DE2553691C2

DE2553691C2 - Verfahren zur opto-elektronischen Messung der Entfernung zwischen einem Meß- und einem Zielpunkt und Entfernungsmeßgerät zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE2553691C2
Application number: DE2553691A
Authority: DE
Inventors: Hoiko Dipl.-Ing. 8000 München Chaborski
Original assignee: Mitec Moderne Industrietechnik 8012 Ottobrunn De GmbH
Current assignee: Mitec Moderne Industrietechnik 8012 Ottobrunn De GmbH
Priority date: 1975-11-28
Filing date: 1975-11-28
Publication date: 1986-10-30
Also published as: US4297030A; JPS5270867A; CH607724A5; NL7612981A; NL183610B; NL183610C; DE2553691A1; GB1549680A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmeßvorrichtung einen Zähler (26) umfaßt der die Perioden des Ausgangssignals eines der beiden Oszillatoren (Ii, 18) so abzählt, daß sein Ausgangssigna! ein Zeitrastersignal bildet, dessen Periode und Phasenlage der Periode und Phasenlage des ersten Differenzfrequenzsignals entsprechen, und daß der Zähler (26) durch einen Nulldurchgang des ersten Differenzfrequenzsignals zum Abzählen der Perioden des Ausgangssignals eines der beiden Oszillatoren (11, 8) gestartet und durch einen NuHdurehgang des zweiten Differenzfrequenzsignals gestoppt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur opto-elektronischen Messung der Entfernung zwischen einem

les entsprechen und das nach dem Umschalten vom 30 Meß- und einem Zielpunkt gemäß dem Oberbegriff von Empfang des Referenzlichtbündels auf Empfang des Anspruch 1 sowie da Entfernungsmeßgerät zur Durch-Meßlichtbümiils erhalten bleibt, und daß nach dem
Umschalten auf Empfang des Meßlichtbündels die

Phasenlage des zweiten Differenzfrequenzsignals führung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 2.
Ein derartiges Verfahren sowie ein entsprechendes

bezüglich des digitalen Zeitrasf/^signals gemessen 35 Entfernungsmeßgerät sind beispielsweise aus der DE-

2. Entfernup.gsmeßgerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

— einem ersten quarzgesteuerten Oszillator,

— einer durch das Ausgangssignal des ersten Oszillators modulierbaren Lichtquelle zur Erzeugung eines modulierten Lichtbündels,

— einer Einrichtung, die aus dem modulierten Lichtbündel ein moduliertes Meßlichtbündel und ein moduliertes Referenzlichtbündel erzeugt, wobei das Meßlichtbündel zum Zielpunkt ausgesandt, dort reflektiert und danach vom Entfernungsmeßgerät wieder empfangen wird, während das Referenzlichtbündel in einen geräteinternen Referenzlichtweg gelangt,

— einem elektro-optischen Empfänger, der bei Empfang eines modulierten Lichtbündels ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das dem -OS 22 35 318 bekannt Dadurch, daß bei diesem bekannten Verfahren abwechselnd Meß- und Referenzlichtbündel auf ein und denselben elektro-optischeki Empfänger gelenkt und in ein und demselben, diesem Empfänger nachgeschalteten Kanal ve/arbeitet werden, ergibt sich der Vorteil, daß Schwankungen und Drifterscheinungen im zeitlichen Ansprecnverhalten des Empfängers und des ihm nachgeschalteten Kanals beim Referenzlichtbündel und beim Meßlichtbündel in identischer Weise auftreten und daher für beide Lichtbündel zu einer gleich großen, zusätzlichen, vom zurückgelegten Weg unabhängigen Phasenverschiebung des demodulierten Signals führen.

Diese gleich großen Phasenverschiebungen fallen beim nachfolgenden Phasenvergleich heraus und können die Meßgenauigkeit nicht nachteilig beeinflussen.

