DE4237347C1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Erfassung und Auwertung von Signalen bei der Messung von Entfernungen und Entfernungsänderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen zur Messung von Entfernungen und Entfernungsänderungen nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 2 bzw. 3, sowie eine dazugehörige Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13. Sie kann vorteilhaft in handhaltbaren Geräten verwendet werden, die in der Vermessungstechnik, insbesondere im Transport- und Verkehrswesen, in der Forstwirtschaft und im Maschinenbau angewendet werden.

Es sind verschiedene Lösungen bekannt, die die Realisierung einer Laserentfernungsmessung gestatten. Bekannte Entfernungsmesser nutzen das Grundprinzip der Impulsreflexlaufzeitmessung mit verschiedenen technischen Lösungen und unterschiedlichem Erfolg.

In der AT-PS 3 07 762 wird ein Verfahren und eine Einrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip vorgestellt. Diese Lösung nutzt die Aussendung eines Impulses in Richtung eines Objektes, welcher von diesem reflektiert und als Refleximpuls aufgefangen wird. Die ermittelte Laufzeit des Refleximpulses dient dabei als Maß der Entfernung, wobei eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die einen Sende- und Empfangsteil sowie eine Anordnung zur Messung der Impulslaufzeit umfaßt, eingesetzt ist. Lösungsgemäß erfolgt eine Regelung der Empfangsamplitude durch das Messen vorangegangener Amplituden und das Verändern der Sendeleistung und/oder des Verstärkungsfaktors eines Empfangsverstärkers auf einen konstanten Wert. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die Meßgenauigkeit von der Regelgenauigkeit abhängig ist und die Regelung der Empfangsamplitude eine hohe Anzahl von Sendeimpulsen bzw. eine große Regelzeit erfordert. Außerdem muß der Reflektionsfaktor lösungsbezogen konstant sein, d. h. der Meßstrahl darf sich während der Regel- und Meßzeit nicht bewegen. Für handhaltbare Geräte ist dieses Verfahren der Signalverarbeitung daher völlig ungeeignet.

Die DD 2 23 539 A1 stellt eine Anordnung zur Empfangssignalaufbereitung für optoelektronische Entfernungsmesser vor, mit der das Empfangssignal so aufbereitet werden soll, daß eine laufzeitabhängige Intensitätsschwächung für jeden Entfernungsmeßwert kompensiert wird. Die laufzeitabhängige Intensitätsschwächung wird durch eine zeitabhängige Steuerung eines Verstärkers kompensiert, damit die Empfangsamplitude unabhängig von der Enfernung konstant gehalten werden kann. Die Flankensteilheit verhält sich ebenfalls konstant, wobei der Zeitmeßfehler zwischen einem Strahlungsimpuls und einem elektronischen Empfangsimpuls ausgleichbar ist. Da der Reflexionsfaktor des Meßobjektes die Empfangsamplitude zum großen Teil bestimmt und dieser in der Regel über die Oberfläche des Objektes stark unterschiedlich sein kann, ist auch diese Lösung für handhaltbare Geräte bzw. zur Entfernungsmessung sich bewegender Objekte ungeeignet.

