Vorrichtung zur Entfernungsmessung mittels eines Halbleiterlasers im sichtbaren Wellenlängenbereich nach dem Laufzeitverfahren
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung mittels eines Halbleiterlasers im sichtbaren Wellenlängenbereich nach dem Laufzeitverfahren, wobei die Entfernung zwischen dem Entfernungsmeßgerät und dem angepeilten Objekt aus der Länge der vergangenen Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Lasermodulationssignals als Wert für die Entfernung ermittelt wird, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Es sind verschiedene Entfernungsmeßgeräte bekannt, die mit Lasern arbeiten, beispielsweise als abstandsmessende Systeme im Kraftfahrzeug oder als Füllstandsmesser in Silos. Diese Systeme arbeiten meist mit Infrarot-Puls-Laserdioden hoher Spitzenleistung, bei denen die Pulslaufzeit zum Objekt und zurück gemessen wird.
Aus der gattungsbildenden DE 43 16 348 AI ist ein tragbarer Laserentfernungsmesser bekannt, der mit sichtbarem Laserlicht
arbeitet. Die Entfernung wird im Laufzeitverfahren ermittelt. Dabei wird die Entfernung zwischen dem Entfernungsmeßgerät und dem angepeilten Objekt aus der Länge der vergangenen Zeit zwischen Aussendung und Empfang eines Laserimpulses , der am Objekt reflektiert ist, als Wert für die Entfernung ermittelt. Der Laserstrahl wird mit einem Kollimationsobjektiv zu einem Meßtrahlenbündel gebündelt, es ist eine Schaltungsanordnung zur Modulation der Meßstrahlung, ein Empfangsobjektiv zur Aufnahme und Abbildung des an dem entfernten Objekt reflektierten Meßstrahlenbundels auf eine Empfangseinrichtung und eine
Auswerteeinrichtung zur Ermittlung und Anzeige der zum Objekt gemessenen Entfernung vorgesehen. Bei diesem bekannten Gerät erfolgt die Eichung über eine mechanische Umlenkklappe, wodurch als Referenzstrecke ein Lichtweg bekannter Länge entsteht. Die Einkopplung des von der Empfangslinse empfangenen Lichtes in die Photodiode erfolgt über einen Lichtleiter, dessen Eintrittsfläche entsprechend einem Ausführungsbeispiel elektromechanisch dem entfernungsabhängigen Fokus nachgeführt wird. Bei diesem bekannten Entfernungsmeßgerät liegt der Schwerpunkt in der optomechanischen Ausgestaltung bzw. auf der optisch möglichen Einblendung in die Empfangsdiode . Über die Art der Auswertung und das angewandte Auswerteverfahren wird nichts ausgesagt .
In der DE 43 03 804 C2 wird ein Laserentfernungsmeßgerät beschrieben, bei welchem der Laserstrahl nacheinander mit zwei teilerfremden Frequenzen gleicher Größenordnung moduliert wird.
Dabei wird ein Objekt mit den mit beiden Modulationsfrequenzen modulierten Senderlichtstrahlen nacheinander vermessen. Die beiden
Meßwerte werden in einer Auswerteeinheit zur Ermittlung der Entfernung des Objekts miteinander verglichen. Die Änderung der
Modulationsfrequenz erfolgt in Abhängigkeit von der
Geschwindigkeit des beobachteten Objekts.
Weiterhin ist ein Laserentfernungsmeßgerät in der DE 44 11 218 Cl beschrieben, wobei die Entfernung auch hier nach dem Laufzeitprinzip ermittelt wird. Der Schwerpunkt dieses Dokuments liegt in der Ausgestaltung der elektrischen Umschaltung zwischen Referenz- und Empfangsdiode, um beide Strahlen möglichst frühzeitig zusammenzuführen und um Driftprobleme zu vermeiden.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Entfernungsmessung hat den Vorteil, daß die Entfernungsmessung in zwei Betriebsarten durchgeführt wird. Bei der ersten Betriebsart ergibt sich ein großer Eindeutigkeitsbereich und eine weniger große Auflösung. Bei der zweiten Betriebsart wird eine hohe Auflösung bei einem geringeren Eindeutigkeitsbereich erreicht. Die Kombination beider Betriebsarten gewährleistet somit einen großen
Eindeutigkeitsbereich bei hoher Auflösung. Dabei ist der Aufwand für die Modulation und für die Auswertung durch geschickte Parameterwahl gering .