Um diesen Vorteil zu gewinnen, muß allerdings die Schwierigkeit überwunden werden, daß dann, wenn das Meßlichtbündel auf den elektro-optischen Empfänger

auf das Lichtbündel aufmodulierten Signal in 55 gerichtet ist, nicht gleichzeitig auch das Referenzlicht-Frequenz und Phasenlage entspricht, bündel von diesem Empfänger empfangen und demoduliert werden kann, so daß ein unmittelbarer Phasenvergleich zwischen den beiden durch Demodulation des Referenzlichtbündels und des Mußlichtbündels gewon-60 nenen Signalen nicht möglich ist.

Dieses Problem wird nach dem Stand der Technik dadurch gelöst, daß zuerst die Phasenlage des einen und dann die Phasenlage des anderen der beiden durch Demodulation des Referenzlichtbündels und des Meßlichtbündeis gewonnenen, zeitlich nur nacheinander zur Verfügung stehenden Signale mit der Phasenlage eines geräteintern permanent erzeugten Bezugssignals verglichen und aus diesen beiden Vergleichsmessungen die

einem Lichtwegschalter, der dem elektro-optischen Empfänger alternierend das Referenzlichtbündel und das am Zielpunkt reflektierte Meßlichtbündel zuführt,
einem zweiten quarzgesteuerten Oszillator, dessen Frequenz gegen die Frequenz des ersten Oszillators verstimmt ist,
einem Mischer, der zur Erzeugung eines ersten Differenzfrequenzsignals das beim Empfang des Referenzlichtbündels vom elektrooptischen Empfänger erzeugte Ausgangssignal mit dem Signal des zweiten Oszillators mischt und

Phasenverschiebung !.wischen dem vom Meßlichtbündel und dem vom Referenzlichtbündel demodulierten Signal ermittelt wird. Da einerseits für eine möglichst gute Auflösung der zu messenden Entfernung eine möglichst hohe Modulationsfrequenz gewählt wird, andererseits der Phasenvergleich solcher hochfrequenter Signale nach der Demodulation vun Referenz- und Meßlichtbündel zu Schwierigkeiten führt, werden die demodulierten Signale vor ihrer weiteren Verarbeitung mit einem zweiten hochfrequenten Signal, dessen Frequenz gegen die Frequenz des Modulationssignals geringfügig verstimmt ist, so gemischt, daß sich zwei Differenzfrequenzsignale ergeben, die eine wesentlich niedrigere Frequenz als die auf die Lichtbündei aufmodulierten Signale besitzen, in ihrer Phasenlage aber exakt mit der Phasenlage dieser aufmodulierten Signale korreliert sind. Damit nun diese beiden Differenzfrequenzsignale zeitlich nacheinander mit einem geräteintern permanent erzeugten Bezugssignal verglichen werden können, wird nach dem Stand der Technik dieses Bezugssignal dadurch erzeugt, daß das zur Modulation des emittierten Lichtbündels verwendete Signal mit einem dritten Signal gemischt wird, dessen Frequenz sowohl gegen die Frequenz des Modulationssignals als auch gegen die Frequenz des Signals geringfügig verstimmt ist, das zur Erzeugung der beiden Differenzfrequenzsignale verwendet wird. Aus den sich hierbei ergebenden Schwebungen zwischen jedem der beiden Differenzfrequenzsignale und dem niederfrequenten Bezugssignal kann in den Zeiten, in denen das ReferenzKchtbündel vom elektro-optischen Empfänger empfangen wird, die Phasenlage des ersten Differenzfrequenzsignals bezüglich des Bezugssignals, und in den Zeiten, in denen das Meßlichtbündel empfangen wird, die Phasenlage des zweiten Differenzfrequenzsignals bezüglich des Bezugssignals bestimmt werden. Aus diesen beiden Phaseniagen wird dann nach dem Stand der Technik die Phasenverschiebung zwischen den beiden Differenzfrequenzsignalen ermittelt, die ein Maß für die Entfernung des Zielpunktes liefert.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die geräteinterne, permanente Erzeugung eines niederfrequenten Bezugssignals einen analogen Mischvorgang beinhaltet, dem eine gewisse Ungenauigkeit anhaftet, die der erzielbaren Meßgenauigkeit Grenzen setzt, die auf diesem Weg nicht mehr übenchreitbar sind.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und ein zu seiner Durchführung geeignetes Entfernungsmeßgerät so weiterzubilden, daß eine noch größere Meßgenauigkeit erzielbar ist.

Zur Löpung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen 1 bzw. 2 niedergelegten Merkmale vor.

Gemäß der Erfindung wird also nicht mehr ständig ein analoges Bezugssignai erzeugt, bezüglich dessen einerseits die Phasenlage des aus dem Referenzlichtbündel gewonnenen ersten Differenzfrequenzsignals und andererseits die Phasenlage des aus dem Meßlichtbündel gewonnenen zweiten Differenzfrequenzsignals ermittelt wird, um dann diese beiden relativen Phasenlagen miteinander zu vergleichen. Statt dessen wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zunächst in einem Zeitraum, in welchem das vom Referenzlichtbündel abgeleitete erste Differenzfrequenzsignal zur Verfügung steht, mit der Erzeugung eines digitalen Zeitrastersignals begonnen, das aus einer Folge von Rechtecksimpulsen besteht, deren Folgefreqiipnz gleich der Frequenz des ersten Differenzfrequenzsignals ist und deren steigende und fallende Flanken mit den positiven bzw. negativen Nulldurchgängen des ersten Differenzfrequenzsignals zusammenfallen. Somit wird die Phasenlage des ersten Differenzfrequenzsignais in dieses digitale Zeitrastersignal übertragen und, da die Erzeugung des Zeitrastersignals auch dann fortgesetzt wird, wenn das Referenzlichtbündel nicht mehr auf den elektro-optischen Empfänger trifft, in dynamischer Weise »gespeichert«. Dadurch steht auch in den Zeiträumen, in denen das Meßlichtbündei empfangen und in ein zweites Differenzfrequenzsignal umgesetzt wird, die Phasenlage des ersten Differenzfrequenzsignais unmittelbar zur Verfugung, so daß ein direkter Phasenlagenvergleich bzw. eine direkte Phasenverschiebungsmessung zwischen dem ersten und zweiten Differenzfrequenzsignal möglich ist.

Vorzugsweise geschieht dies dadurch, daß das Zeitrastersignal mit Hiife eines Digitalzählers erzeugt wird, der die Schwingungsperioden des emen der beiden zur Verfügung stehenden hochfrequenten Signale so abzählt, daß er immer dann ein Oberlaufsignal abgibt, wenn die Zahl der von ihm gezäh'-.n Schwingungsperioden des hochfrequenten Signais gieiiA. act Zahl der in einer Schwingungsperiode des ersten Differenzfrequenzsignais enthaltenen Zahl von Schwingungsperioden des abgezählten Signals ist. Damit ist die Folgefrequenz <!er vom Überlaufausgang des Zählers erzeugten Rechtecksimpulse gleich der Frequenz des ersten Differenzfrequenzsignais. Da der Zähler gemäß der Erfindung bei einem Nulldurchgang des ersten Differenzfrequenzsignals gestartet wird, fallen die Flanken der Rechtecksimpulse am Zählerausgang mit den folgenden Nulldurchgängen des ersten Differenzfrequenzsignais zeitlich zusammen und geben damit dessen Phasenlage wieder. Ist diese Synchronisation erfolgt, so kann der Zählvorgang unabhängig vom ersten Differenzfrequenzsignal auch dann fortgesetzt werden, wenn vom Empfang des Rcfcrenzüchtes auf Meßüchtempfar.g umgeschaltet worden ist. Sind alle mit dem Umschalten verbundenen Einschwingvorgänge abgeklungy», kann irgendeiner der Nulldurchgänge des zweiten Differenzfrequenzsignales verwendet werden, um den Zähler zu stoppen. Wird ein Nulldurchgang verwendet, bei dem das zweite Differenzfrequenzsignal in die gleiche Richtung geht, wie das erste Differenzfrequenzsignal bei dem zum Starten des Zählers -.erwendeten Nulldurchgang, so ist der im Zähler enthaltene Zählwert ein direktes Maß für die zwischen erstem und zweitem Differenzfrequenzsignal vorhandene Phasenverschiebung und damit für die Entfernung des Zielpunktes. Allerdings kann dieser Wert noch eine Unbestimmtheit um ein ganzzahliges Vielfaches von 2 ,τ der Frequenz des Differenzfrequenzsignais enthalten. Zur Beseitigung dieser Unbestimmtheit können dem Fachmann geläufi-3e ! !abnahmen ergriffen werden, die jedoch nicht Gegenstand der Erfindung sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, in der die einzige Figur ein Blockschaltbild eines erfindungügemäßen Entfernungsmeßgerätes zeigt.

Mittels eines ersten quarzgesteuerten Oszillators 11 und eines ihm nachgeschalteten Modulators 12 wird das Lichtbündel einer Lichtquelle 10, beispielsiveise einer Lumineszenzdiode, mit einer Frequenz f\ moduliert. Dieses modulierte Lichtbündel wird mittels eines Strahlenteilers 13 in ein Referenzlichtbündel 1 und ein Meßlichtbündel 2 aufgeteilt. Das Meßlichtbündel 2 wird zu einem Zielpunkt 14 ausgesandt, an dem sich ein Retroreflektor befinden kann und der das Meßlichtbündel 2

zu einem Lichtwegschalter 15 reflektiert. Das Referenzlichtbündel 1 gelangt vom Strahlenteiler 13 auf einem geräteinternen Weg fester Länge direkt zum Lichtwegschalter 15. Dem Lichtwegschalter 15 ist eine Steuerungselektronik 15c zugeordnet, die nach festgelegten Kriterien die beiden Lichlbündel 1 und 2 wechselweise auf einen elektro-optischen Empfänger 16 schaltet. Dessen Ausgangsignal wird über ein Filter 17 auf einen Mischer 19 gegeben, der an seinem zweiten Eingang das Ausgangssignal eines zweiten quarzgesteuerten Oszillators 18 empfängt, das eine gegenüber der Frequenz f\ des ersten Oszillators 11 geringfügig verstimmte Frequenz fi besitzt. Der Mischer 19 mischt dieses Signal mit dem die Frequenz /, besitzenden Ausgangssignal des Filters 17 und erzeugt somit in Abhängigkeit von der Stellung des Lichtwegschalters 15 ein erstes oder ein zweites Differenzfrequenzsignal /_t — f₂, dessen Phasenlage mit der Phasenlage des auf das Referenzlichtbündsl 1 aufmodulierten Signals bzw. mit der Phasenlage des

S'üi uSS iviCuiiCiitLrüriuci L äüirfiGuüiicricn oigfiulS üüei- 2U

einstimmt.

Ist der Lichtwegschalter 15 durch die Steuerungselektronik 15c in die Stellung gebracht, in der das Referenzlichtbündel auf den Empfänger 16 trifft, so wird, nachdem der Empfänger 16 und die ihm nachgeschalteten Schaltungseinheiten 17 und 19 cingeschwungen sind, bei dem darauffolgenden Nulldurchgang des in dieser Stellung erzeugten ersten Differenzfrequenzsignals ein Zähler 26 gestartet, der die Ausgangsimpulse desjenigen Oszillators 11 oder 18 zählt, der die niedrigere Frequenz besitzt. Im vorliegenden Fall ist dies der Oszillator 18.

Um die Nulldurchgänge des vom Mischer 19 abgegebenen Differenzfrequenzsignals möglichst genau bestimmen zu können, ist zwischen den Mischer 19 und den Zähler 26 ein Impulsformer 22 geschaltet, der die vom Mischer 19 abgegebenen Sinusschwingungen in Rechieckssignale umwandelt.

Der Zähler 26 gibt immer dann ein Überlaufsignal ab, wenn die Zahl der von ihm gezählten Perioden des zweiten Oszillators 18 gleich der Zahl der in einer Schwingungsperiode des ersten Differenzfrequenzsignals enthaltenen Zahl von Schwingungsperioden des Ausgangssignals des zweiten Oszillators 18 ist. Damit ist die Folgefrequenz der vom Überlaufausgang des Zählers 26 erzeugten Rechtecksimpulse gleich der Frequenz des ersten Differenzfrequenzsignals. Da der Zähler bei einem Nulldurchgang des ersten Differenzfrequenzsignals gestartet wurde, fallen die Flanken der an seinem Ausgang erscheinenden Rechtecksimpulse mit den folgenden Nulldurchgängen des ersten Differenzfrequenzsignals zeitlich zusammen und geben somit dessen Phasenlage wieder. Damit kann das Ausgangssignal des Zählers 26 als digitales Zeitrastersignal verwendet werden, dessen Erzeugung in unveränderter Weise auch dann noch fortgesetzt werden kann, wenn die Steuerungselektronik 15c den Lichtwegschalter 15 in die zweite Stellung umschaltet, in der das Meßlichtbündel 2 auf den Empfänger 16 trifft Sobald der Empfänger 16 und die ihm nachgeordneten Schaltungseinheiten einge-Schwüngen sind, wird der Zähler 26 durch den nächsten Nulldurchgang des nunmehr erzeugten zweiten Differenzfrequenzsignals gestoppt, das die Phasenlage des auf das Meßlichtbündel aufmodulierten Signals wiedergibt Der nach dem Anhalten im Zähler 26 enthaltene b5 Zählerstand ist ein direktes Maß für die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen, die auf das empfangene Referenzlichtbünde] 1 bzw. das empfangene Meßlichtbündel 2 aufmoduliert sind, und somit für die gesuchte Entfernung. Dieser Zählerstand wird einer Auswerteeinheit 25 zugeführt, die ebenso wie die Stcucrungselektronik 15c unter der Kontrolle einer Siart-Stopp-Steuerung 27 arbeitet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur opto-elektronischen Messung der Entfernung zwischen einem Meß- und einem Zielpunkt, bei dem ein von einer Lichtquelle ausgesandtes Lichtbündel mit dem Ausgangssignal eines ersten Quarzoszillators moduliert und in ein Meß- und ein Referenzlichtbündel geteilt wird, die wechselweise einem Detektor zugeführt werden, dessen Signale in einem Mischer mit dem Ausgangssignal eines zweiten Quarzoszillators gemischt werden, dessen Frequenz gegen die Frequenz des Ausgangssignals des ersten Quarzoszillators verstimmt ist, so daß während des Empfangs des Referenzlichtbündels ein erstes Differenzfrequenzsignal und während des Empfangs des Meßlichtbündels ein zweites Differenzfrequenzsignal erzeugt werden, wobei die Phasenlage eines jeden Differenzfrequenzsignals der Phasenlage des Signals entspricht, das auf das zugehörige üchtbündel aufmoduliert ist, und aus der Phasenverschiebung zwischen erstem und zweitem Differenzfrequenzsingal die Entfernung zwischen Meß- und Zielpunkt ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst beim Empfang des Referenzlichtbündels aus dem ersten Differenzfrequenzsignal ein digitales Zeitrastersignal gebildet wird, dessen Periode und Phasenlage der Periode und Phasenlage des ersten Differenzfrequenzsignader zur Erzeugung eines zweiten Differenzfrequenzsignals das beim Empfang des Meßlichtbündels vom elektro-optischen Empfänger erzeugte Ausgangssignal mit dem Signal des zweiten Oszillators mischt, und mit — einer zur Bestimmng der Entfernung des Zielpunktes vom Entfernungsmeßgerät die Phasenverschiebung zwischen erstem und zweitem Differenzfrequenzsignal bestimmenden Phasenmeßvorrichtung,