DE3640890A1

DE3640890A1 - OPTRONIC MEASURING DEVICE FOR MEASURING THE RELATIVE SPEED

Info

Publication number: DE3640890A1
Application number: DE19863640890
Authority: DE
Inventors: Friedrich Motzko
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1986-11-29
Filing date: 1986-11-29
Publication date: 1988-06-09
Also published as: GB8727874D0; DE3640890C2; FR2607596A1; GB2199211A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur optronischen Messung der mittleren Relativgeschwindigkeit zweier Objekte zueinander mittels Lichtimpulsen, gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for optronic measurement the mean relative speed of two objects to each other Light pulses, according to the preamble of claim 1.

Durch die EU-Patentanmeldung 00 76 232 ist ein solches Verfahren bekannt geworden, bei dem die Entfernung durch Auszählung der Dauer von Torsi gnalen bestimmt wird, wobei diese Dauer der Laufzeit der empfangenen Lichtimpulse entspricht. Hierbei werden eine Vielzahl durch eine erste digitale Schaltung gezählte Laufzeiten auf eine zweite digitale Schal tung übertragen, welche aus den häufigsten Zählergebnissen durch Mitte lung der Distanz berechnet. Diese an sich bewährte Anordnung ist jedoch in ihrem bauteilmäßigen Aufwand zu hoch und kostspielig.Such a method is known from EU patent application 00 76 232 become the distance by counting the duration of torsi gnalen is determined, this duration of the duration of the received Corresponds to light pulses. A large number are replaced by a first digital switching counted runtimes on a second digital scarf transmission from the most frequent counting results through the middle distance calculated. However, this arrangement, which is proven per se, is too expensive and expensive in terms of components.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die nicht nur die Nachteile des Standes der Technik beseitigt, sondern in minimierter und einfacher Realisierung Messungen in einem frei wählbaren Entfernungsbereich er laubt und gleichzeitig Entfernung, Geschwindigkeit, Beschleunigung und die Bewegungsrichtung wertmäßig liefert.The present invention has for its object a device to create the kind mentioned above, which not only the disadvantages of State of the art eliminated, but in minimized and easier Realization of measurements in a freely selectable distance range leaves and at the same time distance, speed, acceleration and provides the direction of movement in terms of value.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen ge löst. In den Unteransprüchen werden weitere Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel be sprochen und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:This task is ge by the measures listed in claim 1 solves. Further refinements are specified in the subclaims and an embodiment will be described in the following description spoke and sketched in the figures of the drawing. Show it:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des vorgeschlagenen Systems, Fig. 1 is a block diagram of the proposed system,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Empfängers mit der Mehrtor-Integrations einrichtung. Fig. 2 is a block diagram of the receiver with the multi-port integration device.

Die Fig. 1 der Zeichnung gibt in einem Blockschaltbild die optronische Meßeinrichtung wieder, mit der die entfernungsabhängige Lichtlaufzeit repetierender Lichtpulse eines Lasersenders 10 durch ein sogenanntes "Mehrtorverfahren" erfaßt und die Zeit von Nulldurchgang zu Nulldurch gang mißt. Fig. 1 of the drawing shows in a block diagram the optronic measuring device with which the distance-dependent light propagation time of repeating light pulses from a laser transmitter 10 is detected by a so-called "multi-port method" and measures the time from zero crossing to zero crossing.

Hierzu wird als Sender 10 ein Halbleiterlaserpulser mit 10 nsec Halb wertsbreite und einer Pulsfrequenz je nach Anwendung von 500 Hz bis 50 kHz verwendet. Die Sendeleistung und die Divergenz der Sendeoptik 14 ist bestimmend für die Reichweite der Meßeinrichtung bzw. für die maximale Entfernung zu einem Meßobjekt 100. In einem speziellen Ausführungsbei spiel setzt sich der Lasersender aus mehreren parallelen Avalanchestufen zusammen und wird durch einen DC/DC-Wandler versorgt.For this purpose, a semiconductor laser pulser with a half width of 10 nsec and a pulse frequency of 500 Hz to 50 kHz is used as the transmitter 10 . The transmission power and the divergence of the transmission optics 14 determine the range of the measuring device or the maximum distance to a measurement object 100 . In a special embodiment, the laser transmitter consists of several parallel avalanche levels and is supplied by a DC / DC converter.

Das sogenannte "Sampeln" des vom Meßobjekt 100 remittierten und vom Emp fänger 15 detektierten Lichtpulses erfolgt mittels des hier vorgeschla genen Mehrtorverfahrens. Als Empfangsdetektor ist normalerweise eine PIN-Diode ausreichend, für große Reichweiten jedoch empfiehlt sich eine spannungsgeregelte Avalanche-Diode. Die geringe Divergenz bzw. die Ver ringerung der Hintergrundstrahlung sowie die Größe des Querschnitts der Empfangslinse 15 a und eine angepaßte HF-Verstärkung bestimmen die Reich weite des Meßsystems.The so-called "sampling" of the light pulse remitted by the measurement object 100 and detected by the receiver 15 is carried out by means of the multi-gate method proposed here. A PIN diode is normally sufficient as a reception detector, but a voltage-controlled avalanche diode is recommended for long ranges. The low divergence or the reduction in the background radiation and the size of the cross section of the receiving lens 15 a and an adapted RF gain determine the range of the measuring system.