In der DE 41 08 376 A1 sind ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Erfassung und Auswertung von Signalen bei der Entfernungsmessung offenbart, bei dem die Signalbreiten und der Vorderflankenabstand, der aus den direkt und indirekt erhaltenen Lichtsignalen gewonnenen Komparatorsignale, gemessen werden. Aus den Signalbreiten werden Korrekturwerte ermittelt, aus denen sich, verknüpft mit den Meßergebnissen, die wahre Impulslaufzeit als Maß für die Entfernung ergibt. Nachteilig an dieser Lösung ist, daß mindestens drei Zeitmesser erforderlich sind, wodurch die Meßergebnisse durch unterschiedliche systembedingte Zeitfehler behaftet sind, die durch die verfahrensgemäße Signalverarbeitung nicht kompensiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren und eine neue Schaltungsanordnung zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen bei der Messung von Entfernungen und Entfernungsänderungen zu schaffen, mit denen die Meßgenauigkeit von Laserimpulsen nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip erhöht wird, ohne die Meßzeit zu verlängern.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch die in den Patentansprüchen 1, 2 oder 3 aufgeführten Merkmale, bezüglich der Schaltungsanordnung durch die in Patentanspruch 13 aufgeführten Merkmale gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anordnung werden die Triggerzeitpunkte der in bekannter Weise gebildeten Komparatorsignale gemessen, wobei die Aussendung der Lichtimpulse und der Beginn der Zeimessung von einer gleichen Zeitbasis aus gesteuert werden. Durch Differenzbildung werden aus den einzelnen Zeitwerten die Breiten und der Abstand der Komparatorsignale rechentechnisch ermittelt. Unabhängig davon, ob die Zeitmessungen zeitgleich mit vier Zeitmessern oder nacheinander mit zwei oder sogar nur einem Zeitmesser erfolgen, wird der durch die Zeitmesser systembedingte Zeitfehler durch die Differenzbildung kompensiert.

Die erfinderische Lösung bietet eine Systemlösung an, die mit einfachen technischen Mitteln die Meßgenauigkeit bei Entfernungsmessungen erhöht. Die Lösung gestattet die Realisierung von kostengünstigen, handhaltbaren genauen und augensicheren Entfernungsmessern.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren hat folgenden zeitlichen Verlauf:
Eine Entfernungsmessung wird ausgelöst, indem aus dem von einem Quarzgenerator einer Zeiteinheit gelieferten Grundtakt ein Referenzzeitpunkt T_R in Form einer Taktflanke ausgewählt wird. Diese Taktflanke steuert mit einer definierten Verzögerungszeit sowohl einen Generator zur Erzeugung eines Laserimpulses, als auch die Zeiteinheit an.

Ein erster von einer Laserdiode erzeugter Laserimpuls verläßt durch ein Sendeobjektiv das Entfernungsmeßgerät in Richtung eines anvisierten Meßobjektes, wird reflektiert und ein kleiner Teil des Laserimpulses (Reflexsignal) gelangt über ein Empfangsobjektiv zu einem Strahlungsempfänger, der aus einer Fotodiode bestehen kann. Dort wird er in ein elektrisches Reflexsignal gewandelt, mittels eines Breitbandverstärkers verstärkt und einem Komparator zugeführt. Durch den komparativen Vergleich des elektrischen Reflexsignals mit einem Schwellwertsignal, dessen Amplitude im wesentlichen von der Rauschspannung am Ausgang des Breitbandverstärkers abhängt, wird ein Komparatorsignal in Form eines einmaligen Rechteckimpulses gebildet. Seine positive Flanke stoppt zum Triggerzeitpunkt, der auf einer definierten Stelle innerhalb dieser Flanke liegt, einen ersten Zeitmesser. Der erste Zeitmesser enthält somit die gemessene Zeitdifferenz T_{T ⁺}-T_R zwischen dem Referenzzeitpunkt T_R und dem Triggerzeitpunkt T_{T ⁺}. Wurde im Moment des Referenzzeitpunktes T_R gleichzeitig ein zweiter Zeitmesser gestartet und mit der negativen Flanke des Komparatorsignals, also mit dem Triggerzeitpunkt T_{T ⁻} gestoppt, so enthält die zweite Zeiteinheit entsprechend die Zeitdifferenz T_{T ⁻}-T_R. Die Breite des Komparatorsignals T_K ergibt sich rechentechnisch zu

T_K = (T_{T ⁻}-T_R) - (T_{T ⁺}-T_R).

