Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels modulierter elektromagnetischer Strahlung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine mit modulierter elektromagnetischer Strahlung arbeitende Einrichtung zur Enffernungsmessung, bei der Mittel zum Vergleich der Phasenlage einer von einem Sender emittierten, modulierten, sich wellenförmig ausbreitenden Strahlung mit der Phasenlage der über die auszumessende Strecke gelaufenen und' von einem Empfänger wieder empfangenen Strahlung vorgesehen sind.
Im besonderen kann eine solche Einrichtung eine elektro-optische Entfernungsmesseinrichtung sein, bestehend aus einem Lichtsender, einem Empfänger zum Empfang der vom Lichtsender emittierten und über die auszumessende Strecke gelaufenen Lichtstrahlung, einer zur Modulation der vom Sender emittierten Lichtstrahlung dienenden Vorrichtung und einem die Modulation steuernden Oszillator, einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleich der Phase des vom Sender emittierten Lichtsignals mit der Phase des vom Lichtempfänger empfangenen Signals und Mitteln zur Messung der Frequenz der Modulation des Lichtsignals.
Die Messgenauigkeit derartiger Messgeräte hängt bekanntlich ausser von der beim Vergleich der Phasenlagen beider Signale erreichten Empfindlichkeit auch von der Genauigkeit ab, mit der die Modulationsfrequenzen bestimmt werden können. Bei den bekannten Entfernungsmessern wurde die Modulation der verwendeten Trägerstrahlung in der Weise vorgenom men, dass beispielsweise von einem seibsterregten LC-Oszillator Spannungen erzeugt wurden, die direkt auf die Trägerstrahlung mit Hilfe eines Modulators (z. B. einer Kerrzelle) einwirkten. Es ergaben sichhierbei immer Schwierigkeiten bei der Frequenzbestimmung, da bei derartigen Oszillatoren, die in weiten Bereichen variabel sein müssen, es nicht möglich ist, die Frequenz mit der erfordrlichen Genauigkeit einzustellen.
Man behalf sich, indem man die Frequenz des Oszillators mit Hilfe eines besonderen Frequenzmessers ausmass. Dieses Verfahren ist recht um ständlich, zumal die Oszillatoren eine mitunter beträchtliche Leistung abgeben müssen und deshalb thermisch stabilisiert werden müssen. Es ergaben sich hierbei Fehler, die aus dem ständigen Weglaufen der Schwingungen resultieren. Darüber hinaus ist es auch nicht möglich, den Oszillator thermisch in exakter Weise zu stabilisieren, da - wie bekannt die Temperaturabhängigkeit der Schwingkreiselemente auch nur für diskrete Frequenzen kompensiert werden kann.
Zudem ist eine solche Kompensation bei den in derartigen Geräten benutzten Frequenzbereichen nur unter wesentlichem Verlust an Schwingkreisgäte und damit bei erhöhter Verlustleistung möglich, die wiederum erhöhte thermische Auswirkungen nach sich zieht.
Um diesen Schwierigkeiten aus dem Wege zu gehen, wird gemäss der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels modulierter elektromagnetischer Strahlung vorgeschlagen, bestehend aus einem Sender zur Emission dieser Strahlung, einem Empfänger zum Empfang dieser über die auszumessende Strecke gelaufenen Strahlen, einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleich der Phasenlage der emittierten modulierten Strahlung mit der Phasenlage der wiederempfangenen Strahlung, einem die Modulation der Strahlung steuernden Oszillator und Mitteln zur Messung der Steueroszillatorfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass als Frequenzmessvorrichtung ein einen Normalfrequenzgenerator aufweisendes Frequenzanalysiergerät vorgesehen ist, das gleichzeitig zur Steuerung der Modulationsfrequenz der vom Sender emittierten Strahlung dient.
Die Erfindung basiert auf der Annahme, dass für den Messvorgang ohnehin ein Frequenzmesser not wendig ist, der mit der erforderlich hohen Genauigkeit arbeitet. Bei der Verwendung eines sogenannten aktiven Frequenzmessers, d. h. eines solchen, der eine eigene Messfrequenz erzeugt, ist ohnehin eine stabile Frequenz in dem geforderten Bereich vorhanden, die direkt zur Modulation der Strahlung ausgenutzt werden kann.
Verzichtet man also auf einen für die erfordèrlichen Spannungen ausgelegten LC Oszillator und benutzt den ohnehin notwendigen Frequenzmesser zur Steuerung der Frequenz des Oszillators, dessen Ausgangsspannung zur Modulation der vom Sender emittierten Strahlung benutzt werden kann, so umgeht man bei geeigneter Ausbildung der Einrichtung die Notwendigkeit, die Frequenz eines LC-Oszillators gesondert ausmessen zu müssen und vermeidet jene Fehler, die durch das ständige Weglaufen der Messfrequenz beim Messvorgang auftreten.
Für die praktische Ausbildung von Einrichtungen nach der Erfindung ist es möglich, Oszillatoren zu benutzen, die es gestatten, beliebige Frequenzen im Bereich von z. B. 3 bis 20 MHz mit äusserster Präzision einzustellen. Bei präzisen elektro-optischen Entfernungsmessern wird z. B. verlangt, dass die Messfrequenz auf 10-6 exakt bestimmbar ist. Mit den bisher verwendeten Frequenzmessern war eine derartige Frequenzbestimmung nicht in befriedigender Weise möglich. Bei einer nach dem Erfindungsvorschlag ausgebildeten Einrichtung ist es nun jedoch möglich, die Anforderungen, die an die Messfrequenz gestellt werden, in einfacher Weise zu erfüllen. Frequenzanalysiergeräte, die es gestatten, mit einer Genauigkeit und Konstanz von 1. 10-7 jede Frequenz in dem bei der Einrichtung erforderlichen Frequenzbereich einzustellen, sind an sich bekannt.
Bei der nach dem Erfindungsvorschlag ausgebildeten Einrichtung arbeitet der Steueroszillator in Verbindung mit einem Frequenzanalysiergerät. Es können dabei mit der vom Oszillator abgegebenen Steuerfrequenz und einer im Frequenzanalysiergerät vorhandenen Normalfrequenz, z. B. in Form eines sogenannten Linienspektrums, Differenzfrequenzen unter Zuhilfenahme von Mischstufen gebildet werden.
Ein derartiges Frequenzanalysiergerät enthält einen Normalfrequenzgenerator, welcher eine Normalfrequenz liefert von der im Analysiergerät mit Hilfe geeigneter Mittel zunächst einmal (z. B. durch Verzerrung) kräftige Oberwellen erzeugt werden können. Die Grundfrequenz und ihre Harmonischen können dann mit Hilfe geeigneter Filter getrennt werden. Mit diesen einzelnen Bestandteilen lässt sich jetzt die Steueroszillatorfrequenz vergleichen, z. B. durch Differenzfrequenzbildung in einer Mischstufe und einem nachgeschalteten Filter geeigneter Bandbreite. Es ist also möglich, die Oberwelle festzustellen, die mit der Steueroszillatorfrequenz eine Differenz bildet, die in den Durchlassbereich des Filters fällt.
So kann bei geeigneter Ausbildung der Normalfrequenz und der Wahl der Bandbreite des Filters die erste Grössenanordnung der Steueroszillatorfrequenz festgestellt werden (z. B. 600 kHz). Die Zwischenfrequenz, die das Filter passiert, kann in gleicher Weise mit einer z. B. eine Zehnerpotenz niedriger als die Normalfrequenz liegenden Frequenz, die aus der Normalfrequenz, z. B. durch Teilung gewonnen wird, verglichen werden, so dass die nächste Stelle der Steueroszillatorfrequenz bekannt ist (z. B. 680 kHz). Das Verfahren lässt sich fortsetzen, so dass man auf diese Weise die Steueroszillatorfrequenz in einer Folge von Mischstufen abbauen und analysieren kann.
Man kann auf diese Weise bei geeigneter Ausbildung des Analysiergerätes die Oszillatorfrequenz in einer Weise, die nur von der Präzision des Normalfrequenzgenerators abhängt, angeben.
In der Erfindungsgemässen Einrichtung kann eine automatische Frequenzregelung vorgesehen sein, derart, dass, falls das Frequenzanalysiergerät einmal auf eine bestimmte Frequenz, deren Präzision nur von der der Normalfrequenz abhängt, eingestellt ist, dass dann die Steueroszillatorfrequenz an die am Analysiergerät eingestellte Frequenz angebunden ist, d. h. die Regeleinrichtung führt die Steueroszillatorfrequenz der durch die Normalfrequenz und durch das AnalJ,-sier- gerät vorgegebenen Frequenz nach. Derartige Regelein richtungen sind bekannt und gestatten es, die gesamte Einrichtung so aufzubauen, dass die einmal eingestellte Frequenz über beinahe beliebig lange Zeiten gehalten werden kann. Die Modulationsfrequenz kann somit vollkommen identisch mit der am Frequenzanalysiergerät eingestellten Frequenz sein.
