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Verfahren und Einrichtung zur Bestimmung von Laufzeiten
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von mittels einer Laserstrahlquelle erzeugten Impulse Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur
Bestimmung von Impulslauf zeiten nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines von
einer Laserdiode emittierten Lichtimpulses.
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Bei bekannten Verfahren zur Bestimmung von Impulslaufzeiten nach dem
Prinzip der Laufzeitmessung des Lichts, insbesondere für Entfernungsmesser, wird
üblicherweise die Differenz zwischen den Zeitpunkten der Aussendung und des Empfangs
des
Laserimpulses mittels eines elektronischen Zählers bestimmt,
welcher z.B. die während dieser Zeitdifferenz von einem Quarzoszillator erzeugten
Schwingungen zählt; vgl. DT-AS 1 539 897.
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Es ist auch bekannt, die Anzahl der Laserimpulse die bis zum Eintreffen
des ersten Echos emittiert werden, zu zählen, wobei das Zeitintervall zwischen zwei
emittierten Impulsen als Maß für den Weg genommen wird, den das Licht in dieser
Zeit zurücklegt, so daß in festgelegten Schritten z.B. von 5 m zu 5 m eine Entfernungsbestimmung
möglich ist, vgl. AGARD/LS 71, s. 8/lff.
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Bei einem weiteren Verfahren werden zwei Sägezahnwellenformen miteinander
durch Annäherung eines Referenzsägezahnes an einen von einem Laserimpuls getriggerten
Sägezahn verglichen, wobei immer dann, wenn die Augenblickswerte der Sägezähne übereinstimmen,
ein als Maß für die Entfernung dienender Impuls abgegeben wird; vgl. DT-OS 2 161
159.
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All diesen Lösungen liegt die Notwendigkeit zugrunde, einen rechteckförmigen
Impuls sehr kurzer Dauer auszusenden, den emittierten Impuls möglichst formgetreu
im Empfänger nachzubilden, die zwischen Ausgangs- und reflektiertem Eingangsimpuls
liegende Zeitspanne während der Impulse gezählt werden, exakt festzulegen und die
der verstrichenen Zeitspanne entsprechend zu zählenden Impulse mit hoher Genauigkeit
auszuzählen.
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Die Lösung dieser Probleme wird um so schwieriger und kostspieliger
je kürzer die zu messende Entfernung ist, bzw. je geringer die Laufzeit eines ausgesendeten
Lichtimpulses ist.
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Daher wurde bisher die Messung von kurzen Entfernungen nicht nach
der Pulslaufzeitmethode, sondern mit Hilfe der Frequenzverschiebung bzw. des Doppler-Effektes
vorgenommen. Diese
Methode erfordert jedoch aufwendigere und damit
teuere Schaltungsanordnungen-.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein billiges und zuverlässiges Verfahren
zu schaffen,- das nach der Pulslaufzeitmethode arbeitet und in der Lage ist, Entfernungen
bis hinunter zu 10 um einwandfrei zu messen und eine Einrichtung zur Durchführung
des Verfahrens anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß dem positiven
Eingang eines Differenzverstärkers ein elektrisches Signal zugeführt wird, dessen
Größe von den durch die Laserimpulse ausgelösten Stromlaufzeiten in einem Sender-und
einem Empfängerschaltkreis und der tatsächlichen Laufzeit des reflektierten Laserimpulses
abhängt, und daß dem negativen Eingang des Differenzverstärkers ein Festwertsignal
zugeführt wird, dessen Größe nur von den Stromlaufzeiten im Sender- und Empfängerschaltkreis
abhängt, derart, daß am Ausgang des Differenzverstärkers ein allein von der Laufzeit
des reflektierten Lichtimpulses abhängiges Signal abnehmbar ist.
