DE2420194C3

DE2420194C3 - Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät mit Mittelung der Phasendifferenzwerte

Info

Publication number: DE2420194C3
Application number: DE2420194A
Authority: DE
Inventors: Richard J. Loveland Col. Clark
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1973-05-09
Filing date: 1974-04-26
Publication date: 1981-12-17
Also published as: SE394751B; JPS5013067A; US3900259A; DE2420194B2; JPS5719395B2; CA1041636A; AU6560274A; ZA74801B; GB1446801A; DE2420194A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-optisches Entfernungsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Entfernungsmeßgeräte sind in verschiedenen Ausführungen bekannt, beispielsweise aus der US-PS 36 19 058, der CH-PS 4 88 196, der GB-PS 12 46 224 und der US-PS 36 80 964. Alle diese Geräte haben jedoch den Nachteil, daß Meßfehler und insbesondere die Streuung der Meßergebnisse nicht erkannt werden können.

Aus ZfV 1968, 11, Seite 439 ff. und aus Japan Electronic Engineering 1971, Juli, Seite 30 ff ist bekannt, eine Mittelwertbildung über eine Vielzahl von Messungen vorzunehmen, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen. Es erfolgt jedoch lediglich eine arithmetische Mittelwertbildung über Meßwerten, die sich aus der Phasendifferenz zwischen ausgesan.dten und empfangenen Meßstrahlen ergeben. Die dabei zu erreichende Meßgenauigkeit ist nicht in allen Fällen befriedigend.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß es Messungen mit einem vorher festgelegten Genauigkeitsgrad auszuführen im Stande ist. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 gekennzeichnet.

Vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Sender-, Empfängerund Oszillatorschaltungen in einem Entfernungsmeßgerät,

Fig. 2 ein Blockdiagramm der digitalen Phasenmeßschaltung in dem Entfernungsmeßgerät,

F i g. 3 ein Kurvenformdiagramm, aus welchem die 7eiibeziehungen z.wischen verschiedenen Signalen in der Schaltung gemäß F i g. 1 und 2 hervorgehen,

Fig. 4 A-F ein Flußdiagramm der logischen Vorgänge, die durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung gemäß F i g. 2 ausgeführt werden.

Der allgemeine Betrieb des Entfernungsmeßgerätes gemäß der Erfindung wird als bekannt vorausgesetzt. Die Frequenzen bei denen die Lichtquelle (Leuchtdiode) ein- und ausgeschaltet wird, werden nic'it mehr in Zehnerdekaden verändert, sondern eine der beiden Modulationsfrequcn/.en. nämlich 75 kHz oder 15 MHz, wird durch die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 gemäß F i g. 2 gewählt. Diese Frequenzen ändern sich nicht mit dem gewählten Melisystem. Alle Messungen werden im metrischen System ausgeführt und dann gewünschtenfalls in englische Meßeinheiten

durch einen Algorithmus innerhalb der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200 umgerechnet.

Die Modulationsfrequenz von 75 kHz entspricht einer Modulationswellenlänge von 4000 m. Dieses entspricht wiederum einer Meßwellenlänge von 2000 m, da das ausgesendete Lichtsignal (das vom Ziel kommende Signal) den Abstand zwischen dem Meßgerät und dem Zielreflektor pro Periode zweimal durchläuft. Bei Verwendung einer Modulationsfrequenz von 75 kHz entspricht ein Zielabstand von 2000 m 360° Phasenverschiebung; 500 m entsprechen 90° Phasenverschiebung u. dgl.

Die Modulationsfrequenz von 15 MHz führt zu einer Meßwellenlänge von 10 m. Daher tritt eine Phasenverschiebung von 360° bei jedem Vielfachen von 10 m zwischen dem Instrument und dem Ziel auf.

Die Wahl dieser beiden Modulationsfrequenzen gestattet eine eindeutige Messung der Zielabstände zwischen 0 und 1999,999 m bei einer Auflösung von 0,001 m. Dieses erfolgt während des automatischen Meßvorganges, indem zunächst die Wellenlänge 2000,0 tu gewählt und die Phasenverschiebung über den Meßweg hinweg bei einer Auflösung von 0,2 m gemessen wird. Dann wird eine Frequenz von 15 MHz (10 m Wellenlänge) gewählt und die Phasenverschiebung über den Abstand zum Ziel gemessen. Da die bei dieser Betriebsart festgestellte Phasenverschiebung sich alle 10,000 m wiederholt, wird ein Maß desjenigen Teiles des Zielabstandes zwischen 0 und 9,999 m bei einer Auflösung von 0,001 m erhalten. Wenn beispielsweise der zu messende Zielabstand 472,139 m beträgt, ist das Ergebnis des 75-kHz-Anteiles der Messung 472,1 m, während sich im Betrieb mit 15 MHz 2,139 m ergeben. Diese beiden Meßanteile werden verknüpft, und entsprechend dem Zustandsdiagramm der Fig.4A-F wird das Ergebnis, d. h. 472,139 m, ermittelt.