Der Breite des Komparatorsignals T_K werden über eine Tabellenform Korrekturwerte zugeordnet, um die die Zeitdifferenz (T_{T ⁺}-T_R) reduziert wird, so daß die Anstiegsflanke des Reflexsignals idealisiert (unendlicher Anstieg) dargestellt und damit ein theoretischer Flankenzeitpunkt des Reflexsignals T_FR rechentechnisch ermittelt wird. Die Zeitdifferenz T_FR-T_R ist somit die idealisiert gewonnene exakte Verzögerungszeit, die die entfernungsabhängige Laufzeit und eine systeminterne Verzögerungszeit enthält. Die systeminterne Verzögerungszeit wird gewonnen durch Messung des Direktsignals, indem ein zweiter Laserimpuls nicht in Richtung Meßobjekt abgestrahlt wird, sondern durch optische Mittel innerhalb des Empfangsmeßgerätes zum Emfpänger geleitet und mit denselben Mitteln und Methoden verarbeitet wird. Das Ergebnis ist die Zeitdifferenz T_FD-T_R zwischen dem theoretischen Flankenzeitpunkt des Direktsignals T_FD und dem Referenzzeitpunkt T_R.

Daraus ergibt sich rechentechnisch die entfernungsabhängige Laufzeit T_E,

T_E = (T_FR - T_R) - (T_FD - T_R) = T_FR - T_FD.

Die entfernungsabhängige Laufzeit T_E wird von der Recheneinheit über die Formel

E = T_{E *} c/2

in die Entfernung umgerechnet und dargestellt.

Werden nicht gleichzeitig zwei Zeitmesser zur Vermessung eines Laserimpulses gestartet, sondern ist nur ein Zeitmesser vorhanden, dann muß dieser Zeitmesser mit Hilfe von vier Laserimpulsen (zwei Reflexsignale und zwei Direktsignale) die notwendigen Meßwerte ermitteln.

Sind vier Zeitmesser vorhanden und werden diese mit dem Referenzzeitpunkt T_R gleichzeitig gestartet, ist mit Hilfe eines Laserimpulses die Messung der vier notwendigen Meßwerte möglich. Da aber bei der Entfernung von Null Metern das Reflex- und das Direktsignal nicht voneinander getrennt werden können, ist bei dieser Variante eine zusätzliche geräteinterne optische Verzögerung des Reflexsignales notwendig, damit auch bei der Entfernung von Null Metern das Reflexsignal nach dem Direktsignal empfangen wird.

Eine Vereinfachung des Verfahrens ist möglich, wenn das Direktsignal bei einer Reihe von nacheinanderfolgenden Entfernungsmessungen nur einmal vermessen wird. Die einmal festgestellten Meßwerte werden gespeichert und gegen bei jeder nachfolgenden Entfernungsmessung gleichermaßen ein. Damit können Laserimpulse für die Vermessung des Direktsignals eingespart werden und die Meßzeit der Entfernungsmessung, bei der die Ergebnisse vieler Einzelentfernungsmessungen zur Erhöhung der Genauigkeit und Unterdrückung des statischen Rauschens gemittelt werden, wird stark reduziert. Vorteilhaft ist die Vermessung des Direktsignals sofort nach dem Einschalten des Entfernungsmeßgerätes. Auf der Grundlage von kurzzeitigen, in definierten Zeitabständen aufeinanderfolgenden Entfernungsmessungen ist die Geschwindigkeitsmessung von Meßobjekten in der Richtung der Laserachse möglich.

Auch wenn mit größeren Zeitabständen Entfernungsmessungen durchgeführt werden, kann auf eine wiederholte Vermessung des Direktsignals verzichtet werden, wenn es in seinem Abstand vom Referenzzeitpunkt T_R und seiner Impulsbreite definiert ist und als Speicherwert in der Recheneinheit 11 abgelegt ist.

Besitzt das Direktsignal eine Amplitude, die im Übersteuerungsbereich des Breitbandverstärkers liegt, dann ist die Anstiegsflanke des elektrischen Direktsignals so groß, daß der Triggerzeitpunkt T_{T ⁺} und der theoretische Flankenzeitpunkt T_FD zusammenrücken, so daß die Korrektur der Zeitdifferenz (T_{T ⁺}-T_R) entfallen kann. Damit ist die Messung der Zeitdifferenz T_{T ⁻}-T_R) und die Bestimmung der Impulsbreite T_K des Direktsignals nicht erforderlich und die Messung von T_{T ⁺}-T_R) bei vorgegebener Genauigkeit ausreichend.

