justieren. Diese Betriebsart wird dann dazu verwendet daß die Betriebsperson die Intensität des von dem Ziel reflektierten Signals auf diejenige des interten Referenzsignals abstimmen kann. Schließlich wird das Gerät in den Lesebetrieb geschaltet so daß die Reihenfolge der Ereignisse automatisch durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 ausgelöst werden kann und der Bedienungsperson der gemessene Abstand angezeigt wird

s Ein Relais 230 spricht auf ein Stromversorgungssignal für den Phasendetektor an, das durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 abgegeben wird und die Leistungszufuhr zu der Meßschaltung während der Zeitspanne unterbricht in welcher das Gerät

ίο entweder in dem Zieljustierbetrieb oder dem Abgleichbetrieb arbeitet Durch dieses Merkmal wird die Lebensdauer des tragbaren Netzgerätes für das Gerät wesentlich erhöht
In Fig.44A — F ist ein Zustandsdiagramm der durch

π die Steuerungs- und Rechenschaltung 200 während der Entfernungsmessung ausgeführten Verknüpfungsvorgänge dargestellt Nachdem die Betriebsleistung eingeschaltung 200 betätigt, und dann werden die Triggerleitungen für die Frequenzwahl, das Austasten und die Phasendetektorleistung auf die in Fig.4A gezeigten Werte eingestellt Der Schalter für die Umschaltung zwischen Justierbetrieb und Abgleichbetrieb wird zunächst in die Justierlage gebracht, damit die Bedienungsperson das Gerät auf das Ziel justieren kann und die maximale Stärke des reflektierten Signals erhalten w Ird. Gemäß F i g. 4A führen die Triggerleitungen für das Austasten und die Frequenzwahl während des Justierbetriebes den Logikpegel »1«. Die Triggerleitung TWED für das Detektorfer.ster für das Ziel (TWED) wird betätigt so daß der Fiankendetektor 208 den Beginn des nächsten vollen Zielfenstcrs erkennen kann, und es wird dabei ein Signal an die 71VED-Markierungsrückleitung abgegeben. Wenn das TWED-Markierungssignal erfaßt wird, setzt die Steuerungs- und Rechenschaltung 200 aus, so daß irgendwelche Schaltspitzen abklingen können, die durch das Umschalten der Wechselblende von dem Referenzsigral auf das Zielsignal hervorgerufen sein können. Die Triggerleitung für das Austasten erhält dann den Logikpegel »0«, der das Meßinstrument 104 zur Anzeige der reflektierten Signalintensität umschaltet Die RWED-Triggeneitung für das Referenzfenster des Flanlcendetektors erhält einen Impuls, damit der Flankendetektor 208 den Beginn des nächsten Fensters für den Referenzstrahiengang erkennen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der R WED-Markierungsrückleitung ein Signal abgegeben. Wenn die RWED-Marke erfaßt wird erhält die Triggerleitung für das Austasten den Logikpegel »1« und die vorgenannte Reihenfolge der Verknüpfungen für den Justierbetrieb wird wiederholt bis die Bedienungsperson das Instrument auf die maximale reflektierte Signalintensität eingestellt hat

Dann wird der Justier/AbgleichschiJter in die Abgleichstellung gebracht so daß die Bedienungsperson die Intensität des aus dem Referenzstrahlengang stammenden Signals auf diejenige des aus dem Meßstrahlengang stammenden Signals gemäß der Anzeige des Meßgerätes 104 abstimmen kann. Wenn dieses geschehen ist wird der Leseschalter in die Lesestelhmg gebracht und mit der eigentlichen Entfernungsmessung begonnen. Am dem Punkt an welchem der Leseschalter abgefragt wird (vergleiche rechte Spalte von F i g. 4A), läuft der Meßvorganj; automatisch bis zur Anzeige des Ergebnisses weiter^ ohne daß die Bedienungsperson angreifen müßte. Die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 führt automatisch alle nachfolgenden Verknüpfungsvorgäiage für die

Entfernungsmessung durch. Nachdem der Leseschafter in die Lesestellung gebracht worden ist, werden eine Reihe von Logikverknüpfungen einschließlich eines Zyklus zur Phasenkoinzidenzerfassung eingeleitet. Dieser Zyklus bestimmt den ungefähren Phasenunterschied zwischen dem Begrenzer-Ausgangssignal und dem Referenz-Frequenzsignal. PaIIs ein kleiner Phasenunterschitr* erfaßt wird, wird eine Phasenverschiebung von 180° in das Referenz-Frequenzsignal eingeführt und eine Zweideutigkeit der Phase durch Rauschen u.dgl. vermieden. Die Steuerungs- und Rechenichaltung 200 speichert die zusätzliche Phasenverschiebung für die spätere Kompensation. Dieser Zyklus zur Erfassung der Phasenkoinzidenz wird während der Fenster des Zielstrahlenganges und des Referenzstrahlenganges durchgeführt. Der Meßzyklus wird eingeleitet, indem die Triggerleitung für die Phasendetektorleistung den Logikpegel »1« setzt, wodurch Betriebsleistung an die ruäScfidcickturSCuäitÜMg abgegeben wird. Die Triggcfleitung für die Phasenverschiebung erhält den Logikpegel »0«, der Akkumulator 214 wird gelöscht und die Triggerleitung TWED für das Zielfenster des Flankendetektors wird betätigt. Nachdem ein TWED-Markierungssignal empfangen wurde, wird die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 in der bereits beschriebenen Weise angehalten, damit Schaltspitzen abklingen können. Die Triggerleitung für den Phasenkoinzidenzdetektor triggert dann den Phasendetektor 206 mit dem UN D-Verknüpfungsglied, der die Phasenvergleichsdaten zur Speicherung in dem Akkumulator 214 während des laufenden Fensters für den Meßstrahlengang aufnimmt. Am Ende von 250 Phasenvergleichen wird eine Phasendetektormarke durch den Zähler 216 abgegeben. An diesem Punkt wird der Phasendetektor 206 gesperrt und gemäß Fig.4B geprüft, ob die vier höchsten Ziffern der Daten im Akkumulator größer als 2500 sind. Es sei angemerkt, daß sie jetzt in dem Akkumulator enthaltenen Daten proportional zu dem Phasenunterschied zwischen dem Begrenzerausgangssignal und dem Referenzfrequenzsignal sind. Falls die vier höchsten Binärziffern des Akkumulators größer als 2500 sind, ist der Betrag der Phasenverschiebung kleiner als 90°, wie sich mathematisch nachweisen läßt. In diesem Fall wird eine Phasenverschiebung von 180° für nachfolgende Messungen des Zielstrahlenganges eingeführt. Dieser Zustand wird festgestellt, indem ein Register Kt innerhalb der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 in den Logikzustand »1« eingestellt wird. Der bereits beschriebene Zyklus zur Erfassung der Phasenkoinzidenz wird nun gemäß Fig.4B während des Fensters für den Referenzstrahlengang wiederholt

In Fig.4C ist der Abschnitt des Zustandsdiagramms dargestellt, bei welchem die tatsächliche Entfernungsmessung beginnt Die Triggerleitung für die Frequenzwahl (75 kHz) erhielt den Logikpegel »1« bereits früher und verblieb in diesem Zustand. Ein Indexzähler in der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 wird auf N=O gesetzt, wobei N die Anzahl der Phasenvergleichs-Abtastwerte ist von denen jeder 250 getrennte Phasenvergleiche umfaßt Dieser Zähler wird dann um 1 erhöht der Akkumulator 214 gelöscht und das Register Kt abgefragt In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Abfragung wird das Referenz-Frequenzsignal um 0° oder 180° phasenverschoben. Die Triggerleitung für den Impulsflanken-Detektor für das Zielfenster erhält ein Betätigungssignal, so daß der Detektor 208 den Beginn des nächsten Zielfensters erfassen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird auf der TWED-Marken-Rückführleitung ein Signal abgegeben. Wenn die 7W£D-Marke erfaßt wird, hält das System an, wie bereits beschrieben wurde, und der Kippstufen-Phasendetektor 204 wird durch ein Signal auf der zugeordneten Auslöseleitung betätigt. Der Detektor 204 führt dann 250 Phasenvergleiche aus, was dazu führt, daß im Akkumulator 214 Impulse mit 15 MHz gespeichert werden. Am Ende dieser Speicherzeit wird eine Phasendetektormarke durch den Zähler 216 abgegeben. In diesem Augenblick wird der Detektor 204 gesperrt, und die vier höchsten Ziffern der Daten in dem Akkumulator 214 werden an ein Register Xt in der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 übertragen. Dann wird das Register Kt abgefragt und der Inhalt des Registers AYentsprechend dem Ergebnis verändert.

Die vorbeschriebene Reihenfolge wird dann für das Referenzfenster gemäß Fi g. 4D wiederholt. Dann wird das dem Referenzfenster zugeordnete Ergebnis Xr von dem vorher berechneten und gespeicherten Ergebnis

1. Λ Λ'· t~* "Ωα

augtwgvn uiiu uiv ΰιυιη

gebildet, die ein Maß für den Abstand darstellt, wenn sie mit einem bestimmten Faktor multipliziert wird. Bei bestimmten Verknüpfungen des Phasenverhältnisses zwischen dem Referenzfrequenzsignal, dem aus dem Zielstrahlengang stammenden Signal und dem aus dem Referenzstrahlengang stammenden Signal kann Xn negative Werte annehmen. In diesem Fall wird der Wert 10,000 hinzugefügt. Dann wird untersucht, ob N ein Vielfaches von 4 ist. Wenn dieses nicht der Fall ist, wird eine geeignete Anzahl von Abtastwerten mit jeweils 250 Vergleichswerten erfaßt. Wenn N ein Vielfaches von 4 ist, folgt der Ablauf ohne Rückführschleife dem Zustandsdiagramm in Fig.4E. Zunächst wird der nicht gewogene arithmetische Mittelwert X und dann die statistische Abweichung S5² der Daten aus den A/-Abtastwerten berechnet. Dann wird der Zustand der Auslöseleitung für die Frequenzwahl untersucht. Da diese Leitung früh in dem Zustandsdiagramm auf den Logikpegel 1 gesetzt und seitdem nicht geändert worden war, ergibt sich eine positive Antwort, welche auf eine Modulationsfrequenz von 75 kHz hinweist.

An diesem Punkt wird die vorher berechnete statistische Abweichung mit einem intern gespeicherten Prüfgrenzwert S/^iico verglichen, der aus der Anzahl N der Abtastwerte, der gewünschten Schwankungsbreite und der gewünschten Genauigkeit des berechneten Ergebnisses folgt.

Falls die Prüfbedingung nicht erfüllt ist, wird untersucht, ob 64 Abtasiwerte geprüft worden sind. Falls dieses nicht der Fall ist, werden zusätzliche Abtastwerte untersucht. Falls dieses der Fall ist, wird die Berechnung des Meßergebnisses angehalten und der Bedienungsperson mitgeteilt daß die Meßbedingungen mit zuviel Rauschen behaftet sind, um eine Messung innerhalb einer spezifizierten Toleranz abzugeben. Der obere Grenzwert von 64 Abtastwerten (16 000 getrennte Phasenvergleiche) wird statistisch ausgewählt Wenn die Prüfbedingungen erfüllt ist wird ein Register X_tKi auf den Wert_des nicht-gewichteten arithmetischen Mittelwertes X geteilt durch die Anzahl N der Abtastwerte eingestellt und Χύα ist eine aus vier Ziffern bestehende ZahL deren Ziffern mit L₀, Li, L₂, L₃ in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit bezeichnet sind. Durch diesen Verfahrensschritt wird die Messung bei der Wellenlänge 2000 m (75 kHz) abgeschlossen.

An diesem Punkt wird die Triggerleitung für die Frequenzwahl auf den Logikzustand 0 gesetzt und dadurch die Wellenlänge 10 m oder die Modulationsfrequenz 15 MHz gewählt Der Logikzyklus kehrt dann zu

dem in Fig.4A des Zustandsdiagrammes bezeichneten Punkt zurück. Die vorher bei der Wellenlänge von 2000 m ausgeführten Verknüpfungen werden bei der Wellenlänge 10 m wiederholt. Diese Vorgänge dauern an, bis die Triggerleitung für die Frequenzwahl abgefragt wird, wie sich aus F i g. 4E des Zustandsdiagramrns ergibt. Da diese Leitung jetzt mit dem Logikpegel 0 beaufschlagt worden ist, ergibt sich eine negative Antwort und der Logikfluß läuft gemäß dem Rechenanteil in F i g. 4E weiter.

Es wird nun bestimmt, ob N gleich 4,8,16, 32 oder 64 ist. Falls dieses nicht der Fall ist, wird ein anderer Datenabtastwert abgeleitet, bis einer dieser Werte für N bestätigt wird. Wenn dieses der Fall ist, wird wiederum eine Untersuchung des Grenzwertes anhand der vorher berechneten statistischen Abweichung durchgeführt. Jeder dieser intern gespeicherten Prüfgrenzwerte ist eine Punktion des vorher berechneten Wertes vnn X...· und hat die Form K,+JiXm₁, wobei K, und /; als Funktion des mathematisch zulässigen Meßfehlers abgeleitet sind, wie es in der Statistik bekannt ist. Jedem der fünf Prüfwerte von N ist eine andere Prüfgrenzbedingung zugeordnet, da die maximale statistische Abweichung die eine Funktion der Anzahl der Prüfwerte/V ist.

Falls die spezielle Prüfgrenzbedingung nicht erfüllt ist, werden zusätzliche Abtastwerte genommen, bis eine Prüfgrenzbedingung erfüllt ist. Falls diese nicht erfüllt ist, nachdem 64 Abtastwerte abgeleitet worden sind, wird der Bedienungsperson angezeigt, daß die Messung mit zuviel Rauschen behaftet ist, um innerhalb einer spezifizierten Toleranz eine Messung zu erhalten. Wenn eine der fünf Grenzwertbedingungen erfüllt worden ist, wird ein Register X_Hi auf den nicht-gewichteten arithmetischen Mittelwert X geteilt durch die Anzahl der Abtastwerte N eingestellt, wobei X_Hi die aus den vier Binärziffern H₀, Hi, H₂, H₃ bestehende Zahl ist, und diese Ziffern in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit angegeben sind.

Die Logikverknüpfungen werden weiter gemäß Fig.4F ausgeführt, wobei das Ergebnis L₃L₂LiL₀ der Messung bei der Wellenlänge von 2000 m und das Ergebnis H₃H₂HiH₀ der Messung bei der Wellenlänge von 10 m verknüpft werden, so daß eine endgültiges Meßergebnis erhalten wird, das eine Genauigkeit in der Größenordnung 1:1ο⁶ hat. Bei dem ersten Meßschritt wird eine aus vier Ziffern bestehende Zahl mit den Ziffern 0, 0, L₀, Li in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit von dem vorher berechneten Wert von X_Hi abgezogen. Wenn das Ergebnis dieser Subtraktion positiv ist, wird es mit B bezeichnet und untersucht, ob die Menge B-5000 ist Falls dieses der Fall ist, wird das endgültige Ergebnis in mm durch die digitale Kombination L₃L₂H₃H₂HiH₀ erhalten. Falls dieses nicht der Fall ist, wird das Meßergebnis in mm durch die digitale Kombination LjL₂H₃H₂HiHo weniger 10 000 gebildet. Falls die frühere Subtraktion Xw- L]LoOO zu einer negativen Zahl führt, wird das Meßergebnis nur in geringfügig verschiedener Weise gebildet, wie aus dem Rußdiagramm aus F i g. 4F hervorgeht

Das auf diese Weise berechnete Meßergebnis wird dann entsprechend den vom Außenmeßfühler 222 erfaßten Umgebungsbedingungen der Temperatur und

des Druckes korrigiert. Der sich ergebende Abstand wird dann entweder in Fuß oder Meter angezeigt und durch die Bedienungsperson ausgewählt. Die gleichen Anzeigedtiten sind erhältlich für die Ausgabe an den peripheren Datenspeicher und die Recheneinheiten.

Die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 fragt dann die Justierungs-Abgleich- und Leseschalter gemäß F i g. 4A ab, ob die Messung des Zielabstandes wiederholt werden soll, damit die Bedienungsperson das

to Gerät auf ein anderes reflektierendes Ziel justieren und eine andere Entfernungsmessung vornehmen kann.

Zur Erleichterung des Verständnisses ist nachfolgend jede der neun Triggerleitungen 218 der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 zusammen mit den durch jeden der Logikpegel 0 und 1 spezifizierten Funktionen angegeben:

1. Triggerleitung Wi _2 für Frequenzwahl 0: Ί5 MHzrvioduiationsfrequenz

1: 75 kHz Modulationsfrequenz

2. Triggerleitung/i_₂ für Austastung 0: nicht ausgetasteter Betrieb

1: ausgetasteter Betrieb

3. Triggerleitung für Phasendetektorleistung 0: Leistung ist der Meßschaltung zugeführt 1: Leistung ist von der Meßschaltung

abgeschaltet

4. Triggerleitung (TWED) für Zielfenster-Impulsflankendetektor (208)

0: Detektor eingeschaltet

1: Detektor ausgeschaltet

5. Triggerleitung (RWED) für den Referenzfenster-Impulsflankendetektor(208)

0: Detektor ausgeschaltet 1: Detektor eingeschaltet

6. Triggerleitung für Phasenverschiebung (202) 0: 0° Phasenverschiebung

1: 180° Phasenverschiebung

7. Triggerleitung für Akkumulatorlöschung (214) 0: Akkumulatorlöschung gesperrt

1: Akikumulatorlöschung ausgelöst

8. Triggerleitung für Phasenkoinzidenzdetektor(206)

0: Detektor abgeschaltet 1: DeHektor eingeschaltet

9. Triggerleitung für Phasendetektor (204) 0: Detektor gesperrt

1: Detektor eingeschaltet

Es wird somit ein Entfernungsmeßgerät geschaffen, welches jedes Meßergebnis automatisch berechnet und anzeigt Die Anzeige erfolgt jeweils digital. Die Information kann mittels eines Speichers festgehalten und/oder an einen programmierbaren Taschenrechner übertragen werden, welcher derart programmiert werden kann, daß er die Meßdaten aufnimmt und direkt zusätzliche Rechnungen mit diesen Daten ausführt

Das Entfernungsmeßgerät weist eine verbesserte

Meßgenauigkeit und Langzeitstabilität auf und ist gegenüber bekannten Geräten wesentlich unabhängiger bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur oder Alterungserscheinungen der Bauelemente.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät, bei welchem modulierte Lichtsignale über einen Meß-Strahlengang geschickt und von einem entfernten Ziel reflektiert werden und eine erste digitale Schaltung aus der Phasendifferenz zwischen reflektiertem Signal und einem internen Referenzsignal die Entfernung des Ziels bestimmt, wobei zur Erhöhung der Meßgenauigkeit über eine Anzahl aufeinanderfolgender Phasendifferenzwerte gernittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite digitale Schaltung (200) vorgesehen ist, die die statistische Varianz (Sj?) der Phasendifferenzwerte ermittelt, diese mit einem internen Prüfgrenzwert (Si?) vergleicht und eine Anzeige des Meßergebnisses nur freigibt, wenn die Varianz den Prüfgrenzwert nicht überschreitet

2. Elektra-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten und zweiten digitalen Schaltung je ein Detektor (204; 206) zugeordnet ist, der den Beginn eines aus dem Meß-Strahlengang stammenden Signalanteiles (36) und eines darauf folgenden aus einem Referenzstrahlengang stammenden Signalanteiles (34) der zeitlich versetzten Signale bestimmt und eine Anzahl von Impulsen während jedes der Signalanteile aus dem Meß-Strahlengang und dem Referenzstrahlengang abgibt, welche Anzahl proportional zu der Phasendifferenz zwischen einem Referenzfrequenzsignal und dem zeitlich versetzten Signal ist, ein Akkumulator (2.44) die Vielzahl von Impulsen getrennt empfängt und zählt, die jedem der Signalanteile des Meßstrahlengvigs und des Referenzstrahlengangs zugeordnet ist, und eine Logikschaltung (200) die akkumulierten Ergebnisse der Impulse des Meßstrahlengangs und des Referenzstrahlengangs verknüpft und die statistische Varianz (Sx¹) des verknüpften Ergebnisses mit dem Prüfgrenzwert (Sj?) vergleicht

3. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten digitalen Schaltungen einen Phasenkoinzidenzdetektor aufweisen, der bei Auftreten einer kleinen Phasendifferenz zwischen dem zeitlich versetzten Signal (36) und dem Referenzfrequenzsignal (34) eine Phasenverschiebung des Referenzfrequenzsignals um 180° einführt (202).

4. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (200) eine iterativ arbeitende Einrichtung aufweist, welche zusätzliche Impuls-Abtastwerte auswertet, die für den Phasenunterschied zwischen dem Referenzfrequenzsignal (34) und dem zeitlich versetzten Signal (36) signifikant sind, bis der Prüfgrenzwert (Si?) erfüllt ist, und ein Alarmsignal erzeugt, das für übermäßiges Meßrauschen signifikant ist, falls die Grenzwert-Prüfbedingung nach einer vorbestimmten Anzahl (N) von Abtastwerten nicht erfüllt ist

5. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Meßstrahlengang und dem Referenzstrahlengang stammenden Signale (36,34) während getrennter Abschnitte einer Meßperiode mit einer ersten Frequenz (75 kHz) moduliert werden, die den höchsten Ziffern des gemessenen Abstandes zugeordnet ist, und dann mit einer zweiten Frequenz (15 MHz) moduliert werden, welche größer als die erste Frequenz ist und den niedrigsten Binärziffern des gemessenen Abstandes entspricht

6, Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es den Prüfgrenzwert (Sf) als Funktion der Anzahl (N) der wiederholten Abtastwerte des zeitlich versetzten Signals (36), eines gewünschten Zuverläs^igkeitsgrads und des benötigten Genauigkeitsgrades des Meßergebnisses f-ty berechnet