DE1063394B

DE1063394B - Electro-optical distance measuring device

Info

Publication number: DE1063394B
Application number: DEA26694A
Authority: DE
Inventors: Hugo Pocher
Original assignee: Askania Werke AG
Current assignee: Askania Werke AG
Priority date: 1957-03-05
Filing date: 1957-03-05
Publication date: 1959-08-13

Description

Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung unter Verwendung eines die zu ermittelnde Entfernung durchlaufenden vorzugsweise sinusförmig amplitudenmodulierten Lichtsignals, bei der aus der Phasendifferenz des vom Sender emittierten und des von einem Empfänger empfangenen Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird und bei der Mittel zur sender- und/oder empfängerseitigen Beeinflussung der Phasenlage des gesendeten und/oder empfangenen Signals vorgesehen sind.Electro-optical distance measuring device is the subject of the present invention Invention is a device for electro-optical distance measurement using one that traverses the distance to be determined, preferably sinusoidally, amplitude-modulated Light signal in which the phase difference between the emitted by the transmitter and the signal received by a receiver on the route traversed by the signal is closed and the means for influencing the sender and / or recipient the phase position of the transmitted and / or received signal are provided.

Die derart gekennzeichneten Geräte ziehen wie alle übrigen Geräte dieser Art die endliche Laufzeit elektromagnetischer Wellen zur Entfernungsmessung heran, wobei es bei elektro-optischen Meßeinrichtungen als zweckmäßig angesehen wird, die Laufzeitbestimmung der Welle auf einen Vergleich der Phasenlage des gesendeten mit der Phasenlage des empfangenen Signals zurückzuführen. Aus diesem Grunde wird der zur Messung benutzte Lichtstrom im allgemeinen einer reinen Amplitudenmodulation unterworfen, und es tritt die Aufgabe auf, die Phase des Meß- mit der des Vergleichssignals messend zu vergleichen. Devices marked in this way pull like all other devices of this type the finite transit time of electromagnetic waves for distance measurement approach, whereby it is regarded as useful in electro-optical measuring devices is, the transit time determination of the wave based on a comparison of the phase position of the sent attributed to the phase position of the received signal. Because of this, the luminous flux used for the measurement is generally a pure amplitude modulation subject, and it occurs the task of the phase of the measurement signal with that of the comparison signal to compare measured.

Es sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um diesen Vergleich bei den üblicherweise in elektrooptischen Entfernungsmeßeinrichtungen verwendeten Modulationsfrequenzen zu erleichtern bzw. überhaupt mit der erforderlichen Genauigkeit zu ermöglichen. Numerous suggestions have been made to make this comparison those commonly used in electro-optical distance measuring devices To facilitate modulation frequencies or at all with the required accuracy to enable.

Bei präzisen Meßgeräten dieser Art, also z. B. bei solchen, die für geodätische Vermessungszwecke Ver wendung finden sollen, liegt der zulässige Phasenmeßfehler für den Fall, daß Modulationsfrequenzen von etwa 10 MHz verwendet werden, in der Größen ordnung einiger Winkelminuten. Durch Erhöhung der Modulationsfrequenzen lassen sich zwar diese An forderungen verringern, jedoch muß man bei einem solchen Vorgehen andere Schwierigkeiten in bezug auf die Modulation des Lichtstromes in Kauf nehmen, so daß es angebracht erscheint, nach Möglichkeiten zu suchen, die auch bei niederen Modulationsfrequenzen einen präzisen Phasenvergleich gestatten. Es sind aus diesem Grunde Möglichkeiten erörtert worden, um den Lichtstrom nicht - wie üblich - sinusförmig zu modulieren, sondern impulsförmig, um somit zu einer weniger kritischen Phasenindikation zu gelangen.With precise measuring devices of this type, so z. B. in those who for If geodetic surveying purposes are to be used, the permissible phase measurement error lies in the event that modulation frequencies of about 10 MHz are used, in the Order of magnitude of a few angular minutes. Let by increasing the modulation frequencies Although these requirements are reduced, but you have to with such an approach accept other difficulties with regard to the modulation of the luminous flux, so that it seems appropriate to look for possibilities which also apply to the lower Modulation frequencies allow precise phase comparison. It is from this Basically possibilities have been discussed to avoid the luminous flux - as usual - sinusoidally to modulate, but in the form of pulses, thus becoming a less critical phase indication to get.