Möglich ist es auch, auf die Messung des Direktsignals überhaupt zu verzichten, wenn nur die Entfernungsänderung gemessen werden soll. Werden diese Entfernungsänderungen in definierten Zeitabständen ermittelt, kann so ein einfaches System zur Geschwindigkeitsmessung aufgebaut werden, ohne die absolute Entfernung messen zu müssen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von verschiedenen erfindungsgemäßen Anordnungen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit vier Zeitmessern zur Einzelimpulsmessung;

Fig. 2 eine zeitbezogene Darstellung eines Laserimpulses P_Laser;

Fig. 3 eine zeitbezogene Darstellung der Verstärkerausgangssignale U_a(t) bei einer Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine zeitbezogene Darstellung der Komparatorsignale U_k(t) bei einer Anordnung gemäß Fig. 1;

Fig. 5 eine Darstellung der Triggerzeitpunkte der Komparatorsignale U_k(t) in Abhängigkeit von den Amplituden der Verstärkerausgangssignale U_a(t);

Fig. 6 eine erfindungsgemäße Anordnung mit zwei Zeitmessern zur Mehrfachimpulsmessung;

Fig. 7 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Zeitmesser zur Mehrfachimpulsmessung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung umfaßt eine Zeiteinheit 1 mit einem Quarzgenerator 2, einem Flankendetektor 9 und vier Zeitmessern 10, sowie einen Stromimpulsgenerator 3, eine Laserdiode 4, ein optisches Verzögerungsglied 12, eine optische Kurzschlußstrecke 5, eine Fotodiode 6, einen Breitbandverstärker 7, einen Komparator 8 und eine Recheneinheit 11, die mit einer nicht dargestellten Eingabe- und einer Ausgabeeinheit verbunden ist.

Durch ein Signal von der Recheneinheit 11 initialisiert, erzeugt der Quarzgenerator 2 einen quarzstabilisierten Grundtakt, aus dessen Taktperiode sich Entfernungsschritte ableiten lassen. Dieser Grundtakt wird parallel zu einem Referenzzeitpunkt T_R, der von einer Taktflanke abgeleitet wird, auf die Zeitmesser 10 geschaltet, die unabhängig voneinander bis zu einem Triggerzeitpunkt T_T die Zeit messen.

Zum Referenzzeitpunkt T_R wird der Stromimpulsgenerator 3 aktiviert, so daß die Laserperiode 4 nach Ablauf einer Verzögerungszeit einen Laserimpuls abgibt (Fig. 2). Dieser Laserimpuls gelangt sowohl über die optische Kurzschlußstrecke 5, als auch verzögert über das optische Verzögerungsglied 12 und reflektiert am Meßobjekt als Reflexsignal zur Fotodiode 6, die einen impulsförmigen Fotostrom generiert. Dieser wird im Breitbandverstärker 7 ausreichend verstärkt und in eine Verstärkerausgangsspannung U_a (t) umgewandelt (Fig. 3). Mittels des Komparators 8 werden die Verstärkerausgangsspannung U_a (t) und die Schwellspannung U_s verglichen. U_s ist so bemessen, daß der Störabstand ausreichend groß ist. Indem die Verstärkerausgangsspannung U_a (t) die Schwellspannung U_s über- bzw. unterschreitet, wird ein Komparatorsignal U_k (t) gebildet (Fig. 4).

Jedes Komparatorsignal U_k (t) ist charakteristisch durch seine zwei Triggerzeitpunkte T_{T ⁺} und T_{T ⁻} (Fig. 4), die von der Amplitude der Verstärkerausgangsspannung U_a (t) abhängen. Je größer die Amplitude ist, um so mehr verschiebt sich T_{T ⁺} auf der Zeitachse nach vorn bzw. T_{T ⁻} nach hinten, und um so größer wird der zeitliche Abstand zwischen T_{T ⁺} und T_{T ⁻} (Fig. 5). Das Komparatorsignal U_k (t) wird auf den Flankendetektor 9 geführt, der die Triggerzeitpunkte des Direktsignals T_T+D, T_T-D und des Reflexsignals T_T+R, T_T-R durch zeitliche Auswahl selektiert und entsprechende elektrische Impulsflanken bildet, die die einzelnen Zeitmesser 10 entsprechend der aufeinanderfolgenden Triggerzeitpunkte anhalten. Somit enthalten die Zeitmesser 10 folgende Zeitdifferenzen:

erster Zeitmesser 10.1:
TT+D-TR
zweiter Zeitmesser 10.2:	TT-D-TR
dritter Zeitmesser 10.3:	TT+R-TR
vierter Zeitmesser 10.4:	TT-R-TR

Diese Zeitdifferenzen werden von der Recheneinheit 11 abgerufen und verfahrensgemäß verarbeitet.

Ist die entfernungsabhängige Verzögerungszeit gleich Null, könnten die Komparatorsignale des Direktsignals und des Reflexsignals zeitlich nicht voneinander getrennt werden, gäbe es nicht das optische Verzögerungsglied 12 (Verzögerungszeit T_Vopt), bestehend aus einer Faserstrecke, das eine zusätzliche Entfernung simuliert. Diese simulierte Entfernung wird vom verfahrensgemäß ermittelten Rechenergebnis subtrahiert.

Ein zweites in Fig. 6 dargestelltes Ausführungsbeispiel unterscheidet sich zum vorgenannten dadurch, daß nur zwei Zeitmesser vorhanden sind, eine Verbindung zwischen der Recheneinheit 11 und der optische Kurzschlußstrecke 5 vorhanden ist, um diese wahlweise aktiv bzw. passiv schalten zu können, und auf das Verzögerungsglied 12 verzichtet wurde.

Aus einem ersten Lasersignal wird dann ein Direktsignal erzeugt, indem die optische Kurzschlußstrecke 5 aktiv geschaltet ist und das Komparatorsignal U_kD (t) in seinen Triggerzeitpunkten T_T+D und T_T-D vermessen wird. Die beiden Zeitmesser 10 besitzen dann die Inhalte T_T+D-T_R bzw. T_T-D-T_R, die von der Recheneinheit 11 zur Bestimmung des theoretischen Flankenzeitpunktes des Direktsignals T_FD herangezogen werden.

Aus einem zweiten Laserimpuls wird das Reflexsignal erzeugt, indem die optische Kurzschlußstrecke 5 passiv geschaltet ist und der Laserimpuls der entfernungsabhängigen Laufzeit T_E empfangen wird. Das Komparatorsignal des Reflexsignals U_kR(t) wird in seinen beiden Triggerzeitpunkten T_T+R und T_T-R ebenfalls vermessen und aus den Zeitmesserinhalten T_T+R-T_R bzw. T_T-R-T_R wird von der Recheneinheit 11 der theoretischen Flankenzeitpunkt des Reflexsignals T_FR durch Korrektur gebildet.

Die entfernungsabhängige Laufzeit T_E wird rechentechnisch ermittelt T_E=T_FR-T_FD und in eine Meßzahl für die Entfernung umgewandelt.

Ein drittes, in Fig. 7 ausschnittsweise dargestelltes Ausführungsbeispiel weist nur einen Zeitmesser 10 auf. Hier werden aus vier in einem genügend großen Zeitabstand erzeugten Laserimpulsen die vier notwendigen Triggerzeitpunkte T_T+D, T_T-D, T_T+R, T_T-R gebildet, wobei jeder Laserimpuls nur einen Triggerzeitpunkt erzeugt. Innerhalb des Direktsignals oder des Reflexsignals werden T_T+ und T_T- durch die Flankenrichtung vom Flankendetektor 9 unterschieden, wobei das Direktsignal und das Reflexsignal dadurch unterschieden werden, daß die Recheneinheit 11 die optische Kurzschlußstrecke 5 aktiv bzw. passiv geschaltet hat. Die Verwendung nur eines Zeitmessers 10 hat den Vorteil, daß einerseits der Schaltungsaufwand gering gehalten wird und andererseits alle Zeitdifferenzen mit demselben Zeitmesser 10 gewonnen werden, so daß Zeitmeßfehler durch die Differenzbildung vollständig kompensiert werden. Allerdings erhöht sich durch die vier aufeinanderfolgenden Zeitmessungen die Meßzeit für eine Entfernungsmessung gegenüber den Ausführungsbeispielen mit vier oder zwei Zeitmessern. In der Praxis jedoch wird dieser Nachteil durch eine hohe Meßfolge, die die Mittelwertbildung der Zeitdifferenzen einschließt, und einer kurzen Rechenzeit zur Bildung der Impulsbreiten, Impulsabstände, Mittelwerte, sowie zur Plausibilitätskontrolle und Korrektur zum theoretischen Flankenzeitpunkt und zur Bestimmung des Entfernungs- oder Geschwindigkeitswertes kompensiert.

