DE1623564B1

DE1623564B1 - Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege

Info

Publication number: DE1623564B1
Application number: DE1967S0113098
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl-Phys Dr Rer Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-12-01
Filing date: 1967-12-01
Publication date: 1971-08-26
Also published as: CH488196A; US3652161A; GB1235905A; FR1593402A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur deutigen Phasenmessung mit einer lediglich der Besei-Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem tigung der Vieldeutigkeit dienenden groben Laufzeit-Wege, bei dem die erwünschte Genauigkeit des Meß- messung einer Impulsflanke können nicht nur die Anergebnisses mittels einer vieldeutigen Phasenmessung forderungen an die Steilheit der Impulsflanke und die des dem optischen Träger aufmodulierten Meßsignals 5 Zählfrequenz des Zählers wesentlich herabgesetzt wergewonnen wird, sowie Anordnungen zur Durchfüh- den, sondern es ergibt sich hier in außerordentlich rung dieses Verfahrens. vorteilhafter Weise auch die Möglichkeit, für die AusMeßverfahren dieser Art sowie Anordnungen zu wertung der Phasenmessung und der Laufzeitmessung ihrer Durchführung machen von der Tatsache Ge- die gleiche Zähleinrichtung zu verwenden,
brauch, daß die Messung des Phasengangunterschiedes io Besonders günstig gestalten sich in diesem Zusamzwischen einer am Ort des Senders in einem bestimm- menhang die Verhältnisse dann, wenn das dem optiten Zeitpunkt abgestrahlten Meßwelle und ihrem Emp- sehen Träger aufmodulierte, einerseits unmittelbar fang nach zweimaligem Durchlauf der Meßstrecke und andererseits nach zweimaligem Durchlaufen der Entfernungsmessungen mit hoher Präzision ermögli- Meßstrecke empfangene Meßsignal in eine tiefere chen, da sich ein solcher Phasengangunterschied relativ 15 Frequenzlage umgesetzt, anschließend der Zähleinleicht mit hoher Genauigkeit ermitteln läßt. Die über richtung zur Auswertung auf getrennten Wegen zueine solche Phasengangunterschiedsmessung zu ermit- geführt und hierbei der Faktor der Frequenzumsetzung telnde Entfernung zwischen dem Sender und dem Ort, wenigstens gleich dem Verhältnis der zu fordernden an dem die ausgestrahlte Welle kollinear zur ankom- Meßgenauigkeit der Laufzeitmessung zur geforderten menden Welle reflektiert wird, läßt sich um so genauer 20 Meßgenauigkeit der Phasenmessung gewählt wird,
bestimmen, je höher die Frequenz des Meßsignals ge- Bei einer besonders bevorzugten Ausführung zur wählt ist. Dies bedeutet praktisch, daß die Meßstrecke Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, ein Vielfaches der Wellenlänge des Meßsignals betra- die im wesentlichen aus einem vom Meßsignal modugen muß, wenn das Meßergebnis die geforderte Ge- lierbaren optischen Sender und einem optoelektroninauigkeit gewährleisten soll. Sobald die Meßstrecke 25 sehen Empfänger mit nachgeschalteter Zähleinrichtung eine Wellenlänge des Meßsignals überschreitet, wird die besteht, ist die Modulationseinrichtung des optischen Phasenmessung vieldeutig. Um diese Vieldeutigkeit Senders sowohl für eine Modulation mit einer periodizu beseitigen, ist es erforderlich, mit verschiedenen sehen Modulationsgröße als auch für dessen Einzel-Wellenlängen zu messen. Hierbei wird am besten mit impulssteuerung ausgelegt. Der optoelektronische einer Wellenlänge des Meßsignals begonnen, die größer 30 Empfänger weist seinerseits einen ersten Kanal für das als die zu messende Entfernung ist, womit ein eindeuti- unmittelbar empfangene und einen zweiten Kanal für ges grobes erstes Meßergebnis erhalten wird. Ansehlie- das nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke ßend ist dann mit einer oder auch mehreren entspre- empfangene Meßsignal auf, von denen der erste Kanal chend kürzer gewählten Wellenlängen des Meßsignals ausgangsseitig mit dem ersten Steuereingang und der das zuerst erhaltene Grobergebnis zu verbessern. Je 35 zweite Kanal ausgangsseitig mit dem zweiten Steuergrößer der Meßbereich einer nach diesem bekannten eingang für »Start« und »Stop« der Zähleinrichtung in Verfahren arbeitenden Anordnung ist, um so größer Verbindung steht.

