CH341652A - Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung - Google Patents

Description

  
 



  Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zur geodätischen Entfernungsmessung, und zwar bezieht sie sich auf die Messung einer Strecke mit Hilfe von Licht, das an einem Ende der zu   messen    den Strecke durch ein Gerät ausgesandt und empfangen, am andern Ende der Strecke reflektiert wird.



   Da die Entfernungsmessung mit den bekannten optischen Entfernungsmessern, die auf einer Winkelmessung in Verbindung mit einer Basis bekannter Länge beruhen, nur für relativ kleine Entfernungen die erwünschte Genauigkeit liefert, sind in der Geodäsie seit langem Versuche unternommen worden, andere Verfahren für eine genaue Entfernungsmessung auch für mittlere und grössere Strecken zu entwickeln. Es ist zum Beispiel bekannt, die in der Radartechnik und der Funknavigation üblichen Verfahren auf geodätische Entfernungsmessungen anzuwenden. Die entsprechenden Geräte sind jedoch sehr umfangreich, kostspielig und zu ungenau.



   Das bekannte   Fizeausche    Verfahren zur Messung der Lichtgeschwindigkeit lässt sich ebenfalls zur Entfernungsmessung heranziehen. Wie noch erläutert werden wird, können bei der Fizeauschen Anordnung aber optische Inhomogenitäten des Mediums in der Messstrecke die Ergebnisse erheblich verfälschen.



   Es sind ausserdem Verfahren bekannt, bei denen der von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrom durch eine mit Durchbrüchen versehene, rotierende Scheibe moduliert wird und die Phase des ausgesandten modulierten Lichtes mit der Phase eines von einem Gegenstand reflektierten Teils des Lichtes verglichen und aus der Phasenverschiebung die Entfernung des reflektierenden Gegenstandes bestimmt wird. Bei den mit dieser Anordnung erreichbaren, niedrigen Modulationsfrequenzen und den Ungenauigkeiten des Phasenvergleichs reicht die Genauigkeit dieser Verfahren für geodätische Zwecke bei weitem nicht aus.



   Verwendet man anstelle der rotierenden Scheibe einen Kerrzellenverschluss, so kann man zu wesentlich höheren Modulationsfrequenzen gelangen. Durch die hierfür nötige Polarisationsoptik wird die Lichtstärke und damit die maximal zu überbrückende Entfernung gering, ausserdem sind ausgedehnte elektronische Geräte und hohe Spannungen nötig.



   Zweck der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden.



   Die erfindungsgemässe Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung mittels Lichtimpulsen, die am einen Ende der zu messenden Strecke ausgesandt und am andern Ende der Strecke reflektiert werden, unter Verwendung einer rotierenden Scheibe als periodisch arbeitender Verschluss, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe durch ein Objektiv in eine Ebene abgebildet wird, in der sich eine Blende befindet, und dass der Lichtweg zwischen Scheibe und Blendenebene vollständig im Instrument verläuft.



   Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beigefügten Zeichnungen im folgenden erläutert werden:
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Fizeauschen   Anordnung.   



   Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Entfernungsmessers gemäss der Erfindung.



   Fig. 3 zeigt eine Modifikation des Gerätes nach Fig. 2.



   Bei der in Fig. 1 dargestellten Fizeauschen Anordnung, die in ihrem Aufbau auch der in diesem Zusammenhang erwähnten, bekannten Anordnung entspricht, wird die von einer Lichtquelle 1 ausgehende Strahlung durch ein Objektiv 2 nach Umlenkung durch die Spiegelglasplatte 3 auf das Zahn  rad 4 abgebildet, das durch einen nicht gezeichneten Antrieb in rasche Umdrehung versetzt werden kann.



  Das durch eine Lücke des Zahnrades fallende Licht tritt durch das Objektiv 5 als paralleles Bündel in die zu messende Strecke 6 ein. Am Ende dieser Strecke befindet sich ein Objektiv 7, das das Strahlenbündel auf einen in seiner Brennebene liegenden Planspiegel 8 vereinigt, wo die Lichtstrahlen reflektiert werden und denselben Weg zurücklaufen. Mit dem Okular 9 wird dann vom Beobachter 10 durch die Glasplatte 3 hindurch das durch das Objektiv 5 in der Ebene des Zahnrades 4 erzeugte reelle Bild der Lichtquelle wahrgenommen. Wird das Zahnrad 4 in Rotation versetzt, so tritt bei einer bestimmten Umdrehungszahl eine Verdunkelung des Gesichtsfeldes ein, nämlich dann, wenn während der Zeit, die das Licht zum Durchlaufen des Weges 6 vom Zahnrad 4 zum Spiegel 8 und zurück benötigt, an die Stelle einer Lücke gerade ein Zahn getreten ist.

   Durch Inhomogenitäten der Atmosphäre in der Messstrecke 6 können die Lichtstrahlen jedoch so abgelenkt werden, dass das vom Objektiv 5 von den aus der Messstrecke 6 zurückkehrenden Strahlen gebildete Bild der Lichtquelle am Ort des Zahnrades verschoben wird und dadurch Helligkeit erst bei einer andern Stellung des Zahnrades eintritt. Dadurch ergibt sich eine andere Laufzeit und damit eine falsche Entfernungsmessung, die ihren Grund darin hat, dass sozusagen die ganze Messstrecke einen Teil des durch das Zahnrad und die optische Einrichtung gebildeten Verschlusses bildet.



   Ein wesentlicher Erfindungsgedanke besteht darin, den Verschluss, der die zur Messung verwendeten Lichtimpulse erzeugt, so auszubilden, dass sich alle Teile und Lichtwege, die von Einfluss sind, innerhalb des Gerätes befinden, so dass die Refraktion der Messstrecke das Ergebnis nicht mehr verfälschen kann. Auf der Messstrecke werden also nur Helligkeitswerte übertragen. Ausserdem kann die Frequenz der Lichtimpulse durch die erfindungsgemässe Anordnung erheblich, d. h. grössenordnungsmässig auf 10 MHz, gesteigert werden, ohne etwas an Lichtstärke einzubüssen. Durch die hohe Impulsfrequenz wird die erfindungsgemässe Einrichtung einerseits für genaue Messung relativ kurzer Strecken geeignet, während anderseits durch die grosse Lichtstärke auch weite Strecken gemessen werden können.



   Das in Fig. 2 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ebenfalls eine Lichtquelle 1, die vorzugsweise durch einen Kondensor 2 die rotierende Scheibe 4 beleuchtet. Als rotierende Scheibe zur Unterbrechung des Lichtstromes wird dabei vorzugsweise ein Teilkreis verwendet, wie er zur Ablesung von Winkeln bei geodätischen Instrumenten gebräuchlich ist. Die Teilung solcher Teilkreise, die durchsichtig oder auch spiegelnd ausgebildet sein kann, lässt sich sehr fein und sehr exakt herstellen, so dass bei mässigen Umdrehungsgeschwindigkeiten sehr hohe Lichtimpulsfrequenzen erzielt werden können. Wählt man zum Beispiel den Kreisdurchmesser 140 mm und den Strichabstand   10 ,    so beträgt bei einer Drehzahl von 230 pro Sekunde die Impulsfolgefrequenz rund 10 MHz.

   Die Teilung der Scheibe 4 wird durch ein weiteres Objektiv 11 in eine Ebene abgebildet, in der sich mindestens eine Blende 12 befindet. Das durch die Blende 12 fallende Licht wird dann in bekannter Weise durch das Objektiv 5 in ein Parallelbündel verwandelt, das am Ende der Messstrecke durch das Objektiv 7 gesammelt und durch den Planspiegel 8 reflektiert wird.



   Durch diese Anordnung wird erreicht, dass die Unterbrechung des Lichtes durch einen Verschluss erfolgt, der nur die Strecke zwischen der Scheibe 4 und der Blende 12 im Instrument enthält und auf dessen Arbeitsweise die atmosphärischen Verhältnisse der zu messenden Strecke keinen Einfluss haben können. Es können hohe Impulsfrequenzen erzeugt werden, die denen von Kerrzellen erzeugten vergleichbar sind, ohne dass die umfangreichen elektrischen Apparaturen der Kerrzellenanordnung nötig sind. Ausserdem ist die wirksame Ebene des Verschlusses exakt definiert, was bei einer Kerrzelle ebenfalls nicht der Fall ist.



   Das vom Spiegel 8 zurückgeworfene Licht kann durch eine ähnliche Anordnung, wie beschrieben, empfangen werden. Sie besteht aus dem Objektiv 5', der Blende 12', dem Objektiv   11' und    einem Okular 2', wobei die gleiche Scheibe 4 wie auf der Sendeseite Verwendung findet. Als Empfänger kann das Auge des Beobachters oder eine bekannte photoelektrische Einrichtung dienen.



   Die Blenden 12 und   12' können    mehrere Öffnungen enthalten, vorzugsweise werden sie als Teilungen entsprechend dem Teilkreis ausgebildet. Dadurch kann man eine erhebliche Steigerung des Lichtstromes erreichen. Ausserdem wird die natürliche Streuung der optischen Anordnung 12, 5 vergrössert. Für die Einstellung der Messeinrichtung und des Kollimators 7, 8 in die Messrichtung ist nämlich ein gewisser Streuwinkel erwünscht, der eine bequeme Einstellung ermöglicht.



   Die Messung einer Entfernung erfolgt vorzugsweise durch Änderung und Messung der Drehzahl der Scheibe, jedoch werden noch andere Möglichkeiten gezeigt werden.



   Der Antrieb der Scheibe 4 erfolgt durch einen Motor 13, der vorzugsweise als Nebenschlussmotor ausgebildet ist. Die Umdrehungsgeschwindigkeit dieser Motoren ist leicht zu regeln, und sie besitzen eine lineare Regelcharakteristik.



   Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von n (Umdrehungen/sec) und   m    Teilstrichen auf dem Umfang der Scheibe, beträgt die Impulsfrequenz   J = n m.    Daraus errechnet sich mit der Lichtgeschwindigkeit c der Impulsabstand in Richtung der Messstrecke zu   1 = cd!.    Wenn der Beobachter Dunkelheit beobachtet, ist die doppelte Entfernung E ein ungeradzahliges Vielfaches des halben Impulsabstandes.

   Die Entfernung 2E, d. h. die wahre Länge  des Lichtweges zwischen senderseitigem und empfängerseitigem Verschluss beträgt   E3    + E2, da der   sender-    seitige Verschluss in der Ebene der Blende 12, der empfängerseitige in der Ebene der Teilkreisscheibe 4 wirksam wird.   E1    und E2 unterscheiden sich um die Länge des Lichtweges e zwischen Scheibe und Blende, also die Länge eines Verschlusses. Der Nullpunkt des Gerätes liegt also e/2 vor der rotierenden Scheibe, die Entfernung wird also vom Punkt 22 an gezählt.



   Die Messung der Umdrehungsgeschwindigkeit der Scheibe 4 kann auf eine beliebige, bekannte Weise geschehen. Vorzugsweise soll jedoch direkt die Impulsfrequenz der in die Messstrecke eintretenden Lichtimpulse gemessen werden. Hierfür wird ein Teil der aus dem Objektiv 5 austretenden Strahlung über einen Spiegel 14 auf eine Photozelle 15 geleitet. Die Photozelle liefert eine der Lichtimpulsfolge entsprechende Wechselspannung, deren Frequenz mit der Einrichtung 16 gemessen wird. Die Einrichtung 16 kann einen beliebigen geeigneten Frequenzmesser enthalten, wie er in der Hochfrequenztechnik gebräuchlich ist.



   Die Regelung der Motorendrehzahl und die   Fre-    quenzmessung können vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Zu diesem Zweck wird an die Photozelle 15 anstelle des Frequenzmessers 16 eine im ganzen mit 17 bezeichnete Einrichtung angeschlossen.



  Die Einrichtung 17 besteht aus einem Verstärker 18, der den Photostrom verstärkt, einem Normaloszillator 19, der eine geeichte, verstellbare Frequenz von der Grössenordnung der Lichtimpulsfrequenz erzeugt, und einer Mischstufe 20, die vom Verstärker 18 und Oszillator 19 gespeist wird. Die Ausgangsspannung der Mischstufe, deren Frequenz die Differenz der Frequenzen des Oszillators und des Photostromes ist, wird nach Verstärkung im Regelverstärker 21 zur Regelung des Motors 13 verwendet. Die Drehzahl des Motors kann bequem durch   Anderung    der Frequenz des Oszillators variiert werden. Die Frequenz des Oszillators steht dadurch in einem festen Zusammenhang mit der Frequenz der Lichtimpulse und kann daher als Mass für die Entfernung dienen.