Es zeigte sich jedoch, daß für elektro-optische Entfernungsmeßgeräte, die zur Triangulation herangezogen werden sollen, ein derartiges Vorgehen zu einem untragbaren Aufwand führt; denn die z. B. bei Verwendung von Kerrzellenmodulatoren zur Impulsmodulation notwendigen Maßnahmen und Vorrichtungen würden die äußeren Abmessungen des Gerätes und weiterhin dessen Betriebssicherheit in ungünstiger Weise beeinflussen. Es sind zwar im Zusammenhang mit dem Problem der fotografischen Kurzzeitverschlüsse Kerrzellenanordnungen bekanntgeworden, die eine gute rechteckförmige Impulsmodulation des Lichtstromes zulassen; jedoch lassen sie sich nicht ohne Weiterungen zur periodischen Modulation eines Lichtstromes mit einer den Bedürfnissen entsprechenden Impulsfolgefrequenz verwenden. Bei den übrigen Lichtmodulatoren, die in elektro-optischen Entfernungsmessern verwendet werden können, liegen die Verhältnisse ähnlich. It turned out, however, that for electro-optical distance measuring devices, that are to be used for triangulation, such an approach to a leads to unacceptable expense; because the z. B. when using Kerr cell modulators Measures and devices necessary for pulse modulation would be the external ones Dimensions of the device and furthermore its operational reliability in an unfavorable way influence. They are related to the problem of short-term photographic shutters Kerr cell arrangements have become known that have a good square-wave pulse modulation allow the luminous flux; however, they cannot simply be extended to periodic Modulation of a luminous flux with a pulse repetition frequency that corresponds to the needs use. The rest of the light modulators used in electro-optical rangefinders can be used, the ratios are similar.

Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung unter Verwendung eines die zu ermittelnde Entfernung durchlaufenden, vorzugsweise sinusförmig amplitudenmodulierten Lichtsignals vorgeschlagen, bei der durch Vergleich der Phasenwinkel des gesendeten und des empfangenen Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird und bei der Mittel zur sender-und/oder empfängerseitigen Beeinflussung der Phasenlage des gesendeten und/oder empfangenen Signals vorgesehen sind, die sich dadurch kennzeichnet, daß Mittel zur Umwandlung sowohl des empfangenen als auch des Vergleichssignals in Impulsfolgen vorgesehen sind. Nach der Erfindung werden beide Signale vorzugsweise in Impulsfolgen gleicher Impulsfolgefrequenz umgewandelt. In order to overcome these difficulties, a device is provided according to the invention for electro-optical distance measurement using one of the to be determined Distance passing through, preferably sinusoidally amplitude-modulated light signal suggested when by comparing the phase angle of the transmitted and received Signal is inferred from the route traversed by the signal and at the means for influencing the phase position of the transmitted message on the transmitter and / or receiver side and / or received signal are provided, which is characterized in that Means for converting both the received and the comparison signals into pulse trains are provided. According to the invention, both signals are preferably in pulse trains converted to the same pulse repetition frequency.

Zur näheren Erläuterung des Erfindungsvorschlages sei auf das in der Zeichnung schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen, dem in Verbindung mit dem Beschreibungstext weitere Erfindungsmerkmale entnommen werden können. For a more detailed explanation of the proposed invention, refer to the in Referring to the drawing schematically illustrated embodiment, the in connection further features of the invention can be found in the description text.