muß die Anzahl der umzuschaltenden Frequenzen des Der erste Kanal des optoelektronischen Empfängers Meßsignals sein und um so größer ist der schaltungs- dient der Ableitung des Startsignals und sein zweiter technische Aufwand. 40 Kanal der Ableitung des Stopsignals vom Meßsignal Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die für die Zähleinrichtung. Im einfachsten Falle kann das Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Meßsignal vom ersten Kanal unmittelbar vom Meß-Wege, wie sie insbesondere im Bereich der Geodäsie signalgenerator, also der Quelle für das Modulationsund des Bauwesens für Entfernungen von 100 bis signal des optischen Senders empfangen werden. In 3000 m mit einer geforderten Genauigkeit von ±2 bis 45 diesem Falle muß jedoch der Phasengang des Meßsi-10 cm zur Anwendung gelangt, ein Verfahren anzu- gnals zwischen dem Ausgang des Meßsignalgenerators geben, dessen praktische Durchführung bei den gege- und dem des optischen Senders bei der Messung bebenen Anforderungen einen relativ geringen schal- sonders berücksichtigt werden. Mitunter ist es deshalb tungstechnischen Aufwand bedingt. zweckmäßig, dem ersten Kanal des optoelektronischen Ausgehend von einem Verfahren zur Entfernungs- 50 Empfängers das Meßsignal vom Ausgang des optischen messung mit hoher Präzision auf optischem Wege, Senders unmittelbar zuzuführen,
bei dem die erwünschte Genauigkeit des Meßergeb- Bei der quadratischen Mischung eines ersten Signals nisses mittels einer vieldeutigen Phasenmessung des der Form
dem optischen Träger aufmodulierten Meßsignals ge- A · cos Co₁1
wonnen wird, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung 55

dadurch gelöst, daß zur Behebung der Vieldeutigkeit mit einem Signal der Form
in einem von der Phasenmessung getrennten Zeitraum eine grobe Laufzeitmessung einer Lichtimpuls- A · cos₂i
flanke vorgenommen wird.

An sich wäre es denkbar, die Messung der Ent- 60 entsprechend der mathematischen Beziehung
fernung ausschließlich auf die Laufzeitmessung einer

Impulsflanke zu beschränken. Bei den im Bereich der ,₂ /_cos _{ω t} 1 _cos _ω Λ2 (\\
Geodäsie und des Bauwesens benötigten Entfernungs- ¹
messungen würde jedoch die hier verlangte Genauigkeit eine Impulsflanke von 0,1 nsec und einen Zähler 65 ergibt sich eine Komponente mit der Differenz von mit einer Zählfrequenz von wenigstens 10 GHz er- Cu₁ — cu₂ nach der Beziehung
fordern, was einen hohen Aufwand bedeutet.
Durch die erfindungsgemäße Kombination einer viel- A² COs(CU₁ — Cu₂) t (2)

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In analoger Weise ergibt sich bei der quadratischen Empfängers benötigt. Es ist daher sinnvoll, diese bei-Mischung eines ersten Signals der Form den Kanäle zwischen dem Eingang des Umsetzers und

ihrem mit einem Steuerausgang der Zählvorrichtung A ■ cos ((U₁ 1 + Φ) verbundenen Ausgang für die Laufzeitmessung durch

5 Schalter zu überbrücken.

mit dem Signal der Form Eine zusätzliche vorteilhafte Verkleinerung des

schaltungstechnischen Aufwandes kann dadurch er-

A · COSO)₂/ reicht werden, daß der Generator für die Zählschwin

gung mit der Frequenz /1 der nach dem Start-Stop-

nach der mathematischen Beziehung io Prinzip arbeitenden Zähleinrichtung gleichzeitig die

Meßsignalquelle bildet und daß für die Abwärtsum-

[A² cos(ω_χt + Φ) + cos O)₂i]^a (3) setzung des vom optoelektronischen Empfänger emp

fangenen Signals in beiden Kanälen ein Umsetzgene-

eine Komponente mit der Frequenz Cu₁ — <w₂ nach der rator mit der Frequenz /2 vorgesehen ist, die der BeBeziehung 15 ziehung

[A* COS(O)₁ -ω^ί + Φ] (4) /2 si /1(1-«)

Ein Vergleich des Ausdruckes (2) mit dem Ausdruck (4) läßt sofort erkennen, daß sich beide Aus- genügt, wobei α das Verhältnis der zu fordernden drücke voneinander lediglich durch eine Phasenver- 20 Meßgenauigkeit bei der Laufzeitmessung zur geforschiebung um den Winkel Φ unterscheiden. Dies be- derten Meßgenauigkeit bei der Phasenmessung dardeutet, daß der bei der vieldeutigen Phasenmessung stellt.

zu ermittelnde Phasengangunterschied auch dann er- Insbesondere in diesem Zusammenhang ist es sinnhalten bleibt, wenn das unmittelbar vom Ausgang des voll, daß die beiden Steuereingänge für »start« und optischen Senders empfangene Meßsignal einerseits »5 »stop« der Zähleinrichtung die Steuereingänge einer und das in seinem Phasengang hierzu verzögerte, nach Torschaltung sind, die im Verbindungsweg zwischen zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangene dem Generator für die Zählschwingung und dem Zähler Meßsignal unter Zuhilfenahme einer Hilfsschwingung angeordnet ist.

in eine tiefere Frequenzlage mit einem um den Umset- Für die Ausbildung des optischen Senders gibt es zungsfaktor vergrößerten Zeitmaßstab für die zu mes- 30 mehrere vorteilhafte Möglichkeiten. Einerseits kann sende Phasendifferenz umgesetzt wird. Auf diese Weise der optische Sender durch eine Lumineszenzdiode ist es möglich, die Zählgeschwindigkeit des Zählers verwirklicht sein. Sie zeichnet sich durch eine und die Zählfrequenz des den Zähler speisenden Ge- relativ große Dauerleistung aus und hat darüber hinnerators an die zu fordernde Meßgenauigkeit der gro- aus den Vorteil, daß sie im Impulsbetrieb —- kurze Imben Laufzeitmessung anzupassen, weil die Anpassung 35 pulse vorausgesetzt —- wesentlich höhere Spitzenleider Zähleinrichtung an die geforderte Genauigkeit der stungen abgeben kann. An Stelle einer Lumineszenzvieldeutigen Phasenmessung ihrerseits durch Herab- diode kann auch eine Laserdiode verwendet werden, mischen des Meßsignals in beiden Kanälen des opto- die allerdings beim Stand der Technik nur bei Kühlung elektronischen Empfängers erzielt werden kann. Hier- in Dauerstrich betrieben werden kann. Sie hat die Vorzu weist zweckmäßig jeder der beiden Kanäle des opto- 40 teile höherer Leistung und Bündelung der Strahlung, elektronischen Empfängers, von denen wenigstens der Der optische Sender kann auch in vorteilhafter zweite Kanal eingangsseitig einen optoelektronischen Weise aus der Vereinigung einer Laserdiode für die Wandler mit Verstärker besitzt, einen Umsetzer und Laufzeitmessung (Impulsbetrieb) und einer Luminesein diesem Umsetzer in Übertragungsrichtung nach- zenzdiode für die Phasenmessung (kontinuierlicher geschaltetes impulsformendes Netzwerk auf, das für 45 Betrieb) mit zur Laserdiode kollinear ausgerichtetem die Ableitung eines Steuerimpulses aus dem Null- Strahlengang bestehen. Hierdurch läßt sich ein komdurchgang des in seiner Frequenz nach abwärts um- binatorischer Effekt insofern erzielen, als die höhere gesetzten Meßsignals ausgelegt ist, und zwar für eine Bündelung und Spitzenleistung der Laserdiode eine von der Richtung des Nulldurchgangs abhängige rasche und einfache Ausrichtung der kollinear justier-Polarität des daraus abgeleiteten Impulses. 50 ten Strahlung der Lumineszenzdiode ermöglicht.

Für die Durchführung der vieldeutigen Phasen- Auch kann der optische Sender ein Gaslaser sein,

messung wird es im allgemeinen ausreichen, wenn bei Ein solcher Gaslaser hat den Vorteil einer relativ hohen

Betätigen einer Taste einer der am Ausgang des im- Sendeleistung.

pulsformenden Netzwerks des ersten Kanals auftre- Auch kann ein Laser, insbesondere ein Gaslaser, tenden Impulse mit einer vorgegebenen Polarität den 55 darüber hinaus mit einer Einrichtung zur Impuls-Zähler startet und der darauffolgende Impuls mit glei- modulation unter Anwendung des Prinzips der Phacher Polarität am Ausgang des impulsformenden Netz- senkopplung seiner Emission ausgerüstet sein. Die auf ' werks des zweiten Kanals den Zähler wiederum stoppt. diesem Wege erzeugte periodische Impulsfolge kann Zu diesem Zwecke ist es angebracht, im Zuge des unmittelbar als ein auf einen optischen Träger aufmoersten Kanals des optoelektronischen Empfängers 60 duliertes Meßsignal angesehen werden und analog zu hinter dem impulsformenden Netzwerk einen elek- einem einem optischen Träger aufmodulierten sinustronischen Schalter anzuordnen, dessen Steuereingang f örmigen Meßsignal zur Phasenmessung herangezogen in Abhängigkeit einer zu betätigenden Taste ein kurz- werden. In diesem Falle ist dem Laser eine weitere als zeitiger, den elektronischen Schalter während seiner Torschaltung wirksame Modulationseinrichtung zuDauer schließender Impuls zugeführt wird. 65 zuordnen, die der Abtrennung einzelner Impulse aus

