DE3640890A1 - Optronische messeinrichtung zur messung der relativgeschwindigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optronischen Messung der mittleren Relativgeschwindigkeit zweier Objekte zueinander mittels Lichtimpulsen, gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.

Durch die EU-Patentanmeldung 00 76 232 ist ein solches Verfahren bekannt geworden, bei dem die Entfernung durch Auszählung der Dauer von Torsi­ gnalen bestimmt wird, wobei diese Dauer der Laufzeit der empfangenen Lichtimpulse entspricht. Hierbei werden eine Vielzahl durch eine erste digitale Schaltung gezählte Laufzeiten auf eine zweite digitale Schal­ tung übertragen, welche aus den häufigsten Zählergebnissen durch Mitte­ lung der Distanz berechnet. Diese an sich bewährte Anordnung ist jedoch in ihrem bauteilmäßigen Aufwand zu hoch und kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die nicht nur die Nachteile des Standes der Technik beseitigt, sondern in minimierter und einfacher Realisierung Messungen in einem frei wählbaren Entfernungsbereich er­ laubt und gleichzeitig Entfernung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und die Bewegungsrichtung wertmäßig liefert.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen werden weitere Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel be­ sprochen und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des vorgeschlagenen Systems,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Empfängers mit der Mehrtor-Integrations­ einrichtung.

Die Fig. 1 der Zeichnung gibt in einem Blockschaltbild die optronische Meßeinrichtung wieder, mit der die entfernungsabhängige Lichtlaufzeit repetierender Lichtpulse eines Lasersenders 10 durch ein sogenanntes "Mehrtorverfahren" erfaßt und die Zeit von Nulldurchgang zu Nulldurch­ gang mißt.

Hierzu wird als Sender 10 ein Halbleiterlaserpulser mit 10 nsec Halb­ wertsbreite und einer Pulsfrequenz je nach Anwendung von 500 Hz bis 50 kHz verwendet. Die Sendeleistung und die Divergenz der Sendeoptik 14 ist bestimmend für die Reichweite der Meßeinrichtung bzw. für die maximale Entfernung zu einem Meßobjekt 100. In einem speziellen Ausführungsbei­ spiel setzt sich der Lasersender aus mehreren parallelen Avalanchestufen zusammen und wird durch einen DC/DC-Wandler versorgt.

Das sogenannte "Sampeln" des vom Meßobjekt 100 remittierten und vom Emp­ fänger 15 detektierten Lichtpulses erfolgt mittels des hier vorgeschla­ genen Mehrtorverfahrens. Als Empfangsdetektor ist normalerweise eine PIN-Diode ausreichend, für große Reichweiten jedoch empfiehlt sich eine spannungsgeregelte Avalanche-Diode. Die geringe Divergenz bzw. die Ver­ ringerung der Hintergrundstrahlung sowie die Größe des Querschnitts der Empfangslinse 15 a und eine angepaßte HF-Verstärkung bestimmen die Reich­ weite des Meßsystems.

Der detektierte Lichtpuls wird HF-verstärkt der Mehrtor-Integrationsein­ richtung 16 eingegeben, in der die Torfolge durch Integratoren alternie­ rend bewertet wird (Fig. 3). Das Sampeln ergibt eine periodische sinoide Abbildung der Entfernungsänderung im Niederfrequenzbereich. Zu erwähnen ist hierzu noch, daß durch das kurze Auftasten der Tore und der nachfol­ genden Integration ein S/N-Gewinn erreicht wird.

Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen des periodi­ schen Sinoiden NF-Signals wird in Einheit 18 für die Differenzzeitmes­ sung gemessen und ist ein genaues Maß für die mittlere relative Ge­ schwindigkeit zweier Objekte im Mehrtorbereich. Durch die Anzahl, sowie die Spezifizierung der Tore kann der Meßbereich für die mittlere relati­ ve Geschwindigkeit innerhalb der Maximalentfernung beliebig festgesetzt werden. Der Grundtakt des Systemtaktgebers 13 bestimmt die Wiederho­ lungsfrequenz des Meßvorganges und die Genauigkeit der relativen Ge­ schwindigkeitsmessung. Maximale Betriebsfrequenzen von oberhalb 100 kHz sind derzeit mit Halbleiterlasern von ausreichender Sendeleistung mög­ lich. Zum Beispiel triggert der Grundtakt aus der Einheit 13 ein 8-Bit-Schieberegister in dem mit der HF-Taktfrequenz aus dem HF-Taktge­ ber 12 beispielsweise mit 50 MHz einmal ein High-Bit durchgeschoben wird. Die Schieberregisterausgänge sind mit dem Quarztakt - beispiels­ weise 50 MHz - logisch verknüpft und so erhält man 8 Pulse in 10 nsec Abstand und mit 10 nsec Torbreite quarzstabil. Der erste Puls des Laser­ senders 10 kann nun als Lichttrigger für den Sender verwendet werden. Die mit konstantem Abstand quarzstabilisierten Torpulse werden nun zur Ansteuerung von schnellen Analogschaltern - wie beispielsweise Ringmodu­ latoren, D-MOS-Analogschalter - durch die der detektierte Lichtpuls ab­ getastet wird, verwendet. Durch die Anzahl der verwendeten Tore kann der Entfernungsbereich variiert werden, mindestens sind jedoch 3 Tore erfor­ derlich.

Zur Realisierung der Steuerung sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Einmal ist es möglich, ein DMOS-Gate-Array für ca. 100 Gatterfunktionen in 1,3- bis 2-µ-Technologie für 50 MHz, das 4-fach DMOS-Analogschal­ ter extern verwendet. Weiterhin kann die Steuerung eine Fast-TTL- bzw. ECL- oder GaAs-Logik sein. Weiterhin ist ein Aufbau für Einrichtungen bis 25 MHz in HCMOS-Technologie möglich, wobei dann allerdings Torab­ stand und Torbreiten zu verdoppeln sind.

Zur Signalauswertung ist zu sagen, daß die durch das hier vorgeschlagene Mehrtorverfahren gesampelten Signale jeweils Einzelintegratoren zuge­ führt werden, deren Ausgänge der Torfolge entsprechend alternierend be­ wertet werden. Dies ergibt bei Verwendung von 3 Toren ein sinoides Aus­ gangssignal mit mindestens zwei Nulldurchgängen, die bei Überschreiten eines Rauschschwellwertes detektiert werden. Beim ersten Nulldurchgang wird ein mit hohem Zeittakt laufender Zähler gestartet, beim zweiten Nulldurchgang wird er gestoppt. Die Flanken beim jeweiligen Nulldurch­ gang dienen zur Auswertung der Bewegungsrichtung und der Inhalt des Zeittaktzählers 20 ist bei bekanntem Grundtakt ein exaktes Maß für die relative, mittlere Geschwindigkeit zweier Objekte zueinander. Das vorbe­ schriebene System kann weiter ausgebaut werden, beispielsweise durch Verwendung einer Vielzahl von Toren durch ein 16- oder 32-Bit-Schiebere­ gister, ohne daß hierdurch eine Änderung des Prinzips erfolgt. Entspre­ chend dem vorgesehenen Anwendungsfall kann das System mit Bereichsinte­ gratorstufen, Bereichszählern oder nur mit einem Zähler bestückt sein.

Aufgrund der digitalen Zählerinformation sowie der diversen Systemdaten ist der Einsatz jeder gewünschten Anzeigeeinrichtung 19 möglich.

Hiermit ist ein Weg aufgezeigt worden, der eine optimale optronische Messung der mittleren Relativgeschwindigkeit zweier Objekte zueinander gewährleistet, die in einem frei wählbaren Entfernungsbereich unter gleichzeitiger Feststellung der Bewegungsrichtung, der Entfernung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung erfolgt. Sie ist unabhängig von der HF-Signalamplitude, hat einen großen Dynamikbereich und ist einfach und kostengünstig zu realisieren.

Claims (7)

1. Einrichtung zur optronischen Messung der mittleren Relativge­ schwindigkeit zweier Objekte zueinander mittels Lichtimpulsen, wobei die Entfernung durch Torsignale bestimmt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die entfernungsabhängige Lichtlaufzeit repetie­ render Lichtpulse eines Halbleiterlasers (10) von einem Empfänger (15) erfaßt und durch eine Mehrtor-Integrationseinrichtung (16), deren Tor­ folge durch Integratoren alternierend bewertet wird, "gesampelt" wird, wodurch sich eine periodische Sinoide Abbildung der Entfernungsänderung im Niederfrequenzbereich ergibt und die Zeit zwischen zwei aufeinander­ folgenden Nulldurchgängen als genaues Maß für die mittlere relative Ge­ schwindigkeit gemessen wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mehrtor-Integrationseinrichtung (16) mindestens drei spezifische Tore umfaßt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zeitmessung amplitudenunabhängig durch Auswertung der aufeinanderfolgenden Nulldurchgänge erfolgt und durch einen Schwellenwertschalter freigegeben wird.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Entfernungsbereich durch die Toranzahl und den HF-Takt bis zur maximalen Reichweite frei wählbar ist.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Empfänger (15) eine PIN-Diode oder eine span­ nungsgeregelte Avalanche-Diode verwendet wird.

6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mit konstantem Abstand quarzstabilisierten Torpulse schnelle Analogschalter, wie Ringmodulatoren, HD-NOS-Analog­ schalter etc., ansteuern.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß der mit hohem Zeittakt lau­ fende Zähler (20) beim ersten Nulldurchgang gestartet und beim zweiten Nulldurchgang gestoppt wird, wobei die Flanken beim Nulldurchgang die Bewegungsrichtung definieren und der Zählerinhalt das exakte Maß für die relative, mittlere Geschwindigkeit zweier Objekte zueinander bildet und durch eine Anzeigeeinheit (19) angezeigt wird.