DE1548366A1

DE1548366A1 - Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE1548366A1
Application number: DE19661548366
Authority: DE
Inventors: Hossmann Dipl-El-Techn Marcel
Original assignee: Siemens Albis AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 1965-11-25
Filing date: 1966-09-16
Publication date: 1969-08-21
Also published as: CH430237A; NL6613422A; FR1499667A; SE328711B; US3511568A; GB1152516A; ES333636A1

Description

PATE NT ANWÄLTE

8 MÜNCHEN a

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ALBISWERK ZURICH A.G.. Zur i c h

Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung mit einem Sender zum Aussenden von moduliertem Licht und einem Empfänger zum Empfang des Lichts nach erfolgter Reflexion an einem am fernen Ende der Messstrecke liegenden Gegenstand sowie mit einer Anordnung zur Phasenmessung zwischen der Modulation des ausgesendeten und der Modulation des empfangenen Lichts.

Die bekannten Entfernungsmessverfahren beruhen auf der Messung der Signallaufzeit ^t über die doppelte Wegstrecke. Die Berechnung der Wegstrecke D erfolgt mit Hilfe der Zeit-Weg-Gleichung 2D = c · £* t. Dabei wird die genaue Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Trägerwelle im Medium bzw. in der Atmosphäre vorausgesetzt. Die Errechnung der tatsächlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit c aus der universellen Lichtgeschwin-

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digkeit im Vakuum erfolgt nach der Gleichung

wobei € die Dielektrizitätskonstante und μ die Permeabilitätskonstante der Atmosphäre ist. Für die Wellen im Lichtspektrum ist der Ausdruck ^I μ"¹ gleich gross wie der Brechungsindex η der Luft. Die Gleichung 1.) geht über ins

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwellen in der Atmosphäre ist frequenzabhängig (Dispersionseffekt); ausserdem ist die verwendete Welle keine mathematische Einzelschwingung, sondern besteht immer aus einem Frequenzband. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist daher immer gleich der Gruppengeschwindigkeit einer derartigen Frequenzgruppe. Für die Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit c_ ist die Kenntnis des Gruppenbre— chungsindexes n_ notwendig. Die Gleichung 2) geht damit über

in: c

^CGr - "ST ³>

Gr

Für die Berechnung des Gruppenbre chungsindexes n„ für Normalverhältnisse bei Verwendung von Lichtwellen gilt die Formel von EdIin:

(n_Gr - 1)1O⁷ = 2875.69 ₊ 3 ^f§* * 5 ^ψ 4)

λ λ

Für die Reduktion der Normalverhältnisse auf die herrschenden atmosphärischen Verhältnisse gilt:

ι ⁿGr - 1 P 5,5 · tö~⁸ _β _v

ⁿL ^{= 1 +} TTTi 7SÖ - 1 + at ^e 5)

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Dabei bedeuten: η = Brechungsindex bei wirklichen Verhältnissen, t β Lufttemperatur in °C, ρ » Luftdruck in mm Hg, α = Ausdehnungskoeffizient der Gase = O_tOOj66l und e = Partialdruck des Wasserdampf ec in nun Hg.

Aus der Formel 5) ergibt eich beispielsweise für eine Lichtvolle mit der Wellenlänge \ = O,5** um (gelbgrün) für At = - 1°C in den Bereichen O⁰C *· t ~ +20 C, 76Ο mm Hg ρ * 680 mm Hg, 0 mm - e * IO mm Hg ein Mittel für ^ + 1 · 10 ;

für Ap == i 1 mm Hg im Bereich 0°e ^t- +20⁰C ist An_L(t)'v - 0,4 · 10 und

für Ae = ί 1 mm Hg im Bereich O⁰C ^t- +20⁰C ist An.(tj^+ 5,3

Ein Vergleich dieser Einflüsse zeigt, dass die Einflüsse von Temperaturänderungen und Druckänderungen in der gleichen Grössenordnung liegen, während der Einfluss der Luftfeuchtigkeit bedeutend kleiner ist.

