DE2014681B2

DE2014681B2 - Entfernungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2014681B2
Application number: DE19702014681
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8050 Freising Sodtke
Original assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Current assignee: Texas Instruments Deutschland GmbH
Priority date: 1970-03-26
Filing date: 1970-03-26
Publication date: 1971-07-29
Also published as: DE2014681C2; DE2014681A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Entfernungsmeßgerät mit einer eine modulierte Lichtstrahlung aussendenden Lichtquelle, zwei Photodetektoren, von denen der eine die von einem Gegenstand reflektierte Lichtstrahlung und der andere unmittelbar einen Teil der von der Lichtquelle ausgesendeten modulierten Lichtstrahlring empfangen und die jeweils ein der Modulation der empfangenen Lichtstrahlung entsprechendes elektrisches Signal abgeben, und mit einer Phasenmeßanordnung zur Feststellung der Phasendifferenz zwischen den Phasen der von den beiden Photodetektoren abgegebenen elektrischen Signale.
Bei Entfernungsmeßgeräten dieser Art erfolgt die Messung der Entfernung zwischen der Lichtquelle und dem das Licht reflektierenden Gegenstand durch Messung der Phasenänderung, die das Modulationssignal der Lichtstrahlung auf dem Hin- und Rückweg erfährt. Diese Phasenänderung ist der Laufzeit proportional, so daß sie bei bekannter Lichtgeschwindigkeit unmittelbar den zurückgelegten Weg und damit die gesuchte Entfernung anzeigt. Die Messung der Phasenänderung geschieht durch den Vergleich der Phasenlage der Modulation des vom Ziel reflektierten Signals mit der Phasenlage der ausgesendeten Lichtstrahlung.
Die Genauigkeit der Entfernungsmessung hängt also in erster Linie von der Genauigkeit ab, mit der die Phasendifferenz gemessen werden kann. Alle im Ubertragungsweg des Meßsignals und des Bezugssignals auftretenden unkontrollierbaren Phasendrehungen beeinträchtigen die Meßgenauigkeit. Solche Phasenverfälschungen sind um so mehr zu befürchten, je höher die Frequenz des Modulationssignals ist.
Diese Frequenz ist wiederum durch den gewünschten Meßbereich bedingt und muß um so höher sein, je kleiner die maximale Entfernung ist, die gemessen werden soll. Bei einem Meßbereich mit einer oberen Grenze von 10 m muß beispielsweise die Frequenz des Modulationssignals in der Größenordnung von 5 MHz liegen. Bei dieser Frequenz können durch Änderungen der Betriebsspannung, der Signalamplitude und der Temperatur sowie durch Alterung der Bauelemente Phasendrehungen verursacht werden, welche die Einhaltung der erforderlichen Meßgenauigkeit unmöglich machen. Es ist zwar möglich, solche Phasendrehungen durch entsprechende Schaltungsmaßnahmen ausreichend klein zu machen, jedoch werden dann Kosten, Gewicht und Raumbedarf des Meßgeräts beträchtlich groß.
Bei einer bekannten Entfernungsmeßanordnung der eingangs angegebenen Art ist zur Ausschaltung der Fehlerquellen für die beiden Photodetektoren zum Teil ein gemeinsamer Schaltungskanal vorgesehen, und es sind Schalteinrichtungen vorhanden, die diesen gemeinsamen Schaltungskanal abwechselnd mit den beiden Photodetektoren und mit den beiden Eingängen der Phasenmeßanordnung verbinden. Auch in diesem Fall ist ein beträchtlicher Aufwand erforderlich, weil einerseits die beiden Schalteinrichtungen synchronisiert sein müssen und andererseits die Phasen vorübergehend gespeichert werden müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei welchem trotz einfachem und billigem Schaltungsaufwand schaltungsbedingte Phasenfehler weitgehend beseitigt sind.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß an die Ausgänge der beiden Photodetektoren zwei gleiche Schaltungskanäle angeschlossen sind, deren Ausgänge mit den beiden Eingängen der Phasenmeßanordnung verbunden sind, daß an die Ausgänge der beiden Photodetektoren zwei gleiche Schaltungskanäle angeschlossen sind, deren Ausgänge mit den beiden Eingängen der Phasenmeßanordnung verbunden sind, daß jeder Schaltungskanal eine Mischstufe enthält und daß ein gemeinsamer Uberlagerungsoszillator vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangs signal des Photodetektors dem Eingang des jeweils angeschlossenen Schaltungskanals zur Bildung eines Mischprodukts niedrigerer Frequenz zugeführt wird.
Bei dem nach der Erfindung ausgeführten Entfernungsmeßgerät durchlaufen Meßsignal und Bezugssignal völlig gleiche Schaltungen. Alle durch den Schaltungsaufbau und durch Umweltbedingungen verursachten Phasendrehungen wirken sich daher auf beide Signale in gleicher Weise aus, so daß sie sich bei der Phasendifferenzmessung gegenseitig aufheben. Die Schaltungen können daher aus einfachen und billigen Schaltungselementen aufgebaut werden, insbesondere in Halbleitertechnik, wodurch sich ein kleines und leichtes Gerät ergibt. Die Schaltungen eignen sich besonders gut für eine Ausführung als integrierte Schaltungen, bei denen sich bekanntlich Fertigungsstreuungen auf gleichartige Schaltungselemente in gleicher Weise auswirken. Durch die Art der Zuführung des Uberlagerungssignals wird erreicht, daß das hochfrequente Meßsignal und das Uberlagerungssignal alle Stufen der Hochfrequenzschaltung bis zur Mischstufe gemeinsam durchlaufen, so daß sich jede Phasenänderung in diesen Stufen auf beide Signale gemeinsam auswirkt. Diese Phasenänderungen heben sich daher bei der Bildung des Mischprodukts mit der Differenzfrequenz gegenseitig auf, so daß das Niederfrequenzsignal ohne erkennbaren Phasenfehler gebildet wird.
Die Erfindung ermöglicht somit die Herstellung leichter und billiger Entfernungsmeßgeräte, die leicht transportabel sind und beispielsweise mit Batteriespannungen betrieben werden können. Solche Entfernungsmeßgeräte eignen sich für die automatische Entfernungsmessung bei Photo apparaten, Filmkameras und anderen optischen Geräten, insbesondere für eine automatische Schärfeeinstellung des Objektivs.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten für solche Entfernungsmeßgeräte finden sich beiAutomobilen, Schienenfahrzeugen und Fahrzeugen anderer Art als Auffahr- und Kollisionswarneinrichtung, vorzugsweise kombiniert mit automatischer Lenk- und Bremseinrichtung, Fördergeräten, Ortungsgeräten für Blinde, Uberwachungs- und Sicherungseinrichtungen sowie bei Maschinen oder anderen Einrichtungen, bei denen die genaue Lage von schwer zugänglichen Objekten, z. B. hinter Schutzwänden gegen radioaktive Strahlung, gemessen werden muß.
Durch die Verwendung von Licht, das mit einem hochfrequenten Wechselstrom moduliert ist, besteht eine vollkommene Unabhängigkeit der Arbeitsweise von Konstantlicht (Tageslicht) und durch die Netzfrequenz moduliertem G1uhlampen- und Leuchtstofflampenlicht.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß jeder Mischstufe eine Anordnung zur Umwandlung des Mischprodukts niedriger Frequenz in ein Rechtecksignal nachgeschaltet ist. Dadurch wird einerseits der Störabstand noch weiter verbessert und andererseits eine besonders einfache Ausbildung der Phasenmeßanordnung ermöglicht.
Diese besteht darin, daß die Phasenmeßanordnung eine Antivalenzschaltung enthält, deren beide Eingänge mit den Ausgängen der beiden Schaltungskanäle verbunden sind.
