DE2017357A1

DE2017357A1 - Method for electronic distance measurement

Info

Publication number: DE2017357A1
Application number: DE19702017357
Authority: DE
Inventors: Helmuth Dr. 6330 Wetzlar Frenk
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1970-04-11
Filing date: 1970-04-11
Publication date: 1971-10-28
Also published as: AT316305B; CH521595A

Description

Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektronischen Entfernungsmessung, bei dem die Laufzeit des von einer Halbleiter-Diode emittierten Lichtes zu einem Ziel und zurück gemessen wird. Method for Electronic Distance Measurement The invention relates to a method for electronic distance measurement in which the transit time of the A semiconductor diode emitted light is measured to a target and back.

Elektronisch arbeitende Entfernungsmesser sind bereits -bekannt und arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien. Jedoch konnte bisher noch keiner rü die Messung kurzer Strecken in Verbindung mit kleinen Geräten, z.B. mit fotografischen Kamerss, praktikabel gemacht werden. Der Grund dafür liegt darin, daß bei einer solohen Impulslaufzeitmessung die Auflösung bei kleinster Entfernung die Höchstfrequenz bestimmt. Soll z.B.Electronically operating rangefinders are already known and work according to different principles. However, no one has been able to turn back so far the measurement of short distances in connection with small devices, e.g. with photographic Kamerss, be made workable. The reason for this is that one Solohen pulse transit time measurement the resolution at the smallest distance the maximum frequency certainly. Should e.g.

bei einer Entfernung von 1 m noch mit 10% Genauigkeit gemessen werden, so muß eine Laufzeit von 1/3 na, also eine Frequenz von 3 GHz noch aufgelöst werden. Das erfordert aber eine aufwendige Halbleiter-Elektronik. Zusätzlich bedeutet die große erforderliche Bandbreite ein hohes Rauschen und macht deshalb eine liohtstarke, schwere Optik erforderlich, die. ein möglichst starkes Signal liefert.can still be measured with 10% accuracy at a distance of 1 m, a running time of 1/3 na, i.e. a frequency of 3 GHz, has to be resolved. However, this requires complex semiconductor electronics. In addition, the means large required bandwidth a high noise and therefore makes a strong, heavy optics required that. delivers the strongest possible signal.

Diese Nachteile werden bei dem erfindungsgemäßen Entfernungs meßverfahren, das ebenfalls auf einer echten Laufzeitmessung beruht, vollständig vermieden. Das Verfahren ist gekennzeiohnet durch die folgenden Verfahrensschritte. Das von einer Halbleiter-Diode emittierte Licht wird durch Steigerung der Steuerspannung eines Wechselstrom-Generators, beginnend mit einer Minimalfrequenz, mit steigender Frequenz sinusförmig moduliert.These disadvantages are in the distance measuring method according to the invention, which is also based on a real time of flight measurement, completely avoided. That Process is characterized by the following process steps. That of one Light emitted by semiconductor diode is generated by increasing the control voltage of a AC generator, starting with a minimum frequency, with increasing frequency modulated sinusoidally.

Das vom Zi.l reflektierte Licht wird danach einer Fotozelle zugeführt, und der Fotozellenstrom wird verstärkt. Danach wird der Strom in einem phasenempfindlichen Gleichriohters als dessen Sohaltspannung die Modulationaspannung der Halbleiter-Diode dient, gleichgerichtet und danach integriert. Mit der integrierten, steigenden Gleichapannung wird dann die Steuerspannung des Wechselstrom-Generators gesteigert, bis die Lichtfrequenz 3 c/8x ist, worin c die Lichtgeschwindigkeit und x die gemessene Zielentfernung sind.The light reflected by the Zi.l then becomes a photocell fed, and the photocell current is increased. After that the current is in a phase sensitive The modulation voltage of the semiconductor diode is rectified as its holding voltage serves, rectified and then integrated. With the integrated, increasing DC voltage the control voltage of the alternator is then increased until the light frequency 3 is c / 8x, where c is the speed of light and x is the measured target range are.

