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Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfemungsmessung mit einem Sender zum Aussenden von moduliertem Licht und einem Empfänger zum Empfang des Lichts nach erfolgter Reflexion an einem am fernen Ende der Messstrecke liegenden Gegenstand, mit einer Anordnung zur Phasenanzeige zwischen der Modulation des ausgesendeten und der Modulation des empfangenen Lichts sowie mit einer in ihrer Länge veränderbaren Lichtschleife in der Messstrecke.
Die bekannten Entfernungsmessverfahren beruhen auf der Messung der Signallaufzeit At über die doppelte Wegstrecke. Die Berechnung der Wegstrecke D erfolgt mit Hilfe der Zeit-Weg-Gleichung 2D = c'At. Dabei wird die genaue Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Trägerwelle im Medium bzw. in der Atmosphäre vorausgesetzt. Die Errechnung der tatsächlichen Ausbreitungsgeschwin-
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chung (1) geht über in :
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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwellen in der Atmosphäre ist frequenzabhängig (Dispersions- effekt) ; ausserdem ist die verwendete Welle keine mathematische Einzelschwingung, sondern besteht immer aus einem Frequenzband. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist daher immer gleich der Gruppengeschwindigkeit einer derartigen Frequenzgruppe.
Für die Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit c Gr ist die Kenntnis des Gruppenbrechungsindex nGr notwendig. Die Gleichung (2) geht damit über in :
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Für die Berechnung des Gruppenbrechungsindex nGr für Nonnalverhältnisse bei Verwendung von Lichtwellen gilt die Formel von Edlin :
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Für die Reduktion der Normalverhältnisse auf die herrschenden atmosphärischen Verhältnisse gilt :
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Dabei bedeuten :
n = Brechungsindex bei wirklichen Verhältnissen, t=Lufttemperaturin C, p=Luft- druck in mm Hg, α= Ausdehnungskoeffizient der Gase = 0, 003661 und e = Partialdruck des Wasserdampfes in mm Hg.
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rungen in der gleichen Grössenordnung liegen, während der Einfluss der Luftfeuchtigkeit bedeutend kleiner ist.
In bekannten Entfernungsmessgeräten auf elektro-optischer Grundlage wurde dieser Tatsache Rechnung getragen, indem die zur Modulation der Lichtwelle (effektive Messwelle) benötigte elektrische Schwingfrequenz durch einen mit trockener Luft gefüllten Hohlraumresonator kontrolliert wird, wobei sich der Druck und die Temperatur den Umwelteinflüssen anpassen kann.
Wie weiter oben zu Formel (3) gesagt wurde, ist die Gruppengeschwindigkeit für den tatsächlichen Brechungsindex massgebend und nicht die Geschwindigkeit der einzelnen Komponenten.
Zum Vergleich wird nachfolgend die Berechnung für die Modulationsfrequenz selbst, vorzugsweise im Mikrowellengebiet, unter Verwendung der Formel nach Essen und Froome angegeben :
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T ist dabei die absolute Temperatur in OK, p und e sind in mm einzusetzen. Für die gleichen Ändemngen in Temperatur, Druck und Feuchtigkeit ergeben sich :
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Im Vergleich mit den Werten für Lichtwellen ist ersichtlich, dass die Werte in Abhängigkeit der Temperatur und des Drucks in der gleichen Grössenordnung liegen, bei Mikrowellen überwiegt jedoch der Einfluss der Luftfeuchtigkeit.
In der früher vorgeschlagenen Lösung wird die Wellenlänge der Modulationswelle den meteorologischen Verhältnissen angepasst. Für die Entfernungsmessung wird selbst diese Modulationswelle auf eine Trägerwelle moduliert, wodurch sie entsprechend der Gruppengeschwindigkeit beeinflusst wird. Ist diese Trägerwelle eine Lichtwelle, so ist deren Gruppengeschwindigkeit gemäss Formel (4) beeinflusst, während die Geschwindigkeit der Modulationswelle gemäss Formel (6) korrigiert wurde. Die Modulation erfährt damit eine Beeinflussung von der gleichen Grössenordnung wie im vorgesehenen Resonator. Um diese Einflüsse zu beseitigen, muss eine exakte Bestimmung der Frequenzen durchgeführt und die meteorologischen Einflüsse nachträglich ausgemerzt werden.
