DE3311727C2

DE3311727C2 - Vorrichtung zur Ermittlung der Länge einer Meßstrecke mittels Laufzeitmessung von Impulssignalen

Info

Publication number: DE3311727C2
Application number: DE3311727A
Authority: DE
Inventors: Peter Berneck Frank; Kurt Heerbrugg Giger
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1982-05-06
Filing date: 1983-03-30
Publication date: 1986-09-25
Also published as: CH644243GA3; CH644243B; US4615617A; FR2526557B1; SE8302216L; JPS593288A; DE3311727A1; FR2526557A1; SE454554B; GB2120039A; GB2120039B; SE8302216D0; GB8312183D0

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von elektrischen Impulssignalen, insbesondere in Verbindung mit elektro-optischen Entfernungsmessern. Ein Grobmeßzähler (2a) mißt Taktperioden eines Quarzoszillators (1), während ein Feinmeß interpolator (12) die Restzeit bis zum Auftreten des nächsten Taktimpulses ermittelt. Eine Restzeit zu Beginn des Meßintervalls wird dadurch vermieden, daß Mittel (40, 41) zur exakten Synchronisierung des Meßbeginns mit einer Taktimpulsflanke (n + 2) des Quarzoszillators vorgesehen sind. Vorzugsweise finden zwei hinteneinandergeschaltete, durch die Taktimpulse (n, n + 1, n + 2) getriggerte Kippschaltungen (40, 41) Verwendung, mit deren Hilfe ein Startsignal zur Auslösung des Meßvorganges auf eine Steuerleitung (21) geschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Länge einer Meßstrecke mittels Laufzeitmessung von Impulssignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der Nachrichtentechnischen Zeitschrift, 1973, Heft 9, Seiten 435 bis 440, bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der zeitliche Abstand zwischen einem Sendesignal und einem Empfangssignal als Maß für die Entfernung benutzt Zwischen diesen beiden Signalen werden die Impulse gezählt, die ein Quarzoszillator mit fester Frequenz in einer Auswerteschaltung liefert. Das Sendesignal wird als Startsignal und das Empfangs- bzw. Echosignal wird als Stopsignal für die Auswerteschaltung benutzt. Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß zwischen dem die Impulszählung beginnenden Sendesignal (Startsignal) und dem die Impulszählung beendenden Empfangssignal (Echosignal) einerseits und den Impulsen des Quarzoszillators andererseits keine Korrelation besteht. Daher bleiben am Anfang und Ende der Impulszählung Restzeiten unberücksichtigt, die für die Entfernungsmessung nicht ausgewertet werden. Jede dieser nicht erfaßten Restzeiten ist kleiner als eine volle Mcß-Impulsperiode. Für eine grobe Entfernungsmessung im. Kilometer- und Meterbereich ist die Vernachlässigung dieser Restzeiten durchaus zulässig. Für genaue Entfernungsmessungen im Zentimeter- und Millimetcrbercich reicht jedoch die erwähnte Meßmethode nicht mehr aus.

Durch die DE-OS 28 42 450 und die US-PS 35 41 448 sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die in einer Grobmessung die Entfernung erfassen und in einer zusätzlichen Feinmessung die zufälligen Restzeiten berücksichtigen. Aus beiden Messungen wird dann die genaue Entfernung abgeleitet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art die Meßgenauigkeil zu verbessern. Insbesondere soll die Vorrichtung für genaue Entfernungsmessungen im Zentimeter- und Millimeterbereich geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung isi es möglich, durch Synchronisation des Sendesignals mit den Impulsen des Taktgenerators die Restzeit zu Beginn der Messung zu eliminieren. Ferner kann vor der eigentlichen Entfernungsmessung durch Einschalten der Rcferenzstrecke zwischen den Emitter und den Empfänger eine Kalibrierung vorgenommen werden, bei der Verzögerungszeiten der Signale innerhalb der Vorrichtung bestimmt werden können und danach bei der Entfernungsmessung durch Abziehen vom dann festgestellten Wert berücksichtigt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Blockschaltbild der beschriebenen Vorrichtung mit einer Auswerteschaltung;