In bekannten Entfernungsmessgeräten auf elektro-optischer Grundlage wurde dieser Tatsache Rechnung getragen, indem die zur Modulation der Lichtwelle (effektive Messwelle) benötigte elektrische Schwingfrequenz durch einen mit trockener Luft gefüllten Hohlraumresonator kontrolliert wird, wobei sich der Druck tmd die Temperatur den Umwelteinflüssen anpassen kann.

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Wie weiter oben zu Formel 3) gesagt wurde, ist die Gruppengeschwindigkeit für den tatsächlichen Brechungsindex massgebend und nicht die Geschwindigkeiten der einzelnen Komponenten.

Zum Vergleich wird nachfolgend die Berechnung für die Modulationsfrequenz selbst, vorzugsweise im Mikrowellengebiet, unter Verwendung der Formel nach Essen und Froome angegeben:

β)tO"⁶ 6)

T ist dabei die absolute Temperatur in °K, ρ und β sind in mm einzusetzen. Für die gleichen Aenderungen in Temperatur, Druck und Feuchtigkeit ergeben sich:

+ 1,4 · 1O"⁶ .-6

Δη_Μ(ρ) ~ i 0,4 · 10
Δη_Μ(β> λ/ ί 6,2 · 10"⁶

Im Vergleich mit den Werten für Lichtwellen ist ersichtlich, dass die Werte in Abhängigkeit der Temperatur und des Drucks in der gleichen Grössenordnung liegen, bei Mikrowellen überwiegt jedoch der Einfluss der Luftfeuchtigkeit.

In der früher vorgeschlagenen Lösung wird die Wellenlänge der Modulationswelle den meteorologischen Verhältnissen angepasst. Für die Entfernungsmessung selbst wird diese Modulationswelle auf eine Trägerwelle moduliert, wodurch sie entsprechend der Gruppengeschwindigkeit beeinflusst wird. Ist diese Trägerwelle eine Lichtwelle, so ist deren Gruppengeschwindigkeit gemäss Formel 4) beeinflusst, während die Geschwindigkeit der Modula-

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tionswelle gemäss Formel 6) korrigiert wurde. Die Modulation erfährt damit eine Beeinflussung von der gleichen Gröaaanordnung wie im vorgesehenen Resonator. Um diese Einflüsse zu beseitigen, muss eine exakte Bestimmung der Frequenzen durchgeführt und die meteorologischen Einflüssse nachträglich ausgemerzt werden.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung liegt in der Schaffung einer eingangs beschriebenen Einrichtung zur Entfernungsmessung, bei der alle meteorologischen Einflüsse direkt kompensierbar sind und eine genaue Kenntnis der Frequenzen nicht notwendig ist, Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass eine anstelle des Messpfades einschaltbare, in der Umgebungsluft liegende Lichtschleife mit fester Länge angebracht ist und dass ein Oszillator mit veränderbarer Frequenz zur Abgleichung der Wellenlänge der Modulation auf die Länge der Lichtachleife vorgesehen 1st.

An Hand der beigelegten Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert;

In der Zeichnung ist eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung, schematisch dargestellt.

Der Sender besteht aus einer Lichtquelle 1, einem Modulator 2 und einem Messoszillator 3, dessen Schwingfrequenz einstellbar ist. Der Empfänger besteht seinerseits aus einem Demodulator 7 und einem Phasenindikator 8.

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Der Sender- und der Empfängereingang ist je mit einer Strahlaufspalteinrichtung k bzw. 6 versehen, wodurch wahlweise die Strahlen A und C bzw. C und D ausgesendet und entsprechend die Strahlen B und G bzw. C und D empfangen werden.

Am fernen Ende der Entfernung ist ein reflektierender Gegenstand 5t beispielsweise ein Spiegel, aufgestellt. Zur Messung des Phasenwinkels zwischen dem ausgesendeten Strahl C und dem empfangenen Strahl B ist eine verstellbare Lichtschleife 10 mit einer Vorrichtung 11 zur Bestimmung der Verstellung vorgesehen.

Der Strahl D ist über eine zweite Lichtschleife 9 geleitet. Diese letztere Lichtschleife ist mit fester SchleifenlMnge gebaut und liegt in der Umgebungsluft.

Die Messung der Entfernung zwischen dem Sender und dem reflektierenden Gegenstand 5 geschieht nach bekannter Weise, indem ein Lichtstrahl aus der Lichtquelle 1 im Modulator 2 mit einer Schwingung aus dem Oszillator 3 moduliert und als Strahl A ausgestrahlt wird. Dieser Strahl A wird im fernen Ende der Strecke reflektiert und gelangt als Strahl B über die verstellbare Lichtschleife 10 zusammen mit dem Strahl C auf den Demodulator 7 und erzeugt durch die entstehende Interferenz im Phasenindikätor β ein von der gegenseitigen Phasenlage der Strahlen B und C abhängiges Signal. Durch Verändern der verstellbaren Lichtschleife 1O ändert sich das Signal Im Phasenindikator 8.

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Wird nun vorgSngig der Messung eine Eiehmessung mit der bekannten Distanz (vorzugsweise der Distanz θ) ausgeführt! so ist die Verstellung der verstellbaren Lichtschleife 10 ein Mass für die gemessene Entfernung. Mit einer Vorrichtung 11 , die zur Hauptsache aus Zeigern und Skalen besteht, kann die Verstellung erfasst werden.

Diese Distanz ist durch die meteorologischen Verhältnisse verfälscht und muss durch Korrekturen gemäss den in der Einleitung angegebenen Formeln verbessert werden.

Mit der erfindungs gemäss en Einrichtung kann eine Eichung mit einer festgelegten Distanz vorgenommen werden« Indem die Strahlaufspaltungen h und 6 derart gestellt sind, dass die Strahlen C und D auf den Demodulator 7 gelangen, entsteht eine Interferenz, die am Phasenindikator 8 ein Signal bewirkt. Wird anschliessend die Schwingfrequenz des Oszillators 3 geändertx bis beispielsweise die- Interferenz das Signal Null ergibt, so ist die Wellenlänge der Modulation, bezogen auf die Gruppengeschwindigkeit des modulierten, Lichtstrahles, auf die Länge dea? festen. Licht schleif e 9 abgestimmt. Selbstverständlich muss dabei der Weg des Strahles C zwischen den zwei Strahläuf Spaltungen Λ und 6 berücksichtigt werden, indem beispielsweise diese Strecke in der verstellbaren Lichtschleife berücksichtigt ist. ·......

Wird die Entfernung anschliessend an eine derartige Eichung gemessen, so ist praktisch als Massstab nicht die Frequenz der

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Modulation als solche massgebend, sondern die Länge der festen Lichtschleife. Dies ist so zu verstehen, dass die Länge der Lichtschleife beispielsweise derart gewählt werden kann, dass sie gerade einer Einheit in einem Masssystem entspricht. Damit wird die Entfernung als Anzahl Längen dieser festen Lichtschleife gemessen.

24.11.1965
Wh/Luh

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Claims

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Patentanspruch.

Einrichtung zur 'elektro-optischen Entfernungsmessung mit einem Sender zum Aussenden von moduliertem"Licht und einem Empfänger zum Empfang des Lichts nach erfolgter Reflexion an einem am fernen Ende der Messstrecke liegenden Gegenstand sowie mit einer Anordnung zur Phasenmessung zwischen der Modulation des ausgesendeten und der Modulation des empfangenen Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass eine anstelle des Messpfades einschaltbare,
in der Umgebungsluft liegende Lichtschleife (9) mit fester Länge angebracht ist und dass ein Oszillator (3)
mit veränderbarer Frequenz zur Abgleichung der Wellenlänge der Modulation auf die Länge der Lichtschleife (9) vorgesehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED