Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH...

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ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Elektrooptische DistanzmessungElektrooptische Distanzmessung

Distanzmessertechnologien

J. HinderlingR. KoechleK.Siercks


LiteraturverzeichnisLiteraturverzeichnis

Burnside, C.D.: Electromagnetic distance measurements, 2nd ed., Granada, London (1982)

Deumlich,F.Staiger R.: Instrumentenkunde der Vermessungstechnik, 9.Auflage, Verlag Wichmann (2002)

Grimm, K., Frank, P. Distanzmessung nach dem Laufzeitmessverfahren mit geodaetischerGiger, K.: Genauigkeit; Distomat WILD DI3000, Firmenschrift, Heerbrugg (1986)

Joeckel R.: Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung, Wittwer Verlag, Stuttgart, (1995)

Kahmen, H.: Elektronische Messverfahren in der Geodaesie, 2. Auflage, Wichmann Verlag (1978)

Kahmen, H. : Vermessungskunde. Verlag Walter de Gruyter, 19.Auflage (1997)

McCormac, J.: Surveying, 5th edition, Wiley (2004)

RCA: Electro-Optics Handbook

Rueger, J.M.: Electronic Distance Measurement, 3rd ed., Springer (1990)

Scherrer, R.: Distanzreduktion bei Infrarot-Distanzmessern, Firmenschrift, Heerbrugg (1982)

Zetsche, H.: Elektronische Entfernungsmessung, Wichmann Verlag (1979)

Diverse Patente der Klasse G01S 7/48Fachliteratur bei Trimble, Leica, Topcon, Sokkia, Pentax, ... (Internet)


InhaltInhalt

1 Die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

Fizeau ExperimentInterferometrie (Michelson, HP)

2 Grundlagen zu den Funktionsprinzipien EDM

Methoden der StreckenmessungElektrooptische EDM-Module in MesssystemenFunktionsprinzip elektrooptischer DistanzmesserFormen der Signalmodulation und Auswertemethoden

3 FunktionsprinzipienPulslaufzeitPhasenChirpSignalanalyse

4.0 Fehler, Abweichungen, Systematiken


Hippolyte FIZEAU 1819-1896

Eine aufwendigeVersuchsanordnung, die grosses experimentellen Geschick erfordert, stammt von Fizeau aus dem Jahre1849

Dabei musste wegen des bekanntengrossen Wertes der (300000 Km/s) Lichtgeschwindikeit ein möglichtstgrosser Lichtweg ca. 8.3 Km hergestellt werden.

Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit

www.quarks.de


FizeauprinzipFizeauprinzip

Aus der Zeit t, in der eine Lückeder nächsten Lücke folgte, und ausder Entfernung s des Spiegels vomZahnrad errechnete sich die Lichtgeschwindigkeit zu

c = 2s / tc .....Lichtgeschwindigkeit2s ...Weg für Hin- und Hergangt ......Zeit für Hin- und Hergang

www.ebgymhollabrunn.ac.at

Zunächst versetzt man das Zahnradin raschen Rotation.

Während des Zunehmens derRotationsgeschwindigkeit stellteman zuerst eine Abschwächung derIntensität des reflektiertenLichtstrahls fest, weil er durch die Zahnlücke ging und dann durch den folgenden Zahn verdeckt wurde. Aus der Erhöhung derRotationsgeschwindigkeit tratwieder ein Maximum an Helligkeitein (ging durch Zahnlücken). Drehtsich das Zahnrad genau um einenZahn weiter, während der Lichtstrahlzum Spiegel und wieder zurückgelaufen ist, so fällt der Lichtstrahldurch zwei Lücken


DasDas FizeauFizeau ExperimentExperiment

Siercks 2004

smc

smc

heute

Fizeau

/109979.2

/1015.38

8

⋅=

⋅=

2


InterferometrieInterferometrie-- MessungMessung mitmit derder TrTräägerwellegerwelle ohneohne ModulationModulation-- mitmit kohkohäärentemrentem LichtLicht

InterfometertypenInterfometertypen

MichelsonMichelson2 2 FrequenzFrequenz Interferometer HPInterferometer HP


Hell dunkel

+

InterferometerInterferometer ((MichelsontypMichelsontyp) keine Modulation, koh) keine Modulation, kohäärentes Lichtrentes Licht


TeilerwTeilerwüürfelrfel InterferenzenInterferenzen


LaserinterferometrieLaserinterferometrie DistanzmessungDistanzmessung durchdurch InterferenzenInterferenzen

Wellen Anzahl :2

NND ⋅=λ

Die Auflösung dieses Verfahrens beträgt also λ/2 und damit bei λ = 0.6 mm etwa 0.3 mm.

Diese Auflösung lässt sich jedoch durch elektronische Interpolation weiter steigern.


ZweiZwei--FrequenzFrequenz InterferometrieInterferometrie HP InterferometerHP Interferometer

2. Strahl ist leichtversetzt

Doppler-Messprinzip

Fährt ein Objekt mit der Geschwindigkeit v radial gegen eine Referenzstation, die einen Strahl mit Frequenz f1 aussendet, so hat die am Objekt reflektierte Welle infolge des Dopplereffekts die Frequenz f1 + ∆f mit:

windigkeitLichtgesch :thwindigkeiObjektgesc :2 1 cvcvff =∆

f1 + ∆f

v

Schwebung


HP InterferometerHP Interferometer

Die Differenz ∆f lässt sich als Frequenz der Schwebung messen, die bei der Überlagerung von ausgesandter und reflektierter Welle entsteht. Eine Frequenz lässt sich durch Auszählen der Anzahl Perioden pro Zeiteinheit messen:

tptpf ∆∆=∆ vall Zeitinterim quenzDopplerfreder Perioden Anzahl :

11

11

1 222 fc

tpf

fcfv =

∆⋅⋅

=⋅∆

=⋅∆

= λλλ

Da der Weg s gleich dem Integral der Geschwindigkeit v über die Zeit ist, gilt:

21λ⋅= ps

3


HP HP ZweifrequenzinterferometerZweifrequenzinterferometer (Dopplereffekt)(Dopplereffekt)


LLäängenngen--InterferometerInterferometer


Die Die EntwicklungEntwicklung elektronischerelektronischer DistanzmesserDistanzmesser

-- BisBis anfanganfang 80er 80er JahreJahre DistanzmessungDistanzmessung > 4 Km > 4 Km mitmitMikrowellengerMikrowellengeräätenten GPSGPS

-- heuteheute ausschliesslichausschliesslich mitmit elektrooptischenelektrooptischen VerfahrenVerfahren


Mikrowellendistanzmesser Mikrowellendistanzmesser „„TellurometerTellurometer““


GeodimeterGeodimeter 2A Der erste geod2A Der erste geodäätische Distanzmesser ca. 1968tische Distanzmesser ca. 1968

This Geodimeter NASM-2A is an electronic-optical instrument for first-order geodetic distance measuring purposes, and is capable of measuringdistances up to 50 kilometres. The instrumentconsists physically of two units, the 'measuringunit', housing the electronic equipment, and the'optical unit', containing the light conductor and the two large spherical mirrors. With the two unitscombined, the instrument weighs approximately100 kilograms.


EntwicklungenEntwicklungen

Geodimeter 6A

HP

4


LunarLunar Laser Ranging Laser Ranging WettzellWettzell


Mobile Mobile SatelliteSatellite Laser Ranging SystemeLaser Ranging Systeme


3D Sensor 3D Sensor A new Technology in A new Technology in ““OneOne--ShotShot”” 33--D Data CaptureD Data Capture

RT Close Range Scanning

One Shot

CMOS Chip160 x 124 pixel array


Elektrooptische Elektrooptische EDMEDM--ModuleModule in Messsystemenin Messsystemen

EDM-Modul

3D-Scanner2D-Profiler

EDM Modul alsAufsatzgerät auf el. Theodolit

EDM Modul in Tachymeter integriert.(Robotic Station)

Elektronischer Hand-Distanzmesser

Lasertracker

1993: LEICA DISTO1996: DISTOm1997: SOKKIA MM301998: Bosch DLE30Laser2002: CarlCeiss Jena DM-X2002/3: Hilti PD30 (Jenoptic: PD30)2003: Leica DISTO Plus Graphics2005: Hilti PD32

1970: Zeiss Rec ELTA 141971: AGA Geodimeter 7001975: HP 3820A1978: WILD TC1...1995: LEICA TCA1800 reflektorlos (RL)1998: LEICA TCR11032000: Trimble 600S DR200+ / RL long range2001: PENTAX R123N mit Autofokus2002: LEICA TCAP1100 mit Powersearch2003: Sokkia Serie 030R (350m reflektorlos)2004: Leica TPS1200/R300 /

Topcon GPT8200 (1200m) ….

1995: Cyrax von Leica-Geosystems1996: Callidus (Dtl)1999: Riegl (Austria)2002: IQ-Sun GmbH(Dtl) (= Phasenmesser)2002: Mensi GS2002003: Leica HDS4500 (Z+F) 2005: ….

1992: LEICA DIOR3002S1996: SOKKIA MiniMeter

1992: First Lasertracker LT2001995: Absolute Lasertracker LTD5002001: Coherent Lasertracker CMM LR2002005: ….


Grundlagen zu den Funktionsprinzipien EDMGrundlagen zu den Funktionsprinzipien EDM

2.1 Methoden der Streckenmessung

Streckenmessung

mechanisch

Mikrowellen

Trägerfrequenzen

Lichtwellen

elektronisch

optisch visuell

Ultraschall SchallMesslatte

Band

Draht

Taster

Doppelmeter

Interferometer Radar

Triangulation Ultrawideband Ranging

Phasenmessung (GPS, RIM)

Laufzeitmessung (Lidar, 3D-Radar)

FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave Method)

Basis am Zielort

Basis am Standort(Telemeter)Stereobildaufnahme

Doppelbilddistanzmeter

Mod

ulie

rtun

mod

ulie

rt


TriangulationstasterTriangulationstaster

CCDLaserdiode

Messbereich

D=F(x)x

D

5


Geometrische Distanzbestimmung: Geometrische Distanzbestimmung: TriangulationssensorTriangulationssensor

Triangulationssensoren senden einen Laserstrahl aus, der je nach Abstand vom Messobjekt in unter-schiedlichem Winkel reflektiert wird. Der reflektierte Strahl wird über Umlenkspiegel und Optik auf eine CCD oder PSD abgebildet

http://www.lap-laser.com/d/laser_g/prod/mess.html

Laser

CCD

Messbereich


EDM EDM ffüürr GeodGeodäätischetische AnwendungenAnwendungen

-- InformationsInformationsüübertragungbertragung und und MorphologieMorphologie-- GrundaufbauGrundaufbau-- TrTräägerfrequenzengerfrequenzen-- ReichweiteReichweite (Absorption, Dispersion, (Absorption, Dispersion, LichtquellenLichtquellen))-- AugensicherheitAugensicherheit


The Information TransferThe Information Transfer

SourceCoding

BiphasenAmplitudenPolarisation

Channel Decoding Sink

Noise


DistanzmessungDistanzmessung ((KomponentenKomponenten, , ÜÜbertragungsmediumbertragungsmedium, , MessobjektMessobjekt))

Siercks 2004

Elektronik Optik


Die Die maximalemaximale MessdistanzMessdistanz hhäängtngt abab von:von:

Energie im Sende-Strahl Signalquelle / Augensicherheit

Divergenz des Sendestrahles Beugung

Atmosphärische Bedingungen Streuung, Dispersion

Eigenschaften des Ziels Reflektivität

Umgebende Lichtquellen/Streulicht Störsignal, Rauschen

Empfängerempfindlichkeit Apertur,Empfängerschaltung

Messmethode Nutzungsgrad der Signalinformation

Geforderte Messgenauigkeit Zeitbasis, Messzeit


6



2.7 Einfluss der Atmosphäre auf die Distanzmessung / Absorption

Atmosphären-Modelle: LOWTRAN, HITRAN, MODTRAN, PC-TRAN, .....

Pulslaser

Pulslaser

Laser für Reflektoren

Laser für reflektor-lose Ziele

Pulslaser

Absorption als Definition des Verhältnisses von Empfangs- zu Sendeleistung:

τIEIS

10 Abskoeff− 2⋅ Distanz⋅

Beispiel: Distanz = 1km


2. 2. Grundlagen zu den Funktionsprinzipien EDMGrundlagen zu den Funktionsprinzipien EDM

Beispiel: Gruppenindex einer lokalen Absorptionslinie von Wasserdampf bei der Wellenlänge λ = 946.55081570 nm.

x-Achse: Frequenz der optischen Strahlungy-Achse: Skala gilt für den Gruppenbrechungsindex.

Fazit: Distanzmessfehler bis gegen +/-100ppm (=+/-100mm auf 1km) möglich.

Literatur: Galkin, Tatevian; Journal of Geodesy (1997) 71: 680-684.

Laserdiode Luft / H2O

1000ppm

500ppm



Relative spektrale Augenempfindlichkeit und Laser

Seit 2000:High-Power Mikro-Chip Laser

Aufgelistet sind Wellenlängen von typischen Lasern verwendet in geodätischenDistanzmessern.

In Zukunft:Gepulste Faserlaser

Standard Strahlungsquelle:Halbleiter-Laser

Dämmerungssehen

Tagsehen


EDM Messtechnologien (EDM Messtechnologien (ÜÜbersicht)bersicht)

Messung mit der unmodulierten TrägerwelleMichelson Interferometer

Pulslaufzeitmessung (TOF)Laserscanner, Handdistanzmesser,GPS Codemessung…

Amplitudenmodulation (AMCW)Die meisten geodätischen EDM

Polarisationsphasenmodulation (PMCW)Mekometer

Frequenzmodulation der optischen Welle(O- FMCW)Laserradar

Gemischte FormenLeica Pinpoint


Formen der Signalmodulation und AuswertemethodenFormen der Signalmodulation und Auswertemethoden

FMCWFrequenzmodulation, lineares Frequenz-Chirping (=Frequency Modulated Continuous Wave)

NeuSystem Analyzer: ähnlich Phasenmesser aber mit ausgewähltem Set an Modulationsfrequenzen und „Laufzeitmesserauswertung

Fizeau-PrincipleNullphasenabgleich, Nullphasenmessung durch Frequenzanpassung

-> Frequenzmessung

Phase-Meter - PhasenvergleichsschaltungPhasenvergleichsschaltung, Phasenvergleichsalgorithmus

Time-of-Flight mit digitaler Signalabtastung und Aufsummierung

Hochfrequenzabtastung von SignalimpulsenMöglichkeit der Signalsummation (Signal-Sampling)

Spread SpectrumKorrelationsempfänger von Zufallssignalfolgen (PN-Code)

Time-of-FlightZeitmesschaltung (Start/Stopp eines Einzelimpulses):

EDM-TechnologieAuswertemethoden (empfängerseitig)


PulslaufzeitverfahrenPulslaufzeitverfahren

7


ImpulsmessverfahrenImpulsmessverfahren

Sender

Empfänger

Messsignal senden

t0=0

∆t

D tncD o ∆⋅⋅=

21


Laufzeitmessung bei GPS (Korrelationsverfahren)Laufzeitmessung bei GPS (Korrelationsverfahren)


Laufzeit tm = n*T + ta + tb

Stabiler Referenzoszillator mit einer Gangenauigkeit von 1ppm.

Hauptereignisse: 1: Start

3: Stopp

Analoge Zeitinterpolation mittels Time-Amplitude-Converter (TAC) zur Bestimmung von ta und tb.

Messgenauigkeit durch Zeitinterpolation auf 1mm = 1/10000 der Periode T=66ns=10m am Beispiel des DI3000S.

Funktionsprinzip des LaufzeitmessersFunktionsprinzip des Laufzeitmessers

Zeitmess-Schaltung mit analoger Zeitinterpolation

Status heute:•1-Chip-Lösungen (= Time Digital Converter)•Zeitliche Abtastung mit 16Bit digitalisiert•Least significant bit (LSB) = 8mm Auflösung (=1psec)• => 8mm*2^16 = 524m Eindeutigkeit (Maximal Range).

Triggerereignisse:


Funktionsprinzip des Laufzeitmessers (Funktionsprinzip des Laufzeitmessers (vrglvrgl. Scannen). Scannen)

PowerSearch von LEICA als Beispiel eines Laufzeitmessers

PowerSearch ist ein Sensor zum Suchen und Lokalisieren von Retroreflektoren, um das Zielobjekt aber eindeutig zu erkennen benutzt die Vorrichtung das Prinzip eines Laufzeitmessers.

Funktion: Zielsuche mittels Rotation um eine vertikale Achse eines ebenfalls vertikalen Sendefächers. Wird ein Signal von einem Zielobjekt reflektiert so wird dies vom Detektor empfangen und an eine Auswerteeinheit zur Merkmalsanalyse weitergegeben. Ist ein Reflektor als Zielobjekt erkannt, so wird der Scan-Vorgang abgebrochen und das aufgefundene Ziel präzise angefahren.

Aufzufindende Reflektoren

Scan-Bewegungbei der Zielsuche

Sende- und Empfangsoptik in biaxialer Anordnung.

Sendefächer erzeugt durch eine Pulslaserdiode.

Suchdistanzen bis 750m.


Funktionsprinzip des Laufzeitmessers (Scannen mit vertikalem FFunktionsprinzip des Laufzeitmessers (Scannen mit vertikalem Fäächer)cher)

Signalauswertung im Empfangsteil mit Zielerkennung

Horizontalwinkeloder Laserpuls-Nummer

Distanzachse von 0m bis 750m

Signalamplitude

Der zurückgeworfene Laserimpuls wird mit 50MHz digitalisiert (abgetastet) und einer Auswerteeinheit (RISC-Prozessor & FPGA) zugeführt. Gemessen werden Signalmplitude, Distanz und horizontaler Scan-Winkel.Während des Scan-Vorgangs entsteht dadurch eine 3 dimensionale Landschaft. Die Peaks stellen aufgefundene Zielobjekte dar.

Merkmale des Empfangssignals zur Erkennung eines Zielobjekts:•Pulshöhe -> Reflexionsgrad•Pulsbreite -> Zielausdehnug, Beispiel: Strassenschilder•Pulslänge -> Harte Ziele / weiche Ziele wie Längsreflexe an Tunnelwänden

Powersearch identifiziert ein aufgefundenes Zielobjekt durch Vergleich der gemessenen Merkmale mit intern abgelegten Toleranzwerttabellen.

Fremdreflexe werden dadurch übergangen und nicht angefahren wie:

•Strassenschilder•Autoscheinwerfer•Fensterscheiben•Sonnenreflexe•Nebel oder Rauchfahnen


PhasenmessverfahrenPhasenmessverfahren-- ModulationsverfahrenModulationsverfahren-- AuswerteverfahrenAuswerteverfahren

8


PhasenvergleichsverfahrenPhasenvergleichsverfahren9.11 Elektronische

Distanzmessung

Beim Phasenvergleichsverfahren wird einer kontinuierlich ausgestrahlten (kurzwelligen)Trägerwelle eine langwelligesinusförmiges Messwelle auf-moduliert. Die aufmodulierte Welle dient dann als Masseinheit für die Streckenmessung.Schrittweite ∆t [s] 0.00000003

UmgebungsvariablenBrechungsindex n [-] 1Geschwindigkeit c0 [m/s] 300000000

TrägerwelleFrequenz f [s-1] 40000000Wellenlänge λT [m] 7.5

MesswelleFrequenz f [s-1] 2000000Wellenlänge λM [m] 150

Trägerwelle

Messwelle

Signal (AM)

Modulation



Formen der Signalmodulation und Auswertemethoden

time

time

time

s(t)

T

Trägersignal rechteckig:Bps: Leica TD5005

Bsp: Leica: TC800

Bsp: Leica TPS2000

Modulationsformen des Sendesignals s(t):

Phasenmessung mit rechteckförmigem Impulszug:

Phasenmessung mit Burst-Modulation:

Phasenmessung mit Phasenumtastung des Trägers: (PSK=Phase Shift Keying)


BiphaseBiphase--Modulation Modulation derder TrTräägerfrequenzgerfrequenz Kombination von ModulationenKombination von Modulationen

Zur eigentlichen Distanzmessung werden auf beiden Trägerfrequenzen Codes durchBiphasenmodulation aufmoduliert, deren Laufzeit durch Korrelation und Uhrenvergleichbestimmt wird. Der sogenannte Precise-Code (P-code) und der Coarse Aquisition Code(C/A-Code). Mit dem P-Code ist es möglich die Position mit einer Genauigkeit von 10- 20m zu bestimmen, mit dem für zivile Benutzer zugänglichen C/A Code erreicht man eineGenauigkeit von 100 m.


PhasenvergleichsverfahrenPhasenvergleichsverfahren

D ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +⋅=

πϕλ22

1 ND

λd

Sender

Empfänger

Mλ

RestphaseAmbiguitiesAmbiguities


PhasenvergleichsverfahrenPhasenvergleichsverfahren

D

9.11 Elektronische Distanzmessung

Ein eindeutiges Ergebnis für die Streckenmessung liegt dann vor, wenn die Massstabswellenlänge λ grösser als die zu messende doppelte Maximaldistanzist.

Sender

Empfänger

DM >2λ


Bestimmung der Vielfachen (Bestimmung der Vielfachen (AmbiquitiesAmbiquities))

150 KHz = 2 Km

1.5 Mhz = 200 m

15 MHz = 2m

Feinfrequenz

2. Grobfrequenz

1. Grobfrequenz

Phasenmessung

789

88.2

8.437

788.437 [m]

9


Kombination Amplitudenmodulation und Kombination Amplitudenmodulation und BiphasenmodultatiomBiphasenmodultatiom


Phasenmessung: Multimodulation des Z&F ScannersPhasenmessung: Multimodulation des Z&F Scanners

Dipl.Arbeit ZoggETHZ 2003


Polarisationsmodulation (Polarisationsmodulation (MekometerprinzipMekometerprinzip))

0

Polarisations-Strahlteilerunter einem Winkel von 45°zum Kristall wirkt alsAnalysator

linear polarisierterLaserstrahl

Indikatix (ne, no)

Kristall

λ / 4 - Platte

Reflektores liegt keineSpannung an

kein Licht gelangt aufdie Empangsdiode

Aus Diss. Loser ETHZ 2001


Polarisationsmodulation und Polarisationsmodulation und NullphasendetektionNullphasendetektion ((MekometerMekometer))


OptischerOptischer und und elektronischerelektronischer AufbauAufbau von von DistanzmessernDistanzmessern


Optimaler Optimaler TachymeterTachymeter ffüür natr natüürliche und reflektorunterstrliche und reflektorunterstüützte Zieletzte Ziele

LEICA-TCR als Tachymeter mit 2 Sendereinheiten,einer roten mit kollimiertem Strahl für reflektorlose Ziele undeiner infraroten mit divergentem Strahl für Prisma-Ziele:

Messstrahl: sichtbar, praktisch keine Divergenz

Messstrahl: unsichtbar, grosse Divergenz

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ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH ZürichGeodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand

Morphologie und OptikschemaMorphologie und Optikschema bei bei TachymeternTachymetern

Morphologie:PowerSearch mit biaxialer Optik ist im Theodolitdeckel integriert:

Senderöffnung Empfängeröffnung

Fernrohrobjektiv des Theodolits

Alle 3 Achsen sind parallel zueinander ausgerichtet.

Optikschema: (Top view)

Pulsmodulation ähnlich wie bei einem Laufzeitmesser:80nsec, 15Watt,25kHz.

erzeugt vertikalen Sendefächer

Empfänger-blende

Sendefächer: 0.2Gradx40Grad


M

Stop-Faser.externer Lichtweg

Start-FaserInternerLichtweg

KTP

PulslaserNd:YAG

KomparatorVerstärker APD-

Temp

Temperatur

Init Puls

start/stopp

Funktionsprinzip des LaufzeitmessersFunktionsprinzip des Laufzeitmessers

Detektionsprinzip nach dem Einzelschussverfahren (Jeder optische Impuls wird separat detektiert).

Laserdriver

PeltierDriver

Laser

Zeit-messung

Ref.Osz.

Zeitnormal 1ppm

A/D-conv.

T

Pump Laser Teilerspiegel

Sende- &Empfangsoptik

Zielobjekt

PIN-Diode

Signal-PeakDetektor

Empfangs-diode.APD

optischer Abschwächer.M=Motor

0 .. 10km

Power:3.3V5.0V etc.

12V

Mikro -Prozessor

oder

DSP

APDVorspannung200V

Datenschnittstellezum Mainboard oder Keyboard-Display

PWM


Optikschema eines koaxialen Optikschema eines koaxialen TachymetersTachymeters (Mit symmetrischer optischer (Mit symmetrischer optischer AperturApertur))

Transmitter

Receiver

Receiver

Internalmeasurement (calibration)

externalmeasurement

Fernrohrobjektiv,gemeinsam für Sender und Empfänger

Cal-Schalter

Variables Abschwächfilter

Laserdiode

Lichtteiler Cal-Abschwächer

Lichtleiter führt zur Empfangsdiode

Problematik:Optisches Uebersprechen --> Zyklischer Phasenfehler


Blockschema eines DistanzmessgerBlockschema eines Distanzmessgeräätestes

Überlagerungs-oszillator15.015 MHz Mischer

2Mischer 1

Kippstufe Kippstufe

HOCHFREQUENZTEIL

NIEDERFREQUENZTEIL

Impulsgeber

Display

Sender

Empfänger15 MHz

15 MHz

15 kHz15 kHz

Nach Witte

Quarzoszillator 15 MHz

Messtor

ZählerMikro-prozessor


PhasenmesserPhasenmesser

Analog Mixer im Empfängerteil: (In der Literatur auch als Produktdemodulator bekannt )

Elektronische Mischer zur Erzeugung der niederfrequenten Zwischenfrequenz

Merke:Im niederfrequenten Zwischenfrequenz-signal bleibt die Phase ϕo erhalten.

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Elektronisches Schema nach dem Elektronisches Schema nach dem HeterodyneHeterodyne PrinzipPrinzip

Prinzipschema eines Phasenmessers wie es bei den TACHYMETERN angewendet wird

Berechnete Phaseals Ergebnis

Mit einem Phase-Locked-Loop (PLL) als Frequenz-Synthesizer wird aus einem Quarzoszillator eine um ∆f verschobene Frequenz f0+∆f erzeugt. Diese ebenso quarzgenaue Frequenz mit einem DutyCycle 50% dient zum Modulieren des Senders. Der Empfangskreis ist ein sogenanntes„Superheterodyne-Empfangsprinzip“. Ein Resonanz- oder Selektivverstärker filtert die Grundharmonische des Rechtecksignals aus. Mit einem Produkt-Demodulator (Mischer) wird eine Zeittransformation auf ∆f, die Zwischenfrequenz, ausgeführt. Die Phasenmessung im zeittransformierten Bereich wird durch eine Signalabtastung (A/D-Wandlung) des ∆f-Signals und einer anschliessenden Fouriertransformation(FFT) realisiert.

Seit 1995 sind auch rein digitale Frequenzsynthesizer als Single-Chip- Bausteine kommerziell erhältlich. Diese sogenannten DDS-Chips (Direct Digital Synthesizer) ersetzen allmählich die klassische Frequenzumschalt- und PLL-Technik.


4. 4. PhasenmesserPhasenmesser

4.4.2 Digitaler Mixer im Frequenzsynthesizer:

4.4 Elektronische Mischer zur Erzeugung der niederfrequentenZwischenfrequenz

Einflankengetriggertes D-FF:Wirkt als Speicherzelle (=Data Latch)


0 5 .10 9 1 .10 8 1.5 .10 8 2 .10 8 2.5 .10 8 3 .10 8

0

5

10Empf-&Mischersignal: i & h

Zeitachse [sec]

10

3−

0

i tn( )h tn( )

3 10 8−×0 tn

Elektronische Mischer zur Erzeugung der Elektronische Mischer zur Erzeugung der niederfrequentenniederfrequenten ZwischenfrequenzZwischenfrequenz

Sampling Technik mit „Time Expansion" unter Anwendung eines MixersZeittransformation um den Faktor 105 mit einem breitbandigen analogen Mischer im Empfängerteil eines Distanzmessers.Die hochfrequenten, pulsartigen Eingangssignale des Mischers sind einerseits das Empfangssignal i(t) anderseits das Mischersignal h(t) direkt abgezweigt vom Frequenzsynthesizer.Die Modulationsfrequenzen der beiden Signale unterscheiden sich dabei nur wenig, eben lediglich um den Faktor 1 zu 1.00001

0 2 .10 5 4 .10 5 6 .10 5 8 .10 5 1 .10 4 1.2 .10 4 1.4 .10 4 1.6 .10 4 1.8 .10 4 2 .10 4

0

5

10Heterodynsignal (ZF im NF)

Zeitachse expanded [sec]

10

3−

0

yZF tn( )

2 10 4−×0 tn

Am Ausgang des Mischers entsteht ein niederfrequentes Signal. Man beachte die Zeitdehnung, es ist gegenüber dem Empfangssignal um 105 im zeitlichem Verhalten verlangsamt. Die Phasenmessung ist im zeittransformierten Bereich einfacher zu handhaben.


DirectDirect Digitaler Synthesizer mit Digitaler Synthesizer mit PLLPLL--FrequenzumformerFrequenzumformer

PLL:Die Ausgangsfrequenz des DDS-Bausteins wird über ein Datenwort (Tuning Word) gesetzt. Die Frequenz wird auf einen Phasencomparator gegeben, welcher einen ppm-genauen VCO-Oszillator ansteuert. Dieser VCO-Oszillatorerzeugt eine um den Faktor N höhere Frequenz mit hoher Phasenreinheit.

Direct Digital Synthesizer


Die PhasenmessDie Phasenmess--EinheitEinheit

Heute sind ausschliesslich digitale Phasenmessschaltungen gebräuchlich.

Alle Distanzmesser sind heute mit AD-Wandlern und Mikroprozessoren oder gleichwertigen Prozessoren ausgestattet. Die Phasenmessung ist daher verbunden mit einer digitalen Signalauswertung. Das am AD-Wandler anliegende NF-Signal wird durch diesen abgetastet und die Daten fortlaufend in einem Speicher (RAM) abgelegt. Am Schluss der Messung wird die Phasenverschiebung anhand der im Datenspeicher abgelegten Signalform mittels Kurvenfit, Fouriertransformation oder einer anderen algorithmischen Auswertemethode berechnet.

Phase ϕo

Signal und Phasenberechnung im Speicher:

Phase ϕo

Taktsignal


NeueNeue DistanzmesstechnologienDistanzmesstechnologien

ChirpChirpSystem AnalyzerSystem Analyzer

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Frequenzmodulation (FM)Frequenzmodulation (FM)


FMCW Distanzmesser (FMCW Distanzmesser (ChirpChirp Technologie)Technologie)

Frequency

100GHz

2 milliseconds

Delta f is in low megahertz band : Range = delta f / 0.667 (in microns)

delta t = 2 x range / c (speed of light)

1 micron = 1.6 x 10 –14 seconds

Time200THz

received signal

transmitted signal

0

001

Vrgl. Radartechnologie


Modulation des TrModulation des Träägersgers FMCW LaserradarFMCW Laserradar

Frequenzmodulation der optischen Welle(O- FMCW)

periodisch wiederholenden linearen Frequenzchirp belegt. s t( ) so sin 2 π⋅ fo⋅ t⋅ π ψ⋅ t⋅ t⋅+( )⋅:=

0 0.5 11

0

11

1−

s n

10 t n

wobei: fo = Mittenfrequenz und ψ = Frequenzanstieg (Hub) geteilt durch Chirpdauer

Obere Hälfte der nachfolgenden Grafik zeigt:den Zeitverlauf der momentanen Frequenz fs(t) des Sendesignals s(t) und der Frequenz fe(t) des Empfangssignals e(t). Die Frequenz wird dabei wiederholt linear hochgefahren. Das Zwischenfrequenzsignal g(t) entsteht durch die Schwebung bei der Ueberlagerung von Sende- und Empfangssignal, g(t) hat in diesem Fall während des Chirps konstante Frequenz fzf(t).Untere Hälfte der nachfolgenden Grafik zeigt:den Zeitverlauf der momentanen Frequenz fzf(t) des Zwischenfrequenzsignals g(t).

