DE1623564C2 - Anordnung zur Impulslaufzeit- und Modulationsphasendifferenz-Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege.

Anordnungen dieser Art machen von der Tatsache Gebrauch, daß die Messung des Phasengangunterschiedes zwischen einer am Ort des Senders in einem bestimmten Zeitpunkt abgestrahlten elektromagnetischen Meßwelle und ihrem Empfang nach zweimaligem Durchlauf der Meßstrecke genaue Entfernungsmessungen ermöglicht. Der Phasengangunterschied zwischen dem Sender und dem Ort, an dem die ausgestrahlte Welle kollinear zur ankommenden Welle reflektiert wird, läßt sich um so genauer bestimmen, je höher die Frequenz des Meßsignals gewählt ist. Dies bedeutet praktisch, daß die Meßstrecke ein Vielfaches der Wellenlänge des Meßsignals betragen muß, wenn das Meßergebnis die geforderte Genauigkeit gewährleisten soll. Sobald die Meßstrecke eine Wellenlänge des Meßsignals überschreitet, wird die Phasenmessung vieldeutig. Um diese Vieldeutigkeit zu beseitigen, ist es bekannt, mit verschiedenen Wellenlängen zu messen.

Dabei wird am besten mit einer Wellenlänge des Meßsignals begonnen, die größer als die zu messende Entfernung ist, womit ein eindeutiges grobes erstes Meßergebnis erhalten wird. Anschließend ist dann mit

einer oder auch mehreren entsprechend kürzer gewählten Wellenlängen des Meßsignals das zuerst erhaltene Grobergebnis zu verbessern. Je größer der Meßbereich einer nach diesem bekannten Verfahren arbeitenden Anordnung ist, um so größer muß die Anzahl der umzuschaltenden Frequenzen des Meßsignals sein, und um so größer ist der schaltungstechnische Aufwand.

Durch die US-PS 32 98 024 ist bereits eine Anordnung zur Entfernungsmessung bekannt, die sowohl für eine Laufzeitmessung einer Impulsflanke (Grobmessung) als auch eine Phasendifferenzmessung eines periodischen Meßsignals ausgelegt ist Das Meßsignal für die Grobmessung wird bei dieser bekannten Anordnung dadurch erhalten, daß in das periodische Meßsignal im Abstand einer vorgegebenen Anzahl von Signalperioden ein Meßimpuls eingeblendet wird. Die Laufzeitgrobmessung und die Phasenfeinmessung werden gleichzeitig ausgeführt, so daß für beide Meßvorgänge getrennte Auswerteeinrichtungen vorgesehen sein müssen. Hierzu weist die Meßanordnung neben dem vom Meßsignal modulierbaren Sender und dem Empfänger für jede der beiden Auswerteeinrichtungen einen ersten Kanal für das unmittelbar empfangene Meßsignal und einen zweiten Kanal für das nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangene Meßsignal auf. Die Auswerteeinrichtung für die Laufzeitgrobmessung ist bei der bekannten Anordnung eine Zähleinrichtung, deren Steuereingängen für Start und Stop die ausgangsseitigen Signale der beiden Kanäle über eine Impulsformerschaltung zugeführt sind. Für die Phasenfeinmessung ist eine Phasenmeßeinrichtung vorgesehen, deren beiden Eingängen die ausgangsseitigen Signale der beiden Kanäle ebenfalls zugeführt sind. Bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit ergibt sich auch bei dieser bekannten Anordnung ein hoher technischer Aufwand. Dieser hohe technische Aufwand ergibt sich durch die bei hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit erzwungene hohe Frequenz des Meßsignals, das entsprechend hohe Anforderungen an die Zählgenauigkeit der Zähleinrichtung und die Empfindlichkeit der Phasenmeßeinrichtung stellt.

Wie die CH-PS 4 30 238 zeigt, kann der Aufwand für die Phasenmeßeinrichtung bei elektrooptischen Entfernungsmessern mit hoher Präzision dadurch herabgesetzt werden, daß die in beiden Kanälen ankommenden Signale mittels einer Umsetzeinrichtung in eine niedere Frequenzlage umgesetzt werden, bevor sie der eigentlichen Phasenmeßeinrichtung zugeführt werden.

Weiterhin ist es durch das »Handbuch der Vermessungskunde«, 10. Ausgabe, Bd. 6, J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, 1966, Seite 312,4. Abs., in Verbindung mit Seite 454, 2. Abs, bekannt, die eigentliche Phasenmeßeinrichtung als digitale Phasenmeßeinrichtung in Gestalt einer Zähleinrichtung auszubilden.

An sich wäre es zwar denkbar, die Messung der Entfernung ausschließlich auf die Laufzeitmessung einer Impulsflanke zu beschränken. Bei den im Bereich der Geodäsie und des Bauwesens benötigten Entfernungsmessungen würde jedoch die hier verlangte Genauigkeit eine Impulsflanke von 0,1 nsec und einen Zähler mit einer Zählfrequenz von wenigstens 10 GHz erfordern, was einen hohen Aufwand bedeutet

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege, wie sie insbesondere im Bereich der Geodäsie und des Bauwesens für Entfernungen von 100 bis 3000 m mit einer geforderten Genauigkeit von ± 2 bis ± 10 cm zur Anwendung gelangt, eine Anordnung anzugeben, die mit einem möglichst geringen technischen Aufwand auskommt.

Ausgehend von einer Anordnung zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege, die sowohl für eine Laufzeitmessung einer Impulsflanke (Grobmessung) als auch eine Phasendifferenzmessung eines periodischen Meßsignals ausgelegt ist, bestehend aus einem vom Meßsignal modulierbaren optischen Sender und einem optoelektronischen Empfänger, bei der der optoelektronische Empfänger einen ersten Kanal für das unmittelbar empfangene Meßsignal und einen zweiten Kanal für das nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangene Meßsignal aufweist und bei der die beiden Kanäle für' die Durchführung der Laufzeitmessung ausgangsseitig mit den Steuereingängen für »start« und »stop« einer Zählvorrichtung in Verbindung stehen, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Modulationseinrichtung des optischen Senders wahlweise für eine Modulation mit einer periodischen Modulationsgröße und eine Einzelimpulssteuerung ausgelegt ist, daß ferner beide Kanäle des optoelektronischen Empfängers hinter den eingangsseitigen optoelektronischen Wandlern eine für die Laufzeitgrobmessung der Lichtimpulsflanke unwirksame und für die Phasenfeinmessung wirksame Schaltungsanordnung aufweisen, die· in Übertragungsrichtung aus der Hintereinanderschaltung eines die Meßsignalfrequenz /1 erniedrigenden Umsetzers und eines ihm nachgeschalteten impulsformenden Netzwerks bestehen, und daß die Frequenz /2 des beiden Umsetzern gemeinsamen Umsetzoszillators der Beziehung

genügt, wobei λ das Verhältnis der zu fordernden Meßgenauigkeit bei der Laufzeitgrobmessung zur geforderten Meßgenauigkeit bei der Phasenfeinmessung darstellt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Zähleinrichtung für die Laufzeitgrobmessung zugleich als Phasenmeßeinrichtung für die Phasenfeinmessung ausgenutzt werden kann, wenn die Meßsignalfrequenz für die Phasenfeinmessung mittels gleichförmiger Umsetzung in den beiden Kanälen des optoelektronischen Empfängers in ihrer Frequenz an die Zähleinrichtung unter Berücksichtigung der gewünschten Meßgenauigkeit angepaßt wird.

Zweckmäßig ist das impulsformende Netzwerk in den beiden Kanälen für die Ableitung eines Steuerimpulses aus dem Nulldurchgang des in seiner Frequenz /1 nach abwärts umgesetzten Meßsignals ausgelegt, und zwar für eine von der Richtung des Nulldurchgangs abhängige Polarität des daraus abgeleiteten Impulses.

Für die Durchführung der vieldeutigen Phasenmessung wird es im allgemeinen ausreichen, wenn bei Betätigen einer Taste einer der am Ausgang des impulsformenden Netzwerks des ersten Kanals auftretenden Impulse mit einer vorgegebenen Polarität den Zähler startet und der darauffolgende Impuls mit gleicher Polarität am Ausgang des impulsformenden Netzwerks des zweiten Kanals den Zähler wiederum stoppt. Zu diesem Zwecke ist es angebracht, im Zuge des ersten Kanals des optoelektronischen Empfängers hinter dem impulsformenden Netzwerk einen elektronischen Schalter anzuordnen, dessen Steuereingang in

Abhängigkeil einer zu betätigenden Taste ein kurzzeitiger, den elektronischen Schaller während seiner Dauer schließender Impuls zugeführt wird.

Bei der Durchführung der Laufzeitmessung werden weder die Umsetzer noch die impulsformenden Netzwerke in den beiden Kanälen des optoelektronischen Empfängers benötigt. Es ist daher sinnvoll, diese beiden Kanäle zwischen dem Eingang des Umsetzers und ihrem mit einem Steuerausgang der Zählvorrichtung verbundenen Ausgang für die Laufzeitmessung durch Schalter zu überbrücken.

Eine zusätzliche vorteilhafte Verkleinerung des schaltungstechnischen Aufwandes kann dadurch erreicht werden, daß der Generator der aus einem Zähler mit Anzeigevorrichtung, einer Torschaltung und diesem Generator bestehenden Zähleinrichtung gleichzeitig die Meßsignalquelle bildet.

Für die Ausbildung des optischen Senders gibt es mehrere vorteilhafte Möglichkeiten. Einerseits kann der optische Sender durch eine Lumineszenzdiode verwirklicht sein. Sie zeichnet sich durch eine relativ große Dauerleistung aus und hat darüber hinaus den Vorteil, daß sie im Impulsbetrieb — kurze Impulse vorausgesetzt — wesentlich höhere Spitzenleistungen abgeben kann. An Stelle einer Lumineszenzdiode kann auch eine Laserdiode verwendet werden, die allerdings beim Stand der Technik nur Kühlung in Dauerstrich betrieben werden kann. Sie hat die Vorteile höherer Leistung und Bündelung der Strahlung.

Der optische Sender kann auch in vorteilhafter Weise aus der Vereinigung einer Laserdiode für die Laufzeitmessung (Impulsbetrieb) und einer Lumineszenzdiode für die Phasenmessung (kontinuierlicher Betrieb) mit zur Laserdiode kollinear ausgerichtetem Strahlengang bestehen. Hierdurch läßt sich ein kombinatorischer Effekt insofern erzielen, als die höhere Bündelung und Spitzenleistung der Laserdiode eine rasche und einfache Ausrichtung der kollinear justierten Strahlung der Lumineszenzdiode ermöglicht.

Auch kann der optische Sender ein Gaslaser sein. Ein solcher Gaslaser hat den Vorteil einer relativ hohen Sendeleistung.

Auch kann ein Laser, insbesondere ein Gaslaser, darüber hinaus mit einer Einrichtung zur Impulsmodulation unter Anwendung des Prinzips der Phasenkopplung seiner Emission ausgerüstet sein. Die auf diesem Wege erzeugte periodische Impulsfolge kann unmittelbar als ein auf einen optischen Träger aufmoduliertes Meßsignal angesehen werden und analog zu einem einem optischen Träger aufmodulierten sinusförmigen Meßsignal zur Phasenmessung herangezogen werden. In diesem Falle ist dem Laser eine weitere als Torschaltung wirksame Modulationseinrichtung zuzuordnen, die der Abtrennung einzelner Impulse aus der Impulsfolge für die Durchführung der Laufzeitmessung dient.

Bei einem einfachen Ausführungsbeispiel eines solchen für eine Impulsmodulation geeigneten Lasers besteht die Einrichtung zur Impulsmodulation aus einem elektrooptischen Kristall, an dem einer der beiden Resonatorspiegel des Lasers so befestigt ist, daß der durch einen Generator zu mechanischen Schwingungen angeregte elektrooptische Kristall die Resonatorlänge des Lasers periodisch verändert Die periodische impulsförmige Strahlung kommt hierbei dadurch zustande, 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.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet Fig. la, Ib die schematische Darstellung der Messung einer Entfernung nach der Phasenmethode,

F i g. 2 die schematische Darstellung der Entfernungsmessung nach der Laufzeitmethode,

F i g. 3 das Blockschaltbild eines nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitenden Entfernungsmessers,
F i g. 4 ein optischer Sender nach der Erfindung,
F i g. 5 ein Zeitdiagramm der periodischen Impulsfolge beim optischen Sender nach der F i g. 4.

In der Fig. la bedeutet S einen Spiegel, dessen Entfernung vom Standort des Entfernungsmessers aus ermittelt werden soll. Die vom optischen Entfernungsmesser ausgehende Welle M wird am Spiegel 5 reflektiert und läuft hierzu kollinear als Welle M' zum Entfernungsmesser zurück. Der Phasengangunterschied zwischen der Welle M und der Welle M' am Ort des Entfernungsmessers ist ein Maß für seine zweifache Entfernung vom Ort des Spiegels 5und kann, wie in der Fi g. 1 angedeutet, dadurch in einfacher Weise gewonnen werden, daß der zeitliche Abstand zweier in gleicher Richtung verlaufenden Nulldurchgänge bei beiden Wellen M und M' ausgewertet wird. In der Fig. la beginnt die Messung beim Nulldurchgang der Welle M zur Zeit f=0 und endet beim Nulldurchgang der Welle M' im Zeitpunkt i= t1. Die Messung ist hier eindeutig, da der Abstand des Entfernungsmessers vom Ort des Spiegels S kleiner ist als eine Wellenlänge des verwendeten Meßsignals. Wegen der relativ geringen Phasenänderung des Meßsignals längs der zu messenden Strecke ist die Meßgenauigkeit entsprechend gering. Dieses Meßergebnis läßt sich, wie das die Fig. la entsprechende Zeitdiagramm der Fig. Ib erkennen läßt, durch Erhöhen der Frequenz des Meßsignals bzw. der Verkürzung seiner Wellenlänge erheblich verbessern. Die Auflösung wird dabei um so besser, je größer die Vieldeutigkeit auf Grund der höheren Meßsignalfrequenz wird. Beider Fig. Ib lassen sich auf der Meßstrecke mehr als sechs Wellenlängen des Meßsignals unterbringen. Das Meßergebnis, das sich hier durch die Zeitdifferenz zwischen i=0 und t=tV darstellt, ist somit in sechsfacher Hinsicht vieldeutig. Diese Vieldeutigkeit wird durch die Messung nach der Fig. la beseitigt.

Eine weitere grundlegende Methode der Entfernungsmessung zeigt das Schema nach der F i g. 2 bei der wiederum die Entfernung des Entfernungsmessers vom Ort des Spiegels S ermittelt werden soll. Diese Messung erfolgt hier durch die Laufzeitmessung einer Impulsflanke eines Impulses, der vom Entfernungsmesser zur Zeit i=0 ausgesendet, am Spiegel S reflektiert und zur Zeit i=fl am Ort des Entfernungsmessers wiederum empfangen wird. Die Zeitdifferenz zwischen der Zeit f=0 und der Zeit i= ί 1 wird mittels eines nach dem Start-Stop-Prinzip arbeitenden Zählers ausgemessen, der die ihm im Zeitabschnitt i=0 bis i= 11 zugeführten Zählschwingungen bzw. Zählimpulse /registriert.

Wie bereits ausgeführt worden ist, macht das erfindungsgemäße Verfahren von der Kombination einer vieldeutigen Phasenmessung und einer eindeutigen Laufzeitmessung einer Impulsflanke Gebrauch.

Dabei ergibt sich die Möglichkeit, die für die Laufzeitmessung erforderliche Zähleinrichtung für die vieldeutige Phasenmessung dadurch mit auszunutzen, daß die Zähleinrichtung analog zur Laufzeitmessung

den Zeitabstand zwischen dem Nulldurchgang einer abgehenden Welle M und dem darauffolgenden gleichartigen Nulldurchgang der Welle M' entsprechend F i g. 1 b, also in der Zeitebene, ermittelt,

Um die Zähleinrichtung nicht an die hohe Meßgenauigkeit der vieldeutigen Phasenmessung — hohe Zählfrequenz in der Größenordnung von 10 bis 100 GHz — anpassen zu müssen, was einen sehr großen Aufwand bedeuten würde, besteht, wie bereits ausgeführt worden ist, die Möglichkeit, den auf die Phase bezogenen Zeitmaßstab durch Frequenzumsetzung, und zwar durch Frequenzherabsetzung, mindestens so weit zu vergrößern, daß die Anforderungen an die Zählgeschwindigkeit der Zähleinrichtung lediglich auf die von der Laufzeitmessung zu fordernden Meßgenauigkeit beschränkt werden können.

Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel für einen optischen Entfernungsmesser zeigt die F i g. 3. Der modulierbare optische Sender ist mit 1 und sein durch eine Taste 2 steuerbares Versorgungsaggregat mit 3 bezeichnet. Das dem modulierbaren optischen Sender aufzumodulierende Meßsignal wird seinem Modulationseingang über einen Schalter 4 vom Zählgenerator 5 für die Zähleinrichtung zugeführt. Mit einem zweiten Ausgang steht der Zählgenerator 5 über eine steuerbare Torschaltung 6 mit dem Eingang eines Zählers 7 in Verbindung, dessen Zählergebnis im Verlauf einer Messung einer Anzeigevorrichtung 8 zugeführt wird. Das vom optischen Sender abgegebene Lichtsignal wird über einen Strahlteiler 9 und eine erste Optik 10 ausgesendet, am Ende der Meßstrecke von einem Spiegel zum Entfernungsmesser zurückreflektiert, und über eine zweite Optik 11 einem optoelektronischen, das empfangene Signal gleichzeitig verstärkenden Wandler 12 zugeführt. Der optoelektronische Wandler ist, in Übertragungsrichtung des Meßsignals gesehen, die eingangsseitige Baugruppe des zweiten Kanals des optoelektronischen Empfängers, an den sich ein Umsetzer 13 und ein impulsformendes Netzwerk 14 anschließen. Der erste Kanal des optoelektronischen Empfängers, der über den Strahlteiler 9 einen kleinen Anteil des vom optischen Sender 1 ausgesandten, vom Meßsignal modulierten Lichtstrahls empfängt, besteht aus einer Fotodiode 12' mit anschließendem Verstärker 12". In Übertragungsrichtung folgen hinter dem Verstärker in Übereinstimmung mit dem zweiten Kanal des optoelektronischen Empfängers wiederum ein Umsetzer 13' und ein impulsformendes Netzwerk 14'. Im Unterschied zum zweiten Kanal weist der erste Kanal hinter dem impulsformenden Netzwerk 14' noch einen elektronischen Schalter 15 auf, über den der erste Kanal ausgangsseitig mit dem Steuereingang »start« der Torschaltung 6 verbunden ist. Beim zweiten Kanal ist der Ausgang des impulsformenden Netzwerks 14 unmittelbar mit dem Steuereingang »stop« der Torschaltung 6 verbunden. Der Umsetzer 13', das impulsformende Netzwerk und der elektronische Schalter 15 des ersten Kanals des optoelektronischen Empfängers ist ferner durch einen Schalter 16' überbrückt. In gleicher Weise sind der Umsetzer 13 und das impulsformende Netzwerk 14 des zweiten Kanals von einem Schalter 16 überbrückt. Die Steuereingänge der im Ruhezustand geöffneten Schalter 16 und 16' und des im Ruhezustand geschlossenen Schalters 4 sind gemeinsam über eine im Ruhezustand offene Taste 17 'an eine Gleichspannungsquelle 18 anschaltbar.

Den beiden Umsetzern 13 und 13' ist ein Umsetzgenerator 19 gemeinsam, dessen Frequenz /2 sich entsprechend den vorausgegangenen Erläuterungen zur Frequenz f\ des Zählgenerators 5 nach der Beziehung

bemißt.

Soll beispielsweise die Meßgenauigkeit der Phasenmessung um den Faktor 1000 besser sein als die Meßgenauigkeit der Laufzeitmessung, so beträgt (X=IO-³.

ίο In der dargestellten Schaltstellung der Schalter 4, 16 und 16' befindet sich die Meßanordnung in Arbeitsstellung »Phasenmessung«. In dieser Arbeitsstellung wird der optische Sender 1 von dem das Meßsignal liefernden Zählgenerator 5 moduliert. Das dem optischen Träger tj aufmodulierte Meßsignal wird unmittelbar vom ersten Kanal und nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke vom zweiten Kanal des optoelektronischen Empfängers empfangen, in die gewünschte niedrigere Frequenzlage umgesetzt und anschließend aus den Nulldurchgängen die Steuerimpulse für die Torschaltung 6 der Zähleinrichtung abgeleitet. Die Weitergabe der am Ausgang des impulsformenden Netzwerks 14' des ersten Kanals des optoelektronischen Empfängers auftretenden Impulse an den Steuereingang »start« der Torschaltung 6 wird zunächst durch den elektronischen Schalter 15 verhindert. Zur Durchführung einer Phasenmessung wird diesem elektronischen Schalter 15 über einen Steuereingang ein kurzzeitiger Impuls zugeführt, wähVend - dessen Dauer dieser Schalter geschlossen wird. Die Dauer eines Steuerimpulses ist dabei so bemessen, daß lediglich ein Impuls durchgelassen wird. Dieser schließt die Torschaltung 6 und verbindet damit den Ausgang des Zählgenerators 5 mit dem Eingang des Zählers 7. Der Zähler 7 zählt die Schwingungen des Zählgenerators 5 bis zu dem Zeitpunkt, in dem der nächste Impuls vom Ausgang der Impulsschaltung 14 des zweiten Kanals des optoelektronischen Empfängers an den Steuereingang »stop« der Torschaltung 6 gelangt, durch den die Verbindung des Zählgenerators 5 mit dem Zähler 7 wiederum unterbrochen wird.

Bei Schließen der Taste 17 werden der Schalter 4 geöffnet und die Schalter 16 und 16' geschlossen. Die Meßanordnung befindet sich jetzt in der Arbeitsstellung »Laufzeitmessung«. Beim Ausführungsbeispiel der F i g. 3 ist angenommen, daß die impulsförmige Steuerung des optischen Senders 1 durch eine impulsförmige Steuerung der ihm für seinen Betrieb zuzuführenden Energie vorgenommen wird. Hierzu dient die Taste 2.

Da nunmehr das zu empfangende Meßsignal jeweils ein Einzelimpuls ist, werden die Umsetzer und impulsformenden Netzwerke in den beiden Kanälen des optoelektronischen Empfängers nicht benötigt. Die in den optoelektronischen Wandlern in elektrische Inpulse umgesetzten und verstärkten Lichtimpulse können also unmittelbar zur Steuerung der Torschaltung 6 herangezogen werden.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel für einen optischen Sender zeigt F i g. 4. Es handelt sich hierbei um einen Laser, bei dem in der optischen Achse eines aus zwei Spiegeln 20 und 20' bestehenden optischen Resonators ein aktives Material 21, beispielsweise ein in einem rohrförmigen Glaskörper untergebrachtes aktives Gas, sowie eine Modulationseinrichtung angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 4 besteht diese Modulationseinrichtung aus einer Polarisationsweiche 22 und einer Kerrzelle 23, die über ihre Elektroden an den Ausgang einer steuerbaren Span-

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nungsquelle 24 mit Taste 25 angeschaltet ist. Die für die Erzeugung einer stimulierten Emission erforderliche, dem aktiven Material zuzuführende Energie ist in der Fig. 4 der Einfachheit halber durch drei zueinander parallele, auf das aktive Material 21 ausgerichtete Pfeile angedeutet. Der Spiegel 20 steht in fester Zuordnung zu einem elektrooptischen Kristall 26, der durch einen Generator 27 zu mechanischen Schwingungen in Richtung der Resonatorachse angeregt wird. Zur Gewinnung einer linear polarisierten Strahlung sind die Stirnflächen des aktiven Materials 21 gegen die Resonatorachse unter dem sogenannten Brewsterschen Winkel angeschnitten.

Die die Polarisationsebene in Abhängigkeit der an ihren Elektroden anliegenden Steuerspannung drehende Kerrzelle 23 ist im Arbeitszustand »Phasenmessung« hinsichtlich ihrer Steuerspannung so bemessen, daß ein Teil der zwischen den Spiegeln hin und her reflektierten stimulierten Emission beim Durchlaufen des Polarisators 22, entsprechend dem in unterbrochener Linie dargestellten Pfeil, teilweise schräg nach oben aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Die mechanische Schwingung des elektrooptischen Kristalls 26 verändert im Rhythmus der Frequenz der Schwingung des Generators 27 die. Länge des aus den Spiegeln 20 und 20' bestehenden optischen Resonators. Die Periode einer Schwingung des Generators 27 ist gleich der auf die mittlere Länge / des Resonators bezogenen einfachen oder doppelten Laufzeit der Strahlung im Resonator gewählt, so daß die Lichtquanten, die in Abhängigkeit ihrer Reflexion zwischen den beiden Spiegeln dadurch stets die gleiche Resonatorlänge vorfinden, daß sie den Spiegel 20 immer im Nulldurchgang der mechanischen Schwingung des elektrooptischen Kristalls 26 erreichen, für die Ausbildung einer stimulierten Emission besonders begünstigt sind. Es findet mit anderen Worten hier eine Impulsmodulation der stimulierten Emission unter Ausnutzung einer Phasenverdopplung durch periodische Störung des optischen Resonators statt.

In der Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm der von einem Generator nach der Fig.4 erzeugten periodischen Lichtimpulsfolge für den Fall gezeigt, daß die Periode der Schwingung des Generators 27 gleich dem Verhältnis aus der zweifachen mittleren Länge / zur Lichtgeschwindigkeit c bemessen ist. Diese Impulsfolge stellt praktisch ein einem Lichtträger aufmoduliertes periodisches Meßsignal dar und kann entsprechend den Ausführungen zur Fig.3 zur Entfernungsmessung herangezogen werden. Der Phasenmessung beim Ausführungsbeispiel nach der F i g. 3 entspricht dann bei Verwendung eines optischen Senders nach Fig.4 eine Impulsphasenmessung. Am Prinzip des schaltungstechnischen Aufbaus, wie er am Ausführungsbeispiel der F i g. 3 erläutert worden ist, braucht 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 5 nach der Fig. 5 zusätzlich die Funktion des Zählgenerators für den Zähler ausüben.