Unabhängig von der Anzahl der Zeitmesser 10 kann die Meßzeit, die zur Bildung eines Entfernungswertes benötigt wird, auch dadurch verringert werden, daß die Triggerzeitpunkte des Direktsignals T_T+D und T_T-D unter der Bedingung der zeitlichen Konstanz gegenüber dem Referenzzeitpunkt T_R nicht bei jeder Entfernungsmessung gemessen werden, sondern nur nach dem Einschalten des Entfernungsmeßgerätes, und als Speicherwerte in jede Entfernungsbestimmung eingehen.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, nur den Triggerzeitpunkt T_T+D zu messen und auf die Messung des Triggerzeitpunktes T_T-D zu verzichten, wenn die Amplitude des Direktsignals, und davon abhängig die Impulsbreite des Komparatorsignals, U_kD konstant sind und damit auch ohne Kenntnis des Triggerzeitpunktes T_T-D ein theoretischer Flankenzeitpunkt T_FD ermittelbar ist.

Wie Fig. 7 zeigt, ergeben sich bei gegebener Schwellspannung U_S in Abhängigkeit von der Amplitude des Verstärkerausgangssignals U_a (t) unterschiedliche Triggerzeitpunkte T_{T ⁺} und T_{T ⁻}.

Eine Amplitudenänderung erfolgt so lange, wie ein optisches Signal in ein elektrisches gewandelt wird. Somit ist T_{T ⁺} nicht der wahre Empfangszeitpunkt des Direkt- bzw. Reflexsignals, sondern der wahre Empfangszeitpunkt wird als der Flankenzeitpunkt T_F bei unendlich steiler Anstiegsflanke der Signale definiert, der auf der Zeitachse links von T_{T ⁺} liegt. Dieser theoretische Flankenzeitpunkt T_F ist abhängig von der Komparatorsignalsbreite die sich aus T_{T ⁻}-T_{T ⁺} ergibt und wird experimentell ermittelt, indem ausgehend von einer bekannten entfernungsabhängigen Laufzeit die Amplituden des Direkt- und Reflexsignals verändert werden. Die dabei entstehenden Korrekturwerte werden den verschiedenen Komparatorsignalsbreiten zugeordnet und in der Recheneinheit gespeichert.

Wird nur die Komparatorsignalbreite des Reflexsignals bewertet, ergibt sich der Korrekturwert so, daß die ermittelte entfernungsabhängige Laufzeit mit der durch eine reale Entfernung vorgegebenen Laufzeit trotz Amplitudenänderung des Reflexsignals übereinstimmt. Dabei kann das Direktsignal einmalig in seinem Triggerzeitpunkt T_T+D gemessen werden.

Vorteilhafterweise kann der Zeitmesser 10 einen Grob- und einen Feinzeitmesser umfassen, wobei der Grobzeitmesser aus einem Digitalzähler besteht, der die Takte des Quarzgenerators zwischen dem Referenzzeitpunkt T_R und einer der Triggerzeitpunkten folgenden Takte des Quarzgenerators 2 zählt und der Feinzeitmesser aus einem Zeit/Spannungs-Wandler besteht, der eine Zeitauflösung innerhalb der Taktflanken zuläßt. Der Feinzeitmesser mißt die Zeit zwischen den Triggerzeitpunkten des Komparatorsignals und einer der folgenden Taktflanken des Quarzgenerators 2. Beide Meßwerte werden so verknüpft, daß die Zeitdifferenz T_T-T_R für die Recheneinheit 11 abrufbereit zur Verfügung steht.

Der Zeitmesser 10 kann ebenfalls aus einer oder mehreren zum Referenzzeitpunkt T_R gleichzeitig gestalteten Verzögerungsketten bestehen, die auf der Basis von Lauf- und Schaltzeiten arbeiten, und mit denen eine sehr feine quantisierte Zeitmessung zwischen dem Referenzzeitpunkt T_R und den Triggerzeitpunkten T_T möglich ist.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen zur Messung von Entfernungen nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip, bei dem von einer Sendeeinheit abgegebene impulsförmige Lichtsignale indirekt, reflektiert von einem entfernt angeordneten Meßobjekt, und direkt einem Empfänger zugeführt werden, wo sie in elektrische Signale gewandelt werden, welche anschließend mit einer definierten Verzögerung verstärkt und mit einem Schwellwertsignal zu Komparatorsignalen verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens bei einer ersten Entfernungsmessung vier Zeitmessungen durchgeführt werden, wobei der Beginn der Zeitmessungen mit der gleichen Zeitbasis wie die Sendeeinheit gesteuert wird und das Ende durch die Triggerzeitpunkte der Komparatorsignale bestimmt ist,
• - daß aus den gemessenen Zeitwerten der einzelnen Zeitmessungen die Breiten und der Abstand der Komparatorsignale rechentechnisch ermittelt werden,
• - daß mit Hilfe der Breiten der Komparatorsignale Korrekturwerte für die Triggerzeitpunkte der Komparatorsignale gebildet werden,
• - daß aus dem ermittelten Abstand der Komparatorsignale und den gebildeten Korrekturwerten die Laufzeitdifferenz zwischen dem direkten und dem indirekten Lichtsignal ermittelt wird und
• - daß aus der Laufzeitdifferenz die Entfernung zum Meßobjekt bestimmt wird.

2. Verfahren zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen zur Messung von Entfernungen nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip, bei dem von einer Sendeeinheit abgegebene impulsförmige Lichtsignale indirekt, reflektiert von einem entfernt angeordneten Meßobjekt, und direkt einem Empfänger zugeführt werden, wo sie in elektrische Signale gewandelt werden, welche anschließend mit einer definierten Verzögerung verstärkt und mit einem Schwellwertsignal zu indirekten und direkten Komparatorsignalen verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß wenigstens bei einer ersten Entfernungsmessung drei Zeitmessungen durchgeführt werden, wobei der Beginn der Zeitmessungen mit der gleichen Zeitbasis wie die Sendeeinheit gesteuert wird und das Ende der ersten Zeitmessung durch den positiven Triggerzeitpunkt des direkten Komparatorsignals und das Ende der zweiten und dritten Zeitmessung durch die Triggerzeitpunkte des indirekten Komparatorsignals bestimmt sind,
• - daß aus den gemessenen Zeitwerten der einzelnen Zeitmessungen der Abstand der Komparatorsignale und die Breite des indirekten Komparatorsignals rechentechnisch ermittelt werden,
• - daß mit Hilfe der Breite des indirekten Komparatorsignals ein Korrekturwert für den positiven Triggerzeitpunkt des indirekten Komparatorsignals gebildet wird,
• - daß aus dem ermittelten Abstand der Komparatorsignale und dem gebildeten Korrekturwert die Laufzeitdifferenz zwischen dem direkten und dem indirekten Lichtsignal ermittelt wird und
• - daß aus der Laufzeitdifferenz die Entfernung zum Meßobjekt bestimmt wird.

3. Verfahren zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen zur Messung von Entfernungsänderungen nach dem Impulsreflexlaufzeitprinzip, bei dem von einer Sendeeinheit abgegebene impulsförmige Lichtsignale indirekt, zeitlich nacheinander reflektiert von einem entfernt bewegten Meßobjekt, einem Empfänger zugeführt werden, wo sie in elektrische Signale gewandelt werden, welche anschließend mit einer definierten Verzögerung verstärkt und mit einem Schwellwertsignal zu Komparatorsignalen verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß vier Zeitmessungen durchgeführt werden, wobei der Beginn der Zeitmessungen mit der gleichen Zeitbasis wie die Sendeeinheit gesteuert wird und das Ende durch die Triggerzeitpunkte der Komparatorsignale bestimmt ist,
• - daß die Zeitmessungen gepaart erfolgen, indem aus einem Komparatorsignal, zwei die zeitliche Lage und Breite dieses Komparatorsignals bestimmende Meßwerte ermittelt werden,
• - daß aus den gemessenen Zeitwerten der einzelnen Zeitmessungen die Breiten und der Abstand der Komparatorsignale rechentechnisch ermittelt werden,
• - daß mit Hilfe der Breiten der Komparatorsignale Korrekturwerte für die Triggerzeitpunkte der Komparatorsignale gebildet werden,
• - daß aus dem ermittelten Abstand der Komparatorsignale und den gebildeten Korrekturwerten die Laufzeitdifferenz zwischen den nacheinander empfangenen indirekten Lichtsignalen ermittelt wird und
• - daß aus der Laufzeitdifferenz die Entfernungsänderung des bewegten Meßobjektes bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessungen gepaart erfolgen, indem jeweils aus einem Komparatorsignal, zwei die zeitliche Lage und Breite dieses Komparatorsignals bestimmende Meßwerte ermittelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier Zeitmessungen zeitlich nacheinander erfolgen, indem aus den Komparatorsignalen jeweils ein Meßwert ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessungen zeitgleich erfolgen, indem aus den Komparatorsignalen, ausgelöst durch nur einen Lichtimpuls, alle Meßwerte ermittelt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsignale in elektrische Signale mit einem gleichförmigen Anstieg gewandelt und verstärkt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstieg und der Abfall des Signalverlaufes der verstärkten Signale mit einer im wesentlichen gleichen Zeitkonstante erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerzeitpunkte der komparativ bewonnenen Ausgangssignale von den Amplituden der verstärkten Signale bestimmt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessenen Zeitwerte des aus dem direkten Lichtsignal gebildeten Komparatorsignals abgespeichert werden und bei weiteren Entfernungsmessungen nur die Zeitwerte der aus den indirekten Lichtsignalen gebildeten Komparatorsignale gemessen werden.

11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Entfernungswerten mehrerer aufeinanderfolgender Entfernungsmessungen und dem bekannten zeitlichen Abstand der Lichtimpulse die Geschwindigkeit des Meßobjektes ermittelt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Entfernungsänderung und dem bekannten zeitlichen Abstand der Lichtimpulse die Geschwindigkeit des Objektes ermittelt wird.

13. Schaltungsanordnung zur Erfassung und Aufbereitung von Signalen bei der Messung von Entfernung oder Entfernungsänderungen, die einen Stromimpulsgenerator (3), eine Laserdiode (4), eine optische Kurzschlußstrecke (5), eine Fotodiode (6), einen Verstärker (7), einen Schwellwertkomparator (8), eine Zeiteinheit (1) und eine Recheneinheit (11) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiteinheit (1) aus einem Flankendetektor (9), einem Quarzgenerator (2) und mindestens einem Zeitmesser (10) besteht und der Quarzgenerator (2) zur zeitgleichen Ansteuerung der Zeitmesser (10) und des Stromimpulsgenerators (3) mit diesen verbunden ist.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung von vier Zeitmessern (10) ein optisches Verzögerungsglied (12) zwei Zeitmessern (10) mittelbar vorgeordnet ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitmesser (10) aus einem Grob- und einem Feinzeitmesser besteht.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Grobzeitmesser ein den Takt des Quarzgenerators (2) zählender Digitalzähler ist und der Feinzeitmesser aus einem Zeit/Spannungswandler besteht.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitmesser (10) aus mindestens einer auslesbaren Verzögerungskette besteht, wobei mehrere Verzögerungsketten mit einem aus dem Takt des Quarzgenerators (2) abgeleiteten Referenzzeitpunkt gestartet werden.