DE3210237A1

DE3210237A1 - Laser-entfernungsmesser

Info

Publication number: DE3210237A1
Application number: DE19823210237
Authority: DE
Inventors: Adrian Roger Glasgow Scotland Farlow
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1981-03-25
Filing date: 1982-03-20
Publication date: 1982-10-07
Also published as: SE450423B; FR2502792A1; NO156587C; FR2502792B3; NO156587B; IT8267330A0; NL8201094A; US4464048A; IN155796B; SE8201541L; YU64682A; IT1155636B; YU43258B; NO820996L

Description

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- 4 - NACHQEREICHT

Beschreibung;

Die Erfindung befaßt sich mit Laser-Entfernungsmessern gemäß dem überbegriff des Patentanspruchs 1. Solche Laser-Entfernungsmesser besitzen zum einen einen Übertrager und darin einen Laser sowie eine Schaltung zum Steuern und Takten der abgehenden Laserimpulse und sie besitzen zum andern einen Empfänger und darin einen Detektor für die zurückkehrenden optischen Impulse mit elektronischer Zählschaltung zum Zählen von Zeitimpulsen, welche im Zeitintervall zwischen abgehendem und wieder empfangenem Laserimpuls auftreten; aus der durch diese Impulszählung ermittelten Laufzeit eines vom Entfernungsmesser ausgesandten und von einem Zielobjekt reflektierten Impuls wird die Entfernung dieses Zielobjekts bestimmt.

Seit vielen Jahren verwendet man als Impulsdetektoren vorzugsweise Lawinendioden (im englischen Sprachgebrauch als avalanche photodiode (APL)) bezeichnet) weder
gen/ihnen eigenen Verstärkungseigenschaft ,doch um

eine optimale Arbeitsweise der Lawinendioden mit gleichbleibender Verstärkung zu erreichen, ist es bislang nötig, die Lawinendioden mit einer Vorspannung zu betreiben, deren Höhe temperaturabhängig ist.

Bei bekannten Entfernungsmessern enthält der Empfänger deshalb eine Schaltung zur Einstellung der Vorspannung. Es gibt zwei gebräuchliche Techniken, um dies zu erreichen:

im einen Fall wird die Speisespannung des Vorspanrungsschaltkreises mittels Temperaturkompensation eingestellt; im anderen Fall wird der Rauschpegel im Detektorausgangssignal überwacht und in einer Regelschleife die Vorspannung so eingeregelt, daß der Rauschpegel ein Minimum annimmt.

Der Empfänger eines Laser-Ertfernungsrnessers empfängt nicht nur die erwünscht reflektierten Laserimpulse, sondern auch unerwünschte Störsignale, z.B. infolge teilweiser Rückstreuung ausgesandter Laserimpulse an optischen Elementen des Laser-Entfernungsmessers oder zufolge von atmosphärischen Bedingungen. Um das Problem des Rückstreuens an den optischen Elementen des Entfernungsmessers in den Griff zu bekommen, besitzen bekannte Empfänger in ihrer Verstärkerkette eine Torschaltung zwischen dem Detektor und der Zählschaltung, durch welche für eine vorbestimmte Zeitspanne ab der Aussendung eines Laserimpulses (welche einer vorgegebenen Mindestentfernung entspricht) die Weiterleitung von Detektorsignalen an die Zählschal-

tung unterbunden wird. Diese Zeitspanne wird einerseits lang genug gewählt, um die Weiterleitung der im Detektorrauschen auftretenden Rückstreusignale zu verhindern, und wird andererseits kurz genug gewählt, um einen aus dem vorgegebenen Entfernungsbereich zurückreflektierten Impuls auf jeden Fall zur Zählschaltung durchzulassen. Zur Behebung des Problems der atmosphärischen Ruckstreuungen enthalten die Empfänger bei bekannten Entfernungs-

messern eine Verstärkerstufe mit zeitabhängiger
Verstärkungssteuerung (eine TPG-Stufe), welche
während einer vorbestimmten Zeitspanne wirksam
ist, die unmittelbar an die Zeitspanne anschließt, die der vorgewählten Mindestentfernung entspricht (während der die Zählschaltung durch die Torschaltung blockiert ist), und während der die Empfindlichkeit des Empfängers auf einem unterhalb seiner Normalempfindlichkeit liegenden Wert gehalten wird; auf diese Weise können durch atmosphärische Rück-

2ü streuung entstandene Störimpulse wegen ihrer geringeren Signalhöhe im Empfänger unterdrückt werden, wohingegen die vom angepeilten Zielobjekt
reflektierten stärkeren Impulse wirksam zur Zähl-

schaltung übertragen werden. Die Torschaltung und die zeitabhängige Verstärkerstufe liegen gewöhnlich hinter einer Vorverstärkerstufe (mit niedriger Eingangsimpedanz), sodaß die Fotodiode und die Vorverstärkerstufe beide noch den Signalen der rückgestreuten Strahlung ausgesetzt sind und folglich beide auch für eine so lange Zeitspanne übersteuert werden können, daß sie sich in dem dadurch hervorgerufenen Sättigungszustand auch dann noch befinden, wenn die Torschaltung bereits wieder geöffnet hat; hierdurch kann der Betrieb des Empfängers nachteilig beeinflußt werden, insbesondere im Hinblick auf Signale, die von naheliegenden Objekten reflektiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Empfänger eines Laser-Entfernungsmessers gegen Einflüsse von Störsignalen durch eine verbesserte Steuerschaltung für den Detektor unempfindlicher zu machen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung durch einen Laser-Entfernungsmesser mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der

Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfinder haben herausgefunden, daß bei den derzeit handelsüblichen Lawinendioden (z.B. auf Siliziumbasis), deren Quantenausbeute mit'der Temperatur ansteigt, die vom Hersteller empfohlene Betriebsspannung und die Durchbruchsspannung (welche für jede Fotodiode einen charakteristischen Wert besitzen) in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen dergestalt, daß bezogen auf eine Umgebungstemperatur von 22°C die Betriebsspannung um einen festen Prozentsatz unter der Durchbruchsspannung liegt. Im Falle der RCA C30895 Fotodioden ist dieser Prozentsatz 10%. Die Erfinder haben ferner herausgefunden, daß - wenn man dieses Verhältnis bei allen Betriebstemperaturen beibehält - im Falle der RCA C 30895 Fotodioden das von den Fotodioden erzeugte Shottrauschen sich selbst bei erhöhten Temperaturen in annehmbaren Grenzen hält, wohingegen die Quantenausbeute der Fotodioden mit steigender Temperatur im wesentlichen in demselben Ausmaß zunimmt wie die Innenverstärkung abnimmt, sodaß im Endeffekt

die Fotodioden mit konstanter Ansprechempfindlichkeit arbeiten (die Ansprechempfindlichkeit ist dem Produkt aus Quantenausbeute χ Innenverstärkung proportional). Die Erfindung ist in ihrer Anwendbarkeit aber nicht auf solche Fotodioden beschränkt, deren Quantenausbeute mit der Temperatur zunimmt, denn die Erfindung führt im Vergleich zum Stand der Technik auch dann zu verbesserten Ergebnissen, wenn Fotodioden verwendet werden, deren Quantenausbeu-Iu te mit steigender Temperatur sinkt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Figur 1 zeigt am Beispiel einer typ ischen Lawinendiode den Zusammenhang zwischen Vorspannung und Diodenverstärkung,

Figur 2 zeigt den Aufbau eines Laser-Entfernungsmessers in Form eines Blockdiagramms,

Figur 3 ist das Schaltbild einer Steuerschaltung für die Vorspannung einer Lawinendiode zur Verwendung in einem Entfernungsmesser

- ίο -

Figur 4 zeigt den zeitlichen Ablauf verschiedener Signale im Zusammenhang mit der Schaltung aus Figur 3.