Der Zweck der Erfindung liegt in der Schaffung einer eingangs beschriebenen Einrichtung zur Entfernungsmessung, bei der alle meteorologischen Einflüsse direkt kompensierbar sind und eine genaue
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Kenntnis der Frequenzen nicht notwendig ist. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine an Stelle des Messpfades einschaltbare, in der Umgebungsluft liegende Lichtschleife mit fester Länge angebracht ist und dass ein Oszillator mit veränderbarer Frequenz zur Abgleichung der Wellenlänge der Modulation auf die Länge der Lichtschleife vorgesehen ist.
An Hand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der Zeichnung ist eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessungschematisch dargestellt.
Der Senderbesteht aus einer Lichtquelle --1--, einem Modulator --2-- und einem Oszillator --3--, dessen Schwingfrequenz einstellbar ist. Der Empfänger besteht seinerseits aus einem Demodulator --7- und einem Phasenindikator -8--.
Der Sender und der Empfängereingang ist je mit einer Strahlaufspalteinrichtung-4 bzw. 6- versehen, wodurch wahlweise die Strahlen-A und C bzw. C und D- ausgesendet und entsprechend die Strahlen-B und C bzw. C und D empfangen werden.
Am fernen Ende der Entfernung ist ein reflektierender Gegenstand --5--, beispielsweise ein Spiegel, aufgestellt. Zur Messung des Phasenwinkels zwischen dem ausgesendeten Strahl-C-und dem empfangenen Strahl-B-ist eine verstellbare Lichtschleife --10- mit einer Vorrichtung -11-- zur Bestimmung der Verstellung vorgesehen.
Der Strahl --D-- ist über eine zweite Lichtschleife --9-- geleitet. Diese letztere Lichtschleife ist mit fester Schleifenlänge gebaut und liegt in der Umgebungsluft.
Die Messung der Entfernung zwischen dem Sender und dem reflektierenden Gegenstand-6geschieht nach bekannter Weise, indem einLichtstrahlaus der Lichtquelle-1-im Modulator-2-mit einer Schwingung aus dem Oszillator-3-moduliert und als Strahl-A-- ausgestrahlt wird. Dieser
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durch die entstehende Interferenz im Phasenindikator-8-- ein von der gegenseitigen Phasenlage der Strahlen-B und C-abhängiges SignaL Durch Verändern der verstellbaren Lichtschleife -10-- än- dert sich das Signal im Phasenindikator-8-.
Wird nun vorgängig der Messung eine Kalibriermessung mit der bekannten Distanz (vorzugsweise der Distanz 0) ausgeführt, so ist die Verstellung der verstellbaren Lichtschleife -10-- ein Mass für die gemessene Entfernung. Mit einer Vorrichtung --11-, die zur Hauptsache aus Zeigern und Skalen besteht, kann die Verstellung erfasst werden.
DieseDistanz ist durch die meteorologischen Verhältnisse verfälscht und muss durch Korrekturen gemäss den in der Einleitung angegebenen Formeln verbessert werden.
Mit der erfindungsgemässen Einrichtung kann eine Kalibrierung mit einer festgelegten Distanz vorgenommen werden. Indem die Strahlaufspaltungen --4 und 6-- derart gestellt sind, dass die Strahlen - C und D-- auf den Demodulator-7-gelangen, entsteht eine Interferenz, die am Phasenindikator - ein Signal bewirkt.
Wird anschliessend die Schwingfrequenz des Oszillators -3-- geändert, bis beispielsweise die Interferenz das Signal Null ergibt, so ist die Wellenlänge der Modulation, bezogen auf die Gruppengeschwindigkeit des modulierten Lichtstrahles, auf die Länge der festen Lichtschleife - abgestimmt Selbstverständlich muss dabei der Weg des Strahles-C-zwischen den zwei Strahlaufspaltungen --4 und 6-berücksichtigt werden, indem beispielsweise diese Strecke in der verstellbaren Lichtschleife berücksichtigt ist
Wird die Entfernung anschliessend an eine derartige Kalibrierung gemessen, so ist praktisch als Massstab nicht die Frequenz der Modulation als solche massgebend, sondern die Länge der festen Lichtschleife.
Dies ist so zu verstehen, dass die Länge der Lichtschleife beispielsweise derart gewählt werden kann, dass sie gerade einer Einheit in einem Masssystem entspricht. Damit wird die Entfernung als Anzahl Längen dieser festen Lichtschleife gemessen.