DE1256902B

DE1256902B - Auf dem Prinzip einer Messung der Laufzeit kohaerenter elektromagnetischer Schwingungen beruhende Vorrichtung zur Messung des Abstandes zweier voneinander entfernter Punkte

Info

Publication number: DE1256902B
Application number: DEG45716A
Authority: DE
Inventors: Richard Wagner
Original assignee: INH MAX GRUNDIG; Grundig EMV Elektromechanische Versuchsanstalt Max Grundig GmbH
Current assignee: INH MAX GRUNDIG; Grundig EMV Elektromechanische Versuchsanstalt Max Grundig GmbH
Priority date: 1966-01-14
Filing date: 1966-01-14
Publication date: 1967-12-21
Also published as: US3396393A; GB1165771A; FR1507502A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. CL.

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

Ausgabetag:

GOIc

GOIs
Deutsche Kl.: 42 c-18

1256902
G45716IXb/42c 14. Januar 1966 21. Dezember 1967 11. Juli 1968

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung betrifft eine auf dem Prinzip einer Messung der Laufzeit elektromagnetischer Schwingungen beruhende Vorrichtung zur Messung des Abstandes zweier voneinander entfernter Punkte, bei der in jedem Punkt kohärente frequenzmodulierte S elektromagnetische Schwingungen ausgestrahlt werden, deren Modulationsfrequenzen kleine Unterschiede aufweisen und in jedem Punkt beide Trägerschwingungen einer Mischstufe zugeführt werden, so daß die Differenzfrequenz der beiden Trägerschwingungen als Zwischenfrequenz entsteht.

Vorrichtungen dieser Art haben sich vor allem bei der geodätischen Landesvermessung bewährt. Sie liefern auch bei Entfernungen von 30 km und mehr recht genaue Werte, das Gewicht der Apparatur kann verhältnismäßig niedrig gehalten werden, und die Apparatur ist leicht zu bedienen.

Ein derartiges bekanntes System soll im folgenden an Hand der F i g. 1 näher erläutert werden. Es arbeitet mit zwei, meist identischen Geräten, von ao denen das eine als Meßstation im Punkt A, das andere als Hilfsstation im Punkt B aufgestellt wird. Jede Station enthält einen Mikrowellengenerator 1, der durch einen Rasterfrequenzgenerator 2 mit der jeweiligen Meßfrequenz frequenzmoduliert wird. Die »5 resultierende Ausgangsschwingung wird mit einem Sender 3 zu dem Empfänger 4 der jeweils anderen Station übertragen und in beiden Stationen in Mischstufen 5 mit der örtlich modulierten Trägerfrequenz gemischt. Von hier gelangt das Frequenzgemisch in den einzelnen Stationen zu schmalbandigen Zwischenfrequenzverstärkern 6, so daß je eine mit der Differenzfrequenz der beiden Meßfrequenzen als Vergleichsfrequenz amplitudenmodulierte Zwischenfrequenz entsteht, deren Modulationsträger gleich der Differenzfrequenz zwischen den beiden verschiedenen Trägerfrequenzen ist.

Die gegenseitige Phasenlage der demodulierten AM-Komponenten der beiden Zwischenfrequenzen stellt ein Maß für die Laufzeit der beiden modulierten Trägerfrequenzen dar. Um die gegenseitige Phasen-: lage messen zu können, muß die Phasenlage der einen Vergleichsfrequenz von dem einen zum anderen Punkt übertragen werden. Dies geschieht, indem die Vergleichsfrequenz z.B. im PunktB über einen Amplitudendetektor 7 und einen Impulsformer 8 den Mikrowellengenerator 1 zusätzlich frequenzmoduliert. Im Punkt Λ wird die frequenzmodulierte Komponente der Zwischenfrequenz, die infolge der Schmalbandigkeit des Zwischenfrequenzverstärkers 6 nur diese zusätzliche Modulation enthält, in einem Frequenzdiskriminator 10 demoduliert und als Ver-Auf dem Prinzip einer Messung der Laufzeit kohärenter elektromagnetischer Schwingungen beruhende Vorrichtung zur Messung des \

Abstandes zweier voneinander entfernter Punkte

Patentiert für:

GRUNDIG E. M. V. Elektro-Mechanische Versuchsanstalt, Inh. Max Grundig, Fürth (Bay.), Kurgartenstr. 37

Als Erfinder benannt:
Richard Wagner, Nürnberg

gleichsfrequenz einem Phasenmesser 9 zugeführt, an dessen anderem Eingang der Ausgang eines Amplitudendetektors 7 liegt.

Obwohl dieses System durch seinen unkomplizierten Aufbau besticht, so haften ihm doch eine Reihe von Mangeln an, die im praktischen Gebrauch sehr störend in Erscheinung treten. Es zeigt sich nämlich, daß infolge atmosphärisch bedingter plötzlicher Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen Schwankungen der Laufzeit auftreten können, die sich auf, die Phasenanzeige auswirken, d. h. zu Meßfehlern führen. Da überdies die Eindeutigkeit der Messung bei großen Entfernungen auf der Bildung der Differenz zweier Meßwerte basiert, ist auch die Eindeutigkeit unter Umständen nicht gewährleistet, wenn die Meßwerte selbst unregelmäßigen und plötzlichen Schwankungen unterworfen sind. Dies macht sich um so stärker bemerkbar, je höher die Modulationsfrequenz gewählt wird.

Ein zweiter Mangel ist in der Art der Bildung der Vergleichsfrequenzen begründet, die wegen der Nichtlinearität der Besselfunktion Oter Ordnung grundsätzlich erhebliche nichtlineare Verzerrungen der Vergleichsfrequenzen zur Folge hat. Da es nicht möglich ist, die Phase einer verzerrten Schwingung mit der gleichen Genauigkeit wie die einer unverzerrten Schwingung zu messen, müssen die vorhandenen Verzerrungen durch Siebmittel beseitigt werden. Dies führt jedoch bei geringfügigen Änderungen der Differenzfrequenz zu erheblichen Phasenverschiebungen, da Siebmittel prinzipiell eine frequenzabhängige Phasenverschiebung mit sich bringen. Dem ließe sich zwar durch eine automatische Phasensyn-

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chronisation der Vergleichsfrequenzen begegnen, der Aufwand hierfür ist aber beträchtlich.

Ein weiterer Nachteil ist die Empfindlichkeit des Systems gegen Geländereflexionen. Eine Abhilfe könnte an sich durch Erhöhen der Trägerfrequenz der Mikrowellengeneratoren erreicht werden, da kürzere Wellen besser zu bündeln und mit verbesserter Bündelungsfähigkeit Reflexionen leichter zu unterdrücken sind. Dem sind aber insofern Grenzen gesetzt, als die Modulationsfrequenzen der Generatoren jedenfalls bei dem bekannten System nicht viel höher als 10 MHz gewählt werden können. Damit ist bei diesem System die Zwischenfrequenzbandreite auf einige 100 kHz festgelegt. Wählt man die Trägerfrequenz zu 3 · 10¹⁴ Hz, so müßte jeder der beiden Träger seine Frequenz auf 10 ~⁹ bis 10 ~¹⁰ genau konstant halten, was bei dem derzeitigen Stand der Technik nicht möglicht ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Schwierigkeiten zu beseitigen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zwischenfrequenzverstärker so breitbandig sind, daß sie mindestens die Seitenbänder erster Ordnung noch verstärken, daß die Zwischenfrequenz zuerst amplitudenbegrenzt, dann frequenzdemoduliert und das entstehende Demodulationsergebnis nach Amplitudendemodulation zumindest in dem einen Punkt dem Träger als Zusatzmodulation aufgeprägt wird, die in dem anderen Punkt nach Demodulation dem einen Eingang eines Phasenmessers zugeführt wird, an dessen anderem Eingang der Ausgang des Amplitudendemodulators liegt.

Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß der hauptsächliche Fehler für das Versagen der eingangs geschilderten Vorrichtung in der Kombination von Frequenzmodulation und — da der Verstärker hier nur die amplitudenmodulierte Spektrallinie des Trägers durchlassen darf — schmalbandigem Zwischenfrequenzverstärker zu suchen ist, daß es vielmehr wesentlich ist, mit Zwischenfrequenzverstärkern zu arbeiten, die so breitbandig sind, daß zumindest die Seitenbänder erster Ordnung der Frequenzmodulation noch durchgelassen werden. Am Ausgang eines solchen Verstärkers entsteht nach der Amplitudenbegrenzung eine durch die Überlagerung der beiden Modulationsschwingungen bedingte frequenzmodulierte Schwingung. Diese wird mit Hilfe eines Frequenzdiskriminators demoduliert, die als Ergebnis erhaltene Überlagerung der beiden Modulationsschwingungen gegebenenfalls nochmals verstärkt und einem Amplitudendemodulator zugeführt, an dessen Ausgang die Differenzfrequenz der beiden Modulationsschwingungen entsteht, die in dem einen Punkt dem Träger als Zusatzmodulation aufgeprägt und in dem anderen Punkt nach Demodulation dem einen Eingang des Phasenmessers zugeführt wird, an dessen anderen Eingang der Ausgang des Amplitudendemodulators liegt.

Diese Vorrichtung vermeidet die eingangs geschilderten Schwierigkeiten. Die Modulationsfrequenzen können bei der Vorrichtung nach der Erfindung beliebig niedrig gewählt und so eine eindeutige Phasenanzeige auch bei größeren Entfernungen erreicht werden. Bei der genannten bekannten Vorrichtung ist dies nicht angängig, weil sonst die Modulationsseitenbänder in den Übertragungsbereich des Zwischenfrequenzverstärkers fallen wurden, am Ausgang des Zwischenfrequenzverstärkers also keine Amplitudenmodulation vorhanden wäre, die für das Arbeiten dieser Vorrichtung Voraussetzung ist. Die

Eindeutigkeit der Phasenanzeige ist deshalb in diesem Fall auch nur auf dem Wege der Differenz-

bildung der Meßwerte zu erreichen. _;

Die Verzerrungen, die sich bei der Vorrichtung

nach der Erfindung aus der Nichtlinearität der Demodulationskennlinie ergeben, lassen sich entweder durch Verwendung eines quadratischen Amplitudendemodulators beseitigen oder dadurch verringern, daß der Modulationsindex des einen Trägerfrequenzgenerators kleiner gewählt wird als der des anderen. Auch an die Frequenzkonstanz der Trägerfrequenzgeneratoren brauchen keine besonderen Anforderungen gestellt zu werden, da die Bandbreite des Zwischenfrequenzverstärkers genügend groß gemacht werden kann. _;

Die Vorrichtung nach der Erfindung soll im folgenden an Hand des Blockschaltbildes der Zeich-

ao nung näher erläutert werden.

In der F i g. 2 ist wiederum links die in dem Punkt A befindliche Meßstation, rechts die in dem Punkt B befindliche Hilfsstation dargestellt. Jede Station enthält einen Mikrowellengenerator 11, der

as durch einen Rasterfrequenzgenerator 12 frequenzmoduliert wird. Die resultierende Ausgangsschwingung wird mit einem Sender 13 zu dem Empfänger 14 der jeweils anderen Station übertragen und in beiden Stationen in Mischstufen 15 mit der örtlich modulierten Trägerfrequenz gemischt. Von hier gelangt das Frequenzgemisch zu Zwischenfrequenzverstärkern 16, deren Bandbreite so gewählt ist, daß zumindest die Seitenbänder erster Ordnung der Frequenzmodulation durchgelassen werden. Nach der Amplitudenbegrenzung in Begrenzern 17 wird die durch die Überlagerung der beiden Modulationsschwingungen bedingte Frequenzmodulation mit Hilfe von Frequenzdemodulatoren 18 demoduliert und die als Ergebnis erhaltene Überlagerung der beiden ModulationsschwingungenAmplitudendemodulatoren 19 zugeführt, an deren Ausgängen die Differenzfrequenz der beiden Modulationsschwingungen entsteht.

Diese Differenzfrequenz wird im Punkt B als zweite Modulationsfrequenz nach eventueller Kodierung wiederum dem Generator 11 zugeführt und liefert im Punkt A nach Mischung in der Mischstufe 15, Verstärkung im Verstärker 16, Begrenzung im Begrenzer 17 und Frequenzdemodulation im Demodulator 18 und eventueller Dekodierung eine Vergleichsfrequenz, die einem Phasenmesser 20 zugeführt wird, an dessen anderem Eingang der Ausgang des Anplitudenmodulators 19 liegt.

Claims

Patentanspruch:

Auf dem Prinzip einer Messung der Laufzeit elektromagnetischer Schwingungen beruhende Vorrichtung zur Messung des Abstandes zweier voneinander entfernter Punkte, bei der in jedem Punkt kohärente frequenzmodulierte elektromagnetische Schwingungen ausgestrahlt werden, deren Modulationsfrequenzen einen kleinen Frequenzunterschied aufweisen, und in jedpm Punkt beide Trägerschwingungen einer Miscnstufe zut geführt werden, so daß die Differenzfrequenz der beiden Trägerschwingungen als 'Zwischenfrequenz entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenfrequenzverstärker, so

breitbandig sind, daß sie mindestens die Seitenbänder erster Ordnung noch verstärken, daß die Zwischenfrequenz zuerst amplitudenbegrenzt, dann frequenzdemoduliert und das entstehende Demodulationsergebnis nach Amplitudendemodulation zumindest in dem einen Punkt dem Träger als Zusatzmodulation aufgeprägt wird, die in dem anderen Punkt nach Demodulation dem einen Eingang eines Phasenmessers zugeführt wird, an dessen anderem Eingang der Ausgang des Amplitudendemodulators liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Schweizerische Patentschrift Nr. 348 430.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen