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.
Device for measuring distances by means of modulated electromagnetic radiation
The present invention relates to a device for distance measurement that works with modulated electromagnetic radiation, in which means for comparing the phase position of a modulated, wave-like propagating radiation emitted by a transmitter with the phase position of the radiation that has traveled over the distance to be measured and received again by a receiver Radiation are provided.
In particular, such a device can be an electro-optical distance measuring device, consisting of a light transmitter, a receiver for receiving the light radiation emitted by the light transmitter and traveled over the distance to be measured, a device serving to modulate the light radiation emitted by the transmitter and an oscillator controlling the modulation a comparison device for comparing the phase of the light signal emitted by the transmitter with the phase of the signal received by the light receiver and means for measuring the frequency of the modulation of the light signal.
As is known, the measuring accuracy of such measuring devices depends not only on the sensitivity achieved when the phase positions of the two signals are compared, but also on the accuracy with which the modulation frequencies can be determined. In the known range finders, the carrier radiation used was modulated in such a way that, for example, a self-excited LC oscillator generated voltages that acted directly on the carrier radiation with the aid of a modulator (e.g. a Kerr cell). There were always difficulties in determining the frequency, since with such oscillators, which have to be variable over wide ranges, it is not possible to set the frequency with the required accuracy.
They made do by measuring the frequency of the oscillator with the help of a special frequency meter. This method is quite laborious, especially since the oscillators sometimes have to deliver considerable power and therefore have to be thermally stabilized. Errors resulted from the constant running away of the vibrations. In addition, it is also not possible to thermally stabilize the oscillator in an exact manner, since - as is known, the temperature dependency of the oscillating circuit elements can only be compensated for discrete frequencies.
In addition, in the frequency ranges used in such devices, such a compensation is only possible with a significant loss of resonant circuit devices and thus with increased power loss, which in turn has increased thermal effects.
In order to avoid these difficulties, according to the present invention, a device for distance measurement by means of modulated electromagnetic radiation is proposed, consisting of a transmitter for emitting this radiation, a receiver for receiving these rays over the distance to be measured, a comparison device for comparing the Phase position of the emitted modulated radiation with the phase position of the re-received radiation, an oscillator controlling the modulation of the radiation and means for measuring the control oscillator frequency, characterized in that a frequency analyzer having a normal frequency generator is provided as the frequency measuring device, which at the same time controls the modulation frequency of the emitted by the transmitter Radiation is used.
The invention is based on the assumption that a frequency meter that works with the required high accuracy is necessary for the measurement process. When using a so-called active frequency meter, i. H. one that generates its own measurement frequency has a stable frequency in the required range that can be used directly to modulate the radiation.
If you do without an LC oscillator designed for the required voltages and use the frequency meter, which is necessary anyway to control the frequency of the oscillator, whose output voltage can be used to modulate the radiation emitted by the transmitter, you can avoid the need for the Having to measure the frequency of an LC oscillator separately and avoids those errors that occur due to the constant running away of the measuring frequency during the measuring process.
For the practical training of devices according to the invention, it is possible to use oscillators that allow any frequencies in the range of z. B. 3 to 20 MHz with the utmost precision. With precise electro-optical rangefinder z. B. demands that the measuring frequency can be determined exactly to 10-6. With the frequency meters previously used, such a frequency determination was not possible in a satisfactory manner. In the case of a device designed according to the proposed invention, however, it is now possible to meet the requirements placed on the measurement frequency in a simple manner. Frequency analyzers which allow each frequency to be set in the frequency range required by the device with an accuracy and constancy of 1. 10-7 are known per se.
In the device designed according to the proposed invention, the control oscillator works in conjunction with a frequency analyzer. It can with the control frequency emitted by the oscillator and a standard frequency present in the frequency analyzer, z. B. in the form of a so-called line spectrum, difference frequencies can be formed with the aid of mixer stages.
Such a frequency analyzer contains a normal frequency generator which supplies a normal frequency from which powerful harmonics can first of all be generated in the analyzer with the aid of suitable means (e.g. by means of distortion). The fundamental frequency and its harmonics can then be separated using suitable filters. The control oscillator frequency can now be compared with these individual components, e.g. B. by differential frequency formation in a mixer and a downstream filter of suitable bandwidth. It is therefore possible to determine the harmonic which forms a difference with the control oscillator frequency which falls within the pass band of the filter.
