DE2634627C2

DE2634627C2 - Laserentfernungsmeßgerät

Info

Publication number: DE2634627C2
Application number: DE2634627A
Authority: DE
Inventors: Hoiko Dipl.-Ing. 8000 München Chaborski
Original assignee: MITEC Moderne Industrietechnik GmbH, 8012 Ottobrunn
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1976-07-31
Filing date: 1976-07-31
Publication date: 1982-08-19
Also published as: JPS5317369A; GB1540774A; NL7707818A; FR2360891B1; US4139301A; NL181822B; ZA774361B; CH616510A5; NL181822C; AT360243B; JPS5826558B2; DE2634627A1; FR2360891A1; ATA543277A

Description

2. Laserentfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzkanal als Eingangsteil eine der Fotodiode des Meßkanals entsprechende Diode aufweist, deren Arbeitswiderstand von einem durch ein mit dem Aussenden des Lichtimpulses zeitlich korreliertes Signal triggerbaren Parallelresonanzkreis gebildet ist, der aus einer Spule und der Sperrschichtkapazität der Diode sowie einer zusätzlichen, parallelgeschalteten externen Kapazität besteht.

3. Laserentfei nungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der zeitsignifikanten Signalflanken des Start- bzw. des Stopsignals im Referenzkanal der erste Nulldurchgang der beim Aussenden des Lichtimpulses getriggerten Schwingung des betreffenden Parallelresonanzkreises und im Meßkanal der zweite Nulldurchgang der beim Empfang des reflektierten Lichtimpulses getriggerten Schwingung des betreffenden Parallelresonanzkreises detektiert wird.

Die Erfindung geht aus von einem Laserentfernungsmeßgerät nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines Lichtimpulses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei einem solchen bekannten Laserentfernungsmeßgerät (NTZ, Band 36,1973, Heft 9, S. 435-440) wird zur Bestimmung der zur auszumessenden Entfernung proportionalen Laufzeit des ausgesandten Lichtimpulses die Zeitdifferen? zwischen dem elektrischen Sendeimpuls und dem elektrischen Empfangssignal gemessen, wobei letzteres zum Beispiel dadurch gewonnen wird, daß der Empfangs-Fotodiode als frequenzselektives Netzwerk ein differenzierendes Filternetzwerk nachgeschaltet ist, das das von der Fotodiode beim Empfang eines reflektierten Lichtimpulses abgegebene, impulsförmige, d. h. von einem »Null«-Pegel aus auf einen Maximalwert ansteigende und dann wieder auf den Nullpegel abfallende Signal in einen sogenannten Doppelimpuls umformt, d. h. in ein Signal, das zunächst ausgehend von dem Nullpegel ebenfalls bis auf einen Maximalwert ansteigt, bei dem darauffolgenden Abfall aber nicht nur zum Nullpegel zurückkehrt, sondern diesen überschreitet, bis 2U einem Minimalwert absinkt, von dort aus wieder ansteigt und eventuell erst nach einem oder mehreren weiteren Überschwingvorgängen mit abnehmender Amplitude zum Ausgangs-Nullpege! zurückkehrt. Der erste der eben beschriebenen Nulldurchgänge dieses Signals wird zur Erzeugung einer zeitsignifikanten Signalflanke verwendet, die die mit dem elektrischen Sendeimpuls begonnene »Laufzeitmessung« beendet

Nun muß aber bei derartigen Laserentfernungsmeßgeräten grundsätzlich dafür Sorge getragen werden, daß sowohl das im Referenzkanal erzeugte, die Zeitmessung startende zeitsignifikante Signal als auch das im Meßkanal erzeugte, die Zeitmessung beendende zeitsignifikante Signal eine möglichst unveränderliche,

ίο auch über lange Zeiträume hinweg exakt reproduzierbare zeitliche Korrelation zum zeitlichen Schwerpunkt des ausgesandten bzw. nach der Reflexion empfangenen Lichtimpulses aufweisen. Je schlechter diese Forderung nach einer exakten zeitlichen Beziehung zwischen Lichtimpuls und zugehörigem zeitsignifikanten Steuersignal erfüllt ist, desto geringer ist die Genauigkeit, mit der Entfernungen ausgemessen werden können und desto größer ist die Mindestentfernung, unterhalb derer Messungen nicht mehr möglich sind.

Besonders gravierend ist das Problem der exakten zeitlichen Zuordnung zwischen Lichtimpuls und zeitsignifikantem Steuersignal auf der Empfangsseite solcher Entfernungsmeßgeräte, da die Intensität des vom angemessenen Körper reflektierten Lichtimpulses und

damit auch die Amplitude des von der Empfangs-Fotodiode abgegebenen Signals in sehr starkem Maße von der Entfernung und dem Reflexionsvermögen des angemessenen Körpers sowie von der Lichtdurchlässigkeit des die dazwischen liegende Strecke erfüllenden Mediums abhängig ist Nun ist zwar bei dem oben beschriebenen Empfangs- bzw. Meßkanal eines dem Stand der Technik entsprechenden Laserentfernungsmeßgerätes theoretisch, d. h. bei Vernachlässigung des Einflusses des Rauschens und bei Vorliegen eines fehlerfreien, dem differenzierenden Filternetzwerk nachgeschalteten Begrenzungsverstärkers der NuIldurchgang des »Doppelimpulses« in seiner zeitlichen Lage unabhängig von der Amplitude des von der Empfangs-Fotodiode abgegebenen Signals. Da in der

Praxis aber weder der Einfluß des Rauschens vernachlässigt werden kann noch fehlerfrei und ohne Drifterscheinungen arbeitende Beprenzungsverstärker zur Verfugung stehen, ergibt sich bei der bekannten Vorrichtung eine Abhängigkeit der zeitlichen Korrelation zwischen dem zeitsignifikanten Stopsignal und dem empfangenen, reflektierten Lichtimpuls von der Amplitude bzw. Helligkeit dieses Impulses, die die angestrebte Meßgenauigkeit in unerwünschter Weise beeinträchtigt. Gleiches gilt für das der älteren DE-OS 2547 382 entnehmbare Laserentfernungsmeßgerät, bei dem durch ein der Empfangsdiode nachgeschaltetes Differenzierglied aus dem von der Photodiode abgegebenen Impuls ein überschwingendes Signal abgeleitet wird, dessen Nulldurchgang zur Erzeugung des zeitsignifikanten Stopsignals herangezogen wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserentfernungsmeßgerät der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das sowohl die sehr genaue Ausmessung auch großer Entfernungen als auch

die genaue Messung sehr kurzer Abstände ermöglicht Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung zusätzlich zu den im Oberbegriff des Anspruches 1 niedergelegten Merkmalen vor, daß das frequenzselektive Netzwerk von einem als Arbeitswiderstand der Fotodiode geschalteten Parallelresonanzkreis gebildet ist, der aus einer Spule und der Sperrschichtkapazität der Fotodiode sowie einer zusätzlichen, 'parallel geschalteten externen Kapazität besteht

Gemäß der Erfindung wird mit dem als Arbeitswiderstand der Empfangs-Fotodiode geschalteten Parallelresonanzkreis zumindest für den Meßkanal, bei dem sich das Problem der exakten und langfristig genau reproduzierbaren zeitlichen Korrelation zwischen dem zeitlichen Schwerpunkt des empfangenen, reflektierten Lichtimpulses und der die Zeitmessung beendenden, zeitsignifikanten Signalflanke wegen der innerhalb weiter Grenzen schwankenden Amplitude der reflektierten Lichtimpulse in besonders scharfem Maße stellt, eine Anordnung geschaffen, die durch einen an der Fotodiode empfangenen Lichtimpuls zu einem gedämpften Schwingungsvorgang angestoßen wird, so daß ihr Ausgangssignal ausgehend von dem zuvor herrschenden Nulipegel sehr rasch auf einen maximalen Amplitudenwert ansteigt, um dann mit einer aufgrund der vorhandenen Dämpfung abnehmenden Amplitude mehrfach überschwingend zum Nulipegel zurückzukehren. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, daß von der Amplitude des empfangenen Lichtimnulses zwar die eben erwähnte Maximalamplitude des Schwingungssignals nicht aber die zeitlichen Lagen seiner Nulldurchgänge abhängig sind. Letztere werden allein von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises bestimmt, die, da sie von passiven elektronischen Bauelementen abhängt, auch über lange Zeiten hinweg außerordentlich exakt konstant ist. Es wird also eine zeitliche Beziehung zwischen dem Zeitschwerpunkt des empfangenen Impulses und der durch einen ausgewählten Nulldurchgang des Schwingkreissignals ausgelösten zeitsignifikanten Signalflanke zur Beendigung der Zeitmessung hergestellt, die von der Amplitude des empfangenen Lichtimpulses völlig unabhängig und auch über größere Zeiträume hinweg keinen Drifterscheinungen unterworfen ist.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß — anders als bei dem aus dem Stand der Technik bekannten differenzierenden Netzwerk — ihre Empfindlichkeit durch auf die Empfangsfotodiode auftreffendes Fremdlicht, z. B. Tageslicht in keiner Weise beeinträchtigt wird, da das hierbei von der Fotodiode erzeugte Gleichspannungssignal den Nulipegel des kapazitiv auskoppelbaren Schwingkreissignals in keiner Weise verändert. Auch Schwankungen der Hintergrunds- bzw. Fremdlichthelligkeit können bei geeigneter Wahl der Schwingkreisfrequenz zu keinen Störungen führen, da ein Schwingkreis nur dann durch ein impulsförmiges Signal getriggert w'rd, wenn dessen zeitliche Dauer V₄ der Schwingungsperiode nicht wesentlich übersteigt. Somit wird also durch die Erfindung nicht nur ein zumindest in seinem Meßkanal zeitlich sehr genau arbeitender, sondern ein für Meßlichtsignale sehr empfindlicher und dennoch durch Störungen bzw. Fremdlicht sehr wenig beeinflußbarer Laserentfernungsmesser geschaffen.

Dadurch, daß durch die im Anspruch 1 niedergelegten Maßnahmen in dem bisher das schwächste Glied der gattungsgemäßen Laserentfemungsmesser bildenden Meßkanal eine sehr genaue, driftfreie zeitliche Zuordnung zwischen dem reflektierten Empfangsimpuls und der zugehörigen zeitsignifikanten Signalflanke möglich wird, hängen die erreichbare Meßgenauigkeit bzw. die kleinste meßbare Distanz nunmehr in sehr starkem Maße von der Exaktheit der zeitlichen Zuordnung zwischen dem ausgesandten Lichtimpuls und der im Referenzkanal erzeugten, den Beginn der Zeitmessung definierenden Signalflanke ab. Die für die Erzeugung dieser Signalflanke bekannten Vorrichtungen sind, wenn die Vorteile des gemäß Anspruch 1 ausgebildeten Meßkanals voll zum Tragen komrpen sollen, stark verbesserungsbedürftig und daher ist gemäß der Erfindung weiterhin vorgesehen, daß der Referenzkanal als Eingangsteil eine der Fotodiode des Meßkanals entsprechende Diode aufweist, deren Arbeitswiderstand von einem durch ein mit dem Aussenden des Lichtimpulses zeitlich korreliertes Signal triggerbaren Parallelresonanzkreis gebildet ist, der aus einer Spule und der Spgrrschichtkapazität der Diode sowie einer zusätzlichen, parallel geschalteten externen Kapazität besteht.

Somit sind also Referenzkanal und Meßkanal identisch aufgebaut und das Ausgangssignal des beim Aussenden eines Lichtimpulses getriggerten Schwingkreises des Referenzkanals liefert die entsprechenden, in ihrer zeitlichen Lage mit dem Zeitschwerpunkt des Sendeimpulses genau korrelierten und insbesondere amplitudenunabhängigen Nulldurchgänge, von denen einer zur Erzeugung der die Zeitmessung startenden zeitsignifikanten Signalflanke verwendet werden kann.

Da mit ein^m solcherart ausgebildeten Laserentfernungsmesser nicht nur große Entfernungen mit weit größerer Genauigkeit als bisher ausgemessen werden können, sondern auch sehr kurze, wegen der außerordentlich kurzen Laufdauer der Lichtimpulse bisher meßtechnisch nicht mehr erfaßbare Distanzen genau bestimmt werden können, muß dafür Sorge getragen werden, daß bei selchen geringen auszumessenden Abständen nicht das die Zeitmessung beendende Signal des Meßkanals aufgrund von unterschiedlichen Signalverarbeitungszeiten in den beiden Kanälen vor dem die Zeitmessung startenden Signal des Referenzkanals an die Zeitmeßvorricbtung abgegeben wird. Zu diesem Zweck ist gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform eines nach der Erfindung aufgebauten Laserentfernungsmessers vorgesehen, daß zur Gewinnung der zeilsignifikanten Signalflanken des Start- bzw. Stopsignals in Referenzkanal der erste Nulldurchgang der beim Aussenden des Lichtimpulses getriggerten Schwingung des betreffenden Parallelresonanzkreises und im Meßkanal der zweite Nulldurchgang der beim Empfang des reflektierten Lichtimpulses getriggerten Schwingung des betreffenden Parallelresonanzkreises detektiert wird.

Diese Anordnung ist deshalb ohne Beeinträcntigung der exakten zeitlichen Korrelation zwischen dem jeweiligen Lichtimpuls und dem zugehörigen zeitsignifikanten Signal möglich, weil nicht nur der jeweils erste sondern auch alle folgenden Nulldurchgänge der Ausgangssignale der die Arbeitswiderstände der jeweiligen Dioden bildenden Parallelresonanzkreise völlig unabhängig von der Amplitude eine exakte zeitliche Zuordnung zu den Triggersignalen für die betreffenden Resonanzkreise aufweisen.