F i g. 2 ein Flußdiagramm für den Meßablauf;

Fig.3 Einzelheiten eines Ausführungsbeispjels der Schaltungseinrichtung 2 gemäß F i g. 1, und F i g. 4 Zeitdiagramme für das Beispiel gemäß F i g. 3.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Quarzoszillator 1, der über eine Schalteinrichtung 2 und einen Treiber 3 einen Impulssender 4 steuert, dessen optische Ausgangsimpulssigna- ίο Ie wahlweise über eine Eichstrecke 5 oder mit Hilfe von Lichtweg-Umschaltern 6 über eine Sendeoptik 7 auf eine Meßstrecke 81 gegeben werden. Nach Reflexion an einem in der Figur nicht dargestellten Ziel erreichen die reflektierten Impulse über eine Rücklaufstrecke 82 eine Empfangsoptik 8. Ein Empfänger 10, beispielsweise eine lichtempfindliche Diodenschaltung, empfängt je nach Position der Lichtweg-Umschalter 6 entweder Lichtimpulse über die Eichstrecke 5 oder von der Empfangsoptik 8 aufgenommene Lichtimpulse von der Rücklaufstrecke 82. Zur Betätigung der Lichtweg-Umschalter 6 ist eine von der Logikschaltung 13 betätigbare Steuerschaltung 15 vorgesehen.

Die vom Empfänger 10 aufgenommenen Signale werden über einen Verstärker 11 einem Zeitinterpolator 12 zugeleitet. Dieser arbeitet mit einer Logikschaltung 13 und einer Eichschaltung 14 sowie mit der Schalteinrichtung 2 zusammen.

Im folgenden wird die Funktion und das Zusammenwirken der in F i g. 1 gezeigten Schaltungsblöcke näher beschrieben. Zur Auslösung eines Meßzyklus wird ein Triggersignal auf einen Triggersignaleingang 132 der Logikschaltung 13 gegeben. Daraufhin erscheint auf einer Startleitung 133 ein Signal, weiches der Eichschaltursg !4 zugeführt wird und den Eichvorgang des Zeiiinlerpolators 12 auslöst. Die Eichschaltung 14, welche über eine Taktleitung 110 die Referenzimpulse des Quarzoszillators 1 zugeführt bekommt, erzeugt aufgrund der Impulsflanken des Quarzoszillators 1 Start- und Stopsignale mil genau definierten Zeitabständen, welche dem Zeitinterpolator 12 zugeführt werden. Über die Interpolator-Ausgangsleitung 121 gelangen die interpolierten Werte in die Logikschaltung 13, wo sie zunächst abgespeichert werden, um bei der späteren Bewertung der Meßstrecke Verwendung zu finden. Über eine Signalleitung 134 wird die Steuerschaltung 15 so beeinflußt, daß der Lichtweg-Umschalter 6 vom Sender 4 ausgehende Signale auf die Eichstrecke 5 umschaltet, von wo aus sie auf Jen Empfänger 10 gelangen Über eine Ansteuerleitung 23 wird die Schalteinrichtung 2 durch die Logikschaltung 13 derart angesteuert, daß sie aufgrund des nächsten Taktimpulses auf der Taktleitung 110 ein Startsignal auf die Treiberleitung 21 gibt, welches über den Treiber 3 den Sender 4 zur Abgabe eines Lichtimpulses ansteuert. Gleichzeitig wird eir im Schaltglied 2 enthaltener Grobmeßzähler 2a aktiviert. Der vom Sender 4 abgegebene Lichtimpuls gelangt über die Eichstrecke 5 auf den Empfänger 10 und danach über den Verstärker 11 auf den Zeitinterpolator 12. Dieser startet eine Zeitinterpolation und stoppt über eine Stopleitung 20 den Grobmeßzähler 2a. Die Zeitintcrpolation wird mit dem nächst folgenden Taktimpuls des Quarzoszillators 1 über eine Interpolations-Stopleitung 22 gestoppt.

