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Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung mittels Lichtimpulsen
Es ist bekannt, die Entfernung zwischen zwei Punkten aus der Lichtgeschwindigkeit
und der Zeit zu bestimmen, die Lichtimpulse zum Durchlaufen dieser Entfernung brauchen.
Hierfür gibt es mehrere Anordnungen, um diese Lichtimpulse zu erzeugen. Die einfachste
davon ist ein Verschluß, der während einer kurzen Zeit den Lichtstrom einer Lichtquelle
freigibt.
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So ist z. B. eine Anordnung bekannt, bei welcher vor einer als Parabolscheinwerfer
ausgebildeten Lichtquelle eine Scheibe rotiert, bei welcher zwei um 1800 versetzte
Sektoren von je 900 ausgespart sind, so daß das Licht durchtreten kann. Der vom
Scheinwerfer ausgehende Lichtstrom wird durch die rotierende Scheibe moduliert,
die Entfernungsmessung erfolgt durch Phasenvergleich der Modulationsamplitude der
abgehenden und der reflektierten Lichtstrahlung.
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Außer mechanischen Verschlüssen sind auch Kerrzellenverschlüsse bekannt.
Die bekannten Verschlüsse besitzen jedoch entweder den Nachteil, daß die erzielbare
Impulsfrequenz oder die erreichbare Helligkeit klein ist. Außerdem besitzen Werrzellenverschlüsse
noch den Nachteil, daß zur Erzeugung der hochfrequenten Hochspannung ein verhältnismäßig
großer Aufwand erforderlich ist.
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Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden.
Sie geht dabei im wesentlichen von der Fizeauschen Anordnung zur Bestimmung der
Lichtgeschwindigkeit aus. Bei dieser Anordnung rotiert vor einer Lichtquelle ein
Zahnrad, die Zähne des Zahn rades werden über eine Linse ins Unendliche abgebildet.
Das Lichtbündel wird am Ende der Meßstrecke durch einen Spiegel in sich selbst reflektiert
und tritt wieder durch die Linse, so daß ein Bild in der Ebene des Zahnrades entsteht.
Die Messung erfolgt in bekannter Weise dadurch, daß die Drehgeschwindigkeit so weit
gesteigert wird, daß das durch eine Zahnlücke durchtretende Licht infolge der Drehung
des Zahnrades bei seiner Rückkehr auf einen Zahn fällt, so daß der Beobachter Dunkelheit
wahrnimmt.
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Diese Anordnung eignet sich jedoch nicht zur geodätischen Entfernungsmessung.
Der aus der Linse aus tretende Lichtstrahl vollführt nämlich infolge der Drehung
des Zahnrades eine Winkeldrehung und streicht dabei kurzzeitig über den am Ende
der Meßstrecke angebrachten Spiegel. Das Lichtbündel ist also auf dem Hinweg zum
Spiegel nicht unterbrochen, sondern wird erst dadurch in einzelne Lichtimpulse zerhackt,
daß es nur dann reflektiert wird, wenn es den Spiegel trifft. Erst der zurückkehrende
Strahl besteht also aus Lichtimpulsen. Bei dieser Anordnung geht jedoch die Winkelrefraktion
in der Meßstrecke ein. Wenn nämlich der Strahlweg durch Inhomogenitäten der Luft
innerhalb der Meßstrecke verbogen wird, trifft das sich drehscheinwerferartig bewegende
Licht-
bündel den als »Verschluß« wirkenden Spiegel am Ende der Meßstrecke bei einer
anderen Stellung des Zalmrades. als wenn der Strahlweg ungestört gerade verläuft.
Dies kann aber zu systematischen Meßfehlern führen. Bei physikalischen Messungen,
wo man die Bedingungen auf der Meßstrecke frei wählen kann, läßt sich dieser Fehler
eliminieren. Bei geodätischen Messungen ist jedoch die Meßstrecke vorgegeben, und
die Messung muß jederzeit, auch unter den ungünstigsten atmosphärischen Bedingungen,
vorgenommen werden können.
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Durch die Erfindung sollen die obengenannten Mängel behoben werden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur geodätischen Entfernungsmessung ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine rotierende, einem Zahnrad wirkungsgleiche Scheibe durch
ein Objektiv in eine Ebene abgebildet wird, in der sich eine feststehende Blende
befindet, und daß der Lichtweg zwischen Scheibe und Blendenebene vollständig im
Instrument verläuft.
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Durch diese Anordnung wird der Lichtstrahl schon vor dem Austreten
aus dem Instrument in einzelne Impulse zerhackt, so daß auf der Meßstrecke nur Hell-
bzw. Dunkelwerte übertragen werden. Die Winkelrefraktion geht dadurch nicht mehr
in das Meßergebnis ein, der Brechungsindex der Meßstrecke wirkt sich nur auf die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes aus. Dieser Fehler ist jedoch wesentlich
kleiner als der durch die Winkelrefraktion verursachte und kann auch leichter abgeschätzt
werden.
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Die Scheibe kann aus einem Teilkreis mit einer entsprechenden Teilung
bestehen. Man kann dadurch sehr hohe Impulsfrequenzen bei gleichzeitig kleinem Energiebedarf
des Antriebes, der von einer einfachen Niederspannungsquelle gedeckt werden kann,
erreichen.
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Die Teilung des Kreises kann einfach und billig mit der Genauigkeit
hergestellt werden, die von der Impulsfolge zu fordern ist.
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In vorteilhafter Weise kann die Blende als Teilung ausgebildet sein,
dadurch werden die Lichtimpulse nicht zu eng gebündelt, was die Einrichtung des
Instrumentes erleichtert, und außerdem wird die Helligkeit entsprechend gesteigert.
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Eine vorteilhafte Ausführung des Teilkreises besteht darin, daß der
IÇreis nur an der Stelle der Teilung lichtdurchlässig ist. Der Teilkreis kann auch
als Spiegel ausgebildet sein, dessen Spiegelfläche durch die Teilung unterbrochen
ist. Die Modulation des Lichtstromes erfolgt dann bei auffallendem Licht. Zur Erhöhung
der Lichtstärke kann die Kreisteilung in der Brennebene einer Linsenanordnung liegen.
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Zur weiteren Steigerung der Helligkeit kann die Lichtquelle impulsmäßig
betrieben werden und Licht blitze von kurzer Dauer aussenden. Man erreicht dabei
bei einer geringen mittleren Leistung infolge der hohen Impulsleistung eine große
Helligkeit. Dabei kann die Lichtquelle beispielsweise als Funkenstrecke ausgebildet
sein. Bei intermittierendem Betrieb der Lichtquelle läßt sich der Teilkreis dadurch
verbilligen, daß nur ein Teil des Kreisumfanges mit einer Teilung versehen wird.
Es ist dann zweckmäßig, die Lichtquelle mit der Stellung des Teilkreises zu synchronisieren.
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Durch Anderung der Drehzahl des Antrieb es zur Scheibe kann die Impulsfrequenz
und damit die Länge der Lichtimpulse geändert und so an eine zu messende Entfernung
angepaßt werden, daß die Entfernung ein ganzes Vielfaches der Wellenzuglänge wird.
In diesem Falle erhält man eine stehende Welle der Impulsfolge. Zur Bestimmung der
Impulsfolgefrequenz braucht nur die Drehzahl des Teilkreises gemessen zu werden.
Man kann aber auch die Impulsfolgefrequenz dadurch messen, daß der modulierte Lichtstrom
auf eine Photozelle fällt, deren Photostrom verstärkt und mit einem Frequenzmesser
verglichen wird. Die Drehzahl des Teilkreises kann gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung durch eine Regelvorrichtung auf einen bestimmten Wert gehalten werden.
Als Antrieb ist ein Nebenschlußmotor vorteilhaft, da es seine lineare Charakteristik
ermöglicht, eine einfache und damit billige Regelvorrichtung zu verwenden.
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Eine einfache und empfindliche Anordnung ergibt sich dadurch, daß
die ankommenden Lichtimpulse durch die Teilung hindurch visuell, d. h. z. B. mit
einem Okular, beobachtet werden. Bei einer bestimmten Drehzahl erscheint das Gesichtsfeld
am dunkelsten, und die gesuchte Entfernung läßt sich dann aus der Impulsfrequenz
berechnen. Es ist dabei zweckmäßig, die Helligkeit der Impulse an die optimalen
Beobachtungsbedingungen, die von den Sichtverhältnissen abhängen, anzupassen. indem
man den Lichtstrom z. B. mit Hilfe eines Graukeiles im Lichtweg verändert. Dadurch
wird bei visueller Beobachtung die höchste Empfindlichkeit erreicht. Die Verbindung
von visueller Beobachtung mit einer intermittierend betriebenen Lichtquelle, die
eine hohe Leistung bei kleiner, mittlerer Energie hat, ergibt ein besonders einfaches
und billiges Gerät, das auch nur eine einfache Stromversorgung benötigt.
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Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung
näher erläutert werden,
die einige Ausführungsbei spiele der Erfindung zeigt, dabei bedeutet Fig. 1 ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung mit durchsichtiger Teilung, Fig. 2 eine schematische
Darstellung einer Meßeinrichtung zur Bestimmung der Impulsfolgefrequenz und Fig.
3 ein Blockschaltbild einer Anordnung, die an Stelle der Anordnung nach Fig. 2 treten
kann.
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Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens. Eine
am Umfang der Scheibe 1 befindliche Teilung wird durch eine Lichtquelle 2 beleuchtet.
Die Teilung wird dabei durch ein Objektiv 3 auf die feststehende Blende 4 abgebildet,
die vorzugsweise ebenfalls als Teilung ausgebildet ist. Die Blende 4 liegt in der
Brennebene eines Objektivs 5. Die beleuchtete Teilung 4 bildet mit dem Objektiv
5 einen Scheinwerfer. Diese Anordnung gibt die größte Helligkeit die erreicht werden
kann. Ohne Berücksichtigung der Absorption ist die Leuchtdichte am Ort der Teilung
des Kreises 1 ebenso groß wie die Leuchtdichte der Lichtquelle 2. Dieselbe Leuchtdichte
herrscht auch am Orte der Teilung. Von einer bestimmten Entfernung ab, der photometrischen
Grenzentfernung, ist die Lichtstärke der Anordnung zur Leuchtdichte der Lichtquelle
2 und zur Fläche des Objektivs 5 proportional.
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Die Intensität des in die Meßstrecke 6 eintretenden Lichtes schwankt
praktisch zwischen Null und dem größten Wert, der möglich ist. Die Impulsfolgefrequenz
kann einfach durch Änderung der Drehzahl des Antriebes 7 geändert und damit an eine
beliebige Entfernung 6 angepaßt werden. Die sich ergebende Wellenzuglänge ist 1
= c/f, wenn c die Lichtgeschwindigkeit und f die Impulsfolgefrequenz ist. Die Lichtwellenzüge
durchlaufen die Meßstrecke 6, werden am Spiegel 8 reflektiert und z. B. vom Beobachter
9 durch die Teilung der Scheibe 1 hindurch beobachtet. Der Beobachter ändert nun
die Drehzahl des Antriebes 7, bis das Gesichtsfeld dunkel erscheint. Die Entfernung
6 ist dann ein ungeradzahliges Vielfaches der halben Wellenzuglänge.
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In Fig. 2 ist schematisch eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der
Impulsfolgefrequenz dargestellt. Der durch die Anordnung nach Fig. 1 modulierte
Lichtstrom der Lichtquelle2' wird auf die Photozelle 10 geleitet. Von der Photozelle
10 läßt sich daher ein Photostrom abnehmen, der dieselbe Frequenz hat wie die Impulsfolgefrequenz
des Lichtstrahles. Die Bestimmung der Impulsfolgefrequenz ist damit auf eine Frequenzmessung
zurückgeführt und kann z. B. mit Hilfe eines Verstärkers 11, der den Photostrom
verstärkt, und einer Frequenzmeßbrücke 12 ausgeführt werden.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Meßschaltung.
Der modulierte Lichtstrom der Lichtquelle 2' fällt wieder auf eine Photozelle 10.
Der Photostrom wird ebenfalls durch einen Verstärker 11 verstärkt und nun jedoch
einem Mischverstärker 13 zugeführt, der die Frequenz f des Photozellenstroms mit
der Frequenz fo eines Normaloszillators 14 mischt.
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Die entstehende Mischfrequenz fo-f wird zur Steuerung eines Reglers
15 benutzt, der den Antrieb 7 der Scheibe 1 beeinflußt. Die Anordnung stellt einen
Regelkreis dar. Die Impulsfolgefrequenz hängt dadurch eindeutig von der Normalfrequenz
fo des Normaloszillators ab und kann durch Ändern der Normalfrequenz meßbar geändert
werden. Bei bekannter Lichtgeschwindigkeit ergibt sich aus der Normalfrequenz f0
die Wellenzuglänge für die Impulsfolge. Die
Anordnung nach Fig.
3 besitzt dadurch den Vorteil. daß sie bei hoher Meßgenauigkeit einfach zu bedienen
ist, indem z. B. ein im Normaloszillator 14 befindlicher Drehkondensator verstellt
wird.