DE2258228A1 - Mit doppler-effekt und frequenz-modulation arbeitendes fernmessgeraet - Google Patents

Mit doppler-effekt und frequenz-modulation arbeitendes fernmessgeraet

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DE2258228A1 DE19722258228 DE2258228A DE2258228A1 DE 2258228 A1 DE2258228 A1 DE 2258228A1 DE 19722258228 DE19722258228 DE 19722258228 DE 2258228 A DE2258228 A DE 2258228A DE 2258228 A1 DE2258228 A1 DE 2258228A1
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Description

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54,, Rue la Boetie,, 7500β PARIS^ (Frankreich)
MH
Bife Irfiöiteiig betrifii; die mät Döppler--I;ffekt ar-
gy et.B.^ diie Messung der" relativem Radial- #i£tes; 2i©i^Tußikf es im: Veriialtiiis^ zii ei£teiä; Fernmessgerät,; uii zwar indem zu diesem Zielpunkt einer Strahlung geschickt mrd^ die von dem Zielpunkt 2um- Fernffiessgeräit reflektiert wirdyUnd- iEidem- iie; ?%ssung; der Freq^eiiK-^örs^hdeten-g erfcylgijy die z^iscaen der ausgfysiandten StrahQ;un;g; und der emv-* fangenen Strahlung entsteht«
Bei Fernmessgeriten dieser Art wird Tbekanntlieh die Frequenz der ausgesandten Strahlung dadurch moduliert, dass sie entspreeheiKi einer linearen Flanke in Abhängigkeit von der Zeit erhöht "bzw. verringert wird. Derartige Fernmessgeräte weisen den Nachteil auf^ dass die Messung der Freq&eng der zurückgesandten Strahlung verhSltnismissig umfangreiche Geräte erfordert.
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ORIGINAL INSPECTBO
Ziel der Erfindung ist es »die relative
Hadialgeschwindigkeit eines ZielOunktes durch Doppler-Fffekt mit Hilfe eines Signals zu messen, dessen Frequenz in Abhängigkeit von der Zeit linear variiert * und zwar mit einem besonders einfachen Gerät.
Das mit DoiDOler-Effekt und modulierter Frequenz arbeitende erfindungsgemässe Fernmessgerät weist ein Abtastsystem auf, das ein alternierendes Abtastsignal regelbarer Frequenz zu einem Zielpunkt aussendet, welcher das Abtastsignal reflektiert und zu dem Fernmessgerät ein Ansprechsignal zurücksendet, das durch Frequenzverschiebung aus dem Abtastsignal entsteht» Das Abtastsignal kann aus der von dem Zielpunkt selbst ausgesandten Strahlung bestehen, beispielsweise aus einer Strahlung mechanischen Typs, beispielsweise Ultra-Schallwellen, oder elektromagnetischer Strahlung wie ER5chstfrequenz- oder Lichtwellen. Im letzteren Falle muss aufgrund der Honochromasie ein lasergenerator verwendet werden.
Bei all diesen Strahlungen sind Parameter zu- berücksichtigen, wie Druck oder ein elektrisches Feld, die variieren.. Das Abtastsignal kann ebenfalls aus dem Signal bestehen, das die zum Zielpunkt ausgesandte Strahlung moduliert, Es breitet sich in diesem Fall gleichzeitig mit der von ihm modulierten Strahlung; in Richtung zum Zielpunkt aus. Die Zielpunkte reflektieren gewöhnlich das Abtastsignal in sämtliche Richtungen, insbesondere zum Fernmessgerät.
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"^in Modulationsgenerator steiiert das Abtastsystem durch ein Modulations signal derart, dass eine Frequenzänderung des Abtastsignals entsprechend einem vorbestimmten Änderungsgesetz; in Abhängigkeit von der Zeit bewirkt -wird. Gemäss diesem Änderr-ngsgesetz verlaufen die Signale als lineare Flanken.
Das erfindungsgemässe Fernmessgerät ist ferner mit einer Empfangseinrichtung versehen, welche die von dem Zielpunkt reflektierte Strahlung empfängt und auf die Frequenzverschiebung zwischen dem Ansprechsignal, das von der reflektierten Strahlung gebildet wird, und dem Abtastsignal anspricht. Diese Empfangseinrichtung liefert ein Anzeigesignal der Geschwindigkeit proportional zur Frequensverschiebung. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um bekannte Einrichtungen«
Das erfindungsgemässe Fernmessgerät ist dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung einen Frequenzkomoarator aufweist, der jeweils dann ein Durchgangssignal abgibt, wenn die Ansprechsignal-Frequenz gleich einer vorbestimmten Bezugsfrequenz ist.
