DE4303804C2 - Einrichtung zur Entfernungsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des An­ spruchs 1.

Eine derartige Einrichtung ist aus der DE 22 29 339 B2 bekannt. Zur Bestim­ mung der Entfernung eines Objektes zur Einrichtung wird der Sendelichtstrahl nacheinander mit zwei verschiedenen Modulationsfrequenzen moduliert und das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen.

Dabei ist die Frequenz, mit der die erste Modulation durchgeführt wird, erheb­ lich kleiner als die Frequenz, mit der die zweite Modulation durchgeführt wird.

Demzufolge wird mit der ersten Modulationsfrequenz eine Grobmessung durch­ geführt, mit der die Distanz des Objekts lediglich näherungsweise bestimmt wird. Anschließend erfolgt mit der zweiten Modulationsfrequenz eine Feinmes­ sung, die eine Präzisierung der ersten Messung liefert.

Derartige Einrichtungen können vorteilhaft zur Vermessung statischer Objekte, wie z. B. von Gebäuden, eingesetzt werden, da sich während der Messungen mit den verschiedenen Modulationsfrequenzen das Objekt relativ zur Einrich­ tung nicht bewegen darf. Dies liegt darin begründet, daß mit der ersten Mes­ sung eine genaue Distanzmessung nicht möglich ist.

Während dieser Zeit erfolgende Objektbewegungen können nur sehr ungenau registriert werden. Falls sich ein Objekt während der Messung mit der zweiten Messung schnell bewegt, kann aufgrund des sehr kleinen Eindeutigkeitsbereichs der Messung, der durch den Betrag der Modulationsfrequenz vorgegeben ist, eine genaue Lokalisierung des Objekts erschwert werden.

Bei den aus der WO 90/00746 und der EP 0035 755 bekannten Einrichtungen werden drei Modulationsfrequenzen zur Durchführung von Grob- und Feinmes­ sungen verwendet.

Eine Einrichtung zur Entfernungsmessung ist aus der DE-PS 40 27 990 be­ kannt. Zur Bestimmung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird der Phasenwinkel zwischen dem Sendelichtstrahl und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl ausgewertet. Innerhalb des Winkelbereichs zwischen 0° und 360° ist der Phasenwinkel proportional zur Entfernung des Objekts von der Einrichtung. Sobald dieser Winkelbereich überschritten wird, können die Pha­ senwinkel nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden. Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelicht­ strahls ist der Meßbereich demnach auf den Bereich einer Wellenlänge der Mo­ dulationsfrequenz beschränkt.

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 reduziert 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 Oberflä­ chen das Sendelicht zur zu einem geringen Anteil reflektieren, nicht mehr ver­ messen werden können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Meßbereichser­ weiterung der Phasenmessung zu erzielen, die eine möglichst hohe Meßemp­ findlichkeit bei möglichst kurzen Reaktionszeiten gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2-6 beschrieben.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt insbesondere darin, daß durch die Verwendung zweier Modulationsfrequenzen gleicher Größenordnung mit jeder Einzelmessung, für die eine der beiden Modulationsfrequenzen ver­ wendet sind, die gewünschte Genauigkeit erzielt wird.

Die Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs der Distanzmessung über die Wel­ lenlänge einer der beiden Modulationsfrequenzen hinaus erfolgt durch einfachen Vergleich der Beträge der Entfernungswerte, die mit den einzelnen Modula­ tionsfrequenzen aufgenommen werden. Dadurch kann der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmessung auf das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Mo­ dulationsfrequenzen vergrößert werden. Die Beträge der Modulationsfrequenzen sind teilerfremde Zahlen, so daß der Eindeutigkeitsbereich der Entfernungsmes­ sung maximiert wird.

Da die beiden Einzelmessungen die Distanzmessung mit nahezu derselben Genauigkeit erfolgen, kann eine Mehrfachmessung, die sich in Grob- und Feinanessungen unterteilt, zur Bestimmung der Distanz des Objekts zur Ein­ richtung vermieden werden. Dadurch kann die Reaktionszeit bei der Entfer­ nungsmessung erheblich verkürzt werden.

Demzufolge können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch Objekte erfaßt werden, die sich relativ zur Einrichtung mit großer Geschwindigkeit bewegen. Erfindungsgemäß ist die Umschaltfrequenz der Modulationsfrequen­ zen an die Geschwindigkeit der Objekte angepaßt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß während zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfre­ quenzen die Position des zu vermessenden Objekts in gewissen Grenzen, die durch die Eindeutigkeitsbereiche der Einzelmessungen vorgegeben sind, variie­ ren kann.

Selbst in diesem Fall ist eine exakte Ortsbestimmung des Objekts möglich, da mit jeder Einzelmessung die Ortsbestimmung hinreichend genau erfolgt. Bei dem nachfolgenden Vergleich der verschiedenen Einzelmessungen müssen diese nur innerhalb einer gewissen Unschärfe übereinstimmen.

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 Tiefrässe 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 A (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 (6)

1. Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sendelicht emittierenden Laser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Modulationsfre­ quenzen amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und einem Phasendetektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls und des von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls, wobei die Modulationen des Sendelichtstrahls mit den jeweiligen Modulationsfre­ quenzen zeitlich getrennt erfolgen und zur Ermittlung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung (1) das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Beträge der Modula­ tionsfrequenzen teilerfremde Zahlen gleicher Größenordnung sind, und daß die Änderung der Modulationsfrequenz innerhalb vorgegebener, an die Geschwindigkeit der Objekte relativ zur Einrichtung angepaßter Inter­ valle erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unter­ schiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelten Entfernungswerte für ein Objekt zur Bestimmung des Absolutwertes des Entfernungswertes in einer Auswerteeinheit (14) miteinander verglichen werden.

3. Einrichtung nach 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 zwei Oszillatoren (5, 6) zur Erzeugung der Modulationsfrequenzen ab­ wechselnd über eine Schaltvorrichtung (15) aktivierbar sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasendetektor (9) aus zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (10, 11) besteht, von denen jeweils einer um 0° und 90° phasenversetzt zur Modulationsfrequenz des Sendelichtstrahls (4) angesteuert wird.

6. Verfahren zur Ortung von Hindernissen, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (1) zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 eine Ablenkvorrichtung vor­ geschaltet ist, die den Sendelichtstrahl (4) entlang einer Bahn über einen vorgegebenen Raumbereich führt, wobei die Ablenkung des Sendelicht­ strahls (4) periodisch wiederholt wird, und wobei für aufeinanderfolgende Ablenkungen abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modulations­ frequenzen zur Modulation des Sendelichtstrahls (4) verwendet wird.