DE19543946A1

DE19543946A1 - Laser distance measuring device using reflected light

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Publication number: DE19543946A1
Application number: DE19543946A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Burghoff; Stefan Merker; Thomas Merker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-11-25
Filing date: 1995-11-25
Publication date: 1997-05-28

Abstract

The distance measuring device uses a modulated laser light source (1), a collimator (2) and a Fabry-Perot etalon (3) for providing optical pulses, with detection of the reflected pulses by a zero indicator (9), providing a zero signal when the sum of the delay time and the propagation time of the pulses has a given value. A regulator (10) alters the frequency modulation for the laser diode and hence the delay time of the provided laser light pulses, until the zero signal is provided by the zero indicator.

Description

State of the art

Bei Abstandsmessungen nach dem Prinzip der Laufzeitmessung wird ein Lichtimpuls über eine Meßstrecke ausgesendet, an ihrem Endpunkt reflektiert und die Zeit bis zum Eintreffen am Ausgangspunkt gemessen. Eine Anordnung zur Laufzeitmessung mit Laserquelle, Kolli mator, Fabry-Perot-Etalon (FPE) und Empfängereinheit wird in der Patentschrift 195 20 663.0 angegeben. Hier erzeugt das FPE, das als Oszillator in Resonanz betrieben wird, opti sche Impulse. Die Phasenlage der Impulse wird durch eine an den FPE angelegte Gleich spannung beeinflußt. Die Empfangereinheit ist ein Nullindikator, der dann ein Nullsignal ab gibt, wenn die Summe aus Impulslaufzeit und Impulsverzögerungszeit einen vorgegebenen Wert aufweist. Die am FPE anliegende Gleichspannung ist ein Maß für die Impulslaufzeit. Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß beim Einsatz von Laserdioden auf Grund von Wel lenlängendriften eine kontinuierliche Distanzmessung nicht möglich ist und bei vorgegebener Laserquelle deren Modenabstände die Dicke des FPE und damit auch seine Resonanzfre quenz bzw. die maximal zulässige Meßlänge der Anordnung bestimmen.In distance measurements according to the principle of transit time measurement, a light pulse over sent out a test section, reflected at its end point and the time to arrival measured at the starting point. An arrangement for transit time measurement with laser source, Kolli mator, Fabry-Perot etalon (FPE) and receiver unit is described in the patent 195 20 663.0 specified. Here, the FPE, which is operated as an oscillator in resonance, produces opti impulses. The phase position of the pulses is determined by a DC applied to the FPE voltage affected. The receiver unit is a zero indicator, which then outputs a zero signal when the sum of the pulse duration and the pulse delay time is a predetermined one Value. The DC voltage applied to the FPE is a measure of the pulse transit time. The disadvantage of this arrangement is that when using laser diodes due to Wel lenlängendriften a continuous distance measurement is not possible and at a given Laser source whose mode spacing the thickness of the FPE and thus its Resonanzfre determine the maximum permissible measuring length of the arrangement.

In der Patentschrift 195 37 281.6 wird eine kontinuierliche Distanzmessung durch Einsatz eines FPE mit geteilter Elektrode und einer frequenzmodulierten Laserdiode ermöglicht. Da in dieser Anordnung die am FPE anliegende Gleichspannung ein Maß für die Impulslaufzeit ist, beeinflussen Driften der Halbwellenspannung des eingesetzten FPE-Materials die Meß genauigkeit. Langzeitdriften der Halbwellenspannung werden in der angegebenen Anord nung mit Hilfe eines Vergleichskanals kompensiert.In the patent 195 37 281.6 a continuous distance measurement by use a split electrode FPE and a frequency modulated laser diode. There in this arrangement, the DC voltage applied to the FPE is a measure of the pulse transit time Drifting the half-wave voltage of the FPE material used affect the measurement accuracy. Long-term drift of the half-wave voltage are in the specified Anord compensated by means of a comparison channel.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstandsmessung anzuge ben, bei der die Phasenlage der optischen Sendeimpulse nicht durch eine an den FPE gelegte Gleichspannung beeinflußt wird, die Messung der Impulsverzögerungszeit im Sendeteil er folgt und damit die Einflüsse des SNR auf die Messung minimiert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch eine Anordnung Laserdiode, Kollimator, Fabry- Perot-Etalon, Empfängereinheit und Vergleichskanal gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Ein- Einheit mit einer vom Oszillator (8) sinusförmig frequenzmodulierten Laserquelle (1), einem Kollimator (2) und einem FPE (3) Lichtimpulse erzeugt, deren Phasenlage vom Regler (10) durch Änderung des Arbeitspunkts der Laserdiode (1) so beeinflußt wird, daß am Ausgang der Empfangereinheit (9) stets ein Nullsignal liegt, die am Objekt (5) gestreuten oder reflek tierten optischen Impulse in der Empfängereinheit (9) in elektrische Signale gewandelt, ge tastet und gefiltert werden, in einem Vergleichskanal (6) die am Teilerspiegel (4) reflektier ten optischen Impulse in elektrische Signale gewandelt werden und die Impulsverzöge rungszeit durch Frequenzanalyse der Impulsfolge bestimmt wird und in einem Adresspeicher (6.7) die Zuordnung von Impulsverzögerungszeit und Meßlänge erfolgt.The invention has for its object to provide an arrangement for distance measurement suits ben, wherein the phase position of the optical transmission pulses is not affected by a voltage applied to the FPE DC voltage, the measurement of the pulse delay time in the transmitting part he follows and thus minimizes the effects of SNR on the measurement become. This object is achieved in accordance with the invention by an arrangement of laser diode, collimator, Fabry-Perot etalon, receiver unit and comparison channel, which is characterized in that a one-unit with a from the oscillator ( 8 ) sinusoidally frequency-modulated laser source ( 1 ), a collimator ( 2 ) and a FPE ( 3 ) produces light pulses whose phase position is influenced by the controller ( 10 ) by changing the operating point of the laser diode ( 1 ) so that at the output of the receiver unit ( 9 ) is always a zero signal, the scattered at the object ( 5 ) or Reflected optical pulses in the receiver unit ( 9 ) converted into electrical signals, ge tasted and filtered in a comparison channel ( 6 ) at the splitter mirror ( 4 ) reflected th optical pulses are converted into electrical signals and the pulse delay rungszeit by frequency analysis of Pulse sequence is determined and in an address memory ( 6.7 ) the assignment of pulse delay time and Me ßlänge takes place.

description

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Der Kollimator (2) formt aus der Strahlung einer frequenzmodulierten Laserdiode (1) ein paralleles Lichtbündel, das nach Mehrfachreflektionen im Fabry-Perot-Etalon (3) auf den Strahlteiler (4), die Fresnellinse (11) und danach auf das zu ortende Objekt (5) trifft.The arrangement according to the invention is shown in FIG . The collimator ( 2 ) forms from the radiation of a frequency-modulated laser diode ( 1 ) a parallel light beam, which after multiple reflections in the Fabry-Perot etalon ( 3 ) on the beam splitter ( 4 ), the Fresnel lens ( 11 ) and then to the object to be located ( 5 ) applies.

Die Transmission T_r eines Fabry-Perot-Etalon zeigt Gleichung (1).The transmission T _{r of} a Fabry-Perot etalon shows equation (1).

Hierbei ist r die Amplitude der an den Grenzflächen des FPE (3) reflektierten Lichtstrahlen. Die erforderlichen Reflektionsgrade r² des FPE (3) werden in bekannter Weise durch ent sprechende optische Schichtsysteme auf den Grenzflächen des FPE (3) realisiert. Der Pha senwinkel ϕ ist in Gleichung (2) angegeben.Here, r is the amplitude of the light rays reflected at the interfaces of the FPE ( 3 ). The required reflectivities r 2 of the FPE ( 3 ) are realized in a known manner by ent speaking optical layer systems on the interfaces of the FPE ( 3 ). The phase angle φ is given in equation (2).

mit 2(nL)=Pλ_o (4)with 2 (nL) = Pλ _o (4)

Hierbei sind n der Brechungsindex, L die Dicke und P die Modenzahl des FPE (3), c die Lichtgeschwindigkeit, Δν der Frequenzhub der modulierten Laserdiode (1), ν₀ die Laserwel lenlänge für die die doppelte optische Weglänge im FPE (3) ein ganzzahliges Vielfache P der Laserwellenlänge λ₀ ist (Gl. 4), ν die Laserfrequenz im Arbeitspunkt ω, die Oszillatorkreis frequenz und t die Zeit.Here, n is the refractive index, L the thickness and P the mode number of the FPE ( 3 ), c the speed of light, Δν the frequency deviation of the modulated laser diode ( 1 ), ν₀ the Laserwel lenlänge for the double optical path length in the FPE ( 3 ) is an integer Multiples P of the laser wavelength λ₀ is (equation 4), ν the laser frequency at the operating point ω, the oscillator circuit frequency and t the time.

Wählt man den doppelten Frequenzhub Δv multipliziert mit der Modenzahl P kleiner als die Modenfrequenz ν₀, erzeugt die Einheit eindeutige Impulsfolgen. Die Phasenlage der Impulse wird erfindungsgemäß durch die Laserwellenlänge v und damit durch Änderungen des Ar beitspunktes der Laserdiode (1) bestimmt.If one selects the double frequency deviation Δv multiplied by the mode number P smaller than the mode frequency ν₀, the unit generates unique pulse trains. The phase angle of the pulses according to the invention by the laser wavelength v and thus determined by changes in the Ar beitspunktes the laser diode ( 1 ).

Die Modenzahl P des FPE (3) muß, wie in der Schrift 195 20 663.0 angegeben, mit der Mo denzahl der Laserdiode (1) nahezu identisch sein, um Einflüsse auf die Stabilität der Laser quelle (1) zu minimieren. Die von der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugten optischen Sendeimpulse sind in Fig. 2 dargestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, beeinflußt Δϕ bzw. ν die Phasenlage der Impulse (Impulsverzögerungszeit) und die Impulsbreite.The mode number P of the FPE ( 3 ) must, as stated in the publication 195 20 663.0, with the Mo denzahl the laser diode ( 1 ) be almost identical to minimize influences on the stability of the laser source ( 1 ). The generated by the inventive arrangement optical transmission pulses are shown in Fig. 2. As can be seen from FIG. 2, Δφ or ν influences the phase position of the pulses (pulse delay time) and the pulse width.

Receiver unit ( 9 )

Die von der Sendeeinheit erzeugten Impulse werden am Objekt (5) reflektiert oder gestreut, werden von der Fresnellinse (11) fokussiert und treffen auf die Empfängereinheit (9). Die Gesamtlaufzeit t_L der Impulse berechnet sich mit der Lichtgeschwindigkeit v für die Meß strecke s (Sender-Objekt) aus Gl. (7)The pulses generated by the transmitting unit are reflected or scattered on the object ( 5 ), are focused by the Fresnel lens ( 11 ) and strike the receiver unit ( 9 ). The total running time t _{L of} the pulses is calculated with the speed of light v for the measuring distance s (transmitter object) from Eq. (7)

t_L=2s/v (7)t _L = 2s / v (7)

Die Impulse werden im Empfänger (9.1) in elektrische Signale gewandelt und dann in der Torschaltung (9.2) getastet (Fig. 4). Die Tastung der Tore wird von einer Oberwelle der im Vergleichskanal (6) empfangenen Impulse gesteuert. Der Abstand der Tastimpulse beträgt 2Δt_e*, wobei 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer der Oszillatorschwingung ist und vorzugsweise so gewählt wird, daß er der Halbwertsbreite 2ΔT der optischen Impulse entspricht. Um die notwendige Phasenverschiebung der optischen Impulse zu minimieren, wird die Lage der Doppeltore zu t₀ gewählt, wobei t₀ die Laufzeit eines Impulses ist, der eine Strecke zurückgelegt hat, die vorzugsweise der vorgesehenen maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht und ein ganzzahliges Vielfaches von Δt_e* ist. Die Wahl der zeitlichen Lage der Tore führt dazu, daß die Empfangereinheit (9) nur dann auf Nullsignal abgestimmt ist, wenn das zu ortende Objekt einen Abstand von /2 zur Meßeinheit hat. Die Torzeit bzw. die Breite der Tastimpulse wird vorzugsweise zu 2Δt = Δt_e* gewählt. In Fig. 4 sind die Angaben zur Torschaltung dargestellt. Das Frequenzfilter (9.3) filtert eine Oberwelle (k) aus dem getasteten Empfangssignal und führt sie als Stellgröße dem Regler (10) zu. Da die Steuerung der Tastung der vom Empfänger (9.1) abgegebenen elektrischen Signale durch den Vergleichskanal (6) erfolgt, kann durch eine Fourieranalyse der Signale nach der Tor schaltung gezeigt werden, daß k ( Filter 9.3) eine ganze ungerade Zahl sein muß. Bei Ab stimmung des Empfangerkanals (9) stimmt in erster Näherung die Lage des Schwerpunkts der optischen Impulse mit der Doppeltormitte überein bzw. die Summe aus Verzögerungszeit t_V und Laufzeit t_L ist gleich dem vorgegebenen Wert t₀ (Fig. 5). Auf Grund der großen Tor breite 2Δt und der geringen Bandbreite des Frequenzfilters (9.3) für die k-te Oberwelle hat die Anordnung im Vergleich zu anderen Meßverfahren ein großes SNR. Die Auflösung der Anordnung wird durch die Steilheit der Kennlinie T_r(t) bestimmt.The pulses are converted into electrical signals in the receiver ( 9.1 ) and then keyed in the gate circuit ( 9.2 ) ( FIG. 4). The keying of the gates is controlled by a harmonic of the pulses received in the comparison channel ( 6 ). The spacing of the sampling pulses is 2Δt _e *, where 2Δt _e * is an integer part of the period of the oscillator oscillation and is preferably selected to correspond to the half width 2ΔT of the optical pulses. In order to minimize the necessary phase shift of the optical pulses, the position of the double gates is chosen to be t₀, where t₀ is the transit time of a pulse having traveled a distance which preferably corresponds to the intended maximum gauge length of the array and an integer multiple of Δt _e * is. The choice of the timing of the gates causes the receiver unit ( 9 ) is tuned to zero signal only if the object to be located has a distance of / 2 to the measuring unit. The gate time or the width of the duty pulses is preferably selected to be 2Δt = Δt _e *. In FIG. 4, the details are shown for gate. The frequency filter ( 9.3 ) filters a harmonic wave (k) from the sampled received signal and feeds it as a manipulated variable to the controller ( 10 ). Since the control of the keying of the receiver ( 9.1 ) emitted electrical signals through the comparison channel ( 6 ), it can be shown by a Fourier analysis of the signals after the gate circuit that k ( 9.3 ) must be an odd number. At the tune of the receiving channel ( 9 ) agrees in a first approximation, the position of the center of gravity of the optical pulses with the Doppeltormitte or the sum of delay time t _V and run time t _L is equal to the predetermined value t₀ ( Fig. 5). Due to the large gate width 2 .DELTA.t and the low bandwidth of the frequency filter ( 9.3 ) for the k th harmonic, the arrangement has a large SNR compared to other measuring methods. The resolution of the arrangement is determined by the steepness of the characteristic T _r (t).

Comparison channel ( 6 )

Im Vergleichskanal (6) werden die am Teilerspiegel (4) reflektierten optischen Impulse vom Empfänger (6.1) empfangen und in elektrische Signale gewandelt. Aus dem Signal wird eine Oberwelle ausgefiltert (6.3), die die Tastung der Empfängereinheit (9) steuert. Durch eine Fourieranalyse kann gezeigt werden, daß k eine ganze gerade Zahl sein muß. Ein zweites Filter (6.2) filtert aus dem Empfangssignal eine weitere Oberwelle. Durch eine Fourierana lyse kann gezeigt werden, daß k vorzugsweise eine ganze ungerade Zahl sein sollte. Der Signalpegel dieser Oberwelle wird im A/D-Wandler (6.5) digitalisiert. Der digitalisierte Wert wird im Normierer (6.6) mit einem vom Rechner (6.9) bereitgestellten Normierungsfaktor multiplizert. Die Abhängigkeit der Meßlänge vom normierten Pegel der Oberwelle ist erfindungsgemäß im Adressspeicher (6.7) abgelegt. Notwendige zusätzliche Korrekturfakto ren können im Adressspeicher (6.7) berücksichtigt werden. Zur Berechnung des Normie rungsfaktors wird das ungefilterte Signal vom Empfänger (6.1) digitalisiert. Der Rechner (6.9) berechnet gemaß Gleichung 1 die angegebenen Konstanten und den Normierungswert, der der Maximalwert der k-ten Oberwelle bei t_V =0 ist. Mit der erfindungsgemäßen Normierung werden mögliche Driften der Anordnung kompensiert (z. B. Dickenänderungen des FPE, Änderungen des Modulationshubs der LD, Fertigungstoleranzen des Reflek tionskoeffizienten des FPE, Filterdriften, Schwankungen der Verstärkung der elektronischen Bauelemente etc.).In the comparison channel ( 6 ), the optical pulses reflected at the divider mirror ( 4 ) are received by the receiver ( 6.1 ) and converted into electrical signals. From the signal, a harmonic wave is filtered out ( 6.3 ), which controls the keying of the receiver unit ( 9 ). By a Fourier analysis it can be shown that k must be an even integer. A second filter ( 6.2 ) filters another signal from the received signal. By a Fourier analysis it can be shown that k should preferably be an integer odd number. The signal level of this harmonic is digitized in the A / D converter ( 6.5 ). The digitized value is multiplied in the standardizer ( 6.6 ) with a standardization factor provided by the computer ( 6.9 ). The dependence of the measuring length on the normalized level of the harmonic is stored according to the invention in the address memory ( 6.7 ). Necessary additional correction factors can be taken into account in the address memory ( 6.7 ). To calculate the standardization factor, the unfiltered signal is digitized by the receiver ( 6.1 ). The calculator ( 6.9 ) calculates according to equation 1 the specified constants and the normalization value, which is the maximum value of the k-th harmonic at t _V = 0. The normalization according to the invention compensates for possible drifts in the arrangement (eg changes in thickness of the FPE, changes in the modulation range of the LD, manufacturing tolerances of the reflection coefficient of the FPE, filter drifts, fluctuations in the amplification of the electronic components, etc.).

Bestandteil der Einheit (6) ist ein Filter (6.4), dessen Pegel beim Einschalten der Anordnung bzw. nach einer Strahlunterbrechung den Arbeitspunkt der Laserdiode (1) mit dem Regler (10) so steuert, daß die Verzögerungszeit t_V im Fangbereich des Reglers (10) liegt, d. h.Component of the unit ( 6 ) is a filter ( 6.4 ) whose level when switching the arrangement or after a beam interruption, the operating point of the laser diode ( 1 ) with the controller ( 10 ) controls so that the delay time t _V in the capture range of the controller ( 10 ), ie

-t₀<t_V<t₀.-t₀ <t _V <t₀.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß im Vergleichskanal (6) Veränderungen der Lichtge schwindigkeit auf der Meßstrecke nicht erfaßt werden und bei einem Einsatz des erfin dungsgemäßen Vergleichskanal (6) zur Messung der Verzögerungszeit die Abstimmung des Empfängerkanal (9) auf Nullsignal auch durch eine an den FPE (3) gelegte Gleichspannung erfolgen kann, wenn im FPE (3) elektrooptische Materialien eingesetzt werden.It should be noted that in the reference channel ( 6 ) changes the speed Lichtge on the test section are not detected and when using the inventions to the invention comparison channel ( 6 ) for measuring the delay time, the vote of the receiver channel ( 9 ) to zero signal by a DC voltage applied to the FPE ( 3 ) can be made when electro-optic materials are used in the FPE ( 3 ).

Input and output unit ( 7 )

In der Einheit erfolgt die Schnittstellenanpassung und die Signalkopplung mit Nachfolgeein heiten. In the unit, the interface matching and the signal coupling are performed with following ones units.

embodiment

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings.

Die Zeichnungen zeigen inThe drawings show in

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Distanzmeßgeräts. Fig. 1 is a block diagram of the Distanzmeßgeräts.

Fig. 2 den Transmissionsverlauf des FEP (3) als Funktion der Zeit. Fig. 2 shows the transmission profile of the FEP ( 3 ) as a function of time.

Fig. 3 den Einfluß der Laserwellenlänge auf die Phasenlage der vom FEP (3) erzeugten Im pulse Fig. 3 shows the influence of the laser wavelength on the phase position of the FEP ( 3 ) generated in the pulse

Fig. 4 die Parameter der Torschaltung in der Empfängereinheit Fig. 4 shows the parameters of the gate circuit in the receiver unit

Fig. 5 einen Abstimmfall der Empfängereinheit (9) Fig. 5 is a Abstimmfall the receiver unit (9)

Fig. 6 den Aufbau der Empfängereinheit (9) Fig. 6 shows the structure of the receiver unit (9)

Fig. 7 das Blockschaltbild des Vergleichskanals (6) Fig. 7 is a block diagram of the comparison channel (6)

Im Ausführungsbeispiel gemaß Fig. 1 wird als Laserquelle (1) eine Monomodelaserdiode ein gesetzt. Bei einer Arbeitstemperatur von 25°C sind die Parameter dieser Laserdiode:In the exemplary embodiment according to FIG. 1, a monomode laser diode is set as the laser source ( 1 ). At a working temperature of 25 ° C, the parameters of this laser diode are:

Mit dem Kollimator (2); der eine Astigmatismuskorrektur aufweist, wird ein paralleles Strahlenbündel erzeugt, das auf das FPE (3) trifft. Die Dicke L des FPE (3) ergibt sich mit der Modenzahl der Laserdiode (1) und beim Einsatz von Quarzglas im Ausführungsbeispiel zuWith the collimator ( 2 ); which has an astigmatism correction, generates a parallel beam which strikes the FPE ( 3 ). The thickness L of the FPE ( 3 ) results with the mode number of the laser diode ( 1 ) and when using quartz glass in the embodiment too

Das Strählbündel, daß den FPE (3) verläßt, trifft auf den Strahlteiler (4). Dieser Strahlteiler ist auf der dem zu ortenden Objekt zugewandten Seite, bis auf einen zentralen Teil, verspie gelt. Der Durchmesser des nicht verspiegelnden Teils entspricht dem Durchmesser des Sen gleichskanal (6) und der andere Teil trifft auf die Fresnelfrontlinse (11) und danach auf das zu ortende Objekt (5). Die Fresnelfrontlinse hat ein zentrales nicht strukturiertes Gebiet mit dem Durchmesser des Sendestrahls.The stream bundle leaving the FPE ( 3 ) strikes the beam splitter ( 4 ). This beam splitter is on the object to be located facing side, except for a central part, gelt gel. The diameter of the non-reflecting part corresponds to the diameter of Sen equal channel ( 6 ) and the other part meets the Fresnel front lens ( 11 ) and thereafter the object to be located ( 5 ). The Fresnel front lens has a central unstructured area with the diameter of the transmit beam.

Das Ausführungsbeispiel ist für eine Meßstrecke von 7 m konzipiert. Damit ergeben sich die definierten Zeiten zu:The embodiment is designed for a measuring section of 7 m. This results in the defined times too:

Bei einer Frequenz des Oszillators (8) von 2.14 MHz ergeben sich die Filterfrequenzen zu:At a frequency of the oscillator ( 8 ) of 2.14 MHz, the filter frequencies result in:

Der Reflektionskoeffizient an den Grenzflächen des FPE (3 ) ist r²=0.8 und wird durch ein dielektrisches optisches Schichtsystem realisiert. Der Reflektionskoeffiziet muß, wie bereits in der Schrift 195 20 663.0 angegeben, so gewählt werden, daß die Halbwertsbreite der La sermoden kleiner ist als die Halbwertsbreite der FPE-Moden.The reflection coefficient at the interfaces of the FPE ( 3 ) is r 2 = 0.8 and is realized by a dielectric optical layer system. The reflection coefficient must, as already stated in document 195 20 663.0, be chosen such that the half-width of the laser modes is smaller than the half-width of the FPE modes.

Der am Objekt (5) gestreute oder reflektierte Strahl wird durch die Fresnelfrontlinse auf die APD (9.1) fokusiert und in elektrische Signale gewandelt. Die Signale werden in einer Tor schaltung getastet. In Fig. 4 sind die Torparameter definiert. Sie betragen im Ausführungs beispiel:The beam scattered or reflected on the object ( 5 ) is focused by the Fresnel front lens on the APD ( 9.1 ) and converted into electrical signals. The signals are keyed in a gate circuit. In Fig. 4, the gate parameters are defined. They are in execution example:

Torzeit 2Δt|23,4 nsGate time 2Δt | 23.4 ns Torabstand 2Δt_e*Gate distance 2Δt _e * 46,7 ns46.7 ns Tormittenlage t₀ zu (2n+1)T/2Tormittenlage t₀ to (2n + 1) T / 2 23,4 ns23.4 ns

Diese Werte ergeben sich sich bei einer Halbwertsbreite 2ΔT der erzeugten optischen Impulse von 46,7 ns. Die getasteten Signale werden in der Filtereinheit (9.3) gefiltert und dem Regler (10) als Stellgröße zugeführt, der die Laserwellenlänge so regelt, daß der Empfängerkanal (9) auf Nullpegel abgestimmt ist. Wie in Fig. 5 dargestellt, stimmt im Abstimmungsfall die Mittenlage des Doppeltores mit dem Schwerpunkt des optischen Impulses überein d. h., die Summe aus Verzögerungszeit t_V und der Laufzeit t_L entspricht dem vorgegebenen Wert Filter (6.3) gefiltert und steuern mit einer Frequenz von 21,4 MHz die Tastung der Empfängereinheit (9). Im Filter (6.4) wird die zweite Oberwelle der Impulsfolge ausgefiltert und dem Regler (10) zugeführt. Beim Einschalten regelt der Regler (10) mit diesem Signal die Laserwellenlänge der LD (1) so, daß das Signal in einem eingestellten Pegelbereich und damit im Fangbereich des Reglers (10) und der Empfängereinheit (9) liegt. Im Filter (6.2) wird die fünfte Oberwelle aus dem elektrischen Signal des Empfängers (6.2) gefiltert. Dieser Signalpegel wird im A/D-Wandler (6.5) digitalisiert. Im Normierer (6.6) wird das digitalisierte Signal mit einem vom Rechner (6.9) bereitgestellten Normierungsfaktor multipliziert. Die Zuordnung der gesuchten Meßlänge zum Signal des Normierers (6.6) erfolgt im Adressspeicher (6.7). Zur Ermittlung des Normierungsfaktors wird das ungefilterte Empfängersignal (6.1) im Wandler (6.8) digitalisiert und mit diesen Werten die in der Gleichung 1 angegebenen Koeffizienten berechnet. Mit diesen berechneten Koeffizienten wird der Normierungsfaktor ermittelt und dem Normierer (6.6) zugeführt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Berechnung des Normierungsfaktors nicht in Echtzeit erfolgt (im Ausführungsbeispiel mit schneller Fourieranalyse in ca. 1s). Es soll weiter daraufhingewiesen werden, daß es sich bei den zu korrigierenden Driften um zeitl. Änderungen im Bereich von Minuten und Stunden handelt.These values result from a half width 2ΔT of the generated optical pulses of 46.7 ns. The sampled signals are filtered in the filter unit ( 9.3 ) and supplied to the controller ( 10 ) as a control variable, which controls the laser wavelength so that the receiver channel ( 9 ) is tuned to zero level. As shown in FIG. 5, in the case of coordination, the center position of the double gate coincides with the center of gravity of the optical pulse, ie the sum of delay time t _V and transit time t _L corresponds to the predetermined filter value ( 6.3 ) and controls with a frequency of 21 , 4 MHz keying the receiver unit ( 9 ). In the filter ( 6.4 ), the second harmonic of the pulse train is filtered out and fed to the controller ( 10 ). When switching on the controller ( 10 ) controls the laser wavelength of the LD ( 1 ) with this signal so that the signal is in a set level range and thus in the capture range of the controller ( 10 ) and the receiver unit ( 9 ). In the filter ( 6.2 ), the fifth harmonic is filtered from the electrical signal of the receiver ( 6.2 ). This signal level is digitized in the A / D converter ( 6.5 ). In the standardizer ( 6.6 ), the digitized signal is multiplied by a normalization factor provided by the computer ( 6.9 ). The assignment of the sought measuring length to the signal of the normalizer ( 6.6 ) is done in the address memory ( 6.7 ). To determine the normalization factor, the unfiltered receiver signal ( 6.1 ) is digitized in the converter ( 6.8 ) and the coefficients given in equation 1 are calculated using these values. With these calculated coefficients, the normalization factor is determined and fed to the standardizer ( 6.6 ). It should be noted that the calculation of the normalization factor does not occur in real time (in the exemplary embodiment with fast Fourier analysis in about 1 s). It should also be pointed out that the drifts to be corrected are temporal changes in the range of minutes and hours.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Laserquelle
2 Kollimator
3 Fabry Perot Etalon (FPE)
4 Strahlteiler
5 Objekt
6 Vergleichskanal
6.1 Empfänger 2
6.2 Filter 2
6.3 Filter 3
6.4 Filter 4
6.5 A/D-Wandler 1
6.6 Normierer
6.7 Adresspeicher
6.8 A/D-Wandler 2
6.9 Rechner
7 Ein- und Ausgabeeinheit
8 Oszillator
9 Empfängereinheit
9.1 Empfänger 1
9.2 Tasteinheit
9.3 Filter 1
10 Regler
11 Fresnellinse 1 laser source
2 collimator
3 Fabry Perot Etalon (FPE)
4 beam splitters
5 object
6 comparison channel
6.1 Receiver 2
6.2 Filter 2
6.3 Filter 3
6.4 Filter 4
6.5 A / D converter 1
6.6 Standardizers
6.7 Address memory
6.8 A / D converter 2
6.9 Calculator
7 input and output unit
8 oscillator
9 receiver unit
9.1 Receiver 1
9.2 Button unit
9.3 Filter 1
10 controllers
11 Fresnel lens

Claims

An arrangement for distance measurement consisting of a unit with a frequency-modulated laser source, collimator and Fabry-Perot etalon, which generates optical pulses, a receiver unit as a zero indicator, which receives the pulses generated by the unit and reflected or scattered on an object, into electrical signals converts, samples and filters and then outputs a zero signal when the sum of the delay time t _V and the transit time t _{L of} the pulses has a predetermined amount t₀ and a comparison channel with receiver and filter which receives the optical pulses reflected at a divider mirror into electrical Signals converts and filters, characterized in that a unit with one of the oscillator ( 8 ) sinusoidally frequency-modulated laser diode ( 1 ), a collimator ( 2 ) and a FPE ( 3 ) generates optical pulses whose phase position by changing the operating point of the laser diode ( 1 ) in the frequency modulation of the controller ( 10 ) so we regulated d, that the receiver unit ( 9 ) is tuned to zero signal.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the splitter mirror ( 4 ) from the optical transmission pulse train a fraction of the intensity on the reference channel ( 6 ) couples and that the splitter mirror on the object ( 5 ) side facing, with the exception of a centrally located Subregion with the diameter of the transmitted beam, is mirrored.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the object ( 5 ) Reflected or scattered laser light from a Fresnel lens ( 11 ) on the splitter mirror ( 4 ) on the receiver ( 9.1 ) is focused and the Fresnel lens ( 11 ) has a central Having located portion that is not structured and whose dimensions correspond to those of the transmitted beam.

4. Arrangement according to claim 1, characterized in that in a comparison channel ( 6 ), the optical pulse train is converted into electrical signals and filtered and the center frequency of the filter unit ( 6.2 ) an odd whole multiple of the frequency of the oscillator ( 8 ), the signal level the filtered-out harmonic is a measure of the delay time t _V is digitized in the A / D converter ( 6.5 ) is multiplied in the standardizer ( 6.6 ) with a correction factor and in an address memory ( 6.7 ) the assignment of the measuring length to the delay time t _V occurs ,

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that filtered out of the receiver signal, the harmonic with double oscillator frequency and the controller ( 10 ) leads supplied and this after switching the arrangement, the laser wavelength controls so that the level of the harmonic in a predetermined range lies.

6. Arrangement according to claim 5, characterized in that from the receiver signal, the harmonic at twice the frequency of the filter unit ( 9.3 ) is filtered and this controls the keying of the receiver unit ( 9 ).

7. Arrangement according to claim 4, characterized in that in the comparison channel ( 6 ) the unfiltered electrical signal in the transducer ( 6.8 ) is digitized and in the computer ( 6.9 ) determines the transmission pulse sequence determining quantities and the Korrekurfaktor which is supplied to the standardizer ( 6.6 ) , to be calculated.

8. Arrangement according to claim 1, characterized in that the longitudinal modes distances Δλ _{RLD of} the optical resonator of the monomode laser diode ( 1 ) and the Mo denabstände _{.DELTA.λ RFPE of} the optical resonator of the FPE ( 3 ) are coordinated.

9. An arrangement according to claim 8, characterized in that the double frequency deviation in the modulation of the laser diode ( 1 ) multiplied by the mode number P of the FPE ( 3 ) is smaller than the mode frequency.

10. Arrangement according to claim 9, characterized in that in the receiver channel ( 9 ) with receiver unit ( 9.1 ), gate ( 9.2 ) and filter unit ( 9.3 ), the gate ( 9.2 ) forms a double gate, the time interval of the gates 2Δt _e * an integer part the period duration of the oscillator oscillation and the temporal position t₀ of the double-centered middle are integer multiples of Δt _e * and is preferably selected such that t₀ corresponds to the transit time of a pulse which has traveled a distance corresponding to the maximum measuring length of the arrangement.

11. Arrangement according to claim 10, characterized in that the width of the individual gates (gate time) 2Δt = .DELTA.t _e * and the center frequency f _{M of} the filter unit ( 9.3 ) is an integer multiple of the frequency of the oscillator ( 8 ).