Bei der Durchführung der Laufzeitmessung werden der Impulsfolge für die Durchführung der Laufzeit-

weder die Umsetzer noch die impulsformenden Netz- messung dient,

werke in den beiden Kanälen des optoelektronischen Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel eines sol-

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chen für eine Impulsmodulation geeigneten Lasers be- zwischen der Zeit t = 0 und der Zeit t = ti wird

steht die Einrichtung zur Impulsmodulation aus einem mittels eines nach dem Start-Stop-Prinzip arbeitenden

elektrooptischen Kristall, an dem einer der beiden Zählers ausgemessen, der die ihm im Zeitabschnitt

Resonatorspiegel des Lasers so befestigt ist, daß der t = 0 bis t = ti zugeführten Zählschwingungen bzw.

durch einen Generator zu mechanischen Schwingun- 5 Zählimpulse / registriert.

gen angeregte elektrooptische Kristall die Resonator- Wie bereits ausgeführt worden ist, macht das erlange des Lasers periodisch verändert. Die periodische findungsgemäße Verfahren von der Kombination einer impulsförmige Strahlung kommt hierbei dadurch zu- vieldeutigen Phasenmessung und einer eindeutigen stände, daß die Periode der Schwingung dieses Genera- Laufzeitmessung einer Impulsflanke Gebrauch. Dators gleich der einfachen oder doppelten, auf die mitt- io bei ergibt sich die Möglichkeit, die für die Laufzeitlere Resonatorlänge bezogenen Laufzeit der Emission messung erforderliche Zähleinrichtung für die vielinnerhalb des Resonators gewählt ist. deutige Phasenmessung dadurch mit auszunutzen, daß

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Aus- die Zähleinrichtung analog zur Laufzeitmessung den

führungsbeispielen soll die Erfindungimf olgendennoch Zeitabstand zwischen dem Nulldurchgang einer ab-

näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet 15 gehenden Welle M und dem darauffolgenden gleich-

Fig. la, Ib die schematische Darstellung der artigen Nulldurchgang der WeIIeM' entsprechend

Messung einer Entfernung nach der Phasenmethode, F i g. Ib, also in der Zeitebene, ermittelt.

F i g. 2 die schematische Darstellung der Entfer- Um die Zähleinrichtung nicht an die hohe Meß-

nungsmessung nach der Laufzeitmethode, genauigkeit der vieldeutigen Phasenmessung — hohe

F i g. 3 das Blockschaltbild eines nach dem Verfah- 20 Zählfrequenz in der Größenordnung von 10 bis

ren nach der Erfindung arbeitenden Entfernungs- 100 GHz — anpassen zu müssen, was einen sehr

messers, großen Aufwand bedeuten würde, besteht, wie be-

F i g. 4 ein optischer Sender nach der Erfindung, reits ausgeführt worden ist, die Möglichkeit, den auf

F i g. 5 ein Zeitdiagramm der periodischen Impuls- die Phase bezogenen Zeitmaßstab durch Frequenzfolge beim optischen Sender nach der F i g. 4. 25 umsetzung und zwar durch Frequenzherabsetzung,

In der Fig. la bedeutet S einen Spiegel, dessen mindestens so weit zu vergrößern, daß die Auf orderun-Entfernung vom Standort des Entfernungsmessers aus gen an die Zählgeschwindigkeit der Zähleinrichtung ermittelt werden soll. Die vom optischen Entfernungs- lediglich auf die von der Laufzeitmessung zu formesser ausgehende Welle M wird am Spiegel S re- dernden Meßgenauigkeit beschränkt werden können, flektiert und läuft hierzu kollinear als Welle M' zum 30 Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für einen Entfernungsmesser zurück. Der Phasengangunter- optischen Entfernungsmesser zeigt die F i g. 3, Der schied zwischen der Welle M und der Welle M' am modulierbare optische Sender ist mit 1 und sein durch Ort des Entfernungsmessers ist ein Maß für seine zwei- eine Taste 2 steuerbares Versorgungsaggregat mit 3 fache Entfernung vom Ort des Spiegels S und kann, bezeichnet. Das dem modulierbaren optischen Sender wie in der F i g. 1 angedeutet, dadurch in einfacher 35 aufzumodulierende Meßsignal wird seinem Modula-Weise gewonnen werden, daß der zeitliche Abstand tionseingang über einen Schalter 4 vom Zählgenerazweier in gleicher Richtung verlaufenden Nulldurch- tor 5 für die Zähleinrichtung zugeführt. Mit einem gänge bei beiden Wellen M und M' ausgewertet wird. zweiten Ausgang steht der Zählgenerator 5 über eine In der Fig. la beginnt die Messung beim Null- steuerbare Torschaltung 6 mit dem Eingang eines Zähdurchgang der Welle M zur Zeit t = 0 und endet beim 40 lers 7 in Verbindung, dessen Zählergebnis im Verlauf Nulldurchgang der Welle M' im Zeitpunkt t = ti. einer Messung einer Anzeigevorrichtung 8 zugeführt Die Messung ist hier eindeutig, da der Abstand des wird. Das vom optischen Sender abgegebene Licht-Entfernungsmessers vom Ort des Spiegels S kleiner ist signal wird über einen Strahlteiler 9 und eine erste als eine Wellenlänge des verwendeten Meßsignals. Optik 10 ausgesendet, am Ende der Meßstrecke von Wegen der relativ geringen Phasenänderung des Meß- 45 einem Spiegel zum Entfernungsmesser zurückrefteksignals längs der zu messenden Strecke ist die Meß- tiert, und über eine zweite Optik 11 einem optoelektrogenauigkeit entsprechend gering. Dieses Meßergebnis nischen, das empfangene Signal gleichzeitig verstärläßt sich, wie das die Fig. la entsprechende Zeit- kenden Wandler 12 zugeführt. Der optoelektronische diagramm der F i g. Ib erkennen läßt, durch Erhöhen Wandler ist, in Übertragungsrichtung des Meßsignals der Frequenz des Meßsignals bzw. der Verkürzung 50 gesehen, die eingangsseitige Baugruppe des zweiten seiner Wellenlänge erheblich verbessern. Die Auflösung Kanals des optoelektronischen Empfängers, an den wird dabei um so besser, je größer die Vieldeutigkeit sich ein Umsetzer 13 und ein impulsformendes Netzauf Grund der höheren Meßsignalfrequenz wird. Bei werk 14 anschließen. Der erste Kanal des optoelektroder Fi g. Ib lassen sich auf der Meßstrecke mehr als nischen Empfängers, der über den Strahlteiler 9 einen sechs Wellenlängen des Meßsignals unterbringen. 55 kleinen Anteil des vom optischen Sender 1 ausge-Das Meßergebnis, das sich hier durch die Zeitdifferenz sandten, vom Meßsignal modulierten Lichtstrahls zwischen t = 0 und t = ti' darstellt, ist somit in empfängt, besteht aus einer Fotodiode 12' mit ansechsfacher Hinsicht vieldeutig. Diese Vieldeutigkeit schließendem Verstärker 12". In Übertragungsrichwird durch die Messung nach der F i g. 1 a beseitigt. tung folgen hinter dem Verstärker in Übereinstimmung

Eine weitere grundlegende Methode der Entfer- 60 mit dem zweiten Kanal des optoelektronischen Emp-

nungsmessung zeigt das Schema nach der F i g. 2, bei fängers wiederum ein Umsetzer 13' und ein impuls-

der wiederum die Entfernung des Entfernungsmessers formendes Netzwerk 14'. Im Unterschied zum zweiten

vorn Ort des Spiegels S ermittelt werden soll. Diese Kanal weist der erste Kanal hinter dem impulsf ormen-

Messung erfolgt hier durch die Laufzeitmessung einer den Netzwerk 14' noch einen elektronischen Schalter

Impulsflanke eines Impulses, der vom Entfernungs- 65 15 auf, über den der erste Kanal ausgangsseitig mit

messer zur Zeit t = 0 ausgesendet, am Spiegel S re- dem Steuereingang »start« der Torschaltung 6 verbun-

flektiert und zur Zeit t = ti am Ort des Entfernungs- den ist. Beim zweiten Kanal ist der Ausgang des im-

messers wiederum empfangen wird. Die Zeitdifferenz pulsformenden Netzwerks 14 unmittelbar mit dem

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Steuereingang »stop« der Torschaltung 6 verbunden. können also unmittelbar zur Steuerung der Tor-Der Umsetzer 13', das impulsformende Netzwerk und schaltung 6 herangezogen werden,
der elektronische Schalter 15 des ersten Kanals des Ein spezielles Ausführungsbeispiel für einen opti-

optoelektronischen Empfängers ist ferner durch einen sehen Sender zeigt F i g. 4. Es handelt sich hierbei um Schalter 16' überbrückt. In gleicher Weise sind der 5 einen Laser, bei dem in der optischen Achse eines aus Umsetzer 13 und das impulsformende Netzwerk 14 zwei Spiegeln 20 und 20' bestehenden optischen Redes zweiten Kanals von einem Schalter 16 überbrückt. sonators ein aktives Material 21, beispielsweise ein in Die Steuereingänge der im Ruhezustand geöffneten einem rohrförmigen Glaskörper untergebrachtes akti-Schalter 16 und 16' und des im Ruhezustand geschlos- ves Gas, sowie eine Modulationseinrichtung angeordsenen Schalters 4 sind gemeinsam über eine im Ruhe- io net sind. Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 4 zustand offene Taste 17 an eine Gleichspannungs- besteht diese Modulationseinrichtung aus einer Polariquelle 18 anschaltbar. sationsweiche 22 und einer Kerrzelle 23, die über ihre

Den beiden Umsetzern 13 und 13' ist ein Umsetz- Elektroden an den Ausgang einer steuerbaren Spangenerator 19 gemeinsam, dessen Frequenz /2 sich ent- nungsquelle 24 mit Taste 25 angeschaltet ist. Die für sprechend den vorausgegangenen Erläuterungen zur 15 die Erzeugung einer stimulierten Emission erforder-Frequenz /1 des Zählgenerators 5 nach der Beziehung liehe, dem aktiven Material zuzuführende Energie ist

in der F i g. 4 der Einfachheit halber durch drei zu-

/2 g /1 (1 — oi) einander parallele, auf das aktive Material 21 ausge-

bemißt. richtete Pfeile angedeutet. Der Spiegel 29 steht in

Soll beispielsweise die Meßgenauigkeit der Phasen- 20 fester Zuordnung zu einem elektrooptischen Kristall messung um den Faktor 1000 besser sein als die Meß- 26, der durch einen Generator 27 zu mechanischen genauigkeit der Laufzeitmessung, so beträgt« = 10~³. Schwingungen in Richtung der Resonatorachse an-

In der dargestellten Schaltstelhmg der Schalter 4,16 geregt wird. Zur Gewinnung einer linear polarisierten und 16' befindet sich die Meßanordnung in Arbeits- Strahlung sind die Stirnflächen des aktiven Materials 21 stellung »Phasenmessung«. In dieser Arbeitsstellung 25 gegen die Resonatorachse unter dem sogenannten wird der optische Sender 1 von dem das Meßsignal Brewsterschen Winkel angeschnitten,
liefernden Zählgenerator 5 moduliert. Das dem opti- Die die Polarisationsebene in Abhängigkeit der an

sehen Träger aufmodulierte Meßsignal wird unmittel- ihren Elektroden anliegenden Steuerspannung drebar vom ersten Kanal und nach zweimaligem Durch- hende Kerrzelle 23 ist im Arbeitszustand »Phasenlaufen der Meßstrecke vom zweiten Kanal des opto- 3° messung« hinsichtlich ihrer Steuerspannung so beelektronischen Empfängers empfangen, in die ge- messen, daß ein Teil der zwischen den Spiegeln hin wünschte niedrigere Frequenzlage umgesetzt und an- und her reflektierten stimulierten Emission beim schließend aus den Nulldurchgängen die Steuerim- Durchlaufen des Polarisators 22, entsprechend dem in pulse für die Torschaltung 6 der Zähleinrichtung ab- unterbrochener Linie dargestellten Pfeil, teilweise geleitet. Die Weitergabe der am Ausgang des impuls- 35 schräg nach oben aus dem Resonator ausgekoppelt formenden Netzwerks 14' des ersten Kanals des opto-: wird. Die mechanische Schwingung des elektrooptielektronischen Empfängers auftretenden Impulse an sehen Kristalls 26 verändert im Rhythmus der Freden Steuereingang »start« der Torschaltung 6 wird zu- quenz der Schwingung des Generators 27 die Länge nächst durch den elektronischen Schalter 15 verhindert. des aus den Spiegeln 20 und 20' bestehenden opti-Zur Durchführung einer Phasenmessung wird diesem 4° sehen Resonators. Die Periode einer Schwingung elektronischen Schalter 15 über einen Steuereingang des Generators 27 ist gleich der auf die mittlere ein kurzzeitiger Impuls zugeführt, während dessen Länge / des Resonators bezogenen einfachen oder Dauer dieser Schalter geschlossen wird. Die Dauer doppelten Laufzeit der Strahlung im Resonator geeines Steuerimpulses ist dabei so bemessen, daß ledig- wählt, so daß die Lichtquanten, die in Abhängigkeit lieh ein Impuls durchgelassen wird. Dieser schließt 45 ihrer Reflexion zwischen den beiden Spiegeln dadurch die Torschaltung 6 und verbindet damit den Ausgang stets die gleiche Resonatorlänge vorfinden, daß sie den des Zählgenerators 5 mit dem Eingang des Zählers 7. Spiegel 20 immer im Nulldurchgang der mechanischen Der Zähler 7 zählt die Schwingungen des Zählgenera- Schwingung des elektrooptischen Kristalls 26 erreitors 5 bis zu dem Zeitpunkt, in dem der nächste chen, für die Ausbildung einer stimulierten Emission Impuls vom Ausgang der Impulsschaltung 14 des 50 besonders begünstigt sind. Es findet mit anderen Worzweiten Kanals des optoelektronischen Empfängers ten hier eine Impulsmodulation der stimulierten Emisan den Steuereingang »stop« der Torschaltung 6 ge- sion unter Ausnutzung einer Phasenkopplung durch langt, durch den die Verbindung des Zählgenerators 5 periodische Störung des optischen Resonators statt, mit dem Zähler 7 wiederum unterbrochen wird. In der F i g. 5 ist ein Zeitdiagramm der von einem

