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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Entfernungsmessung mit einem Sender zum Aussenden elektromagnetischer Strahlung und einem Empfänger zum Empfang der elektromagnetischen Strahlung sowie mit einer Anordnung zur Phasenmessung zwischen der Modulation zweier elektromagnetischen Wellen als Bestandteil der elektromagnetischen Strahlung.
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Bekannte Entfernungsmessverfahren beruhen auf einer Messung einer Signallaufzeit über einen doppelten Durchlauf einer Messstrecke. Die Messstrecke umfasst eine Entfernung zwischen einem Entfernungsmessgerät, welches gleichzeitig als Sender und Detektor ausgestaltet ist, sowie einem Reflektor, welche die vom Messgerät eintreffende Strahlung in Richtung des Messgeräts reflektiert. Eine Reflexion kann dabei auch diffus erfolgen, das heißt auch nicht gänzlich absorbierende Oberflächen können als Reflektoren dienen.
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Eine Berechnung der Entfernung erfolgt mit Hilfe einer Zeit-Weg-Gleichung, bei der die Signallaufzeit mit einer Signalgeschwindigkeit multipliziert wird, um so ein Maß für die doppelte Messstrecke zu erhalten.
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Üblicherweise wird dabei eine genaue Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Trägerwelle in einem Medium bzw. in der Atmosphäre vorausgesetzt. Eine Berechnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit umfasst eine Ermittlung eines Brechungsindex im Medium oder in der Atmosphäre. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ergibt sich dann als Quotient zwischen der Vakuumlichtgeschwindigkeit und dem Brechungsindex.
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Die vorbeschriebene Entfernungsmessung stößt dann auf Probleme, wenn die Messstrecke in einem Medium verläuft, welches eine starke Dämpfung auf die für die Messung verwendete elektromagnetische Strahlung ausübt. Die Dämpfung des Mediums auf die zur Messung verwendete elektromagnetische Strahlung wird insbesondere dadurch gravierend, da der zur Messung verwendete elektromagnetische Strahl einen Abstand zwischen dem Entfernungsmessgerät und dem Zielobjekt zweimal durchlaufen muss.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zur Entfernungsmessung anzugeben, welche eine Alternative zu dem bekannten Entfernungsmessverfahren liefert, die die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme vermeidet.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine Einrichtung zur Entfernungsmessung, umfassend einen Sender, einem am Ziel angeordneten Empfänger und einer Berechnungseinrichtung vorgesehen.
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Der Sender ist zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung im Wesentlichen entlang einer Messstrecke und im Wesentlichen in Richtung eines zu messenden Ziels eingerichtet. Die elektromagnetische Strahlung besteht dabei aus einer modulierten ersten elektromagnetischen Welle und mindestens einer weiteren ebenfalls modulierten zweiten elektromagnetischen Welle. Die mindestens zweite elektromagnetische Welle weist eine Wellenlänge auf, welche sich von der ersten elektromagnetischen Welle unterscheidet. Für den Fall einer Verwendung von drei oder mehreren elektromagnetischen Wellen unterscheiden sich die zugehörigen Wellenlängen jeweils voneinander.
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Die Erfindung umfasst weiterhin einen am Ziel angeordneten Empfänger zur Ermittlung einer Phasendifferenz zwischen der ersten und der mindestens zweiten elektromagnetischen Welle. Die ermittelte Phasendifferenz wird an eine Berechnungseinrichtung übergeben, in welcher in Kenntnis eines dispersiven Brechungsindizes entlang der Messstrecke eine Bestimmung der Entfernung zwischen Sender und Ziel auf Basis der ermittelten Phasendifferenz vornimmt. Der dispersive Brechungsindex ist als Differenz der Brechzahl für die ersten elektromagnetischen Welle und der Brechzahl für die zweite elektromagnetische Welle definiert.