EmpfangssignalFrequenz desSendesignal

Zwischen-frequenzsignalhat konstante Frequenz


OO-- FMCWFMCW--DistanzmessersDistanzmessersDistanzmess-Prinzip:Das vom Zielobjekt reflektierte Empfangssignal e(t) ist um die Signallaufzeit verzögert, beim simultanen Vergleich mit dem Sendesignal s(t) entsteht dabei ein Dopplereffekt. Dieser äussert sich als Zwischenfrequenz, denn das momentan emittierte Signal hat im Vergleich zum Empfangssignal, welches vor einer Laufzeit (to) ausgesandt wurde, eine höhere Frequenz. Die Zwischenfrequenz ist ein Grobschätzer für die Distanz.Auch gibt es einen Feinschätzer für die Distanz, welcher theoretisch die hohe Genauigkeit eines Phasenmessers erzeugt.

Das Zwischenfrequenzsignal wird beispielsweise mittels eines sogenannten Homodyne-Mischers gewonnen. Dieser multipliziert das Sendesignal mit dem Empfangssignal und am Ausgang entsteht das Zwischenfrequenzsignal g(t) = s(t) * e(t)

g t( )so2

cos 2 π⋅ ψ⋅ to⋅ t⋅ 2 π⋅ foψ to⋅

2−⎛⎜

⎝⎞⎠

⋅ to⋅+⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

⋅:=

wobei to die gesuchte Signallaufzeit bedeutet.Neben dem Homodyne-Prinzip ist auch das Heterodyne-Prinzip möglich. Auf dieses Empfänger-Prinzip wird an dieser Stelle nicht eingegangen (Wesentliches siehe Kapitel: "Phasenmesser").

Distanzberechnung:Die Zwischenfrequenz steckt im ersten Phasenterm des cos: -> fZF = -ψ *toAuch der zweite Phasenterm des cos wird ausgewertet: -> PhiZF = π to (ψ *to-2*fo)fZF und PhiZF sind Messgrössen und werden dem Zwischenfrequenzsignal entnommen.

Die erste Gleichung ergibt eine Grobschätzung der Laufzeit: -> to = -fZF / ψDie zweite Gleichung liefert das endgültige Resultat für die Laufzeit.

to feinfoψ

foψ

foψ⋅

Phi ZF 2 π⋅ k⋅−

π ψ⋅+−:=

Die ganzzahlige Grösse k ist so zu wählen, dass tofein möglichst nahe beim Grobschätzwert to zu liegen kommt.Mit der Phasenmessung von PhiZF sollte theoretisch die Genauigkeit eines klassischen Phasenmessers erreichbar sein. Genauigkeitsbegrenzend sind vorallem Nichtlinearitäten der chirp-artigen Frequenzmodulation.

In der Praxis werden Frequenz- und Phasenmessung nicht direkt gemessen sondern mittels der Fouriertransformierten des Mischersignals g(t) algorithmisch berechnet. Es braucht daher weder eine Frequenzmessvorrichtung noch eine klassische Phasenmessvorrichtung.


5. 5. Funktionsprinzip des Funktionsprinzip des FMCWFMCW--DistanzmessersDistanzmessers

5.3 Prinzipschema

Signal Generator Transmitter

Homodyne Detection ReceiverEstimator

Target

freq(t)

t

f0f0-Chirp/2

f0+Chirp/2

f(t)

t

f0f0-Bc /2

f0+Bc /2

τ

∆ffzf=sin(2π∆ft)

Blockschema FMCW:

Beispiel: Mittenfrequenz fo = 250MHzFrequenzhub Bc = 50MHzMesszeit Tc = 5msecLaufzeit to => Distanz


Neue EDM Technologie:Neue EDM Technologie: System System AnalyzerAnalyzerVomVom PhasenmesserPhasenmesser --> zum System > zum System AnalyzerAnalyzerMessprinzip:

1. Keine niedrige Frequenzen, sondern nur hohe Frequenzen im 100MHz-Bereich, damit umfasst jede Teilmessung Distanzinformationen mit sub-mm Auflösung.

2. Aussenden ultrakurzer Laserpulse mit < 1nsec Pulsbreite im ≥ 100MHz-Takt. Dadurch werden ebenfalls höherharmonische Signalanteile mit Frequenzen bis gegen 1000MHz simultan ausgesendet.

3. Empfangen der reflektierten Laserpulssignale mit Frequenzanteilen bis gegen 500MHz.

4. Die Anzahl der vermessenen Laserpulsfrequenzen wird nach der Stärke des Empfangssignals gesteuert. Bei starkem Empfangssignal genügen bereits 5 Frequenzen. Bei schwachem Empfangssignal umfasst das Frequenzsampling mehr als 10 Laserpulsfrequenzen.

5. Nach abgeschlossener Messung wird ein impulsartiges Zeitsignal berechnet , welches die Laufzeit (Time-of-Flight) desSystems mit hoher Genauigkeit beinhaltet. Das Time-of-Flight-Signal wird aus den Analysedaten rekonstruiert. Hier ein Beispiel:

Insgesamt werden alle gemessenen Amplituden und Timedelays bei den k Modulationsfrequenzen in diese „Cost Function“ eingesetzt. Amplituden und Timedelays (Phasen) sind die Zwischenergebnisse aus den vorangegangenen Einzelmessungen (Systemanalyse), welche bei den k Modulationsfrequenzen inklusive deren Höherharmonischen bestimmt wurden.