Bei Schließen der Taste 17 werden der Schalter 4 55 Generator nach der F i g. 4 erzeugten periodischen geöffnet und die Schalter 16 und 16' geschlossen. Die Lichtimpulsfolge für den Fall gezeigt, daß die Periode Meßanordnung befindet sich jetzt in der Arbeitsstel- der Schwingung des Generators 27 gleich dem Verlung »Laufzeitmessung«. Beim Ausführungsbeispiel hältnis aus der zweifachen mittleren Länge / zur der F i g. 3 ist angenommen, daß die impulsf örmige Lichtgeschwindigkeit c bemessen ist. Diese Impuls-Steuerung des optischen Senders 1 durch eine impuls- 60 folge stellt praktisch ein einem Lichtträger aufmoduförmige Steuerung der ihm für seinen Betrieb zuzufüh- liertes periodisches Meßsignal dar und kann entsprerenden Energie vorgenommen wird. Hierzu dient die chend den Ausführungen zur F i g. 3 zur Entfernungs-Taste 2. Da nunmehr das zu empfangende Meßsignal messung herangezogen werden. Der Phasenmessung jeweils ein Einzelimpuls ist, werden die Umsetzer und beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 entspricht impulsformenden Netzwerke in den beiden Kanälen 65 dann bei Verwendung eines optischen Senders nach des optoelektronischen Empfängers nicht benötigt. F i g. 4 eine Impulsphasenmessung. Am Prinzip des Die in den optoelektronischen Wandlern in elektrische schaltungstechnischen Aufbaus, wie er am Ausfüh-Impulse umgesetzten und verstärkten Lichtimpulse rungsbeispiel der F i g. 3 erläutert worden ist, braucht

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sich, dabei nichts zu ändern, da die Pulsfolge nach der F i g. 5 analog zu einer sinusförmigen Meßgröße in gleicher Weise in eine gewünschte tiefere Frequenzlage herabgemischt werden kann. Der Generator 27 kann dabei entsprechend dem Generator S nach der F i g. 5 zusätzlich die Funktion des Zählgenerators für den Zähler ausüben.