Die Logikschaltung 13 erhält über eine Zählleitung 25 die vom Grobmeßzähler gezählten Impulsflanken und über die Interpolator-Ausgangsleitung 121 die interpolierten Werte des Abstandes zwischen dem Stopsignal und dem zeitlich nachfolgender. Taktsignal des Quarzoszillators 1. Je nach Genauigkeitsanforderungen kann sich dieser Vorgang verschiedene Male wiederholen, so daß sich π Messungen ergeben. Nach diesem Meßvorgang über die Eichstrecke 5 erfolgt eine Anzahl m Einzelmessungen auf das in F i g. 1 nicht dargestellte zu vermessende Objekt, von dem die Lichtimpulse als Echosignale über die Rücklaufstrecke 82 reflektiert werden.

Der zeitliche Ablauf des Eichvorganges im Zeitinterpolator, den Messungen über die geräteinterne Eichstrecke 5 und den Messungen bezogen auf das zu vermessende Objekt kann den entsprechenden Genauigkeitsanforderungen angepaßt werden.

Der Lichtweg-Umschalter 6 kann entweder eine mechanische Blende sein, die mit großer Geschwindigkeit einmal in eine Position zur Sperrung der Meßstrecke oder in eine andere Position zur Sperrung der Eichstrekke 5 bewegt wird. Der Umschalter 6 kann auch aus je einer Kerr-Zelle 6a, 6b bestehen. Je eine Kerr-Zelle ist in der Meßstrecke und in der Eichstrecke vorgesehen. Die beiden Kerr-Zellen werden abwechselnd elektrisch beeinflußt, so daß entweder die Eichstrecke 5 oder die Meßstrecke gesperrt sind. Der Licht weg-Umschalter 6 kann auch aus einem elektrooptischen Keramikelement bestehen. Dieses elektrooptische Keramikelement funktioniert so, daß je nach Richtung des angelegten elektrischen Feldes die Lichtimpulse aus dem Sender 4 entweder auf die Eichstrecke 5 oder auf die Meßstrecke gelangen. Die Bewertung der Meßstrecke erfolgt nun mit Hilfe der zuvor gespeicherten Meßwerte in der Logikschaltung 13. Der sich hieraus ergebende Entfernungswert gelangt dann über eine Ausgangsleitung 131 auf eine in F i g. 1 nicht dargestellte Anzeigevorrichtung oder auf einen Drucker. Dort wird die VVegsircckc zwischen dem Sender 4 und dem Empfänger 10 und dem nicht gezeichneten Ziel in einem Längenmaß, z. B. in Meter, Zentimeter, Millimeter oder Inches, sichtbar gemacht. In Fig. 2 ist der Meßablauf in Form eines Flußdiagramms zusammenfassend dargestellt.

Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Schalteinrichtung 2 gemäß F i g. 1 zur Erzeugung der Startimpulse für den Sender 4. Eine impulsgetriggerte Kippschaltung 40 ist mit ilirem Signaleingang D mit der Ansteuerleitung 23 verbunden, während das Steuersignal von der Taktleitung 110 übernommen wird. Dem Ausgang ζ)der Kippschaltung 40 ist über eine Verbindungsleitung 26 eine zweite impulsgetriggerte Kippschaltung 41 nachgeschaltet, die ebenfalls von der Taktleitung 110 gesteuert ist und deren Ausgang Q mit der Steuerleitung 21 in Verbindung steht, welche zum Treiber 3 führt.

Im folgenden wird die Funktion der in F i g. 3 gezeigten Schaltungseinrichtung anhand von Zeitdiagrammen in F i g. 4 näher erläutert. Die Zeitdiagramme zeigen den zeitlichen Verlauf der Signale auf der Taktleitung 110, der Ansteuerleitung 23, der Verbindungsleitung 26 und der Steuerleitung 21. Wenn eine Messung ausgeführt werden soll, erscheint auf der Ansteuerleitung 23 ein Triggersignal. Die nächste Impulsflankt' des vom Quarzoszillator 1 ausgehenden Taktsignals auf der Taktleitung 110 bringt das erwähnte Triggersignal auf die Verbindungsleitung 26. Das resultierende Signal ist jedoch noch nicht genügend genau synchron zur Impulsflanke des Taktsignals auf Taktleitung 110, weil di^ erste impulsgetriggerte Kippschaltung 40 die Eigenschaft hat, die Verzögerung zwischen der Taktimpulsflanke und dem Signal auf der Verbindungsleitung 26 zu ändern, je nachdem, zu welchem Zeitpunkt das Triggersignal auf