With a suitable design of the normal frequency and the selection of the bandwidth of the filter, the first size arrangement of the control oscillator frequency can be determined (e.g. 600 kHz). The intermediate frequency that passes the filter can be in the same way with a z. B. a power of ten lower than the normal frequency lying frequency, which is derived from the normal frequency, z. B. obtained by division, can be compared so that the next digit of the control oscillator frequency is known (z. B. 680 kHz). The process can be continued so that the control oscillator frequency can be broken down and analyzed in a sequence of mixer stages.
In this way, given a suitable design of the analyzer, the oscillator frequency can be specified in a manner which only depends on the precision of the standard frequency generator.
In the device according to the invention, an automatic frequency control can be provided so that, if the frequency analyzer is set to a certain frequency, the precision of which only depends on the normal frequency, the control oscillator frequency is then linked to the frequency set on the analyzer, i.e. . H. the control device adjusts the control oscillator frequency to the frequency specified by the standard frequency and by the analyzer. Such Regelein directions are known and allow the entire device to be set up so that the frequency, once set, can be maintained for almost any length of time. The modulation frequency can thus be completely identical to the frequency set on the frequency analyzer.
In addition, there is the advantage of the significantly greater sensitivity, which is based on the fact that the phase indication can be carried out more precisely due to the possibility of fine adjustment of the oscillator frequency.
It is obvious that when using the arrangement outlined above with an electro-optical range finder, any separate frequency measurement can be dispensed with. Measurement errors that result from the somewhat cumbersome method of separate frequency measurement can thus also be eliminated. At the same time, the uncertainty of the comparison criterion (e.g. determining the beat frequency zero, which is also very difficult at high frequencies) can be avoided with this arrangement. The measuring process can be made simpler by using such a device.
The accompanying drawing shows a special exemplary embodiment of a part of an electro-optical distance measuring device affected by the invention, only taking into account its basic mode of operation with the aid of a block diagram.
In FIG. 1, 1 designates a light source, 2 an associated modulator which modulates the luminous flux of the light source 1 in the required manner.
As in the present exemplary embodiment, it can be thought that it is a matter of pure amplitude modulation of the luminous flux. The amplitude-modulated signal runs over the distance E to be measured, is at the end of the distance on a reflector 3, z. B. a plane mirror, is reflected and is received by a receiver 4 after passing through the measuring section E again. For the sake of simplicity, the light beam reflected at 3 is drawn behind the reflector. The distance E traversed by the amplitude-modulated signal is derived in such devices from the phase difference between the emitted signal and the signal received again by means of the receiver 4.
The phase differences between the two signals are measured in the comparison device 5, the comparison signal being taken from the control oscillator 6, which at the same time supplies the voltages required to modulate the light signal in the modulation device 2. In previous arrangements of this type, it was common to use the frequencies supplied by the control oscillator 6 with the frequencies that were taken from a normal frequency generator, for. B. by superimposition, since it - as noted at the beginning - is not possible to stabilize the oscillations of the oscillator 6 so far or to adjust directly that special measures to control these oscillations are unnecessary.
Such a procedure is unnecessary if a control oscillator controlled by a frequency analyzer, which is shown as an exemplary embodiment in FIG. 2, is used. 11 denotes the control oscillator with frequency analyzer in FIG. 2, 10 ″ denoting the normal frequency generator required for the frequency analyzer 11 ′ and 11 ″ denoting the actual control oscillator.
12 denotes an amplifier adapted to requirements and 13 the modulation device which acts on the radiation to be modulated (for example a Kerr cell and which is identical to the modulation device 2 in FIG. 1. From the control oscillator 11 '' 'runs via path a the oscillation to be analyzed, via path b, that control pulse is fed from the analyzer 11 'to the control oscillator 11 "' which tracks the frequency of the control oscillator 11" 'to the frequency set on the frequency analyzer.
It goes without saying that the invention is not only applicable to electro-optical distance measuring devices and that its implementation is not tied to special designs of the analyzer, so that any frequency analyzer with a normal frequency generator, regardless of the design, can be used to implement the concept of the invention.