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Anordnung zus geometrischen Ausmeszen großer Flächen Zusatz zu Patent
(Patentanmeldung P 14 41 852.1) Die Erfindung betrifft die Weiterbildung und Verbesserung
einer Anordnung zun geometrischen Ausmessen großer Flächen, insbesondere von Antennenreflektorspiegeln
und dergleichen, nach Patent Patentanmeldung P 14 41 852.1).
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In das Hauptpatent ist ein Verfahren zum geometrischen Ausmessen großer
Flächen mittels mehreren an der zu vermessenden Fläche angebrachten Empfangssonden
vorgeschlagen worden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch zwei in vorbestimmter
lage gegenüber der zu vermessenden Fläche angeordnete Hochfrequenzstrahler - oder
durch mindestens einen in vorbestimmter Lage gegenüber der zu vermessenden Fläche
angeordneten Hochfrequenzstrahler und mit einer Kabelverbindung zu den einzelnen
Empfangssonden - geometrische Orte der Strahlungsverteilung gleicher Äsplitude und/oder
Phase erzeugt werden, und daß durch Rechnung die geometrische Lage dieser geometrischen
Orte gegenüber der Sollform der zu vermessenden Fläche und durch Auswertung der
an den Empfangssonden auftretenden Hochfrequenzstrahlung nach B-traf und/oder Phase
deren geometrische Ist-Lage gegenüber den geometrischen Orten bestimmt wird. Die
geometrischen Orte werden hierbei vorzugsweise durch zwei in vorbestimmter Lage
gegenüber der zu vermessenden Fläche angeordnete kohärente Hochfrequenzstrahlerquellen
gebildet, da bei einer solchen Anordnung durch Interferenz Hyperbelscharen bzw
Rotationshyperboloidscharen
mit im wesentlichen Strahlungsauslöschung (Minimumshyperbeln) erzeugt werden Einzelheiten
über die Anwendung dieses Verfahrens zum geometrischen Ausmessen von großen Flächen
ergeben sich aus dem Hauptpatent. In dem Hauptpatent ist ferner bereits vorgeschlagen
worden, die beiden das Interferenzfeld bildenden Strahlerquellen durch einen einzigen
gemeinsamen Steuersender zu speisen, dessen Energie über einen Zweifachverteiler
und entsprechende Kabel auf die beiden Strahlerquellen gegeben wird.
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Diese Anordnung nach dem Hauptpatent ist zum Ausmessen sehr großer
Flächen, bei denen die beiden Strahlerquellen in entsprechend großem gegenseitigen
Abstand aufgestellt werden müssen, nicht optimal geeignet Die fur die Speisung der
beiden Strahlerquellen erforderlichen Kabel oder Hohlleiter können bei zu großen
Abständen differentielle Phasendrehungen verursachen, durch welche die Mesegenauigkeit
vermindert wird.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden wird erfindungsgemäß ausgehend von
einer Anordnung nach dem Hauptpatent vorgeschlagen, die beiden Strahlerquellen durch
im Abstand von dem gemeinsamen Steuersenden aufgestellte Umlenkspiegel zu bilden
und dem Steuersender einen oder zwei auf diese Umlenkspiegel gerichtete Hochfrequenzstrahler
zuzuordnen.
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Gemäß der Erfindung wird anstelle der Kabel oder Hohlleitor zum Verbinden
des Steuersenders mit den Strahlerquellen eine Luftstrecke verwendet, welche differentielle
Phasendrehungen allenfalls in vernachlässigbarem Umfang hervorruft. Mit der erfindungsgemäßen
Anordnung können damit auch sehr große Flächen oder Gebäude ausgemessen werden,
beispielsweise große Staudamme. Turms oder andere Gebäude ii Gelände.
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Es ist hierzu nur nötig, an einer geeigneten Stelle den transportablen
Steuersender aufzustellen und in dem für das gewünschte Interferenzfeld geeigneten
Abstand davon die Umlenkspiegel. Da die gegenseitigen
Abstände der
Umlenkapiegel bei der erfindungsgemäßen Anordnung beliebig wahlbar sind und auch
deren Umlenkrichtung beliebig eingestellt werden kann, können mit einer erfindungsgemäßen
Anordnung die verschiedenartigsten für den jeweiligen Anwendungszweck geeigneten
Interferenzfelder erzeugt werden.
