DD229481A5 - Verfahren zur entfernungsmessung und entfernungsmesser zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Abstract

Ziel und Aufgabe der Erfindung bestehen darin, ein Verfahren zur Entfernungsmessung und einen Entfernungsmesser zur Durchfuehrung dieses Verfahrens zu schaffen, um die Messgenauigkeit und die Reichweite gegenueber dem Stand der Technik zu erhoehen. Dazu umfasst das Verfahren mehrere Stufen, die darin bestehen,- ein repraesentatives Signal fuer den Wert der Augenblicksaenderung (V (fi) ) der Phasenmuster (fi) zu erzeugen,-als Schaetzfunktion der Phase ein vom Mittelwert (fE) von n Phasenmustern (fi), die nach ihrer Augenblicksaenderung bewertet wurden, abgeleitetes Zwischensignal zu erzeugen,-auf der Grundlage der Schaetzfunktion der Phase (fE) ein fuer den Wert der Entfernung (D) repraesentatives Nutzsignal zu erzeugen und-diesen Entfernungswert (D) optisch anzuzeigen.Der Entfernungsmesser enthaelt Sendevorrichtungen, die in Richtung eines gegebenen Beobachtungspunktes eine modulierte elektromagnetische Strahlung aussenden koennen, Empfangsvorrichtungen, welche die auf einen Beobachtungspunkt reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweisen koennen. Vergleichsvorrichtungen vergleichen die Phase eines ersten Empfangssignals und eines zweiten Modulationssendesignals. Anzeigevorrichtungen geben eine Information fuer die von Strahlen durchlaufene Entfernung an. Fig. 2

Description

Berlin, den 17. 4. 1985 64 644/13

Verfahren zur Entfernungsmessung und Entfernungsmesser zur Durchführung des Verfahrens

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Entfernungsmesser, das heißt Geräte zur Entfernungsmessung mit Hilfe der Hin- und Rücklaufzeit eines Signals zwischen zwei Beobachtungspunkten.

Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Entfernungsmessung und einen Entfernungsmesser zur Durchführung dieses Verfahrens, die auf die Wirbelströmungen des Ausbreitungsmediuras eingestellt sind.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Fig. 1 wurde ein herkömmlicher optischer Entfernungsmesser schematisch dargestellt. Viele elektrooptische Entfernungsmesser benutzen eine Lumineszenzdiode 1, die am ersten Beobachtungspunkt angeordnet und mit einem Modulator verbunden ist, der durch einen Oszillator 3 für Hochfrequenz F_ (vorzugsweise mehrere MHz, beispielsweise 15 MHz) gesteuert wird, und die im Brennpunkt eines ersten Objektivs 4 angeordnet ist, um ein Infrarotlichtsignal auszusenden, das im Rhythmus des vom Oszillator 3 erzeugten Hochfrequenzsignals amplitudenmoduliert wird. Das Lichtsignal erscheint in Form eines dünnen Bündels, das sich somit sehr weit ausbreiten kann.

Ein am zweiten Beobachtungspunkt angeordneter Tripelspiegel 5 wirft das Bündel gemäß einer Symmetrie, deren Zentrum der Spitze des Tripelspiegels 5 sehr nahe liegt» parallel zu sich selbst auf ein Empfangsobjektiv 6 zurück, das neben dem vorhergenannten Objektiv 4 liegt.

Eine im Brennpunkt des zweiten Objektivs 6 angeordnete Fotodiode 7, im allgemeinen eine Lawinenfotodiode (APD), spricht eine Verstärkerstufe 8 an, die am Ausgang ein moduliertes und im Vergleich zu dem Modulationssendesignal um einen Winkel Ϋ phasenverschobenes Signal aussendet, wobei der Winkel *f mit der Ausbreitungszeit des Signals verbunden ist, so daß

4 ΊΓ F_T D

i - —r¹— ' i¹)

worin darstellen:

F_ - Modulationsfrequenz der Lumineszenzdiode 1 ;

D - Entfernung zwischen dem Prisma 5 des Entfernungsmessers (1, 7) (das heißt die Hälfte des von der elektromagnetischen Strahlung zurückgelegten Weges);

c - Lichtgeschwindigkeit»

Um die Entfernung zwischen den beiden Beobachtungspunkten mit einer großen Genauigkeit (von 1 mm) zu bestimmen, wäre theoretisch e erforderlich.

— 12 theoretisch eine sehr große Zählfeinheit (von 3,3 .10 s)

Aus diesem Grunde ist es üblich, obgleich das Modulationssignal ein Hochfrequenzsignal ist, die Phasenverschiebung zwischen zwei Niederfrequenzsignalen zu messen.

Zunächst wird das empfangene, am Ausgang der Verstärkerstufe 8 erzeugte Modulationssignal in ein Niederfrequenzsignal (Fq - F-p) (zum Beispiel von 1 500 Hz) umgesetzt, indem in einem Mischer 9 das empfangene Modulationssignal mit dem eines Lokaloszillators 10 gemischt wird. Man wird feststellen, daß das am Ausgang des Mischers erhaltene Niederfrequenzsignal die gleiche Phaseninformation trägt wie das empfangene Hochfrequenzsignal.

Zweitens wird ausgehend von den an einen zweiten Mischer 11 angeschlossenen Lokaloszillatoren für Hochfrequenz 3 und 10 auch ein Vergleichsniederfrequenzsignal erzeugt.

Dieses Vergleichssignal und das Signal des Lokalhochfrequenzoszillators 10 werden an einen numerischen Phasenmesser 16 angeschlossen, während das empfangene, am Ausgang des Mischers 9 in ein Niederfrequenzsignal umgesetzte Modulationssignal ebenfalls an den Phasenmesser 16 angeschlossen wird, und zwar über einen Niederfrequenzverstärker 12, eine automatische Lautstärkeregelungsstufe 13, ein Bandfilter A^i 14 und eine Formungsstufe 15, die das Analogsignal am Ausgang des Filters 14 in logische Impulse umwandelt, wobei diese Teile so angepaßt sind, daß die Phasenmessung von der Amplitude des empfangenen Modulationssignals unabhängig ist.

Der numerische Phasenmesser 16 bestimmt die Amplitude der Phasenverschiebung f zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal. Die vom Phasenmesser 16 erzeugten Phasenmuster "f . werden von einem Rechenwerk 17 verarbeitet, das das arithmetische Mittel ~f _χ der Muster bestimmt:

1 <- f

'n J; ^Ti

Das Symbol "^" wird in dieser Patentanmeldung zur Bezeichnung der Schätzwerte benutzt.

Das Rechenwerk 17 bestimmt dann die Amplitude der Entfernung zwischen den beiden Beobachtungspunkten auf der Grundlage der Beziehung (1).

Das vom Rechenwerk 17 erzeugte Signal wird zum Zweck aer Anzeige der Entfernung an der Baugruppe 18 digitalisiert«

Überdies ist zu bemerken, daß, um die bei jedem Durchgang des Winkels ~f durch 2'TT" oder bei jedem Vielfachen der Entfernung c/2F_ bestehende Zweideutigkeit zu vermeiden, auf herkömmliche Weise Messungen bei einer oder mehreren Frequenzen, die kleiner sind als die Frequenz F_, durchgeführt werden. Diese dem Fachmann wohl bekannten Vorkehrungen sollen in der Folge nicht beschrieben werden.

Des weiteren ist zu bemerken, daß das Filter 14 im herkömmlichen Verfahren eine relativ geringe Bandbreite Δ ν*"* hat, um die Stärke des Detektionsgeräusches vor dem Eingang des Phasenmessers 16 zu vermindern. Die Phasenmuster *?. werden dadurch korreliert, und es ist nicht notwendig, sie mit einer Periode kleiner als kT zu erfassen, wobei T die am Ausgang der Mischer erhaltene Niederfrequenzperiode und k eine Zahl wie kT < 1 /^V₁ sind.

Das arithmetische Mittel f_A bildet in der Tat eine Digitalfilterung in Ergänzung zur Analogfilterung.

Des weiteren sei bemerkt, daß bei einer großen Anzahl von stark korrelierten elementaren Messungen T^ die Änderung des Ergebnisses V (τ\) zu einem Grenzwert tendiert, der nicht mehr von der Zahl der Muster, sondern nur von der Meßdauer t abhängt:

f A> "

(k ist eine Konstante)

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die vorgenannten Nachteile der bekannten Lösung zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Entfernungsmessung und einen Entfernungsmesser zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, durch die die Meßgenauigkeit und die Reichweite gegenüber dem Stand der Technik erhöht werden können.

