DE2547382C3 - Einrichtung zur Bestimmung einer kurzen Laufzeit eines von einer Laserdiode emittierten Lichtimpulses - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung einer kurzen Laufzeit eines von einer Laserdiode emittierten Lichtimpulses nach dem Rückstrahl-Prinzip, mit einer Detektor-Fotodiode und vorgeschaltetem w optischen Filter für das Erfassen des reflektierten Laserimpulses, wobei mit jeder Laserimpulsemittierung ein Referenzimpulsgenerator anspricht und ein Multivibrator betriebsbereit geschaltet wird und durch den reflektierten Impuls ein Empfängerimpulsgenerator aktiviert wird, der die aktive Phase des Multivibrators beendet, und wobei der vom Multivibrator so geformte Impuls einem rückstellbaren Integrator zuführbar ist, dessen (ntegrationsergebnis über ein Glättungsglied ausgewertet wird. *o

Bei bekannten Einrichtungen 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 *>5 mittels eines elektronischen Zählers bestimmt, welcher z. B, die während dieser Zeitdifferenz von einem Quarzoszillator erzeugten Schwingungen zählt; vgl.

DE-AS 15 39 897,

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 5m zu 5m eine Entfernungsbestimmung möglich ist, VgL AGARD/LS 71, S. 8/1Iff.

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. DE-OS 21 61 159.

All diesen Lösungen liegt die Notwendigkeit zugrunde, einen rechteckförmigen Impuls sehr kurzer Dauer auszusenden, den emittierten Impuls möglichst formgetreu im Empfänger nachzubilden, die zwischen Aasgangs- 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.

Aus der US-PS 36 50 628 ist ein Entfernungsmeßsystem bekannt, bei dem ein Auslöser eine Laserdiode zum Aussenden eines Impulses veranlaßt und gleichzeitig einem Empfängerschaltkreis Referenzsignale liefert Die Empfänger-Fotodiode gibt an den Empfängerschaltkreis sowohl ein Signal beim Aussenden des Laserimpulses als auch beim Empfang des rückgestrahlten Impulses ab. Diese Schaltung ist nicht geeignet, kurze Laufzeiten zu messen, da weder bei der Aussendung des Laserimpulses noch bei der späteren Verwendung im Empfängerschaltkreis die SchaltzuMände exakt bestimmbar sind. Hierdurch entstehen zwangsläufig Fehler, die bei kürzet auszumessenden Entfernungen zu völlig unbrauchbaren Meßergebnissen führen.

Die Lösung der aufgezeigten Probleme wird um so schwieriger und kostspieliger, je kürzer die zu messende Entfernung ist bzw. je geringer die Laufzeit eines ausgesendeten Lichtimpulses ist 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine billige und zuverlässige Einrichtung zu schaffen, die nach der Pulslaufzeitmethode arbeitet und in der Lage ist, Entfernungen bis hinunter zu lO-'m einwandfrei zu messen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) der Referenzimpulsgenerator über ein von einer einen Schwellenwert übersteigenden Spannung ausgelöstes und einen Impuls normierter Zeitdauer abgebendes Zeittor elektrisch an den Sender angeschlossen ist,

b) an die Fotodiode die an sich bekannte Kombination eines Differenziergliedes mit nachgeschaltetem Nulldurchgangsdetektor zur Auslösung eines zweiten Zeittores gleicher Art wie an den Sender angeschlossen ist, der den Empfängerimpulsgenerator speist,

c) die Ausgangsimpulse der beiden Impulsgeneratoren einem ODER-Glied zuführbar sind, dessen Ausgangssignal die aktive Phase des monostabil ausgebildeten Multivibrators einleitet, und

d) an das Glattungsglied in an sich bekannter Weise ein Differenzverstärker angeschlossen ist, der von dem geglätteten Integrationsergebnis eine konstante Spannung, deren Wert nur von den Stromumlajfzeiten abhängig ist, subtrahiert

Um den positiven Eingang des Differenzverstärkers ι ο auf einfache Weise ein elektrisches Signal zuführen zu können, dessen Größe von den Stromlaufzeiten im Sender- und Empfängerscbaltkreis und der Laufzeit des ausgesendeten Lichtimpulses abhängt, wird 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 ODcR-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. Das Integrationsprodukt wird dem positiven Eingang des Differenzverstärkers zugeführt

Um sicherzustellen, daß der Multivibrator nur dann einen Impuls erzeugen kann, wenn ein Laserimpuls emittiert worden ist wird mit jedem ausgesendeten Laserimpuls durch ein Zeittor im Senderschaltkreis gleichzeitig neben der Aktivierung des Referenzimpulsgenerators der Multivibrator betriebsbereit geschaltet

Damit die Bestimmung des Eintreffzeitpunktes des emittierten Laserimpulses im Empfänger möglichst genau erfolgen kann, wird dem Empfängerstromkreis der von der Fotodiode erzeugte elektrische Impuls einem Differenzierglied zugeführt wobei ein nachgeschauter Nulldurchgangsdetektor bei Nulldurchgang des differenzierten Impulses ein Zeittor im Empfängerstromkreis aktiviert welches wiederum dem Empfängerimpulsgenerator zur Abgabe eines Impulses zum ODER-Glied veranlaßt

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 nutwendigen 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 Einrichtungeii .uim Zählen oder Abgleichen von Impulsen notwendig wären.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

F i g. 1 ein Blockschaltbild der ausgeführten Erfindung,

F i g. 2 die Pulsformen an den Ausgängen wichtiger Bauteile.

Gemäß F i g. 1 veranlaßt ein Lasersender Y> mit beispielsweise einer Pulsfolgefrequenz von 200 Hz eine Laserdiode 11 zur Aussendung von Laserimpulsen. Ein Zeittor 13 öffnet für beispielsweise 14 usec, 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 Ser^rschaltkreis 10 auftritt ist mit ir bezeichnet

Der reflektierte Lichtimpuls fällt nach der Zeit ic/(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 usec 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)+ id 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 K\ zu, welches durch eine Widerstandsschaltung 28 jeweils vor dem Aussenden des nächsten Laserimpulses auf Null gesetzt wird. Das Integrationsprodukt V2=4 Ki (tk— tr)+td, bei einer Betriebsspannung von 4 Volt wird über ein Glattungsglied 25 dem positiven Eingang eines Differenzverstärkers 26 mit der Konstanten Ki zugeführt, an dessen negativem Eingang von einem Netzwerk 27 eine von den Stromlaufzeiten im Sender- und Empfängerschaltkreis abhängige konstante Spannung V\ =4 K.\ (tk— tr) anliegt Der Ausgang des Differentialverstärkers ist dann von der Form V=4 /Ci, K₇, td und hängt folglich nur noch von u der Laufze't des Lichtimpulses ab.

In F i g. 2 sind die an den in F i g. 1 mit den Buchstaben A bis K markierten Ausgängen wichtiger Komponenten aufgenommenen Impulsformen dargestellt, wobei die Ordinate für alle Kurven den Zeitpunkt f=0 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. 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 Impulstaufzeit fo=0, (im folgenden ausgezogene Linie) sowie für die Impulslaufzeit td>0

(im folgenden gestrichelte Linie). 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 //zeigt die Impulsfolge am Ausgang

des ODER-Gliedes 15. Die Kurve / 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Einrichtung zur Bestimmung einer kurzen Laufzeit eines von einer Laserdiode emittierten Lichtimpulses nach dem Rückstrahl-Prinzip, mit einer Detektor-Fotodiode und vorgeschaltetem optischen Filter für das Erfassen des reflektierten Laserimpulses, wobei mit jeder Laserimpulsemittierung ein Referenzimpulsgenerator anspricht und ein Multivi- ι ο brator betriebsbereit geschaltet wird und durch den reflektierten Impuls ein Empfängerimpulsgenerator aktiviert wird, der die aktive Phase des Multivibrators beendet, und wobei der vom Multivibrator so geformte Impuls einem rückstellbaren Integrator zuführbar ist, dessen Integrationsergebnis Ober ein Glättungsglied ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

   a) der Referenzimpulsgenerator (14) über eio von einer einen Schwellenwert fibersteigenden Spannung (A) ausgelöstes und einen Impuls (B) normierter Zeitdauer (z. B. 14us) abgebendes Zeittor (13) elektrisch an den Sender (12, 11) angeschlossen ist,

   b) an die Fotodiode (IS) die an sich bekannte Kombination eines Differenziergliedes (19) mit nachgeschaltetem Nulldurchgangsdetektor (21) zur Auslösung eines zweiten Zeittores (22) gleicher Art wie an den Sender angeschlossen ist, der den Empfängerimpulsgenerator (23) speist,

   c) die Ausgangsimpulse (Q G) der beiden Impulsgeneratoren einem ODER-Glied (15) zuführbar sind, dessen Ausgangssignal (H) die aktive Phase (I) des monostabil ausgebildeten Multivibrators (16) einleitet, und

   d) an das Glättungsglied (15) in an sich bekannter Weise ein Differenzverstärker (26) angeschlossen ist, der von dem geglätteten Integrationsergebnis (V₂) eine konstante Spannung (Vi), deren Wert nur von den Stromlaufzeiten (Ik-Ir) abhängig ist, subtrahiert