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In dem Hauptpatent wird weiterhin vorgeschlagen, die durch die Empfangseonden
jeweils aus dem Hochfrequenzinterferenzfeld gewonnenen Spannungen nach Betrag und
Phase auszuwerten. Die zu beiden Seiten einer Minimumhyperbel liegenden Zonen sind
bekanntlich gegenphasig und beim Durchlaufen einer solchen Minimumhyperbel kann
damit aus dem Phasensprung von 1800 die Lage der Empfangssonde gegenüber dieser
Minlmumshyperbel durch eine Phasenmessung genau bestimmt werden. Neben dieser Lagebestimmung
der Empfangasonde wird durch eine Betragsmessung der durch die Empfangs sonde empfangenen
Hochfrequenzspannung die Größe der Ablage der Empfanssonde gegenüber dieser Minimumehyperbel
bestimmt. Jede Phasenmessung erfordert aber die Zuführung einer Bezugsspannung.
Wenn diese Bezugsspannung von dem gemeinsamen Steuersender zugeführt wird, sind
relativ lange Koaxialleitungen oder Hohlleiter erforderlich, was beim Ausmassen
sehr großer Flächen störend ist und wodurch weitere Meßungenauigkeiten beispielsweise
infolge von Temperaturschwankungen zu befürchten sind.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird daher für eine Anordnung
zum Ausführen des Verfahrene nach dem Hauptpatent vorgeschlagen, die Empfangs sonde
mit einer etwa auf einer Minimuuslinie des Interferenzfeldes liegenden MeBantenno
und einer im Abstand davon etwa auf einer Maximumslinie des Interferenzfeldes liegenden
Bezugsantenne auszustatten und diese beiden Antennen mit dem Phasendiskriminator
zum Auswerten der Phase des Interferenzfeldes su verbinden Gemäß dieser Weiterbildung
der erfindung wird slso die Bezugespannung für den Phasendiskriminator unmittelbar
aus dem Interferenzfeld gewonnen. Damit entfallen teure und lange Verbindungsleitungen
zwischen den an der
auszumessenden Fläche angebrachten Empfangseonden
und dem das ei.
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gantliche Interferenzfeld erzeugenden Steuersender. Eine erfindungsgemäß
Empfangssonde ist besonders dann von Vorteil, wenn von einer festen Basis aus sehr
weit entfernte Flächen oder Ziele, beispielsweise Türme, Staudämme und dergl. vermessen
und überwacht werden sollen. Diese Sonde ist dabei sowohl bei einer Meßanordnung
von Vorteil, die aus zwei gesonderten miteinander synchronisierten Sendern als Strahlungsquellen
zur Erzeugung des Interferenzfeldes besteht oder im Sinn der oben aufgezeigten Weiterbildung
der Andrdnung nach dem Hauptpatent aus einem einzigen Steuersender sowie entsprechenden
Umlenksplegeln als eigentliche Strahlerquellen. Vor allem in Kombination mit letzterer
erfindungsgemäßen Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Empfangssonde von Vorteil,
da beide Maßnahmen die Anwendung des Verfahrens nach dem Hauptpatent zum Ausmessen
von sehr ausgedehnten Flächen oder Gebäuden im Gelände, beispielsweise von Staudämmen
und dgl., ermöglichen.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Anordnung um Erzeugen des Interferenzfeldes
und des Aufbaus der Empfangs sonde ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Gewinnung der Bezugsspannung aus dem Interferenzfeld
macht sich die Tatsache zunutze, daß zwischen zwei Minimumslinion des Interferenzfeldes
senkrecht zu den Linien die Phase der dort abgegriffenen Hochfrequenzenergie etwa
konstant ist und daher als Bezugsphase zum Feststellen des Phasensprunges an der
Minimumslinie herangengen werden kann. Die Phase zwischen benachbarten Maximas ist
selbstverständlich um 1800 verschoben. Da für die Bestimmung des Phasensprunges
an einer Ninimumslinie jedoch keine absolute Phasenmessung nötig ist, genügt es,
wenn im Sinne der Erfindung aus der unmittelbar an einer solchen zu bestimmenden
Minimumslinie liegenden Maximumezone die Bezugsspannung gewonnen wird.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten des Aufbaus dieser erfindungsgee
m.'3en Empfangssonde ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird im folgende anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen naher erlutert.
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Fig 1 zeigt die Anwendung des Hyperbelverfahrens nach dem Hauptpstent
zum Ausmessen einer Steumauer, und zwar unter Verwendung einer erfindungsgemäßen
Speiseanordnung für die das Interferenzfeld blldenden Strahlerquellen und gleichzeitig
unter Verwendung von erfindungsgemäßen Empfangssonden.
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Fig. 2 und 3 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Speisesysteme für die Strahlerquellen.
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Fig. 1 und 5 zeigen Einzelheiten der erfindungsgemäßen Empfangssonden.
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Nach Fig. 1 ist an einer geeigneten Stelle im Gelände, beispielsweise
auf gewachsenem Fele, ein Steuersender L aufgestellt, der mit zwei diametral angeordneten
Sendeantennen H1 und H2, boispielsweise bleichen Hornstrahlern, versehen ist. Diese
Sendeantennen richten im Sinne der eingezeichneten Pfeile ihre Strahlungsenergie
auf zwei Umlenkspiegel U1 und U2. Dadurch werden die beiden Strahlungen der Sendeantennen
H1 un1 H2 im Zielgebiet, d.h. läng@ der zu vermessenden Staumauer M, zusammengeführt
und es wird das Interferenzfeld J mit den Strahlungsmi nimn h und dsn Strahlungsmaxima
m gebildet. Die beiden Umlenkspiegel U1 und U2 sind auf geeigneten Stativen im Gelände
aufgestellt. Im Zielgebiet, d.h. auf der Staumauer M sind Expfsngosonden E angebracht.
Das Verfahren zus Ausmessen und Registrieren von Änderungen der Lage der Staumauer
M gegenüber dem stationären Interferenzfeld J ist in dem Hauptpatent näher beschrieben.
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Die Form der Umlenkspiegel U1 und U2 kann Je nach Abstand zwischen
diesen und den Sendeantennen H1 und H2 unterschiedlich gewählt werden.
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ei geringem Abstand werden die Umlenkspiegel vorzugsweise als ebene
Platten ausgebildet, da sie sich dann im Nahfeld der Sendeantennen H1 und H2 befinden
und die aus letzteren austretenden zellen als ebene Zylinderwellen anzusahen sind.
Bei sehr großen Abständen sind die Umlenkspiegel ebenfalls als ebene Platten auszulegen,
da der dann auf diesen auftreffende Anteil der elektromagnetischen Wellen von einer
unendlich entfernten Quelle zu kommen scheint und als ebene Welle anzusehen ist;
in diesem Fall ist allerdings eine ungünstige Leistungsbilanz gegeben, da nur ein
kleiner Teil der zur Verfflgung stehenden Senderenergie ftir die Bildung des Interferenzfeldes
herangezogen wird. Bei mittleren Entfernungen, das heißt wenn die auf den Umlenkspiegeln
auftreffenden Wellen als divergierende Kugelwellen anzusehen sind, ist es zweckmäßig,
die Umlenkspiegel U1 und U2 parabolisch zu krümmen, wobei der Brennpunkt mit dem
Quellpunkt der Sendeantennen H1 und 112 übereinstimmt. Andere Formen der Umlenkepiegel
sind möglich, um unter Anwendung der an sich bekannten Gesetze der geometrischen
Optik besondere Formen des Tnterferenzfel des, das dann von der Hyperbelform abweicht,
hervorzurufen. Diese Methode gestattet es beispielsweise, das resultierenJe interferenzfeld
besser an eine vorgegebene Kontur, zum Beispiel an die Oberflache eines Rotationsparaboloid@,
anzupassen.
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Um auch noch differentielle Phasenverschiebungen, die sich innerhalb
des Lelstungseenders L ergeben konnten, zu vermeiden, ist es nach Fig. 2 möglich,
ein Doppelhorn in Form von zwei koaxialen, an ien Spitzen gemeinsam eingespeisten
Sendestrahlern H1 und H2 zu verwenden.
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Die Erregung mit einem der jeweiligen Aufgabenstellung angepaßten
Wellenmodus erfolgt dann durch den stark vereinfacht dargestellten Wellentypwandler
W.
