DE1946271A1

DE1946271A1 - Entfernungsmessgeraet

Info

Publication number: DE1946271A1
Application number: DE19691946271
Authority: DE
Inventors: Carl-Erik Granqvist
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1968-09-12
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1970-03-19
Also published as: US3677646A; SE321100B; CA922010A; FR2017928A1; DE1946271B2

Description

Patentanwalt

DipUlng. H. Strohschänk

8 München 60
Musüusstraße 5

12.9.1969-SLa(U) 190-741P

Ent f er nung s meß g er ät

Die Erfindung bezieht sich auf tiin Entfernungsmeßgerat zur Bestimmung der projezierten Entfernung zu einem Gegenstand von einem Punkt unterschiedlicher Höhe aus, welches einen modulierten Lichtstrahl längs der optischen Achse aussendet und einen reflektierten Strahl empfängt, dessen Hodulationsphase mit derjenigen des ausgesendeten Strahls verglichen wird, um die Entfernung als Funktion der Modulationswellenlänge zu ermitteln.

Wenn ein solches Gerät anstellbar ist und die Richtung der gemessenen Entfernung sich gegenüber der horizontalen Entfernung entsprechend ändert, so entsprechen die erhaltenen Meßwerte nicht direkt den auf Übersichtslandkarten verwendeten Meßwerten, welche als horizontale Abstände zwischen verschiedenen Punkten aufgetragen werden, selbst wenn sich die betreffenden Punkte in unterschiedlicher Höhe befinden. Wenn bei der Arbeit im freien Gelände Punkte mit Hilfe einer solchen Landkarte festzulegen sind, können langwierige Korrekturberechnungen und Einstellungen infolge

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des Neigungswinkels der gemessenen Entfernung erforderlich sein. Eine Möglichkeit, um dies durchzuführen, ist die Berechnung der horizontalen Entfernung aus dem Wert der erhaltenen geneigten bzw. nicht horizontalen Entfernung. Alsdann ergibt sich üblicherweise, daß der festzulegende Punkt nicht genau dort liegt, wo der in der Entfernung aufgestellte Reflektor während der Messung angebracht war, so daß eine Korrektur notwendig wird. Auf diese Weise muß sogar mehr als eine Korrektur durchgeführt werden, um eine Annäherung an die richtige Position herbeizuführen₀

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Meßgerät so zu vervollkommnen, daß es den horizontalen Abstand aufgrund einer automatischen Berechnung liefert. Dies ist theoretisch auf der Basis der nicht horizontalen Entfernung, die durch das Lichtsignal durchlaufen wird, und des Wertes der (positiven oder negativen) Anstellung des Instrumentes möglich_s wobei die horizontale Entfernung das Produkt aas der nicht horizontalen Entfernung und dem Cosinus des Anstellwinkels ist. In ähnlicher Weise ist die vertikale Entfernung, d.h. die Höhendifferenz, durch Multiplikation der nicht horizontalen Entfernung mit dem Sinus des Anstellwinkels erhältlich.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine anstellbare optische Einheit zur Aussendung sowie zum Empfang eines Lichtstrahls längs deren optischer Achse_s eine modulierbare Lichtquelle zur Lieferung des durch die optische Einheit auszusendenden Lichtstrahls, eine lichtempfindliche Einrichtung zur Aufnahme des seitens der optischen Einheit empfangenen Lichtstrahls, eine mit der Lichtquelle verbundene Modulationssignalquelle zur Modulation des ausgesendeten Lichtstrahls sowie zur Bildung einer Steuereingangsgröße zur Veränderung der Wellenlänge des Modulationssignals, Bauelemente

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zur Kessung der Modulationsphasendifferenz zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Lichtstrahl, ein auf die Anstellung der optischen Einheit ansprechendes Bauelement zur Erzeugung eines Steuersignals und durch Bauelemente zur Anlegung des Steuersignals an den Steuereingang der Modulationssignalquelle gekennzeichnet.

Das so vervollständigte Meßgerät ist vermöge seines Aufbaues dazu in der Lage, selbsttätig die Wellenlänge des Modulationssignals in Abhängigkeit vom Anstellwinkel zu verändern, beispielsweise ungekehrt proportional zum Cosinus des Anstellwinkels.

Ausgestaltungen der Erfindung betreffen konstruktive Einzelheiten des erfindungsgemäßen Meßgerätes.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßgerätes zur Destimmung einer horizontalen Entfernung in einer Schemadarstellung; '

Fig. 2 eine Dlockschaltbilddarstellung der wichtigsten Stromkreise des Meßgerätes gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine ähnliche Schemadarstellung auf die Anstellung ansprechender Bauelemente desselben Meßgerätes.

Das in Fig. 1 dargestellte l'oaxial-Meßgerät beruht auf dem Prinzip bekannter Meßgeräte zur Entfernungsmessung mit tels eines modulierten Lichtstrahls. Es sind deshalb ledig lich solche Einzelheiten dargestellt, welche für das Verständnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erforderlich s ind.

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Das Meßgerät umfaßt eine anstellbare optische Einheit OU mit einem Tubus T, in welchem das optische System enthalten ist. Am rückwärtigen Ende des Tubus befindet sich ein Parabolspiegel P. Ein Planspiegel M ist zentral im Tubus T angeordnet und nimmt einen Lichtstrahl TB von einer modulierbaren Lichtquelle MLS auf. Der Lichtstrahl TB wird in Richtung der optischen Achse OA des Spiegels P gegen einen Reflektor ausgesendet, der am anderen Ende der zu messenden Entfernungsstrecke angebracht ist. Der reflektierte Lichtstrahl RB wird durch den Parabolspiegel P gegen das rückwärtige Ende des Spiegels M und alsdann ^u einer lichtempfindlichen Einrichtung LSD reflektiert, deren Ausgangsgröße eine Spannung proportional der Intensität des Lichtstrahles RB ist. Das Modulationssignal wird von einer Modulationssignalquelle MSS mit einem Steuereingang CI erhalten, um die Frequenz f des Signals in Abhängigkeit von der Anstellung des Meßgerätes gemäß der Formel f = Fcos OC zu verändern.

Die Ausgangsgröße der Signalquelle MSS liegt an der Lichtquelle MLS, um den Lichtstrahl TB zu modulieren. Diese. Ausgangsgröße liegt auch an einem einstellbaren Phasenschieber APS, wo sie einer einstellbaren Phasenverschiebung unterworfen wird. Die Ausgangsgröße des Phasenschiebers APS liegt an einem Phasenvergleicher PC, dem auch das Ausgangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung LSD zugeführt wird. Die Abstandsmessung wird in an sich bekannter Weise durch Justierung des Phasenschiebers APS durchgeführt, bis sich am ,Phasenvergleicher PC eine Nullablesung ergibt. Diese Art der Messung ist an sich bekannt und erfordert keine weiteren Erläuterungen.

Der Tubus T ist an einem Zapfen AX festgelegt, der in einem Lagerbock SU drehbar gelagert ist, wie es in der

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schematischen Darstellung durch einen Doppelpfeil angedeutet ist, Am Tubus T ist ein auf die Anstellung ansprechendes Bauelement ERM angebracht, welches entsprechend der Anstellung einen Ausgangsstrom I ( Ot ) erzeugt, der dem Steuereingang CI zugeführt wird, urn die Frequenz f zwecks Erhalt des Viertes F cos Ot. einzustellen,wobei &* der Anstellwinkel ist.

In Fig. 1 sind die Bedingungen für verschiedene Anstellwerte schematisch angegeben. Wenn Λ* und F die Werte der Wellenlänge des Modulationssignals bzw. der Frequenz für die Anstellung null sind, so betragen die entsprechenden Werte Λ* cos ^ bzw. F cos OL , wenn der Wert der Anstellung gleich OC ist. Dies bedingt, daß die horizontale Projektion der Modulations signal-Wellenlänge stets gleich ist, d.h. den Wert A» aufweist.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der ilodulationssignalquelle MSS einschlie£lich Schaltungen zur Erleichterung der Eichung des auf die Anstellung ansprechenden Bauelementes ERII ausführlicher, wobei vorausgesetzt ist, daß diese Einrichtung mit zv/ei Einstellknöpfen Kl und K2 zur Eichung des Ausgangssignals für zwei Werte der AnstellungC. und ^t _o versehen ist.

Die Modulationssignalquelle MSS umfaßt als wesentliches Element einen frequenzgesteuerten Oszillator COS gemäß der schwedischen Patentschrift 220 951. Grundsätzlich wird die Genauigkeit des Oszillators COS durch einen Vergleich von dessen Ausgangsfrequenz f mit der Frequenz F eines Hauptoszillators HO nit hilfe von Zählern Cl und C2 in nachstehend noch näher beschriebener Weise erzielt. Der Oszillator MO ist als Quarzoszillator hoher Präzision ausgebildet, dessen Ausgangsgröße dem ersten Zähler Cl zugeführt wird. Die Kapazität des

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Zählers Cl beträgt 2n , so daf, dessen Ausgangsgröße aus einer Schwingung der Frequenz F/2a besteht, die einem Frequenzdetektor FD zugeführt wird.

Die Frequenz f des Oszillators COS 7?ird einein. Schalter SWC zugeführt, der zur Erzeugung eines Ausgangssignals der Frequenz f oder f/2 dient, und zwar in Abhängigkeit von der Betätigung des Schalters S'\"C durch ein Betätigungselement All. Die Ausgangsgröße der Baueinheit S'\^TC wird der zweiten Zähler ^v C2 mit der Kapazität η zugeführt, welcher mit einem Speicher SC verbunden ist, in dem eine Zahl η gespeichert wird, die irgendeinen Wert von 0 bis η aufweisen kann. Der Wert η wird von dem auf die Anstellung ansprechenden Bauelement EF(M in einem Analog/Digital-l/andler ADC abgenommen,>der in bekannter Weise ausgebildet sein kann, und zwar gemäß der Formel

η = η (2cos 04 - 1) (1).

Das Betätigungselement AI-I spricht auf den Aus gangs impuls des Zählers C2 und auf einen A-us gangs impuls des Speichers SD an, was dann der Fall ist, wenn die Zählung des Zählers C2 den im Speicher SD gespeicherten Wert η erreicht hat.

Unter der Voraussetzung, daß in dem auf die Anstellung ansprechenden Bauelement ERM das Paar Einstellknöpfe Kl und K2 zur Justierung des Ausgangssignals des Bauelementes für zwei bestimmte Werte ^₁ bzw. ^o ^^es Anstellwinkels vorgesehen ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Oc. = und CK = arc cos(31/32).

Der Zähler C2 beginnt die Zählung bei der Frequenz f/2 des Schalters SWC, bis die Zählung den Wert η erreicht hat. In diesem Augenblick liefert der Speicher SD einen Ausgangsimpuls zum Betätigungselement AM, was bewirkt, daß dieses

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den Schalter SVJC in seine andere Stellung bringt, in welcher die Frequenz f dem-Zähler-C2 zugeführt wird. Die Zählung setzt sich daraufhin bei dieser Geschwindigkeit bis zum Wert η fort. Alsdann wird durch den Zähler C2 ein Ausgangsimpuls geliefert und erreicht den Frequenzdetektor FD sowie das Betätigungselement AM, welches durch diesen Impuls zurückgestellt wird. Aufgrund dieses Vorganges weist die Periode T des Ausgangssignals des Zählers C2 folgenden Wert auf:

T = (n - n) T + n.2T, (2)

oo

wobei T die Periode der Ausgangsgröße des Oszillators COS is.

In der Modulationssignalquelle MSS ist auch eine erste Mischstufe 11X1 vorgesehen, die die Ausgangsgrößen des Hauptoszillators HO und des frequenzgesteuerten Oszillators COS aufnimmt. Eine zweite Mischstufe MX2 nimmt die Ausgangsgröße der Mischstufe MXl und die Ausgangsgröße einer Stufe des Zählers Cl auf, in welcher die Frequenz F im Verhältnis F/32 heruntergeteilt ist. Die Ausgangsgrößen der Hischstufen MXl und MX2 werden einem Paar von Anschlüssen Tl und T2 zugeführt, die mit einer Frequenzmeßeinrichtung FMD mittels eines Schalters SW verbunden werden können.

Am Tubus T ist - ein Paar von Libellen Ll und L2 angebracht, welche die bestimmten Anstellwinkel Qt^ bzw. 0^2 gemäß Fig. 2 anzeigen.

Aus der Gleichung (2) ergibt sich, daß die Ausgangsfrequenz des Zählers C2 den VJert f/(n_o + n) aufweist. Der Frequenzdetektor FD vergleicht diese Frequenz mit der Frequenz F/2n des Zählers Cl und erzeugt ein eine Differenz darstellendes Ausgangssignal, welches den Oszillator COS so lange

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einstellt, bis beide Frequenzen gleich sind. Dies bedeutet, daß

f = F . ⁿ„^o . (3)

~²ⁿo
ist.

Der gewünschte Wert* von f beträgt

f = Fcos St . (4)

Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich, daß der Wert n, der dem Speicher SD zugeführt wird, sich in Übereinstimmung mit der Gleichung (1) befinden soll.

Das auf die Anstellung ansprechende Bauelement ERM sowie der Analog/Digital-Wandler ADC sprechen auf die Neigung an bzw. bewirken eine Signalumwandlung, wobei der Wandler ADC ■eine Ausgangsgröße η gemäß der Gleichung (1) erzeugt.

Auf diese Weise ändert sich die Frequenz des der Lichtquelle MLS zugeführten Hcdulationssignals gemäß der Gleichung (4), was bedeutet, daß die Wellenlänge des Modulationssignals umgekehrt proportional cos ^ ist und die Entfernung in Einheiten der Korizontalprojektion der Wellenlänge des Modulationssignals, d.h. unabhängig von der Anstellung des Instrumentes als horizontale Entfernung erhalten wird.

Die Eichung des auf die Anstellung ansprechenden Bauelementes ERM erfolgt folgendermaßen:

Der Tubus T wird zuerst bei <* = 0 mit Hilfe der Libelle Ll eingestellt. Dabei befindet sich der Schalter SW in der Stellung T2 und verbindet die Mischstufe MXl mit der Frequenzme'ßeinrichtung FMD. Der Einstellknopf Kl wird alsdann

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so justiert, daß die Frequenzmeßeinrichtung FMD eine Nullablesung bietet, was anzeigt, daß die Ausgangsfrequenz f = F ist. Alsdann wird der Tubus T mit Hilfe der Libelle L2 auf den Winkel & eingestellt und der Schalter SVJ in die Stellung Tl gebracht, wodurch die Mischstufe MX2 mit der Frequenzmeßeinrichtung FMD verbunden wird.

Der Einstellknopf K2 wird alsdann so justiert, daß die Frequenzmeßeinrichtung FMD wiederum eine Nullablesung ergibt, was anzeigt,daß die beiden der Mischstufe MX2 zugeführten Frequenzen gleich sind. Eine dieser Frequenzen ist die Frequenz F/32, während die andere Frequenz die Schwebungsfrequenz der Mischstufe MXl ist, welche nunmehr ebenfalls den Wert F/32 haben muß, da cos O*₂=31/32 ist und damit f den Wert 3IF/32 haben muß.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das auf die Anstellung ansprechende Bauelement ERM in Form eines Beschleunigungsmessers, der mit einer Feder SP versehen ist, die durch den Einstellknopf Kl justierbar ist und zur Kompensation der auf ein Pendel PE ausgeübten Schwerkraft dient, wenn dieses sich in Horizontalstellung befindet. Da solche Beschleunigungsmesser bekannt sind, genügt nachstehend eine kurze Erläuterung des Beschleunigungsmessers im Zusammenhang mit der Beschreibung seiner Anwendung.

Das Pendel PE ist auf einer Welle SH in einem Gehäuse HO gelagert und zusätzlich zur Schwerkraft der entgegenwirkenden Zugkraft der Feder SP sowie einer Ausgleichskraft unterworfen, die durch eine Magnetwicklung CL ausgeübt wird. Ein durch die Magnetwicklung CL verlaufender Strom i wird von einer steuerbaren Stromquelle CCS geliefert. Diese Stromquelle ist der Steuerung einer Steuereinheit CU unterworfen, welche auf die unsymmetrische Einstellung des Pendels PE gegenüber

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einer ausgeglichenen magnetischen Schaltung BC in an sich bekannter Weise anspricht, um ein Steuersignal zu liefern, welches den Strom steigert oder vermindert, bis wieder der Ausgleich des Pendels PE hergestellt und dessen Lage gegenüber der magnetischen Schaltung BC symmetrisch ist. Die Neigung beträgt & . Das Gewicht des Pendels PE wirkt der "Kraft A entgegen, die durch die Feder SP ausgeübt wird, wobei die Kraft A cos beträgt; die durch die Magnetwicklung CL auszuübende verbleibende Kraft ist somit proportional A-Ac ο s Gl. Dies bedeutet, daß der der Magnetwicklung CL zuzuführende Strom zur Wiederherstellung der symmetrischen Lage des Pendels PE ebenfalls proportional 1-cos Ol ist, d.h. I = k (l-cos^C). Um eine Möglichkeit zur Justierung des Wertes des Skalenfaktors k zu schaffen, ist die Lner^riebeauf schlagung der Stromquelle CCS durch ein justierbares Potentiometer steuerbar, v/elches gemäß Fig. 3 durch den Einstellknopf K2 justiert wird.

In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, von dem auf die Anstellung ansprechenden Eaueleirent ERI! ein Signal in Abhängigkeit vom Sinus anstatt vom Cosinus der Anstellung abzuleiten. Der in Fig. 3 dargestellte Beschleunigungsmesser kann zu diesem Zweck leicht abgewandelt werden, indem er rechtwinklig zur dargestellten Stellung angeordnet wird, so daß der Beschleunigungsmesser normalerweise vertikal steht. Die Ausgleichsfeder SP ist dann nicht erforderlich, und die notwendige Kompensationskraft, die durch den Strom I zu bilden ist, wird dann proportional sin Λ . im allgemeinen ist es allerdings nicht zweckmäßig, die Entfernungsmessung mit einer Frequenz durchzuführen, die gleich F sin ^ ist, da dies normalerweise eine unpraktisch niedrige Frequenz darstellt. Es ist zweckmäßiger, beispielsweise eine Frequenz F (1-sin Ot ) zu verwenden.

Patentansprüche:

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Claims

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Patentansprüche

[ l./Lntfernunr.smcl r.erät zur Bestimmung der projizierten Entfernung zu einem Gegenstand von einem Punkt unterschiedlicher höhe aus, welches oinen modulierten Lichtstrahl längs der optischen Achse aussendet und einen reflektierten Strahl empfängt, dessen Kodulationsphase mit derjenigen des ausgesendeten Strahls verglichen wird, um die Entfernung als Funktion der Modulationswellenlänge zu ermitteln, gekennzeichnet durch eine anstelltare optische Einheit (OU) zur Aussendung so\:ie zum "Empfang eines Lichtstrahls (TE bzv.^T. p.B) längs deren optischer Achse (OA), eine modulierbare Lichtquelle (1!LS) zur Lieferung des durch die optische Einheit auszusendenden Lichtstrahls (TB), eine lichtempfindliche Einrichtung (LSD) zur Aufnahme des seitens der optischen Einheit empfangenen Lichtstrahls (Fl*), eine mit der Lichtquelle verbundene Modulationssignalquelle (MSS) zur Modulation des ausgesendeten Lichtstrahls (TB) sowie zur Bildung einer Steuereingangsgröße zur Veränderung der Wellenlänge des Modulationssignals, Bauelemente (Phasenvergleicher PC) zur Messung der Kodulationsphasendifferenz zwischen dem

. ausgesendeten und dem empfangenen Lichtstrahl (TE bzw. PB), ein auf die Anstellung der optischen Einheit ansprechendes Bauelement (ERM) zur Erzeugung eines Steuersignals und durch Bauelemente zur Anlegung des Steuersignals an den Steuereingang der Kodulationssignaiquelle (KSS).

2, Gerät nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Anstellung der optischen Einheit ansprechende Bauelement (ERM) Mittel (Einstellknöpfe Kl und K2) zur Justierung des Wertes des Steuersignals für ein Paar bestimmter Werte der Anstellung aufweist und caE am Heßgerät ein Paar

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Libellen (Ll, L2) angebracht ist, von denen eine sich bei einem entsprechenden Anstellungswert in einer Horizontalstellung befindet.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssignalquelle (MSS) einen Hauptoszillator (MO), einen frequenzgesteuerten Oszillator (COS) und Bauelemente zur Abnahme von Bezugsfrequenzen vom Hauptoszillator entsprechend dm vorgegebenen Anstellwerten sowie zum Vergleich der abgenommenen Frequenzen mit der Frequenz des steuerbaren Oszillators aufweist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Frequenzvergleich dienenden Bauelemente Mischstufen (MXl, MX2) aufweisen, an denen die Bezugsfrequenz und eine vom steuerbaren Oszillator (COS) abgenommene Frequenz liegen, wobei eine Frequenzmeßexnrichtung (FMD) an den Aus gang der Mischstufen anschließbar ist.

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