Darüber hinaus ergibt sich der Vorteil der wesentlich grösseren Empfindlichkeit, der darauf basiert, dass die Phasenindikation infolge der Möglichkeit der Feinregulierung der Oszillatorfrequenz genauer vorgenommen werden kann.
Es ist offensichtlich, dass bei Verwendung der oben skizzierten Anordnung bei einem elektro-optischen Entfernungsmesser jegliche gesonderte Frequenzmessung entfallen kann. Es können somit auch Messfehler eliminiert werden, die aus dem etwas umständlichen Verfahren der gesonderten Frequenzmessung resultieren. Gleichzeitig kann dabei die Unsicherheit des Vergleichskriteriums (z. B. Feststellung der Schwebungsfrequenz Null, die zudem noch bei hohen Frequenzen sehr schwierig ist), bei dieser Anordnung vermieden werden. Der Messvorgang kann durch Verwendung einer derartigen Einrichtung einfacher gestaltet werden.
In der beiliegenden Zeichnung ist ein spezielles Ausführungsbeispiel eines von der Erfindung betroffenen Teiles einer elektro-optischen Entfernungsmesseinrichtung wiedergegeben, wobei nur ihre grundsätzliche Wirkungsweise anhand eines Blockdiagramms berücksichtigt ist.
In der Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, 2 einen dazugehörigen Modulator, der den Lichtstrom der Lichtquelle 1 in der erforderlichen Weise moduliert.
Es kann wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel daran gedacht werden, dass es sich um eine reine Amplitudenmodulation des Lichtstromes handelt. Das amplitudenmodulierte Signal läuft über die auszumessende Strecke E, wird am Ende der Strecke an einem Reflektor 3, z. B. einem Planspiegel, reflektiert und wird nach abermaligem Durchlaufen der Messstrecke E von einem Empfänger 4 empfangen. Der Einfachheit wegen ist der an 3 reflektierte Lichtstrahl hinter dem Reflektor weitergezeichnet. Die vom amplitudenmodulierten Signal durchlaufene Strecke E geht bei derartigen Einrichtungen aus der Phasendifferenz des emittierten und des mittels des Empfängers 4 wieder empfangenen Signals hervor.
Die Phasendifferenzen beider Signale werden in der Vergleichseinrichtung 5 gemessen, wobei das Vergleichssignal dem Steueroszillator 6 entnommen wird, der gleichzeitig die zur Modulation des Lichtsignals in der Modulationseinrichtung 2 benötigten Spannungen liefert. Bei den bisherigen Anordnungen dieser Art war es üblich, die vom Steueroszillator 6 gelieferten Frequenzen mit den Frequenzen, die einem Normal frequenzgenerator entnommen wurden, z. B. durch Überlagerung, zu vergleichen, da es - wie eingangs bemerkt - nicht möglich ist, die Schwingungen des Oszillators 6 so weit zu stabilisieren bzw. direkt einzustellen, dass sich besondere Massnahmen zur Kontrolle dieser Schwingungen erübrigen.
Ein solches Vorgehen wird bei Benutzung eines von einem Frequenzanalysiergerät gesteuerten Steueroszillators, der als Ausführungsbeispiel in der Fig. 2 dargestellt ist, entbehrlich. 11 bezeichnet in der Fig. 2 den Steueroszillator mit Frequenzanalysiergerät, wobei 10" den für das Frequenzanalysiergerät 11' not- wendigen Normalfrequenzgenerator kennzeichnet und mit 11"' der eigentliche Steueroszillator bezeichnet ist.
12 bezeichnet einen den Bedürfnissen angepassten Verstärker und 13 die Modulationseinrichtung, die auf die zu modulierende Strahlung einwirkt (z. B. eine Kerrzelle, und die mit der Modulationseinrichtung 2 der Fig. 1 identisch ist. Vom Steueroszillator 11"' läuft über den Weg a die zu analysierende Schwingung, über den Weg b wird vom Analysiergerät 11' dem Steueroszillator 11"' derjenige Regelimpuls zugeführt, der die Frequenz des Steueroszillators 11"' der am Frequenzanalysiergerät eingestellten Frequenz nachführt.
Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht nur auf elektro-optische Entfernungsmessgeräte anwendbar ist und dass ihre Ausführung nicht an spe- zielle Ausbildungen des Analysiergerätes gebunden ist, so dass also jedes Frequenzanalysiergerät mit Normalfrequenzgenerator gleich welcher Ausbildung zur Ausführung des Erfindungsgedankens verwendbar ist.