DE4027990C1 - Laser ranging device - uses modulated semiconductor laser and phase sensitive rectifier - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Entfernungsmesser der mit cw-moduliertem Halbleiterlaser und phasenempfindlichem Gleichrichter arbeitet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE 35 27 918 C2 der Anmelderin sind solche nach dem Phasenwinkelverfahren arbeitende Entfernungsmesser bekannt geworden, bei denen ein ununterbrochener Wellenzug ausgestrahlt wird. Eine Ausführungsform dieses Standes der Technik ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Der Meßbereich ist jedoch auf Entfernungen begrenzt, bei denen der Phasenwinkel kleiner als 360° bleibt. Von da ab beginnt das Meßergebnis wieder periodisch beim Wert Null. Das bringt über große Entfernungsbereiche eine Mehrdeutigkeit der Messung. Nun kann allerdings der Meßbereich durch Herabsetzung der Modulationsfrequenz erweitert werden, doch wird dann infolge diverser technischer Schwierigkeiten die Meßgenauigkeit reduziert. Um diesen Nachteil zu minimieren, ist bereits vorgeschlagen worden, eine hohe Modulationsfrequenz mit einer zweiten, wesentlich niedrigeren Frequenz zu modulieren und damit einen Meßbereich weit über den 360°-Bereich der Messung mit der hohen primären Frequenz zu erzielen. Diese Ausführungsformen haben sich bewährt, allerdings ist der elektronische Aufwand noch relativ hoch und damit auch die Montagezeit, der Raumbedarf und die laufenden Funktionsüberprüfungen. Auch die Verwendungsmöglichkeiten sind eingeschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Entfernungsmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Einsatzmöglichkeiten und dessen Meßbereiche vergrößert sind, dessen Meßgenauigkeit optimiert ist, der primäre Wellenzug nur kurzzeitig unterbrochen wird und die Untermodulation in einfacher Weise der geforderten maximalen Meßentfernung anpaßbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert sowie in den Fig. der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Entfernungsmessers mit cw-moduliertem Laser nach dem Stand der Technik mit einfachem Meßbereich,

Fig. 2 ein Schemabild für die Untermodulation des Sendesignals und der zeitlichen Verschiebung des Empfangssignals sowie der Schließzeiten der Schalter S₂ und S₃,

Fig. 3 ein Schaltbild des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels eines Entfernungsmessers mit erweitertem Meßbereich,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Digitalteils des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3.

In den Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist das Prinzip und die Realisierung eines Ausführungsbeispiels von einem Entfernungsmesser der eingangs genannten Art für den angestrebten erweiterten Meßbereich in vereinfachter Form gezeigt. Das Sendesignal 10 wird jeweils nach einer bestimmten, frei wählbaren Anzahl m₁ von Perioden der primären Modulation unterbrochen, vorzugsweise für die Dauer T von einer Anzahl m₂ dieser Perioden. Dies wird durch den Schalter S₁ bewerkstelligt. Während dieser Zeitintervalle T₁, T₂, T₃ usw. werden nun durch die Analogschaltkreise S₂ und S₃ zwei integrierende Verstärker V₃ und V₄ mit den vorhandenen Synchrongleichrichtern G₁ und G₂ verbunden, wobei diese jedoch nicht belastet werden dürfen. Die Integrationszeit dieser Verstärker V₃, V₄ muß groß sein gegenüber den unterbrechenden Zeitintervallen T₁, T₂, usw. Sind nun deren Ausgangsspannungen x und y, so ist die Spannung

ein Maß für die zeitliche Verzögerung des Empfangswellenzuges gegenüber dem Sendewellenzug und damit für die Entfernung D zum Ziel. "A" wird ermittelt aus

Wegen der kürzeren Meßzeit ist "v" naturgemäß mit einer höheren Ungenauigkeit behaftet als die Komponenten A · sin ϕ und A · cos ϕ.

Bei sehr gutem Signal/Rauschverhältnis des Empfangssignals kann zur Vereinfachung die Formel

benutzt werden. Durch Einführen dieser Spannung v in den Prozeß zur Entfernungsberechnung kann dieser unter Berücksichtigung der Vorzeichen von sin ϕ und cos ϕ auf Entfernungen oberhalb der "Phasenwinkel-360°- Entfernung" ausgedehnt werden. Hierzu ist noch anzuführen, daß die Modulation des Sendesignals 10 durchaus auch sinusförmig erfolgen kann. Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Rechteckmodulation müssen für die Ermittlung von sin ϕ bzw. cos ϕ in der beschriebenen Weise die Oberwellen im Empfänger 13 bzw. dessen Verstärker weitgehend unterdrückt werden. Dies ist durch geeignete Wahl von dessen Frequenzgang der Verstärkung leicht möglich. Die erforderliche zweifache Berechnung von Wurzeln aus Quadratsummen und Division spricht nicht gegen die angesprochene Einfachheit der vorgeschlagenen Ausführung, da nämlich nur eine sehr "bescheidene" Genauigkeit von beispielsweise 6 bit und auch nur eine bescheidene Rechengeschwindigkeit benötigt werden.

