DE3310055C2

DE3310055C2 - Laser rangefinder

Info

Publication number: DE3310055C2
Application number: DE3310055A
Authority: DE
Inventors: Günter 6906 Leimen Wichmann
Original assignee: Eltro GmbH, Gesellschaft für Strahlungstechnik, 6900 Heidelberg
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 1982-04-28
Filing date: 1983-03-19
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DE3310055A1

Abstract

Das Empfangssignal (3Δ) des nach dem Impulslaufzeitprinzip mit einer Sendereinheit (1) und einer ersten Empfän ger einheit (2) arbeitenden Laserentfernungsmessers wird von einem vom Senderimpuls abgeleiteten Nadelimpuls (5) so abgetastet, daß ein erstes niederfrequentes Abbild (10) entsteht. Die bei sehr genauen Messungen auf große Entfernungen hin störende Nichtlinearität der Phasenmodulation des Nadelimpulses wird dadurch behoben, daß die Schwingungen eines hochfrequenten Quarzoszillators (8) einer zweiten Empfängereinheit (2Δ) zugeführt werden, in der sie von demselben Nadelimpuls (5) abgetastet und - in adäquater Weise - ebenfalls in ein niederfrequentes Abbild (10Δ) verwandelt werden. Ein Zähler (12) zählt dann ab dem Start des Niederfrequenzvorganges die Anzahl der niederfrequenten Nulldurchgänge des Oszillators, wobei alle Fehler entfallen.The received signal (3Δ) of the laser rangefinder, which operates according to the pulse transit time principle with a transmitter unit (1) and a first receiver unit (2), is scanned by a needle pulse (5) derived from the transmitter pulse in such a way that a first low-frequency image (10) is created. The non-linearity of the phase modulation of the needle pulse, which is disruptive for very precise measurements over long distances, is remedied by feeding the oscillations of a high-frequency quartz oscillator (8) to a second receiver unit (2Δ), in which they are scanned by the same needle pulse (5) and - in an appropriate manner - also converted into a low-frequency image (10Δ). A counter (12) then counts the number of low-frequency zero crossings of the oscillator from the start of the low-frequency process, whereby all errors are eliminated.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Laserentfernungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to the laser rangefinder according to the preamble of claim 1.

Diese ansonsten durchaus brauchbare Art von Laserentfernungsmesser berücksichtigt jedoch nicht die Nichtlinearität der Phasenmodulation des vom Senderimpuls abgeleiteten und definiert zeitverzögert das Signal der Empfangsdiode abtastenden Nadelimpulses, was zu Schwierigkeiten führt, wenn man sehr genau - etwa mit Abweichungen < 1% - messen will, da durch eine solche Nichtlinearität auch Fehler der Zeitachse des in den niederfrequenten Bereich umgesetzten Signalimpulses auftreten.However, this otherwise perfectly usable type of laser rangefinder does not take into account the non-linearity of the phase modulation of the needle pulse derived from the transmitter pulse and defining the signal of the receiver diode with a time delay, which leads to difficulties if one wants to measure very precisely - for example with deviations < 1% - since such a non-linearity also leads to errors in the time axis of the signal pulse converted into the low-frequency range.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Laserentfernungsmesser auch noch hinsichtlich seiner durch die Nichtlinearität der Phasenmodulation des Nadelimpulses bewirkten vergleichsweise geringen Ungenauigkeiten zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.The invention is based on the object of improving the generic laser rangefinder with regard to its comparatively low inaccuracies caused by the non-linearity of the phase modulation of the needle pulse. This object is achieved according to the invention by the features stated in the characterizing part of claim 1.

Auf diese Weise fallen alle Fehler, die bei der Phasen- bzw. Laufzeitmodulation entstehen, weg. Außerdem braucht die erforderliche Zählung der Nulldurchgänge nicht mehr im Hochfrequenzbereich zu erfolgen; dadurch ergibt sich der für manche Verwendungszwecke bedeutsame Vorteil, daß auf weite Entfernungen extrem genau gemessen werden kann. Während die Grenzen der augenblicklich am Markt verfügbaren Zählbausteine bei etwa 500 MHz liegen, was etwa einer Entfernungsänderung (Meßgenauigkeit) von 30 cm entspricht, vermag der erfindungsgemäße Entfernungsmesser eine Quarzoszillatorfrequenz bis zu ca. 20 GHz umzusetzen, was einer Entfernungsänderung von 0,75 cm entspricht.In this way, all errors that arise from phase or runtime modulation are eliminated. In addition, the required counting of the zero crossings no longer needs to be carried out in the high frequency range; this results in the significant advantage for some applications that extremely precise measurements can be made over long distances. While the limits of the counting components currently available on the market are around 500 MHz, which corresponds to a distance change (measurement accuracy) of around 30 cm, the rangefinder according to the invention can implement a quartz oscillator frequency of up to around 20 GHz, which corresponds to a distance change of 0.75 cm.

