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PATENTANSPRÜCHE
1. Elektrooptisches Distanzmessgerät, bei dem Lichtsignale einen Messstrahlengang bis zu einem entfernten Ziel und nach Reflektion zurück zum Gerät, sowie einen internen Referenzweg durchlaufen und bei dem durch eine erste digitale Schaltung die der Distanz zum Ziel entsprechende Zeitdifferenz zwischen Messignal und Referenzsignal gebildet wird, wobei zur Erhöhung der Messgenauigkeit eine Anzahl von Zeitdifferenzen zur Distanzbildung ausgewertet wird, gekennzeichnet durch eine zweite digitale Schaltung (7, 8, 24-35), die aus einer ersten Anzahl von Zeitdifferenzmesswerten ein wahrscheinliches Messresultat bildet, unter Verwendung dieses Messresultates einen zulässigen Messfehler ermittelt und die Verwendung weiterer Zeitdifferenzmesswerte zur Distanzbildung nur freigibt,
wenn die aus ihnen resultierenden Messwerte den durch das wahrscheinliche Messresultat und den zulässigen Messfehler bestimmten Bereich nicht über- oder unterschreiten.
2. Distanzmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite digitale Schaltung (29) unter Verwendung des aus den Zeitdifferenzmesswerten gebildeten Messresultates einen zweiten zulässigen Messfehler und einen dementsprechenden zweiten zulässigen Fehlerbereich für die Freigabe weiterer Zeitdifferenzmesswerte zur Bildung eines weiteren Messresultates ermittelt.
3. Distanzmessgerätnach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite zulässige Fehlerbereich entsprechend der Anzahl von Messwerten, die zur Bildung des Messresultates, aus dem er ermittelt ist, beitragen, verkleinert ist.
4. Distanzmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Bereich bestimmende zulässige Messfehler als Relativfehler des Messresultates bestimmt ist, aus dem er ermittelt wurde.
5. Distanzmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Bereich bestimmende zulässige Messfehler für einen bestimmten Wertbereich des Messresultates, aus dem er ermittelt wurde, eine feste, vom Messresultat unabhängige Grösse hat.
6. Distanzmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messresultat aus den Messwerten durch arithmetische Mittelung entsteht.
7. Distanzmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Distanzwert aus dem Messresultat durch Multiplikation mit einem Faktor entsteht, dessen Wert durch die gewählte Längeneinheit für den Distanzwert und die meteorologischen Bedingungen der Luft auf der Messdistanz bestimmt ist und dass die zweite digitale Schaltung (8) den so entstandenen Distanzwert anzeigt.
8. Distanzmessgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Übertragung impulsförmiger Lichtsignale, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Empfängerschaltung (14', 16', 18', 20', 45) für die Referenzimpulse und die Messimpulse und durch eine optische Verzögerungsleitung (43) für die Messimpulse.
Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Distanzmessgerät, bei dem Lichtsignale einen Messstrahlengang bis zu einem entfernten Ziel und nach Reflektion zurück zum Gerät, sowie einen internen Referenzweg durchlaufen und bei dem durch eine erste digitale Schaltung die der Distanz zum Ziel entsprechende Zeitdifferenz zwischen Messignal und Refe renzsignal gebildet wird,wobei zur Erhöhung der Messgenauigkeit eine Anzahl von Zeitdifferenzen zur Distanzbildung ausgewertet wird.
Derartige Distanzmessgeräte sind bekannt, beispielsweise aus CH-PS 551 628 und aus Allg. Vermessungsnachrichten, 80. Jahrgang, Heft 6/1973, S. 201-207. In diesem Fall sind die Lichtsignale durch eine kontinuierliche, mit 15 MHz amplitudenmodulierte Infrarot-Lichtwelle gegeben, und als Zeitdifferenz wird die Phasendifferenz zwischen gesendeter und empfangener Modulation bestimmt. Dazu werden elektronische Schaltungen zur Frequenzkonversion und zur digitalen Phasenmessung verwendet. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit wird hier einfach eine grosse Anzahl (z.B. 300 000) aufeinanderfolgender Modulationsperioden ausgezählt und das Messergebnis durch arithmetische Mittelung berechnet.
Da derartige Geräte ausschliesslich mit Reflektoren am Ziel arbeiten, können Fehlmessungen infolge Reflexionsstörungen oder Fehlzielungen durch eine einfache Unterbrechungsautomatik vermieden werden, welche die Signalauswertung bei zu geringem Pegel des Reflexionssignales sperrt.
Bei ebenfalls bekannten Laser-Entfernungsmessern mit Lasergenerator zur Aussendung von impulsförmigen Lichtsignalen (vg. DE-OS 28 40 605) auf das Ziel können Zielreflektoren entbehrlich sein, wobei aber die Empfindlichkeit für Fehlmessungen infolge Reflexionsstörungen, Fehlzielungen, Mehrfachechos usw. grösser ist als bei Systemen der erstgenannten Art. Zur Verminderung dieser Empfindlichkeit sind Lichtempfänger mit steuerbaren Ausblendmitteln bekannt, die den Empfang nur während eines Zeitfensters freigeben, welches einem beschränkten Entfernungs-Messbereich entspricht. Allerdings dienen derartige Mittel weniger der Erhöhung der Messgenauigkeit, als dem Schutz des Lichtempfängers vor Schäden infolge zu starker Belichtung.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit bei einem elektrooptischen Entfernungsmessgerät mit Auswertung einer Anzahl aufeinanderfolgender Phasendifferenzwerte ist andererseits durch die DE-AS 2420 194 eine digitale Schaltung bekannt, die die statistische Varianz der Phasendifferenzwerte errnit- telt, diese mit einem internen Prüfgrenzwert vergleicht und eine Anzeige des Messergebnisses nur freigibt, wenn die Varianz den Prüfgrenzwert nicht überschreitet. Bei einem derartigen Auswertungssystem tragen sämtliche Einzelmesswerte zur Varianzbildung bei, also auch solche, die infolge von Re flexionsstörungen gar keine Aussage über die Messdistanz zulassen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektrooptisches Distanzmessgerät anzugeben, bei dem nach deajewei- ligen Messbedingungen angepassten Kriterien automatisch nur solche Einzelmesswerte zur Distanzbildung ausgewertet werden, die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit nicht durch Reflexionsstörungen verfälscht sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Distanzmessgerät der eingangs genannten Art gelöst durch eine zweite digitale Schaltung, die aus einer ersten Anzahl von Zeitdifferenzmesswerten ein wahrscheinliches Messresultat bildet, unter Verwendung dieses Messresultates einen zulässigen Messfehler ermittelt und die Verwendung weiterer Zeitdifferenzmesswerte zur Distanzbildung nur freigibt, wenn die aus ihnen resultierenden Messwerte den durch das wahrscheinliche Messresultat und den zulässigen Messfehler bestimmten Bereich nicht überoder unterschreiten.
Dabei ist es zweckmässig, dass die zweite digitale Schaltung unter Verwendung des aus den Zeitdifferenzmesswerten gebildeten Messresultates einen zweiten zulässigen Messfehler und einen dementsprechenden zweiten zulässigen Fehlerbereich für die Freigabe weiterer Zeitdifferenzmesswerte zur Bildung eines weiteren Messresultates ermittelt. Vorzugsweise arbeitet diese Schaltung so, dass der zweite zulässige Fehlerbereich entsprechend der Anzahl von Messwerten, die zur Bildung des Messresultates, aus dem er ermittelt ist, beitragen, verkleinert ist.
Mit Vorteil ist der den Bereich bestimmende zulässige Messfehler als Relativfehler des Messresultates bestimmt, aus
dem er ermittelt wurde. Auch kann es zweckmässig sein, dass der den Bereich bestimmende zulässige Messfehler für einen bestimmten Wertbereich des Messresultates, aus dem er ermittelt wurde, eine feste, vom Messresultat unabhängige Grösse hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein allgemeines Blockschema eines erfindungsgemässen elektrooptischen Distanzmessgerätes,
Fig. 2 ein detailliertes Blockschema eines Gerätes gemäss Fig. 1,
Fig. 3a bis 3d ein Flussdiagramm für das Arbeitsverfahren eines erfindungsgemässen Distanzmessgerätes und
Fig. 4 das Schema eines Distanzmessgerätes mit nur einem elektrischen Empfängerkanal und einem optischen Signalverzögerer.
Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst eine Sender-Empfängereinheit 1 Mittel zur gleichzeitigen Aussendung von Folgen von Lichtimpulsen oder Lichtblitzen über die Messdistanz (Pfeil 2) und einen Kurzweg 3, sowie Mittel zum Empfang und zur lichtelektrischen Wandlung dieser Lichtblitze in elektrische Impulse.
Die über den Kurzweg 3 gelaufenen Impulse 4 und die über die Messdistanz gelaufenen Impulse 5 weisen eine der doppelten Messdistanz proportionale Zeitverschiebung auf und gelangen über Verbindungsleitungen in einen Zeitintervall-Zähler 6, der ein der Zeitverschiebung entsprechendes digitales Messignal erzeugt.
Soweit beschriebene Schaltungen für Pulsdistanzmesser sind bekannt. Eine mit dem Sender-Empfänger 1 und dem Zeitintervallzähler 6 verbundene digitale Schaltung 7 dient nun erfindungsgemäss dazu, eine erste Folge von Lichtimpulsen auszulösen, aus einer dieser Folge entsprechenden Anzahl digitaler Zeitdifferenz-Messignale ein erstes wahrscheinliches Messresultat und daraus für weitere Messignale zulässige Grenzwerte eines sogenannten Fehlerfensters zu berechnen.
Wie nachfolgend näher beschrieben, schliesst die Schaltung 7 Zeitdifferenz-Messignale aus weiteren ausgelösten Folgen von Lichtimpulsen von der Auswertung zur Distanzbildung aus, wenn deren Wert ausserhalb des bereits bestimmten Fehlerfensters liegt. Die Distanzbildung erfolgt aus den zugelassenen Zeitdifferenz-Messwerten in an sich bekannter Art durch Mittelwertbildung und Multiplikation mit einem durch die meteorologischen Bedingungen der Luft bestimmten Korrekturfaktor. Das Messresultat wird dann von der Schaltung 7 auf eine Anzeigeschaltung 8 ausgegeben und von dieser angezeigt.
Gemäss dem Blockschema von Fig. 2 umfasst die Sender Empfängereinheit 1 einen Diodenlaser 10 als Sender für die Lichtimpulse. Dieser Laser wird betrieben über einen Pulsverstärker 11 mit elektrischen Signalpulsen, die in einem Trigger 12 entstehen und eine Halbwertsbreite von 5 nsec und eine Pulswiederholfrequenz von 10 kHz haben. Der Trigger 12 wird angesteuert von einer Signalquelle 13 mit 10 MHz Standardfrequenz, aus der durch Frequenzteilung mit dem Faktor 10-4 die Pulsfrequenz 10 kHz entsteht. Eine Sendeund Empfangsoptik üblicher Art zur Übertragung der Lichtimpulse des Lasers 10 ist nicht mit dargestellt. Die Lichtimpulse gelangen nach Teilung am Sender 10 über den Kurzweg 3 (z.B. einen Lichtleiter) auf eine erste Avalanche-Photodiode
14 und über die Messstrecke auf eine zweite Avalanche-Photodiode 15, die als Referenz- bzw. Messempfänger dienen.