Das Zeitsignal (Time-of-Flight-Signal) hat ein impulsartiges Aussehen ähnlich wie bei einem Laufzeitmesser.

Timesignal t( ) function Amplitude∑ Timedelay∑,⎛⎜⎝

⎞⎠

:=

13


VomVom PhasenmesserPhasenmesser --> zum System > zum System AnalyzerAnalyzer

An illustration of the „pulsed time-of-flight signal“ for the case of a single target:The calculated time-of-flight signal looks like the figure below.The targets are easily recognized at a distance of 150.000m or at a distance of 620m, respectively.

Target at 620.000m

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500202468

10Reconstructed TOF-Signal

Distance [m]

St n

D n

Target at 150.000m

0 100 200 300 400 500 600 700202468

10Reconstructed TOF-Signal

Distance [m]

St n

D n

Einer von vielen Vorteilen:Kein zyklischerPhasenfehler.


VomVom PhasenmesserPhasenmesser --> zum System > zum System AnalyzerAnalyzer

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500202468

10Reconstructed time signal

Distance [m]

10

2−

Stn

5100 Dn

Modulation-Frequency Concept of the System Analyzer TPS1200-R300:It has more than one concept, the one for reflectorless is designed such that the time-of-flight signal is characterized by the properties shown in the figure below :

#1: Tight signal peak at the target distance and#2: No peaks within the gray shaded areas

1

22

Leistungssteigerung im Vergleich zu herkömmlichen Phasenmessern:Im Vergleich zum Phasenmesser sind mit diesem Prinzip 4..6 mal schwächere Empfangssignale noch korrekt auswertbar.

=> Auf weisse Zielobjekte beträgt die reflektorlose Reichweite 1000m.


Performance von Performance von EDMEDM--TechnologienTechnologien auf natauf natüürliche Oberflrliche Oberfläächenchen

Absolute EDM accuracy

RL-Distance

10 100 1000

high

Mekometer principle

Pulsed method withsingle-shot detection

Pulsed method with< 55MHz signal sampling

low

10000m

v.high

Phase meter

Coherent ranging, RIM andOptical FMCW

5mm

1mm

0.2mm

0.02mm

1 768

Land survey to stationary or movingtargets up to 4m/sec

RIM

atmospheric 1ppm limit(after meteo correction)

Incoh. FMCW and pulsed EDM HF-sampling

Pulsed time expansion System Analyzer

σD +-∆D/DAngabe der Messgenauigkeit:

RMS-Wert & Masstabsteilung


Fehler Abweichungen SystematikenFehler Abweichungen Systematiken


PhaseninhomogenitPhaseninhomogenitäätt und Zyklischer Phasenabweichungenund Zyklischer Phasenabweichungen

Phaseninhomogenität:Die Phasenlage des modulierten Signals ist im Querschnitt des Lichtkegels nicht konstant. Dies wird verursacht durch Inhomogenitäten in der sendenden Lumineszenzdiode und der empfangenden Avalachediode. Damit ist die gemessene Strecke davon abhängig, mit welchem Teil der Lichtkeule die Messung erfolgt, d.h. wie genau das Reflexionsprisma angezielt wird. Der dadurch auftretende Fehler hat etwa die Größenordnung von 2 mm bis 20 mm.


3. 3. Funktionsprinzip des LaufzeitmessersFunktionsprinzip des Laufzeitmessers

3.3 Räumlicher Laufzeitfehler am Beispiel eines Pulslasers

∆D = 60mm

Abhilfe: Homogenisierung der Laufzeitunterschiede mit optischen Lichtleiter:

Laufzeitunterschiede über die emittierende Fläche am Laserchip

Laufzeitunterschiede am Austrittsende eines Lichteiters-> Lichteiter wirkt als Homogenisierer der örtlichen Lauzeitunterschiede

∆D um min. 1 Grössenordnungkleiner

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PhaseninhomogenitPhaseninhomogenitäätenten

APD-Diode als Empfängersensor EDM

Streuscheibe als Lichthomogenisierer über die sensitive Fläche


Zyklische PhasenabweichungenZyklische Phasenabweichungen

Bei der Phasenmessung kann es zu einem optischen und/oder einem elektrischen "Übersprechen" zwischen Sende- und Empfangssignal im Instrument kommen. Dies verursacht eine fehler-hafte Phasenmessung, so dass das Ergebnis verfälscht wird. Die Auswirkung zeigt sich in einem von der Feinmessfrequenz (meist 10 MHz = 10 m) abhängigen, in diesem Zyklus auftretende Abweichung. Die Größenordnung liegt bei modernen Instrumenten etwa bei 1 mm bis 5 mm.


ModulationsfrequenzModulationsfrequenz

Die Modulationsfrequenz zur Erzeugung des Maßstabs λ wird von einen Quarz -Oszillator erzeugt.

Die Frequenz ist abhängig von der Temperatur und der Alterung des Quarzes. In normalen elektrooptischen Distanzmessern liegt die Genauigkeit der Frequenz bei etwa 1·10-5, womit auch die Genauigkeit der Streckenmessung charakterisiert ist.


Frequenzmesseinrichtung im Messlabor des IGPFrequenzmesseinrichtung im Messlabor des IGP

Massstab wir durch Modulationsfrequenz vorgegeben

1 Prüfling

2 Empfangsdiode

3 Elektronik


Additionskonstante bei EDMAdditionskonstante bei EDM


EndeEnde

Geodätische Messtechnik - Prof. Dr. H. Ingensand ETH...

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