DE3310055C2

DE3310055C2 - Laserentfernungsmesser

Info

Publication number: DE3310055C2
Application number: DE3310055A
Authority: DE
Inventors: Günter 6906 Leimen Wichmann
Original assignee: Eltro GmbH, Gesellschaft für Strahlungstechnik, 6900 Heidelberg
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 1982-04-28
Filing date: 1983-03-19
Publication date: 1987-03-19
Also published as: DE3310055A1

Abstract

Das Empfangssignal (3Δ) des nach dem Impulslaufzeitprinzip mit einer Sendereinheit (1) und einer ersten Empfän ger einheit (2) arbeitenden Laserentfernungsmessers wird von einem vom Senderimpuls abgeleiteten Nadelimpuls (5) so abgetastet, daß ein erstes niederfrequentes Abbild (10) entsteht. Die bei sehr genauen Messungen auf große Entfernungen hin störende Nichtlinearität der Phasenmodulation des Nadelimpulses wird dadurch behoben, daß die Schwingungen eines hochfrequenten Quarzoszillators (8) einer zweiten Empfängereinheit (2Δ) zugeführt werden, in der sie von demselben Nadelimpuls (5) abgetastet und - in adäquater Weise - ebenfalls in ein niederfrequentes Abbild (10Δ) verwandelt werden. Ein Zähler (12) zählt dann ab dem Start des Niederfrequenzvorganges die Anzahl der niederfrequenten Nulldurchgänge des Oszillators, wobei alle Fehler entfallen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf den Laserentfernungsmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Diese ansonsten durchaus brauchbare Art von Laserentfernungsmesser berücksichtigt jedoch nicht die Nichtlinearität der Phasenmodulation des vom Senderimpuls abgeleiteten und definiert zeitverzögert das Signal der Empfangsdiode abtastenden Nadelimpulses, was zu Schwierigkeiten führt, wenn man sehr genau - etwa mit Abweichungen < 1% - messen will, da durch eine solche Nichtlinearität auch Fehler der Zeitachse des in den niederfrequenten Bereich umgesetzten Signalimpulses auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Laserentfernungsmesser auch noch hinsichtlich seiner durch die Nichtlinearität der Phasenmodulation des Nadelimpulses bewirkten vergleichsweise geringen Ungenauigkeiten zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Auf diese Weise fallen alle Fehler, die bei der Phasen- bzw. Laufzeitmodulation entstehen, weg. Außerdem braucht die erforderliche Zählung der Nulldurchgänge nicht mehr im Hochfrequenzbereich zu erfolgen; dadurch ergibt sich der für manche Verwendungszwecke bedeutsame Vorteil, daß auf weite Entfernungen extrem genau gemessen werden kann. Während die Grenzen der augenblicklich am Markt verfügbaren Zählbausteine bei etwa 500 MHz liegen, was etwa einer Entfernungsänderung (Meßgenauigkeit) von 30 cm entspricht, vermag der erfindungsgemäße Entfernungsmesser eine Quarzoszillatorfrequenz bis zu ca. 20 GHz umzusetzen, was einer Entfernungsänderung von 0,75 cm entspricht.
Darüber hinaus wird es möglich, durch gezielte Oberwellenbildung im NF-Bereich etwa das 5- oder 10fache dieser Oszillatorfrequenz herauszufiltern, so daß die Meßgenauigkeit eines solchen Systems mühelos auch noch bis in den Bereich von einigen Millimetern oder gar Bruchteilen davon möglich wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessers,
Fig. 2 das elektronische Schaltbild des den Nadelimpuls betreffenden Teils des Laserentfernungsmessers gemäß Fig. 1, und
Fig. 3 ein die Nichtlinearität zwischen Empfangssignal und abtastendem Nadelimpuls verdeutlichendes Impulsdiagramm.
In Fig. 1 und 2 wird ein bestimmter Anteil 3&min; des von dem Sender 1 ausgestrahlten Lasersenderimpulses 3, dessen Folgefrequenz bekannt ist, nach Reflexion an einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ziel, von dem Empfänger 2 empfangen. Zu diesem Zweck wird in dem Bauteil 4 ein Nadelimpuls 5 - im Laborjargon auch als Samplingimpuls bezeichnet - erzeugt, der von dem Senderimpuls abgeleitet ist und die gleiche Folgefrequenz aufweist, wie der Empfangsimpuls 3&min;, jedoch gegenüber diesem durch den Modulator 6 phasenmoduliert ist. Hierdurch trifft der Nadelimpuls 5 von Periode zu Periode mit einem anderen Momentanwert des Senderimpulses 3 bzw. dessen reflektiertem Anteil 3&min; zusammen. Man sagt auch, der Empfangsimpuls wird von dem Nadelimpuls abgetastet.
In der Folge gelangen Empfangsimpuls 3&min; und Nadelimpuls 5 über die Diode 13 auf den Kondensator 14 ( Fig. 2). Zwischen Diode und Kondensator zweigt der Verstärker 15 ab. Am Kondensator entsteht eine Sägezahnspannung, deren Spitzenamplitude der Summe beider Momentanwerte entspricht. Bei Vorhandensein des Signalimpulses entsteht auf diese Weise ein niederfrequentes, einem zeitlich gedehnten Originalimpuls entsprechendes Signal 10. Insoweit sind diese Ausführungen auch Gegenstand der älteren Patentanmeldung DE-PS 32 15 845. Eine in den Fig. 1 und 2 gestrichelt eingezeichnete Markierungslinie grenzt hierbei zeichnerisch das bisher Gesagte gegenüber der in der Folge beschriebenen Erfindung ab.
Fig. 3 zeigt nun bei a) einen Impuls des am Ziel reflektierten Lasersignals 3&min;, während bei b) mit A bis A ^V die durch die Phasenmodulation des abtastenden Nadelimpulses 5 erzeugte variable Verzögerung gegenüber ersterem Impuls angedeutet ist. Diese variable Verzögerung erfordert für extrem genaue Entfernungsmessungen eine so hohe Linearität, wie sie in der Praxis nicht realisierbar ist. Um diese hohe Linearität überflüssig zu machen, wird nun vorgeschlagen, über das in den Fig. 1 und 2 unterhalb der gestrichelten Markierungslinie dargestellte zweite Empfangssystem die Signale des Quarzoszillators 8 zu empfangen, deren niederfrequentes Abbild 10&min; auf der Zeitachse genau die gleichen Linearitätsfehler enthält wie sie auf der Zeitachse des NF- Abbildes des Senderimpulses entstehen. Voraussetzung hierbei ist, daß der Nadelimpuls 5 für beide Systeme derselbe ist.
Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, speist der Oszillator 8 die weitere Empfängereinheit 2&min;, die von demselben Nadelimpuls 5 abgetastet wird. Oszillatorschwingungen 9 und Nadelimpuls 5 gelangen wieder über eine Diode, die Diode 13&min;, auf einen Kondensator, der hier die Bezugszahl 14&min; trägt. Zwischen Diode und Kondensator zweigt der Verstärker 15&min; ab. An dem Kondensator entsteht auch hier ein NF-Abbild, in diesem Fall der hochfrequenten Oszillatorschwingungen.
In Fig. 1 wird sodann über den NF-Verstärker 7&min; das verstärkte Signal 10&min; gewonnen, welches dem Zähler 12 zugeführt wird. Letzterer wird durch einen von dem Modulationsgenerator 11 gewonnenen Impuls bei jedem neuen Niederfrequenzvorgang gestartet und zählt die Nulldurchgänge des niederfrequenten Abbildes des HF-Quarzoszillators 8 bis zum Eintreffen des Stoppsignals, was aus dem Signalimpuls der Empfängereinheit 2 herrührt. Hierbei entfallen alle Fehler, die bei der Phasen- bzw. Laufzeitmodulation des Nadelimpulses entstehen.
Ein solcher Laserentfernungsmesser ist z. B. für einen Abstandssensor verwendbar. Er ist aber grundsätzlich für alle Verwendungszwecke, bei denen auf weite Entfernungen mit großer Genauigkeit gemessen werden soll, einsetzbar. Als weiteres Beispiel sei etwa das Brückenschlagen durch Pioniere erwähnt.

