DE4027990C1

DE4027990C1 - Laser ranging device - uses modulated semiconductor laser and phase sensitive rectifier

Info

Publication number: DE4027990C1
Application number: DE19904027990
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Phys. Dr. 8011 Kirchseeon De Hermann; Franz Dipl.-Ing. 8881 Villenbach De Refle
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: ROSCHIWAL + PARTNER INGENIEUR GMBH AUGSBURG, 86179
Priority date: 1990-09-04
Filing date: 1990-09-04
Publication date: 1992-02-20
Anticipated expiration: 2010-09-05

Abstract

The phase-sensitive rectifier comprises 2 synchronous rectifier stages (G1,G2). The transmission signal (10) provided by the laser (11) is interrupted after a given number of periods of the primary modulation frequency, for a defined number of periods, via a switch element (12). Two intergrating amplifiers (V3,V4) are coupled to the outputs of the synchronous rectifiers (G1,G2) via analogue circuits (S2,S3) during the interruption interval. ADVANTAGE - Increased measuring range.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Entfernungsmesser der mit cw-moduliertem Halbleiterlaser und phasenempfindlichem Gleichrichter arbeitet gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a range finder with cw-modulated Semiconductor laser and phase sensitive rectifier works according to the preamble of claim 1.

Durch die DE 35 27 918 C2 der Anmelderin sind solche nach dem Phasenwinkelverfahren arbeitende Entfernungsmesser bekannt geworden, bei denen ein ununterbrochener Wellenzug ausgestrahlt wird. Eine Ausführungsform dieses Standes der Technik ist in der Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. Der Meßbereich ist jedoch auf Entfernungen begrenzt, bei denen der Phasenwinkel kleiner als 360° bleibt. Von da ab beginnt das Meßergebnis wieder periodisch beim Wert Null. Das bringt über große Entfernungsbereiche eine Mehrdeutigkeit der Messung. Nun kann allerdings der Meßbereich durch Herabsetzung der Modulationsfrequenz erweitert werden, doch wird dann infolge diverser technischer Schwierigkeiten die Meßgenauigkeit reduziert. Um diesen Nachteil zu minimieren, ist bereits vorgeschlagen worden, eine hohe Modulationsfrequenz mit einer zweiten, wesentlich niedrigeren Frequenz zu modulieren und damit einen Meßbereich weit über den 360°-Bereich der Messung mit der hohen primären Frequenz zu erzielen. Diese Ausführungsformen haben sich bewährt, allerdings ist der elektronische Aufwand noch relativ hoch und damit auch die Montagezeit, der Raumbedarf und die laufenden Funktionsüberprüfungen. Auch die Verwendungsmöglichkeiten sind eingeschränkt.From DE 35 27 918 C2 of the applicant, such rangefinders operating according to the phase angle method are known, in which an uninterrupted wave train is emitted. An embodiment of this prior art is shown in Fig. 1 of the drawing. However, the measuring range is limited to distances at which the phase angle remains less than 360 °. From then on, the measurement result periodically starts again at zero. This brings an ambiguity of the measurement over large distance ranges. However, the measuring range can now be expanded by reducing the modulation frequency, but the measuring accuracy is then reduced due to various technical difficulties. In order to minimize this disadvantage, it has already been proposed to modulate a high modulation frequency with a second, substantially lower frequency and thus to achieve a measuring range far beyond the 360 ° range of the measurement with the high primary frequency. These embodiments have proven themselves, but the electronic effort is still relatively high and thus also the assembly time, the space requirement and the ongoing functional checks. The possible uses are also limited.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Entfernungsmesser der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Einsatzmöglichkeiten und dessen Meßbereiche vergrößert sind, dessen Meßgenauigkeit optimiert ist, der primäre Wellenzug nur kurzzeitig unterbrochen wird und die Untermodulation in einfacher Weise der geforderten maximalen Meßentfernung anpaßbar ist.The present invention has for its object a rangefinder of the type mentioned at the beginning to create its possible uses and the measuring ranges are enlarged, the measuring accuracy is optimized, the primary wave train is only briefly interrupted and the sub-modulation in a simple manner the required maximum Measuring distance is adjustable.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert sowie in den Fig. der Zeichnung skizziert. Es zeigen:This object is achieved by the measures indicated in claim 1. Further developments and refinements are specified in the subclaims and an exemplary embodiment is explained in the following description and outlined in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Entfernungsmessers mit cw-moduliertem Laser nach dem Stand der Technik mit einfachem Meßbereich, Fig. 1 is a circuit diagram of a range finder with cw-modulated laser according to the prior art with a simple measurement range,

Fig. 2 ein Schemabild für die Untermodulation des Sendesignals und der zeitlichen Verschiebung des Empfangssignals sowie der Schließzeiten der Schalter S₂ und S₃, Fig. 2 is a schematic diagram for the sub-modulation of the transmission signal and the time shift of the received signal and the closing times of the switches S₂ and S₃,

Fig. 3 ein Schaltbild des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels eines Entfernungsmessers mit erweitertem Meßbereich, Fig. 3 is a diagram of the proposed embodiment of a distance measuring device with an extended measuring range,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Digitalteils des vorgeschlagenen Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 3. FIG. 4 shows a block diagram of the digital part of the proposed exemplary embodiment according to FIG. 3.

In den Fig. 2 und 3 der Zeichnung ist das Prinzip und die Realisierung eines Ausführungsbeispiels von einem Entfernungsmesser der eingangs genannten Art für den angestrebten erweiterten Meßbereich in vereinfachter Form gezeigt. Das Sendesignal 10 wird jeweils nach einer bestimmten, frei wählbaren Anzahl m₁ von Perioden der primären Modulation unterbrochen, vorzugsweise für die Dauer T von einer Anzahl m₂ dieser Perioden. Dies wird durch den Schalter S₁ bewerkstelligt. Während dieser Zeitintervalle T₁, T₂, T₃ usw. werden nun durch die Analogschaltkreise S₂ und S₃ zwei integrierende Verstärker V₃ und V₄ mit den vorhandenen Synchrongleichrichtern G₁ und G₂ verbunden, wobei diese jedoch nicht belastet werden dürfen. Die Integrationszeit dieser Verstärker V₃, V₄ muß groß sein gegenüber den unterbrechenden Zeitintervallen T₁, T₂, usw. Sind nun deren Ausgangsspannungen x und y, so ist die SpannungIn FIGS. 2 and 3 of the drawings, the principle and implementation is shown an embodiment of a rangefinder of the type mentioned for the desired extended range in a simplified form. The transmission signal 10 is interrupted after a certain, freely selectable number m₁ of periods of primary modulation, preferably for the duration T of a number m₂ of these periods. This is accomplished by the switch S₁. During these time intervals T₁, T₂, T₃ etc. two integrating amplifiers V₃ and V₄ are now connected to the existing synchronous rectifiers G₁ and G₂ through the analog circuits S₂ and S₃, but these must not be loaded. The integration time of these amplifiers V₃, V₄ must be large compared to the interrupting time intervals T₁, T₂, etc. If their output voltages are x and y, the voltage is

ein Maß für die zeitliche Verzögerung des Empfangswellenzuges gegenüber dem Sendewellenzug und damit für die Entfernung D zum Ziel. "A" wird ermittelt ausa measure of the time delay of the reception wave train compared the transmission wave train and thus for the distance D to the destination. "A" is determined out

Wegen der kürzeren Meßzeit ist "v" naturgemäß mit einer höheren Ungenauigkeit behaftet als die Komponenten A · sin ϕ und A · cos ϕ.Because of the shorter measuring time, "v" is naturally more inaccurate afflicted as the components A · sin ϕ and A · cos ϕ.

Bei sehr gutem Signal/Rauschverhältnis des Empfangssignals kann zur Vereinfachung die FormelWith a very good signal / noise ratio of the received signal, this can be simplified the formula

benutzt werden. Durch Einführen dieser Spannung v in den Prozeß zur Entfernungsberechnung kann dieser unter Berücksichtigung der Vorzeichen von sin ϕ und cos ϕ auf Entfernungen oberhalb der "Phasenwinkel-360°- Entfernung" ausgedehnt werden. Hierzu ist noch anzuführen, daß die Modulation des Sendesignals 10 durchaus auch sinusförmig erfolgen kann. Bei der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Rechteckmodulation müssen für die Ermittlung von sin ϕ bzw. cos ϕ in der beschriebenen Weise die Oberwellen im Empfänger 13 bzw. dessen Verstärker weitgehend unterdrückt werden. Dies ist durch geeignete Wahl von dessen Frequenzgang der Verstärkung leicht möglich. Die erforderliche zweifache Berechnung von Wurzeln aus Quadratsummen und Division spricht nicht gegen die angesprochene Einfachheit der vorgeschlagenen Ausführung, da nämlich nur eine sehr "bescheidene" Genauigkeit von beispielsweise 6 bit und auch nur eine bescheidene Rechengeschwindigkeit benötigt werden. to be used. By introducing this voltage v into the process for the distance calculation, this can be extended to distances above the "phase angle 360 ° distance" taking into account the signs of sin ϕ and cos ϕ. It should also be mentioned that the modulation of the transmission signal 10 can also be sinusoidal. In the case of the rectangular modulation shown in FIGS. 2 and 3, the harmonics in the receiver 13 or its amplifier must be largely suppressed for the determination of sin ϕ or cos ϕ in the manner described. This is easily possible by a suitable choice of the frequency response of the amplification. The required two-fold calculation of roots from square sums and division does not speak against the mentioned simplicity of the proposed embodiment, since only a very "modest" accuracy of 6 bits, for example, and only a modest computing speed are required.

In der Fig. 4 ist der sogenannte Digitalteil der vorgeschlagenen Einrichtung skizziert. Wie ersichtlich, werden die analog gewonnenen Spannungen A · cos ϕ und A · sin ϕ sowie x und y auf je eine Sample and Hold-Stufe - die nachfolgend als S+H bezeichnet werden - gegeben. Dieser Block aus den S+Hs hält auf einen Befehl des Mikroprozessors den Momentanwert eines jeden Analogsignals zum exakt gleichen Zeitpunkt fest. Danach kann durch Umschalten des Multiplexers jedes einzelne Signal im Analog-Digitalwandler digitalisiert und durch den Mikroprozessor einem Zwischenspeicher zugeführt werden.In FIG. 4, the so-called digital part of the proposed device is sketched. As can be seen, the voltages A · cos ϕ and A · sin ϕ obtained as well as x and y are each given to a sample and hold level - which are referred to below as S + H. On a command from the microprocessor, this block of the S + Hs records the instantaneous value of each analog signal at exactly the same time. Then, by switching the multiplexer, each individual signal can be digitized in the analog-digital converter and fed to a buffer store by the microprocessor.

Dieser Vorgang wiederholt sich für eine feste oder variable Anzahl von Sample & Hold-Zyklen, um durch digitale Filterung - die im einfachsten Falle eine Mitteilung über alle Werte sein kann - der Eingangswerte Rauschanteile zu eliminieren und dadurch im umgekehrten Verhältnis zur Wurzel aus der Meßzeit die Genauigkeit bis zu einem gewissen Grad zu steigern. Im Anschluß an diesen Filterzyklus erfolgt die Auswertung der aufbereiteten Eingangssignale 10′, d. h. die Berechnung der Entfernung D gemäß der in der Fig. 3 angegebenen Formel. Als Ergebnis dieser Berechnung steht dann die Entfernung D zur Weiterverarbeitung und Anzeige zur Verfügung.This process is repeated for a fixed or variable number of sample & hold cycles in order to eliminate noise components by means of digital filtering - which in the simplest case can be a message about all values - and thereby in reverse proportion to the root of the measurement time Increase accuracy to some degree. Following this filter cycle, the processed input signals 10 'are evaluated, ie the distance D is calculated in accordance with the formula given in FIG. 3. As a result of this calculation, the distance D is then available for further processing and display.

Um nicht durch langdauernde Subroutinen zur Division und Multiplikation im Zeitverhalten behindert zu werden, wird empfohlen, einen Mikroprozessor mit internen Multiplikations- und Divisionsbefehlen einzusetzen und sich auf die sog. Integer-Arithmetik zu beschränken. Aus demselben Grund sollten die Quadrier- und Wurzelfunktion mittels einer im Speicher abgelegten Werte-Tabelle (Look up table) ausgeführt werden, ebenso die "arctang-Funktion". Weiterhin kann man in einer Art "Einmeßlauf" oder "Selbsteichung" die im Speicher abgelegte Werte-Tabelle (Look up table) an systemgegebene Besonderheiten - wie beispielsweise Nichtlinearität - anpassen und gegebenenfalls korrigieren.Not through long-lasting subroutines for division and multiplication To be hampered in timing, it is recommended to have a microprocessor with internal multiplication and division commands and restrict yourself to so-called integer arithmetic. For the same reason the squaring and root function should be stored in a memory Value table (look up table) are executed, as is the "arctang function". Furthermore you can in a kind of "calibration run" or "Self calibration" the value table stored in memory (look up table) system-specific features - such as non-linearity - adjust and correct if necessary.

Claims

1. rangefinder which works with cw-modulated semiconductor laser and phase-sensitive rectifier, which is modulated by a primary high modulation frequency with a second, low frequency to expand the measuring range, the phase-sensitive rectifier consisting of two synchronous rectifiers (G₁, G₂), which are direct or controlled by 90 ° out of phase with the primary modulation, characterized in that the transmission signal ( 10 ) of the laser ( 11 ) after a certain number (m 1) of periods of primary modulation for the duration (time interval T) of a certain number (m₂) of these periods is interrupted by a switching element ( 12 ) and during these time intervals (T₁, T₂...) by analog circuits (S₂, S₃) two integrating amplifiers (V₃, V₄) with the outputs of the synchronous rectifier (G₁, G₂) get connected.

2. Range finder according to claim 1, characterized in that the amplifiers (V₃, V₄) have an integration time constant, which is large compared to the time interval (T).

3. Distance meter according to claims 1 or 2, characterized in that the harmonics are suppressed by square-wave modulation of the transmission signal ( 10 ) in the receiving amplifier ( 13 ) by a specific frequency response selection of the gain.

4. Distance meter according to claims 1 or 2, characterized in that the transmission signal ( 10 ) is modulated sinusoidally.

5. Range finder according to one of claims 1 to 4, characterized characterized in that a microprocessor with multiplication and division commands is used.

6. Range finder according to claim 5, characterized in that the squaring and root functions by means of one in the memory of the microprocessor stored values table.

7. Range finder according to one of claims 1 to 6, characterized characterized that the measuring range by adding even deeper Submodulation frequencies is further increased.