DE1805993A1

DE1805993A1 - Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE1805993A1
Application number: DE19681805993
Authority: DE
Inventors: Pierre Girault
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1967-10-31
Filing date: 1968-10-30
Publication date: 1969-07-10
Also published as: CH491392A; NL6815020A; GB1248211A; FR1552029A; SE340824B; US3577144A; CA921155A

Description

Unser Zeichen: C 2584

CSF-COMPAGNIE GENERALE DE TELEGRAPHIE SANS FIL

101, Boulevard Murat, Paris l6e/Frankreich

Vorrichtung zur Entfernungsmessung

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zur Entfernungsmessung, welche zur Messung des dieselben von einem reflektierenden Ziel trennenden Abstands mittels akustischer oder elektromagnetischer Wellen dienen. Gemäß einem bekannten Verfahren zeigt eine bei der Abstrahlung und beim Empfang durch elektrische Impulse gesteuerte Zähluhr in regelmäßigen Zeitabständen eine Entfernungsangabe, welche der Zeit entspricht, die die durch die Impulse modulierte Welle zum Durchlaufen der das Ziel von der Vorrichtung zur Entfernungsmessung trennenden Bahn in beiden Richtungen braunht. Dieses Verfahren

Bu/Gr.

hat

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hat den Nachteil, daß man unterbrochene Anzeigen erhält. Durch Erhöhung der Meßfrequenz wird dieser Nachteil vermindert, aber die Entsprechung zwischen den ausgestrahlten Signalen und den empfangenen Echos ist dann schwer herzustellen.

Ein anderes Verfahren besteht in der Ausstrahlung einer sinusförmigen oder sinusförmig modulierten Welle und in der Messung der Phasendrehung, welcher die Welle unterzogen wird, wenn sie einen Hin- und Rückweg zwischen dem Ziel und der Vorrichtung zur Entfernungsmessung zurücklegt. In diesem Fall tritt die Schwierigkeit auf, ein Meßsignal zu erzeugen, von welchem ein leicht meßbares Kennzeichen genau an den augenblicklichen V/ert der zu messenden Entfernung gebunden ist.

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der von einer Welle zwischen einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung durchlaufen_en Entfernung, gekennzeichnet durch eine Oszillatoreinrichtung mit fester Frequenz, welche einen Ausgang aufweist, der mit der Sendeeinrichtung gekoppelt ist, eine Oszillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz, welche einen Frequenzsteuereingang und einen Ausgang aufweist, eine, erste Mischeinrichtung mit zwei jeweils mit den genannten Ausgängen der Oszillatoreinrichtungen gekoppelten Eingängen, eine Verzögerungsanordnung, welche mit dem Ausgang der Osssillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz gekoppelt 1st, eine zweite Mischeinrichtung mit zwei jeweils mit der ersten Mischeinrichtung bzw. der Verzögerungsanordnung gekoppelten Eingängen, einen Phasenkomparator mit zwei Eingängen, welche jeweils mit der Empfangseinrichtung bzw, der zweiten Mischeinrichtung gekoppelt sind, wobei der Phasenkomparator

einen

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einen Ausgang aufweist, welcher mit dem Frequenzsteuereingang gekoppelt ist_s so daß die veränderliche Frequenz proportional zu der genannten Entfernung ist.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Figur 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine die Darstellung in Figur 1 ergänzende Ausführungs variante und

Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Figur 1 ist schematisch eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung dargestellt, welche einen Oszillator 1 mit der festen Frequenz ·κτ=τ , der das Signal A^ sin ixt abgibt, und einen Oszillator 2 mit der veränderlichen Frequenz vprs aufweist, der das Signal A_p sin (w ₂t + M>») abgibt. Der Winkelf¹ ist beliebig, er hängt wie -s=r- von der auf den Oszillator 2 mittels des Phasenkomparators 6 und des Filters 7 aufgegebenen Steuerspannung ab. Die von den Oszillatoren 1 und 2 kommenden Signale werden mittels der ersten Mischstufe 3 additiv gemischt, welche ein Signal A, sin (<O-,t +^¹) abgibt, dessen Frequenz «f· die Summe der Frequenzen -jrap und -^ψ- ist. Das Signal A, sin (P-jt + <f') wird in seinem weiteren Verlauf mit dem Signal Ap sin (**>₂t +γ' -^₂X) gemischt, welches am Ausgang der Verzögerungsleitung 4 auftritt, deren Eingang mit dem Oszillator 2 gekoppelt ist. Diese letztere Mischung wird durch die Mischstufe 5 subtraktiv durchgeführt, welche ein Signal A¹^ sin Cw.« ^+£J2^^ abgibt, wobei T die Verzögerung der Leitung 4 ist.

