DE1022387B

DE1022387B - Method for measuring distances using flashes of light

Info

Publication number: DE1022387B
Application number: DEF17097A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Frank Fruengel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1955-03-19
Filing date: 1955-03-19
Publication date: 1958-01-09

Description

Verfahren zur Entfernungsmessung mittels Lichtblitzen Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernungsmessung, insbesondere der Wolkenhöhe, mittels Lichtblitzen, bei dem ein intermittierend ausgesandter Lichtstrahl von dem zu messenden Objekt reflektiert und der reflektierte Strahl von einer synchron mit dem Sender in einem kugelsektorförmigen Raum umlaufenden Empfänger-Fotozelle in elektorische Impulse umgesetzt wird.Method for measuring distances by means of flashes of light is the subject of the Invention is a method for distance measurement, in particular the cloud height, by means of flashes of light, in which an intermittently emitted light beam from the object to be measured is reflected and the reflected beam from a synchronous with the transmitter in a spherical sector-shaped space encircling receiver photocell in electoral impulses are implemented.

Bei dem unter der Bezeichnung »Radar-Technik« meist angewandten Verfahren zur Messung größerer Entfernungen vverden reflektierte elektromagnetische Wellen benutzt, deren Wellenlänge in der Größenordnung von Zentimetern liegt. Viele Objekte, wie besonders Dunst, Nehel und Wolken, werden von elektromagnetischen Wellen der genannten Größenordnung durchdrungen und nicht reflektiert, so daß sich dieses Verfahren insbesondere zur Bestimmung von Wolkenhöhen nicht eignet. Wird jedoch bei einem im Prinzip gleichen Verfahren die Wellenlänge der benutzten 5 trablung in den Bereich des sichtbaren Lichtes oder in den der noch kürzeren UV-Strahlen verlegt, so reflektieren diese Objekte gut, und das Verfahren ist für den genannten Zweck sehr gut brauchbar. So gelangt man zu einer optischen Entfernungsmessung. In the process most commonly used under the name of »radar technology« For measuring greater distances, the reflected electromagnetic waves are used used, the wavelength of which is in the order of centimeters. Many objects like especially haze, fog and clouds, are caused by electromagnetic waves of the mentioned order of magnitude penetrated and not reflected, so that this process not particularly suitable for determining cloud heights. However, with one In principle, the same procedure applies to the wavelength of the used 5 trotting in the area the visible light or in that of the even shorter UV rays, so reflect these objects work well, and the method is very useful for the stated purpose. This leads to an optical distance measurement.

Auch solche optische Verfahren sind bekanntgeworden. Eine hierfür geeignete Anordnung besteht im wesentlichen aus einem gerichteten Lichtsender und einem fotoelektrischen Empfänger, der, meist mit einem Verzerrungskreis ausgestattet, den vom ankommenden Licht erzeugten Impuls auf einen Rathodenstrahloszillographen weitergibt. Die Entfernung des vom Leuchtschirm angezeigten Impulses von einer Nullmarke ist proportional der zu messenden Objektentfernung. Der gerichtete Lichtsender besteht aus einem Spiegelreflelitor mit einer in seinem Brennpunkt angeordneten und mittels ECippschwingungell betriebenen Funkenstrecke. Diese bekannten optischen Geräte haben den Nachteil, daß entweder ihre Reichweit sehr beschränkt ist oder daß bei genügender Reichweite eine erhebliche Energie benötigt wird. speist ist auch außerdem ihre Genauigkeit unbefriedigend.Such optical methods have also become known. One for this suitable arrangement consists essentially of a directional light transmitter and a photoelectric receiver, which, usually equipped with a distortion circuit, the pulse generated by the incoming light on a Rathode ray oscillograph passes on. The distance of the pulse displayed by the fluorescent screen from a zero mark is proportional to the object distance to be measured. The directional light transmitter exists from a mirror reflector with one arranged in its focal point and by means of Electrically operated spark gap. These known optical devices have the disadvantage that either their range is very limited or that if it is sufficient Range a considerable amount of energy is required. feeds is also hers Unsatisfactory accuracy.

Diese Nachteile werden durch die Erfindung dadurch beseitigt, daß zur genauen Definition des Lichtblitzes in an sich bekannter Weise nur der steile Anstieg der Lichtstromkurve herangezogen wird, während ihr längerer Abfall durch ein dem Verstärker zugeordnetes Differenzierungsglied unterdrückt wird, und daß zur Erzeugung des intermittierenden I,ichtstrahles eine Funkenleuchte extrem hoher Leuchtdichte verwendet wird, deren Funkenvolumen nahezu die Größe des Fehlvolumens des optischen Spiegels besitzt. These disadvantages are eliminated by the invention in that for the exact definition of the flash of light in a manner known per se, only the steep one Increase in the luminous flux curve is used, while its longer decrease through a differentiating element assigned to the amplifier is suppressed, and that an extremely high spark lamp to generate the intermittent light beam Luminance is used whose spark volume is almost the size of the missing volume of the optical mirror.