Für die Durchführung der Laufzeitmessung ist es lediglich erforderlich, von der Impulsfolge nach der Fig.5 einen einzelnen Impuls entsprechend der unterbrochen gezeichneten Linie abzutrennen. Das geschieht beim Ausführungsbeispiel nach der Fig.4 dadurch, daß die Kerrzelle 23 für die Arbeitsstellung »Laufzeitmessung« im Ruhestand 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 einfacher Weise durch entsprechend kurzzeitiges Anlegen einer ausreichend groß bemessenen Steuerspannung an die Elektroden der Kerrzelle 23 herbeigeführt werden. Zweckmäßig ist die steuerbare Spannungsquelle 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 Fig.4 ist in diesem Zusammenhang darin zu erblicken, daß die Schaltgeschwindigkeit der Kerrzelle nur in der Größenordnung des Impulsabstandes 211c liegen muß, während die für die Laufzeitmessung erforderliche ausreichend steile Impulsflanke vom Laser her automatisch gegeben ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Entfernungsmessung mit hoher Präzision auf optischem Wege, die sowohl für eine Laufzeitmessung einer Impulsflanke (Grobmessung) als auch eine Phasendifferenzmessung eines periodischen Meßsignals ausgelegt ist, bestehend aus einem vom Meßsignal modulierbaren optischen Sender und einem optoelektronischen Empfänger, bei der der optoelektronische Empfänger einen ersten Kanal für das unmittelbar empfangene Meßsignal und einen zweiten Kanal für das nach zweimaligem Durchlaufen der Meßstrecke empfangene Meßsignal aufweist und bei der die beiden Kanäle für die Durchführung der Laufzeitmessung ausgangsseitig mit den Steuereingängen für »start« und »stop« einer Zählvorrichtung in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung des optischen Senders (1) wahlweise für eine Modulation mit einer periodischen Modulationsgröße und eine Einzelimpulssteuerung ausgelegt ist, daß ferner beide Kanäle des optoelektronischen Empfängers hinter den eingangsseitigen optoelektronischen Wandlern (12, 12') eine für die Laufzeitgrobmessung der Lichtimpulsflanke unwirksame und für die Phasenfeinmessung wirksame Schaltungsanordnung aufweisen, die in Übertragungsrichtung aus der Hintereinanderschaltung eines die Meßsignalfrequenz f\ erniedrigenden Umsetzers (13, 13') und eines ihm nachgeschalteten impulsformenden Netzwerkes (14,14') bestehen, und daß die Frequenz fl des beiden Umsetzern gemeinsamen Umsetzosziliators (19) der Beziehung

η < /i(i-«;

genügt, wobei α das Verhältnis der zu fordernden Meßgenauigkeit bei der Laufzeitgrobmessung zur geforderten Meßgenauigkeit bei der Phasenfeinmessung darstellt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das impulsformende Netzwerk (14,14') für die Ableitung eines Steuerimpulses aus dem Nulldurchgang des in seiner Frequenz (fi) nach abwärts umgesetzten Meßsignals ausgelegt ist, und zwar für eine von der Richtung des Nulldurchgangs abhängige Polarität des daraus abgeleiteten Impulses.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des ersten Kanals (12' bis 14') des optoelektronischen Empfängers hinter dem impulsformenden Netzwerk (14') ein elektronischer Schalter (15) angeordnet ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanäle (12 bis 14,12' bis 14') des optoelektronischen Empfängers zwischen dem Eingang des Umsetzers (13,13') und ihrem mit einem Steuereingang (»start«, »stop«) der Zählvorrichtungen (5 bis 7) verbundenen Ausgang für die Laufzeitmessung durch Schalter (16, 16') überbrückbar sind.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (5) der aus einem Zähler (7) mit Anzeigevorrichtung (8), einer Torschaltung (6) und diesem Generator bestehenden Zähleinrichtung gleichzeitig die Meßsignalquelle bildet.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) eine Lumineszenzdiode ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender(l) eine Laserdiode ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) aus der Vereinigung einer Laserdiode für die Laufzeitmessung und einer Luminszenzdiode für die Phasenmessung mit zur Laserdiode kollinearem Strahlengang besteht.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (t) ein Gaslaser ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische, einen Laser (20, 20', 21) darstellende Sender, insbesondere ein Gaslaser, mit einer Einrichtung (26, 27) zur Impulsmodulation unter Anwendung des Prinzips der Phasenkopplung seiner Emission ausgerüstet ist und ihm außerdem eine weitere als Torschaltung wirksame Modulationseinrichtung (22 bis 25) zugeordnet ist, die der Abtrennung einzelner Impulse aus der Impulsfolge für die Durchführung der Laufzeitmessung dient.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (26, 27) zur Impulsmodulation ein elektrooptischer Kristall (26) ist, an dem einer der beiden Resonatorspiegel (20) des Lasers so befestigt ist, daß der durch einen Generator (27) zu mechanischen Schwingungen angeregte elektrooptische Kristall die Resonatorlänge des Lasers (20, 20', 21) 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.