   Bei Beobachtung mit dem Auge kann es zweckmässig sein, im Gesichtsfeld eine leuchtende Vergleichsfläche anzubringen, deren Helligkeit einstellbar ist. Da das Auge Helligkeitsdifferenzen viel genauer unterscheiden kann als Absolutwerte, kann das Helligkeitsminimum der zurückkehrenden Lichtimpulse durch Helligkeitsvergleich viel genauer eingestellt werden. Ebenso kann es zweckmässig sein, die Umgebung des Zieles auszublenden, so dass ihre Helligkeit nicht mehr stört.



   Die Helligkeit der den zweiten Verschluss passierenden Lichtimpulse kann auch objektiv, zum Beispiel durch eine Zelle eines Differentialphotoelementes, gemessen werden, dessen andere Zelle nach entsprechenderAbschwächung von der Lichtquelle beleuchtet wird. Die zurückkehrenden Lichtimpulse können auch durch ein trägheitsloses photoelektrisches Empfangsorgan, zum Beispiel eine Photozelle, empfangen werden. Der gleichgerichtete Photostrom ist ein Mass für die Intensität der Lichtimpulse. Ebenso ist es möglich, die Phasenlage der zurückkehrenden Impulsfolge, die als Mass für die durchlaufene Entfernung dienen kann, photoelektrisch zu messen.



   Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Lichtquelle impulsmässig betrieben. Die maximal messbare Entfernung lässt sich dadurch gegenüber einer kontinuierlichen Lichtquelle erheblich vergrössern, da nur kurzzeitig arbeitende Lichtquellen mit erheblich höheren Leuchtdichten betrieben werden können. Hierfür sind zum Beispiel Funkenstrecken und Gasentladungslampen geeignet, die eine grosse Helligkeit bei kleiner mittlerer Leistung zu erzeugen in der Lage sind. Bei Verwendung von Impulslichtquellen lässt sich auch der Teilkreis besonders billig herstellen, indem nämlich nur einzelne Sektoren des Kreisumfanges eine Teilung besitzen. Dabei ist es   zweckmässig,    die Lichtquelle mit der Stellung des Teilkreises zu synchronisieren.



   Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Impulsfolgefrequenz bei gleichbleibender Drehzahl des Teilkreises dadurch geändert werden, dass man den Abbildungsmassstab der Abbildung der Kreisteilung auf die feststehende Teilung ändert. Es ist zum Beispiel damit möglich, die zurücklaufenden Impulse durch einen periodischen Verschluss zu beobachten, dessen Frequenz von der Impulsfrequenz abweicht. Es entstehen hinter dem Verschluss Schwebungen. Das Verhältnis der Impulsfrequenz zur Verschlussfrequenz kann so gewählt werden, dass die Schwebungsfrequenz wesentlich kleiner wird als die Impulsfolgefrequenz und im Niederfrequenzbereich liegt. Der Beobachter sieht periodische Helligkeitsschwankungen des Zieles und kann die Schwebungsfrequenz durch Auszählen mit einer Stoppuhr messen.

   Die Entfernung ergibt sich aus der Impulsfolgefrequenz, der Verschlussfrequenz und der Schwebungsfrequenz. Es kann auch die Entfernung durch Bestimmung der Schwebungsfrequenz gemessen werden. Durch dieses Koinzidenzverfahren wird gewissermassen die kurze Laufzeit der Impulse verlängert angezeigt.



   In Fig. 3 wird die Teilung der Scheibe 4 durch das Objektiv 11 vergrössert auf die Teilung oder Blende 12 abgebildet. Der Verschluss 4, 11, 12 soll die Impulsfolgefrequenz   fl    erzeugen. Die Impulse durchlaufen die Messstrecke und erzeugen in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg E und von der Zeit T eine Beleuchtungsstärke B. Diese ist eine periodische Funktion mit der Periodenanzahl   p=   
EMI3.1     


<tb> f <SEP> )E).EsglbtBF(j; <SEP> c])
<tb>  Der Beobachter 10 beobachtet die Impulsfolge durch den Verschluss 12', 11', 4. Dieser Verschluss arbeitet mit der Frequenz   f2    und hat die Periodenanzahl   P2 =      f2t.    Während der Koinzidenzzeit T sollen k Perioden des Verschlusses und k + 1 Perioden der Impulsfolge statt  gefunden haben.