Darüber hinaus wird es möglich, durch gezielte Oberwellenbildung im NF-Bereich etwa das 5- oder 10fache dieser Oszillatorfrequenz herauszufiltern, so daß die Meßgenauigkeit eines solchen Systems mühelos auch noch bis in den Bereich von einigen Millimetern oder gar Bruchteilen davon möglich wird.In addition, it is possible to filter out about 5 or 10 times this oscillator frequency by deliberately creating harmonics in the LF range, so that the measurement accuracy of such a system can easily be achieved down to a range of a few millimeters or even fractions thereof.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.A further development of the invention is the subject of the subclaims.

Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigtIn the following, an embodiment of the invention is explained in more detail with reference to a drawing, wherein the parts corresponding to one another in the individual figures have the same reference numerals. It shows

Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessers, Fig. 1 is a block diagram of the laser rangefinder according to the invention,

Fig. 2 das elektronische Schaltbild des den Nadelimpuls betreffenden Teils des Laserentfernungsmessers gemäß Fig. 1, und Fig. 2 shows the electronic circuit diagram of the needle pulse part of the laser rangefinder according to Fig. 1, and

Fig. 3 ein die Nichtlinearität zwischen Empfangssignal und abtastendem Nadelimpuls verdeutlichendes Impulsdiagramm. Fig. 3 is a pulse diagram illustrating the non-linearity between the received signal and the scanning needle pulse.

In Fig. 1 und 2 wird ein bestimmter Anteil 3&min; des von dem Sender 1 ausgestrahlten Lasersenderimpulses 3, dessen Folgefrequenz bekannt ist, nach Reflexion an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ziel, von dem Empfänger 2 empfangen. Zu diesem Zweck wird in dem Bauteil 4 ein Nadelimpuls 5 - im Laborjargon auch als Samplingimpuls bezeichnet - erzeugt, der von dem Senderimpuls abgeleitet ist und die gleiche Folgefrequenz aufweist, wie der Empfangsimpuls 3&min;, jedoch gegenüber diesem durch den Modulator 6 phasenmoduliert ist. Hierdurch trifft der Nadelimpuls 5 von Periode zu Periode mit einem anderen Momentanwert des Senderimpulses 3 bzw. dessen reflektiertem Anteil 3&min; zusammen. Man sagt auch, der Empfangsimpuls wird von dem Nadelimpuls abgetastet.In Fig. 1 and 2, a certain portion 3' of the laser transmitter pulse 3 emitted by the transmitter 1 , the repetition frequency of which is known, is received by the receiver 2 after reflection at a target not shown in the drawing. For this purpose, a needle pulse 5 - also known as a sampling pulse in laboratory jargon - is generated in the component 4 , which is derived from the transmitter pulse and has the same repetition frequency as the reception pulse 3' , but is phase-modulated relative to the latter by the modulator 6. As a result, the needle pulse 5 coincides from period to period with a different instantaneous value of the transmitter pulse 3 or its reflected portion 3' . It is also said that the reception pulse is sampled by the needle pulse.

In der Folge gelangen Empfangsimpuls 3&min; und Nadelimpuls 5 über die Diode 13 auf den Kondensator 14 ( Fig. 2). Zwischen Diode und Kondensator zweigt der Verstärker 15 ab. Am Kondensator entsteht eine Sägezahnspannung, deren Spitzenamplitude der Summe beider Momentanwerte entspricht. Bei Vorhandensein des Signalimpulses entsteht auf diese Weise ein niederfrequentes, einem zeitlich gedehnten Originalimpuls entsprechendes Signal 10. Insoweit sind diese Ausführungen auch Gegenstand der älteren Patentanmeldung DE-PS 32 15 845. Eine in den Fig. 1 und 2 gestrichelt eingezeichnete Markierungslinie grenzt hierbei zeichnerisch das bisher Gesagte gegenüber der in der Folge beschriebenen Erfindung ab.The received pulse 3' and needle pulse 5 then reach the capacitor 14 via the diode 13 ( Fig. 2). The amplifier 15 branches off between the diode and the capacitor. A sawtooth voltage is generated at the capacitor, the peak amplitude of which corresponds to the sum of the two instantaneous values. If the signal pulse is present, a low-frequency signal 10 is generated in this way, which corresponds to a temporally extended original pulse. In this respect, these embodiments are also the subject of the older patent application DE-PS 32 15 845. A dashed marking line in Figs. 1 and 2 graphically delimits what has been said so far from the invention described below.

Fig. 3 zeigt nun bei a) einen Impuls des am Ziel reflektierten Lasersignals 3&min;, während bei b) mit A bis A ^V die durch die Phasenmodulation des abtastenden Nadelimpulses 5 erzeugte variable Verzögerung gegenüber ersterem Impuls angedeutet ist. Diese variable Verzögerung erfordert für extrem genaue Entfernungsmessungen eine so hohe Linearität, wie sie in der Praxis nicht realisierbar ist. Um diese hohe Linearität überflüssig zu machen, wird nun vorgeschlagen, über das in den Fig. 1 und 2 unterhalb der gestrichelten Markierungslinie dargestellte zweite Empfangssystem die Signale des Quarzoszillators 8 zu empfangen, deren niederfrequentes Abbild 10&min; auf der Zeitachse genau die gleichen Linearitätsfehler enthält wie sie auf der Zeitachse des NF- Abbildes des Senderimpulses entstehen. Voraussetzung hierbei ist, daß der Nadelimpuls 5 für beide Systeme derselbe ist. Fig. 3 now shows at a) a pulse of the laser signal 3' reflected at the target, while at b) A to A ^V indicate the variable delay compared to the first pulse, generated by the phase modulation of the scanning needle pulse 5. This variable delay requires such a high linearity for extremely precise distance measurements that is not possible in practice. is feasible. In order to make this high linearity superfluous, it is now proposed to receive the signals of the quartz oscillator 8 via the second receiving system shown in Fig. 1 and 2 below the dashed marking line, the low-frequency image 10' of which on the time axis contains exactly the same linearity errors as those that arise on the time axis of the LF image of the transmitter pulse. The prerequisite for this is that the needle pulse 5 is the same for both systems.

Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, speist der Oszillator 8 die weitere Empfängereinheit 2&min;, die von demselben Nadelimpuls 5 abgetastet wird. Oszillatorschwingungen 9 und Nadelimpuls 5 gelangen wieder über eine Diode, die Diode 13&min;, auf einen Kondensator, der hier die Bezugszahl 14&min; trägt. Zwischen Diode und Kondensator zweigt der Verstärker 15&min; ab. An dem Kondensator entsteht auch hier ein NF-Abbild, in diesem Fall der hochfrequenten Oszillatorschwingungen.As can be seen from Fig. 1 and 2, the oscillator 8 feeds the further receiver unit 2' , which is scanned by the same needle pulse 5. Oscillator oscillations 9 and needle pulse 5 are again passed via a diode, the diode 13' , to a capacitor, which here has the reference number 14' . The amplifier 15' branches off between the diode and the capacitor. Here too, an LF image is created on the capacitor, in this case the high-frequency oscillator oscillations.

In Fig. 1 wird sodann über den NF-Verstärker 7&min; das verstärkte Signal 10&min; gewonnen, welches dem Zähler 12 zugeführt wird. Letzterer wird durch einen von dem Modulationsgenerator 11 gewonnenen Impuls bei jedem neuen Niederfrequenzvorgang gestartet und zählt die Nulldurchgänge des niederfrequenten Abbildes des HF-Quarzoszillators 8 bis zum Eintreffen des Stoppsignals, was aus dem Signalimpuls der Empfängereinheit 2 herrührt. Hierbei entfallen alle Fehler, die bei der Phasen- bzw. Laufzeitmodulation des Nadelimpulses entstehen.In Fig. 1, the amplified signal 10' is then obtained via the LF amplifier 7' , which is fed to the counter 12. The latter is started by a pulse obtained from the modulation generator 11 at each new low-frequency process and counts the zero crossings of the low-frequency image of the HF quartz oscillator 8 until the stop signal arrives, which comes from the signal pulse of the receiver unit 2. This eliminates all errors that arise during the phase or runtime modulation of the needle pulse.

Ein solcher Laserentfernungsmesser ist z. B. für einen Abstandssensor verwendbar. Er ist aber grundsätzlich für alle Verwendungszwecke, bei denen auf weite Entfernungen mit großer Genauigkeit gemessen werden soll, einsetzbar. Als weiteres Beispiel sei etwa das Brückenschlagen durch Pioniere erwähnt.Such a laser rangefinder can be used, for example, for a distance sensor. However, it can generally be used for all purposes where measurements over long distances are required with great accuracy. Another example is the building of bridges by pioneers.

Claims

1. Laser rangefinder with a transmitter unit and a first receiver unit ( 2 ), which operates according to the pulse transit time method and has a first LF amplifier ( 7 ) for the received signal ( 3' ), which is sampled by a defined, time-delayed and modulated needle pulse ( 5 ) derived from the transmission pulse ( 3 ), so that a first low-frequency image ( 10 ) of the received pulse is created, which is fed to a trigger circuit connected downstream of the LF amplifier, according to patent DE-PS 32 15 345, characterized in that

a) depending on the desired distance measurement accuracy, high-frequency oscillations ( 9 ) are generated in an oscillator ( 8 ),

b) the high-frequency oscillations ( 9 ) are converted into a second low-frequency image ( 10' ) with the needle pulse ( 5 ), and

c) from the start of the low frequency process, the low frequency zero crossings of these high frequency oscillations ( 9 ) converted into the low frequency range are counted by a modulation generator ( 11 ).

2. Laser rangefinder according to claim 1, characterized in that the high-frequency oscillations ( 9 ) from the oscillator ( 8 ) are sampled by the needle pulse ( 5 ) in a second receiver unit ( 2' ) connected downstream thereof, thereby generating the low-frequency image ( 10' ), and the output of this second receiver unit is connected to a counter ( 12 ) via a second LF amplifier ( 7' ), and the counter receives a pulse from the modulator ( 11 ) to start the counting process and is stopped with the LF reception signal coming from the first receiver unit ( 2 ) and amplified in the first LF amplifier ( 7 ).

3. Laser rangefinder according to claim 2, characterized in that a frequency-constant quartz oscillator is used as the oscillator ( 8 ).