DE19543946A1

DE19543946A1 - Laserdistanzmeßgerät

Info

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

Description

Stand der Technik

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 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.

Wesen der Erfindung

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.

Beschreibung

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.

Die Transmission T_r eines Fabry-Perot-Etalon zeigt Gleichung (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.

mit 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.

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.

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.

Empfängereinheit (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)

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.

Vergleichskanal (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.).

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.

-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.

Ein- und Ausgabeeinheit (7)

In der Einheit erfolgt die Schnittstellenanpassung und die Signalkopplung mit Nachfolgeein heiten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 ein Blockdiagramm des Distanzmeßgeräts.

Fig. 2 den Transmissionsverlauf des FEP (3) als Funktion der Zeit.

Fig. 3 den Einfluß der Laserwellenlänge auf die Phasenlage der vom FEP (3) erzeugten Im pulse

Fig. 4 die Parameter der Torschaltung in der Empfängereinheit

Fig. 5 einen Abstimmfall der Empfängereinheit (9)

Fig. 6 den Aufbau der Empfängereinheit (9)

Fig. 7 das Blockschaltbild des Vergleichskanals (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:

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 zu

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.

Das Ausführungsbeispiel ist für eine Meßstrecke von 7 m konzipiert. Damit ergeben sich die definierten Zeiten zu:

Bei einer Frequenz des Oszillators (8) von 2.14 MHz ergeben sich die Filterfrequenzen zu:

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.

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:

Torzeit 2Δt\|23,4 ns
Torabstand 2Δt_e*	46,7 ns
Tormittenlage t₀ zu (2n+1)T/2	23,4 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.

Bezugszeichenliste

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

Claims

1. Anordnung zur Distanzmessung bestehend aus einer Einheit mit frequenzmodulierter Laserquelle, Kollimator und Fabry-Perot-Etalon, die optische Impulse erzeugt, einer Empfängereinheit als Nullindikator, die die von der Einheit erzeugten und an einem Objekt reflektierten oder gestreuten Impulse empfängt, in elektrische Signale wandelt, tastet und filtert und dann ein Nullsignal abgibt, wenn die Summe aus Verzögerungs zeit t_V und Laufzeit t_L der Impulse einen vorgegebenen Betrag t₀ aufweist und einem Vergleichskanal mit Empfänger und Filter, der die an einem Teilerspiegel reflektierten optischen Impulse empfängt, in elektrische Signale wandelt und filtert, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit mit einer vom Oszillator (8) sinusförmig frequenzmodulierten Laser diode (1), einem Kollimator (2) und einem FPE (3) optische Impulse erzeugt,deren Phasenlage durch Änderung des Arbeitspunktes der Laserdiode (1) bei der Frequenz modulation vom Regler (10) so geregelt wird, daß die Empfängereinheit (9) auf Nullsignal abgestimmt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerspiegel (4) aus der optischen Sendeimpulsfolge einen Bruchteil der Intensität auf den Vergleichskanal (6) koppelt und daß der Teilerspiegel auf der dem Objekt (5) zugewandten Seite, mit Ausnahme eines zentrisch gelegenen Teilbereichs mit dem Durchmesser des Sendestrahlbündels, verspiegelt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das am Objekt (5) reflek tierte oder gestreute Laserlicht von einer Fresnellinse (11) über den Teilerspiegel (4) auf den Empfänger (9.1) fokussiert wird und die Fresnellinse (11) einen zentral gelegenen Teilbereich aufweist, der nicht strukturiert ist und dessen Abmaße denen des Sendestrahlenbündels entspricht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Vergleichskanal (6) die optische Impulsfolge in elektrische Signale gewandelt und gefiltert wird und die Mittenfrequenz der Filtereinheit (6.2) ein ungerades ganzes Vielfaches der Frequenz des Oszillators (8) ist, der Signalpegel der ausgefilterten Oberwelle ein Maß für die Verzögerungszeit t_V ist, im A/D-Wandler (6.5) digitalisiert wird, im Normierer (6.6) mit einem Korrekturfaktor multipliziert wird und in einem Adressspeicher (6.7) die Zuordnung der Meßlänge zur Verzögerungszeit t_V erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Empfängersignal die Oberwelle mit doppelter Oszillatorfrequenz ausgefiltert und dem Regler (10) zuge führt wird und dieser nach dem Einschalten der Anordnung die Laserwellenlänge so steuert, daß der Pegel der Oberwelle in einem vorgegebenen Bereich liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Empfängersignal die Oberwelle mit der doppelten Frequenz der Filtereinheit (9.3) gefiltert wird und diese die Tastung der Empfängereinheit (9) steuert.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Vergleichskanal (6) das ungefilterte elektrische Signal im Wandler (6.8) digitalisiert wird und im Rechner (6.9) die die Sendeimpulsfolge bestimmenden Größen und der Korrekurfaktor, der dem Normierer (6.6) zugeführt wird, errechnet werden.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die longitudinalen Moden abstände Δλ_RLD des optischen Resonators der Monomodelaserdiode (1) und die Mo denabstände Δλ_RFPE des optischen Resonators des FPE (3) aufeinander abgestimmt sind.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelte Frequenzhub bei der Modulation der Laserdiode (1) multipliziert mit der Modenzahl P des FPE (3) kleiner ist als die Modenfrequenz.

10. Anordnung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß im Empfängerkanal (9) mit Empfängereinheit (9.1), Torschaltung (9.2) und Filtereinheit (9.3) die Torschaltung (9.2) ein Doppeltor bildet, der zeitliche Abstand der Tore 2Δt_e* ein ganzzahliger Teil der Periodendauer der Oszillatorschwingung ist und die zeitliche Lage t₀ der Doppeltormitte ganzzahlige Vielfache von Δt_e* sind und vorzugsweise so gewählt wird, daß t₀ der Laufzeit eines Impulses entspricht, der eine Strecke zurückgelegt hat, die der maximalen Meßlänge der Anordnung entspricht.

11. Anordnung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der einzelnen Tore (Torzeit) 2Δt = Δt_e* ist und die Mittenfrequenz f_M der Filtereinheit (9.3) ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz des Oszillators (8) ist.