Es wurde tatsächlich festgestellt, daß das Ausbreitungsmedium eines Signals zwischen zwei Beobachtungspunkten im allgemeinen aus in Bewegung befindlichen Luftmassen besteht, die der Temperatur nach inhomogen sind, woraus ein Feld von zeitlich zufälligen Gradienten n. des Brechungsindexes, der Amplituden und der Richtungen resultiert.

Obgleich die induzierte optische Weglänge dadurch krumm ist, zeigen die Berechnungen und die Versuche, daß die Verlän-

gerung der Bahn zwischen den beiden Beobachtungspunkten ver nachlässigbar ist, also die Wirbelströmung die Phase nicht direkt beeinflussen.

Dagegen verringern die durch die Wirbelströtnungen hervorgerufenen Löschungen des Signals unregelmäßig das Signalgeräusch-Verhältnis und damit die Meßgenauigkeit, da

^i} s²

V(^) - Änderung der Phasenmuster f. ; S - Empfangssignal von zeitlich zufälliger Amplitude;

N. - Effektivwert des Geräusches und k* - eine Konstante.

Das Spektrum der Amplitudenmodulation des Signals durch die Wirbelströmungen, das im weiteren Wirbelströmungsspektrum genannt wird, hat eine Breite A?»

Die Versuche zeigen außerdem, daß die Amplitude des Signals, in dB ausgedrückt, nach dem Gesetz über die Normalverteilung eine zufällige Variable ist, die durch einen Mittelwert u und eine Standardabweichung £_s gekennzeichnet ist.

Man könnte versuchen, die Leistungen des Entfernungsmessers bei Vorhandensein von Wirbelströmungen zu verbessern, zum Beispiel durch Verwendung von Objektiven mit größeren öffnungen, um gleichzeitig den Mittelwert /U des Signals zu vergrößern und die Standardabweichung β desselben Signals zu verringern.

Dedoch erhöhen sich durch eine solche Lösung zugleich das

Volumen, das Gewicht und auch der Preis des Gerätes. Und überdies verbessert eine solche Lösung nicht immer die Meßgenauigkeit .

Diese Erfindung schlägt nun ein neues Verfahren zur Entfernungsbestimmung zwischen zwei Punkten vor, durch das, ohne die Morphologie der herkömmlichen Entfernungsmesser zu verändern, die Empfindlichkeit dieser gegenüber den Wirbelströmungen vermindert werden kann.

Dazu schlägt diese Erfindung ein mehrere Stufen einschließendes Verfahren vor, die darin bestehen, von einem ersten Punkt in Richtung auf den zweiten eine durch einen Oszillator modulierte elektromagnetische Strahlung auszusenden, diese elektromagnetische Strahlung am zweiten Punkt auf den ersten zurückzustrahlen, am ersten Punkt, an einem Empfänger, die reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen, die Phase eines ersten Empfangssignals und eines zweiten Modulationssignals zu vergleichen und Phasenmuster "f. zu erzeugen, die für die Phasenabweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal repräsentativ sind, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es darüber hinaus Stufen beinhaltet, die darin bestehen:

i) ein repräsentatives Signal für den Wert der Augenblicksänderung (V (^l-pj.)) der Phasenmuster ( rf ^ ) zu erzeugen.

ii) als Schätzfunktion der Phase ein vom Mittelwert ( ¹^p) von η Phasenmustern (%)» die nach ihrer Augenblicksänderung bewartet wurden, abgeleitetes Zwischensignal zu erzeugen,

iii) auf der Grundlage der Schätzfunktion der Phase ( 'f _£ ) ein

für den Wert der Entfernung (D) repräsentatives Nutzsignal zu erzeugen und

iv) diesen Entfernungswert (D) optisch anzuzeigen.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung sind die Teile der mehrstufigen Signaldetektion so eingerichtet, daß der Schwankungsbereich der von den Analogschaltungen verzerrungsfrei zugelassenen Signalamplituden den Bereich der Verteilungsfunktion der Amplituden des Empfangssignals, das heißt, vier- bis sechsmal die Standardabweichung 6„ des Signals, deckt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen ist der äquivalente Durchlaßbereich AV₂ ^der Filter der Signaldetektionsschaltkreise größer als die Breite ^F des Wirbelströmungsspektrums.

Vorzugsweise wird die vorhergenannte Stufe ii) durchgeführt, indem als repräsentativer Wert fur die Augenblicksänderung der Phasenmuster ein Signal angesehen wird, das dem umgekehrten Quadrat des Wertes des verrauschten Signals proportional ist, das in einem Durchlaßbereich, der größer oder gleich der Breite des Wirbelströmungsspektrums ist, betrachtet wird.

Die Vorteile der Erfindung werden im folgenden genau beschrieben.

In einer Variante wird die oben genannte Stufe i) mit Hilfe einer mehrstufigen Detektion durchgeführt, die mit einer Frequenz, die η -mal höher ist als die Frequenz der Erfassung

der η Phasenmuster ^vi . , eine Menge von η Muster erfaßt.

χ ° e

Das erfindungsgemäße Verfahren schließt überdies eine Vorstufe ein, die darin besteht, ein optisches Dämpfungsglied zu betätigen, das auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Strahlung so eingeschaltet ist, daß der Mittelwert /ü des Empfangssignals S unter der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Signalgrenze (h) von k.-mal der Standardabweichung liegt, wobei k^ zwischen 1 und 2 liegt.

Nach einem vorteilhaften Kennzeichen schließt das Verfahren Stufen ein, die darin bestehen:

a) den Effektivwert des Geräusches N. zu messen,

b) ein repräsentatives Signal für den Mittelwert /u des Signals und die Standardabweichung A auf der Grundlage einer Ansammlung von Mustern y. des Signals (in Dezibel) einerseits und des Wertes einer Dämpfung A. (in Dezibel) der Strahlung andererseits zu erzeugen,

c) ein repräsentatives Signal für eine Schätzung der Phasenänderung (V (^V/'_E)) zu erzeugen, wenn der Effektivwert des Geräusches, der Mittelwert κχ und die Standardabweichung £ bekannt sind.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung schließt die Erfindung eine Stufe ein, die in der Erzeugung eines repräsentativen Signals, für eine Schätzung der Standardabweichung der Entfernung £f_D besteht, das der Quadratwurzel der Schätzfunktion der Phasenänderung V( Ψ_£ ) proportional ist.

Vorzugsweise schließt das erfindungsgemäße Verfahren außerdem eine Stufe ein, die darin besteht, die Verstärkung M des Empfängers durch Inkremente zu erhöhen, bis eine der drei folgenden Bedingungen erfüllt ist:

1) die Polarisation des Empfängers ist optimiert,

2) die Verstärkung M hat ihren zulässigen Höchstwert erreicht,

3) der Mittelwert des Signals ^₃ hat einen optimalen Wert erreicht, der der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Signalgrenze (h), vermindert um k.-mal die Standardabweichung, entspricht, wobei k. zwischen 1 und 2 liegt«

In einem Sonderfall ist der Empfänger eine Lawinenfotodiode und die obengenannte Bedingung 1) wird erreicht, wenn das Geräusch N- bei der Raumhelligkeit, das im weiteren Raumgeräusch genannt wird, etwa das Doppelte des Geräusches N_Q der Verstärker ist.

Vorzugsweise werden die Erzeugung der repräsentativen Signale für die Schätzung der Phasenänderung V (/C^) bzw» der von dieser abgeleiteten Standardabweichung der Entfernung d*_D sowie die optische Anzeige dieses letzten Wertes nach Einstellung der Verstärkung M des Empfängers wiederholt.

Nach einem vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung werden die Stufen i) bis iii) fortgesetzt, bis die Standardabweichung ^₀ der Entfernung kleiner ist als ein festgelegter Höchstwert (^q)m* ^{um au}^ ^^-^ese Weise die Zahl η der Muster zu erhöhen und eine feinere Messung zu erreichen.