Die Vorspannung wird den Dioden 14, 15 über schaltbare Netzteile 16 bzw. 17 zugeführt.
Die elektrischen Empfangsimpulse gelangen von den Empfängerdioden 14, 15 über Koppelkapazitäten 18 bzw. 19 auf Signalaufbereitungsschaltungen 20 bzw. 21, die Filter, Verstärker und Schmitt-Trigger als Zeitmarkengeneratoren umfassen. Schaltung 20 erzeugt die Startimpulse 4 und Schaltung 21 die Stoppimpulse 5 gemäss Fig. 1. Der Zeitintervallzähler 6 für diese Impulse umfasst einen Zeitintervallschalter mit Digitalkonverter 22, der vom Standard-Frequenzgenerator 13 über einen Zeittaktgeber 23 angesteuert wird.
Die digitale Schaltung 7 zur Auswertung der digitalen Zeitmessignale vom Digitalkonverter 22 umfasst eine gesteuerte Signalweiche 24, über die die Signale auf eine von zwei Auswahlschaltungen 25,26 gelangen, deren Funktion unten näher beschrieben wird. Durch eine Rechnerschaltung 27 werden aus den ausgewählten Zeitmessignalen ein wahrscheinliches Messresultat sowie die zulässigen Grenzwerte für weitere Zeitmessignale bestimmt und gespeichert. Diese Grenzwerte dienen in der Schaltung 26 zur Auswahl aus den von der Signalweiche 24 her übertragenen Signalen und können von der Schaltung 26 über eine zweite Datenweiche 28 abgerufen werden. In einer zweiten Rechnerschaltung 29 wird aus den von Schaltung 26 ausgewählten Signalen durch Mittelbildung ein Distanzwert berechnet.
Bei entsprechender Programmierung der Schaltung 29 können zu dem errechneten Distanzwert noch neue zulässige Grenzwerte für weitere Zeitmessignale bestimmt werden, die über eine weitere gesteuerte Signalweiche 30 und Weiche 28 von der Schaltung 26 abgerufen werden und im Sinne einer Iteration die vorher durch die Rechnerschaltung 27 bestimmten Grenzwerte ersetzen.
Da der errechnete Distanzwert gegenüber dem in der Schaltung 27 bestimmten wahrscheinlichen Messresultat einen kleineren mittleren Fehler aufweist, wird es zweckmässig sein, das neue Fehlerfenster (vgl. Fig. 1) etwa unter Verwendung eines kleineren vorgegebenen Relativfehlers gegenüber dem vorher verwendeten Fenster kleiner zu bestimmen und auf dem bereits errechneten Distanzwert zu zentrieren.
Die Anzahl der Iterationsschritte kann über einen Funktionsschalter 31 eingestellt werden. Ist der letzte Schritt erfolgt, so wird der Distanzwert über die gesteuerte Weiche 30 auf eine Multiplikationsstufe 32 übertragen, zur Multiplikation mit einem durch die meteorologischen Bedingungen und die anzuzeigende Längeneinheit für die Messdistanz bestimmten Korrekturfaktor. Der korrigierte Distanzwert wird dann auf die Anzeigeschaltung 8 übertragen und angezeigt. Zur Eingabe der meteorologischen Bedingungen ist ein Korrekturschalter 33 vorgesehen. Ein zweiter Funktionsschalter 34 ist für das Ein- und Ausschalten des Distanzmessgerätes, sowie zur Einstellung von unten beschriebenen Korrektur- und Kontrollfunktionen vorgesehen. Eine Starttaste 35 dient jeweils der Auslösung einer Folge von Lichtimpulsen des Lasers 10.
Die Funktion des soweit beschriebenen erfindungsgemässen elektrooptischen Distanzmessgerätes wird nun anhand des in den Fig. 3a bis 3d dargestellten Flussdiagrammes erläutert. Als Bedienungselemente sind vorgesehen:
1. Starttaste 35.
2. Funktionsschalter 34, mit den Einstellpositionen
AUS
CHECK
MIT REFLEKTOR
OHNE REFLEKTOR
BATTERIE.
In Position AUS ist die Stromversorgung unterbrochen, in den übrigen Positionen ist sie eingeschaltet.
In Position CHECK wird der Sender 10 über die Bauelemente 11, 12, 13 mit der Pulsfrequenz 1 kHz betrieben. Die dabei vom Referenzempfänger 14 über den Kurzweg 3 empfangene Pulsintensität wird auf ein Analogmeter gegeben und angezeigt.
In Position MIT REFLEKTOR wird in der Schaltung 7 eine für Messung mit Reflektor zutreffende Additionskonstante verarbeitet.
In Position OHNE REFLEKTOR wird eine dementsprechende Additionskonstante verarbeitet.
In Position BATTERIE wird die Spannung einer Be triebsstromquelle am Analogmeter angezeigt, wobei zur Belastung ein Betrieb wie bei Pos. CHECK erfolgt.
3. Funktionsschalter 31, mit den Einstellpositionen
100 000
10 000
1 000
TRACKING.
In Position 100 000 erfolgen 64 Messzyklen (vgl. Erläuterung unten).
In Position 10 000 erfolgen 8 Messzyklen.
In Position 1 000 erfolgt 1 Messzyklus.
In Position TRACKING erfolgt 1 Messzyklus, wie bei Pos. 1000 , aber mit Anzeige des Messresultates und Wie derholung und Erneuerung der letzten Anzeige usw., solange Pos. TRACKING eingeschaltet ist. Diese Betriebsart ist in an sich bekannter Weise zur Messung veränderlicher Distanzen bestimmt.
