DE3540157A1 - Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessung - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur entfernungsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der
Distanz zu einem Objekt nach dem Laserradar-Impulslaufzeitprinzip,
wobei zur Erzeugung sowohl der Start-Signale
als auch zur Erzeugung der Stopp-Signale für die
Zeitintervallmessung nur ein einziges Detektorelement
verwendet wird.
Bei Laserentfernungsmessern wird die Entfernung zu einem
Zielobjekt aus der Laufzeit eines modulierten Lasersignals
vom Meßgerät zum Zielobjekt und zurück zum
Meßgerät bestimmt. Die Zeitdifferenz Δ T zwischen Aussenden
des Lasersignals und Empfang des vom Zielobjekt
reflektierten Signals ist ein direktes Maß für die Entfernung
D zum Zielobjekt:
c ist dabei die Vakuumlichtgeschwindigkeit, n o der
Brechungsindex des Übertragungsmediums (c = 299793
km/s, n o ≃ 1,0003 für Normalatmosphäre).
Zur genauen Entfernungsbestimmung ist eine präzise
Zeitintervallmessung erforderlich. So entspricht beispielsweise
eine Änderung der Zielentfernung um 1 mm
einer Laufzeitänderung von nur 6.7 ps. Gewöhnlich werden
Maßnahmen zur Meßgrößenumwandlung ergriffen, damit
die erforderliche Zeitauflösung erreicht werden kann.
Entweder wird das zu messende Zeitintervall durch elektronische
Verfahren gestreckt oder in eine andere,
leichter zu erfassende Meßgröße umgewandelt. Im folgenden
sind einige bekannte Verfahren aufgeführt:
Bei kontinuierlich modulierten Strahlungsquellen wird
die Phasenlage des Sendesignals mit der Phasenlage des
Empfangssignals verglichen. Die Zeitdehnung erfolgt
durch Mischen beider Signale mit einem Lokaloszillatorsignal,
dessen Frequenz gegenüber der Sendefrequenz geringfügig
verschoben ist. Die Zwischenfrequenzen beim
Sendesignal und beim Empfangssignal weisen dieselbe
Phasendifferenz auf wie die Originalfrequenzen. Somit
wird mit Hilfe der Frequenzmischung eine Zeitdehnung um
das Verhältnis Sendefrequenz/Zwischenfrequenz erzielt.
Bei der Einzelpulsmessung erfolgt die Laufzeitbestimmung
häufig dadurch, daß während des zu messenden Zeitintervalls
ein Kondensator mit konstantem Strom geladen
wird. Nach Beendigung der Ladezeit wird der Ladezustand
entweder direkt über die anliegende Spannung gemessen
(TAC = time-to-amplitude conversion = Zeitamplituden-
Umwandlung), oder der Kondensator wird anschließend mit
einem konstanten, aber wesentlich geringerem Strom wieder
entladen, wobei die Entladezeit einer Dehnung der
Ladezeit und damit einer Streckung des zu messenden
Zeitintervalls entspricht (TTC = time-to-time conversion
= Zeit-Zeit Umwandlung).
Bei allen Verfahren, die eine präzise Entfernungsbestimmung
zum Ziel haben, wird ein einziger Detektor und
Vorverstärker sowohl für das ausgehende Signal (Referenz-
oder Start-Signal) als auch für das reflektierte
Zielsignal (Meß- oder Stop-Signal) verwendet, damit die
elektronischen Verzögerungen im Detektor und Vorverstärker
für beide Signale gleich sind. Näheres dazu ist
beispielsweise aus EP-Al 00 57 447 zu entnehmen.
Die bekannten Verfahren weisen jedoch einige Nachteile
auf. So muß bei kontinuierlicher Signalmodulation zwischen
zwei optischen Meßstrecken, nämlich der Zielmeßstrecke
und der Referenzmeßstrecke, umgeschaltet werden.
Die Umschaltung, die mechanisch oder elektrooptisch
erfolgt, beeinflußt die Zuverlässigkeit und die
Lebensdauer. Darüberhinaus erfordert eine genaue Phasenmessung
relativ lange Meßzeiten.
Bei der Pulslaufzeitmessung entfällt die mechanische
oder elektrooptische Meßkanalumschaltung, da das Referenzsignal
und das vom Zielobjekt reflektierte Signal
zeitlich unterschiedlich am Detektor eintreffen und die
Umschaltung auf rein elektronische Weise durch Setzen
eines Zeittors oder mehrerer Zeittore direkt in der Signalauswerte-
Schaltung erfolgen kann. Das Zeitintervall
zwischen Referenz- und Zielsignal kann nun - wie oben
dargelegt - auf verschiedene Weise gemessen werden,
entweder durch Zeit-Amplituden-Umwandlung (TAC) oder
durch eine Zeitdehnschaltung (TTC).
Die TAC-Auswertung ist ungenau aufgrund der mangelnden
Ladestromkonstanz, der Temperaturabhängigkeit der Kondensatorkapazität,
des Kondensatorleckstroms und der
Instabilität der Komparatorschaltwellen.
Die Genauigkeit der TTC-Auswertung ist beschränkt durch
die Ungenauigkeit des Lade- und Entladestroms und durch
die Temperaturabhängigkeit der Schaltschwellen. Weiterhin
ist für die Ausmessung des gestreckten Zeitintervalls
eine genaue Zeitbasis erforderlich, die üblicherweise
durch einen Quarzoszillator festgelegt wird.
Quarzoszillatoren sind in ihrer Frequenz jedoch nach
oben beschränkt, so daß der Quantisierungsfehler bei
der Digitalisierung des Meßintervalls merklich eingeht.
Vorteilhaft wäre eine sehr hohe Oszillatorfrequenz; die
Stabilisierung von Hochfrequenzoszillatoren verursacht
jedoch einen nicht unerheblichen Schaltungsaufwand; eine
dauernde Nacheichung der Frequenz ist für präzise
Messungen unerläßlich.
Es ist das Ziel der Erfindung, unter Beseitigung der
genannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Entfernungsmessung zu schaffen, die eine Erhöhung
der Meßgenauigkeit bei geringerer Störanfälligkeit und
bei geringerem apparativem Aufwand bieten.
Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht,
- daß ein erster Bruchteil des Sendesignales über eine erste optische Verzögerungsstrecke (erste Referenzstrecke) und gleichzeitig ein zweiter Bruchteil des Sendesignals über eine zweite, optisch längere Verzögerungsstrecke (zweite Referenzstrecke) direkt dem Empfangsdetektor zugeführt und der Rest des Sendesignals zur Erzeugung des Zielsignals verwendet wird, und
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem Zielsignal als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem zweiten Referenzsignal als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
- daß ein erster Bruchteil des Sendesignales über eine erste optische Verzögerungsstrecke (erste Referenzstrecke) und gleichzeitig ein zweiter Bruchteil des Sendesignals über eine zweite, optisch längere Verzögerungsstrecke (zweite Referenzstrecke) direkt dem Empfangsdetektor zugeführt und der Rest des Sendesignals zur Erzeugung des Zielsignals verwendet wird, und
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem Zielsignal als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal und dem zweiten Referenzsignal als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
Durch die unterschiedliche Länge der Verzögerungsstrecke
treffen die entsprechenden Signale zu verschiedenen
Zeiten am Detektor ein. Somit ist bei jeder Messung
durch die beiden Referenzsignale ein festes Zeitintervall,
das der optischen Weglängendifferenz aus beiden
Verzögerungsstrecken entspricht, vorgegeben. Das feste
Zeitintervall zwischen den beiden Referenzsignalen entspricht
exakt einer Eichstrecke, gebildet aus der optischen
Wegdifferenz zwischen beiden Referenzstrecken; es
entfällt die Notwendigkeit einer genauen und stabilen
Zeitbasis.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der Beschreibung, worin im Folgenden anhand
der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel beschrieben
wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaues einer
Anordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm der bei deren Betrieb erzeugten
Signale,
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erzeugung des Zeittaktes
und der Zeittore beim Gegenstand nach Fig.
1 und
Fig. 4 eine schematische Darstellung zu einem Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaues
einer Anordnung gemäß der Erfindung. Die bei dessen
Betrieb erzeugten Signale sind in Fig. 2 dargestellt.
Das von einem Lasersender 10 entsprechend dem Takt eines
Taktgebers 16 abgestrahlte Signal wird über eine
Lichtleitfaser 11 zu einem Koppelelement 12 geführt, wo
ein geringer Bruchteil des Sendesignals abgespalten und
über eine zugehörige Verzögerungsleitung 22, ein Koppelelement
32 und eine Empfängerlichtleitfaser 31 direkt
zu einem Detektor 30 gelangt. Der Großteil des
Sendesignals läuft vom Koppelelement 12 weiter zu einem
weiteren Koppelelement 13, wo wiederum ein geringer
Teil des Signals abgespalten und über eine weitere
längere Verzögerungsleitung 23, ein Koppelelement 33
und eine weitere Lichtleitfaser 31 wiederum zum Detektor
30 gelangt. Das verbleibende Sendesignal läuft weiter
über eine Verzögerungsleitung 14 zu einer Sendeoptik
15, die den Laserstrahl in Richtung Zielobjekt
(nicht dargestellt) bündelt. Das reflektierte Zielsignal
gelangt über eine Empfangsoptik 35 und den Lichtleiter
31 ebenfalls zum Detektor 30.
