DE3633063A1

DE3633063A1 - Anordnung zur radaraehnlichen messung der laenge von lichtstrecken mittels lichtimpulsen

Info

Publication number: DE3633063A1
Application number: DE19863633063
Authority: DE
Inventors: Georg Dr Bucher; Helmut Dr Haltenorth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-09-29
Filing date: 1986-09-29
Publication date: 1988-04-07

Description

Die Erfindung betrifft die im Oberbegriff des Patentan spruches 1 definierte spezielle Anordnung, welche für sich dem Fachmann bekannt ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe,

* auf besonders einfache Weise mittels des vom ersten Strahlteiler abgezweigten zweiten Lichtimpulses für den Lichtimpulsempfänger eine Bezugsgröße zu bieten, gegen welche die Laufzeit des reflektierten ersten Lichtimpul ses meßbar ist, selbst wenn sich beide, vom Lichtimpuls empfänger empfangenen Lichtimpulse sich gegenseitig stark überlappen,

durch die im Patentanspruch 1 genannten Maßnahmen.

Die Erfindung eignet sich dadurch z.B. als Meßgerät mit Sensor für Manipulatoren bzw. Roboter, auch zum Positio nieren von Kranhaken großer Kräne und Verladebühnen, für Abstandsüberwachungen z.B. auf Rangierbahnhöfen von Eisen bahnen und Straßenbahnen, sowie zur Abstandsmessung zwi schen schnell fahrenden Fahrzeugen auf Straßen und Schie nen - kurzum also für verschiedenste Anwendungen, vor allem auch zur Messung von (sogar ziemlich kurzen) Licht strecken, verglichen mit der der Lichtimpulsdauer entspre chenden räumlichen Länge zwischen der Vorderfront des Lichtimpulses und Hinterfront des Lichtimpulses.

Die in den Unteransprüchen angegebenen zusätzlichen Maß nahmen gestatten, zusätzliche Vorteile zu erreichen. So gestatten z.B. die Maßnahmen gemäß Patentanspruch 2, die Empfindlichkeit der Anordnung, insbesondere die Empfindlichkeit des Meßobjektspiegels, gegen Stöße und Vibrationen sowie gegen unsorgfältige Justierung sehr stark zu verringern, sowie 3, die Ablesegenauigkeit bzw. Auswertegenauigkeit für die vom Lichtimpulsempfänger abgegebenen, gemessenen Signale in besonders einfacher Weise zu erhöhen, wobei der Lichtimpulsempfänger dann auch, zumindest weitgehend, digital statt analog und damit besonders störunempfindlich betrieben werden kann.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung weiter erläutert.

Diese Figur zeigt den Lichtimpulssender S, welcher Serien von Lichtimpulsen der jeweiligen Dauer t über die fest installierte Lichtleitung L 1 zum ersten Strahlteiler St 1 sendet. Bei diesem Strahlteiler St 1 handelt es sich zum Beispiel um einen konventionellen 3 dB-Strahlteiler. Die vom Lichtimpulssender S gesendeten Lichtimpulse haben also, entsprechend ihrer Dauer t, eine räumliche Länge, welche dem Quotienten von Lichtgeschwindigkeit zu dieser Dauer t entspricht. Diese räumliche Länge der Lichtimpulse darf bei der Erfindung beliebig groß sein, also auch sehr viel größer als die Länge 1 der zu messenden Lichtstrecke zwischen dem ersten Ausgang des ersten Strahlteilers St 1 und dem Spiegel des Meßobjektes RR - beim normalen Radar bemüht man sich hingegen, die räumliche Länge des dem Lichtimpuls 1 L entsprechenden Radarimpulses kurz gegenüber der zu messenden Länge 1 zu machen. Im Betrieb läuft also ein erster Lichtimpuls, als erster Ausgangslichtstrahl 1 L des ersten Strahlteilers St 1, über die zu messende Licht strecke 1 zu einem Meßobjekt, an welchem der Spiegel RR befestigt ist, wobei von dort dieser erste Lichtimpuls 1 L als reflektierter erster Lichtimpuls zurück über die Licht strecke 1 zum ersten Eingang eines zweiten, invers betrie benen Strahlteilers St 2 läuft. Dieser zweite Strahlteiler St 2 kann z.B. wieder ein konventioneller 3-dB-Strahlteiler sein.