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Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass statt eines Signal-Rücklaufs der zur Entfernungsmessung verwendeten elektromagnetischen Strahlung eine Bestimmung der Entfernung unter Verwendung lediglich eines Signallaufs auf der einfachen Wegstrecke ermöglicht wird. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei einer Entfernungsmessung entlang einer Messstrecke zum Tragen, welche ein Medium mit einer starken Dämpfung durchquert. Derartige Medien sind beispielsweise Flüssigkeiten mit einem hohen Anteil an gelösten Feststoffen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein Ausführungsbeispiel mit weiteren Vorteilen und Ausgestaltungen der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine Prinzipdarstellung einer Entfernungsmessung entlang einer Messstrecke.
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Die FIG zeigt einen Sender S der zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung SG eingerichtet ist. Die Strahlung SG ist entlang einer Messstrecke in Richtung eines Ziels gerichtet. Am Ziel ist ein Empfänger R vorgesehen. Die elektromagnetische Strahlung SG durchläuft ein Medium M, dessen physikalische Eigenschaften Einfluss auf die Ausbreitung der elektromagnetische Strahlung SG nehmen.
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Zur Messung des Abstands zwischen dem Sender S und dem Empfänger R ist lediglich ein Durchlauf der elektromagnetischen Strahlung durch das Medium M notwendig, sodass ein nachteiliger Rücklauf der Strahlung nicht notwendig ist.
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Die Messung des Abstands zwischen dem Sender S und dem Empfänger R umfasst, wie unten ausführlicher erläutert, eine Ermittlung einer Phasendifferenz, aus der eine – nicht dargestellte – Berechnungseinrichtung die Entfernung zwischen dem Sender S und dem Empfänger R auf Basis der ermittelten Phasendifferenz und eines dispersiven Brechnungsindizes des Mediums M entlang der Messstrecke bestimmt.
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Die elektromagnetische Strahlung SG besteht aus einer intensitätsmodulierten ersten elektromagnetischen Welle bzw. Trägerwelle und mindestens einer intensitätsmodulierten zweiten elektromagnetischen Welle bzw. Trägerwelle mit einer von der ersten elektromagnetischen Welle unterschiedlicher Wellenlänge. Im Folgenden wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit von einer ersten und einer zweiten elektromagnetischen Welle ausgegangen.
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Die jeweiligen Trägerwellen weisen eine Wellenlänge, die vorzugsweise im optischen Bereich liegt. Als optischer Bereich gilt sowohl der für das menschliche Auge sichtbare Bereich, welcher sich über einen Wellenlängenbereich von ca. 400 nm (Nanometer) bis ca. 700 nm erstreckt, als auch der für das menschliche Auge unsichtbare Bereich, welcher im Infrarotbereich beginnt und darüber hinausgeht bzw., am anderen Ende des Spektrums, im Ultraviolettbereich beginnt und darüber hinausgeht.
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Vorzugsweise wird die Strahlung SG von mindestens einer Leuchtdiode erzeugt. Alternativ wird die Strahlung SG von einem Halbleiterlaser erzeugt.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind auch andere Wellenlängen im elektromagnetischen Wellenspektrum für die Trägerwelle einstellbar. Die Einstellung der Wellenlänge der Trägerwelle richtet sich insbesondere, wie unten näher erläutert, nach der zu erwartenden Länge des zu messenden Abstands sowie nach der Art des Mediums zwischen dem Sender S und dem Empfänger R.
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Die Wellenlänge einer elektromagnetischen Welle im Vakuum bestimmt sich aus der Frequenz der Welle über den Zusammenhang: λ = c / f wobei c die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist.
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Für eine elektromagnetische Welle in einem Medium mit der Brechzahl n gilt der Zusammenhang λ = c / nf
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Unter Dispersion versteht man die Abhängigkeit einer Größe von der Wellenlänge. Im Folgenden wird eine dispersive Abhängigkeit der Brechzahl n von der Wellenlänge λ in Medien betrachtet. n = f(λ)
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Es werden nun zwei Trägerwellen, beispielsweise Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ1 und λ2 als Trägerwelle eingesetzt.
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Im Folgenden wird ein dispersiver Brechungsindex Δn entlang der Messstrecke betrachtet, der sich Differenz der Brechzahl n(λ1) und n(λ2) definiert wird: Δn = n(λ1) – n(λ2)
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden beide Trägerwellen werden mit einer Frequenz fM bzw. Modulationsfrequenz moduliert.
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Die Modulation wird dabei vorzugsweise, insbesondere bei inkohärenten Strahlern, so gewählt, dass mindestens eine eindeutige Seitenbandfrequenz erzeugt wird, die direkt mit der Modulationsfrequenz in Relation steht. Eine sinusoidale Intensitätsmodulation des ausgesendeten Lichtes mit der Frequenz fM ist hierfür eine von vielen möglichen Umsetzungsmöglichkeiten. Vorzugsweise wird hierbei eine Intensitätsmodulation angewandt.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, jede Trägerwelle mit einer unterschiedlichen Modulationsfrequenz zu modulieren. Eine solche Maßnahme zieht zwar keine signifikante Erhöhung der räumlichen Auflösung oder der Reichweite nach sich, jedoch kann eine unterschiedliche Modulationsfrequenz aus technischen Gründen das Mittel der Wahl sein.
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Infolge einer durch Dispersion im Medium M verursachten Differenz Δn des Brechungsindizes aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen λ
1 und λ
2 der Trägerwelle ergibt sich eine Phasendifferenz Δφ zwischen den beiden Modulationssignalen
mit L als Abstand bzw. Entfernung zwischen dem Sender S und dem Empfänger R.
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Die Phasendifferenz Δφ zwischen der ersten und zweiten elektromagnetischen Welle bzw. Trägerwelle wird am Empfänger R gemessen. Der dispersive Brechungsindex Δn ist aufgrund der Charakteristika des Mediums M und der eingesetzten Wellenlängen λ1 und λ2 der Trägerwelle bekannt und in der – nicht dargestellten – Berechnungseinrichtung gespeichert. In einer alternativen Ausführungsform wird der Brechungsindex Δn am Empfänger R durch eine optische Messung des Mediums bestimmt
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In der Berechnungseinrichtung wird schließlich die Entfernung L zwischen Sender S und dem im Ziel lokalisierten Empfänger R auf Basis der ermittelten Phasendifferenz und des dispersiven Brechnungsindizes entlang der Messstrecke ermittelt.
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Somit kann bei einem bekanntem dispersiven Brechungsindex aus dem gemessenen Phasenunterschied der Abstand L zwischen Sender und Empfänger bestimmt werden und der sonst notwendige Signal-Rücklauf entfällt.
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Die Modulationsfrequenz fM legt hierbei den maximalen Abstand fest, der gemäß der Beziehung Δφ < 2π zugelassen werden kann.
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Die Modulationsfrequenz fM legt weiterhin die zeitliche Auflösung des Empfängers und die räumliche Auflösung fest.
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Eine räumliche Auflösung wird im Folgenden erläutert. Bei einer gewählten Modulationsfrequenz von 1 MHz beträgt die Periodenlange 1 μs. Wird die Zeitauflösung des Empfängers R zu 1 ns gewählt, beträgt der minimal auflösbare Phasenunterschied 2π·10–3.
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Wird als Medium M Wasser mit einem dispersiven Brechungsindex bzw. Brechungsindexunterschied von 0,05 für den Ultraviolettbereich und bis zu einem nahen Infrarotratbereich angenommen, so ergibt sich eine minimal auflösbare Entfernung von 0,6 m und ein maximal auflösbarer Abstand von 600 m.
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Bei größerer Signaldämpfung, also beispielsweise durch im Wasser vorhandene Schwebstoffe, kann durch eine Messung über mehrere Modulationsperioden eine hohe Signalintegrität erreicht werden.
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Falls ein Medium M auch bei anderen Wellenlängen eine nicht zu hohe Absorption aufweist, kann mit diesem eine Längenmessung gemäß der Erfindung erfolgen.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung kommt statt einer elektromagnetischen Strahlung im optischen Bereich Strahlung im Radiowellenbereich zum Einsatz.
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Die Erfindung zeichnet sich durch eine Unabhängigkeit der räumlichen Auflösung und des maximal messbaren Abstands von der Trägerfrequenz aus.
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Die Genauigkeit der Messung kann durch eine Verwendung mehrerer Wellenlängen erhöht werden.