der Ansteuerleitung 23 erscheint, was in Fig.4 mit den
schraffierten Flächen angedeutet ist. Bei Erscheinen des
Taktimpulses /7 + 2 folgt das Signal auf der Steuerleitung 21 absolut synchron, wodurch die Ansteuerung des
Senders 4 synchron zu den als Zählimpulsen dienenden 5 Taktimpulsen erfolgt. Dadurch werden Restzeiten am
Anfang der Impulszählung vermieden. Für die genaue
Messung genügt daher die Erfassung der Restzeiten am
Ende der Impulszählung.

io

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

15

20

25

30

40

45

50

55

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Länge einer Meßstrecke mittels Laufzeitmessung von Impulssi- s gnalen, mit einem Taktgenerator zum Erzeugen von elektrischen Impulsen vorgegebener Periode, einem mit dem Taktgenerator verbundenen Emitter zum Aussenden von optischen Impulsen auf eine Meßstrecke, einem Empfänger zum Empfangen der optisehen Impulse nach Durchlauf der Meßstrecke und einer Auswerteschaltung mit einem Grobmeßzähler zur Zählung der Anzahl von Impulsen vorgegebener Periode zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung und dem des Empfangs eines optischen Impulses und is mit einem Feinmeßinterpolator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzstrecke (5) zwischen den Emitter (4) und den Empfänger (10) anstelle der Meßstrecke (81,82) einschaltbar ist, und daß die Auswerteschaltung (2, 2a, 12, 13, 14) eine Schaltung (2)i zur exakten Synchronisierung der vom Emitter (4) ausgesendeten optischen Impulse mit einer Flanke eines vom Taktgenerator (1) erzeugten elektrischen Impulses aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (2, 2a, 12, 13, 14) eine an einem Ausgang mit dem Emitter (4) verbundene Schalteinrichtung (2), eine mit der Schaltung (13) und dem Taktgenerator (1) verbundene Eichschaltung (14), einen Zähler (2a) zum Zählen ganzer Perioden der vom Taktgenerator (1) empfangenen Impulse sowie einen Zeitinterpolator (12), der eingangsseitig mit dem Empfänger (10) und mit der Eichschaltung (14) und ausgangsseitig mit dem Zähler (2a) und der Schaltung (13) verbunden ist. auf- is weist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (2) zwei hintereinandergeschaltete impulsge'riggerte Kippschaltungen (40,41) aufweist, welche an ihrem ersten Eingang über eine Taktleitung (110) an den Taktgenerator (1) angeschlossen sind, daß ein zweiter Eingang der ersten Kippschaltung (40) über eine Ansteuerleitung (23) an die Schaltung (13) angeschlossen ist, daß ein Ausgang (Q) der ersten Kippschaltung (40) über eine Verbindungsleitung (26) an einen zweiten Eingang der zweiten Kippschaltung (41) angeschlossen ist und daß ein Ausgang der zweiten Kippschaltung (41) über eine Speiseleitung (21) mit einem Treiber (3) des Emitters (4) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung

(6a, 6b) zur wahlweisen Umschaltung der vom Emitter (4) ausgesendeten optischen Impulse auf die Referenzstrecke (5) oder die Meßstrecke (81,82).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (6a, 6b) eine in der Meßstrecke (81, 82) angeordnete erste Kerr-Zelle (6a) und eine in der Referenzstrecke (5) angeordnete zweite Kerr-Zelle (6b) aufweist, und daß eine Steuerung (15) zur komplementären Ansteuerung der beiden Kerr-Zellen (6a, 6b) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (6;;, 6b) b5 elektrooptische Keramikelemente aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltvorrichtung (6a, 6b) über eine mit der Schaltung (13) verbundene Lichtweg-Steuerschaltung (15) gesteuert ist

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Emitter (^Λ) und die Schalteinrichtung (2) ein Treiber (3) geschaltet ist.