Eine zweite fest installierte Lichtleitung L 2 ist zwischen dem Ausgang des zweiten Strahlteilers St 2 und dem Eingang des Lichtimpulsempfängers E angebracht, so daß der reflek tierte erste Lichtimpuls 1 L über die zweite Lichtleitung L 2 zu dem Lichtimpulsempfänger läuft.

Ferner ist eine optische Verbindung L 3, zum Beispiel über eine fest installierte dritte Lichtleitung, zwischen dem zweiten Ausgang des ersten Strahlteilers St 1 und dem zweiten Eingang des zweiten Strahlteilers St 2 angebracht, so daß im Betrieb ein zweiter Lichtimpuls 2 L, als zweiter Ausgangslichtstrahl des ersten Strahlteilers St 1, zum zwei ten Eingang des zweiten Strahlteilers St 2 und von dort ebenfalls über die zweite Lichtleitung L 2 zum Lichtimpuls empfänger E läuft.

Die räumliche Länge beider Lichtimpulse 1 L und 2 L ist, während sie über die zweite Lichtleitung L 2 zum Lichtim pulsempfänger laufen, angenähert gleich groß, wenn man gewisse, an sich unbeabsichtigte echoartige schwache zu sätzliche innere Reflektionen vernachlässigt. Die räum liche Länge der beiden Lichtimpulse 1 L, 2 L ist dabei so groß, daß sie sich, zumindest im Regelfall, während der Messung der Länge der Lichtstrecke 1 gegenseitig überlap pen, wie in der Figur durch die Kurve mit den Amplituden 1 L+2 L angedeutet ist.

Der Lichtimpulsempfänger E kann dann die Form der überla gerten Lichtimpulse 1 L+2 L anzeigen, wobei die Länge der Schulter - hier im Beispiel in mittlerer Höhe - der Länge 1 der zu messenden Lichtstrecke entspricht (wobei die Laufdauer des zweiten Lichtimpulses 2 L in der optischen Verbindung L 3 als Korrekturglied zu berücksichtigen ist, falls die optische Verbindung L 3 nicht so kurz ist, daß die Laufdauer des zweiten Lichtimpulses 2 L in dieser opti schen Verbindung L 3, sowie die Laufdauer dieses zweiten Lichtimpulses 2 L innerhalb der Strahlteiler St 1, St 2, ver nachlässigbar klein ist).

Der Meßobjektspiegel RR darf erheblich, nämlich, je nach der verlangten Größe der Meßpräzision, zum Beispiel zwi schen ±1° und ca. ±30° vibrieren bzw. hin- und herschwan ken, ohne die Meßgenauigkeit wesentlich zu beeinflussen, wenn dieser Spiegel RR ein Retroreflektor ist, also ein Tripelspiegel, dessen verspiegelte Flächen gegenseitig senkrecht aufeinander stehen. Ein solcher Retroreflektor RR hat darüber hinaus den Vorteil, daß die Sorgfalt, die beim Anbringen eines ebenen Spiegels RR zur Justierung nötig wäre, nahezu völlig unnötig ist, was sowohl die Herstellung der Anordnung als auch deren Betrieb selbst unter sehr schweren Einsatzbedingungen ohne wesentliche Einbuße der Meßgenauigkeit erheblich erleichtert.

Der Aufbau des Lichtimpulsempfängers und die Auswertung der von ihm abgegebenen Signale ist besonders einfach, wenn dieser Lichtimpulsemfänger E die empfangenen, sich teilweise überlappenden ersten und zweiten Lichtimpulse 1 L+2 L differenziert und damit mindestens zwei getrennte Meßimpulse abgibt, vergleiche die Figur, deren erster einer Flanke des empfangenen zweiten Lichtimpulses 2 L und deren zweiter einer Flanke des empfangenen ersten Lichtimpulses 1 L entspricht. Die zur Auswertung heranzu ziehenden Meßimpulse entsprechen also z.B. jeweils den Vorderflanken der empfangenen Lichtimpulse 1 L und 2 L. Der zeitliche Abstand dieser zwei Meßimpulse entspricht dann - abgesehen von jenem von der Laufzeit in der optischen Ver bindung L 3 abhängigen Korrekturglied - der Länge 1 der zu messenden Lichtstrecke.

Die durch Differenzieren erhaltenen Meßimpulse gestatten also, besonders leicht die vom Lichtimpulsempfänger E emp fangenen Signale auszuwerten. Überdies kann hierbei dieser Lichtimpulsempfänger E sogar, zumindest weitgehend, digi tal statt analog betrieben werden, was seinen Betrieb und Aufbau erheblich erleichtert und was ihn langzeitstabil außerordentlich robust gegen Störungen macht.

Besonders die Verwendung eines Retrospiegels als Meßob jektspiegel RR sowie das Differenzieren der empfangenen Signale im Lichtimpulsempfänger E gestatten also, die erfindungsgemäße Anordnung auch unter außerordentlich erschwerten Einsatzbedingungen, also auch bei starken Vibrationen und Stößen langzeitstabil betriebssicher zu verwenden. Deswegen eignet sich diese besondere Weiterbil dung besonders gut z.B. als Meßgerät mit Sensor für Mani pulatoren, Kräne und Verladebühnen, für Abstandsüberwa chungs-Einrichtungen auf Rangierbahnhöfen von Eisenbahnen und Straßenbahnen, sowie zur Abstandskontrolle und automa tischen Abstandssteuerung zwischen schnell fahrenden Fahr zeugen auf Schienen und (guten und schlechten) Straßen.

Claims

1. Anordnung zur radarähnlichen Messung der Länge (1) von Lichtstrecken, z.B. in Luft oder Vakuum, mittels Lichtim pulsen, dadurch gekennzeichnet, daß

* eine erste fest installierte Lichtleitung (L 1), z.B. Glas faserlichtleitung, zwischen dem Ausgang eines Lichtimpuls senders (S) und dem Eingang eines ersten Strahlteilers (Stl) angebracht ist,
* im Betrieb ein erster Lichtimpuls, als erster Ausgangs lichtstrahl (1 L) des ersten Strahlteilers (St 1), über die zu messende Lichtstrecke (1) zu einem Meßobjekt mit Spiegel (RR) läuft und von dort als reflektierter erster Lichtimpuls (1 L) zurück über die Lichtstrecke zum ersten Eingang eines zweiten, invers betriebenen Strahlteilers (St 2) läuft,
* eine zweite fest installierte Lichtleitung (L 2), z.B. Glasfaserlichtleitung, zwischen dem Eingang eines Licht impulsempfängers (E) und dem Ausgang des zweiten Strahl teilers (St 2), welcher den empfangenen reflektierten ersten Lichtimpuls (1 L) über die zweite Lichtleitung (L 2) zu dem Lichtimpulsempfänger (E) leitet, angebracht ist,
* eine optische Verbindung (L 3), z.B. über eins fest in stallierte dritte Lichtleitung (L 3), zwischen dem zweiten Ausgang des ersten Strahlteilers (St 1) und dem zweiten Eingang des zweiten Strahlteilers (St 2) angebracht ist,
* im Betrieb ein zweiter Lichtimpuls, als zweiter Ausgangs lichtstrahl (2 L) des ersten Strahlteilers (St 1), zum zweiten Eingang des zweiten Strahlteilers (St 2) und von dort über die zweite Lichtleitung (L 2) zum Lichtimpuls empfänger (E) läuft, und
* sich am Lichtimpulsempfänger-Eingang (E) der dort emp fangene erste Lichtimpuls (1 L) und der dort emmpfangene zweite Lichtimpuls (2 L), zumindest im allgemeinen, gegen seitig überlappen (1 L+2 L).

2. Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

* der Spiegel (RR) des Meßobjektes ein Retroreflektor ist.

3. Anordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

* der Lichtimpulsempfänger (E) die empfangenen, sich teil weise überlappenden ersten und zweiten Lichtimpulse (1 L +2 L) differenziert und damit mindestens zwei getrennte Meßimpulse abgibt, deren erster einer Flanke des emp fangenen zweiten Lichtimpulses (2 L) und deren zweiter einer Flanke des empfangenen ersten Lichtimpulses (1 L) und deren zeitlicher Abstand der Länge (1) der zu mes senden Lichtstrecke entspricht.