DE69429966T2

DE69429966T2 - Entfernungsmessgerät mit Verwendung von Lichtimpulsen

Info

Publication number: DE69429966T2
Application number: DE69429966T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohtomo; Masahiro Oishi
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1994-11-18
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2014-11-19
Also published as: JPH07191144A; JP3120202B2; EP0654682A2; EP0654682B1; DE69429966D1; EP0654682A3; US5619317A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Entfernungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und insbesondere auf einen Lichtwellen- Entfernungsmesser, der auf Lichtpulsen basiert, welcher das Zeitintervall zurückkehrender Lichtpulse genau detektiert durch einen vergleichsweise einfache Schaltkreis-Anordnung und so ein Messen langer Distanzen ermöglicht, in welchen das Rauschen das Signal dominiert.
Herkömmliche Lichtwellen-Entfernungsmesser sind dazu entworfen, einen Echo- Lichtpuls zu empfangen, der von einem Eckwürfel-Prisma zurückkehrt, welches an einem Messziel aufgestellt ist.
Das grundlegende Prinzip dieser herkömmlichen Lichtwellen-Entfernungsmesser wird zuerst beschrieben werden unter Bezugnahme auf Fig. 10. Ein Licht- Emissionsmittel wird aktiviert von einem Emissions-Taktsignal a' und emittiert einen Lichtpuls b'. Der abgestrahlte Lichtpuls b' wird reflektiert von dem Messziel und er wird danach empfangen von einem Licht-Empfangsmittel und umgewandelt in ein Rückkehr-Pulssignal c'. Das Rückkehr-Pulssignal c' wird der A/D- Umwandlung unterworfen als Reaktion auf Takt-Pulse d' und die resultierenden Daten werden gespeichert in einem Speicher. Diese Operationen werden wiederholt für mehrere Emissions-Lichtpulse b' und die gespeicherten Daten werden gemittelt. Die gespeicherten Daten e' in dem Speicher haben ihre Adressen für Punkte auf der Wellenform, welche gemessenen Werten der Distanz zu dem Ziel entsprechen und die Distanz L vom Entfernungsmesser zum Ziel wird berechnet als die Adresse A des Spitzenwertes der Daten wie folgt.
L = (A*C)/(fs*2) (1)
wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist und fs die Frequenz des Taktsignals d' ist; wobei in der Formel ein (*) eine Multiplikation bezeichnet.
Die herkömmlichen Lichtwellen-Entfernungsmesser, welche auf Lichtpulsen basieren, haben jedoch eine Messgenauigkeit, welche von der Auflösung der Detektion des Rückkehr-Lichtpulses abhängt und deshalb müssen diese Entfernungsmesser eine Abtast-Taktperiode zur A/D-Umwandlung aufweisen, welche klein genug ist relativ zur Breite des Rückkehr-Pulssignals c' und müssen einen A/D- Konverter aufweisen mit einer großen Anzahl von Bits. Insbesondere muss, falls das Licht-Emissionsmittel eine gepulste Laserdiode ist, welche im Allgemeinen eine Lichtpuls-Emissionsweite von etwa 10 ns aufweist, das Taktsignal d' eine Frequenz von mehreren hundert MHz aufweisen. Der Bedarf für einen sehr schnellen A/D-Konverter führt zu einem teuren Entfernungsmesser.
Darüber hinaus sind die herkömmlichen Lichtwellen-Entfernungsmesser dazu entworfen, gespeicherte Daten zu mitteln, welche erzeugt wurden von verschiedenen Strahlungs-Lichtpulsen b', nachdem der letzte Strahlungs-Lichtpuls empfangen wurde, und dieser Berechnungsvorgang bildet eine große Belastung für das Berechnungsmittel. Insbesondere muss im Fall der Distanz-Messung, die auf 16 aufeinander folgenden Lichtpulsen b' basiert, mit einem Taktsignal d' von 300 MHz für eine maximal messbare Distanz von 1000 Metern, der Daten-Mittelungs- Vorgang 2000-mal stattfinden, woraus sich eine lange Entfernungs-Messzeit ergibt.
Obwohl er eine vorstellbare Technik zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist, kann beim Interpolations-Vorgang zwischen zwei Takt-Pulsen d' zur Bestimmung des Schwerpunkts des Rückkehr-Pulssignals c' die Verzerrung des Signals c' ein Problem bilden. Falls das Rückkehr-Pulssignal c' Frequenzkomponenten oberhalb des Detektionsbereichs durch das Taktsignal d' enthält, tritt ein zyklischer Linearitätsfehler auf im Ergebnis der Entfernungsmessung. Insbesondere, falls das Rückkehr-Pulssignal f' eine trianguläre Welle, wie gezeigt in Fig. 11 darstellt, erzeugt die Ausführung der A/D-Umwandlung mit Takt-Pulsen g' für das Signal f' keine Entfernungsdifferenz zwischen den Daten h' und i' in dem Speicher, sondern entfaltet lediglich eine Variation in der Lichtmenge. Es ist im Allgemeinen sehr schwer, die Ausgabe-Wellenform einer gepulsten Laserdiode zu steuern, welche eine Pulsbreite von mehreren Zehn von ns aufweist und deshalb hängt der Linearitäts-Fehler des Ergebnisses der Entfernungsmessung von den Charakteristiken der Laserdiode als Licht-Emissionsmittel ab.
US 5,179,286 offenbart eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, in welcher die Entfernung berechnet wird aufgrund von Daten, welche die Intensitätssignale darstellen von empfangenen reflektierten Lichtpulsen (Echos). Die Intensitätssignale werden abgetastet unter Benutzung eines A/D-Konverters, welche eine Auflösung von mehreren Graden aufweist. Die Abgetasteten Intensitätssignale werden verwendet zum Synthetisieren der Wellenform des empfangenen Signals. Ein Konzept zum Verwenden der Auftrittsfrequenz von Lichtpulsen wird nicht offenbart.
IEEE Trans. On Instrumentation and Measurements, Vol. 29, No. 1, March 1980 beschreibt wie mehrere empfangene Signal-Abtastwerte aufsummiert werden und ein Schwellwert gebildet wird. Auflösungsverbesserung durch Verzögerung dieser Signale wird jedoch nicht offenbart.
US 4,521,107 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Entfernungen durch Laufzeit-Messen eines messenden Lichtpulses durch Hindurchschicken des Referenzpulses entweder durch einen kurzen oder langen Lichtweg in Abhängigkeit davon ob das Ziel entfernt oder nahe ist.
Deshalb ist es die Aufgabe, einen Entfernungsmesser bereitzustellen, der auf Lichtpulsen beruht, welcher einen schnellen teuren A/D-Konverter nicht benutzt, welcher nicht von den Charakteristiken einer gepulsten Laserdiode abhängt in Bezug auf den Linearitätsfehler und welcher die Dauer der Distanzmessung verringert. Diese Aufgabe wird erfüllt durch den Entfernungsmesser gemäß Anspruch 1.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm des Lichtwellen-Entfernungsmessers basierend auf Lichtpulsen gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 2 ist ein Wellenform-Diagramm, welches die Takt-Beziehung erklärt zwischen den Haupt-Signalen und den Zähl-Werten des Zähler- Feldes 610;
Fig. 3a und 3b sind Diagramme, welche die Beziehung erklären unter ΔT&sub0; bis ΔTNC in dem Fall, in dem das Abtast-Intervall T&sub1; kürzer oder gleich der Dauer T&sub3; des Empfangssignals ist;
Fig. 4a und 4b sind Diagramme, welche die Beziehung zwischen ΔT&sub0; bis ΔTNC erklären in dem Fall, in dem das Abtast-Intervall T&sub1; länger als die Dauer T&sub3; des Empfangssignals ist;
Fig. 5a ist ein Diagramm, welches benutzt wird, um den Takt-Schaltkreis 100 dieser Ausführungsform zu erläutern;
Fig. 5b ist ein Diagramm, welches benutzt wird, um eine erste Abwandlung des Takt-Schaltkreises 100 zu erläutern;
Fig. 5c ist ein Diagramm, welches benutzt wird, um eine zweite Abwandlung des Takt-Schaltkreises 100 zu erläutern;
Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Lichtwellen-Entfernungsmessers, basierend auf Lichtpulsen, basierend auf einer ersten abgewandelten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 7 ist ein Diagramm, welches benutzt wird, um den Takt-Schaltkreis 100a zu erläutern, basierend auf der ersten abgewandelten Ausführung;
Fig. 8 ist ein Diagramm, welches benutzt wird, um eine Abwandlung des Zählerfeldes 610 zu erläutern, basierend auf einer zweiten abgewandelten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 9a und 9b sind Diagramme, welche benutzt werden, um das Prinzip der zweiten abgewandelten Ausführungsform zu erläutern;
Fig. 10 ist ein Diagramm, welches Distanzmessung nach dem Stand der Technik erläutert;
Fig. 11 ist ein Diagramm, welches die Aufgabe nach dem Stand der Technik erläutert;
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, welches benutzt wird, um das Kumulations-Mittel zu erläutern, basierend auf einer dritten abgewandelten Ausführungsform dieser Erfindung; und
Fig. 13 ist eine Blockdiagramm, welches benutzt wird, um das Kumulations-Mittel zu erläutern basierend auf einer vierten abgewandelten Ausführungsform dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Eine Ausführungsform dieser Erfindung wird erläutert werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Zuerst wird die Anordnung des optischen Systems des Lichtwellen-Entfernungsmessers, basierend auf dieser Ausführungsform, erläutert werden unter Bezugnahme auf Fig. 1.
Das optische System des Lichtwellen-Entfernungsmessers beinhaltet eine Laserdiode 1, ein Paar von Halbspiegeln 2a und 2b, welche benutzt werden, um den Lichtweg zu teilen, einen internen Lichtweg 3, einen externen Mess-Lichtweg 4, einen APD 5, ein Prisma 6 und eine Objektiv-Linse 7. Lichtpulse, welche von der Laserdiode 1 emittiert werden, werden geleitet durch Senden einer optischen Faser 81 zu dem Prisma 6 und Rückkehr-Lichtpulse vom Messziel 10 werden geleitet von einer empfangenden optischen Faser 82 zu dem APD 5.
Die sendende optische Faser 81, Prisma 6 und Objektiv-Linse 7 sind vergleichbar mit Licht-Abstrahl-Mitteln.
Die Laserdiode 1, welche vergleichbar ist mit einer Lichtquellen-Vorrichtung, ist eine gepulste Laserdiode und sie kann eine Laserpuls-Welle erzeugen, welche eine relativ große Spitzenleistung aufweist mit einem Arbeitszyklus von ungefähr 0,01%. Die Halbspiegel 2a und 2b teilen den Lichtweg der Laserpulse von der Laserdiode 1 in den internen Lichtweg 3 und externen Mess-Lichtweg 4.
Der APD 5, welche vergleichbar ist mit einer Licht-Empfangsvorrichtung kann ein beliebiger Transducer sein, der einen gepulsten Lichtstrahl durch die Laserdiode 1 emittiert und ihn in ein Empfangssignal umwandelt.
Ein optisches Faserkabel ist aufgeteilt in die sendende optische Faser 81 und empfangende optische Faser 82 zum Leiten der abgestrahlten Lichtpulse und Rückkehr-Lichtpulse.
Die Abstrahlungs-Lichtpulse, die emittiert werden von der Laserdiode 1 und durch den Halbspiegel 2b hindurchgehen, werden zu dem Eingang 81a der sendenden optischen Faser 81 geführt. Die Abstrahlungs-Lichtpulse, welche aus dem Ausgang 81b kommen von der sendenden optischen Faser 81 werden reflektiert durch das Prisma 6 und abgestrahlt durch die Objektiv-Linse 7 zum Messziel 10.
Die Lichtpulse der Objektiv-Linse 7 werden reflektiert von dem Messziel 10 und danach empfangen von derselben optischen Linse 7. Die Rückkehr-Lichtpulse werden reflektiert von dem Prisma 6 und auf den Eingang 82a der empfangenden optischen Faser 82 geführt. Die Rückkehr-Lichtpulse, die aus dem Ausgang 82b von der empfangenden optischen Faser 82 kommen, fallen auf den APD 5. Der Lichtweg der Abstrahlungs-Lichtpulse und Rückkehr-Lichtpulse zwischen dem Prisma 6 und dem Messziel 10 bildet den externen Lichtweg 4.
Die Abstrahlungs-Lichtpulse, die reflektiert von den Halbspiegeln 2a und 2b werden, fallen auf den APD 5 und dieser Lichtweg bildet den internen Lichtweg 3.
Die Lichtpulse, welche auf den APD 5 fallen, werden umgewandelt in elektrische Strompulse. Die Empfangssignale, welche abgeleitet werden von den Rückkehr- Lichtpulsen von dem fernen Messziel 10 sind so schwach, dass sie beherrscht werden von einer Rausch-Komponente und nicht direkt der A/D-Umwandlung und Datenverarbeitung unterworfen werden können.
Als Nächstes wird der elektrische Schaltkreis des Lichtwellen- Entfernungsmessers dieser Ausführungsform im Detail erklärt werden. Der Schaltkreis besteht aus einem Takt-Schaltkreis 100, einem Oszillator 200, einem Treiber 300, einem abgestimmten Verstärker 400, einem Polarisations- Detektions-Schaltkreis 500, einem Kumulations-Mittel 600 und einem Rechenmittel 1000.
Der Takt-Schaltkreis 100, welcher vergleichbar ist mit einer Zeitgeber- Vorrichtung arbeitet auf dem Treiber 300 in Übereinstimmung mit dem Signal von dem Rechenmittel 1000 und dem Taktsignal von dem Oszillator 200, um die Laserdiode 1 mit Energie zu versorgen, so dass sie Lichtpulse emittiert.
Der Zeitgabe-Schaltkreis 100 hat eine Funktion des zufälligen Verzögerns innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs ΔT von dem Emissions-Zeitgabe-Signal, welches ursprünglich auf das Signal antwortet von dem Rechenmittel 1000 und dem Taktsignal von dem Oszillator 200, so dass Lichtpulse praktisch gleichmäßig innerhalb des Verzögerungsbereichs ΔT erzeugt werden. Das verzögerte Emissionssignal aktiviert den Treiber 300 und die Laserdiode 1 emittiert wiederholt Lichtpulse. Der Verzögerungsbereich ΔT ist vergleichbar zu einem vorgegeschriebenen Schwankungsbereich.
Der Oszillator 200 liefert das Taktsignal zu dem Kumulations-Mittel 600 und dem Zeitgabe-Schaltkreis 100.
Der Treiber 300 beliefert die Laserdiode 1 pulsierend mit Energie in Antwort auf das Emissions-Zeitgabe-Signal, das von dem Zeitgabe-Schaltkreis 100 bereitgestellt wird, und sie emittiert Lichtpulse.
Der abgestimmte Verstärker 400, welcher vergleichbar ist mit einem Band-Pass- Verstärkungsmittel wandelt die laufenden Pulse von der APD 5 in ein Spannungssignal um, welches eine gedämpfte Oszillations-Wellenform aufweist und verstärkt das Spannungssignal. Die gedämpfte Oszillations-Wellenform, welche von dem Verstärker 400 umgewandelt wird, wird abgegeben an den Polarisations- Detektions-Schaltkreis 500. Der abgestimmte Verstärker 400 hat seine Mittel- Frequenz so eingestellt, dass er das Empfangssignal so umwandelt, dass es wirkungsvoll eine gedämpfte Oszillations-Wellenform aufweist. Im Allgemeinen ist diese Mittel-Frequenz praktisch gleich dem reziproken Wert der zweifachen Dauer eines Abstrahlungs-Lichtpulses.
Die empfangende optische Faser 82 hat eine Funktion des Implementierens der zeitbezogenen Trennung für die Lichtpulse auf dem internen Lichtweg 3 und dem externen Mess-Lichtweg 4. Insbesondere wird die Länge der optischen Faser 82 so bestimmt, dass ein Rückkehr-Lichtpuls den APD 5 erreicht, nachdem die gedämpfte Oszillations-Wellenform, welche von einem Referenz-Lichtpuls abgeleitet ist, welcher durch den internen Lichtweg 3 kommt, genügend abgeschwächt ist. Der Polarisations-Detektions-Schaltkreis 500 detektiert die Polarität (positiv oder negativ) des Ausgabesignals des abgestimmten Verstärkers 400 auf der Basis des Durchgangs-Punkts (Null-Durchgang) der gedämpften Oszillations- Wellenform. Jede beliebige Schaltkreis-Anordnung, welche in der Lage ist, die Polarisation des Ausgabesignals des Band-Pass-Verstärkungsmittels zu detektieren, kann für den Schaltkreis 500 verwendet werden, und die Abtastvorrichtung kann ein zweistufiger Schaltkreis sein, der das Eingabesignal in Binärdaten verwandelt.
Das Kumulations-Mittel 600 beinhaltet ein Zähler-Feld 610, das aus Zählern 610(1) bis 610(n) besteht und einem Schaltkreis 620, der das Ausgabesignal des Detektions-Schaltkreises 500 zu jedem der Zähler 610(1)-610(n) in einem bestimmten Intervall liefert. Jeder Zähler zählt Eingabesignale sequentiell zumindest in den Zeitabschnitten, wenn Lichtpulse erzeugt werden. Das Kumulations-Mittel 600, welches vergleichbar ist mit einer kumulativen Speichervorrichtung, kann jede beliebige Schaltkreis-Anordnung sein, die Ausgabesignale des Polarisations- Detektions-Schaltkreises 500 sequentiell addiert, anstelle des Zähler-Feldes 610.
Das Rechenmittel 1000 beinhaltet eine CPU und zugeordnete Vorrichtungen und es steuert den gesamten elektrischen Schaltkreis einschließlich des Zeitgabe- Schaltkreises 100 und des Kumulations-Mittels 600. Es hat auch die Funktion als eine Entfernungs-Messvorrichtung zum Messen der Distanz zum Ziel 10.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform in der Anordnung, wie oben beschrieben, ist wie folgt.
Am Anfang initialisiert das Rechenmittel 1000 das Zähler-Feld 610, das aus n- Zählern 610(1)-601(n) und dem Schaltkreis 620 besteht.
Danach gibt es das Steuersignal für die Laserdiode an den Zeitgabe-Schaltkreis 100, um die Laserdiode 1 zu emittieren. Der Zeitgabe-Schaltkreis 100 erzeugt ein Emissions-Zeitgabe-Signal c aus einem Takt-Puls b des Oszillators 200 nach dem Empfang des Steuersignals von dem Rechenmittel 1000, wobei der Takt-Puls b zufällig verzögert wird innerhalb des Verzögerungsbereichs ΔT und er liefert das erzeugte Emissions-Zeitgabe-Signal c an den Treiber 300. Der Treiber 300 versorgt die Laserdiode 1 mit Energie in Antwort auf das Emissions-Zeitgabe-Signal c und sie emittiert einen Lichtpuls.
Der abgestimmte Verstärker 400 wandelt einen Strompuls in ein Spannungssignal, welches eine gedämpfte Oszillations-Wellenform aufweist und verstärkt das Spannungssignal. Das Spannungssignal, welches gedämpfte Oszillations- Wellenformen aufweist, wird an den Polarisations-Detektions-Schaltkreis 500 geliefert, von welchem die Polarität des Signals detektiert wird.
Das Kumulations-Mittel 600 zählt Ausgabesignale des Polarisations-Detektions- Schaltkreises 500, welche in der aufsteigenden Kante des Taktsignals des Oszillators 200 erzeugt werden unter Verwendung der Zähler 610(1)-610(n) des Zähler-Feldes 610, welche entsprechend der Taktzahl durch den Schaltkreis 620, welcher die Abtast-Operation implementiert, ausgewählt wurde. Jeder Zähler addiert, wenn er ausgewählt ist, Eins zu seinem Inhalt lediglich in Antwort auf die Ausgabe eines positiven Ergebnisses des Polarisations-Detektions-Schaltkreises 500. Der Schaltkreis 620 bewirkt, dass ein Zähler ausgewählt wird, bis die Taktzahl n erreicht.
Bei der zweiten und nachfolgenden Lichtpuls-Emission wird nur der Schaltkreis 620 initialisiert und die Zähler 610(1)-610(n) arbeiten kontinuierlich, um Nullen oder Einsen selektiv zu ihren Inhalten zu addieren. Beim Abschluss einer Entfernungsmessung auf der Basis der mehrfachen Lichtpuls-Emission liest das Rechenmittel 1000 die Zähl-Werte aus den Zählern 610(1)-610(n) und berechnet die Distanz zum Ziel 10 wie später erklärt werden wird.
Das Folgende erklärt in Verbindung mit Fig. 2 die Zeitgabe-Beziehung zwischen den Hauptsignalen und den Zähl-Werten des Zähler-Feldes 610.
Wie vorher erwähnt ist das Empfangssignal, das abgeleitet ist von dem reflektierten Lichtpuls vom Messziel 10, das weit vom Lichtpuls angeordnet ist, so schwach, dass es von einer Rauschkomponente beherrscht wird und kann nicht unmittelbar der A/D-Umwandlung und Datenverarbeitung unterworfen werden.
Das Ausgabesignal des abgestimmten Verstärkers in Fig. 2 wird so beschrieben, dass der Pegel überbetont ist.
Beim Empfang des Steuersignals "a" von dem Rechenmittel 1000 liefert der Schaltkreis 620 den ersten Takt-Puls b, der vom Oszillator 200 an den Zähler 610(1) des Zähler-Feldes 610 geliefert wird. Das Emissions-Zeitgabe-Signal c wird vom Zeitgabe-Schaltkreis 100 zum Treiber 300 geschickt, welcher dann Strom zu der Laserdiode 1 liefert.
Der Oszillator 200 erzeugt Takt-Pulse in einem Intervall von T&sub1; und der Zeitgabe- Schaltkreis 100 erzeugt Emissions-Zeitgabe-Signale für eine Dauer von ΔT.
Der abgestimmte Verstärker 400 erzeugt ein Ausgabesignal, welches abgeleitet ist von dem Signal d des Referenz-Lichtpulses, welcher über den internen Lichtweg 3 kommt und dem Signal e des Rückkehr-Lichtpulses, der über den externen Mess-Lichtweg 4 kommt. Der Polarisations-Detektions-Schaltkreis 500 erzeugt Binär-Daten, d.h. "1" (f und g) für ein positives Detektions-Ergebnis oder "0" für ein negatives Detektions-Ergebnis.
Mit den Zähl-Werten, die aufgezeichnet sind auf der vertikalen Achse gegen die Zähl-Zahl 1 bis n der Zähler 610(1)-610(n) auf der horizontalen Achse haben die Zähler, die der Zeitgabe der Ausgaben f und g des Polarisations-Detektions- Schaltkreises 500 entsprechen, ihre Inhalte auf "1" inkrementiert, wie gezeigt durch h und i als Ergebnis der ersten Lichtpuls-Abstrahlung.
Auf der Basis der Zufalls-Verzögerungsfunktion des Zeitgabe-Schaltkreises 100 wird das Emissions-Zeitgabe-Signal c erzeugt, gleichmäßig innerhalb des Bereichs ΔT, der auf den Takt-Puls b folgt, welcher vom Oszillator 200 geliefert wird.
Der Verzögerungsbereich ΔT wird gesetzt als:
T&sub1; ≤ ΔT (2)
Als Ergebnis der mehrfachen Lichtpuls-Emission enthalten die Zähler 610(1)- 610(n) Zähl-Werte, welche den gedämpften Oszillations-Wellenform-Abschnitt j wiederspiegeln, der sich ergibt aus dem Referenz-Lichtpuls, der über den internen Lichtweg 3 kommt und den gedämpften Oszillations-Wellenform-Abschnitt k, der sich aus dem Rückkehr-Lichtpuls ergibt, der über den externen Mess-Lichtweg 4 kommt.
Der Verzögerungsbereich ΔT ist vergleichbar mit dem vorgeschriebenen Schwankungsbereich. Dem Betrag der Verzögerung wird vorzugsweise eine Schwankung gegeben mit jeder Emission der Laserdiode 1 oder alternativ kann die Emission mit derselben Zeitgabe für einige Emissions-Zyklen wiederholt werden.
Es gibt zwei Verfahren zur Bestimmung der Puls-Position auf der Basis der Zähl- Werte der Zähler 610(1)-610(n) des Zähler-Feldes 610. Das erste Verfahren besteht darin, die Position einzelner Pulse zu bestimmen und das zweite Verfahren besteht darin, den Abstand zwischen aufeinander bezogenen Pulsen zu bestimmen.

Verfahren 1:

Zuerst wird das Verfahren 1 erläutert, das die Position einzelner reflektierter Pulse, d.h. für das Messziel, misst.
Falls dieses Verfahren angenommen wird, ist es wünschenswert für den Zeitgabe- Schaltkreis 100 eine Schwankung anzuwenden auf die Emissions-Zeitgabe der Lichtquellen-Vorrichtung und die Abtast-Zeitgabe der Abtastvorrichtung, so dass die Emissions-Zeitgabe oder Abtast-Zeitgabe mit einer praktisch gleichförmigen Wahrscheinlichkeit innerhalb des Schwankungsbereichs auftritt.
Es gibt nämlich vorzugsweise keine Disparität in der Dichte des Auftretens einer Licht-Emission oder einer Abtastung unter den Abtast-Zeiten.
Entsprechend zeigen fortlaufende Zähl-Werte in Positionen, an denen der Übergang des Empfangssignals stattfindet, über die Zeitgabe der Abtastung (d.h. Zähler haben Zwischenwerte zwischen den Höchst- und Mindestwerten), den Betrag und die Richtung einer Verschiebung der Durchgangsposition des Empfangssignals, welche von der angewandten Schwankung verursacht wird.
Für fortlaufende Zähl-Werte von Nm und Nm+1 in Abschnitten, wo der Durchgang des Empfangssignals stattfindet, über Abtast-Zeitgaben Sm und Sm+1 und einer Zahl von Licht-Emissionen (Anzahl des Zählens) von N wird die Durchgangs- Zeitgabe des Empfangssignals zu einem Zähl-Wert N/2 ausgedrückt als ein Versatz ΔS von der Abtast-Zeitgabe Sm wie folgt.
ΔS = k*[(Sm+1) - (Sm)]
wobei
k = {(N/2) - (Nm)}/{(Nm+1) - (Nm)}, und k eine reelle Zahl ist.
Die Durchgangs-Zeitgabe eines jeden Empfangssignals kann genauer bestimmt werden als die Zeitgabe des Abtastens, wie oben gezeigt.
Nach diesem Verfahren werden die Positionen der Referenz-Pulse und Mess- Pulse individuell evaluiert und die Lichtgeschwindigkeit C wird multipliziert zu ihrer Zeit-Differenz T und dann wird das Ergebnis halbiert und die Distanz L zum Ziel kann evaluiert werden wie folgt.
L = (T*C)/2
Falls die Frequenz der Abtast-Zeitgabe in dem Schwankungsbereich nicht gleich gemacht werden kann, in welchem Fall der integrierte Wert der Auftritts-Frequenz erachtet wird, in den Zähl-Werten aufzutreten, dann wird die Abtast-Zeitgabe S. zu welcher der integrierte Wert der Auftritts-Frequenz halb wird mit dem Höchstwert N des integrierten Werts der Austritts-Frequenz normalisiert zu Eins, evaluiert und die Entfernung kann gemessen werden.

Verfahren 2:

Zweitens wird das Verfahren 2 erklärt. Dieses Verfahren ist geeignet für den Fall, in dem die Zeit-Differenz zwischen einem Rückkehr-Lichtpuls, der von der Lichtquelle empfangen wird durch das Messziel und einem Referenz-Lichtpuls, der empfangen wird, im Entfernungsmesser, evaluiert wird.
In diesem Verfahren ist die Arbeitsweise des Zeitgabe-Schaltkreises 100 bei der Anwendung einer Schwankung auf die Zeitgabe von Licht-Emission und Abtastung identisch mit dem vorangegangenen ersten Verfahren.
Zähl-Werte der Zähler 610(1)-610(n) des Zähler-Feldes 610 stellen die gedämpfte Oszillations-Wellenform dar (Signal-Präferenz zu reflektiertem Puls- Signal) von Empfangssignalen, welche ein niedriges Signal/Rauschverhältnis aufweisen.
Dementsprechend kann durch Berechnen des Abstands zwischen dem Wellenform-Abschnitt j, der abgeleitet ist von dem Referenz-Lichtpuls, der direkt im Entfernungsmesser empfangen wird (ungerade Spitzen) und dem Wellenform- Abschnitt k, der abgeleitet wird von dem Rückkehr-Lichtpuls vom Ziel (gerade Spitzen) in Termen der Zähler-Inhalte, basierend auf dem absoluten Differenzen- Verfahren, dem Korrelations-Zählverfahren o.ä., die Distanz zum Ziel evaluiert werden.
Während des Zeitraums, in dem keine Empfangssignale auftreten, zählt das Zähler-Feld 610 "1" oder "0" als Ergebnis von Hintergrund-Licht oder Rauschen, welches im Schaltkreis erzeugt wird. In diesem Fall treten "1" oder "0" mit derselben Wahrscheinlichkeit auf aufgrund der zufälligen Phänomene und die Zahl der Daten wird geschätzt für eine hinreichend große Zahl des Zählens als:
(Anzahl der Daten während der Abwesenheit von Empfangssignalen) = (Anzahl von Zählungen)*0,5 (3)
In Anwesenheit eines Rückkehr-Pulssignals durch den externen Mess-Lichtweg 4, wenn die gedämpfte Oszillations-Wellenform positiv ist, wird die Anzahl von Daten geschätzt als:
(Anzahl von Daten in Anwesenheit eines Empfangssignals) > (Anzahl von Zählungen)*0,5 (4)
In Anwesenheit eines Rückkehr-Pulssignals durch den externen Mess-Lichtpfad 4, wenn die gedämpfte Oszillations-Wellenform negativ ist, und die Anzahl der Daten geschätzt wird als:
(Anzahl von Daten in Anwesenheit eines Empfangssignals) < (Anzahl von Zählungen)*0,5 (5)
Dementsprechend kann durch Auswahl einer hinreichend großen Anzahl von Zählungen ein Rückkehr-Lichtpuls, der über den externen Mess-Lichtweg 4 kommt, erkannt werden als ein Empfangssignal, selbst wenn er so schwach ist, dass er von einem Hintergrund-Licht und Rauschen, welches in dem Schaltkreis erzeugt wird, beherrscht wird.
dass er von einem Hintergrund-Licht und Rauschen, welches in dem Schaltkreis erzeugt wird, beherrscht wird.
Als eine alternative Art mit Daten umzugehen während der Abwesenheit von Empfangssignalen, werden Zählwerte, die von einem Hintergrund-Licht und internem Rauschen resultieren, wenn die Laserdiode inert gehalten wird, im Voraus erhalten und für den Referenz-Zustand von Daten benutzt.
Diese Ausführungsform ist immun für ein schwaches Signal/Rauschverhältnis der Empfangssignale, weil der abgestimmte Verstärker 400 überschüssige Frequenz- Komponenten abschneidet. Die gedämpfte Oszillations-Wellenform ist die Wechselstrom-Komponente, die von einem Empfangssignal extrahiert wird und ihr Null-Durchgangspunkt stellt den Schwerpunkt eines Empfangspulses dar. Dementsprechend hängt das Ausgabesignal des Polarisations-Detektions-Schaltkreises 500 nicht von der Lichtmenge des Empfangspulses ab und genaue und verlässliche Lage-Information kann erhalten werden.
Die Schwankung von abgestrahlten Lichtpulsen bezüglich der Takt-Pulse des Oszillators 200, basierend auf der Zufalls-Verzögerungs-Funktion des Zeitgabe- Schaltkreises 100, wird erzielt durch Erzeugen der Ausgabe-Wellenform des Polarisations-Detektions-Schaltkreises 500 praktisch gleichmäßig zufällig innerhalb der Schwankungsbreite ΔT bezüglich des Taktsignals des Oszillators 200. Die Steuerung von Daten aufgrund des Passierens des Null-Durchgangspunkts der gedämpften Oszillations-Wellenform (Durchgangspunkt des Empfangssignals) über einen Taktpuls des Oszillators 200, verursacht durch die Schwankung, korrespondiert zu der Phasen-Verschiebung des Null-Durchgangs der gedämpften Oszillations-Wellenform bezüglich des Taktsignals des Oszillators 200.
Das bedeutet die Interpolation des Null-Durchgangspunkts der gedämpften Oszillations-Wellenform und den Taktpulsen des Oszillators 200 und es löst den Die Umwandlung des Empfangssignals dahin, dass sie eine gedämpften Oszillations-Wellenform aufweist durch den abgestimmten Verstärker 400, streut die Puls-Wellenform-Information auf der Zeitachse in der Periode abgestimmter Frequenz, wodurch ein einzelner Lichtpuls veranlasst wird, mehrere Null- Durchgangspunkte zu erzeugen und dementsprechend kann der Effekt einer Interpolation mehrere Male angewandt werden bei jeder Lichtpuls-Abstrahlung.
Durch Ungleichmachen des Null-Durchgangs-Intervalls der gedämpften Oszillations-Wellenform zu einem Vielfachen des Intervalls T&sub1; von Taktpulsen des Oszillators 200 variiert die Phasen-Verschiebung des Null-Durchgangspunkts bezüglich des Taktintervalls T&sub1; und es kann die Ungleichmäßigkeit von Datenstreuung mildern.
Falls der Verzögerungsbereich ΔT die Bedingung der Formel (2) erfüllt, springen alle Null-Durchgangspunkte, die von einem Lichtpuls stammen, aufgrund von Schwankung über Taktpulse und die beste Interpolationswirkung kann erreicht werden.
Falls wenigstens ein Übergang von mehreren Übergängen des Empfangssignals (Null-Durchgangspunkte im Fall einer gedämpften Oszillations-Wellenform) über einen Taktpuls des Oszillators 200 springt, liefert er den Interpolations-Effekt mit, womit das Einstellen eines viel kleineren ΔT ermöglicht wird.
Der Bereich ΔT von Schwankung zwischen dem Empfangssignal (gedämpfte Oszillations-Wellenform) und Taktsignal, welches notwendig ist für mindestens einen Durchgang eines Empfangssignals (Null-Durchgangspunkt im Fall einer gedämpften Oszillations-Wellenform) eine aufsteigende Kante zu passieren (Abtast- Zeitgabe) eines Taktpulses des Oszillators 200 wird durch folgende Formel (6) gegeben.
Für einen Intervall T&sub1; von Abtast-Zeitgabe, eine Anzahl von entsprechenden Durchgängen Ne des Empfangssignals, das aus einer Lichtabstrahlung resultiert, einem Durchgangs-Intervall T&sub3; des Empfangssignals und der Differenz T&sub2; zwischen T&sub3; und T&sub1;, der Anzahl von Abtast-Zeitgaben Nc innerhalb des Bereichs der betreffenden Durchgänge des Empfangssignals abdeckt, wird wie folgt gegeben.
Nc = [T&sub3;(Ne - 1)/T&sub1;] + 1
wobei die [] für das Gauss'sche Symbol stehen, bedeutet, dass für eine reelle Zahl x und eine ganze Zahl n, falls n ≤ x < n + 1, dann [x] = n.
Die Abtast-Zeigabe, wenn sie gezeigt wird innerhalb einer Durchgangsperiode in dem Bereich, der die fraglichen Durchgänge des Empfangssignals überdeckt, wird gegeben in dem Fall von k = 0 bis Nc, wie folgt.
T&sub2;*k - [T&sub2;*k/T&sub3;]*T&sub3;
Der Schwankungsbereich ΔT wird eingestellt, dass er eine Beziehung aufweist in Ausdrücken der Intervalle ΔT&sub0; bis ΔTNC, welche gebildet werden, wenn die Differenz zwischen der Durchgangs-Zeitgabe von einer Lichtabstrahlung und der Abtast-Zeitgabe in einem Durchgangs-Intervall gezeigt ist wie folgt:
max {ΔT&sub0;, ..., ΔTNC} ≤ ΔT (6).
Dementsprechend passiert wenigstens ein Durchgang (Null-Durchgang) des Empfangssignals eine aufsteigende Kante (Abtast-Zeitgabe) des Taktpulses des Oszillators 200 und die Auflösung wird verbessert in dem Abschnitt des Durchgangs.
Die Beziehung zwischen der Abtast-Zeitgabe innerhalb des Bereichs, der die fraglichen Übergänge des Empfangssignals überdeckt, wenn sie gezeigt ist in einer Durchgangs-Periode und die Intervalle ΔT&sub0; bis ΔTNC, welche durch die Zeitgabe gebildet werden, wenn sie in einem Durchgangs-Intervall gezeigt werden, wird erläutert.
Fig. 3a und 3b zeigen den Fall, in dem das Abtast-Zeitgabe-Intervall T&sub1; kürzer oder gleich dem Durchgangs-Intervall T&sub3; des Empfangssignals ist. Fig. 3a zeigt den Fall, in dem die Differenz zwischen der Durchgangs-Zeitgabe des Empfangssignals und der Abtast-Zeitgabe kleiner oder gleich ist dem Durchgangs-Zeitgabe- Intervall T&sub3; und Fig. 3b zeigt den Fall, in dem die Differenz zwischen der Durchgangs-Zeitgabe des Empfangssignals und der Abtast-Zeitgabe größer als das Durchgangs-Zeitgabe-Intervall T&sub3; ist.
Fig. 4a und 4b zeigen den Fall, in dem das Abtast-Zeitgabe-Intervall T&sub1; größer als das Intervall T&sub3; des Empfangssignals ist.
Fig. 4a zeigt den Fall, in dem die Differenz zwischen der Durchgangs-Zeitgabe des Empfangssignals und der Abtast-Zeitgabe kleiner oder gleich dem Durchgangs-Zeitgabe-Intervall T&sub3; ist und Fig. 4b zeigt den Fall, in dem die Differenz zwischen der Durchgangs-Zeitgabe des Empfangssignals und der Abtast-Zeitgabe größer ist als das Durchgangs-Zeitgabe-Intervall T&sub3;.
In diesen Figuren gibt eine Kette von eingekreisten Zahlen im ersten Stadium die Abtast-Zeitgabe an, das zweite Stadium zeigt das Signal, das die fraglichen Durchgänge beinhaltet und die Abtast-Zeitgabe in der ersten Durchgangsperiode in dem Bereich der die fraglichen Durchgänge des Empfangssignals überdeckt und das dritte Stadium zeigt durch Vergrößerung die Beziehung der Abtast- Zeitgabe. Werte von Ne, Nc und k werden in diesen Figuren gegeben.
Die Verzerrung des Empfangspulses erscheint nur als eine kleine Veränderung in der Schwerpunkt-Position in dieser Ausführungsform, welche umfasst wird von den gedämpften Oszillations-Wellenform-Abschnitten j und k. Deshalb wird sie aufgehoben während des Berechnungsvorgangs für die Entfernung und bewirkt keinen zyklischen Linearitätsfehler der Taktperiode.
Als Nächstes wird der Zeitgabe-Schaltkreis 100 erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 5a-5c. Der Zeitgabe-Schaltkreis 100, der in Fig. 5a gezeigt ist, soll das oben erwähnte erste Verfahren ausführen. Eine Zeitgabe-Vorrichtung 110 arbeitet auf einer Zufallsverzögerungs-Vorrichtung 120, um die Zeitgabe zufällig zu verzögern, die ursprünglich bestimmt ist durch das Taktsignal des Oszillators 200 und das Emissions-Steuersignal von dem Rechenmittel 1000 und ein resultierendes Emissions-Zeitgabe-Signal c an den Treiber 300 zu liefern.
Fig. 5b zeigt eine erste abgewandelte Anordnung des Zeitgabe-Schaltkreises 100. Der Zeitgabe-Schaltkreis 100 beinhaltet seinen eigenen Oszillator 140, der eine Frequenz aufweist, die ungleich gesetzt ist zu einem Vielfachen der Frequenz des Oszillators 200. Eine Zeitgabe-Vorrichtung 130 detektiert die aufsteigende Kante des Ausgangs des Oszillators 140, die auf die Zeitgabe folgt, welche bestimmt ist durch das Taktsignal des Oszillators 200 und ein Emissions-Steuersignal von dem Rechenmittel 1000 und liefert ein resultierendes Emissions-Zeitgabe-Signal an den Treiber 300.
Fig. 5c zeigt eine zweite abgewandelte Anordnung des Zeitgabe-Schaltkreises 100. Sie beinhaltet einen Synthesizer 150, der eine Frequenz erzeugt, die n/(n + 1)- mal die Frequenz des Oszillators 200 beträgt. Eine Zeitgabe-Vorrichtung 160 bestimmt eine Zeitgabe auf der Basis der Frequenz, die von dem Synthesizer 150 erzeugt wird und der Emissions-Steuersignale von dem Rechenmittel 1000 und liefert ein resultierendes Emissions-Zeitgabe-Signal an den Treiber 300.
Obwohl die Schwankung, die in der Ausführungsform, die wie oben beschrieben angeordnet ist, nicht vollständig zufällig ist, sondern erzeugt wird auf der Basis einer gewissen Regelmäßigkeit, ist es möglich, eine gleichmäßige Datenverteilung zu erhalten durch Setzen der Zahl von Licht-Emissionen auf ein Vielfaches von n.
Obwohl die Schwankung, die in der Ausführungsform, die wie oben beschrieben angeordnet ist, nicht vollständig zufällig ist, sondern erzeugt wird auf der Basis einer gewissen Regelmäßigkeit, ist es möglich, eine gleichmäßige Datenverteilung zu erhalten durch Setzen der Zahl von Licht-Emissionen auf ein Vielfaches von n.
Obwohl in der vorangegangenen Ausführungsform das Empfangssignal umgewandelt wird in eine gedämpfte Oszillations-Wellenform durch den abgestimmten Verstärker 400 und dann abgetastet wird, kann die vorliegende Erfindung angeordnet werden, um das Empfangssignal unmittelbar abzutasten und in diesem Fall kann sie die Signal-Wellenform wieder auffinden, sogar von einem Signal, welches ein schwaches Signal/Rauschverhältnis aufweist und damit eine hochauflösende Entfernungsmessung ermöglichen.
Es ist natürlich möglich für die vorliegende Erfindung, alle Durchgänge der gedämpften Oszillations-Wellenform zu zählen.
Obwohl in der vorangegangenen Ausführungsform eine Schwankung angewandt wird auf die Emissions-Zeitgabe (Durchgang des Empfangssignals) in Bezug auf die Abtast-Zeitgabe kann die Schwankung angewandt werden auf die Abtast- Zeitgabe in Bezug auf die Emissions-Zeitgabe (Durchgang des Empfangssignals), wie in Fig. 6 gezeigt, als eine erste abgewandelte Ausführungsform dieser Erfindung.
Der Entfernungsmesser, der in Fig. 6 gezeigt ist, unterscheidet sich von der vorausgegangenen Ausführungsform von Fig. 1 darin, dass ein Zeitgabe-Schaltkreis 100a eine Schwankung anwendet auf Taktpulse, die dem Schaltkreis 620 zugeführt werden bezüglich des Emissionssignals.
Der Zeitgabe-Schaltkreis 100a beinhaltet eine Zufallsverzögerungs-Vorrichtung 170 und eine Zeitgabe-Vorrichtung 180, wie gezeigt in Fig. 7 und er gibt ein Emissions-Zeitgabe-Signal aus an den Treiber 300 und liefert auch Taktpulse mit Als Nächstes wird eine zweite abgewandelte Ausführungsform dieser Erfindung erläutert. Im Gegensatz zu den vorausgegangenen Ausführungsformen, in welchen das Zähler-Feld 610 eine sehr große Anzahl von Zählern aufweisen muss, ist die zweite abgewandelte Ausführungsform dazu gedacht, die Zahl der Zähler zu verringern, basierend auf der Tatsache, dass mit denselben Daten, die zugeführt werden, zu mehrfachen Zähler-Feldern 610 verschiedener Länge die Lagebeziehung auf den Zähler-Feldern der Wellenform, die abgeleitet ist von dem Empfangssignal, schwankt in Abhängigkeit vom Abstand zu dem Messziel 10.
Insbesondere bestehen die Zähler-Felder 610 aus drei Zähler-Feldern 611, 612 und 613, wie in Fig. 8 gezeigt. Das Zähler-Feld 611 beinhaltet Zähler 611(1) bis 611(p), p an der Zahl, das Zähler-Feld 612 beinhaltet Zähler 612(1) bis 612(m), m an der Zahl, das Zähler-Feld 613 beinhaltet Zähler 613(1) bis 613(m - 1), m - 1 an der Zahl.
p an der Zahl Ausgaben geliefert von dem Polarisations-Detektions-Schaltkreis 500 seit der Lichtpuls-Emission werden eingeführt in das Zähler-Feld 611 und die (p + 1)-ten und nachfolgende Ausgaben werden gleichzeitig in das Zähler-Feld 612 eingeführt, welches sich in m Eingaben wiederholt und in das Zähler-Feld 613, welches sich in m-1 Eingaben wiederholt, wie gezeigt in Fig. 9a und 9b. Dementsprechend zählt der erste Zähler des Zähler-Felds 612 die (p + 1)-ten, (p + m + 1)-ten, (p + 2m + 1)-ten Daten usw. und der erste Zähler des Zähler-Felds 613 zählt die (p + 1)-ten, (p + (m - 1) + 1)-ten, (p + 2(m - 1) + 1)-ten Daten usw. Alle Zähler-Felder 611, 612 und 613 haben ausreichende Kapazitäten, um die gedämpfte Oszillations- Wellenform zu überdecken und das Zähler-Feld 611 hat insbesondere eine Kapazität lediglich zum Überdecken des Referenz-Lichtpulses, der über den internen Lichtweg 3 empfangen wird.
Für eine Distanz L zum Messziel 10, wenn ein Pulssignal d und ein Empfangssignal e erscheinen am Ausgang des abgestimmten Verstärkers 400 und entsprechende rechteckige Wellenform-Abschnitte f und g erzeugt werden an der Ausgabe des Polarisations-Detektions-Schaltkreises 500 speichern die Zähler-Felder 612 und 613 schließlich Summen der Eingaben während der Anwesenheit bzw. Abwesenheit der Empfangssignale. Während der Abwesenheit der Empfangssignale erzeugt der abgestimmte Verstärker positive und negative Ergebnisse mit der gleichen Wahrscheinlichkeit und bewirkt eine Rauschkomponente, die ausgemittelt werden soll und deshalb unschädlich wird für signifikante Daten der Empfangssignale.
Weil die Zähler-Felder 612 und 613 in der Größe verschieden sind um einen Zähler, führen sie einen Empfangssignal ein bei verschiedenen Zählerzahlen, wie die Distanz L zum Ziel 10 zunimmt. Wenn die Zähler-Felder 612 und 613 einen Versatz aufweisen von Eingabe-Zählern von n, gibt es Taktpulse des Oszillators 200 von m*n an der Zahl zwischen den Zählwerten der Zähler-Felder 611 und 612. Für eine Distanz L&sub2;, äquivalent zu m*n Taktpulsen und einer Fein-Distanz L&sub1;, die von den Zähler-Feldern 611 und 612 geliefert wird, wird die Distanz L zum Ziel 10 wie folgt gegeben.
L = L&sub1; + L&sub2; (7)
Die maximale Distanz Lmax, die behandelt werden kann von den Zähler-Feldern 612 und 613, wird bestimmt vom größten gemeinsamen Maß von m und m - 1 wie folgt.
Lmax = (m - 1)*m = m² - m (8)
In einem besonderen Fall von m = 100 beträgt Lmax 9900.
Ein Zähler-Feld, das aus 9900 Zählern besteht, kann nämlich ersetzt werden durch die Kombination aus einem Zähler-Feld, das aus 100 Zählern und einem Zähler- Feld, das aus 99 Zählern besteht und die Zahl der Zähler kann signifikant verringert werden. Zusätzlich kann die Wellenform-Detektion und die Distanz- Berechnung ausgeführt werden unter Benutzung von zwei Zähler-Feldern von 100 Zählern und einem Zähler-Feld von 99 Zählern anstelle von dem Zähler-Feld von 9900 Zählern und die Rechenzeit für die Entfernung kann signifikant verringert werden.
Obwohl die vorangegangene zweite abgewandelte Ausführungsform das Kumulations-Mittel 600 anordnet mit zwei Zähler-Feldern, kann sie angeordnet werden mit drei oder mehr Zähler-Feldern, so dass die messbare Distanz erweitert wird.
Obwohl die vorangegangenen Ausführungsformen Zähler für das Kumulations- Mittel 600 verwenden, kann derselbe kumulative Prozess ausgeführt werden durch die Kombination des Rechenmittel 1000 und Speichermittel.
Als Nächstes wird ein anderes Kumulations-Mittel 600 für die dritte abgewandelte Ausführungsform dieser Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 12.
Das Kumulations-Mittel 600 besteht aus einem n-Bit seriell-ein-parallel-aus (SIPO) Schieberegister 630, einem m-Bit Latch 635, einem 1/n-Frequenz- Demultiplizierer 631, einem Adresszähler 632, Addierern 633(1)-633(n), n an der Zahl, und Registern 634(1)-634(n), n an der Zahl.
Im Betrieb initialisiert das Rechenmittel 1000 den Adresszähler 632 und Register 634(1)-634(n) und befiehlt danach die erste Lichtpuls-Emission. In dem Kumulations-Mittel 600 werden die Ausgaben des Polarisations-Detektions- Schaltkreises 500 dem Schieberegister 630 zugeführt in Antwort auf das Taktsignal des Oszillators 200. Die n-Bit Ausgaben des Schieberegisters 630 werden gehalten von dem Latch 635 und der Adresszähler 632 wird inkrementiert in Antwort auf die Ausgabe des Frequenz-Demultiplizierers 631, der den Takt des Oszillators 200 demultipliziert mit 1/n.
Die Addierer 633(1)-633(n) und Register 634(1)-634(n), die vergleichbar sind mit der kumulativen Speichervorrichtung bewirken, dass n-Bit Daten in dem Latch 635 addiert werden zu den gespeicherten Daten. Der kumulative Speicher beendet die Operation, wenn die Zahl der Taktpulse, die von dem Oszillator 200 geliefert werden, eine vorbestimmte Zahl N erreicht hat.
Die Zahl n von Zuständen (bzw. Stufen) des Schieberegisters 630 und des Latch 635 und der wirksame Faktor des Frequenz-Demultiplizierers 631 wird so gewählt, dass die kumulative Speicheroperation durch die Addierer 633 und Register 634 abgeschlossen werden in der n-ten Taktperiode des Oszillators 200.
Bei der zweiten und nachfolgenden Lichtpuls-Emission wird nur der Adresszähler 632 initialisiert und Ausgaben der Abtastvorrichtung 500 werden dem Schieberegister 630 zugeführt und summiert von den Addierern 633 und Registern 634. Ein Distanz-Messvorgang wird abgeschlossen durch mehrfache Lichtpuls- Abstrahlung. Das p-te Register unter den Registern 634(1)-634(n) speichert die kumulierten Daten zu den p-ten, (n + p)-ten, (2n + p)-ten Taktpulsen usw. und das Rechenmittel 1000 ordnet Daten, die aus den Registern 634 gelesen werden, womit dieselben Daten, wie j und k gezeigt in Fig. 2, erhalten werden und die Distanz zum Ziel 10 berechnet werden kann.
Die Addierer 633 und Register 634 sind vergleichbar zu einer Addiervorrichtung bzw. Speichervorrichtung.
Als Nächstes wird ein anderes Kumulationsmittel 600 für die vierte abgewandelte Ausführungsform dieser Erfindung erläutert unter Bezugnahme auf Fig. 13.
Das Kumulations-Mittel 600 besteht aus einem ersten 8-Bit Schieberegister 640 des seriell-ein-parallel-aus (SIPO) Typs, einem 8-Bit-Latch 650, einem ersten 1/8- Frequenz-Demultiplizierer 641, einem 1/q Frequenz-Demultiplizierer 642, einem ersten Speicher 643, einem ersten Adresszähler 644, einem zweiten 1/8-Frequenz- Demultipizierer 645, einem zweiten Schieberegister 646 des parallel-ein-seriellaus (PISO) Typs, einem zweiten Adresszähler 647, einem Addierer 648 und einem zweiten Speicher 649.
Im Betrieb initialisiert das Rechenmittel 1000 die ersten und zweiten Adresszähler 644 und 647 und den zweiten Speicher 649 und befiehlt danach die erste Lichtpuls-Emission. In dem Kumulations-Mittel 600 werden die Ausgaben des Polarisations-Detektions-Schaltkreises 500 dem ersten Schieberegister 640 zugeführt in Antwort auf das Taktsignal des Oszillators 200.
Die 8-Bit-Ausgaben des Schieberegisters 640 werden von dem Latch 650 gehalten und der erste Adresszähler 644 wird inkrementiert in Antwort auf die Ausgabe des ersten 1/8 Frequenz-Demultiplizierers 641, der den Takt des Oszillators 200 demultipliziert und die Ausgaben des Latch 650 werden gespeichert in dem ersten Speicher 643. Daten für acht Taktpulse des Oszillators 200 werden nämlich gespeichert in einem 1-Wort (8 Bit)-Bereich des ersten Speichers 643.
Wenn die Zahl der Taktpulse, die vom Oszillator 200 geliefert werden, eine vorbestimmte Zahl N erreicht hat, wird die Daten haltende Operation durch das Schieberegister 640, Latch 650, ersten 1/8 Frequenz-Demultiplizierer 641, ersten Adresszähler 644 und ersten Speicher 643 beendet und der erste Adresszähler 644 wird wieder initialisiert.
Das Taktsignal des Oszillators 200 wird demultipliziert durch 1/q von dem 1/q- Frequenz-Demultiplizierer 642 und die sich ergebenden Pulse werden dem zweiten 1/8-Frequenz-Demultiplizierer 645 und dem zweiten Adresszähler 647 zugeführt. Der erste Adresszähler 644 wird imkrementiert in Antwort auf die Ausgabe des zweiten 1/8-Frequenz-Demultiplizierers 645, womit der erste Speicher 643 veranlasst wird 1-Wort (8-Bit)-Daten auszugeben an das PISO-Schieberegister 646. Folglich enthält das Schieberegister 646 Daten vom ersten Speicher 643 in Antwort auf die Ausgabe des zweiten 1/8-Frequenz-Demultiplizierers 645.
Die Ausgabedaten des ersten Speichers 643 werden seriell durch das SIPO- Schieberegister 646 dem Addierer 648 Bit für Bit zugeführt. Die kumulative Speichervorrichtung, die gebildet wird von dem Addierer 648 und dem zweiten Speicher 649 addiert die Ausgabe des zweiten Schieberegisters 646 zu Daten im zweiten Speicher 649 an die Adresse, welche bestimmt wird durch den zweiten Adresszähler 647, der inkrementiert wird von der Ausgabe des 1/q-Frequenz- Demultiplizierers 642.
Diese Operationen werden wiederholt ausgeführt für N-Bit-Daten, die im ersten Speicher 643 gehalten werden.
Bei der zweiten und nachfolgenden Lichtpuls-Emission werden nur die ersten und zweiten Adresszähler 644 und 647 initialisiert und die Daten haltende Operation des ersten Speichers 643 und die kumulative Speicheroperation durch den Addierer 648 und den zweiten Speicher 649 finden iterativ statt. Eine Messoperation für die Entfernung wird von einer mehrfachen Lichtpuls-Emission abgeschlossen. Das Rechenmittel 1000 liest die kumulierten Werte aus von dem zweiten Speicher 649 und erhält damit dieselben Daten wie j und k, gezeigt in Fig. 2 und berechnet die Distanz zum Ziel 10.
Die Daten haltende Operation des ersten Speichers 643 wird abgeschlossen in einer 8-Takt-Periode des Oszillators 200 und die kumulative Datenspeicher- Operation durch den Addierer 648 und dem zweiten Speicher 649 wird in einer 1- Taktperiode des 1/q-Frequenz-Demultiplizierers 642 abgeschlossen.
Obwohl in dieser abgewandelten Ausführungsform die ersten und zweiten Frequenz-Demultiplizierer 641 und 645 einen wirksamen Faktor von 1/8 aufweisen, weisen die ersten SIPO- und PISO-Schieberegister 640 und das zweite PISO- Schieberegister 646 und der Latch 650 eine 8-Bit-Länge auf und der erste Speicher 643 hat eine 8-Bit-Wortlänge, wobei der Wert abgewandelt werden kann in Abhängigkeit von den Zeitlängen, die aufgewandt werden für die Daten haltende Operation durch den ersten Speicher 643 und die kumulative Speicheroperation durch den Addierer 648 und den zweiten Speicher 649.
Der erste Speicher 643 ist vergleichbar mit einer ersten Speichervorrichtung und der zweite Speicher 649 ist vergleichbar mit einer zweiten Speichervorrichtung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, erzeugt die Lichtquellen-Vorrichtung Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Intervall, das Lichtabstrahlmittel strahlt Lichtpulse ab auf ein Messziel, die Licht-Empfangsvorrichtung empfängt reflektierte Lichtpulse von dem Ziel und wandelt die Lichtpulse in Empfangssignale um, die Abtastvorrichtung tastet die Empfangssignale ab in einem vorgeschriebenen Intervall, die Zeitgabe-Vorrichtung wendet eine Schwankung von einem vorgeschriebenen Bereich auf die Emissions-Zeitgabe an von der Lichtquellen-Vorrichtung und auf die Abtast-Zeitgabe der Abtast-Vorrichtung, die kumulative Speichervorrichtung speichert die Ausgaben der Abtast-Vorrichtung kumulativ im vorgeschriebenen Intervall und die Messvorrichtung für die Entfernung berechnet die Distanz zum Ziel auf der Basis der gespeicherten Werte der kumulativen Speichervorrichtung. Auf der Basis des Abtastens von reflektierten Lichtpulsen mit der angewandten Schwankung wird es möglich, die Pulsposition zu bestimmen mit einer Auflösung, die höher ist als die Abtast-Zeitgabe.
Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser detektiert die Schwerpunktposition der Empfangssignale genau in einer einfachen Anordnung ohne schnelle A/D- Konverter zu benutzen. Sie kann sicher einen schwachen Empfangspuls beim Messen großer Entfernungen unterscheiden von einer Rauschkomponente, sie kann die messbare Entfernung ausdehnen, ohne die Laser-Ausgabeleistung über das Sicherheits-Niveau hinaus auszudehnen.
Da die Zeitgabe-Vorrichtung des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers modifiziert werden kann, um eine Differenz zu liefern entweder von der Emissions- Zeitgabe der Licht-Emissionsvorrichtung oder der Abtast-Zeigabe von der Abtast- Vorrichtung in zufälliger Verteilung innerhalb eines bestimmten Bereichs.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt die Lichtquellen-Vorrichtung Lichtpulse in einem vorgeschriebenen Intervall, das Licht-Abstrahlmittel strahlt die Lichtpulse ab zu einem Messziel, die Licht-Empfangsvorrichtung empfängt reflektierte Lichtpulse von dem Ziel und Referenz-Lichtpulse, die nicht aus dem Entfernungsmesser austreten und wandelt die Lichtpulse in Empfangssignale um, die Abtast-Vorrichtung tastet diese Empfangssignale in einem vorgeschriebenen Intervall ab, die Zeitgabe-Vorrichtung wendet eine Schwankung von einem vorgeschriebenen Bereich auf die Emissions-Zeitgabe an von der Lichtquellen- Vorrichtung und die Abtast-Zeitgabe von der Abtast-Vorrichtung bei jedem Empfang des Rückkehr-Mess-Lichtpulses, die kumulative Speichervorrichtung speichert die Ausgaben der Abtast-Vorrichtung kumulativ in dem vorgeschriebenen Intervall und die Entfernungs-Messvorrichtung berechnet die Distanz zum Ziel auf der Basis der gespeicherten Werte, die abgeleitet sind von den Referenz- Lichtpulsen und einen Referenz-Lichtpuls in der kumulativen Speichervorrichtung. Auf der Basis von Daten der reflektierten Lichtpulse und Referenz- Lichtpulse, die abgetastet werden bei der Zeitgabe mit der Schwankung darauf angewandt, wird es möglich, die reflektierte Lichtpuls-Position zu bestimmen in Bezug auf die Referenz-Lichtposition mit einer Auflösung, die höher ist als die Abtast-Zeitgabe.
Dementsprechend kann nun der Abtastfehler, der dem Oszillator zuzuschreiben ist, aufgelöst werden und eine hochgenaue Entfernungsmessung kann durchgeführt werden.
Es ist ebenso möglich für die erfindungsgemäße Entfernungs-Messvorrichtung, die Distanz zu berechnen zu dem Ziel durch Berechnen der Korrelation zwischen den kumulierten Werten, die abgeleitet sind von dem reflektierten Lichtpuls und den kumulierten Werten, die abgeleitet sind von dem Referenz-Lichtpuls, der in der kumulativen Speichervorrichtung gespeichert ist.
Es ist ebenso möglich, dass die erfindungsgemäße Entfernungs-Messvorrichtung ein Band-Pass-Verstärkungsmittel beinhaltet und seine Ausgabe an die Abtast- Vorrichtung liefert.
Durch Vorsehen eines abgestimmten Verstärkers für das Band-Pass- Verstärkungsmittel und Zählern für das Kumulations-Mittel erzeugt das Polarisations-Detektionsmittel Binärdaten, womit die schnellere Operation durch die Zähler ermöglicht wird im Vergleich mit einem A/D-Konverter und den simultanen Operationen der Daten-Akquisition und -Kumulation und folglich kann die Entfernungsmessung schneller gemacht werden.
Es ist ebenso möglich, für die erfindungsgemäße Zeitgabe-Vorrichtung eine Schwankung anzuwenden auf die Emissions-Zeitgabe in Bezug auf die Abtast- Zeitgabe.
Es ist ebenso möglich, für die erfindungsgemäße Zeitgabe-Vorrichtung eine Schwankung anzuwenden auf die Abtast-Zeitgabe in Bezug auf die Emissions- Zeitgabe.
Es ist ebenso möglich, für die erfindungsgemäße Abtast-Vorrichtung eine zweistufende Vorrichtung zu sein, die aus dem Eingabesignal Binärdaten bildet.
Das erfindungsgemäße Kumulations-Mittel nimmt mehrfache Zähler-Felder an, die verschiedene Längen aufweisen und das Ausgabesignal des Polarisations- Detektions-Schaltkreises wird den mehrfachen Zähler-Feldern zeitgleich hinzugefügt und folglich wird die gesamte Anzahl von Zählern signifikant verringert.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet eine zweistufende Vorrichtung zum Bilden des Ausgabesignals des Band-Pass-Verstärkungsmittels in Binärdaten, eine kumulative Speichervorrichtung zum Kumulieren der binären Ausgabedaten der zweistufenden Vorrichtung bei jeder Lichtpuls-Erzeugung durch die Lichtquellen- Vorrichtung und eine Entfernungsmess-Vorrichtung zum Berechnen der Distanz zum Messziel. Dementsprechend kann die Daten-Kumulations-Operation, die jeder Licht-Emission zugeordnet ist, während der Aussetz-Periode der Emission ausgeführt werden, was eine Eigenschaft der gepulsten Laserdiode ist, zwischen aufeinander folgenden Lichtpuls-Emissionen und folglich kann die Zeit, welche benötigt wird zur Bearbeitung eines erhöhten Datenumfangs aufgrund der Verbesserung der Auflösung und der Erweiterung der messbaren Distanz minimiert werden und schließlich kann die Entfernungs-Berechnungszeit minimiert werden. Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser benutzt Speicher von minimaler Kapazität und benutzt keinen schnellen teueren A/D-Konverter. Er detektiert die Schwerpunksposition der Empfangssignale genau, basierend auf einer einfachen Anordnung und der Linearitätsfaktor hängt nicht von den Eigenschaften der gepulsten Laserdiode ab.

Claims

1. Ein Entfernungsmesser umfassend:

eine Lichtquellen-Vorrichtung (1) zur Emission von Lichtpulsen zu nominal gleichen Emissions-Zeitintervallen;

eine Licht-Strahl-Vorrichtung, welche optisch gekoppelt ist mit der Lichtquellen-Vorrichtung zum Abstrahlen der emittierten Lichtpulse zu einem reflektierenden Messziel (10) in einer Distanz (L), die zu bestimmen ist;

eine Lichtempfangsvorrichtung (5), welche ausgestaltet und angeordnet ist zum Empfangen von Lichtpulsen, welche reflektiert wurden von dem Messziel (10) und zum Konvertieren der reflektierten Lichtpulse in Empfangssignale;

eine Datenbildungsvorrichtung (500, 600), welche operativ gekoppelt ist mit der Lichtempfangsvorrichtung (5) um aus den Empfangssignalen Daten zu bilden; und

eine Distanz-Rechnervorrichtung (1000), welche operativ verbunden ist mit der Datenbildungsvorrichtung (500, 600), um die Daten dazu zu benutzen, die Distanz zu dem Messziel (10) zu bestimmen;

dadurch gekennzeichnet, dass die Datenbildungseinrichtung (500, 600) dazu angepasst ist, Daten zu bilden, welche die Auftrittsfrequenz der reflektierten Lichtpulse in nominal gleichen Abtast-Zeitintervallen repräsentiert; wobei die Datenbildungseinrichtung (500, 600) umfasst: eine Abtastvorrichtung zur Abtastung der Empfangssignale, um abgetastete Werte zu erzeugen, und eine kumulative Speichervorrichtung (610) um die abgetasteten Werte zu kumulieren und um die kumulierten Werte zu speichern als die Auftrittsfrequenz der reflektierten Lichtpulse; und

wobei der Entfernungsmesser weiter aufweist: eine Zeitgabevorrichtung (100), welche operativ gekoppelt ist mit der Lichtquellen-Vorrichtung (1) und/oder mit der Datenbildungsvorrichtung, um eine Schwankung innerhalb eines vorbestimmten Schwankungsbereiches auf die Emissions-Zeitintervalle und/oder die Abtast-Zeitintervalle anzuwenden.

2. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1, wobei die Abtastvorrichtung angepasst ist, die Abtastwerte in binärer Form zu erzeugen.

3. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zeitgabevorrichtung (100) die Schwankung anwendet auf die Emissions-Zeitintervalle und die Abtast-Zeitintervalle mit einer uniformen Wahrscheinlichkeit in dem Schwankungsbereich.

4. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lichtempfangsvorrichtung (5) weiter dazu angepasst ist zum Empfangen von Lichtpulsen, Referenzlichtpulsen, welche die Lichtpulse darstellen, die von der Licht-Strahl- Vorrichtung erzeugt wurden, aber nicht abgestrahlt wurden zu dem Messziel.

5. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 2, wobei die kumulative Speichervorrichtung (610) aufweist:

eine Addiervorrichtung zum Addieren der empfangenen Binärdaten in aufeinanderfolgenden Empfangsvorgängen von Binärdaten von der Abtastvorrichtung in Binärdaten, welche vorher empfangen und kumuliert wurden; und

einen Speicher zum Speichern eines resultierenden kumulierten Endwertes.

6. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 5, wobei die kumulative Speichervorrichtung (610) aufweist:

einen ersten Speicher um Teile der abgetasteten Werte von einer individuellen Lichtpulsemission von der Lichtquelle temporär zu speichern;

einen zweiten Speicher zum Speichern kumulierter Werte; und

eine Addiervorrichtung um einen Wert, welcher in der ersten Speichervorrichtung gespeichert ist, zu einem vorher gespeicherten kumulierten Wert im zweiten Speicher zu addieren.

7. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 5, wobei die kumulative Speichervorrichtung aufweist:

einen ersten Speicher zum temporären Speichern von allen der abgetasteten Werte von einer einzelnen Lichtpulsemission von der Lichtquelle, einen zweiten Speicher zum Speichern kumulierter Werte, und

eine Addiervorrichtung zum Addieren eines Wertes, welcher in der ersten Speichervorrichtung gespeichert ist zu einem vorher gespeicherten kumulierten Wert im zweiten Speicher.

8. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 4, wobei die Entfernungs- Rechenvorrichtung (1000) angepasst ist, eine Korrelation zu bestimmen zwischen kumulierten Werten, welche von den reflektierten Lichtpulsen abgeleitet werden, und kumulierten Werten, welche von den Referenzlichtpulsen abgeleitet werden.

9. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Lichtempfangsvorrichtung (5) einen Bandpassverstärker beinhaltet, welcher operativ gekoppelt ist mit der Abtastvorrichtung.

10. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 9, wobei der Bandpassverstärker einen abgestimmten Verstärker umfasst.

11. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Zeitgabevorrichtung (100) angepasst ist, die Schwankung auf die Abtast-Zeitintervalle als eine Funktion der Emissions-Zeitintervalle anzuwenden.

12. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Zeitgabevorrichtung (100) angepasst ist, die Schwankung an die Abtast-Zeitintervalle als eine Funktion der Emissions-Zeitintervalle anzupassen.

13. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei die Abtastvorrichtung zum Erzeugen der abgetasteten Werte in binärer Form vorgesehen ist.

14. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Schwankungsbereich ΔT vorbestimmt ist in Bezug auf das Abtast-Zeitintervall T(1), so dass ΔT > = T(1).

15. Der Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Schwankungsbereich ΔT vorbestimmt ist in Bezug auf das Abtast-Zeitintervall T(1), eine Anzahl von Übergängen Ne des Empfangssignals, welche aus einem Lichtpuls resultieren, einem Übergangs-Zeitintervall T(3) des Empfangssignals, einer Differenz T(2) zwischen dem Empfangs-Zeitintervall T(1) und dem Übergangs-Zeitintervall T(3) sowie den Zeitintervallen ΔT(0), ..., ΔT (Nc), welche gebildet werden, wenn die Differenz zwischen einer Übergangszeit und einer Abtastzeit in einem Übergangs-Zeitintervall liegt,

so dass max. {ΔT(0), ..., ΔT(Nc)} < = ΔT, wobei Nc = [T(3)(Ne - 1)/T(1)] + 1 und die Abtastzeit beträgt

ΔT(2)*k[ΔT(2)*k/T(3)]*T(3)

wobei k jeden Wert von 0 bis Nc annimmt, und die Klammern [] für das Gauss'sche Symbol stehen, so dass für eine reelle Zahl x und eine ganze Zahl n gilt, [x] = n, falls n < = x < n + 1.