   Es gelten die Gleichungen k =   !    T
EMI4.1     
 Scheidet man k aus den beiden Gleichungen aus, dann ergibt sich die gesuchte Entfernung zu
EMI4.2     

Die Drehzahl des Teilkreises kann auch durch eine einzige Normalfrequenz konstantgehalten, und es kann mit einem vorgegebenen festen Verhältnis   zwl-    schen Impulsfolgefrequenz und Verschlussfrequenz gearbeitet werden. Die Entfernung ist dann eine Funktion der Schwebungsfrequenz. In vielen Fällen ist es zweckmässig, die Schwebungsfrequenz sowie das Verhältnis zwischen Impulsfrequenz und Verschlussfrequenz konstant zu halten. Die Entfernung ist dann eine Funktion der Drehzahl der Scheibe bzw. der Normalfrequenz.

   Weiterhin kann die Entfernung bei gleichbleibender Schwebungsfrequenz und mit einer einzigen Normalfrequenz dadurch gemessen werden, dass der Abbildungsmassstab der Kreisteilung auf die feststehende Teilung messbar veränderlich ist.   

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung mittels Lichtimpulsen, die am einen Ende der zu messenden Strecke ausgesandt und am andern Ende der Strecke reflektiert werden, unter Verwendung einer rotierenden Scheibe als periodisch arbeitender Verschluss, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe durch ein Objektiv in eine Ebene abgebildet wird, in der sich eine Blende befindet, und dass der Lichtweg zwischen Scheibe und Blendenebene vollständig im Instrument verläuft.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das von einer Lichtquelle ausgehende Licht zuerst die rotierende Scheibe, sodann ein erstes Objektiv und anschliessend die Blende durchsetzt und schliesslich durch ein zweites Objektiv, das im Abstand seiner Brennweite hinter der Blende angeordnet ist, in die zu messende Strecke eintritt.

   2. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vom andern Ende der Strecke reflektierte Licht zuerst ein drittes Objektiv, sodann eine weitere Blende, anschliessend ein viertes Objektiv, welches seinerseits die weitere Blende auf die Scheibe (4) abbildet, und schliesslich die Scheibe selbst durchsetzt und anschliessend in eine Photozelle eintritt.

   3. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vom andern Ende der Strecke reflektierte Licht zuerst ein drittes Objektiv, sodann eine weitere Blende, anschliessend ein viertes Objektiv, welches seinerseits die weitere Blende auf die Scheibe (4) abbildet, und schliesslich die Scheibe selbst durchsetzt und anschliessend in das Auge des Beschauers eintritt.

   4. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Scheibe als Teilkreis mit transparenter Teilung ausgebildet ist.

   5. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende Scheibe als Teilkreis mit spiegelnder Teilung ausgebildet ist.

   6. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende mehrere nebeneinanderliegende Öffnungen enthält.

   7. Einrichtung nach Patentanspruch und Unteransprüchen 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende eine Teilung trägt.

   8. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle Lichtblitze aussendet.

   9. Einrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine Gasentladungslampe dient.

   10. Einrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle eine Funkenstrecke dient.

   11. Einrichtung nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilung sich nur über begrenzte Winkelbereiche der Scheibe erstreckt und die Lichtquelle im Impulsbetrieb arbeitet, wobei die Impulsfolge mit der Scheibenumdrehung synchronisiert ist.

   12. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass für den optischen Empfang eine Fläche zeitlich konstanter, aber einstellbarer Helligkeit zum Vergleich mit der Intensität des aus der Messstrecke einfallenden Lichtes vorgesehen ist.

   13. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des in die zu messende Strecke eintretenden Lichtes auf eine Photozelle fällt und eine Vorrichtung zum Messen der Frequenz des Photostromes vorhanden ist.

   14. Einrichtung nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Photozelle gelieferte Frequenz mit der Frequenz eines geeichten, verstellbaren Normaloszillators gemischt und die Differenzfrequenz zur Steuerung des Antriebes der Scheibe benutzt ist.

   15. Einrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vom andern Ende der Strecke reflektierte Licht in eine Photozelle fällt.

   16. Einrichtung nach Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Massstab der Abbildung der Scheibe auf die Blende durch das erste Objektiv verschieden ist von dem Massstab der Abbildung der Blende auf die Scheibe (4) durch das vierte Objektiv.

   17. Einrichtung nach Unteranspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungsmassstab messbar veränderlich ist.