Da eine Antivalenzschaltung bekanntlich nur dann ein Ausgangssignal abgibt, wenn ihre Eingangssignale voneinander verschieden sind erhält man am Ausgang der Antivalenzschaltung eine Folge von Rechteckimpulsen, deren Dauer direkt der gegenseitigen Phasenverschiebung und damit der gesuchten Entfernung proportional ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lichtquelle eine Infrarotlicht aussendende Lumineszenzdiode.
Die Verwendung von Infrarotlicht ist für viele Anwendungszwecke vorteilhaft, insbesondere dann, wenn die für die Entfernungsmessung verwendete Lichtstrahlung für das menschliche Auge oder bei photographischen Aufnahmen unsichtbar bleiben, oder bei Anwendung an Fahrzeugen im Freien, z. B. bei Nebel, eine größere Reichweite und Meßsicherheit als sichtbares Licht ergeben soll.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt F i g. 1 ein Schema zur Erläuterung des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips, F i g. 2 das Blockschaltbild eines nach der Erfindung ausgeführten Entfernungsmeßgeräts und F i g. 3 Zeitdiagramme der Eingangs- und Ausgangsspannungen der Antivalenzschaltung in F i g. 2.
F i g. 1 zeigt das bei der Erfindung angewendete Meßprinzip. Eine Sendeanordnung 1 sendet eine amplitudenmodulierte Lichtstrahlung aus. Das Modulationssignal ist vorzugsweise eine kontinuierliche Sinusschwingung, doch sind auch andere Formen des Modulationssignals, beispielsweise ein Rechtecksignal, anwendbar. Die Lichtstrahlung kann aus sichtbarem oder unsichtbarem Licht bestehen. Bei dem hier bebeschriebenen Ausführungsbeispiel wird angenommen daß es sich um eine Infrarotstrahlung handelt. Infrarotlicht ist für viele Anwendungsfälle besonders vorteilhaft, weil sie für das menschliche Auge unsichtbar ist und die üblichen fotografischen Emulsionen dafür unempfindlich sind.
Eine Empfangsanordnung 2 empfängt die modulierte Infrarotstrahlung, die von einem Gegenstand 3 reflektiert wird, dessen Entfernung gemessen werden soll. Eine zweite Empfangsanordnung 4, die der ersten Empfangsanordnung 2 völlig gleich ist, empfängt unmittelbar einen Teil der von der Sendeanordnung 1 ausgestrahlten amplitudenmodulierten Infrarotstrahlung, beispielsweise mit Hilfe eines unmittelbar vor der Sendeanordnung 1 angebrachten Spiegels 5. In den beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 wird ein elektrisches Signal erzeugt, das dem Modulationssignal der empfangenen Infrarotstrahlung entspricht und die gleiche Phasenlage wie dieses hat. Diese elektrischen Signale werden in den beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 mit Hilfe einer Dberlagerungsfrequenz. die von einem gemeinsamen Uberlagerungsoszillator 6 erzeugt wird, einer Frequenzumsetzung unterworfen, die in bekannter Weise so erfolgt, daß die in den beiden Empfangsanordnungen erhaltenen Mischprodukte mit der Differenzfrequenz die gleiche gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen wie die ursprünglichen elektrischen Signale.
Diese Mischprodukte mit der Differenzfrequenz werden von den Ausgängen der beiden Eingänge einer Phasenmeßanordnung 7 zugeführt, die am Ausgang ein Signal abgibt, das ein Maß für die gegenseitige Phasenverschiebung der ihren Eingängen zugeführten Signalen ist. Es läßt sich leicht zeigen, daß diese Phasenverschiebung der Entfernung zwischen der Sendeanordnung 1 mit Spiegel 5 und dem Gegenstand 3 proportional ist, so daß das Ausgangssignal der Phasenmeßanordnung 7 auch unmittelbar ein Maß für die gesuchte Entfernung ist.