Diese Erfindung betrifft auch einen Entfernungsmesser, der aus folgenden Vorrichtungen besteht:

- Sendevorrichtungen, die mit einem Oszillator verbunden und in der Lage sind, in Richtung auf einen gegebenen Seobachtungspunkt eine modulierte elektromagnetische Strahlung auszusenden ,

- Empfangsvorrichtungen, die in der Lage sind, die auf dem genannten Beobachtungspunkt reflektierte elektromagnetische Strahlung nachzuweisen,

- Vergleichsvorrichtungen, die in der Lage sind, die Phase eines ersten Empfangssignals und eines zweiten Modulationssendesignals zu vergleichen, um repräsentative Phasenmuster •f. für die Phasenabweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal zu erzeugen sowie aus:

- Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Wert der Augenblicksänderung (V (Ψ )) der Phasenmuster ⁴P₁,

- Verarbeitungseinrichtungen zur Erzeugung eines Zwischensignals, das vom Mittelwert (f-) von η Phasenmustern ( γ . ), die nach dem genannten repräsentativen Wert für ihre Augenblicksänderung bewertet wurden, abgeleitet ist,

- Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Nutzsignals für die von der elektromagnetischen Strahlung zwischen den Sende- und den Empfangsvorrichtungen zurückgelegte Entfernung auf der Grundlage des genannten, vom bewerteten Mittel (f'p) abgeleiteten Zwischensignals,

- Anzeigevorrichtungen, die auf das Nutzsignal ansprechen und so eingestellt sind, daß sie eine repräsentative Information für die von der Strahlung durchlaufene Entfernung anzeigen.

Vorzugsweise bestehen die Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Wert der Augenblicksänderung aus Geräten, die auf den Wert des in einem Durchlaßbereich, der etwas größer oder gleich der Breite des VVirbelströmungsspektrums ist, betrachteten verrauschten Signals anspricht.

Nach einem vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung sind die Verarbeitungsvorrichtungen für die Erzeugung eines repräsentativen Signals für den geschätzten Mittelwert der Phase ψ ρ auf der Grundlage der folgenden Beziehung eingerichtet:

_ Σ ^i ^Yi Δν-2 ^

E JL γ 2

in der 'ψ. die Phasenmuster und Y. a^ _o den Wert des von einem rekursiven Filter mit einem Durchlaßband Δ\Γ₂ kommenden verrauschten Signals darstellen.

In einer Variante kann der Entfernungsmesser eine erste mehrstufige Detektion für die Erfassung der Phasenmuster f. und eine zweite mehrstufige Detektion für die Erfassung einer Menge von ma Mustern, und zwar mit einer Frequenz, die iie_ mal höher ist als die Frequenz der Erfassung der η Phasenmuster f., einschließen, um ihre Augenblicksänderung V (Y*.) zu bestimmen.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung besteht der Entfernungsmesser auch aus:

- einem optischen Dämpfungsglied, das eine Vielzahl von Filtern einschließt, die auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet sind, und

- Steuervorrichtungen, die auf den Mittelwert /J₃ des Empfangssignals S ansprechen und in der Lage sind, die Stellung des Dämpfungsgliedes so zu steuern, daß dieser Mittelwert unter der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Grenze des Signals von k>-mal die Standardabweichung ^₃ liegt, wobei k^ zwischen 1 und 2 liegt.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung besteht der Entfernungsmesser aus:

- Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Effektivwert des Raumgeräusches N.,

- Vorrichtungen zur Erzeugung von repräsentativen Signalen für den Mittelwert /j und die Standardabweichung J₃ des Signals, ausgedrückt in dB,

- Vorrichtungen, die in der Lage sind, ein repräsentatives Signal für die geschätzte Phasenänderung auf der Grundlage der folgenden Beziehung zu erzeugen:

^N k N ² e"^2a C^s ^{+ a}<^_S ²)

) = ^k2^NA ^{e V S S} (6)

- η-/j - üa ο.¹- -ι

in der k~ und a Konstanten sind und t die Meßdauer darstellt, 2 ^_ ra

während die Bezeichnung l· L J die Verteilungsfunktion des Gesetzes der Normalverteilung der reduzierten, mittig einge-

stellten Variablen darstellt und h die verzerrungsfrei zugelassene obere Signalgrenze bezeichnet,

- Vorrichtungen, die auf das genannte Signal ansprechen und in der Lage sind, die geschätzte Phasenänderung optisch anzuzeigen.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung besteht der Entfernungsmesser darüber hinaus aus einem optischen Dämpfungsglied, das sich aus einer Vielzahl von Filtern zusammensetzt und auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet ist, und die Einrichtungen zur Erzeugung repräsentativer Signale für den Mittelwert μ

und die Standardabweichung d des Signals, in dB ausgedrückt, sind für die Erzeugung von Signalen eingerichtet, die entsprechen:

Λ =? Σ <^Aj ⁺ Vi^

^(Ad

worin y. die Muster des in dB ausgedrückten Signals und A. die jeweils mit den Mustern y. verbundene Dämpfung des Signale durch das Dämpfungsglied darstellen, während ρ die Gesamtzahl der berücksichtigten Muster darstellt.

Der Entfernungsmesser besteht des weiteren aus:

- Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals

für den Effektivwert des Raumgeräusches auf der Grundlage von m Geräuschmustern, so daß:

2 1 ^ra 2 ^NA " I £

Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für die geschätzte Phasenänderung auf der Grundlage der Beziehung:

^tm

!<_ eine Konstante ist, Y. , y-„ die Muster des verrauschten Signals und t die Zeit ihrer Erfassung sind,

- und aus Vorrichtungen zur Anzeige einer von der geschätzten Phasenänderung (V {γ-)) abgeleiteten Information.

Vorzugsweise besteht der erfindungsgemäße Entfernungsmesser außerdem aus:

- Vorrichtungen zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für eine Schätzung der Standardabweichung der Entfernung 6„, das der Quadratwurzel der Schätzung der Phasenänderung Vfjj proportional ist und

- aus Anzeigevorrichtungen für die Standardabweichung der Entfernung a_D*

Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser besteht vorteilhaft aus Vorrichtungen zur Steuerung der Vergrößerung der Verstär-

kung M des Empfängers durch Xnkremente, bis eine der drei folgenden Bedingungen erfüllt ist:

1) die Polarisation des Empfängers ist optimiert,

2) die Verstärkung M hat ihren zulässigen Höchstwert erreicht.

3) der Mittelwert des Signals ^j hat einen optimalen Wert erreicht, der der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Signalgrenze (h), vermindert um k.-mal die Standardabweichung (^₃* entspricht, wobei k. ein Wert zwischen 1 und 2 ist.

In einem Sonderfall ist der Empfänger eine Lawinenfotodiode und die obengenannte Bedingung 1) wird erreicht, wenn das Raumgeräusch N. etwa das Doppelte des Geräusches N_Q der Verstärker ist.

Nach einem weiteren vorteilhaften Kennzeichen der Erfindung besteht der Entfernungsmesser aus Vorrichtungen zum Vergleichen der Standardabweichung <5"ρ mit einem festgelegten Höchstwert, um die Mustererfassung zu steuern und eine feinere Messung zu erreichen, solange die Standardabweichung größer ist als der festgelegte Wert·

Der Entfernungsmesser enthält Vorrichtungen zum Vergleich der Standardabweichung mit einem festgelegten Höchstwert, um die Mustererfassung zu steuern und eine feinere Messung zu erreichen, solange die Standardabweichung über dem festgelegten Wert liegt, und Vergleichseinrichtungen, die auf das Erapfangssignal ansprechen und so eingerichtet sind, daß sie die Messung nur dann zulassen, wenn das Empfangssignal zwischen

der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Grenze (h) und einer unteren Schwelle (b) liegt.

Ausführungsbeispiel

Weitere Kennzeichen und Vorteile dieser Erfindung werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung und im Vergleich mit den beigefügten Zeichnungen dargelegt, die als nichteinengendes Beispiel gegeben werden und von denen die Fig. 1 bereits beschrieben wurde:

Fig. 2 stellt schematisch in Form von Baugruppen den Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers, insbesondere der Verarbeitungsvorrichtungen, dar und

Fig. 3A, 3B und 3C, die in einer Reihe zu betrachten sind, stellen ein Ablaufdiagramcn dar, das die Stufen des erfindungsgemäßen Verarbeitungsprozesses veranschaulicht.

In einem ersten Teil soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Entfernung D zwischen den beiden betrachteten Beobachtungspunkten beschrieben werden.

Wie vorher gezeigt, wird die Entfernung D auf der Grundlage der Phasenverschiebung 7 mit Hilfe einer aus der Beziehung (1) abgeleiteten Beziehung bestimmt.

Oedoch schlägt diese Erfindung im Unterschied zu den herkömmlichen Entfernungsmessern, bei denen als beste Phasenschätzfunktion das arithmetische Mittel »f> von η Phasenmustern y.

^A *s\ ι ^{n x} angesehen wurde (es sei daran erinnert, daß "f. = — 2Z ^f-i ) »

^A il ^x

nun vor, als Phasenschätzfunktion für die Ermittlung der Entfernung D den Mittelwert "f _E der η nach ihrer Augenblicks änderung V( γ.) bewerteten Elemente zu bestimmen, so daß:

(9)

Die Verbesserung, die die erfindungsgemäße Verarbeitung mit sich bringt, kann eingeschätzt werden, indem das Verhältnis der Änderungen, V (f _Δ) und V (*i_c), des arithmetischen Mittels / . und des bewerteten Mittels ' $ _ errechnet wird.

Die Änderung von ^νΊ . und von 1 _ ist von einer Meßgruppe zur anderen nicht konstant. Oedoch wird, wenn die Zeit t der Mustererfassung lang genug ist, gezeigt, daß V(-f _A) und V(^ tendieren zu:

-b+ /U_ - 2a - a &*)x F

T₈

(10)

V(/_A) = -%f bzw.

= -f-Δ- ! — (6)

F L-2 L

wobei

a = Log IO _n 20 ^{= u#}

kp - eine Konstante,

b - in dB ausgedrückte zulässige Mindestschwelle, h - in dB ausgedrückte, verzerrungsfrei zugelassene Signalhöchstgrenze und N. - Effektivwert des Raumgeräusches N», fa - Amplitudenmittel des Signals, / - Standardabvveichung des Signals und

FC3 - Verteilungsfunktion des Gesetzes der Normalverteilung der reduzierten mittig eingestellten Variablen.

Genauer gesagt kann die obengenannte Einschätzung der erreichten Verbesserung erfolgen, indem für verschiedene Werte der Standardabweichung ^₃ der Wirkungsgrad Y^

=7

/ ^v

in Abhängigkeit vom Mittel ^u errechnet wird.

Auf der Grundlage der Beziehungen (6) und (10) erhält man

0,0266'

(12)

Die Hauptschwierigkeit bei der Anwendung des obengenannten Verfahrens und insbesondere bei der Bestimmung von J_E auf der Grundlage der Beziehung (9) besteht in der Augenblickserfassung derÄnderung V(^.) zur Ausführung der Bewertung.

Tatsächlich muß die Schätzfunktion von V (f.) theoretisch aus einer Menge von mj Mustern resultieren, die mit einer n_e mal höheren Frequenz als ^f . (das heißt ne) erfaßt wurden

Dazu kann, wenn die Phasenmuster Ί. mit einer Frequenz von 1 erfaßt werden, eine zweite mehrstufige Detektion für Nie-Ff

derfrequenz £-1 und mit einem Durchlaßband von ^{n e} "^ 2 vorgesehen werden, damit die Korrelation zwischen den Messungen nicht die Unsicherheit der Schätzfunktion V ""fj . ) vergrößert.

Unter zweiter mehrstufiger Detektion ist entweder ein am Verstärker 8 angeschlossenes System Mischer-Verstärker-Lautstärkeregelungsstufe-Filter-Formungsstufe-Phasenmesser oder einfach ein Phasenmesser zu verstehen, dessen Phasenmuster durch ein Phaseninkrement von voneinander getrennt sind.

Der Anmelder schlägt indessen ein Verfahren vor, durch welches die obengenannte Verdopplung der mehrstufigen Detektion umgangen werden kann.

Dazu hat der Anmelder zunächst festgestellt, daß der Effektivwert des Geräusches N_A in den wenigen Sekunden, die die Messung dauert, als konstant angesehen werden kann.

Es gilt:

^NA ^{= N}0^{2 + 2 qr}lq ^Ps ^Μ^Δ^2, (13)

N_n - Geräusch der Verstärker,

-19 q = 1,6 . IO ^xaC

M - Verstärkungsfaktor der Fotodiode 7, o£ - Ionisationsfaktor, der im allgemeinen 0,3 beträgt, P - von der Fotodiode empfangene optische Leistung und

- äquivalenter Durchlaßbereich der Filter der Detektionssehaltkreise.

Der Faktor M wird während der Messung durch die Steuerschaltungen konstant gehalten und somit kann nur der Faktor P_ zu einer Schwankung von N. führen.

Oedoch dauert das von der Empfangsoptik aufgefangene Feld nur einige Minuten (das heißt einige Meter bis 1 km). Dadurch ist die Wahrscheinlichkeit, daß sich die Beleuchtungsstärke der "beobachteten" Zone, die im wesentlichen dem Sonnenlicht entspricht, ändert, während der begrenzten Dauer der Messung sehr gering.

Des weiteren kann man, obgleich das Signal S durch die von den Detektionsschaltkreisen ausgeführte Filterung, durch die das Geräusch im Vergleich zum Signal vernachlässigbar wird, nicht allein existiert, schreiben:

^Yi AV₂-T s,

worin Y. _{A Λ/}- den Wert des vom rekursiven Filter mit dem Durchlaßband Δ^ stammenden verrauschten Signals darstellt.

Infolgedessen wurde gefunden, daß man während der Messung auf der Grundlage der Beziehung (4) in Betracht ziehen kann, daß:

V(F₁) = K₁ N_A ²/ Y₁ ²^₂. (15)

Durch Kombination der Beziehungen (9) und (15) erhält man:

η ο w 2

ΣΖ * i ^Yi &V

i=l Z (5)

^J ε " η

1> Die Bestimmung der Phasenschätzfunktion 7_C auf der Grundlage der Beziehung (5) und somit die Bestimmung der Entfernung D ist auf diese Weise vereinfacht und mit Hilfe von herkömmlichen Entfernungsmessern möglich.

Im folgenden soll im Vergleich zu den Fig. 2, 3A₁ 3B und 3C der erfindungsgemäße Entfernungsmesser genauer beschrieben werden.

Wie in Fig. 2 dargestellt, spricht das erfindungsgemäße Rechen-, Programm- und Steuerwerk UC einerseits auf das Ausgangssignal des Phasenmessers 16, das die Phasenverschiebung j*· darstellt, an, und andererseits auf ein am Ausgang des Verstärkers 12 aufgenommenes Signal, das entweder für das verrauschte Signal oder für das Geräusch allein, in Abhängigkeit vom ein- oder ausgeschalteten Zustand der Sende-Lumineszenzdiode 1 repräsentativ ist.

Man wird bemerken, daß letztere über einen durch ein Tor 123 gesteuerten Schalter 119 an einen Modulator 2 angeschlossen ist.

Wenn das an das Tor 123 angeschlossene Signal den geschlossenen Zustand des Schalters 119 steuert, wird die Diode 1 gespeist und die Meßkette spricht auf das verrauschte Signal an,

Umgekehrt, wenn das an das Tor 123 angeschlossene Tor den^: geöffneten Zustand des Schalters 119 steuert, spricht die Meßketts auf das Geräusch allein an und die Diode wird nicht gespeist.

Das zweite repräsentative Signal für das verrauschte Signal

oder für das Geräusch allein, auf das die Rechen-, Programmund Steuereinheit UC anspricht, wird über eine in Reihe geschaltete Baugruppe an diese angeschlossen, die einerseits aus einer mit dem Ausgang des Verstärkers 12 verbundenen Signalmustererfassungsstufe, die die Spitzenwerte des sinusförmigen Signals, die am Ausgang des letzteren auftreten, erfaßt, und andererseits aus einem Analog-Digital-Umsetzer 101 besteht.

Außerdem ist die Dynamik des Lichtbrechungsvermögens für einen Anwendungsbereich der Entfernungsmesser von einigen Metern bis ; das Signal.

Metern bis zu mehreren Kilometern 10 mal (120 dB) größer als

Aus diesem Grund schließt der Entfernungsmesser, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, ein variables optisches Dämpfungsglied ein, das auf dem Weg der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet und in der Lage ist, das Lichtbrechungsvermögen des Signals schrittweise zum Schwanken zu bringen, um zu verhindern, daß die elektronischen Schaltungen nicht durch ein Signal mit einer Amplitude größer als h gesättigt werden.

Genauer gesagt, das optische Dämpfungsglied besteht aus einer Gruppe von Graufiltern 120, die im Vergleich zu der Empfangsdiode 7, durch einen Motor 121 angetrieben, drehend verschiebbar sind. Die Stellung der Filter 120 wird durch ein Codiergerät kontrolliert.

Der in der Fig. 2 schematisch dargestellte Aufbau der Rechen-, Programm- und Steuereinheit UC wird in Verbindung mit dem Ablaufdiagramm der Fig. 3A bis 3C beschrieben.

Wie in der Fig. 3A dargestellt, wird durch die Phase 200 (Befehl Entfernungsmessung an der Tastatur) das Verfahren der Messung der Entfernung D durch Betätigung der Tastatur des Entfernungsmessers durch einen Bediener in Gang gebracht.

Nach dieser Betätigung erfolgt durch das Rechen-, Programm- und Steuerwerk UC des Entfernungsmessers in einem ersten Arbeitsschritt eine Messung des Geräusches bei der Raumhelligkeit. Wie dies im folgenden dargelegt werden soll, wird diese Geräuschmessung zur Ermittlung der Standardabvveichung <ζ~_Ώ der Entfernung D benutzt.

In der Fig. 2 kann das Verfahren der Geräuschmessung durch Verbindung des Umsetzers 101 und des Rechenblocks 114 ( ^k X. ) über den Schalter 102 schematisch veranschaulicht werden.

Für diese Messung steuert das Rechen-, Programm- und Steuerwerk in der Stufe 201 (LED = 0 und A. = 0) einerseits die öffnung des Schalters 119 und damit die Löschung der Diode 1 und andererseits die Positionierung der Graufilter 120 für eine Mindestdämpfung des Signals.

In der folgenden Stufe 202 bestimmt das Rechen-, Programmund Steuerwerk den Effektivwert M. des Raumgeräusches auf der Grundlage der Beziehung

in der X. die Raumgeräuschmuster darstellt.

Um schnell die unkorrelierten Geräuschmuster X. zu erfassen,

erfolgt die Erfassung dieser Muster bei jeder Periode T im Band Λ f .

Der Wert von m (Anzahl der Muster) wird entsprechend einem Kompromiß zwischen der gewünschten Genauigkeit der Änderung V(fp) und der Erfassungszeit der angenommenen X. bestimmt.

Die Summierung der Proben X. erfolgt durch die in der Fig. schematisch durch 114 gekennzeichneten Vorrichtungen.

Danach erfolgt eine Bestimmung des Mittels /j und der Standardabvveichung g der Amplituden des Signals y. in dB.

In der Fig. 2 kann dieses Verfahren durch die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Umsetzer 101 und dem Rechenblock 103 (Ausschuß y. ">{")) über den Schalter 102 schematisch veranschaulicht werden.

Um μ und <f richtig zu messen, dürfen keine Überschreitungen von h, die zu Amplitudenverzerrungen führen, auftreten.

Wenn die Ausführungszeit des ganzen Programms nicht kritisch ist, kann die Sammlung der Spannungsrauster nach einigen Sekunden beginnen, in denen jede Signalüberschreitung durch Betätigung des Filters 120 eine Vergrößerung der optischen Dämpfung um ein Inkrement Δ Α mit sich bringt.

Es ergibt sich somit:

1 JL /J₈ - ρ 2C Y₁ und (17)

y±

Gedoch kann, wenn die Ausführungsdauer des Meßprogramms auf ein Minimum zu führen ist, die Steuerung des Filters 120 durch eine Steuervorrichtung 117 beschleunigt werden, das die Information der Überschreitung von h und der Stellung des Dämpfungsfilters empfängt. Beispielsweise kann ein Inkrementalcodiergerät, wenn das Filter 120 ein Rotationsfilter mit fortschreitender Grauskala ist, aer Dämpfung A. eine entsprechende Zahl verleihen.

Bei jeder Überschreitung von h dreht sich das Filter um j Inkremente gemäß einer Dämpfung β A. In den Zeitintervallen, in denen y. kleiner ist als h, erfolgen zwei Summierungen:

P W = 2Z (A₁ +Y₁). und (19)

Z_p = 2- (Aj + Y₁)² . (20)

Des weiteren muß die mit ^A bezeichnete Dämpfung so gewählt werden, daß die Höchstzahl von Messungen hoher Amplitude, die durch den Schwellenwertdetektor h unterdrückt werden, gegenüber ρ gering ist.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, ergaben sich aus den Beziehungen (17) und (18):

M₅ = § £1 (A₁ + y,) und (7)

^ il ^J

Y_±)² -/i_s ² . (8)

Dazu wird in der Stufe 203 (LED = 1 und A. = 0), wie in der Fig. 3A dargestellt, die Sendediode 1 durch Schließung des Schalters 119 angesprochen, und die Dämpfung des durch das Filter 120 hervorgerufenen Signals ist immer noch minimal.

In der folgenden Stufe (y.yh) (die durch die in der Fig. schematisch durch 103 gekennzeichneten Vorrichtungen erfolgt) wird getestet, ob der Wert y. des verrauschten Signals größer ist als ein Wert h, der der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Signalgrenze entspricht, oder nicht.

Wenn die obere Grenze h überschritten ist, folgt auf die Stufe 204 eine Stufe 205 (A. = A_1-1 + δΑ) , in der der durch die Vorrichtung 117 gespeiste Motor 121 die Graufilter 120 verschiebt, um die optische Dämpfung des Signals um einen Schritt zu vergrößern.

Nach jeder Vergrößerung der Dämpfung um ein Inkrement wird der Test der Stufe 204 wiederholt. Auf diese Weise werden die Signale y. mit einer Amplitude kleiner als die Grenze h, die mit einer Dämpfung A. verbunden sind, gesammelt und, nachdem die verrauschten Signale y.^ durch ein rekursives Filter AV₂ 104 geleitet wurden, werden sie in der Stufe 206 mit einer festgelegten Schwelle verglichen.

Wenn der Wert des verrauschten Signals unter der Schwelle b liegt, wird in der Stufe 207 ein Alarm ausgelöst, der dem Bediener meldet, daß der Signalpegel zu schwach ist, um eine genaue Messung zu ermöglichen.

Dagegen, wenn der Wert des verrauschten Signals über der Schwelle b liegt, folgen nach der Stufe 206 die Stufen 208

und 209.

In der Stufe 208 bestimmen die Vorrichtungen 113 des Rechen-,

Programm- und Steuerwerkes ein Signal, das den Wert

^WP ⁼ Σ1 ^(Aj ^{+ y}i^{} (19)}

darstellt, während in der Stufe 209 die Vorrichtungen 112 des Rechen-, Programm- und Steuerwerkes ein Signal bestimmen, das den Wert

P Z = 21 (A ₊ y )² (20)

r -1 = 1 «

darstellt, worin A. die durch die Filter 120 bewirkte Dämp-

fungsamplitude darstellt.

In der Fig. 2 kann dieser Prozeß schematisch durch die Herstellung einer Verbindung zwischen dem Rechenblock 105 einerseits und den Rechenblöcken 112 und 113 andererseits, und zwar über den Schalter 106, veranschaulicht werden.

Die Stufen 208 und 209 werden dann von einer Stufe 210 gefolgt, in der die Vorrichtungen, die in der Fig. 2 durch gekennzeichnet und mit den Rechenblöcken 112 und 113 verbunden sind, einerseits das Mittel ju und andererseits- die Standardabweichung ^_ auf der Grundlage der folgenden Be-Ziehungen bestimmen:

A

und (21)

die aus den Beziehungen (7) bzw. (8) abgeleitet sind und in denen ρ die Anzahl der in den Stufen 208 und 209 berücksichtigten Muster ist.

In der folgenden Stufe 211 nimmt das Rechen-, Programm- und Steuerwerk UC eine Schätzung der Phasenänderung S^ vor, und zwar auf der Grundlage der Beziehung:

.,, ,5 ν ' 2 A , ^₅J

h - /U₃ - 2a S

Die in der Fig. 2 durch 116 gekennzeichneten Vorrichtungen nehmen dann, in der Phase 212, eine vorläufige Schätzung und eine optische Anzeige der Standardabweichung der Entfernung vor, indem sie ein Signal erzeugen, das

V(f_E) (23)

darstellt.

In Abhängigkeit vom angezeigten Wert entscheidet der Bediener, ob er die Messung fortsetzen soll oder nicht.

Gegebenenfalls kann der Bediener die Meßdauer t oder die Parameter der optischen Verbindung (z. B. die Zahl der Prismen) ändern.

Zutreffendenfalls folgt der Stufe 212 eine Teststufe 213, in

der der Schätzwert o^_D der Standardabweichung mit einem festgelegten Höchstwert (^q)m der Standardabweichung verglichen wird.

Wenn der Schätzwert c-i _D unter dem Höchstwert (^₀)., liegt, folgt nach der Stufe 213 die Stufe 214, in der die Vorrichtungen 117 des Entfernungsmessers die Stellung der Graufilter 120 so einstellen, daß das Mittel yu die folgende Beziehung einhält:

/"β ^h - ^k4^s · <²⁴>

in der h die verzerrungsfrei zugelassene obere Signalgrenze ist und l<₄ einen Koeffizienten zwischen 1 und 2 darstellt, der von der mittleren Dauer der Oberschreitungen von h und von der Dauer der Unterbrechung der Gültigkeitserklärung der Messungen abhängt, durch die die Schaltungen in ihren linearen Betriebsbereich zurückkehren können.

Nach der Stufe 214 folgt die Stufe 226.

Wenn dagegen der Schätzwert der Standardabweichung ό«_D über dem Höchstwert (^_D)_M liegt, führt die Stufe 213 zu einer Regelung der Verstärkung M der Lawinenfotodiode 7 gemäß der Steuerung der Vorrichtungen 118 des Rechen-, Programm- und Steuerwerkes UC.

Die Entscheidung, das Meßprogramm zu verlängern, um den Wert von M zu erhöhen, der bei der Initialisierung des Systems auf einen Mindestwert M₀ festgesetzt wird, wird somit in Abhängigkeit vom Wert der Standardabweichung bestimmt.

Um M auf den optimalen Wert einzustellen, wenn 6 *q (d_Q)_M>

wird zunächst eine Messung des Geräusches im Dunkeln durchgeführt.

Das Rechen-, Programm- und Steuerwerk UC steuert den Schalter 102 (Fig. 2), um den Umsetzer 101 und die Vorrichtungen 114 zu verbinden.

Überdies wird in der Stufe 215 (LED = 0 und A. = A-.) einerseits die Sendediode 1 durch öffnung des Schalters 119 gelöscht und andererseits werden die Filter 120 durch Steuerung des Motors 121 betätigt, um eine maximale Dämpfung A.. des Signals zu bewirken.

In der Stufe 216 wird dann der Wert des Geräusches, das durch die Verstärker bedingt ist, mit Hilfe der folgenden Beziehung bestimmt:

^No - I ^₁ ^Xi² · (²⁵)

Danach, in der Stufe 217, werden - bei gelöscht bleibender Sendediode 1 - erneut der Motor 121 und die Filter 120 betätigt, um eine Mindestdämpfung des optischen Signals zu erreichen, so daß das Raumgeräusch NL gemessen wird.

Die Phase 217 wird von der Stufe 219 gefolgt, in der das Rechen-, Programm- und Steuerwerk testet, ob das Verhältnis Νλ/Nq größer ist als 2 oder nicht.

Wenn ja, wird die Polarisation der Lawinenfotodiode optimiert, und es somit nicht erforderlich, M zu erhöhen, und der Stufe 219 folgt die obengenannte Stufe 226.

Wenn nicht, folgt der Stufe 219, da die Polarisation der Fotodiode nicht optimiert ist, die Stufe 220 (M. = M.;^ + ^M in der die Verstärkung durch Inkreraente £ M vergrößert wird, wobei M und Δ M in dB ausgedrückt werden.

In der folgenden Stufe 221 wird auf die gleiche Art wie in der vorher genannten Stufe 202 der Effektivwert des Raum- . geräusches N, mit Hilfe der Beziehung:

bestimmt.

Schließlich bestimmt das Rechen-, Programm- und Steuerwerk in der S

ziehung:

in der Stufe 223 den Wert des Mittels ^u mit Hilfe der Be

= M. - Mo ₊ ,U₈J_-1 . (26)

In der Stufe 224 testet das Rechen-,. Programm- und Steuerwerk, ob der Faktor M. den zulässigen Höchstwert M_M erreicht hat.

Wenn dies der Fall ist, folgt auf die Stufe 224 die Stufe 226.

Wenn dagegen M kleiner ist als M.., testet das Rechen-, Programm- und Steuerwerk in der Stufe 225, ob der Mittelwert des Signals /U . den optimalen Wert (32) /J₀ . = h - k. ö' erreicht hat.

Wenn diese Gleichung erfüllt ist, folgt der Stufe 225 die Stufe 226.

Die Regelung der Verstärkung M ist beendet.

Im gegenteiligen Fall wiederholt das Rechen-, Programm- und Steuerwerk nach der Stufe 225 den Test der Stufe 219.

Das Rechen-, Programm- und Steuerwerk UC nimmt dann eine neue Schätzung 6^₂H ^^ΘΓ Standardabweichung der Entfernung vor.

In der Stufe 226 bestimmt das Rechen-, Programm- und Steuerwerk den Schätzwert der Änderung der Messung der Phasenverschiebung V(*f_c) auf der Grundlage der Beziehung (6).

Die Vorrichtungen 116 des Rechen-, Programm- und Steuerwerkes UC nehmen dann in der Stufe 227 eine erneute Schätzung und eine optische Anzeige des Wertes der Standardabweichung 6 pn auf der Grundlage der folgenden Beziehung vor:

Es bleibt dann der Wert des erfindungsgemäß bewerteten Mittels und der Standardabweichung d_D der Entfernung zu bestimmen.

Dazu werden in der Stufe 228, die der Stufe 227 folgt, zwei Parameter W und Z auf Null gestellt.

Der Rechenblock 103 (Fig. 2) wird über den Schalter 102 wieder an den Umsetzer 101 angeschlossen und die Vorrichtungen 107 und 108 werden über den Schalter 106 an die Vorrichtungen 105 angeschlossen.

Dann, in der Stufe 229, prüfen die Vorrichtungen 103 des

Rechen-, Programm- und Steuerwerkes UC, daß der Wert des Signals y. (in dB) nicht größer ist als die verzerrungsfrei zugelassene obere Grenze des Signals h.

Wenn jedoch der Wert des Signals y. größer ist als die Grenze h, wird der Test 229 wiederholt, und die entsprechenden Muster y. des Signals werden nicht gesammelt.

Wenn dagegen der Wert des Signals y. nicht über der Grenze h liegt, folgt nach dem Test 229 die Stufe 230, in der die Vorrichtungen 105 des Rechen-, Programm- und Steuerwerkes testen, ob der Wert des Signals y. unter der Schwelle b liegt.

Vlenn ja, wiederholt das Rechen-, Programm- und Steuerwerk nach dem Test 230 die Stufe 229.

Wenn nicht, werden die Muster y_± gesammelt und der Stufe folgen die Stufen 231 und 232.

In diesen bestimmen die in der Fig. 2 durch 107 und 108 gekennzeichneten Vorrichtungen jeweils Signale, die darstellen:

²i = ²I-I^{+ Υ}Λν ₂ und (28)

Dann bestimmen die Vorrichtungen 109 in der Stufe 233 die geschätzte Phasenänderung V(f r.) durch Erzeugung eines Signals, das darstellt:

_k μ 2 k N ²

^k2^NA = ^{2 A} _t (30)

*ηι ^Zn ^tm ⁿ Y²X,

Die Vorrichtungen 109 und 111 des Rechen-, Programm- und Steuerwerkes bestimmen dann in der Stufe 234 einen Schätzwert

der Standardabweichung 0 . 1/ ,,"7"T^ \ /o-z\

" D ~ ^<z)/ ^V^i E^}' ^{l 3}^

Außerdem testet nach der Stufe 233 das Rechen-, Programmund Steuerwerk in der Stufe 235, ob der Wert der Standardabweichung d"_D kleiner ist als ein festgelegter Höchstwert ( öV,)_M der Standardabvveichung.

Wenn dies der Fall ist, ist der Wert der Standardabweichung annehmbar und nach der Stufe 235 folgt die Stufe 237.

Wenn dagegen der Wert der Standardabweichung O^ größer ist als der festgelegte Wert (<^₀)_Μ, dann folgt nach dem Test 235 die Stufe 236. In letzterer prüft das Rechen-, Programmund Steuerwerk, daß die Meßdauer t die festgelegte maximale Dauer nicht überschritten hat.

Wenn die Meßdauer t unter der festgelegten maximalen Dauer t ,, liegt, folgt dem Test 236 die vorher genannte Stufe 229, die wiederholt wird.

Wenn die festgelegte Meßdauer jedoch überschritten wurde, folgt der Stufe 236 indessen die obengenannte Stufe 237.

In dieser bestimmen die Vorrichtungen 111 einerseits den Wert der Entfernung D und andererseits den Wert der Standardabweichung der Entfernung auf der Grundlage der folgenden Be-

- 36 Ziehungen und zeigen diesen an:

^{D k}5 V^Zn (31)

(aus der Beziehung (5) abgeleitet ) und

Ν_Δ D ₌ k_r -A ₍₃₂₎

(aus den Beziehungen (23) und (30) abgeleitet).

Man wird bemerken, daß man die Verstärkung M nicht genau kennen muß, um deren Optimum zu finden, jedoch wird der Wert der Verstärkung M, wie dies vorher gezeigt wurde, für die Schätzung des Mittels in der Stufe 223 und für die Einbehaltung der Bedingung M^M_M, die in der Stufe 224 getestet wird, benutzt. Aus diesen Gründen ist es doch wünschenswert, M genau zu kennen.

Oedoch ist M eine nichtlineare Funktion der Polarisationsspannung der Fotodiode sowie der Raumtemperatur. Dadurch können die Inkremente von M, die in der Stufe 220 verwendet werden, nicht genau gemessen werden.

Eine ausreichende Genauigkeit von M könnte durch eine Modulation der Luraineszenz-diode 1 bei der Extinktion und durch Messung des bei jedem Durchgang durch den Zyklus der Vergrößerung von M durch Inkremente erhaltenen Signals erreicht werden.

Oedoch erweist es sich als vorteilhaft, in einen Festspeicher oder einen nichtflüchtigen Speicher (130) eine Zuordnungstabelle von M in Abhängigkeit von der Polarisationsspannung U (APD) und in Abhängigkeit von der Temperatur θ einzugeben.

Ein vor der Lavvinenfotodiode 7 angeordnetes Temperaturmeßgerät liefert dann ein elektrisches Signal an einen Analog-Digital-Umsetzer, der an den Datenübertragungsvveg des Mikroprozessors angeschlossen ist, der das Rechen-, Programmund Steuerwerk kontrolliert. Oe nach der gewünschten und vom Mikroprozessor befohlenen Verstärkung "M" wird dann ein Zifferncode an eine Eingabevorrichtung geleitet, die mit der die Fotodiode polarisierenden Spannung programmierbar ist.

Claims (28)

Erfindungsanspruch

1) die Polarisation des Empfängers (7) ist optimiert (219),

1 ^m

- Vorrichtungen (119) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für die geschätzte Phasenänderung auf der Grundlage der Beziehung:

-Al-

V(f _ε) = S-A (30)

in der k„ eine Konstante ist, ^γ· λ^⁷? ^^ie ^^uster verrauschten Signals und t die Zeit ihrer Erfassung sind,

- und aus Einrichtungen zur Anzeige einer von der geschätzten Phasenänderung (V(¹Fr-)) abgeleiteten Information.

1. die Polarisation des Empfängers (7) ist optimiert (219),

1. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten, das Stufen umfaßt, die darin bestehen, von einem ersten Punkt in Richtung auf den zweiten eine durch einen Oszillator modulierte elektromagnetische Strahlung auszusenden, diese elektromagnetische Strahlung am zweiten Punkt auf den ersten zurückzustrahlen, am ersten Punkt an einem Empfänger die reflektierte elektromagnetische Strahlung zu empfangen, die Phase eines ersten Empfangssignals und eines zweiten Modulationssendesignals zu vergleichen und Phasenmuster ^xf. zu erzeugen, die für die Phasenabweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal repräsentativ sind, gekennzeichnet dadurch, daß es außerdem Stufen einschließt, die darin bestehen:

i) ein repräsentatives Signal für den Wert der Augenblicksänderung V(¹P.) der Phasenmuster ( "t¹ · ) zu erzeugen;

ii) als Schätzfunktion der Phase ein Zwischensignal zu erzeugen, das vom Mittelwert (¹^f _E) von η nach ihrer Augenblicksänderung bewerteten Phasenmuster ('"f.) stammt;

iii) ein repräsentatives Nutzsignal für den Wert der Entfernung (D) auf dar Grundlage der Schätzfunktion der Phase (y^) zu erzeugen und

iv) diesen Wert der Entfernung (D) optisch anzuzeigen.

2) die Verstärkung (M) hat ihren zulässigen Höchstwert erreicht (224),

2 ^_n Ic₉ Ν_δ ² e "^2a (Λ* ^{+ a6}s >

v(?_E). 4^

m ,-Th-XJ- 2a

in der k„ und a Konstanten sind, t die Meßdauer, F L J die Verteilungsfunktion des Gesetzes über die Normalverteilung der reduzierten mittig eingestellten Variablen und h die verzerrungsfrei zugelassene maximale Amplitude darstellen,

- und aus Vorrichtungen, die auf das genannte Signal ansprechen und eine von der geschätzten Phasenänderung abgeleitete Information anzeigen kann.

2. die Verstärkung (M) hat den zulässigen Höchstwert erreicht (224),

2. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Bauelemente der mehrstufigen Detektion des Signals so ein-

gerichtet sind, daß der Schwankungsbereich der durch die Schaltungen verzerrungsfrei zugelassenen Signalamplituden den Bereich der Verteilungsfunktion der Amplituden des Empfangssignals, das heiSt vier- bis sechsmal die Standardabweichung ( g^) des Signals, deckt.

3) das Mittel des Signals (/u ) hat einen optimalen Wert erreicht, der der verzerrungsfrei zugelassenen oberen

Signalgrenze (h), vermindert um k^-mal die Standardabweichung (<j ) ent:
1 und 2 ist (225).

weichung (<j ) entspricht, wobei k. ein Wert zwischen

3. das Mittel des Signals ( Ax ) hat einen optimalen Wert erreicht, der der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Grenze des Signals (h), vermindert um k.-mal die Standardabweichung (£ ) entspricht, wobei k. ein. Wert zwischen 1 und 2 ist (225).

3. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach einem der Punkte 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das äquivalente Durchlaßband (z\v*2) der Filter der Schaltungen zum Nachweis des Signals größer ist als die Breite CdF) des Wirbelströmungsspektrums.

4. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die oben genannte Stufe ii) durchgeführt wird, indem als repräsentativer Wert der Augenblicksänderung der Phasenmuster (V(^.)) ein Signal angesehen wird, das dem Kehrwert des Quadrats des Wertes des verrauschten Signals (Y₁) proportional ist, das in einem Durchlaßbereich betrachtet wird, welcher etwas größer oder gleich der Breite des Wirbelströmungsspektrums ist.

5. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten gemäß einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die oben genannte Stufe i mit Hilfe einer mehrstufigen Detektion durchgeführt wird, die eine Menge von η Mustern mit einer Frequenz erfaßt, die η -mal höher ist als die Frequenz der Erfassung der η Phasenmuster f..

6. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten gemäß einem der Punkte 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß weiterhin die Vorstufe (214) vorgesehen ist,

die ein optisches Dämpfungsglied (120) enthält, das auf dem Ausbreitungsweg·der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet ist, und so gesteuert wird, daß das Mittel

( -u ) des Empfangssignals S kleiner ist als die verzer-/ s

rungsfrei zugelassene obere Signalgrenze (h) von k.-mal der Standardabweichung (^ ), wobei k. ein Wert zwischen 1 und 2 ist.

7. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten, gemäß einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß folgende Stufen enthalten sind:

a) Stufe (202) zur Messung des Effektivwertes des Geräusches (H. ) ;

b) Stufe (210) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für das Mittel ( aj ) des Signals und der Standardabweichung (ό_a)ι und zwar auf der Grundlage einer Sammlung von Mustern (y-) des Signals einerseits und des Wertes einer Dämpfung (A.) der Strahlung andererseits, und

c) Stufe (211) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für eine Schätzung der Phasenänderung (V(^p)) bei Kenntnis des Effektivwertes des Geräusches, des Mittels ( μ ) und der Standardabweichung (öO)·

8. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß das Verfahren die Stufe (212) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für eine Schätzung der Standardabweichung der Entfernung ' (^_in) umfaßt, das der Quadratwurzel der Schätzfunktion der Phasenänderung (V(^ _P)) proportional ist.

und diese Standardabweichung anzeigt.

9. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei .Punkten nach einem der Punkte 1 bis 8_f gekennzeichnet dadurch, daß das Verfahren darüber hinaus dia Stufe (220) zur Erhöhung der die Verstärkung (M) des Empfängers (7) durch Inkremente umfaßt, bis eine der drei folgenden Bedingungen erfüllt ist:

10. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach Punkt 9, gekennzeichnet dadurch, daß der Empfänger eine Lawinen-Fotodiode (7) ist und die Bedingung 1) erfüllt ist, wenn das Raumgeräusch (N.) etwa das Doppelte des Geräusches (N_Q) der Verstärker ist.

11· Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten gemäß der Korabination der Punkte 7, 8 und 9, gekennzeichnet dadurch, daß die Erzeugung der repräsentativen Signale für die Schätzung der Phasenänderung (V(^'=)) (226) bzw. für die Standardabweichung der Entfernung (<5_D) sowie die Anzeige (227) des letzteren Wertes nach Ein-

stellung der Verstärkung (M) des Empfängers wiederholt werden.

12. Verfahren zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Punkten nach den Punkten 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Stufen i) bis iii) fortgesetzt werden (235), bis die Standardabweichung (<^₂n^ ^^{er £nt}f^ernun9 kleiner ist als ein festgelegter Höchstwert (<£>_D)_M# um auf diese Weise die Zahl η der Muster zu erhöhen und eine feinere Messung zu erreichen.

13. Entfernungsmesser, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den Punkten 1 bis 12, bestehend aus

- Sendevorrichtungen (1), die mit einem Oszillator (2) verbunden sind und in Richtung eines gegebenen Beobachtungspunktes eine modulierte elektromagnetische Strahlung aussenden können,

- Empfangsvorrichtungen (7), die die auf dem Beobachtungspunkt reflektierte elektromagnetische Strahlung nachweisen können ,

- Vergleichsvorrichtungen (16), die die Phase eines ersten Empfangssignals und eines zweiten Modulationssendesignals vergleichen können, um Phasenmuster ⁴^. zu erzeugen, die für die Phasenabweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Signal repräsentativ sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Entfernungsmesser außerdem besteht aus:

- Vorrichtungen (107, 108), die ein repräsentatives Signal für den Wert der Augenblicksänderung (V(*f.)) der Phasenmuster ('-f *) erzeugen können,

- Verarbeitungsvorrichtungen (110), die ein Zwischensignal erzeugen können, das vom Mittel (V³P-) von η

Phasenmustern ( ^ .), die nach dem repräsentativen Wert ihrer Augenblicksänderung bewertet sind, stammt,

- Vorrichtungen (111), die ein repräsentatives Nutzsignal für die von der elektromagnetischen Strahlung zwischen den Sendeeinrichtungen (1) und den Empfangsvorrichtungen (7) durchlaufene Entfernung erzeugen können, und zwar auf der Grundlage des genannten vom bewerteten Mittel ( /u,-.) stammenden Zwischensignals, und

- Anzeigevorrichtungen (111), die auf das Nutzsignal ansprechen und so eingerichtet sind, daß sie eine repräsentative Information für die von der Strahlung durchlaufene Entfernung anzeigen,

14. Entfernungsmesser nach Punkt 13, gekennzeichnet dadurch, daß die Bauelemente der mehrstufigen Detektion des Signals so eingerichtet sind, daß der Schwankungsbereich der von den Schaltungen verzerrungsfrei zugelassenen Signalamplituden den Bereich der Verteilungsfunktion der Amplituden des Empfangssignals, das heißt vier- bis sechsmal die Standardabweichung (^ ) des Signals, deckt.

15. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 oder 14, gekennzeichnet dadurch, daß der äquivalente Durchlaßbereich (^-v>p) der Filter der Schaltungen zum Nachweis des Signals größer ist als die Breite (AF) des vVirbelströmungsspektrums.

16. E_ntfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß die Einrichtungen (107, 108)

. ' zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Wert der Augenblicksänderung (V(^.)) aus Vorrichtungen bestehen, die auf den Wert des in einem Durchlaßbereich,

der etwas größer oder gleich der Breite des Wirbelströmungsspektrums ist, betrachteten verrauschten Signals (Y.) ansprechen.

17. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 16, gekennzeichnet dadurch, daß die Verarbeitungsvorrichtungen (110) so eingerichtet sind,·daß sie ein repräsentatives Signal für das geschätzte Mittel der Phase ("f _E) erzeugen, und zwar auf der Grundlage der Beziehung:

«r <P Y²Ap
.^s Jr₁ U ^Yi 4v>_{2 (5)}

^Pe" π

in der ("f . ) die Phasenmuster und (Y. Λ,^"?) von einem rekursiven Filter mit einem Durchlaßbereich kommenden verrauschten Signals darstellen.

18. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 15, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus einer ersten Detektionskette zur Erfassung der Phasenmuster (' fj) und aus einer zweiten Detektionskette besteht, die eine Menge

von n„ Mustern mit einer Frequenz erfassen kann, die e

η -mal höher ist als die Frequenz der Erfassung der η Phasenmuster (Ϋ ·)* ^um ihre Augenblicksänderung (V(f .)) zu bestimmen.

19. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 18, gekennzeichnet dadurch, daß dieser außerdem besteht aus: - einem optischem Dämpfungsglied (120), das aus einer Vielzahl von Filtern besteht und auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet ist, und

- Steuereinrichtungen (117), die auf das Mittel (/u_s) des Empfangssignals (S in dB) ansprechen und die die Stellung des Dämpfungsgliedes so steuern können, daß das Mittel kleine'r ist als die verzerrungsfrei zugelassene obere Grenze des Signals (h) von k.-mal die Standardabweichung (£> ), wobei k. ein Wert zwischen 1 und 2 ist.

20« Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 19, gekennzeichnet dadurch, daß es besteht aus:

- Vorrichtungen (114) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Effektivwert des Raumgeräusches (N ),

- Vorrichtungen (112, 113, 115) zur Erzeugung von repräsentativen Signalen für das Mittel ( u ) des Signals und für die Standardabvveichung {<£>-) des Signals,

- Vorrichtungen (116), die ein repräsentatives Signal für die Schätzvarianz der Phase auf der Grundlage der folgenden Beziehung erzeugen können:

21. Entfernungsmesser nach Punkt 20, gekennzeichnet dadurch, daß es außerdem aus einem optischen Dämpfungsglied (120) besteht, das sich aus einer Vielzahl von Filtern zusammensetzt und auf dem Ausbreitungsweg der elektromagnetischen Strahlung eingeschaltet ist, und die Vorrichtungen (112, 113, 115) zur Erzeugung von repräsentativen Signalen für das Mittel (/ü ) des Signals und für die Standardabweichung (C; ) des Signals so eingerichtet sind, daß sie Signale erzeugen, die entsprechen:

P
yu_s = i JZ (Aj + Y₁) bzw. (7)

worin y. die Muster des in dB ausgedrückten verrauschten Signals und A. die Dämpfung des Signals durch das Dämpfungsglied (120) darstellen.

22. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 21, gekennzeichnet dadurch, daß dieser enthält,

- Vorrichtungen (114) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für den Effektivwert (N_A) °*es Raumgeräusches auf der Grundlage von ra Geräuschmustern (X₁), so daß:

23. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 20 oder 22, gekennzeichnet dadurch, daß dieser darüber hinaus besteht aus:

- Vorrichtungen (11) zur Erzeugung eines repräsentativen Signals für eine Schätzung der Standardabvveichung der Entfernung (d_D)» das der Quadratwurzel der Schätzung der Phasenänderung (V( f _E)) oder V(^p,-) proportional ist, und

- Vorrichtungen zur Anzeige der Standardabweichung der Entfernung (d _D).

24. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 23, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus Vorrichtungen (118) zur Steuerung der Zunahme der Verstärkung (M) des Empfängers durch Inkremente besteht, bis eine der drei folgenden Bedingungen erfüllt ist:

25. Entfernungsmesser nach Punkt 24, gekennzeichnet dadurch, daß der Empfänger eine Lawinenfotodiode ist und die Bedingung 1) erfüllt ist, wenn das Raumgeräusch (N*) etwa das Doppelte des Geräusches (N₀) der Verstärker ist.

26. Entfernungsmesser nach Punkt 23, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus Vorrichtungen besteht, die die geschätzte Standardabweichung der Entfernung (ö'in) ^m·*-* einem festgelegten Höchstwert (d _D)_M vergleichen können (213), um die Einstellung der Verstärkung (M) zu steuern, wenn die geschätzte Standardabweichung (<5_1D) über dem Höchstwert ((*_D)_M) liegt.

27. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 26, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus Vorrichtungen zum Vergleich (235) der Standardabvveichung {d _D) ^m^ einem festgelegten Höchstwert ((cf_D)_M) besteht, um die Mustererfassung zu steuern und eine feinere Messung zu erreichen, solange die Standardabweichung über dem festgelegten Wert liegt.

28. Entfernungsmesser nach einem der Punkte 13 bis 27, gekennzeichnet dadurch, daß dieser aus Vergleichseinrichtungen (103, 105) besteht, die auf das Empfangssignal ansprechen und so eingerichtet sind, daß sie die Messung nur dann zulassen, wenn das Empfangssignal zwischen der verzerrungsfrei zugelassenen oberen Grenze (h) und einer unteren Schwelle (b) liegt.

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen.