DE4303804A1 - Einrichtung zur Entfernungsmessung - Google Patents
Einrichtung zur EntfernungsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sen
delicht emittierenden Laser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Mo
dulationsfrequenzen amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und
einem Phasendetektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls
und des von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls.
Eine Einrichtung dieser Art ist aus der DE-PS 40 27 990 bekannt. Zur Bestim
mung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird der Phasenwinkel zwi
schen dem Sendelichtstrahl und dem vom Objekt reflektierten Empfangslicht
strahl ausgewertet. Innerhalb des Winkelbereichs zwischen 0° und 360° ist der
Phasenwinkel proportional zur Entfernung des Objekts von der Einrichtung. So
bald dieser Winkelbereich überschritten wird, können die Phasenwinkel nicht
mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden. Bei der Verwendung
einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelichtstrahls ist der Meßbe
reich demnach auf den Bereich einer Wellenlänge der Modulationsfrequenz be
schränkt.
Zur Erweiterung des Meßbereichs der Einrichtung wird der mit einer Modula
tionsfrequenz modulierte Sendelichtstrahl für die Dauer einer bestimmten An
zahl von Perioden unterbrochen.
Nachteilig hierbei ist, daß durch das Aufprägen der zweiten Modulationsfre
quenz die über die Dauer der beiden Intervalle gemittelte Sendelichtintensität re
duziert wird. Dies führt insbesondere bei schnellen Meßvorgängen, bei denen
der Sendelichtstrahl nur über wenige Perioden der Modulationsfrequenz ausge
wertet werden kann, zu einer erheblichen Verminderung des Signal/Rauschver
hältnisses. Dies kann dazu führen, daß insbesondere Objekte, deren Oberflächen
das Sendelicht zur zu einem geringen Anteil reflektieren, nicht mehr vermessen
werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßbereichserweiterung der
Phasenmessung zu erzielen, die eine möglichst hohe Meßempfindlichkeit gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Modulationen
mit den jeweiligen Modulationsfrequenzen in vorgegebenen Intervallen zeitlich
getrennt erfolgen, und daß zur Ermittlung der Distanz eines Objektes zur Ein
richtung das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen wird.
Dabei werden vorzugsweise die mit den unterschiedlichen Modulationsfrequen
zen ermittelten Entfernungswerte für ein Objekt in einer Auswerteeinheit mit
einander verglichen.
Der Vorteil dieser Einrichtung besteht darin, daß der Sendelichtstrahl jeweils
nur mit einer Modulationsfrequenz moduliert ist und somit die hohe Signalam
plitude in beiden Intervallen gleichbleibend hoch ist. Das Signal/Rauschverhält
nis ist dadurch gegenüber einem mit zwei Modulationsfrequenzen modulierten
Sendelichtstrahl verbessert.
Jedes Meßobjekt wird zur Bestimmung der Entfernung zur Vorrichtung nachein
ander mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen. Damit der Entfernungswert
korrekt ermittelt wird, darf sich die Position des Objekts zur Vorrichtung wäh
rend der beiden Einzelmessungen nicht wesentlich ändern. Hierzu ist die Fol
gefrequenz der Intervalle vorzugsweise wesentlich größer als die Folgefrequenz
verschiedener Distanzen von Objekten zur Einrichtung. Je nach Anwendungsfall
können die Größen der Intervalle an die maximalen Geschwindigkeiten der Ob
jekte angepaßt sein.
Bei der Verwendung einer Modulationsfrequenz zur Modulation des Sendelicht
strahls ist der Meßbereich auf eine Wellenlänge begrenzt. Eine Vermessung
weiter entfernt angeordneter Meßobjekte ist prinzipiell nicht möglich, da sich
die Entfernungssignale mit der Periode der Modulationsfrequenz identisch wie
derholen.
Durch die Verwendung zweier Modulationsfrequenzen kann der Meßbereich auf
das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Wellenlängen erhöht werden. In
diesem Meßbereich wird für jede Entfernung ein eindeutiges Entfernungssignal
erhalten.
Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich die Eindeutigkeit des Entfer
nungssignals durch den Vergleich der einzelnen Signale, die mit dem jeweils
mit einer Modulationsfrequenz modulierten Sendelichtstrahl erhalten werden.
Vorteilhafterweise sind die Beträge der Modulationsfrequenzen teilerfremde
Zahlen gleicher Größenordnung. Auf diese Weise wird der Meßbereich beson
ders stark erweitert.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann vorzugsweise zur Ortung von Hinder
nissen eingesetzt werden. Hierzu ist zweckmäßigerweise der Einrichtung zur
Entfernungsmessung eine Ablenkvorrichtung vorgeschaltet, die den Sendelicht
strahl entlang einer Bahn über einen vorgegebenen Raumbereich führt. Um eine
kontinuierliche Ortung zu gewährleisten, wird zweckmäßigerweise die Ablen
kung des Sendelichtstrahls periodisch wiederholt. Dabei wird für aufeinanderfol
gendende Ablenkungen abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modula
tionsfrequenzen zur Modulation des Sendelichtstrahls verwendet. Vorzugsweise
ist die Geschwindigkeit der Ablenkvorrichtung so groß gewählt, daß die Posi
tion eines Objekts während zwei aufeinanderfolgender Ablenkungen im wesent
lichen unverändert ist.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprü
chen 5 und 6 charakterisiert.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der mit jeweils einer Modulations
frequenz ermittelten Entfernungswerte,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Schaltvorrichtung zum Umschalten der
Modulationsfrequenzen.
In Fig. 1 ist die Einrichtung 1 zur Entfernungsmessung schematisch dargestellt.
Die Einrichtung 1 ist als optisches Sensorsystem ausgebildet, wobei als Sender
2 ein modulierter Dauerstrich-Laser verwendet wird. Als Empfänger 3 kann vor
zugsweise eine Fotodiode verwendet werden.
Die Entfernungsmessung erfolgt mit Hilfe der Phasenmessung. Hierzu wird der
Sendelichtstrahl 4 über einen Oszillator 5 bzw. 6 mit der Frequenz f1 bzw. f2
amplitudenmoduliert. Zur Bestimmung der Entfernung eines in den Zeichnungen
nicht dargestellten Objekts zur Einrichtung 1 wird die Phasendifferenz zwischen
dem Sendelichtstrahl 4 und dem vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl
7 gemessen und in einen Entfernungswert X1 bzw. X2 umgerechnet.
Dem Empfänger 3 ist ein Phasendetektor 8 nachgeschaltet. Dort wird das von
dem Oszillator 5 bzw. 6 zum Sender 2 geführten Sendesignal und das am Aus
gang des Empfängers 3 anstehende Empfangssignal in Signale umgesetzt, die
die Phasendifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal enthalten.
Die Signale enthalten einen Faktor, der die Phasendifferenz enthält, sowie einen
Amplitudenfaktor, der ein Maß für die Empfangslichtintensität ist.
Zur Elimination der Amplitudenfaktoren wird das Empfangssignal den phasen
empfindlichen Gleichrichtern 10, 11 mit jeweils einem nachgeschalteten Tiefpaß
12, 13 zugeführt, wobei die Gleichrichter 10, 11 über einen Phasenschieber 9
um π/2 phasenversetzt sind.
An den Ausgängen der Tiefpässe 12, 13 liegen Signale der Form A sin Δϕ und
A cos Δϕ an, wobei A den Amplitudenfaktor und Δϕ die Phasendifferenz von
Sende- und Empfangssignal darstellt. In der Auswerteeinheit 14 wird der Quo
tient tan Δϕ der beiden Signale gebildet, wodurch der Amplitudenfaktor A eli
miniert wird.
Über die Schaltvorrichtung 15 wird jeweils einer der beiden Oszillatoren 5 oder
6 aktiviert, so daß der Sendelichtstrahl 4 entweder mit der Frequenz f1 oder f2
moduliert ist.
Fig. 2 zeigt die im Bereich von 0-2 π zur Phasendifferenz Δ (proportionalen
Entfernungswerte X1 und X2, die mit einem mit der Frequenz f1 bzw. f2 modu
lierten Sendelichtstrahl 4 für ein Objekt ermittelt wurden. Die Entfernungswerte
X1 und X2 weisen jeweils die den Frequenzen f1 und f2 entsprechenden Periodi
zitäten auf. Die Wiederholrate beim Umschalten der Modulationsfrequenzen ist
dabei so groß gewählt, daß sich die Entfernung des Objekts zur Einrichtung 1
zwischen zwei Umschaltungen nicht wesentlich ändert. Demzufolge können
zwei mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelte Entfernungswerte
X1 und X2 zur Ermittlung der Distanz des Objekts von der Einrichtung 1 heran
gezogen werden. Da die Entfernungswerte proportional zur Phasendifferenz Δϕ
sind, ergibt sich durch den Vergleich der Entfernungswerte X1 und X2 ein ein
deutiger Distanzwert in einem Meßbereich, der durch das kleinste gemeinsame
Vielfache der Wellenlängen der beiden Modulationsfrequenzen gegeben ist.
Fig. 3 zeigt eine zweckmäßige Ausgestaltung der Schaltvorrichtung 15. Die
Schaltvorrichtung 15 besteht im wesentlichen aus vier NOR-Gattern 16, 17, 18,
19. Die Gatter 16, 18 sind mit den Oszillatoren 5 und 6 für die Frequenzen f1
und f2 verknüpft. Über den Anschluß "Frequenzwahl" und das Gatter 17 erfolgt
die Auswahl einer der Frequenzen f1 oder f2 zur Modulation des Sendelicht
strahls 4.
Liegt am Anschluß "Frequenzwahl" der Bitwert 0 an, so liegt am Ausgang des
Gatters 18 der Bitwert 0, so daß am Ausgang des Gatters 19 die Frequenz f1 an
steht. Zur Aktivierung der Frequenz f2 wird der Anschluß "Frequenzwahl" auf
den Bitwert 1 gesetzt. Dementsprechend liegt am Ausgängen der Gatter 16 der
Bitwerte 0 an.
Claims (7)
1. Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem Sendelicht emittierenden La
ser, dessen Sendelichtstrahl mit zwei vorgegebenen Modulationsfrequenzen
amplitudenmoduliert ist, sowie mit einem Empfänger und einem Phasende
tektor zur Ermittlung der Phasendifferenz des Sendelichtstrahls und des von
einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahls, dadurch gekennzeichnet,
daß die Modulationen mit den jeweiligen Modulationsfrequenzen in vorgege
benen Intervallen zeitlich getrennt erfolgen, und daß zur Ermittlung der
Distanz eines Objekts zur Einrichtung (1) das Objekt mit beiden Modula
tionsfrequenzen vermessen wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit unter
schiedlichen Modulationsfrequenzen ermittelten Entfernungswerte für ein
Objekt in einer Auswerteeinheit 14 miteinander verglichen werden.
3. Einrichtung Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fol
gefrequenz der Intervalle größer ist als die Folgefrequenz verschiedener
Distanzen von Objekten zur Einrichtung (1).
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beträge der Modulationsfrequenzen teilerfremde Zahlen gleicher Größen
ordnung sind.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei Oszillatoren (5, 6) zur Erzeugung der Modulationsfrequenzen abwech
selnd über eine Schaltvorrichtung (15) aktivierbar sind.
6. Einrichtung nach einen der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß
der Phasendetektor (9) aus zwei phasenempfindlichen Gleichrichtern (10, 11)
besteht, von denen jeweils einer um 0° und 90° phasenversetzt zur Modula
tionsfrequenz des Lasers angesteuert wird.
7. Verfahren zur Ortung von Hindernissen, dadurch gekennzeichnet, daß der
Einrichtung (1) zur Entfernungsmessung eine Ablenkvorrichtung vorgeschal
tet ist, die den Sendelichtstrahl (4) entlang einer Bahn über einen vorgegebe
nen Raumbereich führt, wobei die Ablenkung des Sendelichtstrahls (4)
periodisch wiederholt wird, und wobei für aufeinanderfolgende Ablenkungen
abwechslungsweise jeweils eine der beiden Modulationsfrequenzen zur
Modulation des Sendelichtstrahls (4) verwendet wird.
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