Eine vollständige Äleßanordnung nach der Erfin- dung besteht also aus einem Lichtsender von extrem hoher Leuchtdichte, z. B. eine Hochstrom-Bogenentladung in einer Edelgas- oder Ouecksilberdampfatmosphäre, der, vorzugsweise durch E;ondensatorenentlandung erzeugt, einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl gegen das Meßobjekt sendet. Der an diesem Meßobjekt reflektierte Lichtstrahl wird durch ein optisches System gesammelt und auf eine Fotozelle geworfen, hier in einem elektrischen Impuls umgewandelt und nach Verstärkung den Ablenkplatten einer Braunschen Röhre zugeführt. Gleichzeitig wird durch eine Fotozelle, die direkt am Sender angeordnet ist, der Anfangsimpuls einem Verstärker und ebenfalls dem Braunschen Rohr zugeführt. Hierdurch kann unmittelbar eine Laufzeitmessung und damit bei der bekannten Lichtgeschwindigkeit eine Entfernungsmessung durchgeführt werden. A complete dining arrangement according to the invention dung therefore exists from a light transmitter of extremely high luminance, e.g. B. a high current arc discharge in a noble gas or mercury vapor atmosphere, which is preferably discharged by E; ondensatoren generated, sends a parallel aligned light beam against the measurement object. Of the Light beam reflected on this measurement object is collected by an optical system and thrown onto a photocell, here converted into an electrical impulse and after reinforcement fed to the baffles of a Braun tube. Simultaneously the initial impulse is generated by a photocell located directly on the transmitter an amplifier and also fed to the Braun tube. This can immediately a transit time measurement and thus a distance measurement at the known speed of light be performed.

Zur Erreichung großer Meßgenauigkeit sind zwei Forderungen zu erfüllen: 1. Um das Nutz-Stör-Verhältnis groß zu machen, soll eine maximale Lichtmenge zur Fotozelle gelangen. To achieve high measurement accuracy, two requirements must be met: 1. In order to make the useful-disturbance ratio large, a maximum amount of light should be used Photocell.

2. Da jeder Lichtblitz noch eine endliche zeitliche Ausdehnung besitzt, muß ein definierter Teil der Lichtstromzeitkurve zur Messung herangezogen werden. 2. Since every flash of light still has a finite temporal expansion, a defined part of the luminous flux time curve must be used for the measurement.

Die erste Forderung wird dadurch erfüllt, daß in einem technisch möglichen Reflektor das Brennpunkt-Fehlervolumen bestimmt und das Volumen der Gasentladung diesem angeglichen wird. Dieser Effekt wird erreicht durch Wahl des Gasdruckes und der Gaszusammensetzung und durch Anwendung einer elektromagnetischen Rompensationsfokussierung, indem der Entladungsstrom über zwei Schleifen so um das Entladungsgefäß geführt wird, daß das erzeugte Magnetfeld das Funkenvolumen auf der gewünschten Größe hält. The first requirement is met by the fact that in a technical possible reflector determines the focal defect volume and the volume of the gas discharge this is aligned. This effect is achieved by choosing the gas pressure and the gas composition and by applying an electromagnetic compensation focusing, in that the discharge current is guided around the discharge vessel via two loops is that the generated magnetic field keeps the spark volume at the desired size.

Die zweite Forderung wird erfüllt durch Heranziehen der extrem steilen Anstiegsflanke der Lichtstromkurve, die ihren Scheitelwert in etwa 107 Sekunden erreicht. Der formgetreue elektrische Impuls der Fotozelle wird dann über einen Impulsformer, d. h. einen Begrenzer mit Differenzierungsglied dem Verstärker zugeführt. In dieser Schaltung gibt nur die steile Anstiegsflanke einen Impuls, da die wesentlich längere Abfallflanke durch einen Gleichrichter unterdrückt wird. The second requirement is met by using the extremely steep one Rising edge of the luminous flux curve which peak in about 107 seconds achieved. The true-to-shape electrical impulse from the photocell is then transmitted via a Pulse shaper, d. H. a limiter with a differentiating element is fed to the amplifier. In this circuit, only the steep rising edge gives a pulse, since that is essential longer falling edge is suppressed by a rectifier.

Werden weiterhin die Lichtblitze mit einer konstanten Frequenz ausgesendet und die Zeitbasis des Braunschen Rohres mit dieser oder einer Vielfachen synchronisiert, so kann man durch Schieben der Phase die jeweiligen Senderimpulse an gleicher Stelle des Schirmes zur Deckung bringen. Der Abstand zwischen Senderimpuls und Empfängerimpuls kann dann infolge der bekannten Lichtgeschwindigkeit im Entfernungsmaßstab geeicht werden. The flashes of light continue to be emitted at a constant frequency and the time base of the Braun tube is synchronized with this or a multiple, so you can move the respective transmitter pulses at the same point by shifting the phase of the canopy to coincide. The distance between the transmitter pulse and the receiver pulse can then be calibrated on a distance scale due to the known speed of light will.

Um Fehlmessungen zu vermeiden, die durch z. B. niedrigere Reflexionswände nebenbei erzeugt werden, unterdrückt man gemäß der Erfindung den Zeitbereich bis in die Nähe der zu erwartenden Laufzeit. Hierzu wird in den Strahlengang vor den Empfänger ein trägheitsloser Lichtverschluß in Form einer Kerrzelle oder eines Bildwandlers in den Strahlengang eingeschaltet, der erst dann aufgetastet wird, wenn die Meßzeit unmittelbar bevorsteht. Als Verzögerungsteil ist eine Laufzeitkette oder eine der bekannten Kurzzeitmesserschaltungen anzuwenden. Durch diese Anordnung besteht auch die Möglichkeit, aus dem gesendeten Lichtimpuls einen Bruchteil, z. B. 10-8 Sekunden, herauszuschneiden, der einer Wegstrecke von 3 m entspricht. In order to avoid incorrect measurements caused by e.g. B. lower reflective walls are generated incidentally, the time range to is suppressed according to the invention close to the expected running time. This is done in the beam path in front of the Receiver an inertia-free light shutter in the form of a Kerr cell or an image converter switched on in the beam path, which is only gated when the measuring time imminent. A delay chain or one of the known timer circuits to apply. This arrangement also exists the possibility of a fraction of the transmitted light pulse, e.g. B. 10-8 seconds, cut out, which corresponds to a distance of 3 m.

Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. The drawing shows schematically an embodiment of the invention.

In Fig. 1 bedeutet im einzelnen 1 den Lichtsender mit Reflektor 2, 3 den abgehenden Lichtstrahl, 4 das reflektierenden Meßobjekt, 5 den reflektierten Lichtstrahl, 6 einen Hohlspiegel mit dem Lichtempfänger 7 für den reflektierten Strahl. 8 ist eine Fotozelle, die dem Sender beigeordnet ist, 9 ein Hochspannungsimpulserzeuger für den Lichtsender, 10 ein Breitbandverstärker für den Senderimpuls, 11 ein Breitbandver- stärker für den Empfängerimpuis und 12 das Braunsche Rohr. In Fig. 1, 1 specifically means the light transmitter with reflector 2, 3 the outgoing light beam, 4 the reflecting measurement object, 5 the reflected one Light beam, 6 a concave mirror with the light receiver 7 for the reflected Beam. 8 is a photocell that is associated with the transmitter, 9 is a high-voltage pulse generator for the light transmitter, 10 a broadband amplifier for the transmitter pulse, 11 a broadband stronger for the receiver pulse and 12 the Braun tube.

Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Anordnung wie Fig. 1, die jedoch mit dem Verzögerungsglied und dem Lichtverschluß ergänzt ist. Hierin bedeutet zusätzlich 13 das Verzögerungsglied mit dem Zeiteinstellteil 14 und 15 den trägheitslosen lichtelektrischen Verschluß. Fig. 2 shows essentially the same arrangement as Fig. 1, the but is supplemented with the delay element and the light shutter. Herein means additionally 13 the delay element with the time setting part 14 and 15 the inertia-free photoelectric shutter.

Fig. 3 zeigt eine Erweiterung der vorhergehenden Anordnungen, bei der der Sender und der Empfänger zwangläufig durch eine mechanische oder eine elektrische Welle gekuppelt sind, um einen bestimmten Bereich nach Zielen abzutasten. 18 hedeutet die Kupplung zwischen Sender und Empfänger und 19 einen elektrischen Umsetzkanal für die Umsetzung der Drehung in einen elektrischen Basismaßstab am Braunschen Rohr. Fig. 3 shows an extension of the previous arrangements that of the transmitter and the receiver inevitably by a mechanical or an electrical one Shaft are coupled to scan a specific area for targets. 18 means the coupling between transmitter and receiver and 19 an electrical conversion channel for converting the rotation into an electrical base scale on the Braun tube.

Der technische Fortschritt dieser Erfindung liegt in erster Linie in der Erschließung der Nahzone bei Entfernungsmessungen mittels Reflexionsverfahren. The technical advance of this invention lies in the first place in the development of the near zone with distance measurements using reflection methods.

Außerdem wird gegenüber den bekannten Geräten eine größere Reichweite bei gleichzeitiger Energieeinsparung und höherer Genauigkeit erzielt.In addition, there is a greater range compared to the known devices with simultaneous energy savings and higher accuracy.

Claims

PATENT CLAIM: Method for distance measurement, in particular the Cloud height, by means of flashes of light, in which an intermittently emitted light beam reflected from the object to be measured and the reflected beam from a synchronous with the transmitter in a spherical sector-shaped space encircling receiver photocell is converted into electrical pulses, characterized in that for precise definition of the flash of light in a manner known per se, only the steep rise in the luminous flux curve is used, while its longer drop is due to an amplifier associated with it Differentiator is suppressed, and that to generate the intermittent Light beam a spark gap of extremely high luminance is used, whose Spark volume has almost the same size as the missing volume of the optical mirror.