Gemäß der Erfindung wird dies prinzipiell dadurch erreicht, daß die Schaltungsanordnung zur Modulation der Meßstrahlung und die Auswerteeinrichtung auf zwei unterschiedliche Betriebsarten umstellbar sind, wobei in der ersten Betriebsart mit einer ersten Frequenz f n moduliert wird und in der zweiten Betriebsart mit einer zweiten Frequenz fx moduliert wird, die in einem ganzzahligen Verhältnis n zueinander stehen und daß das reflektierte Signal in der ersten Betriebsart mit einer dritten Frequenz f2/n und in der zweiten Betriebsart mit einer vierten Frequenz f2 multipliziert werden, bevor sie zur Auswertung in der ersten Betriebsart mit einer ersten Abtastfrequenz fal und in der zweiten Betriebsart mit einer zweiten Abtastfrequenz fa2 abgetastet werden, wobei die erste Abtastfrequenz fal die Differenz der vierten f2 und der zweiten
Frequenz fx ist und die zweite Abtastfrequenz fa2 ein ganzzahliger Bruchteil q der zweiten Frequenz fx ist.
Durch die in den weiteren Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sowie
Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß das durch die Multiplikation in einem analogen Mischer heruntergemischte reflektierte Signal in der ersten Betriebsart in einem ersten
Bandpaß mit einer ersten Bandpaß-Mittenfrequenz Δf/n und in der zweiten Betriebsart in einem zweiten Bandpaß mit einer zweiten
Bandpaß-Mittenfrequenz Δf gefiltert wird, wobei die beiden Bandpaß-Mittenfrequenzen in einem ganzzahligen Verhältnis n zueinander stehen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ein Analog-/Digital-Wandler vorgesehen, mit dessen Hilfe die Abtastung des heruntergemischten reflektierten Signals vorgenommen wird.
In weiterer Vereinfachung und Erleichterung der Auswertung ist entsprechend einer zweckmäßigen Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß in der zweiten Betriebsart der Teiler q derart gewählt ist, daß eine Unterabtastung mit der zweiten Abtastfrequenz fa2 des heruntergemischten reflektierten und vorzugsweise bandpaßgefilterten Signals mit der zweiten
Mittenfrequenz Δf erreicht wird, und zwar in der Weise, daß durch
Aliasing im Analog-/Digital-Wandler die zweite Mittenfrequenz Δf in die zweite Abtastfrequenz geteilt durch die ganze Zahl n fa2/n abgebildet wird, wobei gilt:
faa = fi/g zweite Abtastfrequenz
Δf = fx/k Signalfrequenz nach Heruntermischen fa2/n = iΔf - fa2| Frequenz nach Abtastung mit fa2.
In besonders zweckmäßiger und vorteilhafter Ausgestaltung der
Erfindung ist zur Auswertung ein Mikroprozessor als Steuerrechner vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird in zweckmäßiger Weise die Phasenmessung des reflektierten, heruntergemischten und vorzugsweise bandpaßgefilterten sowie abgetasteten Signals mittels diskreter Fouriertransformation im Steuerrechner durchgeführt.
Entsprechend einer sehr vorteilhaften und zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Geräts zur Entfernungsmessung ist ein digitaler Mischer vorgesehen, in welchem als Referenzsignal für den Steuerrechner ein Signal erzeugt wird, das die zeitliche Lage des jeweils ersten von n Abtastwerten markiert. Die Auswertung und Abtastung ist dann besonders einfach, wenn für n der Wert Vier genommen wird, da dann nur Additionen und
Subtraktionen bei der Fouriertransformation erforderlich sind. Dies ist auch mittels eines einfachen Mikroprozessors als Steuerrechner dann auf zweckmäßige Weise möglich.
Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als Empfangseinrichtung eine Photodiode vorgesehen und vom Steuerrechner derart umschaltbar ist, daß sie abwechselnd Strahlung vom Meßobjekt oder über eine Eichstrecke Strahlung vom Meßstrahlenbündel erhält. Zweckmäßig ist es, wenn die Umschaltung elektrisch erfolgt und eine zweite Photodiode vorgesehen ist .
In weiterer zweckmäßiger Ausgestaltung dieser Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Steuerrechner die Umschaltung in den Eichmodus automatisch bei jeder Messung vornimmt.
In zweckmäßiger Weise ist vorgesehen, daß die Phasenmessung in der Eichphase ebenfalls mittels diskreter Fouriertransformation im Steuerrechner durchgeführt wird. Dabei wird in einfacher und zweckmäßiger Ausgestaltung im Steuerrechner der in der Eichphase gemessene Phasenwert von dem bei der Messung ermittelten Phasenwert subtrahiert .
In einer besonders vorteilhaften und zweckmäßigen Ausgestaltung der gerätemäßigen Gestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, daß als Empfangsobjektiv eine Fresnellinse , insbesondere aus Kunststoff, vorgesehen ist und daß in dieser Fresnellinse ein dünnes undurchsichtiges Rohr außerhalb der optischen Achse des Empfangsobjektivs vorgesehen ist, durch welches das kollimierte Meßstrahlenbündel austritt. Durch diese Gestaltung ist sichergestellt, daß kein optisches Übersprechen zwischen Sender und Empfänger auftritt und durch die so entstehende Parallaxe im Nahbereich ein zu starkes Ansteigen des vom Meßobjekt reflektierten Empfangssignals verhindert wird.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die optische Anordnung und die wesentlichen Teile des erfindungsgemäß gestalteten Entfernungsmeßgerätes ,
Fig. 2 schematisch ein Blockschaltbild mit den wesentlichen
Schaltungskomponenten, die beim Betrieb der Vorrichtung zur Entfernungsmessung in der ersten Betriebsart beteiligt sind, und
Fig. 3 schematisch ein Blockschaltbild mit den wesentlichen
Schaltungskomponenten, die beim Betrieb der Vorrichtung zur Entfernungsmessung in der zweiten Betriebsrat beteiligt sind.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles
In Fig. 1 sind schematisch die optische Anordnung und die wesentlichen Teile des erfindungsgemäß gestalteten Meßgerätes 10 dargestellt. Als wesentliche Teile enthält das Entfernungsmeßgerät 10 einen Laser mit Kollimator 11, der ein Meßstrahlenbündel 12 in Richtung des Pfeiles 13 auf ein anzupeilendes Objekt, das in der Fig. 1 nicht dargestellt ist, ausstrahlt. Das vom Objekt reflektierte Meßstrahlenbündel 14 wird durch eine Linse 15 auf eine Photodiode 16 abgebildet. Linse 15 und Photodiode 16 dienen als Empfangseinrichtung für die in Richtung der Pfeile 17 einfallenden Strahlung. Diese Strahlung ist durch die Randstrahlen 17 außerhalb der Linse und im Bereich zwischen Linse (15) und Photodiode 16 durch die Randstrahlen 18 dargestellt, wobei die Photodiode 16 mit ihrer lichtempfindlichen Anordnung in der Nähe des Brennpunktes der Linse 15 angeordnet ist . Das von der Photodiode 16 empfangene Signal wird über eine Leitung 19 auf eine Auswerteinrichtung 20 geleitet ebenso wie über eine Leitung 21 ein Eichsignal über eine Referenz-Photodiode 22 eingegeben wird. Die Referenz-Photodiode 22 wird über eine Eichstrecke 23, die aus einem Stück Kunststoff- oder Glasfaser besteht, mit einem Teil des Meßstrahlenbundels 12 belichtet. Ein wesentliches Merkmal der optischen Anordnung ist, daß das vom Laser mit Kollimator 11
erzeugte Meßstrahlenbündel 12 durch ein undurchsichtiges Rohr 24 geführt wird, wobei das Ende des Rohres 24 durch die Linse 15 hindurch ragt. Dabei ist das Rohr 24 mit seiner Längsachse parallel zur optischen Achse 14, auf der der Mittenstrahl des reflektierten Signals einfällt, um einen Abstand 25 verschoben. Die Photodiode 16 ist im Abstand 26 von der Linse 15 entfernt angeordnet. Durch das undurchsichtige Rohr 24 wird optisches Übersprechen zwischen dem Sender, dargestellt durch den Laser mit Kollimator 11, und dem Empfänger, dargestellt durch die Photodiode 16 und die Auswertvorrichtung 20, verhindert. Außerdem wird durch die so entstandene Parallaxe im Nahbereich ein zu starkes Ansteigen des Empfangssignals, dargestellt durch das vom Objekt reflektierte Meßstrahlenbündel, verhindert. Die Linse 15 ist vorzugsweise eine Fresnellinse, die bevorzugt aus Kunststoff gefertigt ist. In Fig. 1 ist sie lediglich schematisch dargestellt .
In den Figuren 2 und 3 sind schematisch Blockschaltbilder dargestellt mit den wesentlichen Schaltungskomponenten, die beim Betrieb der Vorrichtung zur Entfernungsmessung in der ersten sowie in der zweiten Betriebsart beteiligt sind. Dabei sind gleiche Schaltungskomponenten, die in beiden Betriebsarten Anwendung finden, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In der Anordnung für die erste Betriebsart ist ein Oszillator 200 vorgesehen, der auf seiner Ausgangsleitung 202 eine Frequenz f1 abgibt, die einer Teilerschaltung :n 203 zugeführt wird sowie einer Teilerschaltung :k 204 und einem digitalen Mischer 205. Der Ausgang der Teilerschaltung 203, die Frequenz fx/n wird einem Pulsformer 206 zugeführt, der einen Laserregler und Modulator 207 beaufschlagt. Von einer Halbleiterlaserdiode 208 wird Strahlung über eine Kollimationslinse 228 abgegeben, die als Meßstrahlenbündel 12 in Richtung der Pfeile 13 auf das
anzupeilende Objekt abgestrahlt wird. Ein zweiter Oszillator 201 erzeugt eine Frequenz f2 = f1 + Δf auf seiner Ausgangsleitung 209. Diese Frequenz f2 wird dem digitalen Mischer 205 und einer Teilerschaltung :n 210 zugeführt. Das AusgangsSignal des digitalen Mischers 205 wird auf Leitung 214 einem Phasenkomparator 215 zugeführt, dessen zweiter Eingang der Ausgang der Teilerschaltung :k 204 ist. Das Ausgangssignal des Phasenkomparators 205 wird über einen Tiefpaß 216 und dessen Ausgangsleitung 217 als Eingangssignal dem Oszillator 201 zugeführt. Dieser Oszillator 201 ist vorzugsweise als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildet.
Das vom angepeilten Objekt reflektierte Meßstrahlenbündel 17, das nachfolgend als Eingangssignal 17 bezeichnet wird, wird über die Linse 15 auf die Photodiode 16 fokussiert. Diese Empfangsphotodiode 16 ist über Leitung 19 mit einer
Photoempfängerschaltung 220 verbunden. Gleichfalls mit dieser Photoempfängerschaltung 220 verbunden ist über Leitung 21 die Referenz-Photodiode 22, die über Leitung 23 einen Teil des Meßstrahlenbundels von der Halbleiterlaserdiode 208 empfängt. Das Ausgangssignal der Photoempfängerschaltung 220 wird einem analogen Mischer 221 zugeführt, der als zweiten Eingang die Ausgangsleitung 211 der Teilerschaltung :n 210 erhält, somit die Frequenz f2/n. Mit dieser Frequenz wird die Empfangsfrequenz heruntergemischt. Das heruntergemischte Signal wird als Ausgang des analogen Mischers 221 über ein Bandpaß 222 mit der Bandpaß-Mittenfrequenz Δf/n bandpaßgefiltert und weiterhin einem Analog-/Digital-Wandler 223 zugeführt. Dort wird das so behandelte Empfangssignal mit einer auf Leitung 214 zugeführten Abtastfrequenz fal abgetastet, die vom digitalen Mischer 205 zugeführt wird. Dieses Signal wird in einem Steuerrechner 224, der vorzugsweise ein Mikroprozessor ist, verarbeitet. Zur Verarbeitung dient ein Referenzsignal Refl, welches auf Leitung 213 vom digitalen Mischer 212 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des Steuerrechners 224 wird auf einer Anzeige
225 sichtbar gemacht. Vom Steuerrechner 224 aus wird die Photoemfängerschaltung 220 über eine Leitung 226 geschaltet, und zwar derart, daß entweder das Eichsignal von der Referenz- Photodiode 22 oder das Meßsignal von der Empfangsdiode 16 auf die Verarbeitungsstrecke gebracht wird.
Bei der zweiten Betriebsart sind in den meisten Fällen dieselben Schaltungskomponenten wie bei der ersten Betriebsart entsprechend der Darstellung in Fig. 2 beteiligt. Abweichend von der ersten Betriebsart und der Darstellung in Fig. 2 wird dem Pulsformer 206 auf Leitung 202 die Frequenz fx vom Oszillator 200 direkt zur Modulation zugeführt. Als Referenzsignal Ref2 erhält der Steuerrechner 224 auf Leitung 313 von einem digitalen Mischer 312 ein Referenzsignal. Dem Mischer 312 wird als Eingangsignal zum einen auf Leitung 314 das Ausgangssignal der Teilerschaltung :q 310 und zum anderen das Ausgangssignal der Teilerschaltung :k 204 zugeführt. Das Ausgangssignal auf Leitung 314 der Teilerschaltung :q 310 ist die Abtastfrequenz fa2, die dem Analog-/Digital -Wandler 323 zur Abtastung zugeführt wird. Die Heruntermischung des durch die Photoempfängerschaltung 220 verstärkten EingangsSignals erfolgt in einem analogen Mischer 321, dem als Mischfrequenz die
Frequenz f2 = fx + Δf auf Leitung 209 zugeführt wird. Dieses heruntergemischte Signal wird über ein Bandpaßfilter 322 mit der Bandpaß-Mittenfrequenz Δf gefiltert .
Es sei hier angemerkt, daß in der praktischen Ausführung auch die Analog-/Digital-Wandler 223 und 323 sowie die analogen Mischer 221 und 321 jeweils durch nur eine Schaltungskomponente realisiert werden.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Schaltungsanordnung zur Modulation der Meßstrahlung und zur Auswertung des Eingangssignals sieht vor, daß sie auf zwei unterschiedliche Betriebsarten
umstellbar ist. In der ersten Betriebsart wird mit einer ersten Frequenz fx/n über Pulsformer 206 der Laserregler und Modulator 207 moduliert und in der zweiten Betriebsart wird mit einer zweiten Frequenz fx moduliert. Diese beiden Frequenzen stehen in einem ganzzahligen Verhältnis n zueinander. Das reflektierte Signal 17 wird in der ersten Betriebsart mit einer dritten Frequenz f2/n und in der zweiten Betriebsart mit einer vierten Frequenz f2 multipliziert, bevor es zur Auswertung in der ersten Betriebsart mit einer ersten Abtastfrequenz fal und in der zweiten Betriebsart mit einer zweiten Abtaεtfrequenz fa2 abgetastet wird. Dabei ist die erste Abtastfrequenz fal die Differenz der vierten Frequenz f2 und der zweiten Frequenz f1 nämlich Δf, und die zweite Abtastfrequenz fa2 ist ein ganzzahliger Bruchteil q der zweiten Frequenz fl l nämlich f]./q. Die Abtastung mit den beiden unterschiedlichen Abtastfrequenzen fal und fa2 erfolgt im Analog-/Digital-Wandler 223 bei der ersten und 323 bei der zweiten Betriebsart.
Das Eingangssignal, welches von der Photoempfängerschaltung 220 verstärkt ist, wird in der ersten Betriebsart in dem analogen Mischer 221 mit der Frequenz f2/n multiplikativ heruntergemischt und mittels des Bandpasses 222 mit der Bandpaß-Mittenfrequenz Δf/n gefiltert. In der zweiten Betriebsart erfolgt die Heruntermischung bekanntlich mit der Frequenz f2 und der Bandpaß 322 für die zweite Betriebsart weist die Bandpaß-Mittenfrequenz Δf auf. Somit stehen in vorteilhafter Weise die beiden Bandpaß-Mittenfrequenzen in einem ganzzahligen Verhältnis n zueinander.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert :
Es wird ein Halbleiterlaser, in Form einer Halbleiterlaserdiode 208 verwendet, der im sichtbaren Wellenlängenbereich strahlt. Die mittlere Laserleistung, die unter 1 mW in der Laserklasse 2 liegt,
wird durch die Regel- und ModulationsSchaltung 207 konstant gehalten. Der Laserstrahl wird durch den Kollimator 228 gebündelt. Die Modulation erfolgt durch den Pulsformer 206 mit kurzen Rechteckimpulsen mit der Wiederholfrequenz fα bzw. I Ώ.. Die Vorrichtung ist mit zwei Betriebsarten ausgestattet, in der ersten Betriebsart erfolgt die Modulation mit der Frequenz τi zur Grobmessung des Abstandes zum angepeilten Objekt, in der zweiten Betriebsart erfolgt die Modulation mit der Frequenz fx zur Feinmessung des Abstandes.
Die Frequenz f wird im Oszillator 200 erzeugt. Der Oszillator 201 erzeugt Mischersignale zur Heruntermischung der Empfangsfrequenz . Es erfolgt eine Regelung der Frequenz f2 des Oszillators 201 über eine phasengeregelte Schleife (PLL Phase-Locked-Loop) in der Weise, daß die Frequenz f2 gleich der ersten Frequenz fx plus einer
Differenzfrequenz Δf ist, wobei die Differenzfrequenz Δf ein ganzzahliger Quotient der Frequenz des Oszillators 200 ist, nämlich Δf = fi/k, wobei k eine ganze Zahl ist. Zu dieser Regelung dient der digitale Mischer 205, die Teilerschaltung :k 204, der Phasenkomparator 215, der nachgeschaltete Tiefpaß 216 und der als spannungsgesteuerter Oszillator ausgebildete Oszillator 201.
Zur Auswertung erfolgt eine Multiplikation des in der Photoempfängerschaltung 220 vorverstärkten Empfangssignals mit der Frequenz f2/n in der ersten Betriebsart bzw. mit der Frequenz f2 in der zweiten Betriebsart, wobei n eine ganze Zahl ist und die Multiplikation in dem analogen Mischer 221 bzw. 321 erfolgt. Anschließend erfolgt eine Bandpaßfilterung des heruntergemischten
Empfangssignals mit der Bandpaß-Mittenfrequenz Δf/n in der ersten Betriebsart bzw. der Bandpaß-Mittenfrequenz Δf in der zweiten Betriebsart. Daraufhin wird in der ersten Betriebsart in dem Analog-/Digital-Wandler 223 mit der Abtastrate bzw. Abtastfrequenz
fal = Δf bzw. im Analog- /Digital-Wandler 323 mit der Abtastrate bzw. Abtastfrequenz fa2= fx/q, wobei q eine ganze Zahl ist, abgetaste .
In der zweiten Betriebsart ist der Teiler q derart gewählt, daß eine Unterabtastung mit der zweiten Frequenz fa2 des heruntergemischten reflektierten und vorzugsweise bandpaßgefilterten EingangsSignals mit der zweiten Bandpaß- Mittenfrequenz Δf erreicht wird, und zwar in der Weise, daß durch Aliasing im Analog-/Digital-Wandler 323 die zweite Bandpaß- Mittenfrequenz Δf in die Frequenz fa2/n abgebildet wird, wobei gilt: fa2 = fi/q zweite Abtastfrequenz
Δf = fjJk Signalfrequenz nach Heruntermischen fa2/n Δf Frequenz nach Abtastung mit fa
In einer praktisch verwirklichten Vorrichtung entsprechend der Erfindung, die als ein „elektronisches Maßband" für den Heimwerkergebrauch vorgesehen ist, welche berührungslos den Abstand zwischen dem Entfernungsmeßgrät und dem angepeilten Meßpunkt, beispielsweise auf einer Wand oder einer Zimmerdecke, mißt, wurden folgende Werte gewählt:
f1 = 40665,000 kHz Frequenz des Oszillators 200 k = 4096 Teilfaktor
Δf = 9928 Hz Frequenzunterschied Osz. 200 - Osz. 201 f2 = 40674 , 928 kHz Frequenz des Oszillators 201 n = 4 Teilfaktor q = 5120 Teilfaktor
Erste Betriebsart:
fi/n = 10166,250 kHz Sendefrequenz f2/n = 10168,732 kHz Mischerfrequenz
Δf/n = 2482 Hz Signalfrequenz nach Heruntermischen fal = Δf = 9928 Hz Abtastfrequenz x^x = c*n/(2*f1)= 14,75 m Eindeutigkeitsbereich, wobei x die Entfernung und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten
Zweite Betriebsart :
fj. = 40665,000 kHz Sendefrequenz f2 = 40674, 928- kHz Mischerfrequenz Δf = 9928 Hz Signalfrequenz nach Heruntermischen f 2 = fι/<3 = 7942 Hz Abtastfrequenz fa2/n = Δf-fa2 = 1986 Hz Signalfrequenz nach Abtastung x^x = c/ (2*f1) = 3,69 m Eindeutigkeitsbereich, wobei x die Entfernung und c die Lichtgeschwindigkeit bedeuten.
Die Auswertung des bandpaßgefilterten und abgetasteten Empfangssignals erfolgt in dem vorzugsweise als Mikroprozessor gestalteten Steuerrechner 224 dadurch, daß die Phasenmessung des Empfangssignals durch diskrete Fouriertransformation erfolgt .
Jeweils n Abtastwerte am Ausgang des Analog-/Digital-Wandlers 223 bzw. 323 beschreiben eine Sinusperiode. Das Signal Refl bzw. Ref2, welches von dem digitalen Mischer 212 bzw. 312 generiert wird, kennzeichnet den jeweils ersten Wert der n Abtastwerte und dient damit als Referenzphase in der ersten bzw. zweiten Betriebsart.
Die Berechnung der diskreten Fouriertransformation ist insbesondere im dargestellten Fall, bei dem n = 4 ist, besonders einfach. Wenn xi (i = o, 1, 2 ...) die Abtastwerte sind, so gilt für die Phase Φ der Frequenzlinie mit der Frequenz fa/4 :
Re = xO - x2 + x4 - x6 + .. - .. Im = -xl + x3 - x5 + x7 - .. + ..
Φ = arc (Re + j*Im) Es sind somit für die diskrete Fouriertransformation also nur Additionen und Subtraktionen durchzuführen.
Die Photoempfängerschaltung 220 ist über Leitung 226 vom Steuerrechner 224 so umschaltbar, daß er wahlweise Licht vom Meßobjekt über die Empfangsdiode 16 oder von- der Eichstrecke über die Referenz-Photodiode 22 empfängt. Die Eichstrecke besteht aus einem Stück Kunststoff- oder Glasfaser 23, in welche ein geringer Teil der Sendeleistung der Halbleiterlaserdiode 208 eingestrahlt wird. Die Umschaltung erfolgt elektrisch, wobei eine zweite Photodiode verwendet wird. Automatisch bei jeder Messung wird die Umschaltung in den Eichmodus vorgenommen. In der Eichphase werden die Werte ebenfalls durch diskrete Fouriertransformation gemessen und von der Phase des Empfangssignals abgezogen. Dadurch werden Laufzeitdriften der verwendeten Schaltungen eliminiert.
In vorteilhafter Weise erlaubt die Kombination der beiden
Betriebsarten, die durch die Erfindung vorgesehen sind, einen großen Eindeutigkeitsbereich bei hoher Auflösung. Dies beruht darauf, daß in der ersten Betriebsart ein großer Eindeutigkeitsbereich und eine weniger große Auflösung und in der zweiten Betriebsart eine hohe Auflösung bei kleinerem
Eindeutigkeitsbereich miteinander kombiniert werden. Alle für die Abstandsmessung benötigten Frequenzen werden aus der Frequenz fx des als Quarzoszillator gestalteten Oszillators 200 abgeleitet.
Auch der Oszillator 201 kann als Quarzoszillator ausgelegt werden und über eine Kapazitätsdiode auf Sollfrequenz geregelt werden. In vorteilhafter Weise werden durch eine umschaltbare Eichstrecke Driften und Toleranzen der beteiligten Bauelemente eliminiert.
Die Erfindung gestattet dadurch, daß in beiden Betriebsarten Abtastfrequenz und Signalfrequenz nach der Abtastung im Verhältnis n:l, wobei n als ganze Zahl und vorzugsweise als n = 4 gewählt ist, zueinander stehen, was die Auswertung der Signale sehr vereinfacht. In der zweiten Betriebsart wird der Aliasing-Effekt dazu ausgenutzt, um das Verhältnis n:l zwischen Abtastfrequenz und Signalfrequenz herzustellen.
Durch die Anwendung der diskreten Fouriertransformation wird eine genaue Phasenmessung auch bei rauschbehafteten Signalen ermöglicht. Diese diskrete Fouriertransformation ist besonders einfach bei der Wahl n = 4. In diesem Fall sind bei der diskreten Fouriertransformation keine Multiplikationen, sondern nur Additionen und Subtraktionen notwendig. Damit ist diese diskrete Fouriertransformationsberechnung auch auf einfachen, langsamen Mikroprozessoren in Echtzeit durchzuführen. Die Berechnung der Phase aus dem Ergebnis der diskreten Fouriertransformation, nämlich Φ = arc (Re + j*Im), führt auf eine Arcus-Tangens- Berechnung, die jedoch nur einmal am Schluß der Messung durchzuführen ist. Dabei sind beispielsweise Tabellenverfahren, CORDIC-Algorithmen oder Potenzreihenansätze einsetzbar. - Die in Fig. 1 gezeigte besondere optische Anordnung verhindert optisches Übersprechen und übermäßiges Ansteigen der Signalamplitude im Nahbereich.