Wenn angenommen wird, daß sich die Sendeanordnung 1 und die beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 am gleichen Ort befinden, und daß sich der Gegenstand 3 in der Entfernung a von diesem Ort befindet, so beträgt die Laufzeit der Lichtstrahlung von der Sendeanordnung 1 zu der Empfangsanordnung 2: a = 2 , (1) = -c wenn c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Das Modulationssignal der von der Empfangsanordnung 2 empfangenen Lichtstrahlung weist daher gegenüber dem Modulationssignal der von der Sendeanordnung 1 abgehenden Lichtstrahlung die folgende Phasenverschiebung auf: 1 q = 2 f t (2) oder 1./ = 360° f t, (2a) wenn f die Frequenz des Modulationssignals ist.
Durch Einsetzen der Gleichung (1) folgt daraus: 2 , J. 360°, (3) Da die Laufzeit der Lichtstrahlung von der Sendeanordnung 1 zur Empfangsanordnung4 praktisch vernachlässigbar ist, besteht die gleiche Phasendifferenz auch zwischen den Ausgangssignalen der beiden Empfangsanordnungen 2 und 4. Durch Messung der Phasendifferenz 1./ in der Phasenmeßanordnung 7 erhält man daher die gesuchte Entfernung a nach folgender Gleichung: 1 c a = f 360" (4) Die Frequenz f des Modulationssignals muß so gewählt werden, daß keine Mehrdeutigkeit entsteht.
Bei einer Frequenz von 5 MHz erhält man z. B. bei a = 10 m eine Phasendifferenz von 193 = 2 108 c 130".
3.WSm.sM s-' Das Meßergebnis ist von der Signalamplitude unabhängig. Das elektrische Signal muß in der Empfangsanordnung nur so weit verstärkt werden, daß ein Phasenvergleich in der Phasenmeßanordnung möglich ist. In der Amplituden-Unabhängigkeit liegt ein großer Vorteil des Prinzips der Phasenmessung.
Das Entfernungsmeßgerät spricht auf den Wegunterschied der vom Ziel reflektierten und der direkten Infrarotstrahlung an. Bei geeigneter konstruktiver Gestaltung des Geräts mit Reflexion der direkten Strahlung im Gehäuse läßt sich die Vorderfläche des Gerätegehäuses als Bezugsebene für die Messung der Entfernung verwenden.
Auch eine Entfernungsdifferenzmessung zwischen zwei Zielen ist mit einem derartigen Gerät möglich, wenn der Reflektor 5 nicht starr mit dem Sender 1 und den Empfängern verbunden ist. Es wird dann die Entfernung zwischen den reflektierenden Gegenständen 3 und 5 gemessen. Der Aufstellungsort des Senders 1 mit den Empfängern 2 und 4 kann beliebig sein.
Die Messung der Phasendifferenz wäre zwar auch unmittelbar bei der Frequenz des Modulationssignals möglich, jedoch mit hohen Anforderungen an die Toleranzen und die Stabilität der Schaltung verbunden. Außerdem müßte die Empfangsanordnung wegen der in einem großen Bereich veränderlichen Entfernung, die von einigen Zentimetern bis 10 m und mehr betragen kann, sowie wegen des unterschiedlichen Reflexionsgrades der anzumessenden Gegenstände (dunkle bis weiße Flächen, matte bis metallisch spiegelnde Flächen) eine hohe dynamische Stabilität aufweisen und schwächste wie starke Eingangssignale ohne geringste nachweisbare Phasendrift verarbeiten.
Diese Schwierigkeiten werden durch die in den Empfangsanordnungen vorgenommene Frequenzumsetzung vermieden, durch welche das elektrische Empfangssignal unter Aufrechterhaltung der Phasendifferenz d q in eine niedrigere Frequenzlage transponiert wird. Die Frequenz des Uberlagerungsoszillators 7 liegt um einen kleinen Betrag oberhalb oder unterhalb der Modulationsfreqeunz der Richtstrahlung, z. B. bei 5 000 050 Hz bei der zuvor als Beispiel angenommenen Modulationsfrequenz von 5 MHz.
Die Differenzfrequenz beträgt dann 50 Hz. Ein Signal mit so niedriger Frequenz läßt sich mit verhältnismäßig einfachen Niederfrequenzverstärkern weiter verstärken und mit unkritischen und kostensparenden RC-Filtern von störenden Rauschanteilen befreien.
Zur weiteren Verbesserung des Störabstandes kann das Niederfrequenzsignal in der Amplitude begrenzt werden. Das ist zulässig, weil die Information der Entfernung in der zeitlichen Verschiebung der Nulldurchgänge der Signalspannung und nicht in deren Amplitude vorhanden ist. Zur Begrenzung können einfache und billige Transistorschaltungen gewählt werden, wobei wegen der niedrigen Frequenz die Transistorspeicherzeit noch nicht störend in Erscheinung tritt.
Durch die Frequenzumsetzung von 5 MHz auf 50 Hz wird ferner die Systemgenauigkeit bedeutend gesteigert. Eine noch erkennbare Phasenänderung von 6 93 = i 1/40 bei 50 Hz entspricht nach Gleichung (2 a) einer zeitlichen Verschiebung von = 3600f 360"f 1 bt = i4 . 360 . 50 ~ 13v5 Fs Eine solche Zeitverschiebung ist am Ausgang des Empfängers noch auswertbar. Da die Phasenverschiebung bei der Frequenzumsetzung unverändert übertragen wird, entspricht sie einer Laufzeitänderung des Hochfrequenzsignals von 4 360 = 4.360.5.106s1 N +135pos.
Diese Laufzeitänderung ist gemäß Gleichung (1) gleich einer Entfernungstoleranz von bt c = = 2 135 10-l2 s 3 108ms~l ~) = = 135 10-'2 s 3 - IO"ms-'M 210-2 m Der Phasenvergleich muß mindestens mit derselben Genauigkeit durchgeführt werden. Dazu muß ein zeitlich stabiles Bezugssignal zur Verfügung stehen, und es müssen alle die Messung verfälschenden Phasenfehler vermieden werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, daß das Bezugssignal auf gleichem Wege wie das Meßsignal über die ausgesendete Lichtstrahlung erzeugt wird und daß die beiden Signale völlig gleiche Schaltungen durchlaufen.
F i g. 2 zeigt die Ausbildung der verschiedenen Teile der Anordnung von F i g. 1 in näheren Einzelheiten.
Die Sendeanordnung 1 enthält als Infrarotstrahlungsquelle eine Galliumarsenid-Lumineszenzdiode 8, die bis zu sehr hohen Frequenzen amplitudenmodulierbar ist. Der größte Teil der von dieser Lumineszenzdiode abgegebenen Infrarotstrahlung wird über ein optisches Linsen- oder Spiegelsystem auf den zu messenden Gegenstand gerichtet, so daß er nach Reflexion zur Empfangsanordnung 2 gelangt. Ein kleiner Teil der Infrarotstrahlung wird seitlich vor oder hinter dem senderseitigen Linsen- oder Spiegelsystem ausgekoppelt und auf einem direkten und kurzen Weg der Empfangsanordnung 4 zugeführt. Dabei kann aus konstruktiven Gründen eine Strahlumlenkung an der Innenwand des Gerätegehäuses oder durch einen kleinen Umlenkspiegel erfolgen.
Das Modulationssignal wird von einem hochkonstanten Quarzoszillator 9 erzeugt, in einem HF-Leistungsverstärker 10 verstärkt und über einen Auskoppel-HF-Schwingkreis 11 an die Lumineszenzdiode 8 angelegt. Es ist unmittelbar erkennbar, daß alle in dieser Sendeschaltung auftretenden Phasendrehungen ohne Einfluß auf das Meßergebnis sind, weil sie sich in gleicher Weise auf das Meßsignal und auf das Bezugssignal auswirken.
Die beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 sind vollkommen gleich ausgebildet. Der Empfangskanal 2 enthält einen Fotodetektor 12, der für die Infrarotstrahlung der Lumineszenzdiode 8 empfindlich ist und beim Empfang einer reflektierten Strahlung ein elektrisches Signal abgibt, das der Modulation der empfangenen Strahlung entspricht. Als Fotodetektoren eignen sich alle schnellen Fotodioden, Avalanche-Fotodioden, Fotozellen und Fotovervielfacher.
Das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 wird über einen HF-Bandpaß 13 und einen HF-Verstärker 14 einer Mischstufe 15 zugeführt und in dieser mit Hilfe des vom Uberlagerungsoszillator 6 gelieferten Uberlagerungssignals auf eine niedrige Frequenz umgesetzt. Der Uberlagerungsoszillator 6 ist vorzugsweise gleichfalls ein hochkonstanter Quarzoszillator, und seine Ausgangsfrequenz ist, wie bereits erwähnt, von der Frequenz des Quarzoszillators 9 nur wenig verschieden, so daß die am Ausgang der Mischstufe 15 erhaltene Differenzfrequenz sehr niedrig ist, beispielsweise in der Größenordnung von 50 Hz.
Eine Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, daß das Uberlagerungssignal nicht einem zweiten Eingang der Mischstufe 15 zugeführt wird, sondern zusammen mit demAusgangssignal des Fotodetektors 12 dem Eingang des Bandpasses 13 zugeführt wird. Durch eine mit hochohmiger Impedanz ausgeführte Ankopplung wird weitgehende Stromeinprägung erreicht.
Diese Maßnahme hat zur Folge, daß das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 und das Uberlagerungssignal des Uberlagerungsoszillators 6 gemeinsam die Hochfrequenzstufen 13 und 14 durchlaufen. Da die beiden Frequenzen nur sehr wenig auseinanderliegen, ist der Einfluß der Phasendrift in den Hochfrequenzstufen auf beide Signale praktisch gleich groß, so daß das niederfrequente Mischprodukt in der Mischstufe 15 ohne einen von den Hochfrequenzstufen hervorgerufenen Phasenfehler gebildet wird.
Das niederfrequente Ausgangssignal der Mischstufe 15 wird über einen RC-Bandpaß und einen Niederfrequenzverstärker 17 einem Begrenzerverstärker 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal einen Kleinstwert-Größtwert-Begrenzer 19 aussteuert. Die beiden Begrenzer 18 und 19 wandeln das niederfrequente sinusförmige Ausgangssignal der Mischstufe 15 in ein Rechtecksignal um, in dessen Nulldurchgängen die durch die Phasenverschiebung ausgedrückte Entfernungsinformation noch vorhanden ist.
Damit unabhängig von der Entfernung des gemessenen Gegenstands und von dessen Reflexionseigenschaften ein etwa konstantes Ausgangssignal erhalten wird, ist der HF-Verstärker 14 mit einem Verstärkungsregeleingang versehen, zu dem ein vom Ausgang des Niederfrequenzverstärkers 17 kommender Verstärkungsregelkreis führt, der einen Regelspannungsgleichrichter 20 und einen Regelspannungsverstärker 21 enthält.
Die Empfangsanordnung 4 ist in völlig gleicher Weise aufgebaut, und sie ergibt die gleiche Wirkung.
Die Bestandteile der Empfangsanordnung 4 sind deshalb mit den gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Bestandteile der Empfangsanordnung 2 versehen, jedoch mit einem zusätzlichen Indexstrich.
Die von den beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 abgegebenen Rechtecksignale, welche die gleiche gegenseitige Phasenverschiebung aufweisen wie die Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren 12 und 12', werden der Phasenmeßanordnung 7 zugeführt. Dies enthält eine Antivalenzschaltung 22 mit zwei Eingängen, die an die Ausgänge der beiden Schaltungskanäle 2 und 4 angeschlossen sind, und eine an den Ausgang der Antivalenzschaltung angeschlossene Rauschsperre 23.
Die Rauschsperre 23 hat die Aufgabe, den Ausgang zu verriegeln und Fehlmeßungen zu verhindern, wenn durch eine die Systemreichweite überschreitende Entfernung des Gegenstandes 3 an der Empfangsanordnung 2 ein zu schwaches und durch starkes Rauschen gestörtes Empfangssignal vorhanden ist.
Bekanntlich gibt eine Antivalenzschaltung am Ausgang nur dann ein Signal ab, wenn ihre beiden Eingangssignale voneinander verschieden sind, so daß die folgende Wahrheitstabelle gilt:

Signal 1 Signal 2 Ausgang

O 0 0

O - L L

L L O

L O L

In den Diagrammen von F i g. 3 sind bei a und b die beiden phasenverschobenen rechteckigen Ausgangssignale der beiden Empfangsanordnungen 2 und 4 und bei c das Ausgangssignal der Antivalenzschaltung 22 dargestellt. Wie zu erkennen ist, erscheinen am Ausgang der Antivalenzschaltung 22 für jede ansteigende und für jede abfallende Flanke der beiden Eingangssignale Impulse, deren Dauer der gegenseitigen Phasenverschiebung der beiden Eingangssignale entspricht.
Die Beziehung zwischen der Dauer der Ausgangsimpulse und der Phasenverschiebung und damit auch der Entfernung ist linear.
Bei einer Frequenz von z. B. 50 Hz werden auf diese Weise pro Sekunde 100 impulsförmige Einzelinformationen geliefert, die jede für sich die Entfernungsinformation tragen. Dies ist gleichbedeutend mit einer hohen Redundanz des Systems.
Wenn bei großen Entfernungen des Gegenstands 3 die einfallende reflektierte Strahlung schwach ist, zeigt das empfangene elektrische Signal an der Grenze der Empfindlichkeit des Fotodetektors auf Grund des thermischen Eigenrauschens einen relativ hohen Rauschanteil. Dieses Rauschen besteht aus zwei Anteilen, die sich als Amplituden- und Phasenmodulation äußern. Während die stark störende Amplitudenmodulation des Rauschens in den Begrenzerstufen vollkommen unterdrückt wird, bleibt die Phasenmodulation übrig, die sich am Ausgang der Antivalenzschaltung in einer statistischen Schwankung der Impulsbreite äußert. Auf Grund der mechanischen Trägheit, d. h.
der Integrationswirkung des der Phasenvergleichsschaltung nachgeschalteten Anzeigeinstruments, eines Steuerungs- oder Nachführmotors od. dgl. erfolgt eine zeitliche Mittelung der ursprünglich durch Phasenrauschen streuenden Ausgangsgröße und eine erhebliche Störbefreiung. Dies ist gleichbedeutend mit einer Vergrößerung der meßbaren Maximalentfernung.
Bei dieser Ausführungsform ist eine maximale Phasenverschiebung von 1 .l = 1800 auswertbar. Durch Hinzufügen einer weiteren logischen Verknüpfung ist es möglich, jeden zweiten Ausgangsimpuls zu unterdrücken, so daß eine maximale Phasenverschiebung von 360" ausgenutzt werden kann, was einer Verdoppelung des Meßbereichs gleichkommt.
Die Ausgangsimpulse der Phasenmeßanordnung 7, deren Dauer der zu messenden Entfernung proportional ist, werden einer Anordnung 24 zugeführt, in der sie je nach dem betreffenden Anwendungsfall weiter verwendet werden. Insbesondere ist es möglich, diese Impulse für Steuerungs- und Regelungszwecke direkt an eine Sollwert-Istwert-Vergleichsstufe zu geben, beispielsweise um den Einstellmotor für die Entfernungseinstellung eines Objektivs zu steuern, oder um Bremsvorgänge auszulösen. Durch Integration, beispielsweise mit einem RC-Glied, erhält man dagegen ein kontinuierliches Analogsignal, dessen Größe ein Maß für die zu messende Entfernung ist. Dieses Analogsignal kann einem entsprechend geeichten Meßinstrument zugeführt werden, das dann direkt die Entfernung in Metern oder Zentimetern anzeigt.
Andrerseits ist der Entfernungsmesser nach diesem System auf Grund der hohen möglichen Impulsrate pro Sekunde in der Lage, rasche Änderungen der Entfernung bei schnell bewegten Objekten sofort anzuzeigen. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig bei Anwendungen an Fahrzeugen.
Vorzugsweise ist dieser Entfernungsmesser in Verbindung mit einer Nachführregelung für die Anwendung in automatisch arbeitenden Systemen geeignet, wenn bei sich rasch ändernden Entfernungen zu verschiedenen Objekten entsprechende Steuerungsprozesse unmittelbar folgen sollen. Das ist von besonderer Bedeutung, wenn solche Steuerungsprozesse von einer Bedienungsperson ohne eine derartige Einrichtung, z. B. auf manuellem Wege, bedingt durch die begrenzte menschliche Reaktionszeit nicht mehr schnell genug ausgeführt werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Entfernungsmeßgerät mit einer eine modulierte Lichtstrahlung aussendenden Lichtquelle, zwei Photodetektoren, von denen der eine die von einem Gegenstand reflektierte Lichtstrahlung und der andere unmittelbar einen Teil der von der Lichtquelle ausgesendeten modulierten Lichtstrahlung empfangen und die jeweils ein der Modulation der empfangenen Lichtstrahlung entsprechendes elektrisches Signal abgeben, und mit einer Phasenmeßanordnung zur Feststellung der Phasendifferenz zwischen den Phasen der von den beiden Photodetektoren abgegebenen elektrischen Signale, dadurch gek e n n zeichne t, daß an die Ausgänge der beiden Photodetektoren (12, 12') zwei gleiche Schaltungskanäle (13-21; 13'-21') angeschlossen sind, deren Ausgänge mit den beiden Eingängen der Phasenmeßanordnung (7) verbunden sind, daß jeder Schaltungskanal eine Mischstufe (15, 15') enthält und daß ein gemeinsamer Uberlagerungsoszillator (6) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal zusammen mit dem Ausgangssignal des Photodetektors (12, 12') dem Eingang des jeweils angeschlossenen Schaltungskanals zur Bildung eines Mischprodukts niedrigerer Frequenz zugeführt wird.

2. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Uberlagerungsoszillators (6)von der Frequenz des Modulationssignals:wenig verschieden ist.

3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang jeder Mischstufe (15, 15') ein Filter (16, 16') und/oder Integrationsglied zum Ausfiltern der in der Mischstufe gebildeten Differenzfrequenz angeschlossen ist.

4. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mischstufe (15, 15') eine Anordnung (18, 19; 18', 19') zur Umwandlung des Mischprodukts niedriger Frequenz in ein Rechtecksignal nachgeschaltet ist.

5. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmeßanordnung (7) eine Antivalenzschaltung (22) enthält, deren beide Eingänge mit den Ausgängen der beiden Schaltungskanäle verbunden sind.

6. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Phasenmeßanordnung (7) eine Anzeige- oder Meldevorrichtung (24) angeschlossen ist, die eine geeichte Entfernungsanzeige ermöglicht.

7. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der Phasenmeßanordnung eine digital oder analog arbeitende Sollwert-Istwert-Vergleichsstufe und/oder Grenzwert-Schaltstufe angeschlossen ist, die zur Auslösung von weiteren Steuerungs- und Regelungsvorgängen dient.

8. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in einem automatisch arbeitenden Steuerungs-, Regelungs- oder - Nachführsystem. verwendet ist.

9. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schaltungskanal einen Verstärkungsregelkreis (20, 21) enthält.

10. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) eine Infrarotlicht aussendende Lumineszenzdiode ist.

11. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (8) eine Halbleiter-Laserdiode ist.

12. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (12, 12') eine Photodiode, eine Avalanche-Photodiode, ein Phototransistor, eine Photo-Duo-Diode, ein Photovervielfacher oder eine Photozelle ist.