DE4419472C2 - Entfernungsmeßgerät nach dem Laufzeitprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmeßgerät nach dem Laufzeitprinzip unter Ver­ wendung elektromagnetischer Wellen, vorzugsweise von Lichtwellen, mit mindestens einem eine Lichtwelle aussendenden Lichtsender, mit einem die Amplitude der Licht­ welle mittels eines Amplitudenmodulationssignals modulierenden Sendepulsgenerator, mit mindestens einem am Ende einer Lichtstrecke angeordneten, ein Empfangssignal liefernden Lichtempfänger und mit mindestens einem Phasendifferenzdetektor, wobei der Lichtsender, der Sendepulsgenerator, der Lichtempfänger und der Phasendiffe­ renzdetektor über elektrische Signalwege verbunden sind und in mindestens einem der elektrischen Signalwege mindestens eine elektronische Signalverzögerungseinheit vorgesehen ist. Ein solches Entfernungsmeßgerät ist z. B. aus der CH 641 279 A5 be­ kannt.

Entfernungsmeßgeräte basieren auf dem Prinzip, daß bei bekannter Laufzeit eines Signals durch ein Medium über eine Entfernung - also eine Meßlicht­ strecke - und gleichzeitig bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals in diesem Medium sich die Entfernung als Quotient von Ausbreitungsgeschwin­ digkeit und Laufzeit ergibt. Im vorliegenden Fall wird das sich ausbreitende Signal von elektromagnetischen Wellen, vorzugsweise von Lichtwellen, gebildet. Breiten sich im hier vorgeschlagenen Verfahren die Lichtwellen in einem homo­ genen Medium, z. B. Luft oder Wasser aus, so ist die Entfernungsbestimmung bei Kenntnis der Laufzeit ohne weiteres möglich, wenn die Ausbreitungsgeschwindig­ keit von Lichtwellen in dem homogenen Medium berücksichtigt wird.

Eine wesentliche Problematik der Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip unter Verwendung von Lichtwellen liegt in der extrem hohen Ausbreitungsge­ schwindigkeit von 300.000 km/s, die eine extrem hoch aufgelöste Messung der Laufzeit erforderlich macht. Um diese hoch aufgelöste Zeitmessung durchzu­ führen, sind in der Vergangenheit verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Diese Verfahren lassen sich in wesentlichen in zwei Entwicklungsrichtungen un­ terscheiden. Man spricht - begrifflich nicht ganz präzise - einerseits von dem Dauerstrichverfahren, andererseits von dem Pulsverfahren. Beim Dauerstrichver­ fahren wird die Amplitude der Lichtwelle mit einer Frequenz im Hochfrequenz­ bereich moduliert. Dabei wird die Modulationsfrequenz so gewählt, daß die Mo­ dulationswellenlänge - also nicht die Lichtwellenlänge - in einem Bereich liegt, der zumindest größenordnungsmäßig dem Bereich der zu messenden Ent­ fernung entspricht; da dieser häufig durch die Anwendung nicht genügend ein­ geschränkt werden kann, werden regelmäßig zwei oder mehrere Modulations­ frequenzen nacheinander gewählt. Die Laufzeitbestimmung eines Meßlichtsignals erfolgt nun aus dem Phasenvergleich der Modulation der ausgesandten Lichtwelle mit der Modulation der einlaufenden Lichtwelle. Dem gegenüberzustellen ist das Pulsverfahren, bei welchem zwar auch die Amplitude der Lichtwelle moduliert wird, jedoch die Modulation pulsförmig mit anschließender längerer Unterbre­ chung - also wesentlich niedriger Modulationsfrequenz - erfolgt. Bei diesem Verfahren wird - bildlich gesprochen - tatsächlich die Zeit gestoppt, die zwi­ schen dem Aussenden und dem Einlaufen des Meßlichtsignals verstreicht.

Sowohl das Dauerstrichverfahren (vgl. DE 22 29 339 A1, DE 24 20 194 C3, DE 31 20 274 C2, GB 1 585 054, US 4,522,992, US 4 403,857, US 4,531,833) als auch das Pulsverfahren (vgl. DE 20 23 383 A1, DE 21 12 325 A1, DE 26 49 354 A1, DE 31 03 567 C2, EP 0 015 566 A1, US 3,428,815, US 3,503,680, US 3,900,261) weisen verfahrens­ bedingte Vor- bzw. Nachteile auf, die zu verschiedenen Lösungsvorschlägen in den zitierten Druckschriften geführt haben.

Ein grundsätzliches Problem ist jedoch beiden Verfahren gleichermaßen eigen. Aufgrund der extrem kurzen Laufzeiten, die es zu bestimmen gilt, spielen neben der Laufzeit der Lichtwelle ebenso die Laufzeiten der elektronischen Signale in der zugehörigen Schaltung eine maßgebliche, die Meßgenauigkeit beeinträch­ tigende Rolle. Das eigentliche Problem besteht darin, daß sich die elektri­ schen Signallaufzeiten innerhalb der Schaltung infolge von Temperaturschwan­ kungen und Alterungserscheinungen verändern - sie driften. Somit ist eine Ei­ chung des Entfernungsmeßgerätes, welche die elektronischen Signallaufzeiten berücksichtigt, allein im Produktionsprozeß nicht ausreichend. Die häufig vor­ geschlagene Lösung für dieses Problem besteht darin, die Lichtwelle neben ihrer Aussendung über die Meßlichtstrecke außerdem über eine Referenzlichtstrecke be­ kannter Länge auszusenden. Da mit der Länge der Referenzlichtstrecke ebenfalls die Laufzeit eines Referenzlichtsignals über die Referenzlichtstrecke bekannt ist, kann man somit die elektronische Signallaufzeit errechnen und aus der Laufzeit der Lichtwelle über die Meßlichtstrecke eliminieren. Da diese "Ei­ chung" während des Meßvorganges mit einer Frequenz ungefähr im Kilohertzbe­ reich durchgeführt wird, können so sämtliche Ungenauigkeiten durch verschie­ dene Drifterscheinungen vermieden werden. In Strenge ist dies jedoch nur der Fall, wenn sowohl das elektrische Meßsignal als auch das elektrische Referenz­ signal in der elektrischen Schaltung exakt denselben elektrischen Signalweg zurücklegen. Dies hat zur Folge, daß zur Aussendung und zum Empfang sowohl des Meßlichtsignales als auch des Referenzlichtsignales nur ein Lichtsender - üb­ licherweise eine Leuchtdiode - und nur ein Empfangselement - üblicherweise eine Photodiode - eingesetzt werden dürfen. Daraus resultiert jedoch, daß die Licht­ welle abwechselnd auf die Meßlichtstrecke und die Referenzlichtstrecke umgelei­ tet werden muß. Bei Verfahren, die heutzutage ein Entfernungsmeßgerät mit nur einem Lichtsender und einem Empfangselement realisieren, erfolgt das Umlegen der Lichtwelle von der Meßlichtstrecke auf die Referenzlichtstrecke und umge­ kehrt über optomechanische Schalter. Dieses kostenaufwendige und verschleißan­ fällige Verfahren läßt sich bis heute nicht vermeiden, da optoelektronische Bauelemente bislang nicht in ausreichender Stückzahl und zu angemessenen Prei­ sen erhältlich sind. Bei weiteren, bekannten Verfahren wird das geschilderte Problem dadurch gelöst, daß entweder ein zweiter Lichtsender oder ein zweites Empfangselement vorgesehen wird.

Der in den bekannten Verfahren vorgeschlagene Einsatz zweier Lichtsender oder zweier Empfangselemente ergibt - wie bereits angesprochen - ein neues Problem. Um eine exakte Messung zu gewährleisten, ist es nämlich notwendig, daß die elektrischen Signalwege exakt identisch aufgebaut sind. Eine solche Sym­ metrie ist jedoch tatsächlich aus verschiedenen Gründen nicht erreichbar. Zum einen sind in jeder elektronischen Schaltung Bauteiletoleranzen unvermeid­ bar, die zudem noch unterschiedliche zeitliche Drifteigenschaften aufweisen. Zum anderen kann auch nicht gewährleistet werden, daß die elektrischen Signal­ wege auf exakt der gleichen Temperatur liegen, - wodurch die Symmetrie wie­ derum durch die Temperaturabhängigkeit der Bauteile gestört wird. Im Ergebnis führt die fehlende Symmetrie der elektrischen Signalwege zu einer zeitab­ hängig reduzierten Meßgenauigkeit.

Ein weiteres, die Meßgenauigkeit bei bekannten Entfernungsmeßgeräten, insbe­ sondere Entfernungsmeßgeräten nach dem Dauerstrichverfahren, beeinträchti­ gendes Problem liegt in der Notwendigkeit der Phasendifferenzbestimmung zwischen zwei hochfrequenten Signalen. Um eine hohe Meßgenauigkeit zu gewähr­ leisten, muß diese Phasendifferenzbestimmung mit einer sehr hohen absoluten Genauigkeit erfolgen. Problematisch ist hierbei insbesondere, daß die Phasen­ differenzbestimmung bei sehr hohen Frequenzen erfolgen muß und daß gleich­ zeitig zumindest ein Signal, nämlich das jeweilige Empfangssignal, einen er­ heblichen Rauschanteil aufweist. Die angesprochenen Probleme führen zu einer stark eingeschränkten Meßgenauigkeit des Phasendifferenzdetektors und somit des Entfernungsmeßgerätes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßgenauigkeit der bekannten Entfernungsmeßgeräte deutlich zu verbessern.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist gemäß einer ersten Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der getrennten elektrischen Signalwege zwischen dem Sendepuls­ generator und den Lichtsendern und/oder in mindestens einem der getrennten elektri­ schen Signalwege zwischen den Lichtempfängern und dem Phasendifferenzdetektor mindestens eine elektrische Abgleichsignalverzögerungseinheit vorgesehen ist, daß ein Abgleichsignal parallel in die getrennten elektrischen Signalwege vor den Lichtsen­ dern und/oder hinter den Lichtempfängern einkoppelbar ist, daß der Phasendifferenz­ detektor die Phasendifferenz des über die getrennten elektrischen Signalwege laufen­ den Abgleichsignals in einem Abgleichmodus bestimmt, daß ein Abgleichregler die Signalverzögerung einer ersten Abgleichsignalverzögerungseinheit einstellt, daß als Regelgröße des Abgleichreglers die Phasendifferenz des über die beiden getrennten elektrischen Signalwege laufenden Abgleichsignals am Phasendifferenzdetektor dient und daß der Sollwert des Abgleichreglers für die Phasendifferenz Null beträgt.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät, bei dem die zuvor aufgezeigte Aufgabe gelöst ist, ist gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektrischen Signalweg zwischen dem Sendepulsgenerator und dem Phasendiffe­ renzdetektor eine elektronische Meßsignalverzögerungseinheit vorgesehen ist, daß ein Meßregler die Signalverzögerung der Meßsignalverzögerungseinheit einstellt, daß als Regelgröße des Meßreglers in verschiedenen Modi die Phasendifferenz zwischen je­ weils einem Empfangssignal und dem Amplitudenmodulationssignal am Phasendiffe­ renzdetektor dient und daß der Sollwert des Meßreglers für die Phasendifferenz Null beträgt.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Problem der Unsymmetrie der getrennten elektrischen Signalwege wird dadurch gelöst, daß mindestens eine Verzögerungseinheit in mindestens einem der elek­ trischen Signalwege vorgesehen ist und die Signalverzögerung dieser Signalver­ zögerungseinheit bei Anlegen eines Abgleichsignals an die beiden elektrischen Signalwege so gewählt wird, daß die Signallaufzeit in beiden elektrischen Signalwegen identisch ist, also die Symmetrie der elektrischen Signalwege dauernd gewährleistet ist. Dieser Abgleich wird in regelmäßigen Abständen wiederholt, so daß ständig die Symmetrie der beiden elektrischen Signalwege gewährleistet werden kann und somit die Meßgenauigkeit dauerhaft maximiert wird. Konsequent ist die Unsymmetrie der getrennten Signalwege - die Signalverzögerungsein­ heiten einmal unberücksichtigt gelassen - im Ergebnis völlig belanglos.

Das zweite Problem und damit die Aufgabe, die Meßgenauigkeit zu erhöhen, wird da­ durch gelöst, daß eine Signalverzögerungseinheit in dem Signalweg zwischen dem Sendespulgenerator und dem Phasendifferenzdetektor vorgesehen ist. Die Signalver­ zögerung dieser Signalverzögerungseinheit wird während des Meßvorgangs derart va­ riiert, daß die Phasendifferenz zwischen einem der Empfangssignale und dem Ampli­ tudenmodulationssignal, wobei letzteres die Signalverzögerung erfährt, verschwindet oder eine bekannte Phasenverschiebung annimmt. In diesem Fall entspricht die Si­ gnalverzögerung des Signalverzögerungselements der Summe aus Phasendifferenz und bekannter Phasenverschiebung. Eine derart gestaltete Messung der Phasendiffe­ renz ist sehr genau. Dies resultiert daraus, daß man bei der Bestimmung einer Phasen­ differenz mit dem Wert Null oder einer bekannten Phasenverschiebung eine wesent­ lich höhere absolute Genauigkeit erzielen kann und daß gleichzeitig die Signalverzö­ gerung sehr präzise aus der Einstellung der Signalverzögerungseinheit bestimmbar ist.

Es soll an dieser Stelle noch deutlich darauf hingewiesen werden, daß die auf­ geführten Beispiele für eine Anordnung von Signalverzögerungseinheiten inner­ halb der Signalwege eines Entfernungsmeßgerätes nicht als abschließend gelten soll. Es existieren viele weitere Möglichkeiten für den Einsatz von Signal­ verzögerungseinheiten in den Signalwegen von Entfernungsmeßgeräten, die die Meßgenauigkeit dieser Entfernungsmeßgeräte weiter steigert. Diese werden im folgenden nicht sämtlich aufgezählt, sondern anhand einer einzigen Figur exem­ plarisch dargestellt. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild einer bei­ spielhaften Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Entfernungsmeßgerät.

Das in der einzigen Figur dargestellte Entfernungsmeßgerät 1 ermöglicht eine Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip, wobei elektromagnetische Wellen, vorzugsweise und hier dargestellt Lichtwellen, Verwendung finden. Das erfin­ dungsgemäße Entfernungsmeßgerät 1 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf, einen eine Lichtwelle aussendenden Lichtsender 2, einen die Amplitude der Lichtwelle mittels eines Amplitudenmodulationssignals modulierenden Sen­ depulsgenerator 3, zwei am Ende einer Lichtstrecke angeordnete, zwei Empfangs­ signale liefernde Lichtempfänger 4, 5 und einen Phasendifferenzdetektor 6. Bei der beispielhaft dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ent­ fernungsmeßgeräts 1 sind der Lichtsender 2, der Sendepulsgenerator 3, die Lichtempfänger 4, 5 und der Phasendifferenzdetektor 6 in an sich aus dem Stand der Technik bekannter Weise über mehrere elektrische Signalwege ver­ bunden.

Für den Phasendifferenzdetektor (PDD) 6 können wahlweise digitale oder analoge Typen eingesetzt werden. Beide Typen weisen spezifische Vor- und Nachteile auf:

Analoger PDD

• a) Höhere Empfindlichkeit.
• b) Das Ausgangssignal ist von der Amplitude der Eingangs­ signale abhängig.

Digitaler PDD

• a) Geringere Empfindlichkeit.
• b) Das Ausgangssignal ist von der Amplitude der Eingangs­ signale unabhängig.

Der Vollständigkeit halber sind in dem Blockschaltbild der dargestellten Aus­ führungsform noch weitere Baueinheiten dargestellt, wie sie größtenteils dem Stand der Technik entnommen werden können, so z. B. ein Verstärker 7 für das Amplitudenmodulationssignal, zwei Signalverstärker 8, 9 für beide Empfangssig­ nale, ein Schmalbandverstärker 10 zur Eliminierung der den Empfangssignalen überlagerten Rauschanteile und weiter ein Begrenzerverstärker 11 zur Umwand­ lung des anliegenden sinusförmigen Empfangssignals in ein annähernd rechteck­ förmiges Signal.

Erfindungsgemäß ist das Entfernungsmeßgerät 1 dadurch entscheidend verbessert bzw. seine Meßgenauigkeit erhöht, daß in mindestens einem der elektrischen Signalwege mindestens eine elektrische Signalverzögerungseinheit vorgesehen ist. Es soll an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen werden, daß die im weiteren geschilderte konkrete Ausführungsform lediglich beispielhaft zu verstehen ist. Denkbar sind über die dargestellte Kombination von einem Licht­ sender und zwei Lichtempfängern hinaus verschiedene Kombinationen. Zu nennen sind hier die Kombinationen aus einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, zwei Lichtsendern und einem Lichtempfänger und zwei Lichtsendern und zwei Lichtempfängern. Die erfindungsgemäße Anordnung der Signalverzögerungseinheit innerhalb der Signalwege des jeweiligen Entfernungsmeßgeräts ist analog zu der weiteren Beschreibung des konkreten Ausführungsbeispiels vorzunehmen.

Wie bereits angesprochen, ist in dem konkreten Ausführungsbeispiel ein erfin­ dungsgemäßes Entfernungsmeßgerät 1 mit einem Lichtsender 2 und zwei Lichtemp­ fängern 4, 5 dargestellt. Der Lichtsender 2 sendet aus einerseits ein Licht­ signal über eine Meßlichtstrecke, die durch den Abstand eines Meßobjektes 12 von dem Lichtsender 2 und dem Lichtempfänger 5 bestimmt ist, zu dem Licht­ empfänger 5 und andererseits ein weiteres Lichtsignal über eine Referenzlicht­ strecke 13, z. B. gebildet von einer aufgewickelten Glasfaser, zu dem Licht­ empfänger 4. Erfindungsgemäß ist in beiden der getrennten elektrischen Signal­ wege zwischen den Lichtempfängern 4, 5 und dem Phasendifferenzdetektor 6 je­ weils eine elektrische Abgleichsignalverzögerungseinheit 14, 15 vorgesehen. Mit den erfindungsgemäß angeordneten Abgleichsignalverzögerungseinheiten 14, 15 innerhalb der getrennten elektrischen Signalwege zwischen den Lichtempfängern 4, 5 und dem Phasendetektor 6 ist bei einer entsprechenden Einstellung gewähr­ leistet, daß die getrennten elektrischen Signalwege sich bezüglich ihrer Signallaufzeit völlig symmetrisch verhalten.

Um einen geeigneten Abgleich der Abgleichsignalverzögerungseinheiten 14, 15 zu gewährleisten, wird ein Abgleichsignal mit im wesentlichen der Amplituden­ modulationsfrequenz parallel an die getrennten elektrischen Signalwege hinter den Lichtempfängern 4, 5 angelegt. Dieses Abgleichsignal dient sozusagen als Referenz, da es gleichzeitig und parallel an die getrennten elektrischen Sig­ nalwege angelegt wird und somit ein nicht phasenverschobenes Eingangssignal für beide Signalwege darstellt. Diese Maßnahme ist notwendig, um eine tatsäch­ liche Symmetrisierung der Signallaufzeiten zu erreichen. Da außerdem Signale unterschiedlicher Frequenz auch unterschiedliche Signallaufzeiten benötigen, die außerdem auch noch unterschiedliche Temperatur- und Drift-Abhängigkeiten aufweisen, ist es notwendig, daß das Ableichsignal im wesentlichen die Ampli­ tudenmodulationsfrequenz besitzt, um diese Fehlerquelle zu eliminieren. Beson­ ders einfach und im konkreten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist der Einsatz des Amplitudenmodulationssignals als Abgleichsignal.

Das konkrete Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgerätes 1 ist weiter dadurch verbessert, daß das Abgleichsignal unmittelbar hinter den Empfangselementen 16, 17 der Lichtempfänger 4, 5 an die getrennten elek­ trischen Signalwege anlegbar ist. Da nur die von dem Abgleichsignal durch­ laufenden Abschnitte der getrennten Signalwege hinsichtlich ihrer Signallauf­ zeit symmetrisiert werden, ist es von Vorteil, das Abgleichsignal so früh als möglich an die getrennten Signalwege anzulegen. Dies ist insbesondere dann gewährleistet, wenn das Abgleichsignal unmittelbar hinter den Empfangsele­ menten 16, 17 der Lichtempfänger 4, 5 angelegt wird. Eine besonders vorteil­ hafte Ausgestaltung wird dadurch gewährleistet, daß das Abgleichsignal über einen weiteren Lichtsender mit identischem Abstand zu beiden Lichtempfängern 4, 5 unmittelbar in die Lichtempfänger 4, 5 eingekoppelt wird. Hierdurch werden auch Varianten in den Lichtempfängern eliminiert.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät 1 ist weiter dadurch verbessert, daß ein Umschaltgenerator 18 vorgesehen ist, der in an sich bekannter Weise in verschiedenen Modi jeweils ein Empfangssignal und das Amplitudenmodulations­ signal an den Phasendifferenzdetektor 6 anlegt, und daß außerdem der Umschalt­ generator 18 alternativ beide Abgleichsignale nach Durchlaufen der getrennten elektrischen Signalwege in einem Abgleichmodus an den Phasendifferenzdetektor 6 anlegt und gleichzeitig das Abgleichsignal an die vorgesehenen Punkte an­ legt.

Der Umschaltgenerator 18 dient im konkreten Ausführungsbeispiel und im allge­ meinen als Steuerungszentrale für den jeweiligen Betriebsmodus der Messungen. Im vorliegenden Fall ist zu unterscheiden zwischen

• a) einem Meßmodus, in welchem die Phasendifferenz bei Ausbreitung der Lichtwelle über die Meßlichtstrecke bestimmt wird,
• b) einem Referenzmodus, in welchem die Phasendifferenz bei Ausbreitung der Lichtwelle über die Referenzlichtstrecke bestimmt wird, und
• c) dem Abgleichmodus, in welchem die Phasendifferenz bei Anlage des Ab­ gleichsignals an die getrennten elektrischen Signalwege bestimmt wird.

In den Modi a) und b) wird jeweils die Phasendifferenz zwischen den Empfangs­ signalen und dem Amplitudenmodulationssignal bestimmt.

Das dargestellte Entfernungsmeßgerät 1 ist weiter dadurch verbessert, daß der Umschaltgenerator 18 die möglichen Modi abwechselnd in beliebiger zeitlicher Kombination realisiert. Da ein Abgleich der beiden getrennten Signalwege im allgemeinen mit einer viel geringeren Frequenz im Vergleich zu der Wechselfre­ quenz zwischen dem Meßmodus und dem Referenzmodus durchzuführen sein wird, da eine spürbare Drift eine gewisse Zeit benötigt, ist es vorteilhaft, daß der Umschaltgenerator 18 die Modi in beliebiger zeitlicher Kombination, also mit unterschiedlichen Frequenzen realisieren kann.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät 1 wird weiter besonders vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß der Phasendetektor 6 die Phasendifferenz des über beide getrennte Signalwege der Lichtempfänger 4, 5 laufenden Abgleichsignals in dem Abgleichmodus bestimmt. Alternativ kann jedoch auch ein zweiter separa­ ter Phasendifferenzdetektor zur Bestimmung der Phasendifferenz des über die beiden getrennten Signalwege laufenden Abgleichsignals vorgesehen sein.

Weiter ist in dem konkreten Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ent­ fernungsmeßgerät 1 ein Abgleichregler 19 vorgesehen, der die Signalverzögerung der ersten Abgleichsignalverzögerungseinheit 14 einstellt. Als Regelgröße des Abgleichreglers 19 dient die vom Phasendifferenzdetektor 6 bestimmte Phasen­ differenz zwischen dem über beide getrennte Signalwege laufenden Abgleichsignal. Der Abgleichregler 19 verstellt die Signalverzögerung der ersten Abgleichsignalverzögerungseinheit 14 so lange, bis die Phasendifferenz des über die beiden getrennten Signalwege laufenden Abgleichsignals den Sollwert, nämlich Phasendifferenz = 0, erreicht. Durch diese Abgleichprozedur mit Hilfe des Abgleichreglers 19 wird die Symmetrisierung der getrennten Signalwege hin­ sichtlich ihrer Signallaufzeiten schnell und elegant gewährleistet. Der Typ des Reglers ist je nach Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips auszuwählen, z. B. können Proportional-, Proportional-Integral- oder Proportional-Integral- Differenzial-Regler eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät 1 ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abgleichsignalverzögerungseinheit 14 die im Abgleichmodus nach dem Erreichen des Sollwerts für die Phasendifferenz eingestellte Signalver­ zögerung in den anderen Modi beibehält. Diese Maßnahme ist notwendig, um zu gewährleisten, daß die im Abgleichmodus erreichte Symmetrisierung der getrenn­ ten Signalwege sowohl im Meßmodus als auch im Referenzmodus erhalten wird.

Ist, im Gegensatz zu der Darstellung in der Figur nur eine Abgleichsignal­ verzögerungseinheit 14 vorgesehen, so muß diese notwendigerweise einen Regel­ bereich aufweisen, der eine Phasenverschiebung von 0° bis 360° umfaßt.

Erfindungsgemäß ist das Entfernungsmeßgerät 1 weiter dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 im jeweils anderen der getrennten Signalwege der Lichtempfänger 4, 5 vorgesehen ist. Diese zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 erzeugt im Gegensatz zu der ersten Ab­ gleichsignalverzögerungseinheit 14 keine variable, sondern eine konstante Signalverzögerung. Durch die zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 wird gewährleistet, daß auch bei einer an und für sich geringeren Signallaufzeit durch den getrennten Signalweg der zweiten Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 eine Symmetrisierung ohne die Einstellung einer Signalverzögerung, die einer Phasenverschiebung im Bereich von 360° entspricht, durch die ersten Ab­ gleichsignalverzögerungseinheit 14 erreicht werden kann. Denn es ist natür­ lich nicht möglich, eine negative Signalverzögerung zu erzeugen. Die konstante Signalverzögerung der zweiten Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 muß hierbei in geeignetem Maß über der minimal einstellbaren Signalver­ zögerung der ersten Abgleichsignalverzögerungseinheit 14 liegen. Die zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit 15 ermöglicht es also eine erste Ab­ gleichsignalverzögerungseinheit 14 mit einem kleineren Regelbereich ein­ zusetzen.

Es versteht sich von selbst und soll hier nur der Form halber erwähnt wer­ den, daß die Abgleichsignalverzögerungseinheiten 14, 15 auf den getrennten Signalwegen hinter dem Anlegpunkt des Abgleichsignals angeordnet sein müssen.

Möglich ist jedoch auch der Einsatz einer einzigen Abgleichsignalverzögerungs­ einheit 14', in der Figur gestrichelt dargestellt, in dem gemeinsamen elek­ trischen Signalweg, also im dargestellten Ausführungsbeispiel vor, hinter oder zwischen dem Schmalbandverstärker 10 und dem Begrenzerverstärker 11. Bei einer solchen Anordnung einer einzigen Abgleichsignalverzögerungseinheit 14' ist es notwendig, daß ihre Signalverzögerung abhängig vom Betrieb im Meßmodus oder im Referenzmodus über den Umschaltgenerator 18 und den Abgleichregler 19 umschaltbar ist. Weiter wird zum Abgleich das Abgleichsignal abwechselnd auf die getrennten elektrischen Signalwege gegeben.

Bei einer Anordnung mit beispielweise zwei Lichtsendern ist erfindungsgemäß so vorzugehen, daß in mindestens einem der getrennten elektrischen Signalwege zwischen dem Sendepulsgenerator und den Lichtsendern mindestens eine elektri­ sche Signalverzögerungseinheit für die Amplitudenmodulationssignale vorge­ sehen ist. In diesem Fall ist der Umschaltgenerator so auszugestalten, daß er alternativ beide Amplitudenmodulationssignale nach Durchlaufen der getrennten Signalwege in einem zweiten Abgleichmodus an den Phasendifferenzdetektor an­ legt. Das im Anschluß hieran von dem Phasendifferenzdetektor gewonnene Phasen­ differenzsignal dient dann analog zu den vorherigen Betrachtungen zur Re­ gelung der Signalverzögerung einer der Abgleichsignalverzögerungseinheiten vor den Lichtsendern. Somit wird auch bei einem Entfernungsmeßgerät mit zwei Lichtsendern die Symmetrisierung hinsichtlich der Laufzeit bereits vor dem Aussenden der Lichtwellen gewährleistet. Bei einem Entfernungsmeßgerät mit zwei Lichtsendern und zwei Lichtempfängern lassen sich selbstverständlich die Symmetrisierung der Lichtsender als auch der Lichtempfänger sukzessive ver­ wirklichen.

Wie bereits angesprochen, besteht eine zweite unabhängige Anwendungsmög­ lichkeit des erfindungsgemäßen Einsatzes von Signalverzögerungseinheiten innerhalb eines Entfernungsmeßgerätes 1 nach dem Laufzeitprinzip darin, in dem elektrischen Signalweg zwischen dem Sendepulsgenerator 3 und dem Phasen­ differenzdetektor 6 eine elektronische Meßsignalverzögerungseinheit 20 vorzu­ sehen. Erfindungsgemäß ist das Entfernungsmeßgerät 1 dann dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Meßregler 21 die Signalverzögerung der Meßsignalver­ zögerungseinheit 20 einstellt. Hierbei dient als Regelgröße des Meßreglers 21 im Meßmodus und im Referenzmodus die Phasendifferenz zwischen jeweils einem Empfangssignal und dem Amplitudenmodulationssignal am Phasendifferenz­ detektor 6. Der Meßregler 21 stellt hierbei die Signalverzögerung der Meß­ signalverzögerungseinheit 20 derart ein, daß der Sollwert Null für die Phasen­ differenz erreicht wird. Dadurch, daß der Phasendifferenzdetektor 6 somit lediglich eine Phasendifferenz mit einem Wert nahe bei Null bestimmen muß und gleichzeitig die relative Meßgenauigkeit des Phasendifferenzdetektors un­ berührt bleibt, erreicht man bei der Einstellung der Phasendifferenz Null eine höhere absolute Meßgenauigkeit im Vergleich zu endlichen Werten. Insge­ samt gelangt man also zu einer höheren absoluten Meßgenauigkeit des erfin­ dungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts 1. Beim Einsatz einer Meßsignalverzögerungs­ einheit 20 ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung durch die Verwendung eines Ringmodulators als Phasendifferenzdetektor 6, da dessen Ausgangssignal bei einer Phasendifferenz von 90° unabhängig von den Amplituden der Eingangssignale gleich Null ist. Diese bekannte Phasenver­ schiebung muß anschließen zur Ermittelung der tatsächlichen Phasendifferenz von der Signalverzögerung der Signalverzögerungseinheit 20 abgezogen werden.

Die vorliegende Erfindung wird weiter besonders vorteilhaft dadurch ausge­ staltet, daß die Signalverzögerung durch die Meßsignalverzögerungseinheit 20 nicht aus dem, von beispielsweise der Temperatur der elektronischen Meßsig­ nalverzögerungseinheit 20 abhängigen, Ausgangssignal des Meßreglers 21 ab­ geleitet wird, sondern von einem zusätzlichen Phasendifferenzdetektor 6' er­ mittelt wird, in der Figur gestrichelt dargestellt, der die Phasendifferenz zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal der Meßsignalverzögerungsein­ heit 20 ermittelt. Für diesen Phasendifferenzdetektor 6' bietet sich ein digitaler Typ an, da die zu vergleichenden Signale ausreichend große Ampli­ tuden aufweisen.

Das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät 1 ist nun weiter dadurch gekennzeich­ net, daß eine Auswerteeinheit 22 vorgesehen ist, die die Signalverzögerung der Meßsignalverzögerungseinheit 20 nach dem Erreichen des Sollwertes für die Phasendifferenz im Meßmodus und im Referenzmodus speichert. Mit Hilfe dieser gespeicherten Signalverzögerungen berechnet die Auswerteeinheit 22 an­ schließend aus den Differenzen der Signalverzögerungen der Meßsignalverzö­ gerungseinheit 20 im Meßmodus und im Referenzmodus die Laufzeit des Licht­ signals und somit die zugehörige Entfernung.

Besonderer Gegenstand der Erfindung ist es außerdem, daß als zeitbestimmendes Bauteil der Signalverzögerungseinheiten eine Kapazitätsdiode eingesetzt wird. Kapazitätsdioden werden bislang vorwiegend zu Abstimmzwecken in Mittelwellen- und UKW-Kreisen, vor allem in Fernsehempfängern zur Abstimmung von VHF- und UHF-Kreisen eingesetzt. Die wesentliche Eigenschaft von Kapazitätsdioden ist die, daß ihre Sperrschichtkapazität mit zunehmender Sperrspannung besonders ausgeprägt abnimmt. Somit erscheinen sie auch bei der erfindungsgemäßen Wei­ terentwicklung von Entfernungsmeßgeräten durch den Einsatz in Signalverzöge­ rungseinheiten als geeignete Bauteile, da ihre Kapazität in einfacher Weise spannungsgesteuert variiert werden kann. Insbesondere kann eine Kapazitäts­ diode als zeitbestimmendes Element eines als Signalverzögerungseinheit ein­ gesetzten Allpaßfilters dienen.

Eine solche Kapazitätsdiode kann in verschiedener Form Anwendung finden. In einer ersten Variante dient sie als die Resonanzfrequenz bestimmendes Element eines als Signalverzögerungseinheit eingesetzten Schwingkreises. Alternativ hierzu können die einer Kapazitätsdiode ähnlichen Eigenschaften der Empfangs­ dioden 16, 17 zur Signalverzögerung ausgenutzt werden, in dem sie über eine regelbare Spannungsquelle in ihrem Arbeitspunkt und damit in ihrer Signal­ verzögerung verändert werden. Als letzte Variante dieser nicht abschließenden Aufzählung sei noch genannt der Einsatz einer Umschaltsdiode, wie sie aus der DE-A-44 11 218, deren Offenbarunsgehalt ausdrücklich in die vor­ liegende Offenbarung einbezogen wird, beschrieben ist, als Kapazitätsdiode unter Ausnutzung ihrer einer Kapazitätsdiode ähnlichen Eigenschaften.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet werden, daß die Signalfrequenz durch entsprechend angeordnete Mischer in an sich bekannter Weise deutlich reduzierbar ist.

Claims (14)

1. Entfernungsmeßgerät nach dem Laufzeitprinzip unter Verwendung elektromagne­ tischer Wellen, vorzugsweise von Lichtwellen, mit mindestens einem eine Lichtwelle aussendenden Lichtsender (2), mit einem die Amplitude der Lichtwelle mittels eines Amplitudenmodulationssignals modulierenden Sendepulsgenerator (3), mit minde­ stens einem am Ende einer Lichtstrecke angeordneten, ein Empfangssignal liefernden Lichtempfänger (4, 5) und mit mindestens einem Phasendifferenzdetektor (6), wobei der Lichtsender (2), der Sendepulsgenerator (3), der Lichtempfänger (4, 5) und der Phasendifferenzdetektor (6) in an sich bekannter Weise über elektrische Signalwege verbunden sind und in mindestens einem der elektrischen Signalwege mindestens eine elektronische Signalverzögerungseinheit vorgesehen ist, dadurch gekennzeich­ net, daß in mindestens einem der getrennten elektrischen Signalwege zwischen dem Sendepulsgenerator und den Lichtsendern und/oder in mindestens einem der ge­ trennten elektrischen Signalwege zwischen den Lichtempfängern (4, 5) und dem Phasendifferenzdetektor (6) mindestens eine elektrische Abgleichsignalverzöge­ rungseinheit (14, 15) vorgesehen ist, daß ein Abgleichsignal parallel in die getrennten elektrischen Signalwege vor den Lichtsendern (2) und/oder hinter den Lichtempfän­ gern (4, 5) einkoppelbar ist, daß der Phasendifferenzdetektor (6) die Phasendifferenz des über die getrennten elektrischen Signalwege laufenden Abgleichsignals in einem Abgleichmodus bestimmt, daß ein Abgleichregler (19) die Signalverzögerung einer er­ sten Abgleichsignalverzögerungseinheit (14) einstellt, daß als Regelgröße des Ab­ gleichreglers (19) die Phasendifferenz des über die beiden getrennten elektrischen Si­ gnalwege laufenden Abgleichsignals am Phasendifferenzdetektor dient und daß der Sollwert des Abgleichreglers (19) für die Phasendifferenz Null beträgt.

2. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab­ gleichsignal im wesentlichen die Amplitudenmodulationsfrequenz aufweist,

3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Amplitudenmodulationssignal das Abgleichsignal bildet.

4. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ab­ gleichsignal unmittelbar hinter den Empfangselementen (16, 17) der Lichtempfänger (4, 5) an die getrennten elektrischen Signalwege anlegbar ist.

5. Entfernungsmeßgerät einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschaltgenerator (18) vorgesehen ist, der in an sich bekannter Weise in ver­ schiedenen Modi jeweils ein Empfangssignal und das Amplitudenmodulationssignal an den Phasendifferenzdetektor (6) anlegt, und daß der Umschaltgenerator (18) alter­ nativ beide Abgleichsignale nach Durchlaufen der getrennten elektrischen Signal­ wege in einem Abgleichmodus an den Phasendifferenzdetektor (6) anlegt und gleichzeitig das Abgleichsignal an die vorgesehenen Punkte der Lichtempfänger (4, 5) anlegt.

6. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Um­ schaltgenerator (18) die möglichen Modi abwechselnd in beliebiger zeitlicher Kombi­ nation realisiert.

7. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Abgleichsignalverzögerungseinheit (14) die im Abgleichmodus nach dem Errei­ chen des Sollwerts für die Phasendifferenz eingestellte Signalverzögerung in den an­ deren Modi beibehält.

8. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit (15) im jeweils anderen der ge­ trennten Signalwege in bezug auf die erste Abgleichsignalverzögerungseinheit (14) vorgesehen ist.

9. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Abgleichsignalverzögerungseinheit (15) eine konstante Signalverzögerung erzeugt.

10. Entfernungsmeßgerät nach dem Laufzeitprinzip unter Verwendung elektroma­ gnetischer Wellen, vorzugsweise von Lichtwellen, mit mindestens einem eine Licht­ welle aussendenden Lichtsender (2), mit einem die Amplitude der Lichtwelle mittels eines Amplitudenmodulationssignals modulierenden Sendepulsgenerator (3), mit min­ destens einem am Ende einer Lichtstrecke angeordneten, ein Empfangssignal liefern­ den Lichtempfänger (4, 5) und mit mindestens einem Phasendifferenzdetektor (6), wobei der Lichtsender (2), der Sendepulsgenerator (3), der Lichtempfänger (4, 5) und der Phasendifferenzdetektor (6) in an sich bekannter Weise über elektrische Signalwege verbunden sind und in mindestens einem der elektrischen Signalwege mindestens eine elektronische Signalverzögerungseinheit vorgesehen ist, insbeson­ dere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem elektri­ schen Signalweg zwischen dem Sendepulsgenerator (3) und dem Phasendifferenzde­ tektor (6) eine elektronische Meßsignalverzögerungseinheit (20) vorgesehen ist, daß ein Meßregler (21) die Signalverzögerung der Meßsignalverzögerungseinheit (20) einstellt, daß als Regelgröße des Meßreglers (21) in verschiedenen Modi die Phasen­ differenz zwischen jeweils einem Empfangssignal und dem Amplitudenmodulations­ signal am Phasendifferenzdetektor (6) dient und daß der Sollwert des Meßreglers (21) für die Phasendifferenz Null beträgt.

11. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aus­ werteeinheit (22) die Signalverzögerung der Meßsignalverzögerungseinheit (20) nach dem Erreichen des Sollwerts für die Phasendifferenz in den verschiedenen Modi speichert.

12. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (22) aus den Differenzen der Signalverzögerungen der Meßsignal­ verzögerungseinheit (20) in den verschiedenen Modi die Laufzeit bestimmt.

13. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß das zeitbestimmende Bauteil der Signalverzögerungseinheit eine Kapazi­ tätsdiode ist.

14. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ka­ pazitätsdiode das zeitbestimmende Element eines als Signalverzögerungseinheit ein­ gesetzten Allpaßfilters ist.