In der Fig. 4 ist der sogenannte Digitalteil der vorgeschlagenen Einrichtung skizziert. Wie ersichtlich, werden die analog gewonnenen Spannungen A · cos ϕ und A · sin ϕ sowie x und y auf je eine Sample and Hold-Stufe - die nachfolgend als S+H bezeichnet werden - gegeben. Dieser Block aus den S+Hs hält auf einen Befehl des Mikroprozessors den Momentanwert eines jeden Analogsignals zum exakt gleichen Zeitpunkt fest. Danach kann durch Umschalten des Multiplexers jedes einzelne Signal im Analog-Digitalwandler digitalisiert und durch den Mikroprozessor einem Zwischenspeicher zugeführt werden.

Dieser Vorgang wiederholt sich für eine feste oder variable Anzahl von Sample & Hold-Zyklen, um durch digitale Filterung - die im einfachsten Falle eine Mitteilung über alle Werte sein kann - der Eingangswerte Rauschanteile zu eliminieren und dadurch im umgekehrten Verhältnis zur Wurzel aus der Meßzeit die Genauigkeit bis zu einem gewissen Grad zu steigern. Im Anschluß an diesen Filterzyklus erfolgt die Auswertung der aufbereiteten Eingangssignale 10′, d. h. die Berechnung der Entfernung D gemäß der in der Fig. 3 angegebenen Formel. Als Ergebnis dieser Berechnung steht dann die Entfernung D zur Weiterverarbeitung und Anzeige zur Verfügung.

Um nicht durch langdauernde Subroutinen zur Division und Multiplikation im Zeitverhalten behindert zu werden, wird empfohlen, einen Mikroprozessor mit internen Multiplikations- und Divisionsbefehlen einzusetzen und sich auf die sog. Integer-Arithmetik zu beschränken. Aus demselben Grund sollten die Quadrier- und Wurzelfunktion mittels einer im Speicher abgelegten Werte-Tabelle (Look up table) ausgeführt werden, ebenso die "arctang-Funktion". Weiterhin kann man in einer Art "Einmeßlauf" oder "Selbsteichung" die im Speicher abgelegte Werte-Tabelle (Look up table) an systemgegebene Besonderheiten - wie beispielsweise Nichtlinearität - anpassen und gegebenenfalls korrigieren.

Claims (7)

1. Entfernungsmesser der mit cw-moduliertem Halbleiterlaser und phasenempfindlichen Gleichrichter arbeitet, bei dem zur Erweiterung des Meßbereiches durch eine primäre hohe Modulationsfrequenz mit einer zweiten, niedrigen Frequenz moduliert wird, wobei der phasenempfindliche Gleichrichter aus zwei Synchrongleichrichtern (G₁, G₂) besteht, die direkt bzw. um 90° phasenversetzt mit der primären Modulation angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendesignal (10) des Lasers (11) nach einer bestimmten Anzahl (m₁) von Perioden der primären Modulation für die Dauer (Zeitintervall T) von einer bestimmten Anzahl (m₂) dieser Perioden durch ein Schaltelement (12) unterbrochen wird und während dieser Zeitintervalle (T₁, T₂ . . .) durch Analogschaltkreise (S₂, S₃) zwei integrierende Verstärker (V₃, V₄) mit den Ausgängen der Synchrongleichrichter (G₁, G₂) verbunden werden.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (V₃, V₄) eine Integrationszeitkonstante aufweisen, die groß gegenüber dem Zeitintervall (T) ist.

3. Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Rechteckmodulation des Sendesignals (10) im Empfangsverstärker (13) durch bestimmte Frequenzgang-Auswahl der Verstärkung die Oberwellen unterdrückt werden.

4. Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendesignal (10) sinusförmig moduliert wird.

5. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor mit Multiplikations- und Divisionsbefehlen verwendet wird.

6. Entfernungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrier- und Wurzelfunktionen mittels einer im Speicher des Mikroprozessors abgelegten Werte-Tabelle durchgeführt werden.

7. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich durch Hinzunahme noch tieferer Untermodulationsfrequenzen weiter vergrößert wird.