Es erscheinen pro Messung also drei aufeinanderfolgende
Signale, nämlich das erste Referenzsignal Ref 1 über
den Lichtleiter 22, das zweite Referenzsignal Ref 2
über den Lichtleiter 23 und das Zielsignal ZS.
Je nach Länge der Verzögerungsleitungen 22, 23 und 14
erscheint das Zielsignal ZS entweder zwischen den beiden
Referenzsignalen Ref 1 und Ref 2 oder nach den beiden
Referenzsignalen. Das Zeitintervall zwischen Ref 1
und Zielsignal stellt ein Maß für die Zielentfernung
dar; das Zeitintervall zwischen Ref 1 und Ref 2 hingegen
ist ein Maß für die optische Eichstrecke.
Die Zielentfernung wird gewonnen durch Verhältnisbildung
des Zielintervalls zum Eichintervall. Zur Realisierung
der Messung werden vom Sendertakt 16 Zeitfenstersignale
abgeleitet. Zwei Pulsdiskriminatoren 41 und
42 werden für die benötigten Detektorsignale durch die
Zeitfenstersignale aktiviert. Der Diskriminator 41
spricht immer auf das Ref 1-Signal an, Diskriminator
42 abwechselnd auf das Zielsignal ZS und auf das Ref 2-
Signal.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die Erzeugung
des Zeittores für den Pulsdiskriminator 41 zur
Ref 1-Auswertung und für die Erzeugung des alternierend
auf Ref 2 und Zielmessung umschaltenden Zeittors für
den zweiten Pulsdiskriminator 42 dargestellt. Dabei ist
mit FF ein bistabiler Multivibrator (Flip-Flop) und mit
MF 1, MF 2 und MF 3 je ein monostabiler Multivibrator (Mono-
Flop) bezeichnet. Die Zeitkonstanten der letzteren
drei sind unabhängig voneinander den jeweiligen Meßanforderungen
entsprechend eingestellt.
An dem gemäß Fig. 1 nachgeordneten astabilen Multivibrator
43 wird somit ein Zeitsignal erzeugt, das abwechselnd
der Meßstrecke und der internen Eichstrecke
entspricht. Nach Durchlaufen einer Zieldehnschaltung 44
werden die Intervalle mit Hilfe eines hochfrequenten
Oszillators 46 ausgezählt und in geeigneter Form im
Zähler 45 festgehalten. Es ergeben sich nach Fig. 2
ein Wert n Z für die Zielmessung und ein Wert n R für
die Referenzmessung. Für die entsprechenden relativen
Entfernungen ergeben sich:
Die absolute Zielentfernung D wird anschließend durch
Division des digitalen Zielwertes n Z durch den ebenfalls
digitalen Referenzwert n R und durch Multiplikation
des Ergebnisses mit dem Wert der optischen Eichstrecke
D o ermittelt:
Durch diese fortlaufende Kalibration auf eine feste optische
Strecke kommen die sonst unvermeidlichen systematischen
Fehler durch Stromschwankungen in der Zeitdehnschaltung
und durch Instabilitäten der Zeitbasis
nicht zur Auswirkung.
Die Zeitfensterumschaltung für den Diskriminator 42 erfolgt
rein elektronisch. Die Diskriminatoren sind im
einfachsten Fall bei hohen Signalpegeln als Schwellendiskriminatoren,
oder als "zero crossing", oder als
"constant fraction" Diskriminatoren ausgeführt.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Zahlenbeispieles
noch weiter erläutert. Bei Werten für
Laser Pulsfolgefrequenz10 kHz
Laser Pulsbreite1 ns
Verzögerungsleitung 22 L 221 m Lichtleiter (n = 1.5)
Verzögerungsleitung 23 L 2349 m Lichtleiter (n = 1.5)
optische Eichstrecke L o = 36 m
Verzögerungsleitung 14 : L 145 m Lichtleiter (n = 1.5)
ergibt sich eine Anordnung nach Fig. 4 für den Meßbereich
Mit dieser Anordnung kann von 0 bis 30 m Zieldistanz
gemessen werden; das feste Zeitintervall Ref 1-
Ref 2 dient als 36 m lange Eichstrecke.
Wird eine Zeitdehnschaltung mit dem Dehnfaktor K = 300
(Kondensatorladestrom 3 mA, Entladestrom 10 µA) und ein
Oszillator mit f o = 500 MHz zur Auswertung verwendet, so
beträgt rechnerisch die Genauigkeit der Einzelmessung:
Aufgrund statistischer Schwankungen in den Pulsdiskriminatoren,
dem bistabilen Multivibrator und der Zeitdehnschaltung
ist die Stabilität der Einzelmessung mit z. Z. verfügbaren
Bauteilen auf ca. 30 ps beschränkt, so daß in Realität
die Einzelmeßgenauigkeit nicht besser als 5 mm ist. Da
die systematischen Fehler durch die Erfindung weitgehend
eliminiert werden, können durch Mittelwertbildung über
beispielsweise 100 Messungen die statistischen Fehler so
reduziert werden, so daß nach einer Meßzeit von 10 ms ein
sicherer Meßwert mit einem Millimeter Genauigkeit gewonnen
werden kann.