Das Verfahren beruht demnach auf einem Vergleich der Phasenlage der Nodulationaspannung und der von der Fotozelle gelieferten Spannung. Da das emittierte Licht zweimal den Veg zum angemessenen Ziel durchläuft, ist die Phase der von der Fotozelle gelieferten Spannung natürlich verzögert gegenüber der Phase der Dioden-Modulationsspannung. Sobald diese. Phasendifferenz 90° beträgt, liefert der phasenempfindliche Gleichrichter kein Signal mehr, so daß die integriert Gleichspannung und damit die Frequenz des emittierten Lichtes nicht weiter steigt. Diese Phasenlage ist aber dann erreicht, wenn f = c/8x bzw. # = 8x ist, worin f die Frequenz, # die dazugehörige Wellenlänge, c die Lichtgeschwindigkeit und x die gesuchte Entfernung ist. Der Verzbgerungweg, der sich aus zweimal der Strecke x zusammensetzt, ist dann nämlich 2x = #/4, was einer Phasenverzögerung von 1/4 Wellenlänge oder 90° entspricht. Die Frequenz f, auf die sich die Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens bei einer Messung einstellt, istsomit ein Kriterium für die gemessene Entfernung, dergestalt, daß die Entfernung x = c/8f ist, und es kann daher also durch einfache Begrenzung der Modulationsspannung, ihre Integration und ihre Gleichrichtung eine der Entfernung direkt proportionale Spannung gewonnen werden. Ein weiteres Kriterium ist die am Ausgang des Integrators anstehende Spannung.The method is therefore based on a comparison of the phase position of the Nodulation voltage and the voltage supplied by the photocell. Since that emitted Light traverses the Veg twice to the appropriate goal, the phase is that of the The voltage supplied by the photocell is of course delayed compared to the phase of the diode modulation voltage. Once this. Phase difference is 90 °, the phase-sensitive rectifier delivers no more signal, so that the integrated DC voltage and thus the frequency of the emitted light does not increase any further. However, this phase position is then reached if f = c / 8x or # = 8x, where f is the frequency, # is the associated wavelength, c is the speed of light and x is the distance sought. The way of delay, which is composed of twice the segment x, is then namely 2x = # / 4, what corresponds to a phase delay of 1/4 wavelength or 90 °. The frequency f, on which the arrangement for carrying out this method during a measurement is thus a criterion for the measured distance such that the distance x = c / 8f, and it can therefore be achieved by simply limiting the Modulation voltage, its integration and its rectification one of the distance directly proportional voltage can be obtained. Another criterion is the am Voltage present at the output of the integrator.

Es ist besonderer Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens, daß die höchste Frequenz klein und die Messung außerordentlich schmalbandig ist. Bei einer geringsten su messenden Entfernung von 1 m beträgt die Frequenz 37,5 MHz. Das ist 1/i-oo der eingange für das Impulsverfahren bei 1 m genannten Frequensl Ferner stellt der verwendete I-Regler einen-echten Korrelator dar, der eine optimale Rauschunterdrückung besitzt.It is a particular advantage of the proposed method that the The highest frequency is small and the measurement is extremely narrow-band. At a The smallest distance of 1 m to be measured is the frequency 37.5 MHz. That is 1 / i-oo the input for the pulse method at 1 m mentioned frequency the I-controller used is a real correlator that provides optimal noise suppression owns.

Sein Ausgangswert ist pegelunabhängig, und seine Zeitkonstante paßt sich selbsttätig an den Rauschpegel an. Bei kleinem Signal dauert es länger, bis die Ausgangsspannung ihren Endwert erreicht hat, als bei stärkerem Signal.Its output value is level-independent and its time constant matches automatically adapts to the noise level. If the signal is small, it takes longer to the output voltage has reached its final value than with a stronger signal.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Blockschaltbild beispielsweise und schematisch dargestellt. Es ist ein Generator 1 vorhanden, der von einer Gleichspannung U gesteuert wird. Der Generator liefert eine Vechseispannung, deren Frequenz mit steigender Gleichspannung ebenfalls steigt. Die Mittel, mit denen die Modulationsfrequenz von der Spannung U- ge steuert wird (z.B. eine Kapazitäts-diode), sind an sich bekannt und daher nicht weiter dargestellt. Die Modulationsspannung liegt an einer Halbleiter-Lichtemissionsdiode 2 an, deren Licht durch. eine Optik 3 auf das anzumessende Ziel 4 projizielt wird.In the drawing, the invention is for example in a block diagram and shown schematically. There is a generator 1 that is powered by a DC voltage U is controlled. The generator supplies a Vechseisspannung, whose frequency with increasing DC voltage also increases. The means by which the modulation frequency is controlled by the voltage U- (e.g. a capacitance diode) are known per se and therefore not shown further. The modulation voltage is applied to a semiconductor light-emitting diode 2 on whose light comes through. an optic 3 is projected onto the target 4 to be measured.

Ein Teil des vom Ziel reflektierten Lichtes fällt durch eine weitere Optik S auf eine Fotoz-elle 6. Letzterer sind ein Verstärker 7 und ein phasenempfindlicher Gleichrichter 8 nachgeschaltet. Als Schaltspannung des Gleichrichters 8 dient dabei die Modulationsspannung der Diode 2 Mit dem Gleichrichter 8 ist auf deri'usgangsseite ein Integrator 9 verbunden, in dem das vom Gleichrichter gelieferte Signal intergriert wird, und diese integrierte Gleichspannung steuert dann die Modulationsfrequenz als Steuerspannung des Generators 1.Part of the light reflected from the target passes through another one Optics S onto a photo cell 6. The latter are an amplifier 7 and a phase sensitive one Rectifier 8 connected downstream. The switching voltage of the rectifier 8 is used here the modulation voltage of the diode 2 with the rectifier 8 is on the output side an integrator 9 is connected, in which the signal supplied by the rectifier is integrated will, and this integrated DC voltage then controls the modulation frequency as control voltage of generator 1.

Zur Erläuterung der Funktion. dieser Anordnung sei angenommen, daß die zu messende Entfernung 3 m betrage (x = 3 m). Die Minimalfrequenz sei fmin = 3 MHz, was einer Wellenlänge von # = 150 m entspricht. Mit dieser Minimalfrequenz ist noch eine maximale Entfernung von. x = 19 m meßbar.To explain the function. this arrangement it is assumed that the distance to be measured is 3 m (x = 3 m). The minimum frequency is fmin = 3 MHz, which corresponds to a wavelength of # = 150 m. With this minimum frequency is still a maximum distance of. x = 19 m measurable.

Bei einer zu messenden Entfernung von x =-3 m, d h. bei einem Verzögerungsweg von. 6 m, ist das reflektierte Licht bei der Minimalfrequenz fast noch in Phase und ergibt daher z.B. eine positive Gleichspannung am Ausgang des Gleichrichters. Diese wiederum ergibt eine zunehmende (z.B .negative) Gleichspannung am Integratorausgang. Durch sie wird die Steuerspannung des Generators 1 und damit t auch die Mödulationsfrequen.z immer weiter erhöhte bis zu einer Frequenz, bei welcher der Verzögerungsweg von 6 m gerade eine 900 Phasenverschiebung hervorruft. Dies tritt bei einer Frequenz f = 12,5 MHz (#= = 24 m) ein. In diesem Falle wird die Gleichspannung hinter dem Gleichrichter gleich Null, und damit bleibt die Ausgangsspannung des Integrators konstant. Die Frequenz oder diese Spannung stellt dann ein Maß für die gemessene Entfernung dar.With a distance to be measured of x = -3 m, i.e. with a deceleration path from. 6 m, the reflected light is almost still in phase at the minimum frequency and therefore results, for example, in a positive DC voltage at the output of the rectifier. This in turn results in an increasing (e.g. negative) DC voltage at the integrator output. The control voltage of the generator 1 and thus t also the modulation frequency z always increased up to a frequency at which the delay path of 6 m just causes a 900 phase shift. This occurs at one frequency f = 12.5 MHz (# = = 24 m) a. In this case the DC voltage is behind the Rectifier equals zero, and so the output voltage of the integrator remains constant. The frequency or this voltage then provides a measure of the measured Distance.

Claims

Expectations

Method for electronic distance measurement in which the transit time emitted by a controllable semiconductor diode. Light to a goal and is measured back, characterized by the following process steps: a) the light emitted by the semiconductor diode is increased by increasing the control voltage of an alternating current generator, starting with a minimum frequency and increasing with Frequency modulated sinusoidally; b) the light reflected from the target becomes a photocell fed; c) the photocell current is-amplified and'in a phase-sensitive Rectifier, as its holding voltage the modulation voltage of the semiconductor diode dien.t, rectified and danaoh integrated; and d) with the integrated DC voltage, which represents the measured value, the control voltage of the alternator is increased, until the light frequency = c / 8x, where. c is the speed of light and x is the measured Represents target distance.

2. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized characterized in that as a transmitter part one of a variable. DC voltage controllable Generator (1) and an emitting semiconductor diode (2) connected downstream of it are whose. Light through optics (3) can be projected onto a target (4) and that A photocell (6) is arranged as a receiving part behind ein.er optics (5), which with an amplifier (7)> - a phase-sensitive rectifier (8) and a Integrator (9) is in series, with the modulation voltage of the diode as a holding voltage of the rectifier is used and the output voltage of the integrator is the modulation frequency controls.

L e r s e i t e