Aus

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Aus Figur 1 ist weiter ersichtlich, daß das vom Oszillator kommende Signal A* sinü.t zu einem Sender 8 und zu einem Wandler 9 mit Richtwirkung geleitet wird, welcher eine Welle zum Ziel 10 abstrahlt. Nach Reflexion am 2iel wird diese Welle vom Empfangswandler il empfangen, nachdem sie einer Phasenverschiebung unterworfen wurde, welche dem Hin- und Rückweg 2d entspricht. Der Empfangswandler 11 speist über den Empfänger 12 den Phasenkomparator 6, welcher daher das Signal A¹. sin (ω^t -γ) empfängt. Der Phasenkomparator 6,

welcher die Phasen in absoluten Werten vergleicht, steuert

40 2

die Frequenz ψ^ des Oszillators 2 derart, daß er die Phase wp"£ des von der zweiten Mischstufe 5 kommenden Signals der Phase *f des vom Empfänger 12 kommenden Signals-angleicht.

Die Beziehung CJ₂X ^β ^f kann man schreiben: 2?

_wobei .S₁ -₈

und C die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle ist.

Da fj und X durch den Aufbau festgelegt sind, so sieht man, daß die Entfernung d durch folgende Formel wiedergegeben wird:

wobei K s

d = K · f₂ ,

c >τ

Beispielsweise kann man einen Veränderungsbereich von.fο zwischen 0,5 und 10 MHz, eine Frequenz f^ = 10 MHz und eine Verzögerung X= 0,1 Zejs wählen. Mit C = 300*10 m/s

-7

erhält man K = 15*10 ' m*s. Man kann dann unzweideutig die Entfernungen zwischen d-. = 0,75 m und d „= 15 m

ITlX XX - IU et X

messen. .

Wenn

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Wenn angenommen wird, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit mit großer Genauigkeit bekannt ist, ergibt ein bei der Festlegung der Phase auftretender Phasenfehler von 1° einen Fehler in der Größenordnung von 4 cm im Abstand d.

Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung strahlt direkt eine Welle mit der Frequenz f^ ab, aber es ist klar, daß das Signal A₁ sin u)^t auch zur Amplitudenmodulation einer Welle mit einer viel höheren Trägerfrequenz dienen kann, so daß die Herstellung von Antennen mit starker Richtwirkung erleichtert wird. Unter diesem Gesichtspunkt ist in Figur eine Vorrichtung 20 der in Figur 1 gezeigten Art dargestellt, deren Kanal E eine Halbleiter-Lichtquelle 13 moduliert und deren Kanal 20 mit einem photoelektrischen Element 17 gekoppelt ist. Die Lichtquelle 13 ist im Brennpunkt eines Kollimators l4 angeordnet, welcher auf einen Reflektor 10 gerichtet ist. Ein zweiter Kollimator 15 konzentriert die vom Reflektor 10 reflektierte Energie auf das photoelektrische Element 17. Vor dem photoelektrischen Element 17 ist ein optisches Filter eingesetzt, damit nur die von der Lichtquelle 13 ausgesandten Strahlungen durchgelassen werden.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtungen zur Entfernungsmessung haben in dem Entfernungsbereich, in dem die Phasendrehung der Welle 277nicht übersteigt, etwa eine mittlere Genauigkeit. Es ist erforderlich, daß die Phasendrehung 2.Tf wesentlich Übersteigen kann, um eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit zu erhalten, da sich dann die gemessene Entfernung aus einer ganzen Zahl von halben Wellenlängen und einem Bruchteil der ¥ellenlänge zusammensetzt.

In Figur 3 ist das Schaltbild einer zweiten Ausfuhrμngsform der Vorrichtung zur Entfernungsmessung dargestellt, deren Wirkungsweise derjenigen der in Figur 1 dargestellten Aus-

führungaforra 909828/1049

führungsform analog 1st, welche Jedoch eine wesentliche Erhöhung des Umfangs und der Genauigkeit der Messungen gestattet.

Diese Ausführungsform weist zwei Oszillatoren 21 und 22 auf, welche jeweils die Signale A₁ sin 4J₁1 bzw. A₅ sin (Urt +φ) abgeben. Die Frequenzen -ψ=· und -^ψ unterscheiden sich geringfügig voneinander, damit ihre subtraktive Mischung in der Mischstufe 23 ein Signal A^ sin (**^t +φ) ergibt, bei welchem W₁, viel kleiner ist als W₁, und damit die Wj, entsprechende Wellenlänge nie unterhalb des doppelten Werts der gewünschten maximalen Reichweite liegt, ψ ist ψ ein beliebiger Phasenwinkel.

Ein Umschalter S₅ ermöglicht die Eingabe des Signals A₁ sin UL t

X J. J.

oder des Signals A₁^ sin Qu^t +φ) in den Sendekanal E. Ein zweiter Umschalter S,, welcher mit dem Umschalter S₂ synchron arbeitet, empfängt die vom Empfangskanal R kommenden Signale und gibt dieselben auf eine Mischstufe 2k oder auf einen Phasenkomparator 33. In einer Arbeitsphase besetzen die beweglichen Kontakte der Umschalter S₂ und S, die in Figur 3 angegebenen Stellungen, was die Ausstrahlung des Signals A₁ sin<λ)Λ und den Empfang des Signals A'..sin (übt -¹P) ermöglicht,..wöbeif die Phasenverschiebung ist, welcher die vom Ziel reflektierte Welle unterworfen wird. In einer anderen, zu der ersten Arbeitsphase komplementären Arbeitsphase wird das Signal A^ sin (cj^t +$)ab ge strahlt und das Signal A"'h sin (Wjjt + φ **f.) empfangen. Unabhängig vom Zustand der Umschalter So und S₃ treten am Eingang der Phasenkomparatoren 31 und 33 die Signale A^ sin fefy +φ) und A"» ^ sin (^* + $+f) auf. Die Vorrichtung weist außerdem zwei Oszillatoren 25 und 26 mit vepanderlichei? Frequenz auf, welche jeweils die Signale A,-ein (W-t +f-f¹) bzw. A₂ sin (<&₂t +jP») abgeben. ΨV 1st ein beliebiger Phasenwinkel, dessen Amplitude für die

■ "--"■■ - beiden

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■ - 7 -

beiden Signale gleich ist, da die beiden Oszillatoren 25 und 26 mittels einer Phasenrückkopplungsschleife gekoppelt sind.

Eine durch die Oszillatoren 25 und 26 gespeiste Mischstufe gibt durch subtraktive Mischung ein Signal auf den Phasenkomparator 31 j welcher über ein Filter 32 den Oszillator 25 derart frequenzsteuert, daß die Bedingung ω* - <*>? ^s(Jh ^ver~ wirklicht wird. Eine Mischstufe 30 bewirkt die subtraktive Mischung des vom Oszillator 25 kommenden Signals A, sin (o,t + φ - xf-¹) mit dem verzögerten Signal A₂ sin (Wgt + «f¹ -WpX), welches von einer der beiden Verzögerungsleitungen 28 und 29 kommt, die an den Ausgang des Oszillators 26 angeschlossen sind, wobei die VerzögerungX von der Wahl der Verzögerungsleitung abhängt und durch einen Umschalter S₁ ausgewählt wird, der mechanisch mit den Umschaltern S₅ und S, gekoppelt ist. Das von der Mischstufe abgegebene Signal A"^ sin (ui^t + φ-^Τ) wird auf den Phasenkomparator 33 gegeben, welcher die Frequenz des Oszillators über das Filter 34 steuert. Die Frequenz des Oszillators 26 wird mittels eines Signalfrequenzmeseers 35 gemessen.