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Die oben anhand der Fig. 1 und 2 behandelte erfindungsgemäße fnordnung
tot auch gemäß Fig. 3 für die Messung und Überwachung rotationssymmetrisch verteilter
Punkte geeignet. Auch hier speist ein Leistungssender L über einen Wellentypwandler
W die beiden Sendeantennen H1 und
H2. Die von diesen abgegebenen
Wellen werden durch die beiden in diesem Fall rotationssymmetrisch geformten Umlenkepiegel
R1 und R2 darart umgelenkt, daß sie in einem (nicht dargestellten) toroidförmigen
Zielgebiet miteinander interferieren. Auch hier ist die Formung der Umlenkspiegel
R1 und R2 wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereite geschildert, in erster Linie vom
Abstand zwischen den Umlenkapiegeln und den Sendestrahlern H1 und H2 abhängig und
kann darüber hinaus in zweiter Linie auch zur Erzielung besonderer Formen des Interferenzfeldes
variiert werden. Bei der im Zusammenhang mit Fig. 3 behandelten Ausführungsform
der Erfindung wird der Wellentypwandler W vorzugsweise derart gewählt, daß die Sendestrahler
H1 und-H2 rotationesymmetrische Felder abstrahlen.
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Es ist nicht erforderlich, daß die beiden Sendeantennen H1 und H2
der Fig. 1 und 2 übereinstimmende Achsen aufweisen. Diese können vielmehr auch gegeneinander
versetzt sein oder insbesondere einen von OO verschiedenen, zum Beispiel stumpfen,
rechten oder sogar spitzen' Winkel einschließen. Einer derartigen Anordnung ist
selbstverständlich durch geeignete Aufstellung und Formgebung der Umlenkspiegel
Rechnung zu trsgen.
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Es könnte auch ein halbreflektierender und ein vollreflektierender
Umlenkspiegel hintereinander angeordnet und nur ein gemeinsamer Hornstrahler als
oendestrshler vorgesehen sein, welcher in Richtung auf den halbreflektierenden Spiegel
ab und durch diesen teilweise hindurch auf den dahinter angeordneten vollreflektierenden
Spiegel strahlt.
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Fig. 4 und 5 zeigen die Anwqndung und den Aufbau einer erfindungsgemäßen
Empfangs sonde E. Nach Fig. 4 wird mittels der beiden Hochfrequenzstrahlerquellen
S1 und S2 gemäß dem Verfahren nach dem Hauptpatent ein Interferenzfeld J erzeugt,
vorzugsweise ein Hyperbelfeld, bestehend aus den Minimumshyperbeln h und den dazwischenliegenden
Maximumshyperbeln m.
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Auf der Oberfläche der auszumessenden Fläche P, beispielsweise einem
Antennenreflektor, sind gemäß der Lehre nach dem Hauptpatent an vorbestimmten Stellen
mehrere Empfangssonden E angebracht.
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Nach der Erfindung besteht jede dieser Empfangs sonden E aus einer
Meßantenne A und einer Bezugsantenne B. Die lle8antenne A ist gemäß Hauptpatent
so angeordnet, daß sie etwa auf einer Minimumshyperbel h des Interferenzfeldes J
liegt. Die Bezugsantenne B iet durch die Halterung H in einem solchen Abstand von
der Meßantenne A angeordnet, daß sie etwa auf einer Naximumshyperbel m des Interferenzfeldes
liegt. Dies bedeutet, daß der Abstand zwiachen den beiden Antennen A und B für eine
gegenüber den gyperbelscharen senkrechten Anordnung der Halterung H etwa halb so
groß wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Minimumshyperbeln h ist. Da dieser
Abstand für die verschiedenen Empfangssonden E unt-erschiedlich ist und auch die
Sonde E nicht immer senkrecht zum Hyperbelfeld angeordnet werden kann, ist die Halterung
H so ausgebildet, daß dieser Abstand einstellbar ist. Die Meßantenne A und die Bezugsantenne
B jeder Empfangssonde sind über geeignete Leitungen mit einem nicht dargestellten
Phasendiskriminator verbunden, in welchem die eigentliche Phasenauswertung stattfindet.
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BeiderseitE der Minimumshyperbeln h, welche zur Erzielung einer hchen
Meegenauigkeit für die Ausmessung der Fläche herangezogen werden, befinden sich
jeweils Zonen konstanter Phase und höherer Energie; die geometrischen Orte m für
diese Energiemaxima sind ebenfalls Hyperbelw scharen. Da diese Maximumshyperbeln
m und auch der gesamte Bereich zwischen den Minimumshyperbdln konstante Phase aufweisen
- sofern senkrecht zu der Hyperbelschar fortgeschritten wird, parallel zur Ilyperbelschar
ergibt sich eine Phasenverschiebung, die aber definiert ist und leicht eliminiert
werden kann - eignen sich diese Bereiche zur Gewinnung der Bezugsspannung für den
Phasendiskriminator.
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Die Empfangssonden E werden vorzugsweise senkrecht zur RyperbelschAr
angeordnet. Aus konstruktiven Gründen sollen die Empfangs sonden E iedoch oftmals
senkrecht zu der auszumessenden Fläche P montiert werden.
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Da dann die durch die Bezugsantenne B ausgekoppelte Spannung nicht
mehr
streng gleichphasig bzw. gegenphasig zur Spannung der Meßantenne A ist, wird in
diesem Fall vorzugsweise ein Phasendiskriminator verwendet, der nur zwischen Phasenopposition
und Phasengleichheit unterscheidet und gewisse Abweichungen um diese Grenzwerte
zuläßt. Hiezu eignet sich besonders ein Phasendiskriminator nach Patent 1 246 117.
En sind jedoch ebensogut andere Phasendiskriminatoren anwendbar, die es erlauben,
die infolge dieser schrig zu den Iljporbeln gewählte Lage der Empfangssonden herwjrgerufene
Phasendifferenz bei der Auswertung entsprechend zu berücksichtigen.
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?e anwendung des Verfahrens nach dem Rauptpatent zum Ausmessen ist
tjberwachen weit entfernter Punkte, beispielsweise von Kirchtürmen, Funktürmen oder
Staudämmen, ist es vorteilhaft, die Meßantennen A und Bezugsantennen B der einzelnen
Meßsonden E als Richtempfangsantennen, beispielsweise als Hornstrahler, auszubilden.
Die damlt empfangenen pannungen sind dann auch bei Verwendung von Strahlerquellen
relativ geringer Leistung noch ausreichend groß, selbst wenn die Empfangsonden im
G@lände sehr weit eg von den eigentlichen Strahlerquellen angeordnet sind. Bei derartig
weit entfernter Anordnung der Empfangs@onden sind die Hyperbeabstände infolge ter
Divergenz außerdem bereits relativ groß, so daß auch der bei Verwendung von Richtempfangsantennen
nötige Raum gegeben ist. Ein Beispiel für eine solche Ausbildung einer Empfangssonde
zeigt Fig. 5.
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An der zu vermessenden Fläche P, beispielsweise der Wand eines Bauwerkes,
ist die Empfangssonde E angebracht, die einen als Meßantenne wirkenden Hornstrahler
RA und einen im Abstand davon angeordneten als Bozugsantenne wirkenden Hornstrahler
RB umfaßt. Der Hornstrahler HA wird bei der erstmaligen Justierung der Anordnung
auf eine Minimumhyperbel h des Interferenzfeldes einjustiert, während der Hornstrahler
RB auf oder in die Nähe einer Maximumshyperbel einjustiert wird. Die Auswertung
erfolgt wieder durch einen nicht dargestellten Phasendiskriminator, mit welchem
die beiden Hornstrahler RA und RB verbunden sind. Der Meßbereich dieser in Fig.
5 dargestellten Anordiung
ist an sich auf den halben Abstand zweier
benachbarter Minimumshyperbeln begrenzt, da die Bezugsantenne BB in ein Minimumgerät,
wenn sich die Empfangssonde E zusammen mit der zu vermessenden Fläche P um diesen
Wert nach der einen oder anderen Richtung verlagart. Da die Bezugsantenne RB aus
einer Minimumshyperbel jedoch keine Energie auskoppeln kann, ist dann eine Messung
nicht mehr möglich. Um für solche Fälle den Meßbereich zu erweitern, ist es daher
auch möglich, die von der Empfangssonde E gewonnene Information als Regelgröße zur
Änderung des Abstandes der Bezugsantenne DB von der Meßantenne RA auszunutzen. Hierzu
ist es lediglich erforderlich, der Halterung H einen entsprechenden Servomechanismus
zuzuordnen, der dieselbe entsprechend verlngert oder verkürzt, und zwar in dem Sinne,
daß die Bezugsantenne RB stets etwa auf einer taximumshyperbel oder in der Nähe
derselben gehalten wird.
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Patentansprüche