DE2229887C3 - Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser und seine Anwendung zur Geschwindigkeitsmessung - Google Patents

Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser und seine Anwendung zur Geschwindigkeitsmessung

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Enifcrnungsmeßgeräi mit einem als Sender arbeitenden Laser, einem Strahlablenker zum periodischen Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene und mil einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor mit einer scharf gebündelten Empfangscharakierislik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie, die vom Laserstrahl getroffen wird.
Ein solches Entfcrnungsmcßgcräl isl aus der L)S-PS 54 646 bekannt. Dieses Meßgerät benutzt einen rotierenden Spiegel als l.ichtablenker. Der rotierende Spiegel isl auf der Achse eines Motors befestigt, und wird von diesem angetrieben. Der Laserstrahl wird durch eine zwischen dem rotierenden Spiegel und dem Laser angeordnete Oplik auf eine von der Visierlinie getroffene Oberfläche eines Objekts fokussiert.
Die Entfernung des Objekts wird als Absland ν /wischen dem Durchstoßpunkl der Visierlinie durch die Oberfläche des Objekts und dem ['uöpunkt des von der Drehachse des rotierenden Spiegels auf die Visierlinie gefällten Lotes, dessen Länge y bekannt ist, ermittelt. Zur Ermittlung von ,v wird der Winkel .-v gemessen, den eine Gerade durch die Drehachse des rotierenden Spiegels und den Durchstoßpunkt der Visierlinie mit dem Lot einschließt. Die gesuchte Entfernung ergibt sich aus dem gemessenen Winkel durch χ = ytamx/.
Der Winkel «,wird mittels einer mit der Drehachse des Motors fest verbundenen und mit einer Stricheinteilung versehenen Kodierscheibe gemessen, indem die an einem ortsfesten Detektor vorbeilaufenden Striche von einem ersten Strich an, welcher der Winkelposition 0" entsprich'., gezählt werden, bis der Detektor mit der scharf gebündelten Empfangscharakteristik entlang der Visierlinie ein Signal abgibt. Die gezählten Striche geben dann den Winkel «/.· an
Bei einer anderen Methode wird der Winkel mit Hilfe von Sinus- und Kosinuspotentiometern gemessen,
lu welche mit der Drehachse des Spiegels verbunden sind, und die Ausgangssignale dieser beiden Potentiometer werden auf eine Dividierschaltung gegeben, deren Ausgangssignal dann dem Tangens des gemessenen Winkels <Xh entspricht.
Dieses Entfernungsmeßgerät muß auch justiert werden und dazu sind zusätzlich halbdurchlässige Spiegel in den Strahlengängen des Laserstrahls und des vom Objekt reflektierten Lichts angeordnet.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
2u Entfernungsmeßgcrät der eingangs genannten Art anzugeben, welches keine strahlfokussierende Optik und keine Antriebsmotoren benötigt.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Taktgenerator vorgesehen ist, welcher kontinuierlich Rechteck-
2) impulse erzeugt und damit einen Sägezahngenerator synchronisiert, daß ein piezoelektrischer Strahlablenker mit einem Schwingspiegel vorhanden ist, dessen Ablenkung von der Sägezahnspannung gesteuert wird, und daß eine Vorrichtung vorhanden ist, welche die
«ι Zeildifferenz zwischen der Anstiegsflanke eines Taktimpulses und derjenigen eines weiteren Impulses mißt, der vom Detektor aufgrund von Licht, das von einem diffus reflektierenden Objekt /ti ihm gelangt, ausgelöst wird.
)> Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß Entfernungsmeßgcrüte, bei welchen eine Zeitdifferenz zur Ermittlung der Entfernung dient, beispielsweise aus der DE-AS 12 59 582 und der DI-AS ib 23 512 bereits bekannt sind. Diese Enlfermingsmeligerate arbeiten
4» aber nach einem anderen Meßprinzip. Bei ihnen wird die Laufzeit eines Lichiimpiilses von der Quelle zum Objekt und vom Objekt zu einem Detektor gemessen, woraus sich dann die Entfernung ties Objekts mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit ergibt.
r. Auch sind Vorrichtungen zur Messung einer Zeitdifferenz an sich bekannt.
Aus der DIl-AS 16 23 512 isl auch bereits ein EntfernungsmeDgeräl bekannt, welches mit einem Sägezahngenerator und einem davon gesteiiericn
">» Prisma aus piezoelektrischem Material /ur Strahlablenkung versehen isl. Der Sägezahngenerator wird dort durch den abgestrahlten l.ichlimpiils synchronisiert und das piezoelektrische Prisma isl im Strahlengang des vom Objekt zurückkehrenden Lichts angeordnet. Das
v> piezoelektrische Prisma bewirk! eine Ablenkung der zurückkehrenden Energieimpulse um einen Winkel, der der Zeit zwischen der Ozoiiguiij! und Rückkehr tier Impulse proportional ist.
Wesentliche Vorteile des hier vorgeschlagenen
mi EnlfcrnungsmeHgerätes werden im folgenden aufgezählt.
Ks sind keine aufwendigen )ustierarbeilen erforderlich, wie dies beispielsweise beim Gegenstand der US-PS 35 54 646 erforderlich ist. Der die Oberfläche des
'.·> Objekts abtastende Lichtfleck darf relativ groß sein, so daß keine strahlfokussierende Optik erforderlich ist. Da ein piezoelektrischer Strahlablenker mit einem Schwingspiegel verwendet wird, sind keine Antriebsmo-
toren notwendig. Mit einem solchen Strahlablenker mit Schwingspiegel lassen sich Ablenkungen bis zu 20' erreichen. Ein solcher Strahlablenker kann mit hohen Frequenzen betrieben werden, wodurch eine hohe Abtastgeschwindigkeit erreichbar ist. Die Anzahl der Entfernungsmessungen entspricht der Abtastfrequenz, mit der das Objekt abgetastet wird, wodurch die Geschwindigkeit auch bewegter Objekte senkrecht zur Bezugsebene sehr genau ermittelt werden kann. Da die Entfernung als eine Zeitdifferenz gemessen wird, kann die in Längeneinheiten ausgedrückte Entfernung bequem mit herkömmlichen digitalen oder analogen Anzeigegeräten, wie beispielsweise handelsübliche digitale oder analoge Zeilmeßgeräte direkt angezeigt werden. Im Gegensatz zu Entfernungsmeßgeräten, welche die Laufzeit von Lichtimpulsen messen, und wo wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit zu kleineren Abständen hin eine Grenze vorhanden ist, die nicht unterschritten werden kann, weil die donn gemessenen Zeitdifferenzen zu klein sind und nicht mehr gemessen werden können, ist das hier vorgeschlagene Entfernungsmeßgerät gerade für diesen Bereich kleinerer Abstände besonders gut geeignet. Es vereinigt so in sich die Vorteile eines Entfernungsmeßgerätes, bei welchem zur Ermittlung der Entfernung ein Winkel gemessen wird, mit den Vorteilen eines Enlfernungsmeßgerätes, bei welchem die Entfernung als Zeitdifferen/. gemessen wird. Außerdem lassen sich mit dem hier vorgeschlagenen Entfernungsmeßgerät die Entfernungen sehr genau messen.
Die Erfindung wird anhand der f-'iguren im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. I in schcmatischcr Darstellung ein vorgeschlagenes Entfernungsmeßgerät,
Fig. 2 Spannungsdiagramme über der Zeit l. welche zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des vorgeschlagenen Entfernungsmcßgeräts dienen.
Anhand der F i g. 1 wird das vorgeschlagene Enifernungsmeßgcräl beschrieben. Fin Taktgenerator 7. speziell ein astabilcr Multivibrator, erzeugt Rechteckspannungsimpul.se, die als Ausgangsspannung für die Referenz- und Steuerimpulse dienen. Aus der Rechteckspannung wird in einem Sägezahngenerator 8 eine Sägczahnsteuerspannung, die auch eine Dreiecksteuerspannung sein kann, gewonnen. Diese wird einem piezoelektrischen l.ichtablenker 9 mit einem Schwingspiegel 10 zugeleitet. Als Lichtquelle für diesen Lichtstrahl dient ein Dauerstrichlaser 12. dessen Strahlung am Schwingspiegel IO umgelenkt wird. Der Spiegel 10 schwingt mit einer Frequenz von mehreren kHz, wobei der umgelenkte Strahl mehrere tausendmal in einer Sekunde einen Winkel von 20' /wischen den maximalen Auslenkrnipliliiden /wischen den Punkten 14 und 15 überstreicht. Bei Ansteuerung des Spiegels 10 mit einer Dreieckspannung verlauft die Bewegung des Lichtstrahles zwischen ikn Punkten 14 und 15 mit gleicher Geschwindigkeit in beiden Richtungen. Wird der Schwingspiegel 10 mit einer Sägezahnspannung iingcslcucrl, so verläufl die Bewegung /wischen den Punkten 14 und 15 in einer Richtung schneller als in der anderen. Der Lichtstrahl wird am Objekt 13 gestreut. Das Streulicht gelangt darauf in den Detektor 17, welcher entlang der Visierlinie 17' eine scharf gebündelte Empfangsrhurakluristik aufweist. Überstreicht der Lichtstrahl die fläche in einem Bereich Δβ, so wird zu einem bestimmten Zeitpunkt der l.aserlichtslrahl das Objekt 13 treffen und das Streulicht in den Detektor 17 gelangen. Dieser Zeitpunkt wird der Entfernung 11 des Objekts 13 von einer Bezugsebene 6 in der Nähe des Schwingspiegels 10 zugeordnet, da die Ablenkstellung des .Schwingspiegels zu diesem Zeitpunkt zum Empfang des Streulichtes im Detektor führt. Das vom Detektor 17 registrierte Lichtsignal wird in einem Verstärker 19 mit automatischer Verstärkungsregelung verstärkt und gelangt über einen Impulsformer 20, welcher aus dem Signal eine Rechteckspannung formt, zu einem Differentiator 21, welcher nur die Anstiegsflanke des Meßimpulses einem Impulsdiskriminator 22 zuführt. Diesem Impulsdiskriminator 22 wird auch die Anstiegsflanke des in einem Differentiator 23 differenzierten Spannungssignals aus dem Taktgenerator 7 zugeführt. Der Impulsdiskriminator erzeugt der Zeildifferenz von Referenzimpuls und Meßimpuls entsprechend lange Impulse, die in einem Integrator 24 integriert und einer Digitalanzeigevorrichtung 25 und einer Analoganzeigevorrichtung 26 zugeführt werden.
Diese Anzeigen geben den Meßwe;. wieder, welcher der Entfernung des Objektes 13 von der B.-zugsebene 6 entspricht. Befindet sich das Objekt 13 in Höhe der Linien 27 oder 28, dann trifft der gestreute Lichmrahl den Detektor 17 entsprechend später, so daß die im Impulsdiskriminator erzeugten Impulslängen geändert werden. Berührt das Objekt beispielsweise als dickes Band mit seiner von der Meßstation abgewandicu ebenen Oberfläche eine Bezugsebcne mit einer von der Meßstation bekannten Entfernung, dann läßt sich durch Messen der Entfernung der der Meßstation zugewandten ebenen Oberfläche des Bandes dessen Dicke bestimmen.
Anhand der F i g. 2 wird der zeitliche Verlauf der in den einzelnen elekironisch'.'ii Geraten vorliegenden Spannungen dargestellt.
Der Generator 7 erzeugt eine Rechteckspannung I >,.. von der die Anslicgsflanken i/«als Referenzinipulse in den Impulsdiskriminator gelangen. Der piezoelektrische Lichtjblenker 9 wird mit den Sleuerspannungen f<\ angesteuert, welche entweder siigezahnförmig 29 oder dreieekförmig 30 verlaufen. Die zu drei verschiedenen Entfernungen des Objektes von der Bezugscheine 6 gemäß der eingezeichneten Lage des Objekte·". 13 oder einem Ort in Höhe der Hezugsebenen 27 bzw. 28 gehörigen Änderungen des Einfallswinkels Δβ sind durch drei Spannungswertc f/\ n. i'·, i> und i\n gekennzeichnet. Diese Spannungswerte geben an, bei welcher Stcuerspanming und zu welcher Zeit der Meßimpuls LIm entsteht. Für diese drei verschiedenen Entfernungen des Objektes erhält man aus dem Impulsdiskriminator unterschiedlich lange Rechteckimpulse Hkm >\. IIhu ν t)Y.v/. I1KMIi- Diese Impulslängen wünlc, für eine Sägczahnsteuerspannung 29 länger. Infolgedessen könnten geringe Entfernungsunterschiede des Objektes genauer festgehalten werden.
Das Einfernungsmcßgerät läßt sich auch zum Messen der Geschwindigkeit des Objektes 13 verwenden, was anhand der F i g. I erläutert wird. Bewegt sich beispielsweise das Objekt 1.3 senkrecht auf die IJezugscbene 6 zu, so wird es zu zwei kurz, aufeinanderfolgenden Zeitpunkten Λ und /? ruf seine Entfernung vermessen. Zu diesen beider. Zeiten wird der Impulsdiskriminator 22 für die Dauer einer halben Ablcnkperiode des Schwingspiegels 10 über einen Impulsgeber 27' eingeschaltet. Ein automatischer Schalter im Integrator 24 schließt die Anzeigegeräte 25 und 26 nur zum Zeitpunkt t\ an den Impulsdiskriminator 22 an, so daß die Entfernung des Objektes 13 nur zur Zeit l\ angezeigt wird. Der Integrator 2i ist mit einem
weiteren digitalen Anzeigegerat 28' und einem analogen Anzeigegerät 29' verbunden. In diesen beiden Anzeigegeräten werden bei einem fest vorgegebenen zeitlichen Meßabstand ti—t\ die aus dem Impulsdiskriminator 22 gewonnenen Rcchteckimpulse. deren Lange von den Entfernungen des Objektes 13 von der Bezugsebene 6 zu den Zeilpunkten fi und I2 abhängen, mit der Zeitdifferenz ti—1\ zu geschwindigkeilsabhängigen Spannungen umgeformt, die digital und analog angezeigt werden.
Das Entfernungsmcßgerät kann beispielsweise fü rahrzeugkontrollen im Straßenverkehr eingesetzt wer den. Der erste Enifernungsmeßimpuls zur Zeil /1 für di Entfernungsmessung kann für eine automatische Auslö sung einer Fotokamera benutzt werden, um da kontrollierte Fahrzeug gleichzeitig fotografieren zi können.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. EntfernungsmeBgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser, einem Strahlablenker zum periodischen Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene und mit einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor mit einer scharf gebündelten Empfangscharakteristik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie, die vom Laserstrahl getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Taktgenerator (7) vorgesehen ist, welcher kontinuierlich Rechteckimpulse erzeugt und damit einen Sägezahngenerator (8) synchronisiert, daß ein piezoelektrischer Strahlablenker (9) mit einem Schwingspiegel (10) vorhanden ist, dessen Ablenkung von der Sägezahnspannung gesteuert wird, und daß eine Vorrichtung (21, 22 und 23) vorhanden ist. weiche die Zeitdifferenz zwischen der AnstiegsflanV.y eines Taktimpulses und derjenigen eines weiteren Impulses mißt, der vom Detektor aufgrund von Licht, das von einem diffus reflektierenden Objekt zu ihm gelangt, ausgelöst wird.
2. Anwendung eines Entfernungsmeßgerätes nach dem vorhergehenden Anspruch zum Messen einer Geschwindigkeit eines Objekts, insbesondere eines Fahrzeugs im Straßenverkehr, wobei der Impulsdiskriminator (22) in zwei aufeinander folgenden Zeitpunkten für die Dauer einer halben Ablenkperiode des Sc'nwingspiegels (10) über einen Impulsgeber (27') eingeschaltet wird und die zu den Zeilpunkten im Impulsc'iskrimi· jior (22) gewonnenen Längen der Rechterkimpulsc zusammen mit dem zeitlichen Abstand zwischen :cn Zeitpunkten in geschwindigkeitsabhängige Spannungen umgeformt werden, die digital und/oder analog angezeigt werden.
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