DE4303804A1

DE4303804A1 - Einrichtung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE4303804A1
Application number: DE4303804A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Rer Nat Hermann; Georg Dipl Ing Moll
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1993-02-10
Filing date: 1993-02-10
Publication date: 1994-08-18
Anticipated expiration: 2013-02-11
Also published as: DE4303804C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sen delicht emittierenden Laser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Mo dulationsfrequenzen amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und einem Phasendetektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls und des von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls.

Eine Einrichtung dieser Art ist aus der DE-PS 40 27 990 bekannt. Zur Bestim mung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird der Phasenwinkel zwi schen dem Sendelichtstrahl und dem vom Objekt reflektierten Empfangslicht strahl ausgewertet. Innerhalb des Winkelbereichs zwischen 0° und 360° ist der Phasenwinkel proportional zur Entfernung des Objekts von der Einrichtung. So bald dieser Winkelbereich überschritten wird, können die Phasenwinkel nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden. Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelichtstrahls ist der Meßbe reich demnach auf den Bereich einer Wellenlänge der Modulationsfrequenz be schränkt.

Zur Erweiterung des Meßbereichs der Einrichtung wird der mit einer Modula tionsfrequenz modulierte Sendelichtstrahl für die Dauer einer bestimmten An zahl von Perioden unterbrochen.

Nachteilig hierbei ist, daß durch das Aufprägen der zweiten Modulationsfre quenz die über die Dauer der beiden Intervalle gemittelte Sendelichtintensität re duziert wird. Dies führt insbesondere bei schnellen Meßvorgängen, bei denen der Sendelichtstrahl nur über wenige Perioden der Modulationsfrequenz ausge wertet werden kann, zu einer erheblichen Verminderung des Signal/Rauschver hältnisses. Dies kann dazu führen, daß insbesondere Objekte, deren Oberflächen das Sendelicht zur zu einem geringen Anteil reflektieren, nicht mehr vermessen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßbereichserweiterung der Phasenmessung zu erzielen, die eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Modulationen mit den jeweiligen Modulationsfrequenzen in vorgegebenen Intervallen zeitlich getrennt erfolgen, und daß zur Ermittlung der Distanz eines Objektes zur Ein richtung das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen wird.

Dabei werden vorzugsweise die mit den unterschiedlichen Modulationsfrequen zen ermittelten Entfernungswerte für ein Objekt in einer Auswerteeinheit mit einander verglichen.

Der Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß der Sendelichtstrahl jeweils nur mit einer Modulationsfrequenz moduliert ist und somit die hohe Signalam plitude in beiden Intervallen gleichbleibend hoch ist. Das Signal/Rauschverhält nis ist dadurch gegenüber einem mit zwei Modulationsfrequenzen modulierten Sendelichtstrahl verbessert.

Jedes Meßobjekt wird zur Bestimmung der Entfernung zur Vorrichtung nachein ander mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen. Damit der Entfernungswert korrekt ermittelt wird, darf sich die Position des Objekts zur Vorrichtung wäh rend der beiden Einzelmessungen nicht wesentlich ändern. Hierzu ist die Fol gefrequenz der Intervalle vorzugsweise wesentlich größer als die Folgefrequenz verschiedener Distanzen von Objekten zur Einrichtung. Je nach Anwendungsfall können die Größen der Intervalle an die maximalen Geschwindigkeiten der Ob jekte angepaßt sein.

Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelicht strahls ist der Meßbereich auf eine Wellenlänge begrenzt. Eine Vermessung weiter entfernt angeordneter Meßobjekte ist prinzipiell nicht möglich, da sich die Entfernungssignale mit der Periode der Modulationsfrequenz identisch wie derholen.

Durch die Verwendung zweier Modulationsfrequenzen kann der Meßbereich auf das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Wellenlängen erhöht werden. In diesem Meßbereich wird für jede Entfernung ein eindeutiges Entfernungssignal erhalten.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich die Eindeutigkeit des Entfer nungssignals durch den Vergleich der einzelnen Signale, die mit dem jeweils mit einer Modulationsfrequenz modulierten Sendelichtstrahl erhalten werden.

Vorteilhafterweise sind die Beträge der Modulationsfrequenzen teilerfremde Zahlen gleicher Größenordnung. Auf diese Weise wird der Meßbereich beson ders stark erweitert.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann vorzugsweise zur Ortung von Hinder nissen eingesetzt werden. Hierzu ist zweckmäßigerweise der Einrichtung zur Entfernungsmessung eine Ablenkvorrichtung vorgeschaltet, die den Sendelicht strahl entlang einer Bahn über einen vorgegebenen Raumbereich führt. Um eine kontinuierliche Ortung zu gewährleisten, wird zweckmäßigerweise die Ablen kung des Sendelichtstrahls periodisch wiederholt. Dabei wird für aufeinanderfol gendende Ablenkungen abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modula tionsfrequenzen zur Modulation des Sendelichtstrahls verwendet. Vorzugsweise ist die Geschwindigkeit der Ablenkvorrichtung so groß gewählt, daß die Posi tion eines Objekts während zwei aufeinanderfolgender Ablenkungen im wesent lichen unverändert ist.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü chen 5 und 6 charakterisiert.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der mit jeweils einer Modulations frequenz ermittelten Entfernungswerte,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Schaltvorrichtung zum Umschalten der Modulationsfrequenzen.

In Fig. 1 ist die Einrichtung 1 zur Entfernungsmessung schematisch dargestellt. Die Einrichtung 1 ist als optisches Sensorsystem ausgebildet, wobei als Sender 2 ein modulierter Dauerstrich-Laser verwendet wird. Als Empfänger 3 kann vor zugsweise eine Fotodiode verwendet werden.

Die Entfernungsmessung erfolgt mit Hilfe der Phasenmessung. Hierzu wird der Sendelichtstrahl 4 über einen Oszillator 5 bzw. 6 mit der Frequenz f₁ bzw. f₂ amplitudenmoduliert. Zur Bestimmung der Entfernung eines in den Zeichnungen nicht dargestellten Objekts zur Einrichtung 1 wird die Phasendifferenz zwischen dem Sendelichtstrahl 4 und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl 7 gemessen und in einen Entfernungswert X₁ bzw. X₂ umgerechnet.

Dem Empfänger 3 ist ein Phasendetektor 8 nachgeschaltet. Dort wird das von dem Oszillator 5 bzw. 6 zum Sender 2 geführten Sendesignal und das am Aus gang des Empfängers 3 anstehende Empfangssignal in Signale umgesetzt, die die Phasendifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal enthalten.

Die Signale enthalten einen Faktor, der die Phasendifferenz enthält, sowie einen Amplitudenfaktor, der ein Maß für die Empfangslichtintensität ist.

Zur Elimination der Amplitudenfaktoren wird das Empfangssignal den phasen empfindlichen Gleichrichtern 10, 11 mit jeweils einem nachgeschalteten Tiefpaß 12, 13 zugeführt, wobei die Gleichrichter 10, 11 über einen Phasenschieber 9 um π/2 phasenversetzt sind.

An den Ausgängen der Tiefpässe 12, 13 liegen Signale der Form A sin Δϕ und A cos Δϕ an, wobei A den Amplitudenfaktor und Δϕ die Phasendifferenz von Sende- und Empfangssignal darstellt. In der Auswerteeinheit 14 wird der Quo tient tan Δϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A eli miniert wird.

Über die Schaltvorrichtung 15 wird jeweils einer der beiden Oszillatoren 5 oder 6 aktiviert, so daß der Sendelichtstrahl 4 entweder mit der Frequenz f₁ oder f₂ moduliert ist.

Fig. 2 zeigt die im Bereich von 0-2 π zur Phasendifferenz Δ (proportionalen Entfernungswerte X₁ und X₂, die mit einem mit der Frequenz f₁ bzw. f₂ modu lierten Sendelichtstrahl 4 für ein Objekt ermittelt wurden. Die Entfernungswerte X₁ und X₂ weisen jeweils die den Frequenzen f₁ und f₂ entsprechenden Periodi zitäten auf. Die Wiederholrate beim Umschalten der Modulationsfrequenzen ist dabei so groß gewählt, daß sich die Entfernung des Objekts zur Einrichtung 1 zwischen zwei Umschaltungen nicht wesentlich ändert. Demzufolge können zwei mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelte Entfernungswerte X₁ und X₂ zur Ermittlung der Distanz des Objekts von der Einrichtung 1 heran gezogen werden. Da die Entfernungswerte proportional zur Phasendifferenz Δϕ sind, ergibt sich durch den Vergleich der Entfernungswerte X₁ und X₂ ein ein deutiger Distanzwert in einem Meßbereich, der durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen der beiden Modulationsfrequenzen gegeben ist.

Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Schaltvorrichtung 15. Die Schaltvorrichtung 15 besteht im wesentlichen aus vier NOR-Gattern 16, 17, 18, 19. Die Gatter 16, 18 sind mit den Oszillatoren 5 und 6 für die Frequenzen f₁ und f₂ verknüpft. Über den Anschluß "Frequenzwahl" und das Gatter 17 erfolgt die Auswahl einer der Frequenzen f₁ oder f₂ zur Modulation des Sendelicht strahls 4.

Liegt am Anschluß "Frequenzwahl" der Bitwert 0 an, so liegt am Ausgang des Gatters 18 der Bitwert 0, so daß am Ausgang des Gatters 19 die Frequenz f₁ an steht. Zur Aktivierung der Frequenz f₂ wird der Anschluß "Frequenzwahl" auf den Bitwert 1 gesetzt. Dementsprechend liegt am Ausgängen der Gatter 16 der Bitwerte 0 an.

Claims

1. Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sendelicht emittierenden La ser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Modulationsfrequenzen amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und einem Phasende tektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls und des von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationen mit den jeweiligen Modulationsfrequenzen in vorgege benen Intervallen zeitlich getrennt erfolgen, und daß zur Ermittlung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung (1) das Objekt mit beiden Modula tionsfrequenzen vermessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unter schiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelten Entfernungswerte für ein Objekt in einer Auswerteeinheit 14 miteinander verglichen werden.

3. Einrichtung Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fol gefrequenz der Intervalle größer ist als die Folgefrequenz verschiedener Distanzen von Objekten zur Einrichtung (1).

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Modulationsfrequenzen teilerfremde Zahlen gleicher Größen ordnung sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Oszillatoren (5, 6) zur Erzeugung der Modulationsfrequenzen abwech selnd über eine Schaltvorrichtung (15) aktivierbar sind.

6. Einrichtung nach einen der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (9) aus zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (10, 11) besteht, von denen jeweils einer um 0° und 90° phasenversetzt zur Modula tionsfrequenz des Lasers angesteuert wird.

7. Verfahren zur Ortung von Hindernissen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (1) zur Entfernungsmessung eine Ablenkvorrichtung vorgeschal tet ist, die den Sendelichtstrahl (4) entlang einer Bahn über einen vorgegebe nen Raumbereich führt, wobei die Ablenkung des Sendelichtstrahls (4) periodisch wiederholt wird, und wobei für aufeinanderfolgende Ablenkungen abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modulationsfrequenzen zur Modulation des Sendelichtstrahls (4) verwendet wird.