Wird in die Verzögerungsleitung 23 ein optischer Schalter
eingefügt, so kann für größere Entfernungen das Signal
Ref 2 abgeschaltet und die Laufzeitintervallmessung zwischen
Ref 1-Signal und Zielsignal ZS in konventioneller
Weise durchgeführt werden. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit
kann hierfür der Oszillator an eine Quarzreferenz angeknüpft
werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber auch für große
Meßstrecken anwendbar. Hierbei wird zweckmäßigerweise die
Verzögerungsleitung 14 länger gewählt als 22 und 23. Die
Signale Ref 1 und Ref 2 erscheinen dann zeitlich vor dem
Zielsignal ZS am Detektor 30, und zwar selbst bei einer
Zielentfernung Null.
Claims (11)
1. Verfahren zur Messung der Distanz zu einem Objekt
nach dem Laserradar-Impulslaufzeitprinzip, wobei zur
Erzeugung sowohl der Start-Signale als auch zur Erzeugung
der Stop-Signale für die Zeitintervallmessung nur
ein einziges Detektorelement verwendet wird, dadurch
gekennzeichnet,
- daß ein erster Bruchteil des Sendesignales über
eine erste optische Verzögerungsstrecke (22)
(erste Referenzstrecke) und gleichzeitig ein zweiter
Bruchteil des Sendesignals über eine zweite,
optisch längere Verzögerungsstrecke (23) (zweite
Referenzstrecke) direkt zum Empfangsdetektor (30)
zugeführt und der Rest des Sendesignals zur Erzeugung
des Zielsignals (ZS) verwendet wird, und
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem Zielsignal (ZS) als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem zweiten Referenzsignal (Ref 2) als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
- daß die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem Zielsignal (ZS) als Maß für die Zielentfernung und die Zeitdifferenz zwischen dem ersten Referenzsignal (Ref 1) und dem zweiten Referenzsignal (Ref 2) als Eichmaß verwendet wird und
- daß die tatsächliche Zielentfernung aus dem Verhältnis der beiden Zeitintervalle ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nur ein Zeitauswertekanal
verwendet wird und daß das Zielintervall und das
Eichintervall in zeitlicher Aufeinanderfolge gemessen
werden und daß zur Unterscheidung des Zielsignals (ZS)
vom zweiten Referenzsignal (Ref 2) eine schnelle Umschaltvorrichtung
verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß durch Verwendung zweier
Zeitauswertekanäle gleichzeitig das Zielintervall und
das Eichintervall gemessen werden und die eindeutige
Zuordnung durch unterschiedliche Zeitfenster erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vermeidung systematischer
Fehler beide Auswertekanäle durch Umschaltung
der Zeitfenster abwechselnd das Zielintervall und das
Eichintervall bestimmen.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die schnelle Umschaltung
bzw. die Erzeugung der Zeitfenster rein elektronisch
durch Schalten eines Zeittors erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
zu messenden Zeitintervalle mit Hilfe eines hochfrequenten,
nicht notwendigerweise quarzstabilisierenden
Oszillators (46) ausgezählt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu messenden
Zeitintervalle durch an sich bekannte Zeitdehn-
und Meßverfahren (TAC, TTC u. a.) ausgewertet werden
und daß die implementierten Referenzströme bzw.
-spannungen nicht stabilisiert sind.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zwei Verzögerungsstrecken (22; 23) aus unterschiedlich
langen Lichtwellenleitern bestehen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste optische Verzögerungsstrecke
(22) kurz, die zweite (23) aber optisch
länger als die doppelte Zielentfernung ist, so
daß das Zielsignal (ZS) zeitlich immer zwischen den
beiden Signalen (Ref 1; Ref 2), die über die Verzögerungsleitungen
(22; 23) zum Detektor gelangen, liegt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß sendeseitig eine zusätzliche
Verzögerungsleitung (14) zwischen den Kopplern
(12; 13) für die beiden Referenzsignale (Ref 1, Ref 2)
und der Sendeoptik (15) eingefügt ist, so daß das Zielsignal
(ZS) für jeden Zielabstand immer später als beide
Referenzsignale (Ref 1, Ref 2) am Detektor eintrifft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß empfängerseitig eine zusätzliche
Verzögerungsleitung zwischen der Empfangsoptik
(35) und den Kopplern (32; 33) eingefügt ist, so
daß das Zielsignal (ZS) für jeden Zielabstand immer
später als beide Referenzsignale (Ref 1, Ref 2) am Detektor
eintrifft.
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