AT413451B

Method and device for optoelectronic distance measurement

Abstract

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AT413451B, drawing sheet 1
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Expired 19 December 2020, 5.8 years ago.

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25 claims: 4 independent, 21 dependent

  1. 1
    io 1. Verfahren zur optoelektronischen Entfernungsmessung, bei dem - ein von einem Licht-Hauptemitter (1) abgegebener, intensitätsmodulierter Hauptlichtstrahl einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (D o ) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, gerichtet und das dort gestreute Licht (36) über eine Empfangsoptik (37) auf einen Foto-Hauptempfänger (5) gelangt, und andererseits ein abgezweigter Teil 15 (33) des Hauptlichtstrahls gleichzeitig über eine erste bekannte Referenzdistanz (D0 auf einen Fotoreferenzempfänger (4) geleitet wird;- ein von einem Referenzlichtemitter (2) abgegebener, ebenfalls intensitätsmodulierter Referenzlichtstrahl einerseits über eine zweite bekannte Referenzdistanz (D 2 ) auf den Fotoreferenzempfänger (4) und andererseits ein Teil (35) des Referenzlichtstrahls über eine dritte 20 Referenzdistanz (D 3 ) auf den Hauptempfänger (5) gelangt, und bei dem - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signale einer vergleichenden Signalauswertung zur Gewinnung eines fehlerkompensierten Messsignals zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass 25 - die Lichtintensitäten des Haupt- und des Referenzemitters (1, 2) mit unterschiedlichen Frequenzen (fn f 2 ) gleichzeitig intensitätsmoduliert werden, wobei - die vom Haupt- und vom Referenzempfänger (5, 4) gelieferten Signalgemische, die jeweils einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Hauptemitters (1) als auch einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Referenzemitters (2) 30 enthalten, jeweils in einen Zwischenfrequenzbereich konvertiert werden, der zwei Frequenzanteile enthält, wobei der eine Frequenzanteil mit dem Signal des Referenzemitters (2) und der andere Frequenzanteil mit dem Signal des Hauptemitters (5) gebildet wird, - zur vergleichenden Signalauswertung die Separation der in den beiden simultan anfallenden Zwischenfrequenzsignalen enthaltenen Phaseninformation aufgrund der unterschiedli35 chen Frequenzen im Zwischenfrequenzbereich und der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation von Haupt- und Referenzlichtstrahl erfolgt, und dass - zur Erzielung einer eindeutigen Distanzmessung und zur Verbesserung des Messergebnisses zeitsequenziell mehrere Messvorgänge durchgeführt werden, wobei die Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation nach einem festgelegten Schema einerseits 40 untereinander vertauscht und andererseits gleichermaßen verändert werden.
  2. 2
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung an unterschiedliche Dynamikanforderungen eines jeweiligen Messvorgangs die Abgabeleistung des Haupt- und/oder des Referenzemitters (1,2) variiert wird/werden.
  3. 3
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptlichtemitter (1) sowie für den Referenzlichtemitter (2) Laser verwendet werden.
  4. 4
    Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwellenlängen (Ä 1f λ 2 ) so der beiden Laser (1,2) unterschiedlich gewählt werden.
  5. 5
    Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch optische Filterung ein Übersprechen zwischen den dem Hauptlichtstrahl bzw. dem Referenzlichtstrahl zugeordneten Lichtsignalwegen reduziert wird. 1 5 AT 413 451 Β
  6. 6
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur vergleichenden Signalauswertung die Phasen der Signalanteile der Signalgemische (42;43) im Zwischenfrequenzbereich durch digitale Fourier-Transformation mit Auswertung der Real- und Imaginärteile der in den Frequenzbereich Fourier-transformierten Signalgemische bei den jeweiligen 5 Zwischenfrequenzen (f ZF1 und f ZF2 ) ermittelt werden.
  7. 7
    Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der digitalen FourierTransformation zuzuführenden Signalgemische zunächst einer Tiefpassfilterung unterworfen werden.
  8. 8
    Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenfrequenzen (f ZF1 und f ZF2 ) und die Abtastzeiten einer der Fourier-Transformation vorausgehenden Analog-Digital-Wandlung (17, 18), d. h. das Messfenster der jeweiligen digitalen Abtastung, so gewählt werden, dass eine ganzzahlige Anzahl von Perioden sowohl des Signalanteils mit 15 der ersten Zwischenfrequenz (f ZF1 ) als auch des Signalanteils mit der zweiten Zwischenfrequenz (f ZF2 ) im Messfenster der digitalen Abtastung liegen.
  9. 9
    Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der auf den Hauptempfänger (5) gelangende Anteil (35) des Referenzlichtstrahls (31) zunächst diffus reflektiert oder ge20 streut und nur als Streuanteil zusammen mit dem über die Empfangsoptik (37) einfallenden Rückstreuanteil (36) des Hauptlichtstrahls auf den Hauptempfänger (5) geleitet wird.
  10. 10
    Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Referenzempfänger (4) gelangenden Anteile des Referenz- und Hauptlichtstrahls zunächst diffus re25 flektiert oder gestreut und nur als Streulichtanteile auf den Referenzempfänger (4) geleitet werden.
  11. 11
    Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmessung mit - zwei Lichtsendern (1, 2), deren jeweiliger Lichtstrahl intensitätsmoduliert ist, wobei der 30 Lichtstrahl des ersten als Hauptemitter (1) bezeichneten Lichtsenders einerseits auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz (D o ) von einem Beobachtungsort gemessen werden soll, ausrichtbar ist, und andererseits ein abgetrennter Strahlanteil (33) über eine erste Referenzdistanz (D^ auf einen von zwei Fotoempfängern (4, 5) gelangt, der als Referenzempfänger (4) bezeichnet ist, und wobei der Lichtstrahl (31) des zweiten als Referenz35 emitter (2) bezeichnete Lichtsenders über eine zweite Referenzdistanz (D 2 ) auf den Referenzempfänger (4) und ein davon abgetrennter Strahlanteil (35) über eine dritte Referenzdistanz (D 3 ) auf den als Hauptempfänger bezeichneten zweiten Fotoempfänger (5) gelangt, der ausserdem mit dem vom Messobjekt rückgestreuten Anteil (36) des Lichtstrahls vom Hauptemitter (1) beaufschlagt ist, 40 - jeweils einem dem Referenzempfänger (4) bzw. dem Hauptempfänger (5) zugeordneten Signal-Mischer (7, 8), welche die Empfängersignalgemische in einen Zwischenfrequenzbereich umsetzen, sowie mit - einer Auswerteeinrichtung (17 bis 19) zur Bestimmung der Messdistanz (D o ) aus den Ausgangssignalen der beiden Mischer (7, 8), 45 gekennzeichnet durch - eine Frequenzsynthisizer (21, 22) enthaltende Vorrichtung, durch welche die vom Hauptbzw. vom Referenzemitter (1, 2) abgegebenen Lichtstrahlen gleichzeitig mit jeweils unterschiedlicher Frequenzen (h, f 2 ) intensitätsmodulierbar sind, und - eine in der Intensitätsmodulationseinrichtung (20 - 22) vorhandene Vorrichtung zum zeit50 sequenziellen gegenseitigen Vertauschen der Frequenzen (f b f 2 ) der auf den jeweiligen Lichtemitter (1,2) gelangenden Intensitätsmodulationssignale.
  12. 12
    Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch jeweils einen zwischen dem Referenzempfänger (4) bzw. dem Hauptempfänger (5) und dem jeweils zugeordneten Mischer 55 angeordneten Transimpedanzverstärker (9,10) oder impedanzkontrollierten HF-Verstärker. AT 413 451 Β
  13. 13
    Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine Avalanche-Fotodiode verwendet ist.
  14. 14
    Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Avalanche-Fotodiode 5 des Hauptempfängers (5) und/oder die Avalanche-Fotodiode des Referenzempfängers (4) als Direktmischer genutzt werden, wobei durch Modulation der Avalanche-Verstärkung über ein von einem Lokaloszillator (20, 12) erzeugtes Lokaloszillatorsignal (f 10 ) das jeweilige Empfangssignalgemisch direkt in den Zwischenfrequenzbereich konvertiert wird. io
  15. 15
    Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator ein LC-Oszillator ist, dessen schwingungsbestimmende Elemente vor allem die Kapazität der Avalanche-Fotodiode des Hauptempfängers und/oder die Kapazität der AvalancheFotodiode des Referenzempfängers bildet. 15
  16. 16
    Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Hauptempfänger (5) und/oder als Referenzempfänger (4) jeweils eine PIN-Fotodiode verwendet ist.
  17. 17
    Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine oszillatorgesteuerte Frequenzsynthisizer (21, 22) enthaltende Vorrichtung zum gleichmäßigen Verändern der Frequenz 20 der auf den jeweiligen Lichtemitter (1,2) gelangenden Intensitätsmodulationssignale.
  18. 18
    Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 17, gekennzeichnet durch eine im Strahlengang des vom Referenzemitter (2) auf den Hauptempfänger (5) gelangenden Strahlanteils angeordnete Streuvorrichtung (11), von der ein gestreuter Lichtanteil des 25 vom Referenzemitter (2) stammenden Strahlanteils auf den Hauptempfänger (5) gelangt.
  19. 19
    Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 bis 18, gekennzeichnet durch eine im Strahlengang der vom Referenzemitter (2) und vom Hauptemitter (1) auf den Referenzempfänger (4) gelangenden Strahlanteile angeordnete Streuvorrichtung (51), von der 3o gestreute Lichtanteile der vom Referenzemitter (2) und Hauptemitter (1) stammenden Strahlanteile auf den Referenzempfänger (4) gelangen.
  20. 20
    Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine frequenzgesteuerte Vorrichtung zur Variation der Lichtabgabeleistung des Referenzemitters (2) und/oder des Hauptemitters 35 (1).
  21. 21
    Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Wellenlängen (λ-ι, λ 2 ) von Referenz- und Hauptemitter unterschiedlich sind. 40
  22. 22
    Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang vom Hauptemitter (1) zum Referenzempfänger (4) ein auf die vom Hauptemitter abgegebene Wellenlänge abgestimmtes optisches Filter (52) und/oder im Strahlengang vom Referenzemitter (2) zum Hauptempfänger (5) ein auf die vom Referenzemitter abgegebene Wellenlänge abgestimmtes optisches Filter (41) angeordnet ist.
  23. 23
    Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptemitter (1) bzw. der Referenzemitter (2) eine kantenemittierende Laserdiode, eine VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode) oder eine Leuchtdiode ist/sind. so
  24. 24
    Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen für Sende- und Empfangsteil verwendeten Mutteroszillator (20).
  25. 25
    Vorrichtung nach Anspruch 11 bzw. Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Mischer (7, 8 bzw. 4, 5) vom gleichen Lokaloszillator (20, 12) ansteuerbar sind, dessen 55 Frequenz (f L0 ) so gewählt ist, dass im Zwischenfrequenzbereich jeweils ein Signalgemisch 1 7 AT 413 451 Β vorliegt, dessen Signalanteile mit beiden Zwischenfrequenzanteilen (f Z Fi. fzF2) die Phasen bei den Modulationsfrequenzen (f 1( f 2 ) enthält.
Independent claims25