Die Frequenzverschiebung, welche beim Ansprechsignal im Verhältnis zum Abtastsignal auftritt, verursacht eine Änderung der Zeitpunkte, zu denen die Durchgangssignale abgegeben werden. Durch Untersuchung dieser Zeitpunkte wird die relative Radialgeschwindigkeit des Zielpunkts erfindungsgemäss bestimmt.
Das !finderungsgesetz, welches für die Abtastsignal-
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frequenz gilt, basiert auf einer periodischen, wechselnden Folge von linearen Signalen zweier unterschiedlicher Typen, d.h. Signalen mit zwei unterschiedlichen Flanken, die die Frequenz des Abtastsignals swischen einer Niederfrequenz und einer Hochfrequenz ändern.
Die Flanken der beiden Typen von linearen Signalen können das gleiche Zeichen aufweisen, d.h. die beiden Flanken können die Abtastsignal-Frequenz mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ansteigen bzw. abiallen lassen. Die beiden Flanken können andererseits entgegengesetzte Zeicehn aufweisen, d.h. die Flanken des einen Typs können ansteigen,und die Flanken des anderen Typs können abfallen.
Vorteilhafterweise werden lineare Signale verwendet, deren Flanken während der gleichen Zeitdauer zwischen einer hohen und einer tiefen Frequenz abwechselnd ansteigen und abfallen, d.h. es wird eine Frequenz-Modulation in Form symmetrischer Sägezähne verwendet.
Die Bezugsfrequenz wird derart gewählt, dass das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der Frequenz des Abtastsignals durch die Bezugsfrequenz gleich der Halbperiode der Folge linearer Flankensignale ist.
Da die lineare Signalfolge periodisch ist, ist das Zeitintervall zwischen dem Durchgang zweier aufeinanderfolgender linearer Flanken des gleichen Typs durch die Bezugsfrequenz konstant und gleich der Periode der Signalfolge, ganz gleich welches der Wert der Bezugsfrequenz ist. Zwischen zwei
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Signalflanken des gleichen Tvos liegt eine Planke des anderen Typs. Sie passiert die Bezugsfrequenz zu einem Zwischenzeitpunkt, dessen Lage im konstanten Zeitintervall vom Wert der Bezugsfrequenz abhängt. Dieser Wert wird so gewählt, dass der Zwischenzeitpunkt, der dem anderen Signalflankentyp entspricht, in der Mitte des konstanten Zeitintervalls liegt. Die Intervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der Frequenz des Abtastsignals durch die Frequenz sind dann gleich der Halbperiode der Signalfolge * Bei linearen Signalflanken, die beide eine hohe und eine niedrige Frequenz aufweisen,.ist die Bezugsfrequenz die mittlere Frequenz zwischen der hohen bzw. niedrigen Frequenz,
Ein Zeitkomparator empfängt die Durchgangssignale und liefert mindestens ein Intervallsignal, das dem Wert eines Durchgangsintervalls entspricht, d.h. eines Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgangssignalen. Dieses Zeitpintervall hängt von der relativen Radialgeschwindigkeit des Zielpunkts ab, denn durch den Doppler-Effekt aufgrund dieser Geschwindigkeit wird eine Frequenzverschiebung des Ansprechsignals, jedoch nicht der Bezugsfrequenz bewirkt.
Aus diesem Grunde empfängt ein Geschwindigkeitsanzeiger das Intervallsignal und liefert eine Geschwindigkeits- ■ anzeige, die vom Wert dieses Intervallsignals abhängt. Zwei aufeinanderfolgende Durchgangsintervalle werden vom Doppler-Effekt wie folgt beeinflusst! ein' Intervall wird verlängert, und das andere wird verkürzt. Die Geschwindigkeitsmessgenauigkeit
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kann somit dadurch verbessert werden, dass nicht die Dauer des einen Durchgangsintervalls, sondern die Differenz zwischen den Zeitdauern der beiden Intervalle gemessen wird.