Für die Durchführung der Laufzeitmessung ist es lediglich erforderlich, von der Impulsfolge nach der F i g. 5 einen einzelnen Impuls entsprechend der un- α ο terbrochen gezeichneten Linie abzutrennen. Das geschieht beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 4 dadurch, daß die Kerrzelle 23 für die Arbeitsstellung »Laufzeitmessung« im Ruhezustand keine Steuerspannung erhält, so daß die impulsförmige stimulierte Emission mangels Drehung ihrer Polarisationsebene beim Durchlaufen der Kerrzelle nicht gedreht wird und somit auch keine Auskopplung über die Polarisationsweiche 22 erfolgt. Das Auskoppeln eines einzelnen Impulses aus dem Resonator kann nunmehr in einfächer Weise durch, entsprechend kurzzeitiges Anlegen einer ausreichend groß bemessenen Steuerspannung an die Elektroden der Kerrzelle 23 herbeigeführt werden. Zweckmäßig ist die steuerbare Spannnungsquelle 23 mit einer Triggereinrichtung versehen, die synchronisiert vom Generator 27 bei Drücken der Taste 25 einen solchen Steuerspannungsimpuls zeitrichtig auslöst. Der Vorteil der Anordnung nach der F i g. 4 ist in diesem Zusammenhang darin zu erblicken, daß die Schaltgeschwindigkeit der Kenzelle nur in der Größen-Ordnung des Impulsabstandes 2ljc liegen muß, während die für die Laufzeitmessung erforderliche ausreichend steile Impulsflanke vom Laser her automatisch gegeben ist.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege, bei dem die erwünschte Genauigkeit des Meßergebnisses mittels einer vieldeutigen Phasenmessung des dem optischen Träger aufmodulierten Meßsignals gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Behebung der Vieldeutigkeit in einem von der Phasenmessung getrennten Zeitraum eine grobe Laufzeitmessung einer Lichtimpulsflanke vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung der Phasenmessung und der Laufzeitmessung die gleiche Zähleinrichtung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem optischen Träger aufmodulierte Meßsignal (Ai) einerseits unmittelbar und andererseits nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangen, in eine tiefere Frequenzlage umgesetzt und anschließend der Zähleinrichtung zur Auswertung auf getrenntem Wege zugeführt wird und daß der Faktor der Frequenzumsetzung wenigstens gleich dem Verhältnis der zu fordernden Meßgenauigkeit der Laufzeitmessung zur geforderten Meßgenauigkeit der Phasenmessung gewählt wird.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem vom Meßsignal modulierbaren optischen Sender und einem optoelektronischen Empfänger mit nachgeschalteter Zähleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung des optischen Senders (1) sowohl für eine Modulation mit einer periodischen Modulationsgröße als auch für dessen Einzelimpulssteuerung ausgelegt ist und daß der optoelektronische Empfänger einen ersten Kanal für das unmittelbar empfangene Meßsignal (M) und einen zweiten Kanal für das nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangene Meßsignal (M') aufweist, von denen der erste Kanal ausgangsseitig mit dem ersten Steuereingang und der zweite Kanal ausgangsseitig mit dem zweiten Steuereingang für »start« und »stop« der Zähleinrichtung in Verbindung steht.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Kanal des optoelektronischen Empfängers das Meßsignal vom Ausgang des optischen Senders (1) unmittelbar zugeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Kanäle des optoelektronischen Empfängers, von denen wenigstens der zweite Kanal eingangsseitig einen optoelektronischen Wandler (12) mit Verstärker besitzt, einen Umsetzer (13,13') und ein diesem Umsetzer (12, 12') in Übertragungsrichtung nachgeschaltetes impulsformendes Netzwerk (14,14') aufweist, das für die Ableitung eines Steuerimpulses aus dem Nulldurchgang des in seiner Frequenz nach abwärts umgesetzten Meßsignals ausgelegt ist, und zwar für eine von der Richtung des Nulldurchgangs abhängige Polarität des daraus abgeleiteten Impulses.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des ersten Kanals des optoelektronischen Empfängers hinter dem impulsformenden Netzwerk (14') ein elektronischer Schalter (15) angeordnet ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle des optoelektronischen Empfängers zwischen dem Eingang des Umsetzers und ihrem mit einem Steuereingang (»start«, »stop«) der Zählvorrichtungen verbundenen Ausgang für die Laufzeitmessung durch Schalter (16, 16') überbrückbar sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (S) für die Zählschwingung mit der Frequenz /1 der nach dem Start-Stop-Prinzip arbeitenden Zähleinrichtung gleichzeitig die Meßsignalquelle bildet und daß für die Abwärtsumsetzung des vom optoelektronischen Empfänger empfangenen Meßsignals in beiden Kanälen ein Umsetzgenerator (19) mit der Frequenz/2 vorgesehen ist, die der Beziehung

/2 g /1 (1 - «)

genügt, wobei α das Verhältnis der zu fordernden Meßgenauigkeit bei der Laufzeitmessung zur geforderten Meßgenauigkeit bei der Phasenmessung darstellt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuereingänge für »start« und »stop« der Zähleinrichtung die Steuereingänge einer Torschaltung sind, die im Verbindungsweg zwischen dem Generator (5) für die Zählschwingung und dem Zähler (7) angeordnet ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) eine Lumineszenzdiode ist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) eine Laserdiode ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) aus der Vereinigung einer Laserdiode für die Laufzeitmessung und einer Lumineszenzdiode ι ο für die Phasenmessung mit zur Laserdiode kollinearem Strahlengang besteht.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) ein Gaslaser ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß der optische, einen Laser darstellende Sender, insbesondere ein Gaslaser, mit einer Einrichtung zur

Impulsmodulation unter Anwendung des Prinzips der Phasenkopplung seiner Emission ausgerüstet ist und ihm außerdem eine weitere als Torschaltung wirksame Modulationseinrichtung zugeordnet ist, die der Abtrennung einzelner Impulse aus der Impulsfolge für die Durchführung der Laufzeitmessung dient.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Impulsmodulation ein elektrooptischer Kristall (26) ist, an dem einer der beiden Resonatorspiegel (20) des Lasers so befestigt ist, daß der durch einen Generator zu mechanischen Schwingungen angeregte elektrooptische Kristall die Resonatorlänge des Lasers periodisch verändert und daß die Periode der Schwingung dieses Generators gleich der einfachen oder doppelten, auf die mittlere Resonatorlänge bezogenen Laufzeit der Emission innerhalb des Resonators gewählt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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