DD279959A1 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR TIME MEASUREMENT, ESPECIALLY FOR DISTANCE MEASUREMENT ACCORDING TO THE TERMINATION PRINCIPLE - Google Patents

Abstract

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ausmessung von Zeitintervallen, insbesondere fuer die Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip, bei denen mit einer relativ niedrigen Zaehlfrequenz f und Zahl von Einzelmessungen N ohne Verwendung einer Interpolationsschaltung eine Entfernungsaufloesung im Zentimeterbereich erhalten wird. FigurThe invention relates to a method and an arrangement for measuring time intervals, in particular for the distance measurement according to the transit time principle, in which a distance resolution in the centimeter range is obtained with a relatively low count frequency f and number of individual measurements N without the use of an interpolation circuit. figure

Description

Translated fromGerman

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist ein technisch-ökonomisch einfaches Verfahren und eine Anordnung zur Zeitmessung, vorzugsweise zur Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip, die die Nachteile des Standes der Technik beseitigen.The aim of the invention is a technically-economically simple method and an arrangement for time measurement, preferably for distance measurement according to the transit time principle, which eliminate the disadvantages of the prior art.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Laufzeitmessung so zu gestalten, daß mit einer relativ niedrigen Zählfrequenz, bei einer nicht zu großen Anzahl von Einzelmessungen ohne eine zusätzliche Interpolationsschaltung mit einer digital arbeitenden Schaltungsanordnung eine hinreichende Entfernungsauflösung nach derThe invention has for its object to design a method and an arrangement for transit time measurement so that with a relatively low count frequency, with a not too large number of individual measurements without an additional interpolation circuit with a digitally operating circuitry, a sufficient range resolution after the

Beziehung As = ———erreicht wird.Relationship As = --- is reached.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zur Zeitmessung, insbesondere zur Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip, indem ein Meßwert durch Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und Empfangen eines, von einem Zielpunkt reflektierten Lichtimpulses mittels einer Torschaltung durch Zählung der Zählimpulse einer Frequenz erhalten wird, dadurch gelöst, daß die Schaltzeitpunkte für das Aussenden der Lichtimpulse gegenüber einem ersten Zählimpuls durch eine nicht ganzzählige Teilung aus einer Zählfrequenz f gewonnen werden, daß in einem für die Messung benutzten Zeitabschnitt mit N-Messungen die Phasenlage der Lichtimpulse zur Periode der Zählfrequenz N- voneinander verschiedene, zur Zählperiode in der Phasenlage gleichverteilte, sich erst nach N-Messungen wiederholende Werte annimmt und daß der Meßwert der Mittelwert, der durch Auszählen mit der Zählfrequenz f bestimmten N-Torzeiten ist. Bei einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend einen Teiler sowie eine PLL-Schaltung, zur Erzeugung der Schaltzeitpunkte für das Aussenden der Lichtimpulse wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zählfrequenz f und der Torimpuls in einem Digitalgatter 16 zusammengeführt werden und das Empfangssignal in einer optischen und/oder elektrischen Verzögerungsleitung 15 so weit verzögert wird, daß der Torimpuls eine Mindestlänge hat, daß bei Überschreitung einer maximalen Torzeit bei einer der N-Einzelmessungen die Messung abgebrochen und mit dem nächsten Impuls neu gestartet wird. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Zählfrequenz fund der Torimpuls in einem Summenbildner mit anschließender Triggerung zusammengeführt werden.According to the invention, this object is achieved with a method for time measurement, in particular for distance measurement according to the transit time principle, by obtaining a measured value by counting the time difference between the transmission and reception of a light pulse reflected from a target point by means of a gate circuit by counting the counts of a frequency. solved in that the switching times for the emission of light pulses to a first count are obtained by a non-integral division of a count frequency f, that in a time interval used for the measurement with N measurements, the phase position of the light pulses to the period of the counting frequency N- from each other different, uniformly distributed to the counting period in the phase position, repeats after N measurements only repeated values and that the measured value of the average value, which is determined by counting at the count frequency f N-gate times. In an arrangement for carrying out the method, comprising a divider and a PLL circuit for generating the switching times for emitting the light pulses, the object is achieved in that the count frequency f and the gate pulse are combined in a digital gate 16 and the received signal in an optical and / or electrical delay line 15 is delayed so far that the gate pulse has a minimum length, that when exceeding a maximum gate time in one of the N-individual measurements, the measurement aborted and restarted with the next pulse. It is also advantageous if the counting frequency f.sub.of the gate pulse is combined in a summation generator with subsequent triggering.

Durch die Erfindung ist es möglich, ohne eine spezielle Interpolationsschaltung und ohne eine große Anzahl von Einzelmessungen eine Entfernungsauflösung von einem Zentimeter zu erreichen.The invention makes it possible to achieve a distance resolution of one centimeter without a special interpolation circuit and without a large number of individual measurements.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung zur Zeitmessung. Ein temperaturkompensierter Quarzoszillator 1 erzeugt eineThe invention will be explained in more detail with reference to the schematic drawing. 1 shows an arrangement according to the invention for measuring time. A temperature-compensated quartz oscillator 1 generates a

Zählfrequenzf, die entsprechend der Beziehung für die Entfernungsauflösung As = ——-— bei 10 m etwa 15 MHz beträgt. DieseZählfrequenzf, which is approximately 15 MHz at 10 m according to the relationship for the range resolution As = ----. These

Frequenz wird in einem Teiler 2 um den Faktor 15000:1 heruntergeteilt. Der Teiler 2 ist mit einer PLL-Schaltung 3 und diese wiederum über einen spannungsgesteuerten Quarzoszillator 4 mit einem Teiler 5 verbunden, der das Teilerverhältnis 1 001:1 hat. Die Schaltung 3 vergleicht das Ausgangssignal des Teilers 5 mit dem des Teilers 2 und hält damit den Oszillator 4 auf der 10OIfachen Frequenz des Ausgangssignals des Teilers 2. Der Oszillator 4 ist mit einem Teiler 6, der das Teilerverhältnis 1 000:1 hat verbunden, so daß das Gesamtteilerverhältnis vom Oszillator 1 zum Ausgang des Teilers 6 1,001/15000 beträgt. Das Ausgangssignal des Teilers 6 hat gegenüber dem Signal des Oszillators 1 die Eigenschaft, daß sich seine Phasenlage während N = 1001 Impulsen am Teiler 6 gegenüber der Phase des Oszillators 1 nicht wiederholt. Die Phasenlage der 1001 aufeinanderfolgenden Impulse ist innerhalb der Periode des Oszillators 1 gleichmäßig verteilt. Dabei werden die Versetzungsbeträge vom ganzzahligen Vielfachen einer Oszillatorschwingung vernachlässigt. Der Teiler 6 steuert über eine Sendeelektronik 7 eine Sendediode 8 an, die kurze Lichtimpulse über eine bekannte, nicht näher dargestellte Optik zu einem Zeitpunkt und von diesem über eine ebenfalls nicht dargestellte, bekannte Optik zu einem Empfänger 13 und weiterhin über einen ebenfalls nicht näher dargestellten, bekannten Referenzlichtweg zu einem Referenzempfänger 9 sendet. Der Empfänger 9 ist über eine Verstärker-und Impulsformereinheit 10 mit einem, aus einem Gatter 11 und 12 bestehenden Flipflop verbunden. Bei Auslösung eines Sendeimpulses an der Sendediode 8 wird dieser direkt vom Empfänger 9 empfangen und das Flipflop gekippt. Der Empfänger 13 ist ebenfalls über eine Verstärker-und Impulsformereinheit 14 sowie die Verzögerungsleitung 15 mit dem Flipflop 11/12 verbunden und setzt dieses zurück. Dabei wird durch die elektrische Verzögerungsleitung 15 die Zeit, die der Ausgang des Gatters 11 auf High-Potential liegt (Torzeit) auf einen für die Anordnung erforderlichen Mindestwert verlängert. Die Verzögerung kann auch durch eine optische Lichtleitfaser vor dem Empfänger 13 bewirkt werden. Der Ausgang des Gatters 11 sowie das Oszillatorsignal 1 mit der Zählfrequenzf werden in einer Schaltung 16 zusammengeführt, die die Aufgabe hat, während der Torzeit Zählimpulse durchzulassen und prinzipiell mit einem UND-Gatter zu realisieren ist. Es kann auch anstelle eines Gatters ein analoger Summenbildner oder-integrator mit anschließendem Trigger verwendet werden. Die Schaltung 16 muß bei jeder Phasenlage zwischen Torimpuls und Zählfrequenz feine möglichst konstante Breite des schmälsten noch mit einem Signal am Ausgang 16 bewerteten Impulses gewährleisten. Die Breite des schmälsten Impulses selber ist unerheblich, sie führt zu einer Additionskonstanten, die in bekannter Weise, beispielsweise über eine geräteinterne Referenzstrecke bestimmt werden kann. Die Verzögerungsleitung 15 bewirkt, daß bei kürzester gemessener Strecke und beliebiger Phasenlage die Mindestlänge, die für die Verarbeitung in der Schaltung 16 erforderlich ist, mit Sicherheit erreicht wird. Dem Schalter 16 ist ein Monoflop 17 nachgeordnet, welches die Impulseso verbreitert, daß sie mit Sicherheit von einem nachfolgenden Zähler 18 verarbeitet werden. Der Zähler 18 wird von einer Zählersteuerung 19 ausgesteuert und rückgesetzt. Für Handbetrieb wird die Steuerung 19, die auch durch einen Rechner realisierbar ist, durch Betätigung einer Starttaste 20 aktiviert, um den Zähler 18 rückzusetzen und über die Verbindungsleistung 21 mit dem nächsten Sendeimpuls die Zählung der am Monoflop 17 anliegenden Impulsgruppen zu beginnen. Auch ist in bekannter Weise ein automatischer Selbststart nach beendeter letzter Messung (Trackingbetrieb)Frequency is divided down in a divider 2 by a factor of 15000: 1. The divider 2 is connected to a PLL circuit 3, which in turn is connected via a voltage-controlled quartz oscillator 4 to a divider 5, which has the divider ratio 1 001: 1. The circuit 3 compares the output signal of the divider 5 with that of the divider 2 and thus keeps the oscillator 4 at 10O times the frequency of the output signal of the divider 2. The oscillator 4 is connected to a divider 6 which has the divider ratio 1000: 1 the total divider ratio from the oscillator 1 to the output of the divider 6 is 1.001 / 15000. The output signal of the divider 6 has with respect to the signal of the oscillator 1 the property that its phase position during N = 1001 pulses on the divider 6 with respect to the phase of the oscillator 1 is not repeated. The phase position of the 1001 successive pulses is evenly distributed within the period of the oscillator 1. The offset amounts are neglected by the integer multiple of an oscillator oscillation. The divider 6 controls via a transmission electronics 7 a transmitting diode 8, the short light pulses via a known, not shown optics at a time and from this via a likewise not shown, known optics to a receiver 13 and further via a likewise not shown , Known reference light path to a reference receiver 9 sends. The receiver 9 is connected via an amplifier and pulse shaping unit 10 with a, consisting of a gate 11 and 12 flip-flop. Upon initiation of a transmit pulse to the transmitter diode 8, this is received directly from the receiver 9 and tilted the flip-flop. The receiver 13 is also connected via an amplifier and pulse shaping unit 14 and the delay line 15 to the flip-flop 11/12 and sets this back. In this case, the time that the output of the gate 11 is at high potential (gate time) is extended to a minimum value required for the arrangement by the electrical delay line 15. The delay may also be effected by an optical fiber in front of the receiver 13. The output of the gate 11 and the oscillator signal 1 with the Zählfrequenzf be merged in a circuit 16, which has the task during the gate time to pass pulses and in principle is to be implemented with an AND gate. It is also possible to use an analog summation generator or integrator with a subsequent trigger instead of a gate. The circuit 16 must ensure at each phase between gate pulse and counting frequency as fine as possible constant width of the narrowest yet evaluated with a signal at the output 16 pulse. The width of the narrowest pulse itself is insignificant, it leads to an addition constant, which can be determined in a known manner, for example via a device-internal reference path. The delay line 15 causes the minimum length required for the processing in the circuit 16 is achieved with certainty at the shortest measured distance and any phase position. The switch 16 is a Monoflop 17 downstream, which widens the Impulseso that they are processed by a subsequent counter 18 with certainty. The counter 18 is controlled by a counter control 19 and reset. For manual operation, the controller 19, which can also be realized by a computer, activated by pressing a start button 20 to reset the counter 18 and to begin the count of the pulse groups 17 applied to the monostable 17 via the connection power 21 with the next transmission pulse. Also is in a known manner an automatic self-start after completion of the last measurement (tracking operation)

möglich. Weiterhin ist die Zählersteuerung 19 über die Leitung 23 mit einer Schaltung 22 verbunden, die ihrerseits sowohl mit dem Teiler 6, als auch dem empfängerseitigen Eingang des Gatters 12 verbunden ist. Sie hat die Aufgabe, zu überwachen, ob innerhalb einer vorgegebenen maximalen Torzeit ein Empfängerimpuls eintrifft oder nicht. Die Schaltung 22 kann mittels Teiler, Monoflops oder softwaremäßig als Teil eines Geräterechners ausgebildet sein. Folgt auf ein Signal am Teiler 6 kein Empfängersignal am Empfänger 13, wird die Messung abgebrochen und mit dem nächsten Sendeimpuls neu gestartet, wozu über eine Leitung 23 ein Signal an die Zählersteuerung 19 erfolgt. DerTeiler 24 zählt die 1 001 Empfängersignale ab und liefert danach über ein Verzögerungsglied 25 einen Impuls an die Zählersteuerung 19, der die Messung beendet. Die Strecke s wirdpossible. Furthermore, the counter control 19 is connected via the line 23 to a circuit 22, which in turn is connected to both the divider 6, and the receiver-side input of the gate 12. Its task is to monitor whether or not a receiver impulse arrives within a given maximum gate time. The circuit 22 may be formed by means of dividers, monoflops or software as part of a device computer. If there is no receiver signal at the receiver 13 following a signal at the divider 6, the measurement is aborted and restarted with the next transmission pulse, for which purpose a signal is sent to the counter control 19 via a line 23. The divider 24 counts down the 1 001 receiver signals and thereafter, via a delay element 25, provides a pulse to the counter controller 19 which terminates the measurement. The route will be s

nach der Beziehung s = —-— (z - zo) ermittelt, wobei ζ und zo die Zählraten der Strecke und der Referenzstrecke sind. Die Auflösung As bestimmt sich dann nach der Beziehung As =is determined by the relationship s = --- (z - zo), where ζ and zo are the count rates of the link and the reference link. The resolution As is then determined by the relationship As =

2fN2FN

Claims (3)

Translated fromGerman

Patentanspruch:Claim:1. Verfahren zur Zeitmessung, insbesondere zur Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip, indem ein Meßwert durch Bestimmung der Zeitdifferenz zwischen dem Aussenden und Empfangen eines, von einem Zielpunkt reflektierten Lichtimpulses mittels einer Torschaltung durch Zählung der Zählimpulse einer Frequenz erhalten wird, gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltzeitpunkte für das Aussenden der Lichtimpulse gegenüber einem ersten Zählimpuls durch eine nicht ganzzahlige Teilung aus einer Zählfrequenz f gewonnen werden, daß in einem für die Messung benutzten Zeitabschnitt mit N-Messungen die Phasenlage der Lichtimpulse zur Periode der Zählfrequenz N- voneinander verschiedene, zur Zählperiode in der Phasenlage gleichverteilte, sich erst nach N-Messungen wiederholende Werte annimmt, und daß der Meßwert der Mittelwert der durch Auszählen mit der Zählfrequenz f bestimmten Torzeiten ist.1. A method for time measurement, in particular for distance measurement according to the transit time principle by a measured value by determining the time difference between the transmission and reception of a reflected from a target point light pulse by means of a gate circuit by counting the counts of a frequency is obtained, characterized in that the switching times for transmitting the light pulses to a first count by a non-integer division of a count frequency f be obtained that in a time interval used for the measurement with N measurements, the phase position of the light pulses to the period of the count frequency N- different from each other, to the counting period in the Phase phase equally distributed, repeats itself after N measurements repeated values, and that the measured value is the average of the determined by counting at the count frequency f gate times.2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend einen Teiler sowie eine PLL-Schaltung zur Erzeugung der Schaltzeitpunkte für das Aussenden der Lichtquelle, gekennzeichnet dadurch, daß die Zählfrequenz fund der Torimpuls in einem Digitalgatter 16 zusammengeführt werden, daß das Empfangssignal in einer optischen und/oder elektrischen Verzögerungsleitung 15 so weit verzögert wird, daß der Torimpuls eine Mindestlänge hat und daß bei Überschreitung einer maximalen Torzeit bei einer der N-Einzelmessungen die Messung abgebrochen und mit dem nächsten Impuls neu gestartet wird.2. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, comprising a divider and a PLL circuit for generating the switching times for the emission of the light source, characterized in that the counting frequency of the gate impulse are merged in a digital gate 16, that the received signal in a optical and / or electrical delay line 15 is delayed so far that the gate pulse has a minimum length and that when exceeding a maximum gate time in one of the N-individual measurements, the measurement aborted and restarted with the next pulse.3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Zählfrequenz f und der Torimpuls in einem Summenbildner mit anschließender Triggerung zusammengeführt werden.3. Arrangement for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the count frequency f and the gate pulse are combined in a summator with subsequent triggering.Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawingAnwendungsgebiet der ErfindungField of application of the inventionDie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausmessung von Zeitintervallen, insbesondere für die Entfernungsmessung nach dem Laufzeitprinzip und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Sie ist vorteilhaft anwendbar für Entfernungsmesser zu Vermessungszwecken, bei denen die Entfernung zum Zielpunkt während der Meßzeit konstant bleibt.The invention relates to a method for measuring time intervals, in particular for the distance measurement according to the transit time principle and an arrangement for carrying out the method. It is advantageously applicable to rangefinders for surveying purposes where the distance to the target point remains constant during the measurement time.Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the artEs ist bekannt, daß bei Entfernungsmessern, die nach dem Laufzeitprinzip arbeiten, während der Zeit zwischen dem Aussenden eines Lichtimpulses und dem Eintreffen des von einem Ziel reflektierten Lichtimpulses, ein Tor für die Zählung von Zählimpulsen einer Frequenz f geöffnet und diese Zeit dadurch bestimmt wird.It is known that in distance timers operating on the transit time principle, during the time between the emission of a light pulse and the arrival of the light pulse reflected by a target, a gate for the counting of counts of a frequency f is opened and this time is determined thereby.Die Entfernungsauflösung As wird dann nach der Beziehung As = — ermittelt, wobei с die Lichtgeschwindigkeit ist. Durch denThe distance resolution As is then determined by the relationship As = -, where с is the speed of light. By thegroßen WertvoncistfürdieErzielung einer Auflösung von beispielsweise 1 cm eine Zählfrequenz von 15 GHz erforderlich, deren Handhabung einen großen Aufwand erfordert. Aus der EP-PS 76232 ist bekannt, die Schaltzeitpunkte für das Aussenden der Lichtimpulse in mit der Zählfrequenz nicht korrellierter Weise zu erzeugen, womit sich durch eine Mittelung von N-MessungenFor example, in order to achieve a resolution of, for example, 1 cm, a count of 15 GHz is required, the handling of which requires a great deal of effort. From EP-PS 76232 it is known to generate the switching times for the emission of the light pulses in a manner not correlated with the counting frequency, which results in an averaging of N measurementsdie Entfernungsauflösung steigern läßt. Es besteht die Beziehung für die Entfernungsauflösung As = ——-—. Nachteilig beiincrease the distance resolution. The relationship exists for the distance resolution As = ----. A disadvantage ofdiesem Verfahren ist die große Anzahl der Einzelmessungen, beispielsweise für f = 15MHz als guthandhabende Zählfrequenz und As = 1 cm sind eine Million Wiederholungsmessungen erforderlich, was zu einer langen Meßzeit führt. Es ist weiterhin bekannt, eine höhere Auflösung durch eine Interpolation zu erzielen, indem die Teile der Toröffnungszeit zwischen dem Startimpuls und dem ersten Zählimpuls sowie zwischen dem Stopimpuls und dem nächsten Zählimpuls in Zeit/Amplitudenwandlern in Spannungswerte umgewandelt und anschließend digitalisiert werden. Diese technischen Lösungen benötigen einen erhöhten Aufwand zur Interpolation. In der DE-OS 3 215847 wird das Startsignal zunächst phasenstarr zur Zählfrequenz erzeugt und anschließend sowohl das Start- als auch das Stopsignal jeweils einer Verzögerungskette aus seriell hintereinandergeschalteten Verzögerungsgliedern zugeführt. Bei jeder Einzelmessung wird dann eine andere Verzögerung vor den Zeit/Amplitudenwandler geschaltet, um die Messungen über seine Kennlinie gleichmäßig zu verteilen und dadurch den Einfluß von Nichtlinearitäten des Interpolators zu vermindern. Aus der DE-OS 3322145 ist bekannt, daß durch Frequenzmischung ein Startsignal erzeugt werden kann, daß ebenfalls gewährleistet, daß die Interpolationswerte gleichmäßig über die Kennlinie des Interpolators verteilt sind, um Kennlinienabweichungen auszumitteln.In this method, the large number of individual measurements, for example, for f = 15 MHz as a good - handling counting frequency and As = 1 cm, one million repetition measurements are required, resulting in a long measuring time. It is also known to achieve a higher resolution by interpolation by converting the parts of the gate opening time between the start pulse and the first count pulse and between the stop pulse and the next count in time / amplitude converters into voltage values and then digitizing them. These technical solutions require an increased effort for interpolation. In DE-OS 3 215847, the start signal is initially generated in phase with the counting frequency and then fed both the start and the stop signal in each case a delay chain of serially connected delay elements. For each individual measurement, a different delay is then switched before the time / amplitude converter in order to distribute the measurements evenly across its characteristic and thereby reduce the influence of non-linearities of the interpolator. From DE-OS 3322145 it is known that by frequency mixing a start signal can be generated, which also ensures that the interpolation values are evenly distributed over the characteristic of the interpolator in order to average out characteristic deviations.