Hieraus ergibt sich unmittelbar, daß statt des ersten Nulldurchganges des Schwingungssignals des Referenzkanals auch der zweite oder ein späterer Nulldurchgang zur Erzeugung des die Zeitmessung startenden Signals verwendet werden kann, wenn man entsprechend den dritten oder einen höheren Nulldurchgang des Schwingungssignals im Meßkanal zur Erzeugung des die Zeitmessung beendenden Signals heranzieht

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 die Empfangs-Fotodiode eines der beiden Kanäle eines erfindungsgemäßen Laserentfernungs-

meßgerätes mit nachgeschaltetem Parallelresonanzkreis und Detektionskomparatoren und

Fi g. 2 die graphische Gegenüberstellung der Signale von Referenz- und Meßkanal.

Das durch den eintreffenden Lichtimpuls ausgelöste Anschwingen des Parallelresonanzkreises ist zum Zeitpunkt dieses Eintreffens des Lichtimpulses bei gleicher Lichtimpulsform zeitlich genau korreliert. Entsprechend der Eigenfrequenz ergeben sich ebenso genau korreliert die Nulldurchgänge bzw. Nulldurchgangspunkte der jeweils angestoßenden Eigenfrequenz ig.l).

Die Fig.l zeigt nun eine Schaltung, die aus zwei Komparatoren 10, 11 besteht und identisch für Referenz- und Meßkanal aufgebaut ist. Diese Schaltung erfaßt nun im Referenzkanal den ersten Nulldurchgang und irn Meßkana! den zweiten NuUdurchgang des angestoßenen, mit der jeweiligen Eigenfrequenz des Parallelresonanzkreises schwingenden Sinussignals.

Um nun unterscheiden zu können, ob kein Sinussignal vorhanden ist oder ob bei vorhandenem Sinussignal der zu delektierende NuUdurchgang des angestoßenen Sinussignals erreicht ist, wird dieses angestoßene Sinussignal 12 gleichzeitig den zwei Komparatoren 10, 11 über den Spannungsverstärker 13 zugeführt. Von den Komparatoren 10,11 dient der eine der Detektion des angestoßenen Sinussignals und der zweite der Detektion des Nulldurchganges des angestoßenen Sinussignals. Zu diesem Zweck ist die Referenzschwelle des ersten Komparators 10 entsprechend dem schwächsten zu empfangenden Lichlimpuls fest eingestellt, während die Referenzschwelle des zweiten Komparators 11 10

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unmittelbar nach dem Ansprechen des ersten Komparators 10 durch diesen ersten Komparator auf Null geschaltet wird. Hierbei werden logische Signalflanken erzeugt, die so verknüpft sind bzw. werden können, daß die Zeitdil'ferenz zwischen den so gewonnenen Start- und Stopsignalen erfaßt und ausgewertet werden kann.

Anzuführen ist, daß Referenzkanal und Meßkanal identisch aufgebaut sind.

Beim Referenzkanal wird der erste NuUdurchgang des angestoßenen Sinussignals erfaßt und beim Meßkanal der zweite. Diese Ausbildung ist deshalb so getroffen worden, um die Totzeit (propagationdelay) der Komparatoren 10, 11 des Referenzkanals zu eliminieren.

Wenn man nun die Resonanzfrequenz des Parallelresonanzkreises so wählt, daß ein Viertel der Periodendauer der angestoßenen Resonanzfrequenz größer ist als die maximal zu erwartende spezifizierte Totzeit der Komparatoren 10, 11, so ist die Grundlage gegeben, auch Entfernungen nahe Null zu messen.

In der F i g. 1 ist mit R_s der Siebwiderstand für die Diodensperrspannung bezeichnet. Q und Ci stellen die Hochfrequenz-Koppelkondensatoren dar, während C₃ ein zur Dioden-Sperrschichtkapazität parallel geschalteter externer Kondensator ist; der HF-Spannungsverstärker ist mit 13 bezeichnet. Ukte bedeutet die fest eingestellte Empfindlichkeitsschwelle 14 des ersten Komparators 10, und mit 15 ist eine Zwischenschalteinrichtung bezeichnet, die im Moment des geschalteten ersten Komparators 10 die Referenzspannung des zweiten Komparators 11 exakt auf Null schaltet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laserentfernungsmeßgerät nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines Lichiimpulses, mit einem Referenzkanal zur Gewinnung des Startsignals und einem Meßkanal zur Gewinnung des Stopsignals, bei welchem zumindest das Stopsignal durch einen Nulldurchgang eines Signals bestimmt ist, das mittels eines frequenzselektiven Netzwerkes aus dem impulsförmigen Empfangssignal einer Fotodiode abgeleitet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das frequenzselektive Netzwerk von einem als Arbeitswiderstand der Fotodiode (D) geschalteten Parallelresonanzkreis gebildet ist, der aus einer Spule (L) und der Sperrschichtkapazität der Fotodiode (D) sowie einer zusätzlichen, parallelgeschaiteten externen Kapazität (Cj) besteht