Figur 1 zeigt, daß bei einer typischen Lawinendiode die Verstärkung mit zunehmender Vorspannung bis zu etwa 350 Volt Vorspannung allmählich ansteigt, im Bereich von etwa 350 V - 390 V jedoch steil von etwa 80 auf etwa 150 ansteigt und bei Vorspannungen oberhalb 390 V rasch auf Werte bis über 400 ansteigt.

Als Durchbruchsspannung V_R wird von allen Herstellern jene Spannung angegeben, bei welcher ein Strom von ca. 5 ^jA fließt; bei der RCA C 30895 Fotodiode liegt diese Durchbruchsspannung beispielsweise für eine Temperatur von 22° C im Bereich zwischen 355 V und 460 V und steigt mit zunehmender Temperatur um + 2,2 V/°C. Als Betriebsspannung wird bei der RCA C 30895 Fotodiode jene Spannung angegeben, bei welcher die Verstärkung bei 22°C den Wert 120 annimmt.

Der in Figur 2 dargestellte Entfernungsmesser verwendet eine derartige Lawinendiode im Detektor 10; die Vorspannung der Lawinendiode wird durch eine Steuerschal-

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tung 11 bestimmt, und dem Detektorausgang nachgeschaltet sind Verstärker- und Zählstufen 12 und als letztes ein Entfernungsanzeiger 13. Die Steuerschaltung 11 wird ihrerseits gesteuert durch Signale, welehe von zwei Ausgängen 14 und 15 einer Zeitsteuerschaltung (Timer 16) übermittelt werden, welche von einer Bedienungsperson mittels eines Schalters 17 in Gang gesetzt werden kann.

Nach dem Start der Zeitsteuerschaltung 16 erscheint an ihrem Ausgang 14 ein Lade-Freigabesignal, vorzugsweise von 50 ms Dauer, welches an einen Hochspannungs-Ladeschaltkreis 18 übermittelt wird. Anschließend erzeugt die Zeitsteuerschaltung 16 an ihrem Ausgang 14A einen 250 .us langen Steuerimpuls, welcher das Laser-Zündrohr triggert; letzteres gibt daraufhin einen 100 us langen Impuls ab, welcher das Lasermedium des Lasers 19 anregt. Nach dem 250 .us langen Steuerimpuls erzeugt die Zeitsteuerschaltung 16 an ihrem Ausgang 15 noch ein Freigabesignal von 100 ,us Dauer, welches durch eine Verzögerungsschaltung 20 um 100ns verzögert wird; das verzögerte Signal betätigt einen Güteschalter (u-Schalter) im

Laser 19 und führt nach einer durch den Schaltvorgang des Q-Schalters vorgegebenen weiteren Verzögerung von ca. 300 ns zum Auftreten eines Laser-Ausgangsimpulses 21. Der Laserimpuls 21 bzw. der reflektierte Anteil 23 dieses Laserimpulses wird nach seiner Reflexion vom Zielobjekt 22 vom Detektor 10 aufgefangen.

Die Steuerschaltung 11 ist so aufgebaut, daß sie nach dem Empfang des 50 ms langen Freigabesignals vom Ausgang 14 der Zeitsteuerschaltung 16 eine vorläufige Versorgungsspannung erzeugt, welche deutlich höher liegt als die Durchbruchsspannung des Detektors 10, z.B. in Höhe von 600 V, und diese Versorgungsspannung an den Detektor 10 sowie an eine Überwachungsschaltung 24 übermittelt, welche die Durchbruchsspannung des Detektors 10 bestimmt. Die Durchbruchsspannung ist zugleich die von der Überwachungsschaltung 24 am Detektor 10 angelegte, über dem Detektor IU abfallende Vorspannung. Nach dem anschließenden Empfang des 100 ,us langen Freigabeimpulses vom Ausgang 15 der Zeitsteuerschaltung 16 bewirkt die Steuerschaltung 11, daß die von der Überwachungsschaltung 24 an den Detektor 10 angelegte Vorspannung

nach ungefähr 200 ns, also unmittelbar vor dem Zünden des Lasers 19, auf Null reduziert und anschließend mit kontrollierter Anstiegsgeschwindigkeit auf einen Wert von nur 90% der vorher von der Überwachungsschaltung 24 angelegten Vorspannung angehoben wird. Der kontrollierte Anstieg der Vorspannung bewirkt einen glatten Anstieg der Empfindlichkeit des Empfängers innerhalb der Zeitspanne

bis
von 2,us / X-us nach dem Zünden des Lasers 19. Auf diese Weise besitzt die Fotodiode im Zeitraum bis zu 2 ,us nach dem Zünden des Lasers 19, in welchem eine evtl. Rückstreuung des Lasersignals von den optischen Elementen des Entfernungsmessers erwartet werden kann, keine brauchbare Verstärkung, und im Zeitraum zwischen 2 ,us und X ,us nach dem Zünden des Lasers 19, in welchem man Störungen durch atmosphärische Rückstreuung des Laserimpulses unterdrücken will, besitzt der Empfänger eine verminderte Verstärkung. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Empfang des Freigabesignals vom Ausgang 15 der Zeitsteuerschaltung 16 bewirkt die Steuerschaltung 11, daß die Vorspannung des Detektors (Fotodide 10) von ihrem Wert in Höhe der Betriebsspannung ausgehend

in Richtung auf ihre Durchbruchsspannung angehoben wird, und ggfs. fällt der Wert der Vorspannung auf Null ab, wenn die Versorgungsspannung vor dem Empfang eines nachfolgenden 50 ms langen Lade-Freigabeimpulses vom Ausgang 14 der Zeitsteuerschaltung 16 auf den Wert Null abfällt.

Da am Detektor 10 in dem Augenblick, zu welchem der Laser 19 gezündet wird, keine Vorspannung anliegt, besieht kaum Gefahr, daß der Empfänger durch Rückstreuung beschädigt wird; ferner besteht keine Gefahr, daß die Verstärker beim Eintreffen von Laserimpulsen, welche von im Nahbereich liegenden Zielobjekten reflektiert wurden, nicht übersteuert sind. Außerdem erreicht die Vorspannung des Detektors 10 am Ende der X ,us-Zeitspanne einen Wert, der dem vom Hersteller empfohlenen Wert der Betriebsspannung für maximale Empfindlichkeit angenähert ist.

Eine besonders geeignete Schaltung zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Operation ist schematisch in Figur 3 dargestellt, und die Formen der damit erzeugten Signale und ihre zeitliche Zuordnung

zueinander ergibt sich aus der Figur 4. Die in Girg. dargestellte Schaltung enthält einen Kondensator Cl, welcher über die Diode Dl in der Leitung 30 mit 600 V aufgeladen wird. Die Leitung 30 kommt vom Ausgang eines Spannungsgebers, dessen Eingang mit dem Ausgang des Ladungsschaltkreises 18 (Fig. 2) verbunden ist, wenn von der Zeitsteuerschaltung 16

ein 50 ms langer Lade-Freigabeimpuls abgegeben wird.

Der Kondensator Cl dient zum Bereitstellen der Vorspannung für die Fotodiode 10; der zeitliche Verlauf dieser Vorspannung, gemessen zwischen dem Punkt A und der OV-Basis, ist in Fig. 4 dargestellt; die Vorspannung steigt mit der Zeitkonstante T^ = R2 χ C6 vom Wert Null bis auf die Durchbruchsspannung an. Dies liegt an der Diode D3, welche parallel zum Kondensator C5 liegt, an dem parallel zum Widerstand R3 liegenden Kondensator C4 und daran, daß der Widerstand R4 sehr viel kleiner ist als der Widerstand R2. Der Widerstand R3 begrenzt den Strom durch die Fotodiode auf höchstens 100,UA bei Erreichen der Durchbruchsspannung und wird eine RCA C 30895 Fotodiode zu R3 = 22 M-CL gewählt. Dies beschränkt jedoch gleichzeitig die Anstiegsgeschwindigkeit der Vorspannung am Punkt A und eshalb ist der Kondensator C4 vorgesehen, dessen Kapazität etwa zehn-

mal größer als die Kapazität des Kondensators C6 gewählt wird. Folglich wird der Kondensator C6 nur bis auf etwa 90% der Versorgungsspannung am Kondensator C- , also auf höchstens etwa 540 Volt aufgeladen; dies liegt noch über der Durchbruchsspannung der Fotodiode 10, doch wenn die Fotodiode 10 ihre Durchbruchsspannung erreicht, wird das Niveau der Spannung am Kondensator C6 beschränkt und auf dem Wert der Durchbruchsspannung gehalten. 10

Währenddessen hat der IC 1, ein monostabiler integrierter Schaltkreis vom D-Typ, das Ausgangssignal Null und hält den Transistor TR 1 in seinem nichtleitenden Zustand. Der IC 1 wird durch das am Ausgang 15 der Zeitsteuerschaltung 16 (Fig. 2) auftretende Freigabesignal getriggert und erzeugt einen 100 ,us langen Toröffnungsimpuls, durch welchen der Transistor TR 1 leitend wird. Der Widerstand Rl zwischen dem IC 1 und der Basis des Transistors TR 1 dient zur Strombegrenzung und der dem Widerstand Rl parallel liegende Kondensator C3 ist ein Beschleunigungskondensator. Wenn der Transistor TR durchgeschaltet wird, werden die Punkte A und B rasch

auf Spannungsniveau.Null gebracht, können aber wegen der Diode D2 nicht negativ werden, weil

der

der Kondensator C6 den Kondensator C5 mit/Zeitkontante T„ = C5 χ R4 auf jenes Spannungsniveau aufzuladen sucht, welches vom Kondensator C6 gespeichert wurde. Weil der Kondensator C6 jedoch hinsichtlich des Ladestromes, den er an den Kondensator C5 übermittelt, mit diesem in Reihe geschaltet ist und C : C₅ = 10 : 1 ist, kann die Spannung

des Kondensators C5 höchstens 90% der Durchbruchsspanhung erreichen, was die ausgewählte Betriebsspannung für die Fotodiode 10 ist. Am Ende des Toröffnungsimpulses, welcher vom IC 1 abgegeben wurde, kehrt der Transistor TR 1 in seinen nichtleitenden Zustand zurück, sodaß die Versorgungsspannung am Kondensator Cl erneut am Punkt A anliegt und zu einer erhöhten Vorspannung an der Fotodiode 10 führt, welche dann allmählich auf den Wert Null abfällt so wie die im Kondensator Cl gespeicherte Ladung durch die Fotodiode 10 abgeleitet wird.

Das Video-Ausgangssignal der Fotodiode wird an

der Anode über einen Kondensator C7 (Kapazität 10 pF) abgenommen, welcher in Kombination mit zwei entgegengesetzt gepolten Dioden D4, D5 verhindert, daß große Einschwingimpulse beider Polarität in den Verstärker und Zähler 12 eingespeist werden (Figur 2). Die Diode Dl verhindert, daß sich der Kondensator Cl rückwärts über die Leitung zum Ausgang 14 der Zeitsteuerschaltung 16 entlädt. 10

In der in Figur 3 dargestellten Schaltung mißt der Kondensator C6 die Höhe der Durchbruchsspannung der Fotodiode 10 bei allen Temperaturen, unter denen der Entfernungsmesser arbeitet, und der IC 1 und der Transistor TR 1 steuern gemeinsam die Vorspannung der Fotodiode 10 in der Weise, daß die Vorspannung Null ist, wenn der Laser zündet, sodaß der Empfänger des Entfernungsmessers gegen Rückstreuung des Laserlichts von den optischen Elementen des Entfernungsmessers geschützt ist; anschließend arbeitet die Schaltung ähnlich einer solchen mit zeitprogrammierter Verstärkung in der Weise, daß die Fotodiode während einer Zeitspanne, in der man Störungen durch atmosphärische Rückstreuung

von Teilen eines Laserimpulses unterdrücken will, mit reduzierter Empfindlichkeit betrieben wird, und daß daran anschließend die Vorspannung der Fotodiode 10 für eine solche Zeitspanne auf dem Niveau der üblichen (vom Hersteller empfohlenen) Betriebsspannung der Fotodiode 10 gehalten wird, daß ein vom angepeilten, im vorgegebenen Entfernungsbereich liegenden Zielobjekt zurückgeworfener Laserimpuls empfangen und verarbeitet wird, ehe der Empfänger aufs neue unempfindlich wird. Die Fotodiode arbeitet mit einer überwiegend linearen Verstärkungs/Zeit-Charakteristik und erreicht ihre maximale Verstärkung in einem Zeitintervall der Länge 3,5 T„, wobei die Verstärkung des Empfängers am unteren Ende des Entfernungsbereiches um mehr als 40 dB reduziert ist.

Claims

DR. RUDOLF BAUER · DIPL.-ING. HELWfUT HUBBUCH DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER

WESTIlCHt 39 31(AMLFOPOIDPiAT?,

D-7530 PFORZHEIM iwest Germany.

β 10723t] 102290/70 TELEGRAMME PATMARK

16. März 1982 III/Wa

Barr & Stroud Limited, Glasgow G13 IHZ, Schottland (Großbritannien)

Laser-Entfernungsmesser

Patentansprüche;

(1.JLaser-Entfernungsmesser, dessen Empfänger eine Fotodiode in Gestalt einer Lawinendiode enthält, deren zeitabhängige Vorspannung von einer Schaltung geliefert wird, welche vom Laserübertrager zeitabhängig in der Weise gesteuert wird, daß die Vorspannung während der Zündung des Lasers Null ist und innerhalb eines vorgewählten Zeitintervalls nach der Zündung des Lasers auf einen Endwert ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß der lü Endwert der Vorspannung der Fotodiode (10) i.w. um einen festen Bruchteil unterhalb ihrer üurchbruchsspannung V liegt, welche unmittelbar vor der Zündung des Laser-Übertragers (19) anliegt,

und daß die vom Laser-Übertrager (19) gesteuerte Schaltung (11,24) eine Einrichtung (6) zum Bestimmen der bei der jeweils herrschenden Betriebstemperatur gegebenen Durchbruchsspannung V_n unmittelbar vor dem Zünden des Laser-Übertragers (19) enthält.
2. Laser-Entfernungämesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Laser-Übertrager (19) gesteuerte Schaltung (11,24) eine erste Spannungsquelle (Cl) mit einem deutlich über der Durchbruchsspannung V_ß liegenden Spannungspegel aufweist, deren Spannung unmittelbar vor dem Zünden des Laser-Übertragers (19) an der Fotodiode

(10) anliegt und die dann über der Fotodiode (IU) abfallende Durchbruchsspannung V_ bildet.
3. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Spannungsquelle, deren Spannung die zeitabhängig sich ändernde Vorspannung der Fotodiode (10) bildet, eben jene Einrichtung (C6) zur Bestimmung der Durchbruchsspannung Vq vorgesehen ist.
4. Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Bestimmung der Durchbruchsspannung V einen ersten Kondensator (C6) enthält, welcher parallel zur Fotodiode (10) liegt, während an dieser die Spannung aus der ersten SpannungsqueVe (Cl) anliegt,

und daß die vom Laser-Übertrager (19) gesteuerte Schaltung (11,24) einen zeitabhängig vom Laser-

Übertrager (19) gesteuerten Schalter (TRl) enthält, der bei Betätigung den ersten Kondensator (C6) zur zweiten Spannungsquelle für die Fotodiode (10) macht und einen zweiten Kondensator (C5) in Reihe mit der Fotodiode (10) schaltet, wobei das Verhältnis der Kapazitäten dieser beiden Kondensatoren (C5, C6) den Bruchteil bestimmt, den der Endwert der Vorspannung der Fotodiode (10) unter ihrer jeweiligen Durchbruchsspannung V_ß liegt.