4. Schalter 33 für Korrekturfaktoreinstellung in ppm (10-6), sowie Meter/Fuss-Anzeige, wie oben erläutert.
In Fig. 3a bedeutet HH das Einstellen einer der vier möglichen Positionen von Funktionsschalter 31. Anschliessend wird am Funktionsschalter 34 die zutreffende Additionskonstante eingestellt, AN bedeutet Messung ohne Reflektor, AR mit Reflektor. Damit ist gleichzeitig die Stromversorgung des Messteiles 1 (Fig. 1) eingeschaltet und es sind die Anfangsbedingungen der Schaltung 7 definiert.
Nach Auslösung der hier mit S bezeichneten Starttaste 35 erfolgt automatisch Bootstrapping , d.h. Einstellung definierter Anfangsbedingungen des Messteils 1, sowie eine Eichung des Zeitintervallzählers 6 bezüglich Nullpunkt und Steigung. Anschliessend wird in einem Speicher der Schaltung 7 i: = 8, j: = 16 und M: = 0 gesetzt. Dabei ist der Speicherplatz i vorgesehen für die Anzahl von Messungen einer Pulslaufzeit AT, die einer Distanz von 25 km oder mehr (AT25) entsprechen, Speicherplatzj für kleinere Pulslaufieiten. Eine in Speicherplatz i fallende Zählung bedeutet also einen Fehlschuss. M bezeichnet den Speicherplatz für die durchj gezählten Messergebnisse der Laufzeit AT.
Sind diese Anfangsbedingungen erfüllt, so wird am Laser 10 die Aussendung des ersten Mess-Lichtimpulses bewirkt, was zur Ausgabe des entsprechenden Laufzeitwertes AT vom Digitalkonverter 22 über die entsprechend eingestellte Weiche 24 auf die Auswahlschaltung 25 führt.Führt hier der Vergleich von AT und AT25 zu einem - Ergebnis, so wird die erlaubte Anzahl i der Überreichweiten-Ergebnisse um 1 reduziert; im anderen Fall wird die Anzahlj der auszuwertenden Ergebnisse um 1 reduziert.
Ist nach dem Ersatz i: =im 1 bereits i = 0, so gibt die Schaltung 25 ein RESET -Signal auf die Anzeigeschaltung 8. Das bedeutet, dass kein Ziel gefunden wurde und die Messung erst nach Betätigung der Starttaste S erneut beginnt. Bis zu diesem RESET -Signal sind also maximal 8 Fehlschüsse möglich, sofern zwischendurch keine erlaubten Messungen erfolgt sind. Erfolgtjedoch eine solche, so wirdj: =j - 1 und i: = 8 gesetzt und das Messergebnis AT in den Speicher M ad- diert, also M: = M + AT gesetzt.
Ist nach einem Ersatzj: =j - 1 bereits =0, so sind insge samt 16 erlaubte Ergebnisse für AT in M aufaddiert. Es er folgt in diesem Fall in M eine binäre Stellenverschiebung nach rechts um 4 Stellen, d.h. eine Division durch 24= = 16, also die Bildung des Mittelwertes
EMI3.1
Ist aber nochj * 0, so erfolgt ein neuer Sendepuls, wie aus Fig. 3a, 3b ersichtlich.
Nach Vorliegen des Mittelwertes AT für die Pulslaufzeit im Speicher M wird durch Division durch 64 ein Relativfehler VT 64 von ca. 2% berechnet und in einem Speicher H zwischengespeichert. Dieser relative Laufzeitfehler wird nun mit einer festen, einem Distanzfehler von 16 cm entsprechenden Grenze AT16 cm verglichen. Ist 64T AT16 cm,50 werden in der Rechnerschaltung 27 Grenzen AT + 64T und AT - 64T gebil-
64 64 det und in Speicher Mo: = M + H bzw. Mu: = MM H einge- speichert, die selbst vom Wert der Pulslaufzeit AT abhängen.
Gleichzeitig werden die Ergebnisspeicher M für VT und M* für später gewinnende Laufzeitmittelwerte gleich Null gesetzt. Ist 64T < AT16 so werden die Grenzen 64 Mo: = AT + ATl6 cm und Mu: = - AT16 cm gesetzt und ebenfalls M: - O, M*: = 0.
Nach Vorliegen der Grenzen in Mo und Mu wird in einen Speicher v als Anzahl auszuwertender Messungen v: = 1024 eingesetzt. Schaltung 26 vergleicht nun durch weitere Laserpulse gewonnene Laufzeit-Messergebnisse AT mit den Grenzen. Ist AT ¯ M0 oder AT < = Mu, so wird das Ergebnis AT verworfen und die nächste Messung verglichen. Ist dagegen AT < Mo und AT > Mu, so wird die Anzahl in v um 1 vermindert und AT in Speicher M addiert. Dieser Messvorgang wird wiederholt bis der Anzahlwert in v 0 ist.
In diesem Fall erfolgt in der Rechnerschaltung 29 eine binäre Stellenverschiebung nach rechts um 10 Stellen, d.h. eine Division durch 210= 1024, also die Bildung des Mittelwertes über 1024 Messungen
EMI3.2
Anschliessend erfolgt eine neue Eichung des Zeitintervallzählers 6 bezüglich Nullpunkt und Steigung in der oben erwähnten Art. Die in einem Speicher U durch Funktionsschalter 31 eingegebene Anzahl der Messzyklen wird um 1 reduziert und der Mittelwert (AT > 1024 in Ergebnisspeicher M addiert. Wie aus den Fig. 3b, 3d ersichtlich, wiederholt sich die beschriebene Bildung von < AT > 1024 so oft, bis die Messzyklenanzahl U 0 ist.