Die beiden der Lichtquelle zugeordneten Modulationsfrequenzen werden durch einen Frequenzgenerator 45 erzeugt, welcher die Frequenzen synthetisiert. Dieser Frequenzgenerator gibt auch ein Referenzsignal 52 mit 3,".5 kHz gemäß Fig.3 ab. Das gewählte Hochfrequenzsignal vom Frequenzgenerator 45 wird einem Leistungsverstärker 49 zur Speisung der Lichtquelle sowie einem Mischer 51 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal eines Oszillators 53 verknüpft wird. Dieser Oszillator wird durch einen Phasendetektor 55 gesteuert, dem die Referenzfrequenz 52 und das Ausgangssignal des Mischers 51 zugeführt wird, so daß das Ausgangssignal des Oszillators 53 bei einer Frequenz gehalten wird, die von der Frequenz des übertragenen Hochfrequenzsignals um genau 3,75 kHz verschieden ist.

Ein Zerhackersignal-Generator 44 gibt ein Zerhackersignal 38 mit 5 Hz gemäß Fig. 3 ab. Das Ausgangssignal eines Zwischenfrequenzverstärkers 57 ändert sich periodisch mit der Frequenz des Zerhackersignals zwischen dem für das empfangene Empfängersignal signifikanten Zwischenfrequenzsignal und dem für das erfaßte Referenzsignal 34 signifikanten Zwischenfrequenzsignal bei einer Kurvenform gemäß ' Fig. 1. Die Rechteckwellensignale am Ausgang des Begrenzers 65 treten 'nil der Referenzfrequenz oder Zwischeiifrequcnz von 3,75 kHz auf. Zusätzlich treten sie in Halbperioden auf, die durch eine Drehblende gesteuert sind und enthalten die relative Phaseninfor- ' mation. Welche den zu messenden Abstand darstellt.

Die Unhand des Blockdiagramms gemäß Fig. 2 erläuterte Schaltungsanordnung dient zum Messen des Phasenunterschiedes von zwei Gruppen von abwechselnd auftretenden Signalen mittels einer digitalen Einrichtung.

Eine Einrichtung 202 bewirkt eine Phasenverschiebung von 0° oder 180° des Referenzsignals von 3,75 kHz bei einem Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200.

Das Zerhackersignal 38 wird einem Impulsflankendetektor 208 zugeführt, der den Beginn des nächsten vollständigen Intervalles des Zielweges oder Referenzweges des Zerhackersignals bestimmt. Im Ergebnis wird eine ,>TWED«-Marke in Übereinstimmung mit der positiven Flanke des Zerhackersignals gesetzt, während eine »/?WED«-Marke in Übereinstimmung mit der negativen Flanke des Zerhackersignals gesetzt wird. Der Flankendetektor 208 gibt diese Signalmarken entsprechend den positiven und negativen Triggersignalen von der digitalen Steuerung;·,- und Rechenschaltung 200 ab. Die Ausgangssignale des Begrenzers 65 und des Phasenschiebers 202 werden einem Kippstufen-Phasendetektor 204 und einem Php -r.ndete.ktor 206 mit einer UND-Verknüpfung zugeführt Der Phasendetektor 204 gibt ein Ausgangssignal ab, das proportional der Phasendifferenz zwischen seinen beiden Eingangssignalen ist, wenn er ein Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung empfängt. Ein Erfordernis für den Kippstufen-Phasendetektor 204 ist, daß er eine Impulsform mit einem Logikpegel abgibt, dessen Impulsbreite proportional der Phasendifferenz zwischen dem Ausgangssignal des Phasenschiebers 202 und dem Ausgangssignal des Begrenzers 65 ist. Daher ist die Impulsbreite am Ausgang des Kippstufen-Phasendetektors 204 eine lineare Funktion der Phasendifferenz zwischen den Eingangssignalen über einen Bereich von 0° bis 360° ausschließlich der Endpunkte. Die Ausgangskurvenform des Phasendetektors 204 ist im Verhältnis zu den Eingangssignalen in Fig. 3 dargestellt. Der Phasendetektor 206 spricht auf die beiden gleichen Eingangssignale ebenso wie der Detektor 204 bei einem anderen Triggersignal von der digitalen Steuerungs- und Rechenschaltung 200 an und gibt eine A· sgangskurvenform gemäß F i g. 3 ab. Eine Bedingung für den Phasendetektor 206 mit der UND-Verknüpfung besteht darin, daß das Ausgangssignal eine Kurvenform mit einem Logikpegel sein muß, dessen Impulsbreite proportional der Größe des Phas^nunterschiedes zwischen den beiden Eingangssignalen ist. Daher bezeichnet die Impulsbreite am Ausgang des Phasendetektors 206 ein maximales Tastverhältnis von 50%. wenn der Phasenunterschied zwischen seinen beiden Eingangssignalen 0 ist, und ein Tastverhältnis von 0% bei Phasenunterschieden, die sich ± 180° nähern. Beide Detektoren 204 und 206 sind derart aufgebaut, daß iiire Auspangssignale jeweils auf eine ganze Zahl von r'hasenvergleichen bezogen sind. Das bedeutet, daß keine Teilphasenmessungen wegen des zufälligen Auftretens eines der Triggersignale zugelassen sind. Die Ausgangssignale der Detektoren 204 und 206 werden dem ODER-Verknüpfungsglied 210 zugeführt, und das sich ergebende Signal wird einem UND-Verknüpfungsglied 212 zusammen mit einem Modulationssignal mit 15MHz zugeführt. Das Ausgangssignal des Verknüpfungsgliedes 212 wird dem Takt in den Akkumulator 214 eingeführt, der eine Kette aus sechs binär codierten Dekadenzählern aufweist. Die am Takteingang des Akkumulators 21¹/ empfangenen Impulse werden während des Zeitabschnittes gezählt, in welchem ein Löschsignal durch ein Triggersignal von der digitalen