Die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung beruht auf dem gleichen Prinzip wie die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung. Sie gibt ein Signal ab, dessen Frequenz f₂ = ·%ψ proportional zu der zu messenden Entfernung ist. Die Frequenz festlegung des Oszillators 26 wird in zwei Phasen vorgenommen. Jm Verlauf der ersten Arbeitsphase befinden sich die Umschalter S₁, S₂ und S, im Zustand I. Die Frequenz -^ψ wird von der Vorrichtung abgestrahlt und empfangen, was eine erste Phasenverschiebung

ergibt. Diese Phasenverschiebung^ ist notwendigerweise gleich der Phasenverschiebung Cu₂^₁, welche die Ver-

zögerungsleitung .909828/1049

zögerungsleltung 29 kennzeichnet, so daß die Frequenz
des Oszillators 26 auf den Wert

u) 2 ^ά£ύ H
^f2 ⁼ Tf ~

festgelegt ist. Im Verlauf der zweiten Arbeitsphase werden die Umschalter S₁, S₀ und S, in den Zustand O Übergeführt. Die Frequenz γψ wird von der Vorrichtung abgestrahlt und empfangen, wodurch sich eine zweite Phasenverschiebung

2du₁
^f₂ = —Q— ergibt. Diese Phasenverschiebung γ₂ muß gleich der Phasenverschiebung i^₂ U₂ sein, welche die Verzögerungsleitung 28 kennzeichnet, so daß die Frequenz des Oszillators 26 den Wert

I₂ " TW '
annimmt.

Die Festlegungsfrequenzen f₂ des Oszillators 26 sind gleich unter der Bedingung, daß

Beispielsweise werden die folgenden Werte angenommen:
5~ = IO 000 kHz; ^ = 10 100 kHz.

Daraus folgt:

γψ- - 100 kHz; ^₁ = 0,lA(,s; ^₂ = 10us; d = 900 m; Im Verlauf der ersten Arbeitsphase wird die Frequenz f₂

auf

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T₀ = — _ _{6 000 kHz festgelegt} ■ ?x 3·10⁰ χ 10~'

Im Verlauf der zweiten Arbeitsphase wird die Frequenz f₂ auf die gleiche Frequenz festgelegt, aber digsmal mit einer hundertmal größeren Genauigkeit, denn die verwendete Wellenlänge ist hundertmal kleiner als in der ersten Arbeitsphase«

Bei gleicher Genauigkeit kann die in Figur 3 dargestellte Vorrichtung ohne Zweideutigkeit eine hundertmal größere Entfernung messen als die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung, aus welcher sie entwickelt ist.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Vorrichtungen zur Entfernungsmessung sind in allen Medien mit isotroper Fortpflanzung verwendbar, in welchen die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bekannt 1st.

Die verwendeten Wellen können Funk-, Hör- oder Lichtwellen sein. Sie können moduliert oder nicht moduliert sein. Außerdem kann das vom phasengeregelten Oszillator kommende Signal mit geregelter Frequenz vielfach angewendet werden. Es kann über eine Entfernung übertragen werden, es kann aufgezeichnet werden, es kann auf einen einem Anzeigegerät zugeordneten Frequenzdiskrirainator einwirken und es kann auch auf einen Signalfrequenzmesser gegeben werden, welcher in Entfernungseinheiten geeicht Ist. Es fällt ebenfalls in den Rahmen der Erfindung, daß die beschriebene Vorrichtung zum Auswerten einer Phasenverschiebung dienen kann, wenn sie nicht an eine Entfernungsmessung gebunden ist.

Patentansprüche

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Claims

.Patentansprüche

1. Vorrichtung sum Messen der von einer Welle zwischen einer Sendeeinrichtung und einer Empfangseinrichtung durchlaufe nen Entfernung, gekennzeichnet durch eine Oszillatoreinrichtung mit fester Frequenz, welche einen Ausgang aufweist, der mit der Sendeeinrichtung.gekoppelt ist, eine Oszillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz, welche einen Frequenzsteuereingang und einen Ausgang aufweist, eine

P erste Mischeinrichtung mit zwei jeweils mit den genannten Ausgängen der Oszillatoreinrichtungen gekoppelten Eingängen^ eine Verzögerungsanordnung, welche mit dem Ausgang der Oszillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz, gekoppelt ist, eine zweite Mischeinrichtung mit awei jeweils mit der ersten Mischeinrichtung bsw„ der Verzögerungsanordnung gekoppelten Eingängen,, einen Phasenkomparator mit zwei Eingängen, welche jeweils mit der Empfangseinrichtung bzw. der zweiten Mischeinrichtung gekoppelt sind, wobei der Phasenkomparator einen Ausgang aufweist₉ welcher mit dem Prequenzsteuereingang gekoppelt ist, so daß die veränderliche Frequenz proportional ssu der genannten Entfernung, 1st.

2. Vorrichtung nach Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet,

daß die Welle eine modulierte Lichtwelle ist, welche an einem Ziel reflektiert wird, die Sendeeinrichtung eine Lichtquelle moduliert, welche in Brennpunkt eines optischen Kollimators angeordnet ist, die Empfangssein- ■ richtung durch einen photoelektrischen Detektor gespeist wird₃ welcher im Brennpunkt eines optischen Kollimators angeordnet und mit einem optischen Filter versehen ist,

welches

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BAD ORIGfNAL

IB! ■:"

welches die von der genannten Lichtquelle erzeugte Strahlung durchläßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung mit fester Frequenz einen ersten, auf die Sende- und Empfangsfrequenz der genannten Welle abgestimmten Oszillator aufweist, die Oszillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz einen zweiten Oszillator aufweist, die erste Mischeinrichtung eine erste Mischstufe aufweist, deren Eingänge jeweils mit den Ausgängen des ersten bzw. zweiten Oszillators verbunden sind, die Verzögerungsanordnung eine Verzögerungsleitung ist, welche mit dem Ausgang des zweiten Oszillators verbunden ist, die zweite Mischeinrichtung eine zweite Mischstufe aufweist, deren Eingänge jeweils mit den Ausgängen der Verzögerungsleitung bzw. der ersten Mischstufe verbunden sind, der Phasenkomparator mit dem Frequenzsteuereingang über ein Tiefpaßfilter verbunden ist und daß eine Frequenzmeßeinrichtung mit dem Ausgang des zweiten Oszillators zur Erzeugung einer Anzeige der genannten Entfernung gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatoreinrichtung mit fester Frequenz einen ersten Oszillator, einen zweiten Oszillator, eine mit diesen Oszillatoren gekoppelte Mischstufe \mü eine erste Umschalteinrichtung aufweist j welcii^ abwechselnd die Sendeeinrichtung mit den Ausgängen des ^rst^n Oszillators und der Misehstufe verbindet, die Osaillatoreinrichtung mit veränderlicher Frequenz einen driven Oszillator aufweist, die erste Mischeinrichtung einen vierten Oszillator mit einem Frequenzsteuereingang, »ine aweite, mit den Ausgängen des dritten und vierten Oszillators verbundene Misehstufe

und

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und einen zweiten Phasenkomparator.aufweist, dessen Eingänge jeweils mit den Ausgängen der ersten bzw. zweiten Mischstufe verbunden sind, der Ausgang des zweiten Phasenkomparators mit dem Steuereingang des vierten Oszillators gekoppelt ist, die Verzögerungseinrichtung eine erste und eine zweite Verzögerungsleitung aufweist, deren Eingänge mit dem Ausgang des dritten Oszillators verbunden sind, die zweite Mischeinrichtung eine dritte Mischstufe mit einem ersten Eingang, welcher mit dem Ausgang des vierten Oszillators verbunden ist, und einem zweiten Eingang aufweist, welcher abwechselnd mit den Ausgängen der Verzögerungsleitungen über eine zweite Umsehalteinrichtung verbunden ist, die synchron mit der ersten Umsehalteinrichtung arbeitet, eine vierte Mischstufe mit einem ihrer Eingänge und ihrem Ausgang jeweils mit den Ausgängen des zweiten Oszillators bzw. der dritten Mischstufe verbunden ist, wobei der andere Eingang und der Ausgang abwechselnd mit der Empfangseinrichtung über eine dritte Umschalteinrichtung verbunden ist., welche synchron mit der ersten Umsehalteinrichtung arbeitet»

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung· jeweils mit dem Eingang bzw» dem Ausgang einer Vierpolschaltung zur Messung der von dem Vierpol erzeugten Phasenverschiebung verbunden sind.

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