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Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung Bekannt sind
Einrichtungen zur Entfernungsmessung mittels eines die Entfernung durchlaufenden,
am fernen Ort reflektierten und wieder empfangenen amplitudenmodulierten Lichtsignals,
bei denen die Phasenlage der Modulation des gesendeten mit der des empfangenen Signals
verglichen wird.
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In der Vergangenheit sind zahlreiche Variationen solcher Entfernungsmeßgeräte
erörtert worden. Insbesondere wurden Möglichkeiten untersucht, die zu einer einwandfreien
Funktion in bezug auf die Vermeidung von störenden phasenschiebenden Einflüssen
auf die beiden zu vergleichenden Signale führen; denn es hatte sich gezeigt, daß
es zur Erreichung einer hohen Meßsicherheit unumgänglich notwendig ist, derartige
Einflüsse weitgehend zu eleminieren. So ist unter anderem vorgeschlagen worden,
die Phasenvergleichseinrichtung, d. h. also denjenigen Teil des gesamten Gerätes,
in dem die beiden Signale bezüglich ihrer Phasendifferenz verglichen werden, symmetrisch
aufzubauen, um so die z. B. durch thermische Einflüsse in den einzelnen Schaltelementen
auftretenden Phasenverschiebungen zu kompensieren. Man hat in diesem Zusammenhang
gemäß einem älteren, nicht vorveröffentlichten Vorschlag vorgeschlagen, das vom
Sender herrührende Vergleichssignal der Empfangseinrichtung in Form eines Teillichtstromes
der vom Sender emittierten Energie zuzuführen und zum Phasenvergleich der beiden
Signale diesen Teillichtstrom mit einem gesonderten lichtempfindlichen Element zu
empfangen. Die phasenschiebenden Eigenschaften der beiden lichtempfindlichen Elemente
sollten in gleicher oder ähnlicher Weise von den jeweiligen Betriebsbedingungen
abhängen. Die Phasenlagen der an den lichtempfindlichen Elementen anfallenden Spannungen
sollten auf üblichem Wege verglichen werden.
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In weiterer Verfolgung dieser Gedankengänge hat es sich herausgestellt,
daß es recht umständlich ist, zwei lichtempfindliche Elemente zum Empfang des Vergleichs-
und des eigentlichen Meßsignals zu benutzen. Es zeigte sich nämlich, daß - da die
an den lichtempfindlichen Elementen anfallenden Spannungen verstärkt werden müssen
- durch die hinter diesen Elementen angeordneten Verstärker neue Fehlerquellen auftreten.
Insbesondere ist es bei der Ausbildung dieser Verstärker erforderlich, diese so
auszulegen, daß die durch sie verursachten Phasenverschiebungen an den zu vergleichenden
Signalen zumindest konstant sind; diese Forderung ist jedoch bei den relativ komplizierten,
mitunter breitbandig auszulegenden Hochfrequenzverstärkern nur durch Anwendung umständlicher
und aufwendiger Maßnahmen erfüllbar.
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Darüber hinaus ist es notwendig, die Versorgungsspannungen der lichtempfindlichen
Empfängerelemente bezüglich ihrer Schwankungen zu synchronisieren und darauf zu
achten, daß bei gleichen Spannungsänderungen an den verwendeten Elementen identische
Laufzeitänderungen auftreten. Weiterhin stellte es sich heraus, daß auch bei symmetrischen
Anordnungen dieser Art die Kontrolle der möglicherweise trotz dieser Symmetrie auftretenden,
z. B. durch unterschiedliche Erwärmungen bedingten Phasenverschiebungen nur durch
recht komplizierte, am Gerät vorzusehende Eicheinrichtungen möglich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur elektro-optischen
Entfernungsmessung zu schaffen, bei der man von derartigen, das Meßergebnis in fehlerverursachender
Weise beeinflussenden Phasenverschiebungen frei ist.
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Es wird dabei ausgegangen von einer Einrichtung zur elektro-optischen
Entfernungsmessung, bestehend aus einem Lichtsender zur Aussendung eines die zu
ermittelnde Entfernung durchlaufenden amplitudenmodulierten Lichtsignals, einem
ein lichtelektrisches Element enthaltenden Lichtempfänger zum Empfang dieses reflektierten
Signals und einer Phasenvergleichsvorrichtung, die vom empfangenen Signal und einem
aus dem Signal des Senders abgeleiteten Vergleichssignal beaufschlagt ist, zum Vergleich
der Modulationszustände des gesendeten und des wieder empfangenen Signals, bei der
der Phasenvergleichsvorrichtung das Vergleichssignal über ein lichtelektrisches
Element als Teillichtstrom des vom Sender gesendeten Lichtsignals zugeführt ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in diesem
Zusammenhang sowohl das vom Lichtempfänger
empfangene Lichtsignal
als auch das Vergleichssignal über ein beiden Signalen gemeinsames lichtelektrisches
Element der Vergleichsvorrichtung zugeführt wird und daß beide Signale eine periodisch
wirksame Schaltvorrichtung beaufschlagen, die die Signale dem lichtelektrischen
Element zeitlich nacheinander und periodisch zuführt.