Die Bildung des Mittelwertes ( < AT > 1o24 > u über die Messzyklen erfolgt dann durch binäre Stellenverschiebung nach rechts im Speicher M* um 6 oder 3 oder 0 Stellen entsprechend einer Division durch 26= 64 oder 23 = 8 oder 20=1
EMI3.3
Wie oben zu Fig. 2 beschrieben, kann nun dieser Mittelwert von der Rechnerschaltung 29 zur Bildung neuer Grenzen für Speicher Mo und Mu verwendet werden, die zur Iteration über die Weichen 30 und 28 auf die Auswahlschaltung 26 zurückübertragen werden. Mit den neuen Grenzen Mo, Mu würde dann über eine neue Folge von Messzyklen ein neuer Mittelwert ( < AT > 1o24 > u bestimmt.
Anschliessend erfolgt in der Multiplikationsstufe 32 die Korrektur mit dem über Korrekturschalter 33 eingegebenen Korrekturfaktor aus einem Bereich von (1 i 99 ppm), sowie die Ausgabe des korrigierten Ergebnisses auf Anzeige 8. Diese Anzeige 8 kann eine Flüssigkristallanzeige bekannter Art sein.
Die Ausgabe des Ergebnisses erfolgt zweckmässig in einem Signalcode, der eine Weiterverarbeitung mit codierten Messignalen anderer geodätischer Messgeräte erlaubt. Der Signalcode sollte insbesondere kompatibel sein mit üblichen Signalcodes elektronischer Theodolite und Datenspeicher.
Ist am Schalter 31 die Funktion TRACKING eingestellt, so erfolgt, wie aus Fig. 3a bis 3c ersichtlich, automatisch eine Wiederholung der soweit beschriebenen Messzyklen. Andernfalls erfolgt keine weitere Messung, das letzte Ergebnis verbleibt in der Anzeige und die Stromversorgung von Sender Empfängereinheit 1, Zeitintervallzähler 6 und Digitalschaltung 7 wird unterbrochen.
Das Distanzmessgerät gemäss dem in Fig. 2 dargestellten Schema arbeitet in an sich bekannter Art mit einem elektrooptischen Sender 10, einem über die Lichtleitfaser 3 beaufschlagten Referenzfotoempfänger 14 und dem Messfotoempfänger 15. Da im Gegensatz zu Distanzmessern mit Phasenvergleich (vgl. Beschreibungseinleitung) beim vorliegenden Ausführungsbeispiel Sender und Empfänger nur impulsförmig betrieben werden, ist es möglich, mit nur einem Empfänger nacheinander Referenz- und Messimpuls zu empfangen und auszuwerten. Eine hierfür geeignete Schaltung nebst zugehörigem optischem System zeigt schematisch Fig. 4, in der die Fig. 1 und Fig. 2 entsprechenden Bauelemente mit den entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Diodenlaser 10 wird über den Pulsverstärker 11 mit Signalimpulsen vom Trigger 12 betrieben.
Die entsprechenden optischen Im- pulse werden an einem Strahlenteiler 40 in Referenz- und Messimpulse geteilt. Die Referenzimpulse gelangen über die Kurzweg-Lichtleitfaser 3 und einen zweiten Strahlenteiler 44 auf die Avalanche-Photodiode 14'. Die Messimpulse sind einer Sendeoptik 41 zugeführt, gelangen über die Messstrecke auf eine Empfangsoptik 42 und über eine optische Verzögerungsleitung 43 (z.B. einen Lichtleiter) und Strahlenteiler 44 ebenfalls auf die Empfänger-Photodiode 14'.
Die Verzögerungsleitung 43 bewirkt über eine Pulsverzögerung von etwa 100 nsec, dass der Messpuls sicher vom Referenzpuls getrennt verarbeitet wird. Diese Verzögerung wird dann bei der Messung des Zeitintervalles zwischen Mess- und Referenzimpuls als Additionskonstante berücksichtigt. Zum Betrieb derAvalanche-Photodiode 14' ist wiederum ein schaltbares Netzteil 16' vorgesehen. Über die Koppelkapazität 18' und Signalaufbereitungsschaltung 20' gelangen die elektrischen Empfangsimpulse zur Trennung auf eine gesteuerte Signalweiche 45 mit zwei Ausgängen 46, 47 für Referenzsignal 4 und Messignal 5.
Nach Beginn einer Messung gelangt der erste Empfangsimpuls auf den Ausgang 46 und startet als Referenzimpuls 4 den Zeitintervallschalter mit Digitalkonverter 22. Nach Abgabe des zugehörigen Steuerimpulses gibt der Trigger 12 mit etwa 90 nsec Verzögerung ein Umschaltsignal auf die Signalweiche 45. Diese schaltet somit nach Durchlauf des Referenzimpulses 4 und vor Durchlauf des Messimpulses 5. Der Messimpuls 5 gelangt dann über den Ausgang 47 zur Verarbeitung im Digitalkonverter 22. Die Signalweiche 45 schaltet sodann selbsttätig zur Aufnahme des nächsten Referenzimpulses auf Ausgang 46 zurück. Die weitere Signalverarbeitung erfolgt über die Schaltungen 7 und 8 in der zu Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Art.
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PATENT CLAIMS
1.Electro-optical distance measuring device in which light signals pass through a measuring beam path to a distant target and after reflection back to the device, as well as an internal reference path and in which the time difference between the measuring signal and reference signal corresponding to the distance to the target is formed by a first digital circuit, whereby To increase the measurement accuracy, a number of time differences for the distance formation is evaluated, characterized by a second digital circuit (7, 8, 24-35), which forms a probable measurement result from a first number of time difference measurement values, uses this measurement result to determine a permissible measurement error and only enables the use of further time difference measurements for distance formation,
if the measurement values resulting from them do not exceed or fall below the range determined by the probable measurement result and the permissible measurement error.