Aus diesem Grunde liefert entsprechend der Erfindung der Intervallkomparator vorteilhafterweise mindestens zwei Intervallsignale, von denen das eine einem langen Intervall entspricht, d.h. einem Durchgangsintervall, das langer ist als die Halbperiode einer Plankenfolge, und das andere entspricht einem kurzen Intervall, d.h. einem Durchgangsintervall, das kurzer ist als die Halbperiode der Flankenfolge. Der Geschwindigkeitsanzeiger liefert daher eine Anzeige einer Geschwindigkeit, die proportional der Differenz zwischen dem langen und dem kurzen Intervall ist. Die Genauigkeit iot um so besser, wenn die Differenzmessung an mehreren langen Intervallen und mehreren kurzen Intervallen erfolgt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung wird an Hand der Fig. 1 ..nd 2 beschrieben, die ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Fig. 1 zeigt ein Diagramm der Ansprechsignalfrequenzjflnderung in Abhängigkeit von der als Abszisse a fgetragenen Zeit. Dieses Diagramm iot stark ausgezeichnet.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des erfindungsgemässen Fernmessgeräts.
Pntsnrechend Fig. 1 variiert die Ansprechsignalfrequenz in Form symmetrischer Sägezähne, d.h. die ansteigenden
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Planken und die abfallenden Flanken weisen als absoluten ^ die gleiche Feigung auf. Die Bezugsfrequenz ist durch eine gestrichelte waagerechte Linie dargestellt und ist gleich dem Mittelwert der Abtastsignalfrequenz. Die änderung der Abtastsignalfrequenz weist die gleiche Form auf wie .diejenige des in de Pig. gezeigten Ansprechsignals. Dieses Ansprechsignal ist durch Doppler-Bffekt frequenzmässig nach oben verschoben, d.h. der Zielpunkt nähert sich dem Fernmessgerät. Die Amplitude der Frequenzverschiebung ist das Mass der Annähe rungs geschwindigkeit des Zielpunktes.
In Fig. 1 sind mit senkrechten gestrichelten Linien die Zeitpunkte t.., t?, t-, und t, bezeichnet, bei denen die Ansprechsignalfrequenz durch die Bezugsfrequenz hindurchgeht. Wie daraus ersichtlich, sind bestimmte Durchgangsintervalle wie t-,, %2* "^v ^a länger als die Halbperiode der sich wieder-, holenden Sägezahnfolge. Bei diesen handelt es sich um die genannten langen Zeitintervalle.
Das IntervalD. tp-t-. ist kurzer als die Halbperiode. Die langen Intervalle t.., tp bzw. t,, t. sind um so langer, wenn die kurzen Intervalle tp, t, kurzer als die Frequenzverschiebung durch DOPPLER-Effekt ist, d.h. wenn der Anstieg der stark ausgezeichneten, die Ansprechsignalfrequenz darstehenden Kurve um so steiler ist. Die Messung der Zeitdauer eines längen oder eines kurzen Intervalls oder der Differenz zwischen einem langen Intervall'und einem'kurzen Intervall
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bzw. zwischen mehreren kurzen und mehreren langen Intervallen bildet daher das Mass der relativen Radialgeschwindigkeit des Zielpunktes.
Mit Hilfe des in Fig. 2 gezeigten Pernmessgeräts ist eine derartige Messung durchführbar.
In Fig. 2 ist ein Lasersender L gezeigt, dessen Lichtbündel durch einen Frequenzmodulator M geschickt wird, der mit dem Bragg-Effekt arbeitet. Dieser Modulator besteht aus zwei Blöcken M1 und M2, in denen sich die von den Transdulctoren TT und T2 erzeugten Ultraschallwellen ausbreiten. Die Betriebsweise von BRAGG-Ef feict-Modulatoren ist dem Fachmann bekannt. Die Wechselwirkung zwischen dem Ultraschall und dem Licht in den Blöcken M1 und M2 bewirkt in diesen Frequenzverschiebungen und eine Verschiebung der Richtung des Lichtbündels. Beide Blöcke sind derart angeordnet, dass sich die Winkelverschiebungen aufheben und die Frequenzverschiebungen sich addieren.
In Fig. 2 sind die Lichtbündel gestrichelt dargestellt, während die elektrischen Verbindungen stark ausgezeichnet sind.
Die Trsnsduktoren T1 und T2 v/erden von einem Oszillator 0 mit Wechselstrom einer Ultraschallfrequenz gespeist. Die aus Laser L, Modulator M und Oszillator O bestehende Einheit bildet das Abtastsystem.
Die Oszillatorfrequenz 0 wird durch einen Modulationsgenerator "; gesteuert. Dieser gibt auf den Oszillator 0 ein
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Modulationssignal, das von einer abwechslenden Folge von ansteigenden und abfallenden Planken gebildet wird, wobei das Modulationssignal durch das gleiche Diagramm wie die Frequenz des Ansprechsignals in Fig. 1 dargestellt wird* Das von dem Zielpunkt reflektierte Ansprechsignal wird von einer Empfangsmischstufe R aufgenommen. Die Empfangsstufe empfängt ferner ein vom Laser L erzeugtes Bezugslichtbündel. Sie liefert ein Wechselstromsignal; dessen Frequenz ist gleich der Differenz zwischen der Frequenz des vom Zielpunkt kommenden Ansprechsignals und der festen Bezugsfrequenz, Die Bezugsfrequenz hat einen Wert, der ungefähr derjenige des vom Laser L auf den Empfänger R gegebenen Bezugslichtbündels ist. Der Empfänger ist mit Frequenzumsetzeinrichtungen ausgerüstet, mit denen ein Ausgangssignal erzielt wird, dessen Frequenz der erwähnten
Frequenz ents'nricht. Das Ausgangssignal der Empfangsmischstufe R wird auf einen Frequenzdiskriminator D gegeben", der jeweils dann ein Durchgangs signal abgibt, wenn die von ihm
empfangene Signalfrequenz den Füllwert passiert.
Diese Durchgangssignale werden von einem Zeitkomparator C empfangen, der Intervallsignale, beispielsweise des
analogen Typs, abgibt, welche die Zeitdauer der Durchgangsintervalle zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgangssignalen darstellen. Diese Intervallsignale weisen abwechselnd einen hohen Wert und einen niedrigen Wert auf, entsprechend beispielsweise den langen Intervallen und den kurzen Intervallen. Sie werden auf-" eine Verteilerschaltung CD gegeben, die
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sie abwechselnd an einem oder dem anderen ihrer Ausgänge abgibt. Beide Ausgänge liegen jeweils an einem von zwei Eingängen einer algebra.ircheii Summierschaltung F-S, deren einer Eingang ein positives Zeichen und deren anderer Eingang ein negatives Zeichen aufweist, d.h. die Schaltung ES zählt jedes zweite Intervallsignal nositiv und die anderen Intervalle negativ. Die Summierschaltung ES ist derart ausgelegt, dass sie nur eine bestimmte Anzahl v^on ihr enrofangener Intervallsignale berücksichtigt, und zwai stets die von ihr zuletzt empfangenen Signale. Diese Summierschaltung stellt während einer bestimmten Dauer den Mittelwert der längen Intervallsignale her, die um den Wert dar kurzen Intervallsignale verringert sind. Die von der Summierschaltung Ii1S errechnete mittlere Differenz wird von einem Geschwindigkeitsanzeiger IV angezeigt.
Diese Differenz stellt allerdings nur den absoluten wert der Geschwindigkeit des Zielpunkts dar, d.h. es ist nicht bekannt, ob der Zielpunkt sich nähert oder sich entfernt. Diese Ungewissheit kann auf verschiedene Weise beseitigt werden. Beispielsweise ist es möglich, anstatt der Bezugsfrequenz eine Hilfsfrequenz zu verwenden, die im Verhältnis zur Bezugsfrequenz geringfügig verschoben ist. Hierzu werden der Modulationsgenerator W oder die Umsetzeinrichtungen, die die Empfangsmischstufe R enthält, betätigt. So wird entsprechend Fig. 1 die gestrichelte waagerechte Linie, die die Ubergangsintervalle bezeichnet, geringfügig verschoben.
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Daraus ergibt sich eine Änderung der Anzeige durch das Anzeigegerät, IV. Aus der Richtung der erfolgten Änderung ist ersichtlich, ob sich der Zielpunkt nähert oder entfernt.
In Fig. 1 sind beispielsweise zwei alternierende Signale geeigneter Frequenz abgebende Generatoren G1 und G2 gezeigt- die Frequenz ist so gewählt, dass auf die Fnrpfangsstufe R über einen Umschaltkreis CC entweder die eine oder die andere der beiden Frequenzen gegeben wird, die von der Frequenzumsetzung betroffen sind. Durch Betätigung des Um-· Schaltkreises CC wird eine Verschiebung der Bezugsfrequenz erzielt. Von den beiden Frequenzen entspricht bei gleicher Frequenzumsetzung die eine der Bezugsfrequenz und die andere der Hilfsfrequenz.
-Patentansprüche-
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Claims (5)

  1. 225822_q,_
    PATENTAIT SPRÜCHE
    1 J Kit Dopplereffekt und Frequenzmodulation arbeitendes Fernmessgerät, bestehend ausr
    einer Abtasteinrichtung, die ein alternierendes Abtastsignal regelbarer Freqiienz zu einem Zielpunkt aussendet, der das Abtastsignal reflektiert und zum Fernmessgerät ein An-SDrechsignal aussendet, das durch Frequenzverschiebung aus dem Abtastsignal entsteht'.
    einem Modulationsgenerator, der die Abtasteinrichtung durch ein Modulationssignal derart steuert, dass eine Frequenzänderung des Abtast signals gemäss einem bestimmten JLnderungsgesetz in Abhängigkeit von der Zeit entsteht; - einer Empfangseinrichtung, die auf die Frequenzverschiebung zwischen dem Ansprechsignal und dem Abtastsignal anspricht und ein Geschwindigkeitsanzeigesignal abgibt, das der Frequenzverschiebung proportional ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung (R,D,C,IV) einen Frequenzkomparator (D) aufweist, der jeweils dann ein Durchgangssignal abgibt, wenn die Frequenz des Ansprechsignals gleich einer bestimmten Bezugsfrequenz ist, wobei das Frequenzänderungsgesetz auf einer periodischen, abwochselnden Folge von oignalflanken zweier unterschiedlicher Typen basiert, d.h. zweier Signalflanken unterschiedlicher Neigung, durch die die Frequnez des Abtastsignals zwischen einer Niederfrequenz und einer Hochfrequenz geändert wird, und die Bezugsfrequenz
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    Al
    derart gewählt ist, dass das Zeitintervall zwischen zwei . aufeinanderfolgenden Durchgängen der Frequenz des Abtastsignals durch die Bezugsfrequenz gleich der Halbperiode der Signal-Flankenfolgen ist, und dass sie ferner ausgerüstet ist mit:
    - einem Zeitkomparator, der die Durchgangssignale empfangt und mindestens ein Intervallsignal abgibt, das den Wert eines Durchgangsintervalls darstellt, d.h. eines Intervalls zwischen zwei Signalen aufeinanderfolgender Durchgänge, und
    - einem Geschwindigkeitsanzeiger, der das Intervallsignal empfängt und in Abhängigkeit von dem Wert des Intervallsignals eine Geschwindigkeitsanzeige liefert.
  2. 2. Fernmessgerät nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinrichtung aus einem Lasersender (L) besteht, dessen LichtbUndel durch einen BRAGG-Effekt-Frequeiizmodulator (M) hindurchtritt, der mit einem piezoelektrischen Transduktor (t.., tp) ausgerüstet ist, welcher über einen elektronischen Oszillator (0) regelbarer Frequenz gespeist wird, dessen Steuerung durch einen Modulationsgenerator erfolgt.
  3. 3. Fernmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i chnet, dass der Zeitkomparator (C) mindestens zwei Intervallsignale liefert, von denen das eine ein langes, d.h. ein Durchgangsintervallsignal ist, das länger als die Halbperiode ist, und dessen anderes ein kurzes, d.h. ein Durchgangsintervallsignal ist, das kurzer als die Halbperiode ist, wobei der Geschwindigkeitsanzeiger IV eine
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    Geschwindigkeitsanzeige liefert, die proportional der Differenz, zwischen dem langen Intervall und dem kurzen Intervall . ist.
  4. 4. Feinmessgerät nach Anspruch 3, dadurch gekenn ze ich net, dass die beiden unterschiedlichen Flanken linear verlaufen und während der gleichen Zeitdauer zwischen der hohen Frequenz und der niedrigen Frequenz abwechselnd ansteigen bzw. abfallen, wobei die Bezugsfrequenz die mittlere Frequenz zwischen der hohen und der niedrigen Frequenz darstellt.
  5. 5. Fernmessgrerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ausgerüstet ist mit Einrichtungen (CC, G^, Gp), mit denen die Bezugsfrequenz durch eine bestimmte Hilfsfrequenz ersetzt wird, die sich von der Bezugsfrequenz unterscheidet.
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