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Es ist zwar schon bei Photometern bekannt, ein und dasselbe lichtelektrische
Element über eine Schalteinrichtung, die z. B. aus einer rotierenden Blende besteht,
periodisch weohselweise von zwei zu vergleichenden Lichtströmen beaufschlagen zu
lassen. Hier handelt es sich aber um einen Amplitudenvergleich und um die Ausschaltung
von Amplitudenschwankungen, die durch Geräteteile bedingt sind.
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Zur näheren Erläuterung sei die Erfindung an einem der möglichen
Ausführungsbeispiele, das schematisch in der Zeichnung dargestellt ist, beschrieben.
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Es bezeichnet 1 eine Lichtquelle, deren Lichtstrom mittels eines
üblichen Modulators 2, z. B. durch eine Kerrzelle oder durch einen Ultraschallmodulator,
amplitudenmoduliert wird. Der so modulierte Lichtstrom verläßt über das Objektiv
3 den Sendeteil der Einrichtung, läuft zum fernen Ort, wird dort an einem nicht
dargestellten Reflektor, z.B. an einem Planspiegel oder an einem anderen reflektierenden
optischen Element, zurückgeworfen, tritt durch das Objektiv 4 in den Empfangsteil
der Einrichtung ein und wird mittels eines lichtempfindlichen Elementes 5, z. B.
eines Sekundärelektronenverviellachers, empfangen. Das zum Vergleich der Phasenlage
der Modulation des gesendeten und des empfangenen Signals auf der Empfangsseite
notwendige, von der Sendeseite herrührende Vergleichssignal wird mittels eines strahlenteilenden
physilLalischen Elementes 6 in Form eines Teillichtstromes von der vom Sender emittierten
Energie abgezweigt und über das reflektierende Element 7 ebenfalls dem Sekundärelektronenvervielfacher
5 zugeführt. Beide Lichtströme passieren eine Schalteinrichtung 8, die abwechselnd
den Vergleichslichtstrom und den vom Reflektor herrührenden Lichtstrom für den Sekundärelektronenvervielfacher
5 freigibt. In der Darstellung des Ausführungsbeispiels dient hierzu eine durch
den Synchronmotor 9 betriebene Blendenscheibe 8, die je nach Stellung entweder das
Vergleichssignal oder das Meßsignal für den Sekandärelektronenvervielfacher abdeckt.
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Das Vergleichssignal durchsetzt auf seinem Wege von der Sendeseite
zur Empfangsseite Mittel zur Minderung der Intensität des Lichtstromes, um die Amplitude
des Vergleichssignals weitgehend an die des Meßsignals anzugleichen. Im vorliegenden
Beispiel dient hierzu der Graukeil 10, der zwischen den reflektierenden Elementen
6 und 7 angeordnet ist. Die hinter dem Sekundärvervielfacher 5 anfallenden Wechselspannungen
werden mittels des Verstärkers 11 verstärkt und auf die Meßplatten einer Braunschen
Röhre 12 gegeben.
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Infolge der Augenträgheit des Beobachters und der Nachleuchtdauer
der leuchtenden Schicht der Kathodenstrahlröhre 12 erscheinen auf dem Bildschirm
bei zweckentsprechender Auswahl der Umlauffrequenz des Motors 9 gleichzeitig die
Wellenzüge des Vergleichs- und des Meßsignals.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Kippspannung für die
Zeitplatten der Röhre 12 durch Frequenzvervielfachung aus der Spannung des
Oszillators
13, die gleichzeitig der Steuerung des Lichtmodulators 2 dient, gewonnen. Es bezeichnet
14 eine Einrichtung zur Frequenzverdoppelung und 15 einen durch die Spannung der
Einrichtung 14 gesteuerten Kipposzillator, dessen Ausgangsspannung den Zeitplatten
der Kathodenstrahlröhre zugeführt wird.
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Statt einer Frequenzvervielfachung könnte auch eine Frequenzteilung
vorgenommen werden.
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Es ist ersichtlich, daß bei geeigneter Auswahl dieser Kippfrequenz,
d. h. bei entsprechender Auslegung der Einrichtung 14, auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre
12 ein übersichtliches Bild der hochfrequenten, im allgemeinen phasenverschobenen
Modulationsspannungen des Meß- und des Vergleichssignals entsteht. Man kann nun
entweder durch Variation der dem Oszillator 13 entnehmbaren Modulationsfrequenzen
oder aber auch - falls für die Einrichtung feste Modulationsfrequenzen vorgesehen
sind - durch entsprechende Beeinflussung der Phasenlage des gesendeten oder des
empfangenen Signals rein optisch durch Beobachten der an der Kathodenstrahlröhre
aufgezeichneten Spannungen ausgezeichnete Phasenlagen zwischen den beiden Vergleichssignalen
erzwingen und damit letztlich in bekannter Weise die Entfernung ermitteln.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist unterstellt, daß die Kippfrequenz
das Doppelte der Modulationsfrequenz beträgt. Es erscheint somit auf dem Bildschirm
für jedes der beiden Signale - die nacheinander verstärkt werden - ein Gebilde,
das genau einen Schnittpunkt zweier Linienzüge enthält. Zweckmäßig wählt man also
die Abszissendifferenz dieser beiden Schnittpunkte als Kriterium für die Phasendifferenz
beider Signale.
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Es ist selbstverständlich, daß man zur Ausführung des Erfindungsvorschlages
nicht an die in der Zeichnung dargestellten Verhältnisse gebunden ist. So ist es
möglich, die Schalteinrichtung 8, 9 durch andere Mittel zu ersetzen und diese an
einer anderen Stelle des Gerätes, also auf der Senderseite der Einrichtung, unterzubringen;
man ist auch offensichtlich nicht daran gebunden, im Falle der Benutzung fester
Modulationsfrequenzen das als optische Lichtschleife ausgebildete phasenschiebende
Element 16 an der in der Zeichnung gewählten Stelle anzubringen, obwohl aus Zweckmäßigkeitsgründen
(Intensitätsminderung der Strahlung!) diese Lage geboten erscheint.
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Weiterhin ist es selbstverständlich möglich, die Einrichtung 14,
15 durch andere geeignete, unter Umständen selbständige Oszillatoren zu ersetzen.
Die spezielle Wahl dieser Anordnung ist lediglich durch den Umstand bestimmt, daß
es verhältnismäßig einfach ist, die zur Zeitablenkung des Elektronenstrahls erforderlichen
Frequenzen dem ohnehin vorhandenen Oszillator zu entnehmen.
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Eine nach den vorgeschlagenen Prinzipien aufgebaute Einrichtung zur
Entfernungsmessung weist - wie leicht einzusehen - gegenüber den bekannten Einrichtungen
zahlreiche Vorteile auf, deren bedeutendster die vollkommene Unabhängigkeit der
gesamten Anordnung von thermischen Einflüssen ist; denn ändern sich die phasenschiebenden
Eigenschaften irgendwelcher Elemente, die Einfluß auf die Phasen der zu vergleichenden
Signale nehmen, so wird sowohl das Meß- als auch das Vergleichssignal von diesen
Änderungen gleichmäßig erfaßt, da die Wege dieser Signale im elektronischen Teil
der Einrichtung identisch sind. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich,
an
die Verstärker bezüglich der diesen eigenen Frequenz- und Phasencharakteristiken
besondere Anforderungen zu stellen; denn da beide Signale gleichfrequent sind und
von identischen Elementen beeinflußt werden, werden beiden Signalen die gleichen
Phasenverschiebungen erteilt. Thermische Einflüsse, die bisher die Funktion derartiger
Geräte behinderten, sind also tatsächlich keine die Meßgenauigkeit beeinflussende
Größen mehr, abgesehen von jenen natürlich, die für die Konstanz der Modulationsfrequenzen
von Bedeutung sind.
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Es sei abschließend hervorgehoben, daß man nicht - wie im dargestellten
Ausführungsbeispiel - an die Benutzung einer Braunschen Röhre für die Zwecke der
Phasenindikation gebunden ist; vielmehr ist es - obwohl ein anderer Weg zunächst
gegen den beschriebenen nicht einfacher erscheint - durchaus möglich, die hinter
dem lichtempfindlichen Element 5 anfallenden Spannungen in anderer Weise bezüglich
der ihnen eigenen Phasendifferenzen zu vergleichen.