SE465392B - Foerfarande och anordning vid optiska avstaandsmaetare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 40 45 50 465 392 2 ordning som pulsens längd mätt vid halva amplitudvärdet. Som stoppsignal till räknaren krävs en binär signal representerande en logisk etta vid tidpunkten för mottagen puls och en logisk nolla dessförinnan. En sådan signal åstadkommes vanligen genom att utpulsen från mottagaren matas till en tröskelkrets så inrättad att den avger logisk etta när signalamplituden från den optiska mottagaren över- stiger ett visst förutbestämt värde men i övrigt avger logisk nolla. Den osäkerhet som därvid erhålles vid tidsbestämningen är beroende av de signalamplitudvariatio- ner som erhålls på grund av varierande avstånd till mätobjektet och på grund av at- mosfäriska förhållanden. Om signalen har hög amplitud kommer den förutbestämda tröskelnivån att överskridas på ett tidigt stadium under pulsens varaktighet medan vid låg signalamplitud tröskelöverskridandet erhålls först nära amplltudmaximum vid pulsens mittidpunkt. Det medför att man får ett mätosäkerhetsbidrag som är av samma storleksordning som pulsens stigtid. l en avståndsmätare med hög mätnog- grannhet krävs sålunda dels en mycket hög osoillatorfrekvens dels att de utsända pulserna är mycket korta. l de pulsade laseravståndsmätare som f.n. finns i praktisk användning är pulslängdens halwärdesbredd vanligen 30 - 60 nanosekunder och osoillatorfrekvensen vanligen 14,990 eller 29,979 megaherz vilket ger en mätupp- lösning om 10 respektive 5 meter. Med modernaste teknik finns numera möjlighet till kortare pulser och betydligt högre oscillatorfrekvenser men tekniken är konstruk- tivt och tillverkningsmässigt svårhanterlig vilket gör sådana avståndsmätare dyra.

I exempelvis svensk patent nummer 8 605 335-2 anges en teknik att kringgå de beskrivna problemen. Kännetecknande för uppfinningen enligt sagda patent är att såväl- den utsända pulsen som den mottagna via analog-digitalomvandlare överföres till serier av binära tal vilka lagras i skiftregister eller liknande minnen.

Genom att, sedan sådan lagring utförts, steg för steg förflytta innehållet i det ena skiftregistret och för varje förflyttningssteg beräkna korrelationskoffioienten mellan innehållen i de båda skiftregistren kan man finna ett förskjutningsläge där korrela- tionskoefficienten har sitt största värde. Erforderligt antal förflyttningssteg till detta förskjutningsläge utgör ett mått på fördröjningen mellan utsänd ooh mottagen puls.

Om korrelationsoptimum råkar befinna sig mellan två förflyttningssteg kan det bestämmas genom interpolation. Med uppfinningen enligt detta patent kan lätt en tiofaldig förbättring av mätnoggrannheten uppnås. Anordningarna enligt sagda patent har dock den nackdelen att de kräver ett mycket stort elektronikuppbåd och att avståndsbestämmningen blir tidsödande på grund av det stora antalet räkne- operationer som krävs vid korrelationsbestämningen vilket i sin tur begränsar hur ofta avståndsmätningen kan upprepas.

Syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma förfaranden och anordningar som ger en mätnoggrannhet likvärdig med den enligt den refererade uppfinningen men som kräver en bråkdel av dess elektronikuppbåd. I likhet med den tidigare kända uppfinningen utnyttjas en analog-digitalomvandlare för omvandling av den mottagna signalpulsen till en serie binära tal vilka lagras i ett minne av s.k. FIFO-typ (först in först ut) t.ex. ett skiftregister. Kännetecknande för här föreliggande uppfinning är att vart och ett av dessa lagrade binära talvärden matas ett förutbestämt antal gånger i följd till ett digitalt lågpassfilter med deriverande karak- teristik inom sitt passband. Utstorheten från detta filter har en nollgenomgång och ytterligare ett kännetecken för uppfinningen är att det antal genomräkningar av det digitala filtret som måste utföras innan denna nollgenomgång inträffar registreras och används som mått på avståndet till mätobjektet. yx KV:- 10 15 20 25 30 35 40 s 4 6 5 3 9 2 I en vidareutveckling av uppfinningen anges en metod att åstadkomma bättre mätnoggrannhet än vad som motsvaras av en enhet i talet för antalet filtergenom- räkningar. Kännetecknande för denna vidareutveckling är att det digitala filtret förses med en omkopplingsmöjlighet som kraftigt reducerar storleken hos filtrets integrationssteg samtidigt som det antal gånger som ett och samma binära tal från minnet matas in i det digitala filtret ökas. Denna omkoppling företas när utsignalens storlek från det digitala filtret indikerar att en nollgenomgång är nära förestående.

I ytterligare en vidareutveckling av uppfinningen anges införande av ett villkor innebärande att filtrets utsignal skall ha uppnått en viss amplitud före den noll- genomgång som utnyttjas för avståndsbestämningen. Härigenom minskas i väsent- lig grad risken att inkommande brus och störningar skall förorsaka falska avstånds- bestämmningar.

I ytterligare utveckling av uppfinningen anges anordningar lämpade för realisering av de angivna förfarandena.

Uppfinningen skall nu beskrivas närmare med hänvisning till figurerna av vilka: Figur 1 visar signaldiagram vid förfarande enligt uppfinningen.

Figur 2 visar signaldiagram vid nollgenomgàng hos filtrets utsignal med utnytt- jande av omkoppling till mindre filterintegrationssteg.

Figur 3 visar i blockschemaform ett utförandeexempel på avstàndsmätare enligt uppfinningen.

I figur1 visas i diagram ia den utsända pulsens 11 amplitud som funktion av tiden. I diagram 1b visas den mottagna pulsen 12 sådan den erhålles som elektrisk utsignal från mottagaren. Den är dels fördröjd proportionellt mot avståndet till mätobjektet, den har dels en något förändrad pulsform på grund av mottagarens elektriska bandpassfiltering som framhäver signalen i förhållande till brus och störningar. l samma diagram representeras i stapelform 13a, 13b, 13c o.s.v. de binära tal som erhålles från analog-digítalomvandlaren och som representerar signalamplituden vid ett antal jämnt fördelade tidpunkter under pulsens varaktighet. Tidsintervallet mellan omvandlingarna måste vara kortare än den mottagna pulsens längd och de lagrade värdena mäste minst täcka tiden från en optisk puls utsändande till tiden för pulsslut hos mottagen puls från avlägsnaste föremål mot vilket avståndsmätning avses ske, Ett digitalt filter av den typ som avses enligt uppfinningen kan allmänt formuleras som ett system av ekvationer på exempelvis följande sätt: X1,n=k10Xin,n+k11X1.n-1+ ' ' ' ' ' ' + kfp x1,n-p.

Xan = kzr X 1,” + kzz X2,n-1 + ' ' ' ' ' ' + kzp Xzn-p.

Xqm = q1Xq,n + kqz Xq,n-1 + ' ' ' ' ' ' 4' kqp Xq,n-p.

I detta ekvationssystem betecknar k filterkonstanter vars värden bestämmer filtrets egenskaper och x filtervariabler. Av dessa är x,-,, instorheten medan de övrigas 10 15 20 25 30 35 40 45 50 465 392 4 värden bestäms av digitalfiltret självt. En av dessa övriga utgör filtrets utstorhet. I jämförelse med ett analogfilter motsvarar ekvationssystemet det system av differen- tialekvationer som beskriver analogfiltrets egenskaper. Den viktigaste skillnaden, förutom att alla storheter är kvantiserade p.g.a. de beräknas med ändligt antal siffror, är att analogfiltrets infinitesimala storhet tidsdifferentialen dt är approxi- merad med en ändlig storhet tidsíntervallet At (filterintegrationssteget) vars storlek bestäms genom valet av filterkonstanter. Vid digitalfiltrets användning utförs upprepade genomräkningar av ekvatlonerna varvid storheten n anger genomräk- ningens turordningsnummer. Vid varje genomräkning av filtret erhålles utstorheten vid en ekvivalent tidpunkt som ligger Af senare än vid föregående genomräkning.

Genom val av tilterkonstantvärden ges filtret enligt uppfinningen en frekvenskarak- teristik innebärande att överföringsfunktionens amplitudfaktor huvudsakligen är proportionell mot frekvensen vid frekvenser väsentligt lägre än en förutbestämd brytfrekvens medan den vid frekvenser väsentligt högre än denna brytfrekvens är omvänt proportionell mot frekvensen eller mot någon högre heltalspotens av denna.

Brytfrekvensen bör stå i en bestämd relation till avståndsmätarens pulslängd för att optimalt resultat skall erhållas. Frekvenskarakteristiken vid låga frekvenser ger filtret deriverande egenskaper. Detta medför att, när den mottagna digitaliserade pulsen utgör insignal till digitalfiltret, toppvärdet hos denna inpuls kommer att motsvaras av en noggrant detekterbar nollgenomgång hos filtrets utsignal. Då den ekvivalenta tidpunkten för denna nollgenomgång är linjärt beroende av avståndet till målet och då denna tidpunkt kan beräknas som n - At utgör antalet genomräkningar innan nollgenomgången inträffar ett linjärt mått på avståndet till målet.

Den mätupplösning som erhålles med den angivna filtreringen är lika med filter- integrationssteget som följaktligen bör göras kort. Med direkt utnyttjande av analog- digitalomvandlarens avgivna binärtalserie som instorhet till digitalfiltret måste filter- integrationssteget väljas lika med tidsíntervallet mellan analog-digitalomvand- lingarna. Det är sålunda önskvärt att omvandlingarna kan ske med så hög repeti- tionsfrekvens som möjligt men här sätter tillgänglig teknik för åstadkommande av analog-digitalomvandlare en gräns. Dessutom behövs en viss tid för varje genom- räkning av digitalfiltret. Det sistnämnda problemet kringgås genom att digitalvärdena först mellanlagras i ett minne t.ex. ett skiftregister varifrån de föres vidare till filtret i ett långsammare tempo. Det förstnämnda problemet kringgås enligt uppfinningen genom att vart och ett talvärdena från analog-digitalomvandlaren upprepat matas in till digitalfiltret ett förutbestämt anta! gånger m. Genom val av filterkonstanter görs filterintegrationssteget motsvarande kortare. I diagram 1c representeras i stapelform 14a, 14b, 14c o.s.v. de binära tal som sålunda matas till digitalfiltret. l diagrammet är exemplifierat med m = 10 innebärande att varje värde matas 10 gånger till filtret. Genom att digitalfiltret ovanför sin brytfrekvens har fallande frekvenskarakteristik (lågpassfilter) har det utjämnande förmåga för de avvikelser från den riktiga kurvformen som platåerna enligt diagram fc representerar. Filtret återskapar m.a.o. signalen vid m tidpunkter mellan analog-digitalomvandlarens omvandlingstidpunkter och digitalfiltrets utstorhets nollgenomgång erhålls med motsvarande bättre upplösning. Filtrets utsignal visas i diagram 1d i stapelform 15a, 15b, 15c o.s.v. Genom att fortlöpande kontrollera tecknen hos varje utdatavärde från filtret detekterar man signalens nollgenomgång 16 och ur antalet filtergenomräkningar före nollgenomgången kan man bestämma avståndet till avståndsmätarens mätobjekt genom ett linjärt samband 17. I och med att noll- 15 25 30 35 40 45 50 5 465 5192 genomgång har detekterats kan filtergenomräkningarna avbrytas och alla filter- variabler nollställas som förberedelse för nästa avståndsmätning. Värdena 18a, 18b, 18c o.s.v. efter nollgenomgången behöver sålunda inte beräknas.

Genom att välja ett högt värde för repetitionstalet m kan man erhålla önskad god upplösning. En nackdel med höga repetitionstal är att antalet filtergenomräkningar före nollgenomgången blir mycket stort och då varje filtergenomräkning tar en viss tid att utföra kan fördröjningen fràn det mätningen utförs till dess mätresultatet föreligger bli oacceptabelt lång. I figur 2 visas ett förfarande som är en vidareutveckling av uppfinningstanken och som bemästrar detta problem. l diagram 2a visas utsignalen från digitalfitret. Fram till strax före nollgenomgången är den identisk med den som visas i diagram 1d. l diagram 2b visas i ett expanderat diagram förloppet i samband med nollgenomgången. Fiepetitionstalet m har inled- ningsvis ett relativt måttligt värde varigenom även erforderligt antal genomräkningar blir måttligt. Genom exempelvis jämförelse av filtrets utsignal med en referensnivå 21 skaffar man sig en förvarning om när en nollgenomgång år nära förestående. Då verkställer man en omkoppling i filtret genom byte till en annan uppsättning filterkonstanter så att integrationssteget kraftigt reduceras samtidigt som man ökar repetitionstalet m i relation därtill. lntegrationsstegets storlek före omkopplingen representeras i figur 2b av intervallen mellan staplarna 15x, 15y och 15z och efter omkopplingen av 22a, 22b, 22c o.s.v. Vid själva nollgenomgången 23 har man sålunda ett mycket litet integratíonssteg vilket ger motsvarande mycket goda upplösning vid avståndsbestämningen 24.

Den tekniska effekten av de beskrivna förfarandena skall här belysas med ett exempel. Analog-digitalomvandlare kan med dagens teknik (1989) någorlunda enkelt utföras för mätrepetitionsfrekvenser upp till c:a 30 megaherz vilket i sig ger en mätupplösning om 5 meter. Vid 500 meters mätavstånd skulle teoretiskt krävas 100 filtergenomräkningar. Om nya filtergenomräkningar kan påbörjas med 200 nanosekunders mellanrum skulle utvärderingstiden bli 20 mikrosekunder. Om varje värde matas till digitalfiltret 10 gånger (m = 10) skulle mätupplösningen bli 50 centimeter och utvärderingstiden bli 200 mikrosekunder. Om man omedelbart före en nollgenomgång ökar m till värdet 100 blir mätupplösningen 5 centimeter men utvärderingstiden ökar därvid endast till 202 á 204 mikrosekunder.

Vid mätning mot mätobjekt på stora avstånd blir fördröjningen till mottagandet av returpulsen förhållandevis lång. Under denna tid finns risk att brus och störningar ger upphov till falska nollgenomgångar från det digitala filtret. Detta problem kan lösas genom att man inför ett villkor att minst ett utdatavärde från det digitala filtret skall ha uppnått ett minsta tröskelvärde innan någon nollgenomgång godkännes. l figur 3 visas ett utförandeexempel av en avståndsmätare uppbyggd kring en optisk sändare 31 och en optisk mottagare 32. Mottagarens elektriska utsignal matas via en analog-digltalomvandlare 33 till ett minne 34 av FIFO-typ. I den optiska sända- ren finns elektroniska kretsar som avger en styrsignal i form av ett pulståg 51 varje gång en optisk mätpuls sänds ut. Varje puls i styrsignalen utlöser en analog-digital- omvandling i analog-digitalomvandlaren 33 och en lagring i minnet 34 av den digitala utstorheten från analog-digitalomvandlaren. Efter sista puls i pulstàget finns denna storhet lagrad i minnet vid ett antal tidpunkter (13a, 13b etc. i diagram fb).

Dessa värden kan itur och ordning göras tillgängliga på minnets utgång för fortsatt signalbehandling genom inmatning av pulser 54 till minnet. 10 15 20 25 30 35 40 465 592 s För den fortsatta signalbehandlingen kan man utnyttja en snabb mikrodator i vilken förfarandena enligt uppfinningen inprogrammeras med känd teknik. l figur 3 visas ett alternativ med logiska funktionsblock vilket ger snabbare Signalbehandling och därmed möjlighet till tätare upprepning av avståndsmätningarna. Vid sista styrsignalpuls i pulståget 51 avges en startpuls 52 som ettställer en bistabil vippa 40 varvid en grind 42 tillåter passage för pulserna från en klockoscillator 41. Dessa pulser 53 utgör styrsignal till ett digitalt filter 35 med tidigare angiven filterkarak- teristik. Filtret kan på känt sätt vara uppbyggt av ett antal register, ett för varje ekvation i filtrets ekvationssystem. Registren är förbundna med varandra och med minnets 34 utgång via adderare och konstantmultiplicerande grindmatriser.

Genomräkning av filtret erhålles genom samtidig klocksignal till filtrets samtliga register. Denna klocksignal utgöres sålunda av pulserna 53. Dessa pulser passerar också en grind 43b vars utsignal framstegar en räknare 45 utgörande andra räknare i en räknarkedja. För varje fullbordat varv hos denna räknare erhålles från denna en puls 54 som utlöser att minnet 34 byter utstorhet till nästa i tur bland de lagrade.

Härigenom kommer varje lagrat talvärde i minnet att matas till det digitala filtret det antal gånger som motsvarar antalet räknesteg hos den andra räknaren 45.

Utpulserna från räknaren 45 framstegar också en tredje räknare 46 som sålunda räknar antalet talvärden som utmatats från minnet.

Utstorheten från det digitala filtret 35 utgör instorhet till tre digitaljämförare av vilka den första 36a ettställer en bistabil vippa 37 om och när dess instorhet överstiger ett förutbestämt värde. Därvid öppnas via grindarna 38a och 38b passagemöjlighet för utsignalerna från de bägge andra jämförarna. Härigenom erhålles ett villkor att filtrets utstorhet skall ha uppnått ett visst värde innan sökande efter nollgenomgång påbörjas. Den andra digitaljämföraren 36b ettställer en bistabil vippa 39 när dess instorhet understiger ett förutbestämt lågt värde. När denna vippa ettställs sker en omkoppling i det digitala filtret 35 till en alternativ uppsättning filterkonstanter inne- bärande minskat filterintegrationssteg. Samtidigt sker via grindarna 43a - 43b en omkoppling så att klockpulserna 53 matas till en första räknare 44 i stället för till den andra 45 som nu i stället framstegas av utsignalen från den första räknaren 44.

Härigenom ökas det antal gånger samma värde matas till digitalfiltret med en faktor lika med antalet räknesteg i den första räknaren.

Den tredje digitaljämföraren 36c nollställer den bistabila vippan 40 när jämförarens insignal blir negativ d.v.s. vid nollgenomgång. Samtidigt utlöses överföring av ställningen hos räknarna 44, 45 och 46 till ett register 47 så att talvärdet från den första räknaren 44 utgör den minst signifikanta delen av talet i register 47 och talvärdet från den tredje räknaren 46 utgör den mest signifikanta delen. Talet i register 47 är ett mått på avståndet till mätobjektet. Sedan talvärdet överförts till registret 47 sker via styrledningar som inte är utritade i figur 3 en nollställning av minnet, de bistabila vipporna, räknarna och av det digitala filtret vad avser de interna filtervariablerna. Därmed är anordningen redo för en ny avstånds- bestämning. 42

Claims (6)

7 465 592 Patentkrav

1. Förfarande vid optisk avståndsmätare omfattande en optisk sändare avgivande korta optiska pulser, en optisk mottagare mottagande sändarens reflekterade strålning från avståndsmätarens mätobjekt samt analog-digitalomvand- lare med tidsintervall mellan omvandlingarna kortare än längden hos de mottagna pulserna k ä n n e t e c k n at av att de digitala amplitudvärden (13a, 13b etc.) som erhålles från analog-digitalomvandlaren lagras i ett antal minst motsvarande tiden fràn en optisk puls utsändande till tiden för pulsslut hos mottagen puls från avlägsnaste föremål mot vilket avstàndsmätning avses ske, att vart och ett av sagda lagrade värden ett förutbestämt antal gånger i tur och ordning utgör instorhet (14a, 14b etc.) vid ett digitalt filteringsförfarande med sådan karakteristik att, vid frekvenser väsentligt lägre än en förutbestämd brytfrekvens, utamplituden huvud- sakligen är direkt proportionell mot frekvensen, och att, vid frekvenser väsentligt högre än en denna brytfrekvens, den är omvänt proportionellt mot frekvensen upphöjd till ett heltal större än noll samt att erforderligt antal genomräkningar av filt- ret före första nollgenomgång (16) hos filtrets utstorhet används som linjärt mått (17) på avståndet till mätobjektet.

2. Förfarande enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n at av att det antal gånger filtret genomräknas med en och samma instorhet ökas, när ett lågt värde hos utstorheten indikerarar en omedelbart förestående nollgenomgång hos denna, och att filtrets parametrar samtidigt ändras så att i huvudsak oförändrad filterkarak- teristik erhålles.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a t av att som första nollgenomgång räknas första sådan efter att filtrets utstorhet har varit större än ett visst förutbestämt minimivärde .

4. Anordning för realisering av förfarande enligt patentkrav 1 vid optisk avståndsmätare omfattande en optisk sändare (31) avgivande korta optiska pulser, en optisk mottagare (32), en analog-digitalomvandlare (33) och en minnesanord- ning (34) k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar en digital filteranordning (35), en klockoscillator (41) anordnad att för varje klockcykel initiera genomräkning av det digitala filtret, en av klockoscillatorn framstegad räknare (45) vars utgångssignal initierar att minnesanordningen (34) byter utstorhet till nästa i tur varande lagrade värde, en ytterligare räknare (46) som framstegas av först nämnda räknare (45), en bistabil vippa (40) och en grind (42) anordnade så att genomräkningarna av det digitala filtret och framstegningen av räknarna inleds när datainmatning till minnes- anordningen är fullbordad, samt en teckendetekterande digitaljämförare (360) ansluten till den digitala filteranordningen och anordnad att avbryta framstegningen av räknarna vid nollgenomgång hos det digitala filtrets utstorhet. 465 392 s

5. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar en tili det digitala filtret ansluten andra digitaljämförare (36b), en till denna ansluten bistabil vippa (39) och grindanordning samt en ytterligare räknare (44) så inrättade att denna räknare inkopplas mellan klockoscillatorn och den övriga räknarkedjan när det digitala filtrets utstorhet understiger ett förutbestämt lågt värde.

6. Anordning enligt patentkrav 4 k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar en till det digitala filtret ansluten tredje digitaljämförare (36a), en till denna ansluten bistabil vippa (39) och grindanordning (38a, 38b) så inrättade att de övriga digital- jämföramas funktion blockeras till dess att det digitala filtrets utstorhet har överstigit ett förutbestämt värde. 'Ûlr