Claims

1. Laserentfernungsmesser mit einer Sendereinheit und einer ersten Empfängereinheit (2), der nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitet und einen ersten NF-Verstärker (7) für das empfangene Signal (3&min;) aufweist, das durch einen vom Sendeimpuls (3) abgeleiteten, definiert, zeitverzögerten und modulierten Nadelimpuls (5) abgetastet wird, so daß ein erstes niederfrequentes Abbild (10) des Empfangsimpulses entsteht, das einer dem NF-Verstärker nachgeschalteten Triggerschaltung zugeführt wird, nach Patent DE-PS 32 15 345, dadurch gekennzeichnet, daß

a) in Abhängigkeit von der gewünschten Entfernungsmeßgenauigkeit in einem Oszillator (8), hochfrequente Schwingungen (9) erzeugt werden,

b) die hochfrequenten Schwingungen (9) mit dem Nadelimpuls (5) in ein zweites niederfrequentes Abbild (10&min;) umgesetzt werden, und

c) vom Start des Niederfrequenzvorganges durch einen Modulationsgenerator (11) die niederfrequenten Nulldurchgänge dieser in den niederfrequenten Bereich umgesetzten hochfrequenten Schwingungen (9) gezählt werden.

2. Laserentfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten Schwingungen (9) vom Oszillator (8) in einer ihm nachgeschalteten zweiten Empfängereinheit (2&min;) von dem Nadelimpuls (5) abgetastet und dadurch das niederfrequente Abbild (10&min;) erzeugt wird, und der Ausgang dieser zweiten Empfängereinheit über einen zweiten NF-Verstärker (7&min;) mit einem Zähler (12) verbunden ist, und dieser vom Modulator (11) einen Impuls zum Start des Zählvorganges erhält sowie mit dem von der ersten Empfängereinheit (2) kommenden und in dem ersten NF-Verstärker (7) verstärkten NF-Empfangssignal gestoppt wird.

3. Laserentfernungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Oszillator (8) ein frequenzkonstanter Quarzoszillator verwendet wird.