Steuerungs- und Rechenschaltung 200 unwirksam gemacht wird. Das Ausgangssignal des Akkumulators 214, das durch die Parallelverbindung der vier höchsten Binärziffern des sechs Dekadenzählers gebildet wird, wird der digitalen Steuerungs- und Reehenschaltung 200 für weitere Logikvorgänge entsprechend dem Zustandsdiagramm in Pig. 4A-F zugeführt. Die am Ausgang des ODER-Verknüpfungsglicdes 210 auftretenden Impulse werden am Taktgebereingang eines Zählers 216 erhalten und durch 250 geteilt und während des Zeitabschnittes gezählt, in welchem ein Löschsignal durch die digitale Steuerungs- und Rechenschallung 200 unwirksam gemacht wird. Wenn der 250. Impuls gezählt worden ist, wird ein Ausgangssignal des Phasendetektors abgegeben und an die digitale Steuerungs- und Reehenschaltung zurückgeführt. Diese Schaltung 200 hat sowohl eine Frequenz-Wählleitung als auch eine Austastleitung zur Steuerung der verschiedenen Abschnitte tier Schaltung gemäß Fig. 1. Die Triggerleitung für die Frequenzauswahl wählt die geeigneten Frequenzen in Abhängigkeit von der speziellen Betriebsart des Gerätes, bei denen der Frequenzgenerator 45 und der Oszillator 53 arbeiten sollen. Die Austastleitung wählt die geeignete durch das Gerät 104 anzuzeigende Funktion während des Zeitabschnittes, in welchem das Gerät entweder auf Zieljustierung oder Intensitätsabgleich eingestellt ist.

Die digitale Steuerungs- und Reehenschaltung 200 enthält eine digitale Darstellung der erforderlichen Schritte, um eine Abstandsmessung entsprechend dem Zustandsdiagramm der Fig. 4A —F zu bewirken. Die Sleuerungsfunktionen werden durch programmierte Auswahl verschiedener Triggerleitungen 218 entsprechend der Information bewirkt, die auf den Markierungs-Rückleitungen 220 erhalten wird. Die Steuerungsund Reehenschaltung 200 führt auch verschiedene mathematische Operationen mit den vom Akkumulator 214 und vom Außenmeßfühler 222 erhaltenen Daten aus, die bei der Berechnung des Endergebnisses der Entfernungsmessung erforderlich sind. Diese mathematischen Operationen sind im einzelnen in dem Zustandsdiagramm der F i g. 4A — F beschrieben und enthalten die Mittelwertbildung von iterativen Messungen, um eine hohe Genauigkeit für das angezeigte Ergebnis zu erreichen.

Das Sichtgerät 224 erhält das digital codierte Endergebnis der Messung zur sichtbaren Anzeige für die Bedienungsperson. Es ist ein Wählschalter 226 für die Umschaltung zwischen Fuß und Meter vorgesehen. Das Sichtgerät 224 kann beispielsweise eine Anzahl von Leuchtdioden enthalten. Die digital codierten Daten des Endergebnisses sind auch für verschiedene Ausgangsgeräte, beispielsweise einen digitalen Rechner, Taschenrechner oder Speichergeräte zugänglich.

Der Außenmeßfühler 222 enthält einen binär codierten Dezimalschalter, den die Bedienungsperson entsprechend den gerade vorliegenden Bedingungen der Außentemperatur und des Druckes einstellt

Es sind Lese-, Justier- und Abgleichschalter 228 vorgesehen, mit denen die Bedienungsperson die Entfernungsmessung durchführen kann. Der Zieljustierbetrieb wird zunächst dazu verwendet, um das Entfernungsmeßgerät mit dem entfernten reflektierenden Ziel zu justieren. Diese Betriebsart wird dann dazu verwendet, daß die Betriebsperson die Intensität des von dem Ziel reflektierten Signals auf diejenige des interten Referenzsignals abstimmen kann. Schließlich wird das Gerät in den Lesebetrieb geschaltet, so daß die

Reihenfolge der Ereignisse automatisch durch die digitale Steuerungs- und Rechenschallung 200 ausgelöst werden kann und der Bedienungsperson der gemessene Abstand angezeigt wird.

Ein Relais 230 spricht auf ein Stromversorgungssignal für den Phasendeteklor an, das durch die digitale Steuerungs- und Reihenschaltung 200 abgegeben wird und die Leistungszufuhr zu der Meßschaltung während der Zeitspanne unterbricht, in welcher das Gerät entweder in dem Zieljustierbetrieb oder dem Abgleichbetrieb arbeitet. Durch dieses Merkmal wird die Lebensdauer des tragbaren Netzgerätes für das Gerät wesentlich erhöht.

In Fig. 4A-F ist ein Zustandsdiagramm der durch die Steuerungs- und Reehenschaltung 200 während der Entfernungsmessung ausgeführten Verknüpfungsvorgänge dargestellt. Nachdem die Betriebsleistung eingeschaltet worden ist, wird die Steuerungs- und Rechenschaltung 200 betätigt, und dann werden die Triggerleitungen für die Frequenzwahl, das Austasten und die Phasendetektorleistung auf die in Fig.4A gezeigten Werte eingestellt. Der Schalter für die Umschaltung zwischen )ustierbetrieb und Abgleichbetrieb wird zunächst in die Justierlage gebracht, damit die Bedienungsperson das Gerät auf das Ziel justieren kann und die maximale Stärke des reflektierten Signals erhalten wird. Gemäß F i g. 4A führen die Triggerleitungen ^für das Austasten und die Frequenzwahl während des Justierbetriebes den Logikpegel »1«. Die Triggerleitung TWED für das Detektorfenster für das Ziel (TWED) wird betätigt, so daß der Flankendetektor 208 den Beginn des nächsten vollen Zielfensters erkennen kann, und es wird dabei ein Signal an die TWED-Markierungsrückleitung abgegeben. Wenn das TWED-Markierungssignal erfaßt wird, setzt die Steuerungs- und Reehenschaltung 200 aus, so daß irgendwelche Schaltspitzen abklingen können, die durch das Umschalten der Wechselblende von dem Referenzsignal auf das Zielsignal hervorgerufen sein können. Die Triggerleitung für das Austasten erhält dann den Logikpegel »0«, der das Meßinstrument 104 zur Anzeige der reflektierten Signalintensität umschaltet. Die R HTD-Triggerleitung für das Referenzfenster des Flankendetektors erhält einen Impuls, damit der Flankendetektor 208 den Beginn des nächsten Fensters für den Referenzstrahlengang erkennen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird auch der KIVED-Markierungsrückleitung ein Signal abgegeben. Wenn die RWED-Marke erfaßt wird, erhält die Triggerleitung für das Austasten den Logikpegel »1« und die vorgenannte Reihenfolge der Verknüpfungen für den Justierbetrieb wird wiederholt, bis die Bedienungsperson das Instrument auf die maximale reflektierte Signalintensität eingestellt hat.

Dann wird der Justier/Abgleichschalter in die Abgleichstellung gebracht, so daß die Bedienungsperson die Intensität des aus dem Referenzstrahlengang stammenden Signals auf diejenige des aus dem Meßstrahlengang stammenden Signals gemäß der Anzeige des Meßgerätes 104 abstimmen kann. Wenn dieses geschehen ist, wird der Leseschalter in die Lesestellung gebracht und mit der eigentlichen Entfernungsmessung begonnen. An dem Punkt, an welchem der Leseschalter abgefragt wird (vergleiche rechte Spalte von F i g. 4A), läuft der Meßvorgang automatisch bis zur Anzeige des Ergebnisses weiter, ohne daß die Bedienungsperson eingreifen müßte. Die digitale Steuerungs- und Reehenschaltung 200 führt automatisch alle nachfolgenden Verknüpfungsvorgänge für die

Entfernungsmessung durch. Nachdem der l.escschalter in die l.cscslellung gebracht worden ist, werden eine Reihe von Logikverknüpfungen einschließlich eines /yklus zur Phasenkoinzidcn/crfassiing eingeleitet. Dieser Zyklus bestimmt den ungefähren Phasenunterschied zwischen dem Hcgrenzer-Ausgangssignal und dem Rcfcrenz-Frcqucnzsignal. Falls ein kleiner Phasciuinterschied erfaßt wird, wird eine Phasenverschiebung von 180° in das Refcrenz-Freqticii/.signal eingeführt und eine Zweideutigkeit der Phase durch Rauschen u.dgl. vermieden. Die Steucrinigs· und Kcchcnschaltung 200 speichert die zusätzliche Phasenverschiebung für die spätere Kompensation. Dieser Zyklus zur Erfassung der Phasenkoinzidenz wird während der Fenster des Zielstrahlenganges und des Referenzstrahlenganges durchgeführt. Der Mcßzyklus wird eingeleitet, indem die Triggerleitung für die Phasendetektorleislung den Logikpegel »I« setzt, wodurch Betriebsleistung an die rhasendetcktorschaiiung abgegeben wird. Die Triggerleitung für die Phasenverschiebung erhält den Logikpegel »0«, der Akkumulator 214 wird gelöscht und die Triggerleitung TWED für das Zielfenster des Flankendetektors wird betätigt. Nachdem ein TW/FD-Markierungssignal empfangen wurde, wird die digitale Steuerungs- und Rechenschaltung 200 in der bereits beschriebenen Weise angehalten, damit Schaltspitzen abklingen können. Die Triggerleitung für den Phasenkoinzidenzdetektor triggert dann den Phasendetektor 206 mit dem UN D-Verknüpfungsglied, der die Phasenvergleichsdaten zur Speicherung in dem Akkumulator jo 214 während des laufenden Fensters für den Meßstrahlengang aufnimmt. Am Ende von 250 Phasenvergleichen wird eine Phasendetektormarke durch den Zähler 216 abgegeben. An diesem Punkt wird der Phasendetektor 206 gesperrt und gemäß Fig. 4B geprüft, ob die vier höchsten Ziffern der Daten im Akkumulator größer als 2500 sind. Es sei angemerkt, daß die jetzt in dem Akkumulator enthaltenen Daten proportional zu dem Phasenunterschied zwischen dem Begrenzerausgangssignal und dem Referenzfrequenzsignal sind. Falls die vier höchsten Binärziffern des Akkumulators größer als 2500 sind, ist der Betrag der Phasenverschiebung kleiner als 90°, wie sich mathematisch nachweisen läßt. In diesem Fall wird eine Phasenverschiebung von 180° für nachfolgende Messungen des Zielstrahlenganges eingeführt. Dieser Zustand wird festgestellt, indem ein Register Kt innerhalb der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 in den Logikzustand »1« eingestellt wird. Der bereits beschriebene Zyklus zur Erfassung der Phasenkoinzidenz wird nun gemäß Fig.4B während des Fensters für den Referenzstrahlengang wiederholt.

In Fig.4C ist der Abschnitt des Zustandsdiagramms dargestellt, bei welchem die tatsächliche Entfernungsmessung beginnt. Die Triggerleitung für die Frequenzwahl (75 kHz) erhielt den Logikpegel »1« bereits früher und verblieb in diesem Zustand. Ein Indexzähler in der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 wird auf N=O gesetzt, wobei N die Anzahl der Phasenvergleichs-Abtastwerte ist, von denen jeder 250 getrennte Phasenvergleiche umfaßt. Dieser Zähler wird dann um 1 erhöht. der Akkumulator 214 gelöscht und das Register Kt abgefragt. In Abhängigkeit von dem Ergebnis dieser Abfragung wird das Referenz-Frequenzsignal um 0° oder 180° phasenverschoben. Die Triggerleitung für den Impulsflanken-Detektor für das Zielfenster erhält ein Betätigungssignal, so daß der Detektor 208 den Beginn des nächsten Zielfensters erfassen kann. Zu diesem Zeitpunkt wird auf der TWED-Marken-Rückführleitung ein Signal abgegeben. Wenn die rW/;'D-Marke erfaßt wird, hält das System an, wie bereits beschrieben wurde, und der Kippstufcn-Phasendetektor 204 wird durch ein Signal auf der zugeordneten Auslöseleitung betätigt. Der Detektor 204 führt dann 250 Phasenvergleiche aus. was dazu führt, daß im Akkumulator 214 Impulse mit 15 MHz gespeichert werden. Am Ende dieser Speicherzeit wird eine Phasendetektormarke durch den Zähler 216 abgegeben. In diesem Augenblick wird der Detektor 204 gesperrt, und die vier höchsten Ziffern der Daten in dem Akkumulator 214 werden an ein Register Xi in der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 übertragen. Dann wird das Register Kr abgefragt und der Inhalt des Registers AYcntsprechend dem Ergebnis verändert.

Die vorbeschriebene Reihenfolge wird dann für das Referenzfensler gemäß F i g. 4D wiederholt. Dann wird das dem Referenzfenster zugeordnete Ergebnis Xr von dem vorher berechneten und gespeicherten Ergebnis Xi des Zieistrahiengangs abgezogen und die Große λ',ν gebildet, die ein Maß für den Abstand darstellt, wenn sie mit einem bestimmten Faktor multipliziert wird. Bei bestimmten Verknüpfungen des Phasenverhältnisses zwischen dem Refcrcnzfrequenzsignal, dem aus dem Zielstrahlengang stammenden Signal und dem aus dem Referenzstrahlengang stammenden Signal kann AW negative Werte annehmen. In diesem Fall wird der Wert 10,000 hinzugefügt. Dann wird untersucht, ob N ein Vielfaches von 4 ist. Wenn dieses nicht der Fall ist, wird eine geeignete Anzahl von Abtastwerten mit jeweils 250 Vergleichswerten erfaßt. Wenn /Vein Vielfaches von 4 ist, folgt der Ablauf ohne Rückführschleife dem Zustandsdiagramm in Fig. 4E. Zunächst wird der nicht gewogene arithmetische Mittelwert X und dann die statistische Abweichung Sf der Daten aus den yV-Abtastwerten berechnet. Dann wird der Zustand der Auslöseleitung für die Frequenzwahl untersucht. Da diese Leitung früh in dem Zustandsdiagramm auf den Logikpegel 1 gesetzt und seitdem nicht geändert worden war, ergibt sich eine positive Antwort, welche auf eine Modulationsfrequenz von 75 kHz hin weis*

An diesem Punkt wird die vorher berechnete statistische Abweichung mit einem intern gespeicherten Prüfgrenzwert Aktien verglichen, der aus der Anzahl N der Abtastwerte, der gewünschten Schwankungsbreite und der gewünschten Genauigkeit des berechneten Ergebnisses folgt.

Falls die Prüfbedingung nicht erfüllt ist. wird untersucht, ob 64 Abtastwerte geprüft worden sind. Falls dieses nicht der Fall ist, werden zusätzliche Abtastwerte untersucht. Falls dieses der Fall ist. wird die Berechnung des Meßergebnisses angehalten und der Bedienungsperson mitgeteilt, daß die Meßbedingungen mit zuviel Rauschen behaftet sind, um eine Messung innerhalb einer spezifizierten Toleranz abzugeben. Der obere Grenzwert von 64 Abtastwerten (16 000 getrennte Phasenvergleiche) wird statistisch ausgewählt. Wenn die Prüfbedingungen erfüllt ist, wird ein Register X_nci auf den Wert_des nicht-gewichteten arithmetischen Mittelwertes X geteilt, durch die Anzahl N der Abtastwerte eingestellt, und X,,_ti ist eine aus vier Ziffern bestehende Zahl, deren Ziffern mit Lo, Li. L2, L3 in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit bezeichnet sind. Durch diesen Verfahrensschritt wird die Messung bei der Wellenlänge 2000 m (75 kHz) abgeschlossen.

An diesem Punkt wird die Triggerleitung für die Frequenzwahl auf den Logikzustand 0 gesetzt und dadurch die Wellenlänge !0 m oder die Modulationsfrequenz 15 MHz gewählt. Der Logikzyklus kehrt dann zu

dem in Fi g. 4A des Zustiindsdiagrammes bezeichneten Punkt zurück. Die vorher bei der Wellenlänge von 2000 m ausgeführten Verknüpfungen werden bei der Wellenlänge 10 m wiederhol!. Diese Vorgänge dauern an, bis die Triggerlcitung für die Frcquen/wahl abgefragt wird, wie sich aus Fig.4E des Zustandsdiagramms ergibt. Da diese Leitung jetzt mit dem Logikpegel 0 beaufschlagt worden ist, ergibt sich eine negative Antwort und der Logikfluß läuft gemäß dem Rechenanteil in F' %. 4E weiter.

Es wird nun bestimmt, ob Λ/ gleich 4,8, 16. 32 oder 64 ist. Falls dieses nicht der Fall is·, wird ein anderer Daienabtastwert abgeleitet, bis einer dieser Werte für N bestätigt wird. Wenn dieses der Fall ist, wird wiederum eine Untersuchung des Grenzwertes anhand der vorher berechneten statistischen Abweichung durchgeführt, leder dieser intern gespeicherten Prüfgrenzwerte ist eine Funktion des vorher berechneten Wertes von A",„.f und hat die Form K/+M'_cief, wobei Ki und // als Funktion des mathematisch zulässigen Meßfehlers abgeleitet sind, wie es in der Statistik bekannt ist. jedem der fünf Prüfwerte von N ist eine andere Prüfgrenzbedingung zugeordnet, da die maximale statistische Abweichung die eine Funktion der Anzahl der Prüfwerte /Vist.

Falls die spezielle Prüfgrenzbedingung nicht erfüllt ist. werden zusätzliche Abtastwerte genommen, bis eine Prüfgrenzbedingung erfüllt ist. Falls diese nicht erfüllt ist, nachdem 64 Abtastwerte abgeleitet worden sind, wird der Bedienungsperson angezeigt, daß die Messung mit zuviel Rauschen behaftet ist, um innerhalb einer spezifizierten Toleranz eine Messung zu erhalten. Wenn eine der fünf Grenzwertbedingungen erfüllt worden ist, wird ein Register X_1n auf den nicht-gewichteten arithmetischen Mittelwert X geteilt durch die Anzahl der Abtastwerte N eingestellt, wobei Xm die aus den vier Binärziffern H₀, Hi. H₂, Hj bestehende Zahl ist. und diese Ziffern in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit angegeben sind.

Die Logikverknüpfungen werden weiter gemäß Fig. 4F ausgeführt, wobei das Ergebnis LjL₂LiL₀ der Messung bei der Wellenlänge von 2000 m und das Ergebnis H₃H₂HiH₀ der Messung bei der Wellenlänge von 10 m verknüpft werden, so daß eine endgültiges Meßergebnis erhalten wird, das eine Genauigkeit in der Größenordnung 1 : 10⁶ hat. Bei dem ersten Meßschritt wird eine aus vier Ziffern bestehende Zahl mit den Ziffern 0, 0, L₉, L, in der Reihenfolge zunehmender Wertigkeit von dem vorher berechneten Wert von X„i abgezogen. Wenn das Ergebnis dieser Subtraktion positiv ist. wird es mit B bezeichnet und untersucht, ob die Menge B - 5000 ist. Falls dieses der Fall ist. wird das endgültige Ergebnis in mm durch die digitale Kombination L₃L₂H₃H₂HiH₀ erhalten. Falls dieses nicht der Fall ist. wird das Meßergebnis in mm durch die digitale Kombination L₃L₂H₃H₂HiH₀ weniger 10 000 gebildet. Falls die frühere Subtraktion X_/;;-LiLo00 zu einer negativen Zahl führt, wird das Meßergebnis nur in geringfügig verschiedener Weise gebildet, wie aus dem Flußdiagramm aus F i g. 4F hervorgeht.

Das auf diese Weise berechnete Meßergebnis wird dann entsprechend den vom Außenmeßfühler 222 erfaßten Umgebungsbedingungen der Temperatur und des Druckes korrigiert. Der sich ergebende Abstand wird dann entweder in luti oder Meter angezeigt und durch die Bedienungsperson ausgewählt. Die gleichen Anzeigedaten sind erhältlich für die Ausgabe an den periphercn Datenspeicher und die Recheneinheiten.

Die digitale Steucrungs- und Rechenschaltung 200 fragt dann die Jusiicrungs-Abglcich- und Leseschalter gemäß Fig. 4A ab, ob die Messung des Zielabstandes wiederholt werden soll, damit die Bedienungsperson das

Gerät auf ein anderes reflektierendes Ziel justieren und eine andere Entfernungsmessung vornehmen kann.

Zur Erleichterung des Verständnisses ist nachfolgend jede der neun Triggcrlcitimgen 218 der Steuerungs- und Rechenschaltung 200 zusammen mit den durch jeden

der Logikpcgel 0 und I spezifizierten Funktionen angegeben:

1. Triggerleitung//ι ₂für Frequenzwahl
0: 15 MIIz Modulationsfrequenz
1: 75 kHz Modulationsfrequenz

0:

nicht ausgetasieter Netrieb
1: ausgetasteter Betrieb

3. Triggerleitung für Phasendetektorleismng
0: Leistung ist der Meßschaltung zugeführt
1: Leistung ist von der Meßschaltung

abgeschaltet

4. Triggerleitung (TWED)Ku Zielfenster-Impulsflankendetektor (208)

0: Detektor eingeschaltet
1: Detektor ausgeschaltet

5. Triggerleitung (R WED) für den Referenzfenster-lmpulsflankendetektor(208)

0: Detektor ausgeschaltet
1: Detektor eingeschaltet

6. Triggerleitung für Phasenverschiebung (202)
0: 0° Phasenverschiebung

1: 180° Phasenverschiebung

7. Triggerleitung für Akkumulatorlöschung (214)
0: Akkumulatorlöschung gesperrt

1: Akkumulatorlöschung ausgelöst
Triggerleitung für Phasenkoinzidenzdetektor(206)
0: Detektor abgeschaltet
1: Detektor eingeschaltet
9. Triggerleitung für Phasendetektor (204)
0: Detektor gesperrt
1: Detektor eingeschaltet

Es wird somit ein Entfernungsmeßgerät geschaffen, welches jedes Meßergebnis automatisch berechnet und anzeigt. Die Anzeige erfolgt jeweils digital. Die Information kann mittels eines Speichers festgehalten und/oder an einen programmierbaren Taschenrechner übertragen werden, welcher derart programmiert werden kann, daß er die Meßdaten aufnimmt und direkt zusätzliche Rechnungen mit diesen Daten ausführt.

Das Entfernungsmeßgerät weist eine verbesserte

bO Meßgenauigkeit und Langzeitstabilität auf und ist gegenüber bekannten Geräten wesentlich unabhängiger bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur oder Alterungserscheinungen der Bauelemente.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät, bei welchem modulierte Lichtsignale über einen MeQ-Strahlengang geschickt und von einem entfernten Ziel reflektiert werden und eine erste digitale Schaltung aus der Phasendifferenz zwischen reflektiertem Signal und einem internen Referenzsignal die Entfernung des Ziels bestimmt, wobei zur Erhöhung der Meßgenauigkeit über eine Anzahl aufeinanderfolgender Phasendifferenzwerte gemittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite digitale Schaltung (200) vorgesehen ist, die die statistische Varianz (Sx²) der Phasendifferenzwerte ermittelt, diese mit einem internen Prüfgrenzwert (Sf?) vergleicht und eine Anzeige des Meßergebnisses nur freigibt, wenn die Varianz den Prüfgrenzwert nicht überschreitet.

2. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch «, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten und zweiten digitalen Schaltung je ein Detektor (204; 206) zugeordnet ist, der den Beginn eines aus dem Meß-Strahlengang stammenden Signalanteiles (36) und eines darauf folgenden aus einem Referenzstrahlengang stammenden Signalanteiles (34) der zeitlich versetzten Signale bestimmt und eine Anzahl von Impulsen während jedes der Signalanteile aus dem Meß-Strahlengang und dem Referenzstrahiengang abgibt, weiche Anzahl proportional zu der Phasendifferenz zwischen einem Referenzfrt-'TJenzsignal und dem zeitlich versetzten Signal ist, ein Akkumulator (214) die Vielzahl von Impulsen getrennt empfängt und zählt, die jedem der Signalanteile des Meßstnrtilensangs und des Referenzstrahlengangs zugeordnet ist, und eine Logikschaltung (200) die akkumulierten Ergebnisse der Impulse des Meßstrahlengangs und des Referenzstrahlengangs verknüpft und die statistische Varianz (S\²) des verknüpften Ergebnisses mit dem Prüfgrenzwert (Sf²) vergleicht.

3. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten digitalen Schaltungen einen Phasenkoinzidenzdetektor aufweisen, der bei Auftreten einer kleinen Phasendifferenz zwischen dem zeitlich versetzten Signal (36) und dem Referenzfrequenzsigna! (34) eine Phasenverschiebung des Referenzfrequenzsignals um 180° einführt (202).

4. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (200) eine iterativ arbeitende Einrichtung aufweist, welche zusätzliche Impuls-Abtastwerte auswertet, die für den Phaseminterschied zwischen dem Referenzfrequenzsignal (34) und dem zeitlich versetzten Signal (36) signifikant sind, bis der Prüfgrenzwert (S/²) erfüllt ist. und ein Alarmsignal erzeugt, das für übermäßiges Meßrauschen signifikant ist, falls die Gren/wcrt-Prüfbedingung nach einer vorbestimmten Anzahl (N) von Abtastwerten nicht erfüllt ist.

5. Elektro-optisches Intfcrnungsmeßgcrät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Meßstrnhlcngang und dem Referenzstrahlen· gang stammenden Signale (36, 34) während getrennter Abschnitte einer MeUpcriode mit einer ersten Frequenz (75 kHz) moduliert werden, die den höchsten Ziffern des gemessenen Absiandcs zugeordnet ist, und dann mit einer zweiten Frequenz (15 MHz) moduliert werden, welche größer als die erste Frequenz ist und den niedrigsten Binärziffern des gemessenen Abstandes entspricht.

6. Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es den Prüfgrenzwert (Sf²) als Funktion der Anzahl (N) der wiederholten Abtastwerte des zeitlich versetzten Signals (36), eines gewünschten Zuverlässigkeitsgrads und des benötigten Genauigkeitsgrades des Meßergebnisses (X) berechnet.