Es bezeichnet 1 eine Lichtquelle, z. B. eine Quecksilberlampe, deren Lichtstrom der Modulationseinrichtung 2 zugeführt wird. Es kann sich dabei prinzipiell um jeden der heute bei elektro-optischen Entfernungsmeßgeräten verwendeten Lichtmodulatoren, also z. B. um eine Kerrzelle, um einen den Faradayeffekt ausnutzenden Modulator oder um einen Modulator, bei dem der Effekt der elektrooptischen Doppelbrechung an Kristallen, z. B. an Kaliumphosphat, Ammoniumphosphat oder anderen geeigneten Substanzen ausgenutzt wird, handeln. It denotes 1 a light source, e.g. B. a mercury lamp whose Luminous flux of the modulation device 2 is supplied. It can in principle to everyone who works at electro-optical today Distance measuring devices used Light modulators, e.g. B. a Kerr cell, a Faraday effect exploiting Modulator or a modulator in which the effect of electro-optical birefringence on crystals, e.g. B. of potassium phosphate, ammonium phosphate or other suitable Substances being exploited, act.

Infolge der angedeuteten Schwierigkeiten erfolgt die Modulation des Lichtstromes sinusförmig. Das so modulierte Signal läuft über die zu ermittelnde Entfernung E, wird dort an einem Reflektor 3 reflektiert und nach der Reflexion mittels des Empfängers 4 empfangen. Der einfachen Darstellung wegen ist der reflektierende Wellenzug hinter dem Reflektor 3 weiter gezeichnet.As a result of the indicated difficulties, the modulation of the Luminous flux sinusoidal. The signal modulated in this way runs over the to be determined Distance E, is reflected there on a reflector 3 and after the reflection received by means of the receiver 4. For the sake of simplicity, the representation is reflective Wave train behind the reflector 3 is further drawn.

Zum Empfang des modulierten Lichtsignals dient im Empfänger 4 ein Sekundärelektronenvervielfacher. A is used in the receiver 4 to receive the modulated light signal Secondary electron multiplier.

Das mit Hilfe dieses lichtempfindlichen Elementes demodulierte Lichtsignal, d. h. die aus diesem Vorgang resultierende sinusförmige Spannung, wird nach dem Erfindungsvorschlag der Impulsformerstufe 7 zugeführt. Weiter ist mit 5 ein Oszillator bezeichnet, dem sowohl die am Modulator 2 zur Modulation erforderliche als auch die zum Phasenvergleich dienende Spannung entnommen wird. Die Vergleichsspannung wird ihrerseits der Impulsformerstufe 6 zugeführt. Unter Verwendung von an sich bekannten elektronischen Impulsformerschaltungen werden die sinusförmigen Spannungen in Impulse vorzugsweise gleicher Folgefrequenz geeignet hoher Flankensteilheit umgewandelt und im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Koinzidenzmeßanordnung 8, 9 zugeführt. Diese Anordnung spricht nur beim gleichzeitigen Auftreten der beiden Eingangsimpulse an und eignet sich damit bei geeigneter Ausbildung der Impulsformerstufen zum Nachweis einer bestimmten ausgezeichneten Phasendifferenz zwischen dem über die zu ermittelnde Entfernung gelaufenen Meßsignal und dem Vergleichssignal.The light signal demodulated with the help of this light-sensitive element, d. H. the sinusoidal voltage resulting from this process is after Invention proposal of the pulse shaper 7 fed. Next with 5 is an oscillator denotes, which both the modulator 2 required for modulation as well the voltage used for phase comparison is taken. The equivalent stress is in turn fed to the pulse shaper stage 6. Using in itself known electronic pulse shaping circuits are the sinusoidal voltages converted into pulses preferably with the same repetition frequency with a suitably high edge steepness and in the present embodiment a coincidence measuring arrangement 8, 9 is supplied. This arrangement speaks only when the two input pulses occur simultaneously and is therefore suitable for verification with a suitable design of the pulse shaper stages a certain excellent phase difference between the one to be determined Distance between the measured signal and the comparison signal.

Sender, Empfänger und Phasenvergleichseinrichtung bilden im allgemeinen eine bauliche Einheit.Transmitter, receiver and phase comparator generally form a structural unit.