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Um dem positiven Eingang des Differenzverstärkers auf einfache Weise
ein elektrisches Signal zuführen zu können, dessen Größe von den Stromlaufzeiten
im Sender- und Empfängerschaltkreis und der Laufzeit des ausgesendeten Lichtimpulses
abhängt, wird bei einer bevorzugten Ausführungsform des Entfernungsmessers gemäß
der Erfindung dem Senderschaltkreis ein ODER-Glied nachgeschaltet, dem gleichzeitig
mit jedem abgesendeten Laserimpuls ein von einem Referenzimpulsgenerator erzeugter
Referenzimpuls zuführbar ist, der Empfängerschaltkreis weist einen Empfängerimpulsgenerator
auf, dessen durch die empfangenen Laserimpulse ausgelösten elektrischen
Impulse
ebenfalls dem ODER-Glied zuführbar sind, so daß über einem dem ODER-Glied folgenden
Multivibrator ein nachgeschalteter Integrator die vom Multivibrator abgegebenen
Impulse integriert und jedes Mal auf Null gesetzt wird, bevor der nächste Impuls
vom Multivibrator abgegeben wird.
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Das Integrationsprodukt wird dem positiven Eingang des Differenzverstärkers
zugeführt.
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Um sicherzustellen, daß der Multivibrator nur dann einen Impuls erzeugen
kann, wenn ein Laserimpuls emittiert worden ist, wird nach einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung mit jedem ausgesendeten Laserimpuls durch ein Zeittor
im Senderschaltkreis gleichzeitig neben der Aktivierung des Referenzimpulsgenerators
der Multivibrator betriebsbereit geschaltet.
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Damit die Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des emittierten Laserimpulses
im Empfänger möglichst genau erfolgen kann, wird nach einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers dem Empfängerstromkreis der von der Fotodiode
erzeugte elektrische Impuls einem Differenzierglied zugeführt wird, wobei ein nachgeschalteter
Nulldurchgangsdetektor bei Nulldurchgang des differenzierten Impulses ein Zeittor
im Empfängerstromkreis aktiviert, welches wiederum dem Empfängerimpulsgenerator
zur Abgabe eines Impulses zum ODER-Glied veranlaßt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß keine hohen Anforderungen an den emittierten Laserimpuls hinsichtlich seiner
Rechteckförmigkeit und der Kürze des Impulses gestellt werden müssen. Daher werden
auch an die zur Erzeugung des Impulses notwendigen Bausteine keine hohen Anforderungen
gestellt, wodurch die Verwendung einfacher
und billiger Laserdioden
und Transmitter möglich wird. Die Schaltung ist so ausgelegt, daß auf schnellreagierende
Komponenten verzichtet werden kann. Es werden handelsübliche Bausteine verwendet,
die entsprechend billig sind und außerdem, da kaum Verdrahtung erforderlich ist,
keine oder nur geringe Streukapazitäten erzeugen. Die einzelnen Elemente können
sehr dicht zusammengebaut werden. Für das Gerät ergeben sich somit sehr kleine Abmessungen,
was eine Verwendung in einer Vielzahl von Einrichtungen möglich macht. Da das Ausgangssignal
des Differenzverstärkers einer Funktion entspricht, die nur noch von der Laufzeit
des ausgesendeten Impulses abhängt, kann dieses Signal entsprechend kalibriert direkt
zur Entfernungsanzeige verwendet werden, ohne daß aufwendige Einrichtungen zum Zählen
oder Abgleichen von Impulsen notwendig wären.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 ein Blockschaltbild
der ausgeführten Erfindung; Figur 2 die Pulsformen an den Ausgängen wichtiger Bauteile.
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12 Gemäß Figur 1 veranlaßt ein Lasertransmitter mit beispielsweise
einer Pulsfolgefrequenz von 200 Hz eine Laserdiode 11 zur Aussendung von Laserimpulsen.
Ein Zeittor 13 öffnet für beispielsweise 14 u sec, wobei die Auslösespannung des
Zeittores 13 von einem beliebigen Amplitudenwert des Laserimpulses abhängig gemacht
werden kann, und schaltet gleichzeitig mit dem Emittieren des Laserimpulses einen
Multivibrator
16 betriebsbereit und löst in einem Referenzimpulsgenerator
14 die Abgabe eines Referenzimpulses 30 aus. Der Referenzimpuls 30 wird dem einen
Eingang eines ODER-Gliedes 15 zugeführt. Die Verzögerung, die aufgrund der Stromlaufzeit
im Senderschaltkreis 10 auftritt, ist mit tr bezeichnet.