2. Distance measuring device according to claim 1, characterized in that the second digital circuit (29) uses the measurement result formed from the time difference measurement values to determine a second permissible measurement error and a corresponding second permissible error range for the release of further time difference measurement values to form a further measurement result.
3. Distance measuring device according to claim 2, characterized in that the second permissible error range is reduced in accordance with the number of measured values that contribute to the formation of the measurement result from which it is determined.
4. Distance measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the permissible measurement error determining the range is determined as a relative error of the measurement result from which it was determined.
5. Distance measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the permissible measurement error determining the range for a specific value range of the measurement result from which it was determined has a fixed size which is independent of the measurement result.
6. Distance measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the measurement result arises from the measured values by arithmetic averaging.
7. Distance measuring device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the distance value is obtained from the measurement result by multiplication by a factor, the value of which is determined by the selected length unit for the distance value and the meteorological conditions of the air on the measuring distance, and that second digital circuit (8) displays the resulting distance value.
8. Distance measuring device according to one of claims 1 to 7, with transmission of pulse-shaped light signals, characterized by a common receiver circuit (14 ', 16', 18 ', 20', 45) for the reference pulses and the measuring pulses and by an optical delay line (43) for the measuring impulses.
The invention relates to an electro-optical distance measuring device in which light signals pass through a measuring beam path to a distant target and after reflection back to the device, as well as an internal reference path and in which the time difference between the measuring signal and reference signal corresponding to the distance to the target is formed by a first digital circuit is used, in order to increase the measurement accuracy, a number of time differences for the distance formation is evaluated.
Such distance measuring devices are known, for example from CH-PS 551 628 and from General. Vermessungsnachrichten, 80th year, issue 6/1973, pp. 201-207. In this case, the light signals are given by a continuous, 15 MHz amplitude-modulated infrared light wave, and the phase difference between transmitted and received modulation is determined as the time difference. For this purpose, electronic circuits for frequency conversion and for digital phase measurement are used. To increase the measurement accuracy, simply count a large number (e.g. 300,000) of successive modulation periods and calculate the measurement result by arithmetic averaging.
Since such devices work exclusively with reflectors at the target, incorrect measurements as a result of reflection disturbances or incorrect targets can be avoided by a simple automatic interruption, which blocks the signal evaluation if the reflection signal level is too low.
In known laser range finders with a laser generator for emitting pulsed light signals (see DE-OS 28 40 605) to the target, target reflectors can be dispensed with, but the sensitivity to incorrect measurements due to reflection disturbances, incorrect aiming, multiple echoes etc. is greater than in systems of the first-mentioned type. To reduce this sensitivity, light receivers with controllable masking means are known which only enable reception during a time window which corresponds to a limited distance measuring range. However, such means serve less to increase the measuring accuracy than to protect the light receiver from damage due to excessive exposure.
To increase the measuring accuracy in an electro-optical distance measuring device with evaluation of a number of successive phase difference values, on the other hand, a digital circuit is known from DE-AS 2420 194 which determines the statistical variance of the phase difference values, compares them with an internal test limit value and only displays the measurement result releases if the variance does not exceed the test limit. With such an evaluation system, all individual measured values contribute to the formation of variance, that is to say also those which, as a result of reflection disorders, do not allow any statement about the measuring distance.
It is an object of the present invention to provide an electro-optical distance measuring device in which criteria adapted to the respective measurement conditions are only automatically evaluated for distance formation that are not falsified by reflection disturbances with a certain probability.
In a distance measuring device of the type mentioned at the outset, this object is achieved by a second digital circuit, which forms a probable measurement result from a first number of time difference measured values, uses this measurement result to determine a permissible measurement error, and only releases the use of further time difference measured values for distance formation if it is off the resulting measurement values do not exceed or fall below the range determined by the probable measurement result and the permissible measurement error.
It is expedient for the second digital circuit to use the measurement result formed from the time difference measured values to determine a second permissible measurement error and a corresponding second permissible error range for the release of further time difference measured values to form a further measurement result. This circuit preferably works in such a way that the second permissible error range is reduced in accordance with the number of measured values that contribute to the formation of the measurement result from which it is determined.
The permissible measurement error determining the range is advantageously determined as the relative error of the measurement result
to which he was determined. It can also be expedient that the permissible measurement error determining the range for a specific value range of the measurement result from which it was determined has a fixed size that is independent of the measurement result.
The invention is explained in more detail below on the basis of an exemplary embodiment schematically illustrated in the drawings. Show it:
1 shows a general block diagram of an electro-optical distance measuring device according to the invention,
2 shows a detailed block diagram of a device according to FIG. 1,
3a to 3d a flowchart for the working method of a distance measuring device according to the invention and
Fig. 4 shows the diagram of a distance measuring device with only one electrical receiver channel and an optical signal delay.
In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, a transmitter-receiver unit 1 comprises means for the simultaneous transmission of sequences of light pulses or light flashes over the measuring distance (arrow 2) and a short path 3, as well as means for receiving and for the photoelectrical conversion of these light flashes into electrical pulses.
The impulses 4 that have passed over the short path 3 and the impulses 5 that have traveled over the measuring distance have a time shift proportional to the double measuring distance and reach a time interval counter 6 via connecting lines, which generates a digital measurement signal corresponding to the time shift.
Circuits for pulse distance meters described so far are known. A digital circuit 7 connected to the transmitter-receiver 1 and the time interval counter 6 now serves, according to the invention, to trigger a first sequence of light pulses, a first probable measurement result from a number of digital time difference measurement signals corresponding to this sequence and limit values of a so-called permissible for further measurement signals To calculate the error window.
As described in more detail below, the circuit 7 excludes time difference measurement signals from further triggered sequences of light pulses from the evaluation for distance formation if their value lies outside the already determined error window. The distance is formed from the permitted time difference measured values in a manner known per se by averaging and multiplication by a correction factor determined by the meteorological conditions in the air. The measurement result is then output from the circuit 7 to a display circuit 8 and displayed by the latter.
According to the block diagram of FIG. 2, the transmitter / receiver unit 1 comprises a diode laser 10 as a transmitter for the light pulses. This laser is operated via a pulse amplifier 11 with electrical signal pulses which arise in a trigger 12 and have a half-width of 5 nsec and a pulse repetition frequency of 10 kHz. The trigger 12 is controlled by a signal source 13 with a 10 MHz standard frequency, from which the pulse frequency 10 kHz arises by frequency division by the factor 10-4. A conventional type of transmission and reception optics for transmitting the light pulses of the laser 10 is not shown. After division at the transmitter 10, the light pulses arrive at a first avalanche photodiode via the short path 3 (e.g. a light guide)
14 and across the measurement section to a second avalanche photodiode 15, which serve as a reference or measurement receiver.
The bias voltage is supplied to the diodes 14, 15 via switchable power supplies 16 and 17, respectively.
The electrical receive pulses pass from the receiver diodes 14, 15 via coupling capacitances 18 and 19 to signal conditioning circuits 20 and 21, which include filters, amplifiers and Schmitt triggers as time stamp generators. Circuit 20 generates the start pulses 4 and circuit 21 the stop pulses 5 according to FIG. 1. The time interval counter 6 for these pulses comprises a time interval switch with digital converter 22 which is controlled by the standard frequency generator 13 via a time clock 23.
The digital circuit 7 for evaluating the digital time measurement signals from the digital converter 22 comprises a controlled signal switch 24, via which the signals arrive at one of two selection circuits 25, 26, the function of which is described in more detail below. A probable measurement result and the permissible limit values for further time measurement signals are determined and stored by a computer circuit 27 from the selected time measurement signals. These limit values are used in the circuit 26 for selection from the signals transmitted from the signal switch 24 and can be called up by the circuit 26 via a second data switch 28. In a second computer circuit 29, a distance value is calculated from the signals selected by circuit 26 by averaging.
With appropriate programming of the circuit 29, new permissible limit values for further time measurement signals can be determined for the calculated distance value, which are called up by the circuit 26 via a further controlled signal switch 30 and switch 28 and, in the sense of an iteration, the limit values previously determined by the computer circuit 27 replace.
Since the calculated distance value has a smaller mean error compared to the probable measurement result determined in the circuit 27, it will be expedient to determine the new error window (see FIG. 1) using a smaller predetermined relative error and to make it smaller center on the already calculated distance value.
The number of iteration steps can be set via a function switch 31. When the last step has taken place, the distance value is transferred via the controlled switch 30 to a multiplication stage 32 for multiplication by a correction factor determined for the measuring distance by the meteorological conditions and the unit of length to be displayed. The corrected distance value is then transferred to the display circuit 8 and displayed. A correction switch 33 is provided for entering the meteorological conditions. A second function switch 34 is provided for switching the distance measuring device on and off, and for setting correction and control functions described below. A start button 35 is used to trigger a sequence of light pulses from the laser 10.
The function of the electro-optical distance measuring device according to the invention described so far will now be explained with reference to the flow diagram shown in FIGS. 3a to 3d. The following controls are provided:
1.Start button 35.
2. Function switch 34, with the setting positions
OUT
CHECK
WITH REFLECTOR
WITHOUT REFLECTOR
BATTERY.
In the OFF position the power supply is interrupted, in the other positions it is switched on.
In the CHECK position, the transmitter 10 is operated via the components 11, 12, 13 with the pulse frequency 1 kHz. The pulse intensity received by the reference receiver 14 via the short path 3 is applied to an analog meter and displayed.
In position WITH REFLECTOR, an addition constant applicable for measurement with reflector is processed in circuit 7.
A corresponding addition constant is processed in the position WITHOUT REFLECTOR.
In the BATTERY position, the voltage of an operating current source is displayed on the analog meter, whereby the load is operated as for item CHECK.
3. Function switch 31, with the setting positions
100,000
10,000
1,000
TRACKING.
In position 100 000 there are 64 measuring cycles (see explanation below).
In position 10,000 there are 8 measuring cycles.
1 position is carried out in position 1 000.
In the TRACKING position there is 1 measurement cycle, as for item 1000, but with the display of the measurement result and repetition and renewal of the last display etc., as long as item TRACKING is switched on. This operating mode is determined in a manner known per se for measuring variable distances.
4. Switch 33 for correction factor setting in ppm (10-6) and meter / foot display, as explained above.
In FIG. 3a, HH means setting one of the four possible positions of function switch 31. The appropriate addition constant is then set on function switch 34, ON means measurement without reflector, AR with reflector. The power supply to the measuring part 1 (FIG. 1) is thus simultaneously switched on and the initial conditions of the circuit 7 are defined.
After triggering the start button 35 designated here S, bootstrapping takes place automatically, i.e. Setting defined initial conditions of the measuring part 1, as well as a calibration of the time interval counter 6 with respect to zero point and slope. Then i: = 8, j: = 16 and M: = 0 are set in a memory of the circuit 7. The storage location i is provided for the number of measurements of a pulse running time AT which correspond to a distance of 25 km or more (AT25), storage location j for smaller pulse running times. A count falling in memory location i therefore means a miss. M denotes the storage space for the counted measurement results of the transit time AT.
If these initial conditions are met, the first measuring light pulse is emitted on the laser 10, which leads to the output of the corresponding transit time value AT from the digital converter 22 via the appropriately set switch 24 to the selection circuit 25. This leads to the comparison of AT and AT25 one - result, the permitted number i of the overreach results is reduced by 1; otherwise the number of results to be evaluated is reduced by 1.
If after the replacement i: = in 1, i = 0, the circuit 25 sends a RESET signal to the display circuit 8. This means that no target has been found and the measurement only starts again after the start key S has been pressed. A maximum of 8 misses are possible up to this RESET signal, provided that no permitted measurements have been made in between. However, if this is done, j: = j - 1 and i: = 8 is set and the measurement result AT is added to the memory M, ie M: = M + AT is set.
If after a replacement j: = j - 1 is already = 0, a total of 16 permitted results for AT in M are added up. In this case there is a binary digit shift to the right by 4 digits in M, i.e. a division by 24 = = 16, i.e. the formation of the mean
EMI3.1
However, if j * 0, a new transmission pulse takes place, as can be seen from FIGS. 3a, 3b.
After the mean value AT for the pulse transit time is available in the memory M, a relative error VT 64 of approximately 2% is calculated by division by 64 and temporarily stored in a memory H. This relative transit time error is now compared with a fixed limit AT16 cm corresponding to a distance error of 16 cm. Is 64T AT16 cm, 50 27 limits AT + 64T and AT - 64T are formed in the computer circuit.
64 64 det and stored in memory Mo: = M + H or Mu: = MM H, which themselves depend on the value of the pulse transit time AT.
At the same time, the result memories M for VT and M * are set to zero for later average running values. If 64T <AT16 the limits are set to 64 Mo: = AT + ATl6 cm and Mu: = - AT16 cm and also M: - O, M *: = 0.
After the limits in Mo and Mu are present, v: = 1024 is inserted into a memory v as the number of measurements to be evaluated. Circuit 26 now compares transit time measurement results AT obtained by further laser pulses with the limits. If AT ¯ M0 or AT <= Mu, the result AT is rejected and the next measurement is compared. If, on the other hand, AT <Mo and AT> Mu, the number in v is reduced by 1 and AT in memory M is added. This measuring process is repeated until the number value in v is 0.
In this case there is a binary digit shift to the right by 10 digits in the computer circuit 29, i.e. a division by 210 = 1024, i.e. the formation of the mean over 1024 measurements
EMI3.2
The time interval counter 6 is then calibrated with respect to the zero point and slope in the manner mentioned above. The number of measurement cycles entered in a memory U by function switch 31 is reduced by 1 and the mean value (AT> 1024 is added to the result memory M. As shown in FIGS 3b, 3d can be seen, the described formation of <AT> 1024 is repeated until the number of measurement cycles U 0.
The formation of the mean value (<AT> 1o24> u over the measuring cycles is then carried out by shifting the binary digit to the right in the memory M * by 6 or 3 or 0 digits corresponding to a division by 26 = 64 or 23 = 8 or 20 = 1
EMI3.3
As described above for FIG. 2, this mean value can now be used by the computer circuit 29 to form new limits for memories Mo and Mu, which are transmitted back to the selection circuit 26 via the switches 30 and 28 for iteration. With the new limits Mo, Mu, a new mean value (<AT> 1o24> u) would then be determined over a new sequence of measurement cycles.
Subsequently, in the multiplication stage 32, the correction is carried out with the correction factor entered via the correction switch 33 from a range of (1 99 ppm) and the output of the corrected result on the display 8. This display 8 can be a known type of liquid crystal display.
The result is expediently output in a signal code which permits further processing with coded measurement signals from other geodetic measuring devices. The signal code should in particular be compatible with the usual signal codes of electronic theodolites and data memories.
If the TRACKING function is set at the switch 31, the measurement cycles described so far are automatically repeated, as can be seen from FIGS. 3a to 3c. Otherwise no further measurement takes place, the last result remains in the display and the power supply of the transmitter / receiver unit 1, time interval counter 6 and digital circuit 7 is interrupted.
The distance measuring device according to the diagram shown in FIG. 2 works in a manner known per se with an electro-optical transmitter 10, a reference photo receiver 14 loaded via the optical fiber 3 and the measuring photo receiver 15. Since, in contrast to distance meters with phase comparison (see introduction to the description) in the present exemplary embodiment If the transmitter and receiver are only operated in pulses, it is possible to receive and evaluate reference and measurement pulses in succession with just one receiver. A circuit suitable for this, together with the associated optical system, is shown schematically in FIG. 4, in which components corresponding to FIGS. 1 and 2 are designated with the corresponding reference numerals. The diode laser 10 is operated via the pulse amplifier 11 with signal pulses from the trigger 12.
The corresponding optical pulses are divided into reference and measurement pulses on a beam splitter 40. The reference pulses reach the avalanche photodiode 14 'via the short-path optical fiber 3 and a second beam splitter 44. The measurement pulses are fed to a transmission optics 41, arrive at the reception optics 42 via the measurement path and also via an optical delay line 43 (e.g. an optical fiber) and beam splitter 44 to the receiver photodiode 14 '.
The delay line 43 causes, via a pulse delay of approximately 100 nsec, that the measuring pulse is safely processed separately from the reference pulse. This delay is then taken into account in the measurement of the time interval between the measuring and reference pulse as an addition constant. A switchable power supply 16 'is again provided for operating the avalanche photodiode 14'. Via the coupling capacitance 18 'and signal conditioning circuit 20', the electrical receive pulses are separated to a controlled signal switch 45 with two outputs 46, 47 for reference signal 4 and measurement signal 5.
After a measurement has started, the first receive pulse arrives at output 46 and starts the time interval switch with digital converter 22 as reference pulse 4 Reference pulse 4 and before passage of the measuring pulse 5. The measuring pulse 5 then passes through the output 47 for processing in the digital converter 22. The signal switch 45 then automatically switches back to the output 46 for receiving the next reference pulse. The further signal processing takes place via the circuits 7 and 8 in the manner described for FIGS. 1 and 2.