DE2017357A1 - Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung - Google Patents

Description

• Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung, bei dem die Laufzeit des von einer Halbleiter-Diode emittierten Lichtes zu einem Ziel und zurück gemessen wird.
• Elektronisch arbeitende Entfernungsmesser sind bereits -bekannt und arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien. Jedoch konnte bisher noch keiner rü die Messung kurzer Strecken in Verbindung mit kleinen Geräten, z.B. mit fotografischen Kamerss, praktikabel gemacht werden. Der Grund dafür liegt darin, daß bei einer solohen Impulslaufzeitmessung die Auflösung bei kleinster Entfernung die Höchstfrequenz bestimmt. Soll z.B.
• bei einer Entfernung von 1 m noch mit 10% Genauigkeit gemessen werden, so muß eine Laufzeit von 1/3 na, also eine Frequenz von 3 GHz noch aufgelöst werden. Das erfordert aber eine aufwendige Halbleiter-Elektronik. Zusätzlich bedeutet die große erforderliche Bandbreite ein hohes Rauschen und macht deshalb eine liohtstarke, schwere Optik erforderlich, die. ein möglichst starkes Signal liefert.
• Diese Nachteile werden bei dem erfindungsgemäßen Entfernungs meßverfahren, das ebenfalls auf einer echten Laufzeitmessung beruht, vollständig vermieden. Das Verfahren ist gekennzeiohnet durch die folgenden Verfahrensschritte. Das von einer Halbleiter-Diode emittierte Licht wird durch Steigerung der Steuerspannung eines Wechselstrom-Generators, beginnend mit einer Minimalfrequenz, mit steigender Frequenz sinusförmig moduliert.
• Das vom Zi.l reflektierte Licht wird danach einer Fotozelle zugeführt, und der Fotozellenstrom wird verstärkt. Danach wird der Strom in einem phasenempfindlichen Gleichriohters als dessen Sohaltspannung die Modulationaspannung der Halbleiter-Diode dient, gleichgerichtet und danach integriert. Mit der integrierten, steigenden Gleichapannung wird dann die Steuerspannung des Wechselstrom-Generators gesteigert, bis die Lichtfrequenz 3 c/8x ist, worin c die Lichtgeschwindigkeit und x die gemessene Zielentfernung sind.
• Das Verfahren beruht demnach auf einem Vergleich der Phasenlage der Nodulationaspannung und der von der Fotozelle gelieferten Spannung. Da das emittierte Licht zweimal den Veg zum angemessenen Ziel durchläuft, ist die Phase der von der Fotozelle gelieferten Spannung natürlich verzögert gegenüber der Phase der Dioden-Modulationsspannung. Sobald diese. Phasendifferenz 90° beträgt, liefert der phasenempfindliche Gleichrichter kein Signal mehr, so daß die integriert Gleichspannung und damit die Frequenz des emittierten Lichtes nicht weiter steigt. Diese Phasenlage ist aber dann erreicht, wenn f = c/8x bzw. # = 8x ist, worin f die Frequenz, # die dazugehörige Wellenlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und x die gesuchte Entfernung ist. Der Verzbgerungweg, der sich aus zweimal der Strecke x zusammensetzt, ist dann nämlich 2x = #/4, was einer Phasenverzögerung von 1/4 Wellenlänge oder 90° entspricht. Die Frequenz f, auf die sich die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens bei einer Messung einstellt, istsomit ein Kriterium für die gemessene Entfernung, dergestalt, daß die Entfernung x = c/8f ist, und es kann daher also durch einfache Begrenzung der Modulationsspannung, ihre Integration und ihre Gleichrichtung eine der Entfernung direkt proportionale Spannung gewonnen werden. Ein weiteres Kriterium ist die am Ausgang des Integrators anstehende Spannung.
• Es ist besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, daß die höchste Frequenz klein und die Messung außerordentlich schmalbandig ist. Bei einer geringsten su messenden Entfernung von 1 m beträgt die Frequenz 37,5 MHz. Das ist 1/i-oo der eingange für das Impulsverfahren bei 1 m genannten Frequensl Ferner stellt der verwendete I-Regler einen-echten Korrelator dar, der eine optimale Rauschunterdrückung besitzt.
• Sein Ausgangswert ist pegelunabhängig, und seine Zeitkonstante paßt sich selbsttätig an den Rauschpegel an. Bei kleinem Signal dauert es länger, bis die Ausgangsspannung ihren Endwert erreicht hat, als bei stärkerem Signal.
• In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Blockschaltbild beispielsweise und schematisch dargestellt. Es ist ein Generator 1 vorhanden, der von einer Gleichspannung U gesteuert wird. Der Generator liefert eine Vechseispannung, deren Frequenz mit steigender Gleichspannung ebenfalls steigt. Die Mittel, mit denen die Modulationsfrequenz von der Spannung U- ge steuert wird (z.B. eine Kapazitäts-diode), sind an sich bekannt und daher nicht weiter dargestellt. Die Modulationsspannung liegt an einer Halbleiter-Lichtemissionsdiode 2 an, deren Licht durch. eine Optik 3 auf das anzumessende Ziel 4 projizielt wird.
• Ein Teil des vom Ziel reflektierten Lichtes fällt durch eine weitere Optik S auf eine Fotoz-elle 6. Letzterer sind ein Verstärker 7 und ein phasenempfindlicher Gleichrichter 8 nachgeschaltet. Als Schaltspannung des Gleichrichters 8 dient dabei die Modulationsspannung der Diode 2 Mit dem Gleichrichter 8 ist auf deri'usgangsseite ein Integrator 9 verbunden, in dem das vom Gleichrichter gelieferte Signal intergriert wird, und diese integrierte Gleichspannung steuert dann die Modulationsfrequenz als Steuerspannung des Generators 1.
• Zur Erläuterung der Funktion. dieser Anordnung sei angenommen, daß die zu messende Entfernung 3 m betrage (x = 3 m). Die Minimalfrequenz sei fmin = 3 MHz, was einer Wellenlänge von # = 150 m entspricht. Mit dieser Minimalfrequenz ist noch eine maximale Entfernung von. x = 19 m meßbar.
• Bei einer zu messenden Entfernung von x =-3 m, d h. bei einem Verzögerungsweg von. 6 m, ist das reflektierte Licht bei der Minimalfrequenz fast noch in Phase und ergibt daher z.B. eine positive Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters. Diese wiederum ergibt eine zunehmende (z.B .negative) Gleichspannung am Integratorausgang. Durch sie wird die Steuerspannung des Generators 1 und damit t auch die Mödulationsfrequen.z immer weiter erhöhte bis zu einer Frequenz, bei welcher der Verzögerungsweg von 6 m gerade eine 900 Phasenverschiebung hervorruft. Dies tritt bei einer Frequenz f = 12,5 MHz (#= = 24 m) ein. In diesem Falle wird die Gleichspannung hinter dem Gleichrichter gleich Null, und damit bleibt die Ausgangsspannung des Integrators konstant. Die Frequenz oder diese Spannung stellt dann ein Maß für die gemessene Entfernung dar.

Claims (2)

1. Ansprüche

   Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung, bei dem die Laufzeit des von einer steuerbaren Halbleiter-Diode emittierten. Lichtes zu einem Ziel und zurück gemessen wird, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: a) das von der Halbleiter-Diode emittierte Licht wird durch Steigerung der Steuerspannung eines Wechselstrom-Generators, beginnend mit einer Minimalfrequenz, mit zunehmender Frequenz sinusförmig moduliert; b) das vom Ziel reflektierte Licht wird einer Fotozelle zugeführt; c) der Fotozellenstrom wird-verstärkt und'in einem phasenempfindlichen Gleichrichter, als dessen Sohaltspannung die Modulationsspannung der Halbleiter-Diode dien.t, gleichgerichtet und danaoh integriert; und d) mit der integrierten Gleichspannung, die den Meßwert darstellt, wird die Steuerspannung des Wechselstromgenerators gesteigert, bis die Lichtfrequenz = c/8x ist, worin. c die Lichtgeschwindigkeit und x die gemessene Zielentfernung darstellt.
2. 2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Senderteil ein von einer variablen. Gleichspannung steuerbarer Generator (1) und diesem nachgeschaltet eine emittierende Halbleiter-Diode (2) vorgesehen sind, deren. Licht durch eine Optik (3) auf ein Ziel (4) projizierbar istt und daß als Empfangsteil hinter ein.er Optik (5) eine Fotozelle (6) angeordnet ist, die mit einem Verstärker (7)>- einem phasenempfindlichen Gleichrichter (8) und einem Integrator (9) in Reihe liegt, wobei die Modulationsspannung der Diode als Sohaltspannung des Gleichrichters dient und die Ausgangsspannung des Integrators die Modulationsfrequenz steüert.

   L e e r s e i t e