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Der reflektierte Lichtimpuls fällt nach der Zeit td (für Hin- und
Rückweg des Lichtes) über ein optisches Filter 17 auf eine Fotodiode 18. Der von
der Fotodiode 18 erzeugte elektrische Impuls wird einem Differenzierglied 19 weitergeleitet.
Ein Videoverstärker 20 ist zur Enttrübung des differenzierten Signals zwischen das
Differenzierglied 19 und einen Nulldurchgangsdetektor 21 geschaltet. Der Nulldurchgangsdetektor
21 triggert ein Zeittor 22 bei Nulldurchgang des differenzierten Signals, wobei
das Zeittor 22 ebenfalls für 14 u sec öffnet und einen Empfängerimpulsgenerator
23 zur Abgabe eines Impulses 31 zum anderen Eingang des ODER-Gliedes 15 veranlaßt.
Die Verzögerung die aufgrund der Stromlaufzeit im Empfängerschaltkreis 29 auftritt,
ist mit tk bezeichnet. Der Impuls 31 erreicht nach der Zeit (tk-tr)+td das ODER-Glied
15. Der dem ODER-Glied 15 nachgeschaltete Multivibrator 16 erzeugt einen Impuls
32, dessen Pulsdauer der Zeit (tk-tr)+td entspricht und leitet diesen einem Integrierglied
24 mit der Konstanten K1 zu, welches durch eine Widerstandsschaltung 28 jeweils
vor dem Aussenden des nächsten Laserimpulses auf Null gesetzt wird. Das Integrationsprodukt
v2 = 4 K1 (tk-tr)+td, bei einer Betriebsspannung von 4 Volt, wird über ein elektronisches
Sieb 25 dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 26 mit der Konstanten K2
zugeführt, an dessen negativem Eingang
von einem Netzwerk 27 eine
von den Stromlaufzeiten im Sender-und Empfängerschaltkreis abhängige konstante Spannung
Vl=4K (tk-tr) anliegt. Der Ausgang des Differentialverstärkers ist dann von der
Form V = 4K1,K2,td und hängt folglich nur noch von tds der Laufzeit des Lichtimpulses
ab.
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In Figur 2 sind die an den in Figur 1 mit den Buchstaben A bis K markierten
Ausgängen wichtiger Komponenten aufgenommenen Impulsformen dargestellt, wobei die
Ordinate für alle Kurven den Zeitpunkt t = O im Moment der Aussendung eines Laserimpulses.
Die Kurve A zeigt den Impulsverlauf an der Laserdiode 11 mit einem Beispiel für
die Einstellung der Triggerspannung für das Zeittor 13. Die Kurve B zeigt den vom
Zeittor 13 zum Referenzimpulsgenerator 14 und Multivibrator 16 abgegebenen Impuls.
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Die Kurve C zeigt den vom Referenzgenerator 14 erzeugten Impuls mit
der Verzögerungszeit tr des Senderschaltkreises 10. Die Kurve D zeigt den von der
Fotodiode 18 erzeugten Impuls für die Impulslaufzeit td = O, (im folgenden ausgezogene
Linie) sowie für die Impulslaufzeit tdt ° (im folgenden gestrichelte Linie).
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Die Kurve E zeigt das vom Differenzierglied 19 differenzierte Signal.
Die Kurve F zeigt den vom Zeittor 22 zum Empfängerimpulsgenerator 23 abgegebenen
Impuls. Die Kurve G zeigt das Ausgangssignal des Empfängerimpulsgenerators 23. Die
Kurve H zeigt die Impulsfolge am Ausgang des ODER-Gliedes 15. Die Kurve I zeigt
zeigt den Ausgangsimpuls des Multivibrators 16. Die Kurve J zeigt den Ausgang des
Integrators 24 und die Kurve K zeigt die Ausgangsspannung des Differentialverstärkers
26 an.
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Patentansprüche: