DE1298296B

DE1298296B - Schaltungsanordnung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE1298296B
Application number: DES105630A
Authority: DE
Inventors: Hoelscher Hobbe Dirk
Original assignee: South African Inventions Development Corp
Current assignee: South African Inventions Development Corp
Priority date: 1965-09-03
Filing date: 1966-08-31
Publication date: 1969-06-26
Also published as: CH451263A; GB1099917A; US3365717A

Description

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Es ist eine Schaltungsanordnung zur Entfernungs- pelspiegel. Am Instrument „ist ein Linsensystem 13 messung bekannt, bei der eine Meßfrequenz auf eine vorgesehen. Die Linse 13 ist vorzugsweise koaxial tnit Trägerfrequenz aufmoduliert wird, deren Wellenlänge dem Spiegelsystem 12 angeordnet. Der reflektierte im infraroten oder kurzwelligeren Bereich des Spek- Strahl wird im Instrument empfangen und läuft durch trams liegt, die modulierte Trägerfrequenz von einem 5 das Linsensystem 13, wo er auf eine Silizium-Photp-Punkt zu einem anderen gesendet und dort zum diode 14 auftrifft, in der der Strahl demoduliert wird, ersten Punkt reflektiert wird, die abgehende und die so daß die Meßfrequenz abgezogen wird, empfangene modulierte Trägerfrequenz in dem Im abgestrahlten Strahl ist ein Spiegel angeordnet, Sendepunkt demoduliert werden, um die abgehenden um einen Teil des abgestrahlten Trägers herauszuzie- und ankommenden Meßfrequenzen abzuleiten, die i₀ hen. Dieser Teil wird einer Abfang-Photodiode 16 zvf abgeleitete abgehende und ankommende Meßfre- geführt, die den'Strahl demoduliert, um die Meßfrequenz mit einer örtlich erzeugten Bezugsfrequenz ge- quenz herauszuziehen. Am Ausgang der Photodiode mischt werden, um zwei Vergleichsfrequenzen zu er- 16 steht also die Meßfrequenz, wie sie zum fernen zeugen, und die Phasenlagen dieser beiden Ver- Punkt abgestrahlt wird, und am Ausgang der Photogleichsfrequenzen verglichen werden, um ein Maß für ₁₅ diode 14 steht die Meßfrequenz, nachdem ihre Phadie Entfernung zwischen den beiden Punkten zu er- senlage durch den Abstand zwischen dem Instru-

halten. ment und dem fernen Punkt auf dem Hin- und Rück-

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung werden weg geändert worden ist.

zur Erzeugung der Vergleichsfrequenzen zwei Mi- Die beiden Meßfrequenzen werden an einen el©kscher verwendet, was einen hohen Schaltungsaufwand _ao tronischen Schalter 17 gegeben, der mit einer Ge-

bedeutet und überdies durch Instabilitäten der Schal- schwindigkeit arbeitet, die durch den Generator für

tungselemente zu Fehlerquellen für die Phasenmes- die Sehaltertaktspannung 18 bestimmt wird. Mittels

sung und damit die Entfernungsmessung führt. des Schalters 17 werden die beiden Meßfrequenzen

Durch die Erfindung soll eine Schaltungsanord- abwechselnd einem Mischer 19 über eine Anpasnung der eingangs genannten Art verfügbar gemacht _a5 sungsschaltung und einen abgestimmten Hochffe-

werden, bei der dieser Nachteil nicht auftritt, und das quenzverstärker 21 zugeführt.

wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ein ein- Dem Mischer 19 wird weiterhin eine Frequenz zu-

ziger Mischer dazu vorgesehen ist, die beiden Ver- geführt, die von einem Bezugsoszillator 22 für die

gleichsfrequenzen zu erzeugen, und daß erne Schalt- Vergleichsfrequenz, einem Phasendiskriminator 23 einrichtung vorgesehen ist, mit der die abgeleitete an- ₃₀ und einem Bezugsoszillator 24 erhalten wird; diese

kommende und abgehende Meßfrequenz abwechselnd Untergruppen sind so konstruiert, daß am Ausgang

dem Mischer zuführbar ist. des Mischers 19 eine genau festgelegte niedrige Fre-

Zum Vergleich der so erzeugten beiden Vergleichs- quenz steht, beispielsweise 10 kHz. Um diesen Punkt

frequenzen miteinander hat sich in der Praxis eine näher zu erläutern, soll angenommen werden, daß die spezielle Ausbildung der Schaltungsanordnung nach ₃₅ verwendete Meßfrequenz in einem bestimmten

der Erfindung bewährt, deren Besonderheit darin be- Augenblick 75,00 MHz ist. An den Ausgängen der,

steht, daß eine zweite Schalteinrichtung vorgesehen beiden Photodioden 16 und 14 stehen also"

ist, die mit der ersten Schalteinrichtung synchronisiert 75,00 MHz, und die Ausgangsspannung der Photd-

ist und mit der der Ausgang des Mischers abwech- diode 14 enthält die erforderliche Phaseninformation.

selnd mit einer von zwei Integriereinrichtungen ver- ₄₀ Auf Grund der schnellen Arbeit des Schalters 17

bunden wird, deren Ausgänge an eine Phasenver- werden Teile der Ausgangsspannungen von den

gleichsschaltung gelegt sind. Photodioden 14 und 16 abwechselnd dem Mischer t9

Die Erfindung soll an Hand eines in der Zeichnung zugeführt.

dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert D_er Bezugsoszillator 24 ist so konstruiert, daß er

werden. 45 eine Ausgangsspannung liefert, deren Frequenz gleich

Im folgenden sollen mit »senden« oder »abstrah- j_st der Differenz zwischen der Meßfrequenz und bei-

len« auch die Fälle bezeichnet werden, bei denen die spielsweise 10 kHz. In dem genannten Beispiel würde

Trägerfrequenz mittels eines geeigneten Reflektors also der Oszillator 24 eine Spannung von 74,090 MHz

einfach zurückgestrahlt wird. liefern. Diese wird dem Mischer 19 zugeführt, und die

Eine Licht emittierende Galliumarseniddiode 10 _5o Differenz von 75,00—74,090MHz, nämlich 1OkHz,

wird dazu verwendet, eine Trägerfrequenz zu liefern, wird erhalten.

die im infraroten Bereich des Frequenzspektrums D_er Ausgang des Mischers 19 wird einem weiteren liegt. Diese Trägerfrequenz wird mit einer Meßfre- Schalter 25 zugeführt, der synchron zum Schalter 17 quenz. amplitudenmoduliert, die von einem thermo- arbeitet. In einem bestimmten Augenblick wird also statgeregelten Oszillator 11 geliefert wird. Der Oszil- _{55 e}j_n "j/_eii der Meßfrequenz von der Diode 16 im Milator 11 kann auf irgendeine von verschiedenen Meß- _scner 19 der Bezugsfrequenz vom Oszillator 24 überfrequenzen umgeschaltet werden, die alle in der Grö- lagert, so daß ein Stück erste Vergleichsfrequenz geßenordnung von 75 MHz liegen. bildet wird, und im gleichen Augenblick wird dieses Wenn das Instrument dazu verwendet werden soll, Stück der ersten Vergleichsfrequenz einem Integrator den Abstand zwischen ihm selbst und einem be- 60 26 zugeführt. Zu einem anderen Zeitpunkt wird ein stimmten Punkt (im folgenden ferner Punkt genannt) Teil der Meßfrequenz von der Diode 14 im Mischer zu messen, wird der modulierte Träger durch einen 19 der Bezugsfrequenz vom Oszillator 24 überlagert, gefalteten Parabolspiegel an den fernen Punkt abge- so daß ein Stück der zweiten Vergleichsfrequenz gestrahlt, um einen engen Strahl Infrarotstrahlung zu bildet wird, und im gleichen Zeitpunkt wird das Stück erhalten. 65 der zweiten Vergleichsfrequenz einem zweiten Inte-

Am fernen Punkt wird der empfangene Träger ein- grator 27 zugeführt.

fach zum Instrument hin zurückreflektiert, dazu dient Der Integrator 26 erhält also ein zerhacktes

irgendein Reflektor, beispielsweise ein optischer Tri- 10-kHz-Signal, das aus der Meßfrequenz von der

Diode 16 abgeleitet ist, und der Integrator 27 erhält ein zerhacktes 10-kHz-Signal, das von der Meßfrequenz von der Diode 14 abgeleitet ist. Die zerhackten Signale werden in den Integratoren gefiltert, so daß die Grundfrequenz von 10 kHz geliefert wird. Die Ausgangsspannung des Integrators 26 wird durch einen Schmalbandverstärker 28 an eine Seite einer Phasenmeßschaltung gegeben, die aus einem bekannten Phasenschieber 29, einem phasenempfindlichen Gleichrichter 30 und einem Nullindikator 31 besteht. Der Ausgang des anderen Integrators 27 wird über einen Schmalbandverstärker 32 an die andere Seite des Phasenmessers gegeben.

Die Phasendifferenz zwischen den beiden Vergleichsfrequenzen, die ein Maß für den Abstand zwisehen dem Instrument und dem fernen Punkt ist, kann also in der üblichen Weise bestimmt werden. In der Praxis wird eine Anzahl Meßfrequenzen nacheinander auf den Träger moduliert, um Fein-, Grob- und mittelfeine Meßmuster zu erhalten. Der Bezugs-Oszillator 24 wird dann synchron mit dem Oszillator 11 geschaltet.

Durch Instabilitäten der Oszillatoren 11 und 24 kann sich die Vergleichsfrequenz von 10 kHz unterscheiden. Um das zu verhindern, wird ein Teil der Ausgangsspannung vom Verstärker 24 dem Diskriminator 23 zugeführt. Der Vergleichsfrequenzoszillator 22 wird auf 10 kHz eingestellt und seine Ausgangsspannung ebenfalls dem Diskriminator 23 zugeführt. Wenn der Diskriminator 23 einen Unterschied zwisehen seinen beiden Eingangsspannungen feststellt, wird ein Steuersignal an den Bezugsoszillator 24 geliefert, so daß dessen Frequenz nachgestellt wird, bis das Mischprodukt vom Mischer 19 genau auf 10 kHz abgestimmt ist.

Die Wahl der Trägerfrequenz ist nicht kritisch; um eine Divergenz des abgestrahlten Strahls und die Bildung von Keulen am Instrument zu verhindern, ist es erforderlich, daß die Wellenlänge der Trägerfrequenz 100 Mikron oder kleiner ist. Aus praktisehen Gründen liegt die obere Grenze der Trägerfrequenz bei einer Wellenlänge von 0,1 Mikron.

Es wurde festgestellt, daß etwas Sender-Modulationsleistung über einen elektrischen Weg in den Empfänger zurückgekoppelt wird, d. h. nicht über das reflektierte Licht. Um die erforderliche genaue Phasenanzeige (V3⁰ für eine Auslösung von 1 mm) zu erhalten, muß der Pegel von solchen wilden Signalen kleiner sein als 0,1% des Nutzsignals. Das ist nur schwer zu erreichen und über längere Zeitspannen beizubehalten. Wenn das Störsignal jedoch verhältnismäßig klein ist, kann die Wirkung dieser unerwünschten Kopplung auf folgende Weise erheblich herabgesetzt werden:

Die Phasenverschiebung durch die zu messende Weglänge soll Θ sein, das unerwünschte Signal in irgendeiner beliebigen Phasenlage soll einen Fehler von Φ der angezeigten Phase ^₁ hervorrufen. Dementsprechend ist

T₁ = Θ - Φ.

Wenn die Phasenlage des empfangenen Signals umgekehrt wird, ohne daß das Störsignal beeinflußt wird, ergibt sich als angezeigter Phasenwinkel

T₂ = {π + Θ) + Φ.

Wenn ψ₁ und ψ₂ addiert werden und π subtrahiert wird (d. h. bei einer Skala von 100 Skalenteilen Einheiten abgezogen werden), erhalten wir

Ψ = 2Θ.

Es ergibt sich also der doppelte Wert der wahren Phasenverschiebung, frei von Störungsfehlern. Diese Umkehr soll möglichst vorgenommen werden, ehe irgendeine Einstreuung stattfinden kann.

Diese Umkehrung wird deshalb mittels eines Schalters 33 vorgenommen.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Entfernungsmessung, bei der eine Meßfrequenz auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert wird, deren Wellenlänge im infraroten oder kurzwelligeren Bereich des Spektrums liegt, die modulierte Trägerfrequenz von einem Punkt zu einem anderen gesendet und dort zum ersten Punkt reflektiert wird, die abgehende und die empfangene modulierte Trägerfrequenz in dem Sendepunkt demoduliert werden, um die abgehenden und ankommenden Meßfrequenzen abzuleiten, die abgeleitete abgehende und ankommende Meßfrequenz mit einer örtlich erzeugten Bezugsfrequenz gemischt werden, um zwei Vergleichsfrequenzen zu erzeugen, und die Phasenlagen dieser beiden Vergleichsfrequenzen verglichen werden, um ein Maß für die Entfernung zwischen den beiden Punkten zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Mischer (19) dazu vorgesehen ist, die beiden Vergleichsfrequenzen zu erzeugen, und daß eine Schalteinrichtung (17) vorgesehen ist, mit der die abgeleitete ankommende und abgehende Meßfrequenz abwechselnd dem Mischer (19) zuführbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Schalteinrichtung (25) vorgesehen ist, die mit der ersten Schalteinrichtung (17) synchronisiert ist und mit der der Ausgang des Mischers (19) abwechselnd mit einer von zwei Integriereinrichtungen( 26, 27) verbunden wird, deren Ausgänge an eine Phasenvergleichsschaltung (29, 30, 31) gelegt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen