DE3419117A1

DE3419117A1 - Optoelektrisches entfernungsmessgeraet mit einem zeitdiskriminator zur genauen ermittlung der zeitfolge elektrischer impulse

Info

Publication number: DE3419117A1
Application number: DE19843419117
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof.-Dr.-Ing. 5902 Netphen Schwarte
Original assignee: Rheometron AG
Current assignee: SCHWARTE, RUDOLF, PROF. DR.-ING., 5902 NETPHEN, DE
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1985-11-28
Also published as: WO1985005456A1; DE3419117C2; US4734587A; EP0182834A1

Description

Patentanwalt Dr.-Ing. GüntheVÄck'mann/^TÜuisbuVg, Qaubergstraße 24 ^*+ la Il /

21.05.1984 (23.323/We)

Rheometron AG, CH-4003 Basel

Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einem Zeitdiskriminator zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse

Die Erfindung betrifft ein optoelektrisches Entfernungsmeßgerät, bei dem von einer Laserdiode emittierte und von einem Zielobjekt reflektierte kurze Lichtimpulse von einer Photodiode empfangen werden, in einem optisehen Sende- sowie Empfangsleiter je eine Lichtweiche zur Bildung eines kurzen Weges für Referenzsignale angeordnet ist und die von der Photodiode gebildeten elektrischen Impulssignale einem Zeitdiskraminator aufgegeben werden, der die Torzeit eines Quarzoszillators, dessen Taktimpulse einem Zähler aufgetastet werden, steuert, der an eine Offset-Spannung angeschlossen ist und dessen negativem Impulseingang ein Differenzierglied und dessen positivem Impulseingang eine Verzögerungsleitung vorgeschaltet ist.

Bei einem bekannten optoelektrisehen Entfernungsmeßgerät, wie es beispielsweise in der EP-Veröffentlichung 0076232 beschrieben ist, wird einerseits die Laufzeit

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der von der Laserdiode emittierten, von einem Zielobjekt reflektierten und der Photodiode empfangenen Lichtimpulse (Zielimpulse) und anderseits die Laufzeit der von der Laserdiode emittierten, jedoch über die Lichtweichen und den kurzen Weg zur Photodiode gelangenden Referenzimpulse bestimmt und zur Ermittlung der Entfernung ausgewertet. Dabei löst der zuerst eintreffende Referenzimpuls nach einer optoelektrischen Umsetzung in einem Zeitdiskriminator ein Torzeitsignal aus, das durch den später eintreffenden, über das Zielobjekt laufenden Zielimpuls abgeschaltet wird. Während der gesteuerten Torzeit werden die voil· einem Quarzoszillator fortlaufend erzeugten Taktimpulse (150 MHz) einem Zähler aufgetastet. Die gezählten Impulse werden gruppenweise einem Prozessor zugeführt, welcher durch Sortierung und Mittelwertbildung die zu bestimmende Entfernung ermittelt. Um durch Schwankungen der Speisespannung und der Temperatur verursachte Fehler zu eliminieren, wird für den Zeitdiskriminator unter Verwendung von Hilfsimpulsen ein Additionswert gebildet. Dieses Meßverfahren erlaubt nur die Auszählung ganzer Meterschritte in verschiedenen Schwellwertbereichen und läßt das Messen in der Größenordnung von Zentimetern und Millimetern nur mit Hilfe einer nachteiligen Mittelwertbildung aus einer Vielzahl von Einzelmessungen zu. Aus der DE-OS 29 08 854 ist zwar auch ein Gerät ■ mit einer im Millimeterbereich liegenden Genauigkeit bekannt, allerdings nur mittels der zur Umsetzung der Impulse in den NF-Bereich verwendeten Samplingmethode, bei der die Kurvenform aus vielen abgetasteten Amplitudenproben rekonstruiert wird, in einer sehr aufwendigen Weise und auch nur in einem sehr engen Meßbereich, da sich die Zeittransformation nur während der sogenannten schnellen Sägezahnspannung durchführen läßt.

Soweit bei Entfernungsmeßgeräten dieser Art zur Verarbeitung der elektrischen Impulssignale ein Zeitdiskrimi-

nator Verwendung findet, besteht der Nachteil, daß eine exakte Ermittlung ihrer Zeitfolge durch unterschiedliche Amplituden stark beeinträchtigt wird, d. h. durch eine Amplitudenänderung wird eine entsprechende Zeitverschiebung der Auslösung des abgeleiteten Signals verursacht-Das Problem bei Zeitdiskriminatoren besteht darin, Signale unterschiedlicher Amplituden auf ihre genaue Zeitlage zu identifizieren. Die Anstiegsflanke soll möglichst kurz sein, um diese Zeitbestimmung sehr exakt festzulegen. Die Fehler der bekannten Schaltungen beruhen vor allem darauf, daß wegen der endlichen Anstiegszeit die eingesetzten Zeitdiskriminatoren mit unterschiedlichen Verzögerungen antworten. Um diesen Effekt auszugleichen, wird in den herkömmlichen Schaltungen ein sogenannter Constant-Fraction-Trigger verwendet, der zur Indentifizierung des Zeitpunktes ein aus dem Signal selbst abgeleitetes Signal, vornehmlich ein differenziertes Signal, verwendet. Hierfür wird beispielsweise ein differenzierter Impuls auf den negativen Eingang eines Spannungskomparators und der Impuls selbst auf den positiven Eingang gegeben. Die negative Spannung am Eingang des Spannungskomparators kann ζ. B. durch ein RC-Glied geschaffen werden. Die Schaltungen konventioneller Art arbeiten mit einer konstanten Offset-Spannung, und der Spannungskomparator spricht erst beim Überschreiten dieser Offset-Spannung an. Diese Offset-Spannung liegt praktisch in der Größenordnung von einigen Millivolt und läßt sich nicht weiter vermindern, weil sonst der Spannungskomparator durch Störsignale, Rauschen usw.

selbständig schalten würde.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Entfernungsmeßgerät der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Signalverarbeitung mittels eines Zeitdiskriminators zu schaffen, der auch allgemein zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse

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unterschiedlicher Amplituden geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen unmittelbar an die elektrische Impulsquelle angeschlossenen, die Offset-Spannung eines Spannungskomparators steuernden Minimumkomparator und jeweils einer dem positiven und negativen Eingang des Spannungskomparators vorgeschalteten Verzögerungsleitung.

Durch diese Schaltungsanordnung wird der Vorteil erzielt, daß an den Eingang des Spannungskomparators eine geeignete Offset-Spannung im richtigen Augenblick angelegt wird. Die neue Schaltung arbeitet ebenfalls mit einer Offset-Spannung, wobei diese jedoch in dem Moment, in dem der maßgebliche Zeitpunkt aus dem differenzierten Impulssignal und dem ursprünglichen Impulssignal abgeleitet wird, impulsmäßig so verändert, daß sich ein Minimum an Zeitverschiebung bei voneinander abweichenden Amplituden ergibt. Während bisher eine an sich wünschenswerte positive Offset-Spannung wegen des instabilen Schaltverhaltens ungeeignet war, erfolgt erfindungsgemäß im richtigen Augenblick die Umschaltung auf eine positive Offset-Spannung. Herfür wird das zu bestimmende Impulssignal zunächst auf den Minimumkomparator gegeben, der die Offset-Umschaltung veranlaßt.

Damit beim Eintreffen des differenzierten Impulssignals und des ursprünglichen Impulssignals bereits eine veränderte Offset-Spannung am Spannungskomparator anliegt, ist dem positiven und negativen Eingang des Spannungskomparators jeweils eine Verzögerungsleitung zugeordnet. Dabei ist die im positiven Eingang vorgesehene Verzögerung größer ausgelegt, um durch Überschneidung des schnellen Anstiegs des direkten Impulses und des schnellen Abfalls des differenzierten Impulses eine möglichst schnelle Spannungsänderung am Eingang ,des Spannungskomparators zu erhalten. Zur Verzögerung können z. B. Koaxialleiter Ver-

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Wendung finden.

Wenngleich die neuartige Schaltung für einen Zeitdiskriminator für ein optoelektrisches Entfernungsmeßgerät besonders geeignet ist, läßt sie sich gleichsam allgemein für einen Zeitöiskriminator zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse unterschiedlicher Amplituden verwenden.

Dem Minimumkomparator kann ein Maximumkomparator parallel geschaltet sein, so daß die den unteren bzw. oberen Grenzwert unter- bzw. überschreitenden Amplitudenwerte ermittelt und beispielsweise zum Zwecke einer Eliminierung einer Steuer- und Auswertungseinheit zugeführt werden können.

Die den Zeitdiskriminator verlassenden, äußerst zeitgenauen Rechteckimpulse erlauben eine Zeitdehnung, indem der Ausgang des Spannungskomparators über einen Zeitdehnschalter an den Zähler angeschlossen ist. So kann die Torzeit beispielsweise um einen Faktor 500 oder 1000 gedehnt werden und ein Auszählen in einem Zähltakt von z. B. 50 MHz erfolgen; der Fehler der Zeitquantisierung würde bei einer Taktperiode von 20 ns und einem Zeitdehnfaktor 1000 maximal 20 ps betragen. Mithin sind genaue Entfernungsmessungen bis in den Millimeterbereich möglich.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt; es zeigt:

Fig. 1 das Blockschaltbild eines optoelektrischen Entfernungsmeßgeräts,

Fig. 2 den Schaltplan eines Zeitdiskriminators und

Pig. 3 die Eingangsspannung des Zeitdiskriminators in einem Spannungszeitdiagramm.

Das optoelektrische Entfernungsmeßgerät erzeugt mittels eines Senders 1 und einer Laserdiode 2 fortlaufend kurze Lichtimpulse, die über einen Lichtleiter 3 und eine Sendeoptik 5 auf ein Zielobjekt 6 gerichtet werden. Die reflektierten Lichtimpulse gelangen über eine Empfangsoptik 7 und einen Lichtleiter 9 in eine Photodiode 10, welche die empfangenen Lichtsignale in elektrische Impulse umwandelt. In dem sendeseitigen Lichtleiter 9 ist jeweils eine Lichtweiche 4 bzw. 8 angeordnet, die beide durch einen Lichtleiter 24 verbunden sind. Durch die sendeseitige Lichtweiche 4 wird ein Teil der Lichtenergie, etwa 1 %, aus dem optischen Sendekanal in den Lichtleiter 24 abgezweigt und durch die empfangsseitige Lichtweiche 8 in den optischen Empfangskanal geleitet. Dieses abgeleitete und über den kurzen Weg dem Empfangskanal zugeführte Lichtsignal bildet ein Referenzsignal, das von der Photodiode zeitlich vor dem vom Zielobjekt reflektierten Lichtsignal (Zielsignal) empfangen wird, und zwar um die Zeit, die der Lichtimpuls zum Hin- und Rücklauf zwischen dem Gerät und dem Zielobjekt benötigt. Aus Zielsignal und Referenzsignal läßt sich die Laufzeit des Zielimpulses und damit die Entfernung zwischen Sendebzw. Empfangsoptiken 5,7 und dem Zielobjekt 6 bestimmen.

Die empfangenen Lichtsignale, nämlich die Referenz- und Zielsignale, werden mittels der Photodiode 10 in elektrische Impulse bzw. Signale umgewandelt, die über einen Empfänger 11 einem Spannungskomparator 25 zugeführt werden. Der Spannungskomparator 25 bildet Torimpulse (Rechteckimpulse) für einen Zähler 14, auf den innerhalb der Torzeit die Taktimpulse eines Taktgebers 15 (Quarzoszillator) aufgetastet werden. Zur Erhöhung der Zeitauflösung werden die Torimpulse über einen Zeitdehnschalter 13 geführt,

dem beispielsweise ein Zeitdehnfaktor von 500, 1000 o. dgl. zugeordnet sein kann. Diese Zeitdehnung erlaubt eine exakte Auszählung von Taktimpulsen, deren Frequenz ζ. B. in der Größenordnung von 50 MHz liegen kann. 5

Die gezählten, der Torzeit entsprechenden Taktimpulse werden zur Auswertung einer Steuer- und Auswertungseinheit 16 zugeführt. Der Taktgeber 15 steuert außerdem den Sender 1 und den Empfänger 11. Weiterhin wird der Spannungskomparator 25 durch ein Zeitfenster angesteuert, welches die Verarbeitung des Referenzsignals oder des Zielsignals auswählt, wobei beispielsweise aufeinanderfolgend nur Referenzsignale oder nur Zielsignale verarbeitet werden können, um aus diesen Gruppen zu bilden, welche eine Auswertung durch Sortierung und Mittelwertbildung ο. dgl. ermöglichen.

Die vom Empfänger 11 gebildete elektrische Impulsquelle ist mit 17 bezeichnet. Wie Fig. 2 zeigt, ist der negative Eingang des Spannungskomparators 25 über eine Verzögerungsleitung 18 und einem Differenzierglied, das hier beispielsweise aus einem Kondensator 19 und einem Widerstand 20 besteht, an die elektrische Impulsquelle 17 angeschlossen, während der positive Eingang über eine Verzögerungsleitung 21 angeschlossen ist. Die beiden Verzögerungsleitungen 18,21 sind zunächst beide für eine Signalverzögerung ausgelegt, innerhalb der auf den positiven Eingang des Spannungskomparators 25 eine Off set-Spannung angelegt wird. Zusätzlich ist bei der Verzögerungsleitung 21 die Verzögerung so ausgelegt, daß die steilsten Bereiche der Anstiegsflanke des direkten Impulses und des Abfalls des differenzierten Impulses sich am Eingang des Spannungskomparators 25 zeitlich überschneiden. Diese Offset-Spannung wird von einem Minimumkomparator 22 gesteuert, der ummittelbar an die elektrische Impulsquelle 17 angeschlossen ist. Der

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Minimumkomparator 22 steuert dabei eine Oifset-Schaltung (nicht dargestellt) an, welche die Offset-Spannung anlegt. In Fig. 3 ist verdeutlicht, daß die Offset-Spannung in dem Augenblick, in dem der maßgebliche Zeitpunkt aus dem differenzierten Signal und dem unveränderten Signal abgeleitet wird, impulsmäßig so verändert wird, daß sich bei veränderten Amplituden ein Minimum an Zeitverschiebung ergibt.

Fig. 2 zeigt außerdem, daß dem Minimumkomparator 22 ein Maximumkomparator 23 parallelgeschaltet ist. Die vom Minimumkomparator 22 und Maximumkomparator 2 3 erfaßten Amplitudenwerte, welche den unteren bzw. oberen Grenzwert unter- bzw. überschreiten, können beispielsweise zum Zwecke der Eliminierung der entsprechend eingerichteten Steuer- und Auswertungseinheit 16 zugeführt werden.

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Claims

Patentanwalt Dr.-Ing. Günther Äckmann, 41 Duisburg, Claubergstraße 24 «5 H I vi I I /

21.05.1984 (23.323/We)

Patentansprüche

j Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät, bei dem von einer Laserdiode emittierte und von einem Zielobjekt reflektierte kurze Lichtimpulse von einer Photodiode empfangen werden, in einem optischen Sende- sowie Empfangsleiter je eine Lichtquelle zur Bildung eines kurzen Weges für Referenzsignale angeordnet ist und die von der Photodiode gebildeten elektrischen Impulssignale einem Zeitdiskriminator aufgegeben werden, der die Torzeit eines Quarzoszillators, dessen Taktimpulse einem Zähler aufgetastet werden, steuert, der an eine Offset-Spannung angeschlossen ist und dessen negativem Impulseingang ein Differenzierglied und dessen positivem Impulseingang eine Verzögerungsleitung vorgeschaltet ist, gekennzeichnet durch einen unmittelbar an die elektrische Impulsquelle (17) angeschlossenen, die Offset-Spannung eines Spannungskomparators (25) steuernden Minimumkomparator (22) und jeweils einer dem positiven und negativen Eingang des Spannungskomparators (25) vorgeschalteten Verzögerungsleitung (18,21).
2. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Minimumkomparator (22) ein Maximumkomparator (23) parallelgeschaltet ist.

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3. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Spannungskomparators (25) über einen Zeitdehnschalter (13) an den Zähler (14) angeschlossen ist.
4. Zeitdiskriminator zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse unterschiedlicher Amplituden, der an eine Offset-Spannung angeschlossen ist und dessen negativem Impulseingang ein Differenzierglied und dessen positivem Impulseingang eine Verzögerungsleitung vorgeschaltet ist, gekennzeichnet durch einen unmittelbar an die elektrische Impulsquelle (17) angeschlossenen, die Offset-Spannung eines Spannungskomparators (25) steuernden Minimumkomparator (22) und jeweils einer dem positiven und negativen Eingang des Spannungskomparators (25) vorgeschalteten Verzögerungsleitung (18,21).

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