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

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

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Abstract

The phase-sensitive rectifier comprises 2 synchronous rectifier stages (G1,G2). The transmission signal (10) provided by the laser (11) is interrupted after a given number of periods of the primary modulation frequency, for a defined number of periods, via a switch element (12). Two intergrating amplifiers (V3,V4) are coupled to the outputs of the synchronous rectifiers (G1,G2) via analogue circuits (S2,S3) during the interruption interval. ADVANTAGE - Increased measuring range.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Entfernungsmesser der mit cw-moduliertem Halbleiterlaser und phasenempfindlichem Gleichrichter arbeitet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a rangefinder with cw-modulated semiconductor laser and phase sensitive rectifier operates in accordance with the preamble of claim 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. From DE 35 27 918 C2 of the Applicant those operating according to the phase angle method rangefinders have become known in which a continuous wave is radiated. Eine Ausführungsform dieses Standes der Technik ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. One embodiment of this prior art is shown in Fig. 1 of the drawing. Der Meßbereich ist jedoch auf Entfernungen begrenzt, bei denen der Phasenwinkel kleiner als 360° bleibt. The measuring range is limited to distances in which the phase angle is smaller than 360 °. Von da ab beginnt das Meßergebnis wieder periodisch beim Wert Null. From then on the result of measurement starts again at zero periodically. Das bringt über große Entfernungsbereiche eine Mehrdeutigkeit der Messung. This brings an ambiguity of measurement over long distance ranges. Nun kann allerdings der Meßbereich durch Herabsetzung der Modulationsfrequenz erweitert werden, doch wird dann infolge diverser technischer Schwierigkeiten die Meßgenauigkeit reduziert. Now, however, the measuring range can be extended by lowering the modulation frequency, but the measurement accuracy will be reduced due to various technical difficulties. 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. In order to minimize this drawback, it has already been proposed to modulate a high frequency modulation with a second, substantially lower frequency and thus to achieve a range far beyond the 360 ​​° range of the measurement with the high primary frequency. Diese Ausführungsformen haben sich bewährt, allerdings ist der elektronische Aufwand noch relativ hoch und damit auch die Montagezeit, der Raumbedarf und die laufenden Funktionsüberprüfungen. These embodiments have been proven, but the electronic complexity is still relatively high and therefore the assembly time, the space and the ongoing operation checks. Auch die Verwendungsmöglichkeiten sind eingeschränkt. The uses are limited.

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. The present invention has for its object to provide a range finder of the type mentioned, its applications and its ranges are enlarged, its accuracy is optimized, the primary wave is only briefly interrupted and the Modulation is readily adaptable to the required maximum measurement distance.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. This object is achieved by the features indicated in claim 1. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert sowie in den Fig. der Zeichnung skizziert. In the dependent claims further developments and embodiments are specified and in the following description, an embodiment is explained, as well as outlined in the Fig. The drawing. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Entfernungsmessers mit cw-moduliertem Laser nach dem Stand der Technik mit einfachem Meßbereich, Fig. 1 is a circuit diagram of a range finder with cw-modulated laser according to the prior art with a simple measurement range,

Fig. 2 ein Schemabild für die Untermodulation des Sendesignals und der zeitlichen Verschiebung des Empfangssignals sowie der Schließzeiten der Schalter S₂ und S₃, Fig. 2 is a schematic diagram for the sub-modulation of the transmission signal and the time shift of the received signal and the closing times of the switches S₂ and S₃,

Fig. 3 ein Schaltbild des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels eines Entfernungsmessers mit erweitertem Meßbereich, Fig. 3 is a diagram of the proposed embodiment of a distance measuring device with an extended measuring range,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Digitalteils des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. Fig. 4 is a block diagram of the digital part of the proposed embodiment according to 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. In FIGS. 2 and 3 of the drawings, the principle and implementation is shown an embodiment of a rangefinder of the type mentioned for the desired extended range in a simplified form. 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. The transmit signal 10 is in each case after a certain, freely selectable number of cycles of the primary modulation m₁ interrupted, preferably for the duration T by a number m₂ these periods. Dies wird durch den Schalter S₁ bewerkstelligt. This is accomplished by the switch S₁. 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. During these time intervals T₁, T₂, T₃, etc. two integrating amplifier V₃ and V₄ are connected to the existing synchronous rectifiers G₁ and G₂ now by the analog circuits S₂ and S₃, but these should not be burdened. 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 The integration time of these amplifiers V₃, V₄ must be large compared to the interrupting time intervals T₁, T₂, etc. are now the output voltages x and y, the voltage is

ein Maß für die zeitliche Verzögerung des Empfangswellenzuges gegenüber dem Sendewellenzug und damit für die Entfernung D zum Ziel. a measure of the time delay of the received wave train with respect to the Sendewellenzug and thus the distance D to the destination. "A" wird ermittelt aus "A" is determined from

Wegen der kürzeren Meßzeit ist "v" naturgemäß mit einer höheren Ungenauigkeit behaftet als die Komponenten A · sin ϕ und A · cos ϕ. Because of the shorter measuring time "v" is of course subject to a higher uncertainty than the components A sin φ and A cos φ.

Bei sehr gutem Signal/Rauschverhältnis des Empfangssignals kann zur Vereinfachung die Formel With a very good signal / noise ratio of the received signal to simplify the formula

benutzt werden. to be used. 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. By introducing this voltage v into the process for removing this calculation can φ taking into account the sign of sin and cos φ at distances above - be extended "phase angle 360 ​​° away". Hierzu ist noch anzuführen, daß die Modulation des Sendesignals 10 durchaus auch sinusförmig erfolgen kann. For this is still necessary to state that the modulation of the transmission signal 10 certainly can also be sinusoidal. 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. In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 have rectangular modulation φ for the detection of sin and cos φ, the harmonics in the receiver 13 and the amplifier are largely suppressed in the manner described. Dies ist durch geeignete Wahl von dessen Frequenzgang der Verstärkung leicht möglich. This is easily possible by a suitable choice of the frequency response of the amplification. 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. The required two-time calculation of roots of sums of squares and division does not invalidate the mentioned simplicity of the proposed design, because that is only a very "modest" precision bit of example 6 and only a modest computing speed are needed.

In der Fig. 4 ist der sogenannte Digitalteil der vorgeschlagenen Einrichtung skizziert. In FIG. 4, the so-called digital part of the proposed device is sketched. 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. As can be seen, the analog voltages obtained A · cos φ and A sin φ · and x and y on a respective sample and hold stage - which are hereinafter referred to as S + H - given. Dieser Block aus den S+Hs hält auf einen Befehl des Mikroprozessors den Momentanwert eines jeden Analogsignals zum exakt gleichen Zeitpunkt fest. This block of the S + Hs holds the instantaneous value of each analog signal at exactly the same time to a command of the microprocessor. Danach kann durch Umschalten des Multiplexers jedes einzelne Signal im Analog-Digitalwandler digitalisiert und durch den Mikroprozessor einem Zwischenspeicher zugeführt werden. Thereafter, each individual signal in the analog-digital converter may be digitized by switching the multiplexer and are supplied by the microprocessor a buffer.

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. This process is repeated for a fixed or variable number of sample and hold cycles to digital filtering - in the simplest case, a message may be over all values ​​- the input values ​​noise components to eliminate and characterized in inverse proportion to the square root of the measuring time the to increase accuracy to some degree. Im Anschluß an diesen Filterzyklus erfolgt die Auswertung der aufbereiteten Eingangssignale 10′ , dh die Berechnung der Entfernung D gemäß der in der Fig. 3 angegebenen Formel. Following this filter cycle, the evaluation of the processed input signals 10 'occurs, the calculation of the distance D that is according to the formula given in FIG. 3. Als Ergebnis dieser Berechnung steht dann die Entfernung D zur Weiterverarbeitung und Anzeige zur Verfügung. As a result of this calculation is then the distance D for further processing and display.

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. To avoid being hampered by lengthy subroutines for division and multiplication in the time behavior, it is recommended to use a microprocessor with internal multiply and divide instructions and to focus on the so-called. Integer arithmetic. Aus demselben Grund sollten die Quadrier- und Wurzelfunktion mittels einer im Speicher abgelegten Werte-Tabelle (Look up table) ausgeführt werden, ebenso die "arctang-Funktion". For the same reason, the squaring and square root function by means of a stored in the memory value table (look up table) can be performed, as is "arctangent function". 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. one can continue in a "Einmeßlauf" or "self-calibration", the values ​​stored in the memory table (Look Up Table) to special features given system - such as non-linearity - to adjust and correct if necessary.

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. working 1. Odometer with cw-modulated semiconductor laser and phase-sensitive rectifier, wherein the modulated for enlargement the measuring range by a primary high modulation frequency with a second, low frequency, the phase-sensitive rectifier of two synchronous rectifiers (G₁, G₂) which directly or by 90 ° out of phase are driven with the primary modulation, characterized in that the transmission signal (10) of the laser (11) after a certain number (m₁) of periods of the primary modulation for the duration (time interval T) of a certain number (m₂) of these periods will be interrupted by a switching element (12), and during these time intervals (T₁, T₂...) by analog circuits (S₂, S₃) two integrating amplifier (V₃, V₄) connected to the outputs of the synchronous rectifier (G₁, G₂) get connected.
2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker (V₃, V₄) eine Integrationszeitkonstante aufweisen, die groß gegenüber dem Zeitintervall (T) ist. 2. Distance meter according to claim 1, characterized in that the amplifier (V₃, V₄) having an integration time constant which is large compared to the time interval (T).
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. 3. rangefinder according to claims 1 or 2, characterized in that, with square wave modulation of the transmission signal (10) in the receiver amplifier (13) can be suppressed by certain frequency response selection of the gain, the harmonics.
4. Entfernungsmesser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendesignal ( 10 ) sinusförmig moduliert wird. 4. rangefinder according to claims 1 or 2, characterized in that the transmission signal (10) is modulated sinusoidally.
5. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor mit Multiplikations- und Divisionsbefehlen verwendet wird. 5. Distance meter according to one of claims 1 to 4, characterized in that a microprocessor with multiplication and division instructions is used.
6. Entfernungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quadrier- und Wurzelfunktionen mittels einer im Speicher des Mikroprozessors abgelegten Werte-Tabelle durchgeführt werden. 6. Distance meter according to claim 5, characterized in that the squaring and root functions are performed by means of a stored in the memory of the microprocessor values ​​table.
7. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich durch Hinzunahme noch tieferer Untermodulationsfrequenzen weiter vergrößert wird. 7. Odometer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measurement range is further increased by the addition of even lower sub-modulation frequencies.
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