Es ist einzusehen, daß bei geeigneter Ausbildung des Senders bzw. des Empfängers, d. h. also für den Fall, daß etwa die Frequenz des Oszillators 5 stetig variierbar ist, zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal ausgezeichnete Phasendifferenzen herstellbar sind, so daß aus der Kenntnis der Modulationsfrequenzen und dem exakten Nachweis ausgezeichneter Phasendifferenzen in bekannter Weise auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen werden kann. It is to be understood that with a suitable training of the transmitter resp. of the recipient, d. H. So in the event that about the frequency of the oscillator 5 is continuously variable, excellent between the transmitted and the received signal Phase differences can be produced, so that from knowledge of the modulation frequencies and the exact detection of excellent phase differences in a known manner the path covered by the signal can be closed.

Es ist zur Ausführung des Erfindungsvorschlages andererseits jedoch nicht erforderlich, daß der Oszillator 5 variabel ausgebildet wird; vielmehr ist vorteilhaft die Verwendung einer oder mehrerer diskreter Modulationsfrequenzen möglich. Um für diesen Fall die erforderlichen ausgezeichneten Phasendifferenzen zwischen den beiden zu vergleichenden Signalen herzustellen, kann man nun in an sich bekannter bzw. bereits vorgeschlagener Weise so verfahren, daß Mittel zur meßbaren Phasenverschiebung des gesendeten und/oder des empfangenen Signals auf der Sender- und/oder der Empfängerseite der Einrichtung vorgesehen werden. Im besonderen ist es vorteilhaft, im Strahlengang des von der Einrichtung emittierten bzw. empfangenen Lichtstromes eine optische Laufzeitstrecke in Form einer variablen Lichtschleife meßbar veränderlicher Länge zur Herstellung der I(oinzidenz der beiden Impulsreihen vorzusehen; Es ist mit der vorgeschlagenen Einrichtung prinzipiell möglich, nach allen aus der Technik der Impulsentfernungsmeßgeräte, d. h. jener Geräte, bei denen von vornherein eine impulsförmig modulierte Welle vorliegt, her bekannten Verfahren, zur Be stimmung der Entfernung vorzugehen. So ist also unter anderem auch möglich, beide Impulsreihen zeitabhängig auf dem Schirm einer Braunschen Röhre aufzuzeichnen. Für elektro-optische Entfernungsmeßgeräte, die präzisen geodätischen Vermessungszwecken dienen sollen, ist jedoch die Ausführung des Erfindungsvorschlages zweckmäßig an eine elektronische Koinzidenznachweisschaltung, in der also der Nachweis einer bestimmten Phasendifferenz zwischen den beiden sinusförmigen Spannungen durch den Nachweis der Gleichzeitigkeit zweier entsprechender Impulsreihen ersetzt ist, gebunden. On the other hand, however, it is necessary to carry out the inventive proposal it is not necessary that the oscillator 5 is made variable; rather is the use of one or more discrete modulation frequencies is advantageously possible. In order to achieve the required excellent phase differences between The two signals to be compared can now be produced in a more familiar way or proceed in the manner already proposed in such a way that means for a measurable phase shift of the transmitted and / or received signal on the transmitter and / or receiver side the facility. In particular, it is advantageous in the beam path of the luminous flux emitted or received by the device is an optical one Time of flight in the form of a variable light loop of measurable variable length to provide the I (incidence of the two pulse series; It's with the proposed device possible in principle, after all from the technology of Impulse range finders, d. H. those devices that have a pulse shape from the outset There is a modulated wave, known method forth, for determining the distance proceed. So, among other things, it is also possible to have both pulse series time-dependent to be recorded on the screen of a Braun tube. For electro-optical distance measuring devices, the precise geodetic surveying purposes are, however, the execution of the proposed invention to an electronic coincidence detection circuit, in which therefore the detection of a certain phase difference between the two sinusoidal ones Stresses by demonstrating the simultaneity of two corresponding pulse series is replaced, bound.

Im erläuterten Ausführungsbeispiel bezeichnet 8 eine solche Anordnung, die z. B. durch eine Schaltung realisiert werden kann, die nur dann einen Koinzidenzimpuls liefert, wenn ihr gleichzeitig zwei Eingangsimpulse zugeführt werden. Die Anordnung spricht nicht an, wenn die beiden Eingangsimpulse zeitlich nicht koinzidieren. In the illustrated embodiment, 8 denotes such an arrangement, the z. B. can be realized by a circuit that only then has a coincidence pulse delivers when it receives two input pulses at the same time. The order does not respond if the two input pulses do not coincide in time.

Der Nachweis der resultierenden Koinzidenzimpulsfolge kann z. B. mittels eines Frequenzmessers, einer Zählschaltung oder durch Integration und Messung des zeitlichen Spannungsmittelwertes erfolgen. The detection of the resulting coincidence pulse sequence can be, for. B. by means of a frequency meter, a counting circuit or by integration and measurement of the mean voltage value over time.

Durch Verwendung an sich bekannter Schaltanordnungen ist es also nach der Erfindung auf dem zunächst als umständlich erscheinenden Wege der späteren Impulsbildung möglich, unter Beibehaltung der bisherigen Modulationsmittel einen den Anforderungen entsprechenden Phasenvergleich durchzuführen, gleichzeitig werden die Nachteile der bisher verwendeten elektrischen Phasenmeßanordnungen vermieden, die sich aus der nicht vollkommen beseitigbaren frequenzabhängigen Arbeitsweise der Indikatoren ergeben; denn ein nach dem Erfindungsvorschlag ausgebildeter elektro-optischer Entfernungsmesser hat offenbar gegenüber solchen Geräten, die mit rein sinusförmigen Spannungen in der Phasenvergleichseinrichtung arbeiten, den Vorzug, daß z. B. bei einer Koinzidenzmessung der Meßvorgang vollkommen unabhängig von der dem Lichtstrom aufgeprägten Modulationsfrequenz ist. So it is by using circuit arrangements known per se according to the invention on the path of the later, which at first appears to be cumbersome Impulse formation possible, while retaining the previous modulation means to carry out phase comparison according to the requirements at the same time the disadvantages of the previously used electrical phase measuring arrangements are avoided, that results from the frequency-dependent mode of operation that cannot be completely eliminated the indicators result; because an electro-optical trained according to the invention proposal The rangefinder has evidently compared to such devices, which are purely sinusoidal Working voltages in the phase comparison device, the advantage that z. B. at With a coincidence measurement, the measuring process is completely independent of that of the luminous flux impressed modulation frequency.

Sinngemäß läßt sich der Erfindungsvorschlag auch bei Entfernungsmeßgeräten anwenden, die elektromagnetische Wellen nicht optischer Natur zur Entfernungsmessung heranziehen. The proposal of the invention can also be used analogously in the case of distance measuring devices use electromagnetic waves of a non-optical nature to measure distances draw in.

PATENTANSPR8CHE 1. Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung unter Verwendung eines die zu ermittelnde Entfernung durchlaufenden vorzugsweise sinusförmig amplitudenmodulierten Lichtsignals, bei der aus der Phasendifferenz des von einem Sender emittierten und des von einem Empfänger empfangenen Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird und bei der sender- und/oder empfängerseitig der Phasenwinkel des gesendeten und/oder des empfangenen Signals beeinflußbar ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Umwandlung sowohl des empfangenen Signals als auch des Vergleichssignals in Impulsfolgen. PATENT CLAIMS 1. Device for electro-optical distance measurement using a preferably traversing the distance to be determined sinusoidal amplitude-modulated light signal, in which from the phase difference the signal emitted by a transmitter and the signal received by a receiver the route traversed by the signal is inferred and the sender and / or on the receiver side, the phase angle of the transmitted and / or received signal can be influenced, characterized by means for converting both the received Signal as well as the comparison signal in pulse sequences.

Claims

2. Device according to claim 1, characterized in that the two Pulse trains have the same pulse repetition frequency.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized by a Coincidence measuring arrangement known per se for detecting the coincidence of two pulses of the two pulse trains, preferably by such a measuring arrangement, those at simultaneity of the two input pulses delivers a coincidence pulse.

4. Device according to claim 3, characterized by a frequency meter to determine the coincidence pulse frequency.