Der detektierte Lichtpuls wird HF-verstärkt der Mehrtor-Integrationsein richtung 16 eingegeben, in der die Torfolge durch Integratoren alternie rend bewertet wird (Fig. 3). Das Sampeln ergibt eine periodische sinoide Abbildung der Entfernungsänderung im Niederfrequenzbereich. Zu erwähnen ist hierzu noch, daß durch das kurze Auftasten der Tore und der nachfol genden Integration ein S/N-Gewinn erreicht wird.The detected light pulse is input to the multi-port integrating device 16 with RF amplification, in which the door sequence is evaluated alternately by integrators ( FIG. 3). Sampling gives a periodic sinoid image of the change in distance in the low frequency range. It should also be mentioned that a short keying of the gates and the subsequent integration results in an S / N gain.

Die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nulldurchgängen des periodi schen Sinoiden NF-Signals wird in Einheit 18 für die Differenzzeitmes sung gemessen und ist ein genaues Maß für die mittlere relative Ge schwindigkeit zweier Objekte im Mehrtorbereich. Durch die Anzahl, sowie die Spezifizierung der Tore kann der Meßbereich für die mittlere relati ve Geschwindigkeit innerhalb der Maximalentfernung beliebig festgesetzt werden. Der Grundtakt des Systemtaktgebers 13 bestimmt die Wiederho lungsfrequenz des Meßvorganges und die Genauigkeit der relativen Ge schwindigkeitsmessung. Maximale Betriebsfrequenzen von oberhalb 100 kHz sind derzeit mit Halbleiterlasern von ausreichender Sendeleistung mög lich. Zum Beispiel triggert der Grundtakt aus der Einheit 13 ein 8-Bit-Schieberegister in dem mit der HF-Taktfrequenz aus dem HF-Taktge ber 12 beispielsweise mit 50 MHz einmal ein High-Bit durchgeschoben wird. Die Schieberregisterausgänge sind mit dem Quarztakt - beispiels weise 50 MHz - logisch verknüpft und so erhält man 8 Pulse in 10 nsec Abstand und mit 10 nsec Torbreite quarzstabil. Der erste Puls des Laser senders 10 kann nun als Lichttrigger für den Sender verwendet werden. Die mit konstantem Abstand quarzstabilisierten Torpulse werden nun zur Ansteuerung von schnellen Analogschaltern - wie beispielsweise Ringmodu latoren, D-MOS-Analogschalter - durch die der detektierte Lichtpuls ab getastet wird, verwendet. Durch die Anzahl der verwendeten Tore kann der Entfernungsbereich variiert werden, mindestens sind jedoch 3 Tore erfor derlich.The time between two consecutive zero crossings of the periodic Sinoid LF signal is measured in unit 18 for the difference time measurement and is an accurate measure of the average relative speed of two objects in the multi-port area. Due to the number and the specification of the gates, the measuring range for the average relative speed within the maximum distance can be set as desired. The basic cycle of the system clock 13 determines the repetition frequency of the measurement process and the accuracy of the relative speed measurement. Maximum operating frequencies of above 100 kHz are currently possible with semiconductor lasers with sufficient transmission power. For example, the basic clock from the unit 13 triggers an 8-bit shift register in which a high bit is pushed through with the RF clock frequency from the HF clock 12, for example at 50 MHz. The slide register outputs are logically linked to the quartz clock - for example 50 MHz - and so you get 8 pulses at 10 nsec distance and with 10 nsec gate width quartz-stable. The first pulse of the laser transmitter 10 can now be used as a light trigger for the transmitter. The quartz-stabilized gate pulses are now used to control fast analog switches - such as ring modulators, D-MOS analog switches - by which the detected light pulse is scanned. The distance range can be varied by the number of gates used, but at least 3 gates are required.

Zur Realisierung der Steuerung sind verschiedene Möglichkeiten gegeben. Einmal ist es möglich, ein DMOS-Gate-Array für ca. 100 Gatterfunktionen in 1,3- bis 2-µ-Technologie für 50 MHz, das 4-fach DMOS-Analogschal ter extern verwendet. Weiterhin kann die Steuerung eine Fast-TTL- bzw. ECL- oder GaAs-Logik sein. Weiterhin ist ein Aufbau für Einrichtungen bis 25 MHz in HCMOS-Technologie möglich, wobei dann allerdings Torab stand und Torbreiten zu verdoppeln sind.There are various options for implementing the control. First, it is possible to have a DMOS gate array for approximately 100 gate functions in 1.3 to 2 µ technology for 50 MHz, the 4-fold DMOS analog scarf ter used externally. The controller can also use a Fast TTL or ECL or GaAs logic. There is also a structure for facilities up to 25 MHz possible in HCMOS technology, but then Torab standing and door widths must be doubled.

Zur Signalauswertung ist zu sagen, daß die durch das hier vorgeschlagene Mehrtorverfahren gesampelten Signale jeweils Einzelintegratoren zuge führt werden, deren Ausgänge der Torfolge entsprechend alternierend be wertet werden. Dies ergibt bei Verwendung von 3 Toren ein sinoides Aus gangssignal mit mindestens zwei Nulldurchgängen, die bei Überschreiten eines Rauschschwellwertes detektiert werden. Beim ersten Nulldurchgang wird ein mit hohem Zeittakt laufender Zähler gestartet, beim zweiten Nulldurchgang wird er gestoppt. Die Flanken beim jeweiligen Nulldurch gang dienen zur Auswertung der Bewegungsrichtung und der Inhalt des Zeittaktzählers 20 ist bei bekanntem Grundtakt ein exaktes Maß für die relative, mittlere Geschwindigkeit zweier Objekte zueinander. Das vorbe schriebene System kann weiter ausgebaut werden, beispielsweise durch Verwendung einer Vielzahl von Toren durch ein 16- oder 32-Bit-Schiebere gister, ohne daß hierdurch eine Änderung des Prinzips erfolgt. Entspre chend dem vorgesehenen Anwendungsfall kann das System mit Bereichsinte gratorstufen, Bereichszählern oder nur mit einem Zähler bestückt sein.For signal evaluation, it should be said that the signals sampled by the proposed multi-port method each lead to individual integrators, the outputs of which are evaluated alternately according to the goal sequence. When using 3 gates, this results in a sinusoidal output signal with at least two zero crossings, which are detected when a noise threshold value is exceeded. At the first zero crossing, a counter running with a high clock cycle is started, at the second zero crossing it is stopped. The edges at the respective zero crossing are used to evaluate the direction of movement and the content of the clock counter 20 is a precise measure of the relative, average speed of two objects to one another when the basic clock is known. The system described above can be expanded further, for example by using a large number of gates through a 16- or 32-bit slide register without changing the principle. According to the intended application, the system can be equipped with area integrator levels, area counters or just one counter.

Aufgrund der digitalen Zählerinformation sowie der diversen Systemdaten ist der Einsatz jeder gewünschten Anzeigeeinrichtung 19 möglich.Due to the digital counter information and the various system data, the use of any desired display device 19 is possible.

Hiermit ist ein Weg aufgezeigt worden, der eine optimale optronische Messung der mittleren Relativgeschwindigkeit zweier Objekte zueinander gewährleistet, die in einem frei wählbaren Entfernungsbereich unter gleichzeitiger Feststellung der Bewegungsrichtung, der Entfernung, der Geschwindigkeit und der Beschleunigung erfolgt. Sie ist unabhängig von der HF-Signalamplitude, hat einen großen Dynamikbereich und ist einfach und kostengünstig zu realisieren.This has shown a way that is an optimal optronic Measurement of the average relative speed of two objects to each other ensures that in a freely selectable distance range under simultaneous determination of the direction of movement, the distance, the Speed and acceleration. It is independent of the RF signal amplitude, has a wide dynamic range and is simple and inexpensive to implement.

Claims

1. Device for optronic measurement of the average speed of two objects relative to each other by means of light pulses, the distance being determined by gate signals, characterized in that the distance-dependent light propagation time repetit render light pulses of a semiconductor laser ( 10 ) detected by a receiver ( 15 ) and by a Multi-gate integration device ( 16 ), the gate sequence is evaluated alternately by integrators, "sampled", which results in a periodic Sinoid image of the change in distance in the low frequency range and the time between two successive zero crossings measured as an accurate measure of the average relative Ge speed becomes.

2. Device according to claim 1, characterized in that the multi-port integration device ( 16 ) comprises at least three specific gates.

3. Device according to claims 1 or 2, characterized ge indicates that the time measurement is amplitude-independent by evaluating the successive zero crossings and is released by a threshold switch.

4. Device according to claims 1 to 3, characterized shows that the distance range is determined by the number of gates and the HF cycle is freely selectable up to the maximum range.

5. Device according to claims 1 to 4, characterized in that a PIN diode or a voltage-controlled avalanche diode is used as the receiver ( 15 ).

6. Device according to claims 1 to 5, characterized records that the quartz-stabilized with constant distance Torpulse fast analog switches, such as ring modulators, HD-NOS analog switch etc., control.

7. Device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the counter running at high clock ( 20 ) is started at the first zero crossing and stopped at the second zero crossing, the edges at the zero crossing defining the direction of movement and the counter content forms the exact measure of the relative, average speed of two objects to each other and is displayed by a display unit ( 19 ).