DE1294686B

DE1294686B - Rueckstrahlentfernungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE1294686B
Application number: DEN25799A
Authority: DE
Inventors: Froome Keith Davy; Bradsell Robert Howard
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1963-11-11
Filing date: 1964-11-10
Publication date: 1969-05-08
Also published as: US3521956A; FR1513361A; US3508828A; GB1136567A; FR1415088A; DE1548488A1; GB1104021A

Description

Die Erfindung betrifft eine Rückstrahlentfernungsmeßeinrichtung, bei welcher die zu messende Entfernung dadurch bestimmt wird, daß eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt und die Modulationswellenlänge durch einen Hohlraumresonator oder Hohlraumresonatoren überwacht oder gesteuert wird, wobei die Entfernung in der Anzahl von Modulationswellenlängen ausgedrückt wird, die in dieser Entfernung enthalten sind.
Bei bekannten Meßeinrichtungen dieser Art mußte die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung unter Berücksichtigung der jeweils herrschenden atmosphärischen Bedingungen bekannt sein, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung war davon abhängig, mit welcher Genauigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit unter den jeweils herrschenden atmosphärischen Bedingungen bestimmt werden konnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rückstrahlentfernungsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung nicht erforderlich ist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Rückstrahlentfernungsmeßeinrichtung der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß dem Hohlraumresonator oder den Hohlraumresonatoren ein der Atmosphäre ausgesetzter Druckausgleichsbalg zugeordnet ist.
Da die erfindungsgemäße Meßvorrichtung unabhängig von der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit arbeitet, kann die Erfindung im Prinzip als ein Verfahren betrachtet werden, bei dem eine standardisierte lineare Abmessung (in diesem Fall die Abmessung eines Resonators) in die zu messende Entfernung geteilt wird. Die Genauigkeit der Messung ist daher von der Genauigkeit dieser Linearabmessung abhängig. Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung wird vorzugsweise unter Benutzung einer bekannten elektromagnetischen Strahlungsgeschwindigkeit geeicht, jedoch ist dabei, wie weiter unten noch nachgewiesen wird, die Kenntnis dieser Ausbreitungsgeschwindigkeit selbst nicht wesentlich für die Eichung.
Wenn als elektromagnetische Strahlung Licht benutzt wird, dann wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung jedem Hohlraumresonator eine Einrichtung zugeordnet, durch die die in ihm befindliche Luft getrocknet wird, denn der Brechungsindex von Licht ist im wesentlichen unabhängig von dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft, während der Brechungsindex der Mikrowellen, die ständig im Hohlraum vorhanden sind, von der Feuchtigkeit in hohem Maße abhängt. Durch die Trocknung können dann im wesentlichen die gleichen Bedingungen für die über die zu messende Entfernung laufende Strahlung und die Strahlung im Resonanzhohlraum erhalten werden.
Wenn statt dessen als Träger Mikrowellen benutzt werden, ist eine solche Trocknung nicht erforderlich, und sie kann dann tatsächlich unerwünscht sein, weil ohne Trocknung dann die gleichen Bedingungen innerhalb des Resonanzhohlraumes und über die zu messende Entfernung vorherrschen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt F i g. 1 einen Schnitt eines llohlraumresonators. der in Verbindung mit der beschriebenen Entfernungsmeßeinrichtung benutzbar ist F i g. 2 eine andere Ausführungsform eines Hohlraumresonators, der in Verbindung mit der beschriebenen Entfernungsmeßeinrichtung benutzbar ist.
Bei der beschriebenen Entfernungsmeßeinrichtung wird eine elektromagnetische Strahlung über die zu messende Entfernung auf einen entfernt liegenden Reflektor gerichtet, der die Strahlung über die gleiche Entfernung zurückkehren läßt. Die zurückkehrende Strahlung wird mit der ausgesandten Strahlung verglichen, und die Modulationsphasendifferenz dazwischen stellt ein Maß der Entfernung zwischen der Meßeinrichtung und dem Reflektor dar.
Die Modulation der elektromagnetischen Strahlung wird durch einen Standnrdhohlraumresonator 30 gesteuert.
Ein Ausführungsbeispiel eines solchen Standardhohlraumresonators ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Hohlraum weist einen äußeren zylindrischen Körper 40 auf, der z. B. aus Kupfer, plattiertem geschmolzenem Quarz oder kupferplattiertem »Invar« (geschütztes Warenzeichen) bestehen kann. Ein Stab 41 aus geschmolzenem Quarz oder »Invar« ist in der Mitte des Hohlkörpers 40 angeordnet und erstreckt sich axial zu diesem. Die Stange ist an einer Stirnwandung42 des Hohlraumes festgelegt. Die Länge des Stabes ist so gehalten, daß sie etwas kleiner als i*/4 ist, wobei R die gewünschte Hohlraumwellenlänge ist.
Das Innere des Hohlkörpers 40 und das Äußere des Stabes 41 sind silberplattiert und mit einem Goldüberzug versehen.
Koaxiale Leiter 43, 44 speisen Koppelschleifen 45, 46, die in der Stirnwand 42 des Hohlraumes angeordnet sind, und führen den Eingang bzw. den Ausgang des Hohlraumes. Der Hohlraum wirkt zusammen mit dem Stab 41 als Viertelwellenresonanzleitung, deren Wellenlänge durch die Länge des Stabes 41 bestimmt wird.
Der Hohlraum ist an dem der Stirnwand 42 entgegengesetzt liegenden Ende durch eine Scheidewand 47 abgeschlossen, die aus dem gleichen Werkstoff besteht wie der Hohlkörper 40 und vom Ende des Stabes 41 durch einen kleinen Luftspalt 48 getrennt ist.
Ein mittlerer Abstimmkolben 50 ist in der Scheidewand 47 direkt gegenüber dem Stab 41 gelagert und durch eine Schraubenführung axial auf das Ende des Stabes 41 hin und von diesem weg verstellbar. Die Axialbewegung des Abstimmkolbens 50 ändert die wirksame Kapazität CT zwischen dem Ende des Stabes 41 und dem Hohlkörper 40, und dadurch ändert sich die Resonanzwellenlänge des Hohlraumes. So kann der Abstimmkolben 50 zur Trimmeinstellung der H ohlraumwellenlänge benutzt werden.
Ein typischer Wert für die Trimmkap'izität CT, die durch den Luftspalt 48 gebildet wird, beträgt 0,1 pF.
Dadurch, daß der Stab 41 aus anderem Werkstoff gefertigt ist als der zylindrische Hohlkörper 40 des Resonators, wird bis zu einem gewissen Grad die Wirkung der Wärmeausdehnung auf die Hohlraumwellenlänge kompensiert. So kann z. B., wenn der Hohlkörper 40 aus Kupfer und der Stab 41 aus »Invir« besteht, erreicht werden, daß die Tendenz der Vergrößerung der Resonauzwellenlänge des Stabes 41 in folge der Wärmeausdehnung bei ansteigender Tempcratur durch das Ansteigen der Trimmkapazität (, unwirksam gemacht wird, die durch eine größere thermische Ausdehnung des llohlkörpers 40 hervorgerufen wird. Dieses AllStCigCn der Trimmkap;Lzität CT sucht die Resonanzfrequenz des Hohlraumes zu erhöhen.
Gemäß einer Betriebsart wird Luft vom Meßort kontinuierlich im Hohlraum durch Löcher 41 in der Scheidewand 47 umgewälzt, wobei die Luft in den Hohlraum über Leitungen 52 bzw. 53 eintritt bzw. diesen verläßt, die in der anderen Stirnwandung 54 des Hohlraumes angeordnet sind. Ein in der Zeichnung strichliert angedeutetes Filter 55 liegt in dem Raum zwischen der Scheidewand 47 und der Stirnwandung 54, um etwaige in der Luft enthaltene Schmutzteilchen festzuhalten.
Wie oben erwähnt, wird die durch den Hohlraum zirkulierende Luft vorzugsweise getrocknet, wenn die » träger«-Strahlung Licht ist (F i g. 2). Eine kontinuierliche Zirkulation trockner Luft durch den Hohlraum erfordert jedoch große Mengen von Trockenmitteln. Der Verbrauch von Trockenmitteln kann auf zweierlei Art und Weise vermindert werden, wobei beide Verfahren eine kontinuierliche Zirkulation von Luft in dem Hohlraum vermeiden. Die eine Möglichkeit besteht darin, den Hohlraum mit Ausnahme einer einzigen Leitung (z. B. der Leitung 52) abzudichten, die in eine nicht dargestellte Trockenkammer führt, welche Siliziumgel oder ein anderes geeignetes Trockenmittel enthält. Die Trockenkammer ist nach der Atmosphäre hin zum Ausgleich des Druckes im Hohlraum und in der Atmosphäre nur dann offen, wenn eine Distanzmessung durchgeführt wird, und dies geschieht dadurch, daß ein an der Kammer angeordnetes Absperrorgan geöffnet wird.
Statt dessen können Hohlraum und daran angeschlossen Trockenkammer auch beide ständig gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen sein. Diese Anordnung ist in F i g. 2 dargestellt, wobei der Resonanzhohlraum 30 im wesentlichen der gleiche ist wie in F i g. 2, und deshalb wurden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 2 zeigt die Anordnung von zwei Standardresonanzhohlräumen 30, die mit unter atmosphärischem Druck stehender trockener Luft angefüllt sind und von einem polierten Metallstrahlungsschirm 67 umgeben sind. Jeder Hohlraum steht mit einem Gefäß 68 in Verbindung, das mit einem Trockenmittel, z. B. Siliziumgel, angefüllt ist. Außerdem steht jeder Hohlraum 30 mit Druckausgleichsbiilgen 69 in Verbindung, die gewährleisten, daß der Druck innerhalb jedes Hohlraums immer dem atmosphärischen Druck entspricht. Ein Ventil 70 ermöglicht eine Entlüftung der Bälge 69 nach der Atmosphäre hin, falls dies erforderlich ist.
Bei beiden Ausführungsbeispielen, bei denen keine Zirkulation von Luft im Hohlraum erfolgt, ist es notwendig, den Hohlraum an einer solchen Stelle anzuordnen, daß er wenigstens annähernd auf Umgebungslufttemperatur steht, und der Hohlraum ist vorzugsweise von einer Stnihlungsabschirmung umgeben, um diesen Temperaturbereich zu unterstützen.
Wenn jedoch die Luft im Resonanzhohlraum nicht getrocknet ist, z. B. wenn eine Mikrowellenstrahlung benutzt wird oder wenn eine Feuchtigkeitskorrektur vorgenommen wird, ist es erwiinscht, die Luft durch den Hohlraum zirkulieren zu lassen, um zu gewährleisten, daß die relative Feuchtigkeit der Luft in dem Hohlraum die gleiche ist wie in der Atmosphäre 1100 Meßort. Die Feuchtigkeitskorrektur knnn dann iu der relativen Feuchtigkeitsmessung z. B. mittels eines herkömmlichen Hygrometers mit nasser und trockncr Kugel berechnet werden. Falls eine solche Anordnung nicht vorhanden ist, ist es im Falle der Anwendung von Mittelfrequenz oder Mikrowellenstrahlung erforderlich, einen weiteren Korrekturausdruck für die Differenz zwischen dem Wasserdampfdruck im Hohlraum und dem Durchschnittswasserdampfdruck über die Meßstrecke vorzusehen.
Ein Beispiel der »inhärenten« Brechungsindexkompensation, die durch die Erfindung bewirkt wird, soll unter Bezugnahme auf die Modulation vom gelben Natriumlicht in Luft bei Mittelfrequenz, bei VHF, bei UHF oder Mikrowellenfrequenzen beschrieben werden. Der Brechungsindex von Luft für moduliertes Natriumlicht ist µg = 1 + 108 . 10-6 P/t.
Der Brechungsindex für trockene Luft für die Modulationswellen (Mittelfrequenz, VHF, UHF oder Mikrowellenfrequenz) im Hohlraum ist µr = 1 + 104 # 10-6 P/t.
Dabei ist P der atmosphärische Druck in Millimeter Quecksilber und t die atmosphärische Temperatur in Absolutgraden ('K). Demgemäß wird das Verhältnis µq/a = 1 + P/t (108 - 104) 10-6 = 1 + 4P # 10-6/@ I'r durch das binomische Theorem, wobei die Ausdriicke von (P#10-6)/t der zweiten und höhcere Ordnungen unberücksichtigt bleiben, welche sehr klein sind.
Aus dem obigen Ausdruck wird es klar, daß der atmosphärische Druck und die Temperatur P bzw. t eine vernachlässigbare Wirkung auf das Verhältnis i haben, so daß nur eine Berechnung dieses Verhältnisses aus einigen atmosphärischen Standardbedingungen erforderlich ist (z. B. bei Normalnull, 760 mm Hg, 293 K). Unter solchen » Standard«-edingungen ist 4P/t annähernd 10, so daß µg/µr = 1,00001.
Wenn extreme atmosphärische Bedingungen auftreten, erzeugen die Wirkungen atmosphärischer Temperatur und des Druckes keine beträchtliche Veränderung in dem Wert des Verhältnisses µg/µr, der unter »Standard «-Bedingungen berechnet wurde. Wenn z. das Distanzmeßgerät, welches mit dem Verhältnis µg/µr berechnet unter Normalnull geeicht wurdc. 110 ciner Höhe von z. B. 18000 Fuß benutzt würde, dann lägeder Wert 4P/t über 5, so daß der» Standard»-Wert von µg dann nur einen Fehler von ungefäyre 5 Einheiten pro Millino ergeben würde. Die ungefähre Kenntnis der Hol@ ist natürlich ausreichend flir Zwoc ; iiicscr l. arektut. lillls erforderlich. Fiio soltethe Fehler @@@@@ allgemein kleinr sein als der @oterwähnte Fehlet. der daher rührt, daß die beiden Stellen, zwischen denen die Messung durchgeführt wird, auf verschiedenen Höhen liegen.
Ein weiteres Verfahren zur Kompensation des Brechungsindexes besteht darin, einen abgedichteten solcher Fehler würde allgemein kleiner sein als der Hohlraumresonator zu benutzen, in welchem eine vorbestimmte Menge von Gas oder Wasserdampf hohen Mikrowellenbrechungsindexes str eingebracht ist, um str gleich ,r, in dem Hohlraum zu machen. Ein solches Ergebnis kann unter »Standard«-Atmosphärenbedingungen z. B. dadurch erreicht werden, daß Wasserdampf unter 1,7 mm Druck oder trockenes Kohlendioxyd unter 40 mm Druck gemischt mit trockener Luft in den Hohlraum eingeführt wird.
Unter der Annahme, daß eine Einrichtung zum Druck-und Temperaturausgleich von innen und außen bezüglich des Hohlraumes vorgesehen ist, wird das Verhältnis l,g bei allen atmosphärischen Bedingungen unverändert bleiben.

Claims

Patentansprüche: 1. Rückstrahlentfernungsmeßeinrichtung, bei welcher die zu messende Entfernung dadurch bestimmt wird, daß eine modulierte elektromagnetische Strahlung ausgesandt und die Modulationswellenlänge durch einen Hohlraumresonator oder Hohlraumresonatoren überwacht oder gesteuert wird, wobei die Entfernung in der Anzahl von Modulationswellenlängen ausgedrückt wird, die in dieser Entfernung enthalten sind, d a -durch gekennzeichnet, daß dem Hohlraumresonator oder den Hohlraumresonatoren ein der Atmosphäre ausgesetzter Druckausgleichsbalg (69) zugeordnet ist.
2. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 unter Benutzung von Licht als elektromagnetische Strahlung. dadurch gekennzeichnet, daß jedem Hohlraumresonator eine Einrichtung (68) zur Trocknung der in ihm befindlichen Luft zugeordnet ist.
3. Entfernungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraumresonator einen in einem Hohlkörper (40) angeordneten Stab (41) aufweist, daß eine einstellbare Kapazität (48) zwischen dem Stab und dem Hohlkörper (40) vorgesehen ist und daß Material und Abmessungen von Stab (41) und Hohlkörper (40) so gewählt sind, daß die Wirkung der thermischen Ausdehnung auf die Wellenlänge des Resonanzhohlraumes im wesentlichen durch die Wirkung auf die Wellenlänge durch die Anderung der Kapazität (48) kompensiert wird, die durch die thermische Ausdehnung hervorgerufen wird.
4. Entfernungsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft in jedem Hohlraumresonator mit einer vorbestimmten Menge eines bestimmten Gases oder Dampfes mischbar ist, derart, daß der Brechungsindex der in dem Resonanzhohlraum befindlichen Luft im wesentlichen gleich dem Brechungsindex der Atmosphäre am Ort der Messung ist.
5. Entlernungsmeßeinriehtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere jeden Hohlraumresonators mit der Atmosphäre am Ort der Messung über Löcher (51) und Leitungen (52, 53) in Verbindung steht und daß eine Einrichtung (31, 32) vorgesehen ist, um am Ort der Messung befindliche Luft durch den Resonanzhohlraum zirkulieren zu las-