DE2312017A1

DE2312017A1 - Elektro-optisches vermessungsgeraet

Info

Publication number: DE2312017A1
Application number: DE2312017A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dale Broadbent; Robin Hinton Hines; William Lawrence Hollinshead; John Isbell Shipp
Original assignee: AGA Corp
Current assignee: AGA Corp
Priority date: 1972-03-13
Filing date: 1973-03-10
Publication date: 1973-09-27
Also published as: AU5309173A; JPS492565A; US3832056A

Description

DlPL.-lNG. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz'9 2 3 1 2 ü 1

.Düsseldorf, 9. März 1973

AGA 3.O-009
7328

AGA Corporation

äecaucus, Wew Jersey, V. St. A,

tilektro-optisches Vermessungsgerät

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektro-optische Vermessungsgeräte zur Entfernungsmessung.

Elektro-optische Einricntungen zur Entfernungsmessung sind seit vielen Jahren uekannt. i4it deia neuen Aufkomuen von neuen wuellen üiit anueren Lichtintensitäten sowie neuer Retroreflektoren una mit aera Fortschreiten auf elektronischem und computertechnxschexn Gebiet ist es möglich geworden, den Bereich unci die Genauigkeit dieser Instrumente erheblich anzuheben, so daß sie Deinahe zu einem unentbehrlichen »verkzeug für einen Landvermesser o. dgl. geworden sina. Bisher wurde mit einer Laser-Entfernungs-Meßvorrichtung gearbeitet, bei der ein koaxialer Strahl zu einem an einem Target angebrachten Retroreflektor ausgesandt wurde. Dieser Strahl wurde dann koaxial auf das Instrument zurückgeworfen und auf eine Emjjfänyer-Photodiode fokussiert. Durch verschiedene Verfahren, von denen die meisten mit einer Blende oder einer veränderlichen Öffnung arijüiten, wirci die Intensität des zurückgeworfenen Lichts gesteuert. Der Laser .-/ird durch mehrere Frequenzen iuoduliert, wobei üie Entfernungsgenauigkeit aurch die Anzahl der zur Modulation de Lasers eingesetzten Frequenzen bestimmt wird. Das auf die Empfäxiger-Photodiode auftreffende Licht wird mit dem Licht verglichen, das auf dieselbe Photodiode von dem internen Lichtpfad des Lasers

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auftrifft,und dann davon abgezogen, um die genessene Entfernung zu erhalten (wobei axe Entfernung gleich dem zweifachen tatsächlichen -ibstand zu dem Target ist) . Sodann muß eine interne Korrektur für konstante Gerateungenauigkexten durchgeführt werden, da der tatsächlich gemessene Abstand nicht der Abstand vom Lotpunkt des Geräts zu aera Target ist. Nach dem Fertigbau des Geräts werden Messungen vorgenommen, um den Gerät-Korrekturfaktor zu bestimmen, una es wird aann Vorsorge dafür getroffen, daß der Korrekturfaktor des Geräts berücksichtigt wird, so daß das Gerät eine genaue Meßablesung liefert. Bisher hat es keine Möglichkeit gegeben, das Gerät von vornherein so auszulegen, daß eine derartige Geräte-Korrektur nicht mehr erforderlich wäre.

i">amit das System einwandfrei arbeitet, maß das Rücklaufsignal eine dusreicnende Intensität haben, um eine klare Ablesung zu gewährleisten, ainaeutig innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Geates lie-jen und sich im übrigen ohne Fehler einfach ablesen lassen. Ferner soll das Signal nicht zu hoch liegen, aa diese Signaler t mit iiiren scharfen Wellenfronten ebenfalls Probleme schafft. _n der Vargangen-rieit haben andere Gerate mit Änalog-ileßeinrich-„üiiyen gearbeitet, um dem Benutzer des Geräts anzuzeigen, daß aas Iiitref±t=nde Signal sich im richtigen Bereich für eine Ablesung -finaet. Analog-.neßgeräte weisen jedoch einen eingebauten durch-"cnnittsoildenden Faktor auf und zeigen nicht an, wenn nur eines :äer zwei von jeweils fünfzig Irapulssignalen eine zur Ablesung ge-U j ende, ^cärke hauen. In einem solchen Fall zeigt ein mit iiitteisrtsbii .ng arbeitendes Meßgerät an, daß keine lesbaren Signale ur Verfugung steaen, so daß der Vermesser normalerweise axe Hoffnung, auf eine Messung aufgeben würde, vfenn jedoch ein Meßgerät zur i^iüyun gestallt werden könnte, das dem Benutzer anzeigen v/ürae, :-.· ζ um!., iast^ einiye auswertbare Signale eintreffen, so Könnte 3r Verir>e:;3er warten, bis von dem Gerät über eine größere äeit- -;iiode hinweg genügend Signale empfangen worden sina, iu,_t eine ollstän-_;.vfe una genaue Ablesung zu erhalten.

us bisher- noch nie vollständig erläuterten Gründen scheinen, .nm man ;.inen frequenzmodulierten Laserstrahl über eine anzahl

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Ablesungen mittelt, um zu einer gewünschten Entfernungsmessung zu gelangen, in einem weiten Bereich Fehler aufzutreten, die durch eine Form Zweiter Harmonischer-Verzerrung hervorgerufen werden, wobei diese Zweite Harmonische-Verzerrung in der Tat erhebliche Fehlablesungen nach sich ziehen kann. Um dies zu vermeiden, wurden diese Art von Fehlern bisher dadurch korrigiert, daß eine Spule oder ein anderes, zu einer Phasenverschiebung von 90° führendes Element in das System eingeführt wurde, nachdem die Hälfte der Ablesungen abgeschlossen war, jedoch vor der Mittelwert-bildung, worauf die ausgehenden Signale mittels einer Spule für die nächste Gruppe von Ablesungen um 90° phasenverschoben wurde, so daß bei der Mittelwertbildung alle Zweite Harmonische-Verzerrungen sich gegenseitig aufhoben, wobei natürlich von der Voraussetzung ausgegangen wurde, daß die Zweite Harmonische-Verzerrung während der nächsten AbIesunc,sgruppe gleich blieb.

wo bisher Messungen über lange Strecken bzw. große Entfernungen durchgeführt wurden, war es allgemein bekannt, daß mehr als eine Frequenz zur Verfugung stehen mußte, wenn die zu messende Entfernung länger als eine Hälfte der 'Wellenlänge der modulierenden Frequenz war. Bei Anwendung dieses Systems wurde die erste Wellenlänge normalerweise so eingestellt, daß die erste Meß-Einheit, beispielsweise bis zu 9,999 (X,XXX) m abgelesen werden könnte. Bei Vereinigung zweier Frequenzen ist es möglich, eine Phasenmessung zu erhalten, die die Information für eine XO,OO-Messung liefert, die gemeinsam mit der ersten Messung eine Entfernung von bis zu * 99,999 m erfassen würde. Mit einer dritten Frequenz könnte der .leßbereich bis auf XOO,00 m ausgedehnt werden, so daß insgesamt ein Meßbereich von XXXX,XXX m erfaßt werden könnte. Man nahm an, daß bei Anwendung dieses Systems vier Frequenzen erforderlich wären, um die zur Messung eines Bereichs von XXXX,XXX m notwendige Genauigkeit zu erzielen.

Elektro-optische Verraessungsgerate sind sehr empfindlich, und wenn man sehr, sehr genaue Strecken über einen weiten Entfernungsbereich messen will, so ist es wesentlich, daß bei der Messung irgendeine Bewegung des Geräts vollständig vermieden wird. Bisher

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bestand in diesem Zusammenhang eines der Hauptprobleme bei der Bedienung der Geräte auch in deren Ein- bzw; Ausschaltung. Die Betätigung eines Druckknopfes, um das Gerat einzuschalten, könnte durchaus zu einer Verschiebung des Geräts führen* wenn auch nur zu einer sehr geringen, Und dadurch einen Fehler hervorrufen * Um dieses Problem zu vermeiden, wurden schön verschiedene Arten kapazitiver Schalter entwickelt/ die hur erforderten/ daß der Benutzer das Gerät berührt/ um es ein- bzw. auszuschalten. Jedoch gab es keinen berührungslosen Schälter füfc ein Vermessungsgerät, der wirksam alle" Probleme hätte vermeiden können/ wie sie beim Einbzw. Ausschalten des Geräts bisher auftreten konnten*

Ein elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zurSpeisung der Modulations-Einrichtung mit einem ReferenzfrequenzSighal, so daß die Strahlungsquelle mit der Referenzfrequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen/ einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit dem Rücklaufsignal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmoäulations-Einrichtung durch das -Instrument zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt/ die die modulierte Strahlung von der strahlungsmodulierettden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung ist erfiridungsgemäß dadurch gekennzeichnet/ daß die Einrichtung zum Phasenvergleich eine Einrichtung zur Berechnung der Formel R = E-I+K aufweist, wobei

R = zu messende Entfernung
E = externer Pfad
I = interner Pfad; und
K = eine Konstante

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ist, und daß die ßerechnungseinrichtung der gemessenen Entfernung entsprechende Signale erzeugt und die Wiedergabeeinrichtung von der Berechnungseinrichtung so gesteuert wird, daß sie die gemessene Entfernung anzeigt.

riach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal, so daß*die Strahlungsquelle mit der Referenzfrequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit dem Rücklaufsignal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die RKxlulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung durch das Gerät zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischgfl Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung strahlungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät 2zaa dtear lungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung ₍ζ,«τ wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der senen Entfernung erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vergleich einzelner, ausgetaster Rücklauf-Strahlung©— signale mit digitalen Niveaus, sowie dadurch, daß die Vergleichseinrichtung eine Einrichtung zur Berechnung der Strecke, die die Strahlung durchlaufen hat, aufweist und daß die Signalvergleichs-Einrichtung die Berechnungs-Einrichtung unwirksam hält, sofern die einzelnen ausgetasteten Rücklauf-Strahlungssignale nicht innerhalb der vorgegebenen digitalen Niveaus liegen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Ein-

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richtung mit einem Referenzfrequenzsignal, so daß die Strahlungsquelle mit der Referenzfrequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit dem Rücklaufsignal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung. durch das Gerät zu einem Target und zurück durch das Gerätzu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der strahlungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Einrichtung zur Berechnung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke aufweist unddaß die Berechnungseinrxchtung die Referenzfrequenzsignal-Einrichtung so steuert, daß die Referenzfrequenz eine Phasenverschiebung von 90° erfährt, wobei die Berechnungseinrxchtung zunächst die Entfernung einer vorgegebenen Gruppe von Rücklauf-Strahlungssignalen berechnet, sodann die Phase des Referenzsignals um 90° verschiebt und eine zweite vorgegebene Gruppe Rücklauf-Strahlungssignale, die der erstgenannten Gruppe gleich sind, berechnet und hierauf die Ablesung beider vorgegebener Gruppen mittelt, um so die zu messende Strecke zu berechnen.

Wach einem weiteren Merkmal ist ein elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren.Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal , so daß die Strahlungsquelle mit der Referenzfrequenz, moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfr^uenzsignals mit dem Rücklauf signal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlau-

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feilen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung durch das Gerät zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der strahlungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz-Einrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Referenzfrequenzen f., f 2, f., unterschiedlicher Größenordnung zuführt, so daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Phasenmessung 0, mit der Referenzfrequenz f , , eine Phasenmessung 0„ mit der Referenz frequenz f ₂ und eine Phasenmessung 0~ ^m*-t ^er Referenzfrequenz f.^ erhält und daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Einrichtung zur Berechnung der Entfernung R wie folgt aufweist:

Einheiten

^R3A ^R2Ä ^R1A

worin X = beliebige Zahl
⁰I

IA 100

R¹
^R2A ⁼ Cⁱ⁰l ~ 5²2⁾ " (Einser,

R²

^R3A C(⁰I * ⁰3> - (Zehner

wobei R andeutet, daß R auf die nächsten Zehner der X-Einheiten

2
abgerundet ist, während R andeutet, daß R_ auf die nächsten

Tausender der X-Einheiten abgerundet ist, so daß gilt R_A = 1OOOR_3A + 10R_2A + R_1A Einheiten.

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Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung können die erfindungsgemäß vorgesehenen elektro-optischen Vermessungsgeräte mit einem optischen Schalter ausgestattet sein, der eine Frequenzabstrahlungsquelle aufweist, ferner eine Strahlungserfassungs-Einrichtung, die neben der Strahlungsquelle, jedoch außerhalb des Pfades der Strahlungsquelle derart angeordnet ist, daß sie Reflexionsstrahlung von der Strahlungsquelle erhält, wenn in Nähe der Strahlungsquelle eine Reflexionsfläche positioniert wird, sowie eine Hochfrequenz-Filteranordnung,die mit dem Ausgang der Strahlungserf assungs -Einrichtung so verbunden ist, daß nur hochfrequente Signale von der Strahlungserfassungs-Einrichtung passieren können, um so ein für das Positionieren einer Reflexionsfläche neben der Strahlungsquelle repräsentatives Signal zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Blockschaltbild eines Entfernungs-Meßgerätes nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Demodulator- und Szintillations-Detektors sowie der Wiedergabeeinheit der Fig. 1;

Fig. 3 schematisch das Linsensystem für das Gerät nach der. Erfindung; und

Fig. 4 scheiaatisch ein Schaltbild des in Verbindung mit dem Entfernungsmeßgerät nach Fig. 1 verwendeten Schalters.

Es wurde gefunden, daß die interne Eichung eines Geräts durch die Positionierung der optischen Elemente und durch Wahl der SPfadlänge derart bewirkt werden kann, daß der Gleichung R = E-I ciurch das Gerät genau genügt wird, wobei:

.-■--:, R" die gemessene Entfernung,
'--* I die interne optische Pfadlänge

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vom Laser zur Diode und

E die externe optische Pfadlänge von dem Laser zu dem auf seine Entfernung hin zu messenden Gegenstand und zurück zu der Photodiode sind.

Das System kann so aufgebaut werden, daß die Gerät-Verschiebung einfach und genau als ein Maß der Verschiebung zwischen dem Lotpunkt des Gerätes und der Null-Verschiebungsebene bestimmt wird. Man braucht somit nur den Lotpunkt des Instruments bei der Herstellung zu verschieben, um eine Null-Verschiebung zu erhalten. Tritt statt dessen für die Verschiebung ein anderer Wert als Null auf, so ist es - unter Berücksichtigung der Gleichungen, durch die eine solche Verschiebung noch vor dem Zusammenbau des Geräts geeicht wird - nur noch notwendig, diese Information in den logischen Computerspeicher einzugeben, der dann automatisch bei jeder Messung für eine Kompensation des Gerätefehlers sorgen würde.

Das vorliegende System umfaßt weiter eine digitale Signalniveau-Anzeige, die eine digitale sichtbare Anzeige des Niveaus eintreffender Impulse liefert, um anzuzeigen, ob Impulse zur Verfügung stehen, die durch das Instrument gelesen werden können. Beispielsweise kann für jeweils 32 empfangene Impulse ein Impuls.hinsichtlich seines Niveaus ausgetastet werden, und dieses Niveau wird auf einer digitalen Wxedergabeeinhext angezeigt und 32 zusätzliche Impulse lang festgehalten. Das gibt dem Beobachter genügend Zeit, um den Wert dieser ausgetasteten Impulse festzuhalten, ohne daß die Niveaus aller Impulse während einer bestimmten Zeitdauer gemittelt werden müßten. Durch die Verwendung ausgewählter Impulse und das anschließende Festhalten ihrer Ergebnisse während einer Zählung von 32 Impulsen ist es möglich, eine Anzeige des Wertes mindestens eines Impulses unter jeweils 32 Impulsen zu erhalten. Ein System, das diese Inpulse mißt, ist dann weiter dahingehend wirksam, daß die Austastung von Impulsen so erfolgt, daß nicht zu dicht nebeneinander liegende Impulse ausgewählt werden, weil sonst der Empfang einer ungenauen Ablesung verursacht werden könnte, in der es

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zu einer Kürzzeitschwankung des empfangenen Signals kommen könnte. Durch Abtastung über voneinander entfernte Intervalle könneii die kurzen Unregelmäßigkeiten über eine längere Zeitdauer äusgemittelt werden.

Die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzte digitale Signalniveau-Anzeige weist ferner ejLne Einrichtung auf, um dem Computer zu melden, daß nur Signale eines bestimmten Niveaus gewählt werden sollen und daß, wenn bei der Messung mit den weni^ ger kennzeichnenden Zahlen gearbeitet wird, ein größeres Impulsfenster geliefert werden kann, das zur Messung zu dienen vermag.

Im Gegensatz zu der 9O°-Phasenverschiebung der dem Laser zügeführten modulierten Signale zieht die vorliegende Erfindung eine elektronische Phasenverschiebung in dem dem Referenzoszillatör zugeordneten logischen Kreis vor, so daß es zu einer echten, genauen 9O°-Phasenverschiebung des Signals kommt. Es sei darauf hingewiesen, daß bei der Verwendung von Spulen zur Erzielung einer Phasenverschiebung von 90° eine bestimmte Spule Signalen verschiedener Frequenzen unterschiedliche Impedanzen entgegensetzen konnte, so daß möglicherweise keine genaue 90°-Phasenverschiebung für alle Signale erzielt werden kann, die das dem Laser zugeführte Modulationssignal umfaßt. Da mehrere Frequenzen zugeführt werden, ist es möglich, daß geringfügige VerzögerungsSchwankungen auftreten und dann Fehler verursachen. Durch eine elektronische Phasenverschiebung wie bei der vorliegenden Erfindung werden Fehler dieser Art vermieden.

Der "Aus-/Ein"-Schalter für das Vermessungsgerät nach der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einer Photodiode, die durch die Hochfrequenzquelle des Geräts selbst erregt wird,-um so Licht mit dem hohen Frequenzwert zu emittieren. Der Photodiode benachbart ist ein photoempfindlicher Halbleiter, der, wie allgemein bekannt, Licht aufnimmt und dann ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Gewöhnlich wird das Licht der Photodiode nicht auf den Phototransistor gerichtet, so daß der Phototransistor auch nicht beaufschlagt wird. Vielmehr gelangt zu dem Phototransistor nur ümge-

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.bungslicht., das sich auf einer sehr niedrigen Frequenz befindet (Sonnenlicht hat einen fast statischen Zustand) . Das Ausgangs-'signal des photoempfindlichen Halbleiters (Phototransistor) ist aber ein Fochpaßfilter mit einem Verstärker verbunden. "7ann Licht von -!er Photodiode (Photonen emittierenden Diode) zn -der nhoto-O-npfindlichen Diode reflektiert wir:!, wird ein elektrisches Signal rrdt einer der Frequenz der ^rregerenergie der Photodiode proportionalen Frequenz durch das Hochpaßfilter zu de*n Verstärker des Geräts geleitet, so daß sich ein Auslöseimpuls ergibt, ^s ist sordt nur not-/endig, das Ausgangs licht der Photodiode auf ^-ie Oberfläche des »hotoempfindlichen Elements zu reflektieren, um dieses in δοη eingeschalteten Z us tan > zu überführen und somit ein P-uslösesignal für das Instrument zur Verfugung zu stellen, bringt man den Finger einer menschlichen Hand verhältnismäßig nahe an die Photodiode heran, so wird praktisch eine solche P.eflex-ionsflache zur Verfugung gestellt, die zn diesem Ergebnis führt. So ist es möglich, ein Auslösesignal zu erzeugen, ohne das Ger^t 3u berühren, da es nur notwendig ist, nahe genug an di? Photodiode .voranzugehen, un eine Reflex-ion des von dieser ausgesandten Lichts auf das photoempfindliche J?lenient des Geräts h3r^x->eizufuhren.

In Verbindung n±t dem vorliegenden System v/erden drei Frequenzen verwendet, um den Laserstrahl mit den Daten der ersten ^"cklaufphase, die eir Signal bis zu 10 m liefern, mit den Daten :Ter reiten P.ücklaufo'iase aufgrund der zweiten Trequenz, die sich dann rit dera ,Signal ~.^r ersten Phase kor-"iini -r?,n lassen, um kennzeichnende Zahlen ?u erhalten, die zwischen 10 und 1000 π ausge'Jertet /er-'len konnen, sov/ie mit Daten 3er c ritten Rück lauf phase %\\ riodulieran, die aufgrund der dritten Frequenz empfangen "Je-T.'en, "venn dicise "lit den Siinalen der ersten Wz'·?, zweiten Freauenz kon'.bi-3viert ' r^rden _r so dar: die kennzeichnenden Zahlen für IO τ* erhalten /erden, ^s ist davon auszugehen, daß es ohne weiteres ersichtlich ist, daß das System sich so betreiben läßt, daß als Ausgangssignal ΐίη·3 3noabe entis "er in iü oder ft erhalten wird, je η?.chden, nit -■rnlc-iej'-' Gysteni pan arbeitet. ^Tvie ohne weiteres ersichtlich, erfordert die £ol~isu:ig des Gerätes im laetrischen 3yste?v "^;roi Berechnungen, "ir- sich /ie folgt zusaiiir.ensetzeii lassen:

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in

wobei R, =0 1

^lm 1ÖÖÖ

^R2m =

^R3m * ^r4 £⁰Γ ⁰3> ' ^(Z6hner' ^R2m0'

3m

so daß

Entfernung_m = 1000 R_31n + 10 R^ + R^ m.

R zeigt an, daß R₀. auf die nächsten IO m abgerundet ist, während R anzeigt, daß R₃ auf die nächsten 1000 ία abgerundet ist.

Im einzelnen ist in der Zeichnung mit Fig. 1 ein Bntfernungsjneßgerät nach der vorliegenden Erfindung wiedergegeben* Dieses Gerät weist einen Helium-Heon-Laser 12 (Hughes Model 3180) auf, der durch einen elektro-öptischen Lichtmodulator 14 {Isomet KD^K P) mit einem Kalium-Deuterium-Phosphatkristall bei drei Frequenzen moduliert wird. Der elektro-optische Lichtmodulatör 14 wird durch ein von einem Leistungsverstärker 16 empfangenes Signal gesteuert, wobei der Leistungsverstärker 16 eines der Äusgangssignale eines Oszillators 18 verstärkt*

Der Oszillator 18 beaufschlagt den Leistungsverstärker 16 mit einem Signal einer oberen Seitenbandfrequenz (F } gleich der Summe der Bezugsfrequenz (F.,) eines XristallosziIlators in dem Oszillator 18 und einer Zwisehanfrequenz-/ die von der Bezugsfrequenz abgeleitet wird und um IO geringer ist. Die Phasenmessung wird bei der Zwischenfrequena cUarchgeführt, die durcfi Herabsetzung der empfangenen Frequenz mit der Bezugsfrequenz erhalten wird. Inner-

■y 3

halb des Oszillators 13 wird die Bezugsfrequenz durch 10" und 10 dividiert, um Signale mit etwa den Frequenzen 15Ο kHz und 15 kHz zu erhalten. Diese beiden Signale werden mit dem Grund-Referenzsignal (F ,) kombiniert, um. zwei weitere Bezugssignale (F ,) bzw. (F , ) zu erhalten. Die beiden neuen Bezugssignale werden dann der Zwischenfrequenz kombiniert, um zwei weitere Äusgangssignale F₇ und F_ zu erhalten. Durch geeignete analoge Gate-Verfahren

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können die Ausgangs- und Bezugssignale paarweise als Signale F. und F₁,, F und F-, sowie F_ und F₁ durch entsprechende logische Gatter zwischen dem Logikrechner 34 und den Gate-Eingängen G , G bzw. G_ aktiviert werden. So werden alle erforderlichen Frequenzen von einem einzigen Oszillatorkristall abgeleitet.

Für den Oszillator 18 ist ein Anschluß G. vorgesehen, so daß in weiter unten zu erläuternder Weise nach der Zählung von 50 Impulsen der Oszillator 1-3 für die nächsten 50 Impulse 90° phasenverschoben werden kann. Diese Art der Zählung eliminiert alle Verzerrungen infolge Zweiter Harmonischer, wobei diese Verzerrungen bisher durch die Anordnung von 90°-Phasenschiebern zwischen dem Leistungsverstärker 16 und dem elektro-optischen Lichtmodulator bewirkt wurden. Durch die elektronische Phasenverschiebung anstelle der Einfügung eines Verlustelements sind genauere Ablesungen möglich, ohne daß das Ausgangs- bzw. ausgesandte Signal Verzerrungen erleidet.

Aus weiter unten zu erörternden Gründen sei darauf hingewiesen, daß nur drei Referenzfrequenzen notwendig sind, wenn ein Bereich überspannt wird, der dieselbe Entfernungsmessung liefern kann wie Entfernungsmeßgerate, die mit vier Referenzfrequenzen arbeiten.

Das Ausgangssignal des elektro-optischen Lichtmodulators wird durch ein optisches System gesendet, wie es insbesondere mit Fig. 3 veranschaulicht ist,und dabei durch ein inneres Solenoid 2O gesteuert und auf einen Targetreflektor 162 gerichtet. Der Strahl wird koaxial zum Reflektor 162 ausgesandt, so daß der Rücklauf-Lichtstrahl durch eine Blende 22 auf eine Empfängerdiode-/Verstärker-Einheit 24 fällt. Die Blende 22 ist veränderlich, so daß sie in der geeigneten Weise auf ein geV/ünschtes Rücklauf-Signalniveau eingestellt werden kann. Die Empfängerdioden-/Verstärker-Einheit 24 enthält eine Photodiode (Texas Instruments Integral Diode and Amplifier TIXL-79). Das Ausgangesignal der Einheit 24 gelangt zu einem Demodulator- und Szintillationsdetektor 26 (Fig. 1). Dieses Rücklauf-HF-Frequenzsignal wird in bezug auf das Referenz-HF-Signal des Oscillators IH demoduliert, der ebenfalls das Peferenz-

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Zwischenfrequenzsignal an den Detektor 26 liefert. Die Verstärkung des Zwischenfrequenzsignals wird durch einen Bedienungsknopf 28 am Bedienungsbord des Gerätes eingestellt. An dem Bedienungsbord 30 befindet sich ferner eine geeignete Wiedergabeeinheit 32, die aus einer Anzahl von sieben Lampen 134 aufgebaut ist, die den von der Einheit 24 empfangenen Signalwert anzeigen. Die Wiedergabeeinheit ist so aufgebaut, daß man sucht sicherzustellen, daß nur die mittlere Lampe der sieben Lampen 134 in Betrieb ist, was bedeutet, daß ein richtiges Signal zur .Messung empfangen wird. Die Arbeitsweise dieser Schaltung wird genauer in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. In der Wiedergabeeinheit 32 erscheinen außerdem die sieben Zahlen der endgültig gemachten Messung.

Ss sei darauf hingewiesen-, daß für jedes gelesene Siqnal das Gerät bezüglich des internes Pfades des Geräts selbst cfeeicht wird, so daß die endgültig gemessene Entfernung in der Tat die Entfernung von dem Lotpunkt des Entfernungsmeßgerätes bis zum Reflektor am Target ist. Der Detektor 26 führt einen Startimpuls zu einem Logikrechner 34, der die Messung für die Entfernung durchführt und die endgültige Entfernungsmessung an die Wiedergabeeinheit 32 liefert. Der Logikrechner wird mit dem Referenz-Zwischenfrequenz-^ signal und dem Taktsignal des Oszillators 18 gespeist. Die Inbetriebnahme des Geräts wird durch eine geeignete Auslösetaste 36 bewirkt, die sich an dem Bedienungsbord 30 selbst befindet und weiter unten in Verbindung mit Fig. 4 genauer erläutert wird. Das Bedienungsbord 30 ist ferner mit einem Schalter 38 ausgestattet, der lediglich dafür sorgt, daß der Logikrechner 3 4 seine Ergebnisse - je nach den Wünschen des Benutzers - entweder in Fuß oder aber in Meter liefert. Mittels eines ebenfalls dem Bedienungsbord 30 zugeordneten Steuerkreises 40 kann für eine atmosphärische Korrektur des Logikrechners 34 gesorgt werden, so daß am Ende jeder bestimmten Ablesung eine geeignete Korrektur für die speziellen atmosphärischen Bedingungen durchgeführt wird und inan eine unmittelbare Ablesung an der Wiedergabeeinho.it 3 2 hinsichtlich des tatsächlich gemessenen Abstandes erhält.

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Dem gesamten Gerät wird die erforderliche Energie von einer Energiequelle 42 zugeführt, während das innere Solenoid 2O durch einen geeigneten "Aus"-/"Ein"- sowie Intern/Extefn-Steuerkreis 44 betätigt wird. Es besteht keine Notwendigkeit, eine interne Verschiebung in dem Gerät zu eichen, wie das weiter unten im Hinblick auf Fig. 3 erläutert wird.

Da die Phasenmessung bei einer Zwischenfrequenz erfolgt, wird das Rücklaufsignal mit der Zwischenfrequenz durch Mischung des Rücklauf-RF-Signals mit einem Referenzsignal, das von dem ausgesandten Signal um 1,493 kHz abweicht, in dem Demodulator 26 erhalten. Wie zuvor erwähnt, wird mit drei Frequenzen gearbeitet, die drei Ablesungen 0₁ , 0₂ bzw, -0- liefern. 0.. liefert eine Ablesung für den Bereich zwischen 0,01 ft bis 10 ft oder 1 mm bis 10 m; 0„ liefert eine Ablesung von 10 ft bis 1000 ft oder IO m bis 1 km un<3 0_ liefert Ablesungen für den Bereich zwischen 1000 ft bis 10000 ft oder 1 kn bis 10 km.

Die Phasenmessung wird zwischen dem Startimpuls des in Fig. 2 gezeigten Nulldurchgangdetektors 50 zu dem Logikrechner 34 und einem Stopiitipuls mit der Referenz-Zwischenfreauenz vorgenommen, die von der- Oszillator 18 empfangen wird. Da die Taktimpulse zwischen dem Startimpuls und dem Stopimpuls gemessen werden, ist die gesamte Zählung ein Bruchteil der halben Wellenlänge der modulierten Frequenz. Für die Grundfrequenz F. gleich 14,989625 MHz mit einer halben Wellenlänge von IO m ist die letzte Zählung 1 mm. Die anderen Frequenzen F₂ gleich 14,974635 MHz und F₃ gleich 14,239279 MHz werden zur Bestimmung der Entfernung verwendet.

Die Gerateablesung nach dem amerikanischen System erfordert drei Berechnungen, die wie folgt zusammengesetzt werden:

ti [XX }X,XX| Fuß

τ—1—γ

^R3A ^R2A ^R1A

worin ^

^ria - fi_ö 3 0 S 8 3 9 / 0 8 8 9

^R2A

_R2 -

Row ⁼ H01 ~ 0-3) ~ (Zehner, R_n,) , JA L-. 1.3 λά Jt

so daß Entfernung^ = 1OOOR_3Ä + IO R_2A + R₃^ Fuß gilt:

R zeigt an, daß R₀ ' auf die nächsten 10 Fuß abgerundet wird,

2
während R anzeigt, daß Rg- auf die nächsten lOOO Fuß abgertmdet

Die Ablesung des Geräts bei Anwendung des metrischen Systems erfordert drei Berechnungen, θ Le sich wie folgt zusammensetzenj

JX \XX j X_rXXK{ m ·

^R3M ^R2M ^R1M . .

1M

₃ 1000

^r2m ^§ ^i - *y 3M t- ^

so daß Entfernung .. = 1000R-._M + 10B₂^.+ R,„ m, wobei R³ anzeigt, gilt:

daß R- auf die nächsten 10 m abgerundet wurde, während R anzeigt, daß R_3M auf die nächsten 1000 m abgerundet wurde.

Verwendet man die allgemeinen funktioneilen Forderungen, so besteht der erste Schritt darin, Phasenäaten zu erfassen:

1. F., γΐ, Rücklauf _

2. F₁, Ψ2 ₇ Rücklauf O- 1Om

3. F , Ψ1, Eichen O - 1OO ft 4- F_1?r2, Eichen ~~

5. F₂, Ψ1, Eichen "\

6. F₂, V2, Eichen / 10 - 1000

7. F₂, Vl, Rücklauf 7 1OO - 1O⁴ j

8. F₂, Ύ2, Rücklauf I

309839/Oagg

9. F,,yi, Rücklauf

ΙΟ. F₃,V2, Rücklauf L lOOO - ΙΟ⁴ m 11. F₃,ψ 2, Eichen j 1O⁴ - 1O⁵ ft

12. F₃,Y2, Eichen

0⁵

x 0, , 0₂r 0o sind Summierungen von Y^ und ψ~, die in Rücklauf- und Eich-Stellungen für entsprechende Frequenzen erfaßt wurden.

Wenn beispielsweise 0_χ mit 1348,642; 0₂ mit 1335,156 und 0₃ mit 1347,293 gemessen wurden und R_1A 8,642, R_2A 1343,642 - 1335,156 0,086 bzw. O34O,OOO und schließlich R_3A 1348,642 - 1347,293 0,349 oder 1000,00 gleicht, so würde der gemessene Abstand 1343,642 m betragen.

Mit Fig. 2 ist eine weiter ins einzelne gehende Erläuterung der Wirkungsweise des Demodulator- und Szintillationsdetektors 26, der Wiedergabeeinheit 32 sowie der Verstärkungseinstellung mittels des Bedienungsknopfes 2G gegeben.

Wie zuvor beschrieben, erhält der Detektor 26 ein Rücklaufsignal, das das obere Seitenband des Referenzsignals ist, und das Zwischenfrequenzsignal in einer entsprechend der durchlaufenden Entfernung phasenverschobenen Zuordnung. Dieses Signal RF wird einem gesonderten Demodulator 46 zugeführt und mit der Referenzfrequenz RF gemischt, um ein resultierendes Zwischenfrequenz^signal IF zu erzeugen, das sich leichter messen läßt. Das Ausgangssignal des Demodulators 46 wird durch ein zur Einstellung der Verstärkung dienendes Potentiometer 28' hindurch zu einem abgestimmten Verstärker 48 geleitet, der so abgestimmt ist, daß er das etwa eine Frequenz von 1,5 kHz aufweisende Zwischenfrequenzsignal verstärkt. Der Nulldurchgangsdetektor 50 erzeugt einen Startimpuls, der ein Impulssignal auslöst, wenn der Ausgang des abgestimmten Verstärkers 48 die Nullinie ins Negative gehend kreuzt, wobei dieser Startimpuls der Startimpuls ist, der in Fig. 1 dem Logikrechner 34 zugeführt wird.

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Das Ausgangs signal des abgestimmten Verstärkers 48 wird außerdem längs einer gemeinsamen Eingangsleitung zu einer Gruppe von sechs Komparatoren 54, 56, 58, 60, 62 und 64 geleitet. Die Komparatoren 54, 56, 53, 60, 62 und 64 liegen jeweils mit einem Eingang über einen geeigneten Kondensator und einen Widerstand an einer Leitung 52, während sie mit ihrem jeweils anderen Eingang über entsprechende Eichwiderstände 68, 70, 72, 74, 76 bzw. 70 an eine mit der Leitung 66 angedeutete Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Die Eichwiderstände 6β, 70, 72, 74, 76 und 73 sind so eingestellt, daß sie unterschiedliche Spannungsniveaus liefern, wobei der niedrigste Spannungswert den Eingang des !Comparators 64 speist und die Spannungsniveaus zu dem Komparator 54 hin zunehmen. Wenn der Eingang der Leitung 52 das Referenzpotential eines bestimraten Komparators übersteigt, so ergibt sich kein Ausgangssignal für diesen Komparator. Signale niedriger Amplitude können somit nur Ausgangssignale am Komparator 64 und 62 erzeugen, nicht aber am Ausgang eines höhergeordneten Komparators. Die Ausgangssignale der Komparatoren 56-62 sind mit W, X, Y bzw. Z bezeichnet worden. Somit wird für ein gutes Rücklaufsignal angestrebt, daß das Verstärkersignal genügend hoch ist, um entweder den Komparator 53 und/oder 6O zu aktivieren, aber bei der zweiten Messung ausreicht, um mindestens die Komparatoren 56 und 62 verwenden zu können. Fs sollen daher bei Einsatz des Signals erster Frequenz nur Signale gemessen werden, die den Komparator 60 als größte untere Grenze passieren, nicht aber den Komparator 53 als mindeste Obergrenze. Aus diesem Grund werden diese XY-Impulse dem Logikrechner 34 als Teil des in Fig. 1 gezeigten Schmalfenster-Impulses zugeführt. Nach Messung der Frequenz F, und Einsatz der zweiten Frequenzen erfolgt eine Umschaltung auf das Breitfenster-Signal von W - Z, und; dieses Signal wird dem Logikrechner 34 ebenfalls zugeführt. Es versteht sich, daß die Signalniveaus entsprechend einer oder zwei "!löglichkeiten verändert werden können, nämlich einmal durch Veränderung des Potentiometers 28' der Fig. 2 oder zum andern durch Veränderung der Öffnung der Blende 22 der Fig. 1, durch die dann die Intensität des Rücklaufsignals gesteuert wird.

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Die Fensterimpulse bestimmen, ob der Logikrechner ein bestimmtes Signal liest oder nicht. D. h., wenn das XY-Schmalfenster aktiviert wird, so läßt es den Logikrechner die ihm zugeführten Impulse lesen. Wenn es nicht aktiviert wird, wird kein Impuls gelesen. Diese Maßnahme dient dazu/ zweideutige Signale zu vermeiden, wie sie bei Signalen sehr niedriger Amplitude oder aber Signalen sehr hoher Amplitude - hervorgerufen durch sporadische Reflexionen u. dgl. - auftreten würden.

Für den Benutzer des Gerätes ist es wünschenswert zu wissen, ob das Rücklaufsignal in das zu messende "Fenster" paßt, so daß er den Bedienungsknopf 23 bzw. das zugehörige Potentiometer 28* oder aber die Blende 22 entsprechend einstellen kann, um genaue Messungen zu erzielen. Bisher wurde ein Analog-Meßgerät verwendet, um zu bestimmen, ob das Niveau des Rücklaufsignals innerhalb eines gewünschten Meßbereiches lag. Wenn jedoch nur ein oder zwei innerhalb dieses Meßbereiches liegende Signale empfangenwurden, so war das Analog-Meßgerät nicht in der Lage, diese Signale zu erfassen, da es Rücklaufsignale über eine bestimmte Zeitdauer hinweg integriert und dementsprechend der Benutzer glaubte, daß er keine Ablesung vornehmen könnte, wenngleich tatsächlich einige lesbare Signale vorhanden waren. Das einzige Problem bestand darin _s daß es lange Zeit dauerte, um genügend Signale für eine einwandfreie Ablesung zu empfangen. Bei der Vermessung von Entfernungen ist es jedoch nicht ungewöhnlich und nicht unzweckmäßig, ein Gerät auf eine Lesung einzustellen und eine Minute oder zwei abzuwarten, um genügend Rücklaufsignale i«it geeigneten Amplituden zu erhalten, um eine genaue Ablesung zu gewinnen. Dies vergrößert den Bereich des Gerätes in wirksamer Weise, wenn der Benutzer weiß, daß er einige für eine Ablesung brauchbare Signale erhalten kann.

Aus diesem Grund wird alle 30 see. ein Impuls der oberen Frequenz (alle 22 ms) in weiter unten zu erläuternder Heise in Vorwärtsrichtung abgegeben, um zu bestimmen, mit welcher Amplitude das Signal empfangen wurde. Daher wird die Referenz-Ewischenfrequenz von 1,5 kHz einem Untersetzer 84 über ein Gatter 86 zugeführt, ura in der Leitung 3°. für jeweils 32 am Eingang des Untersetzars 3O

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empfangene Impulse einen Impuls auftreten zn lassen. In gleicher Weise wird mit Hilfe zweier weiterer Untersetzer SO und 92 für jeweils 32 Impulse ein Impuls in der Leitung 94 erzeugt, aber diese Impulse treten unmittelbar vor den Impulsen in der Leitung 88 auf. Die Impulse in der Leitung 84 geben damit die Flipflops frei, um den nächsten Impuls für eine Rückstellung abzuwarten, Die Leitung 88 ist mit einer Reihe von Gattern 96, 98, 100, 102, 104 sowie 106 verbunden, die mit ihren anderen Eingängen an den jeweiligen Ausgängen der Komparatoren 54, 56, 58, 60, 62 bzw. 64 liegen. Wenn somit an beiden Eingängen eines der Gatter 96, 98, XOO₁- 1O2_V 104 bzw. 106 ein Sigaal auftritt, so geben die Gatter ausgangsseitig ein Signal sü. Die Ausgangssignale der Gatter 96 - 1O6 beaufschlagen einen Flipflopkreis 108, HO₇ 112, 114, bzw. 118- Die Flipflopkreise 1OS - 118 sind an sieben Gatter 120, 122, 124, 126, 128, 130 bzw. 132 angeschlossen, deren Ausgänge sieben Lampen 134 steuern, wobei die unterste Lampe mit 136 bezeichnet ist, während die übrigen Lampen größenordnungsmäßig von 138 - 148 zunehmen. Die Larapen 134 sind Bestandteil der in Fig. 1 gezeigten WMergabeeinheit 32. Selbst wenn der unterste Flipflopkreis 113 nicht aktiviert ist, so hat einer seiner mit dem Gatter 132 verbundenen Ausgänge eine Spannung, die die Lampe 136 erregt. Das zeigt an, daß an der Eingangs-Leitung. 52 nicht einmal ein Signal-, mit Miniraalniveau herrscht, Wenn die Leitung 52 ein Eingangssignal führt, das ausreicht, um den Komparator 64 ein Ausgangssignal führen zu lassen, und dieses Signal verhandeln ist, wenn der 32. Impuls zu der Leitung 38 gelangt, dann gibt das Gatter 106 einen Impuls an den Flipflopkreis 118 ab, so daß dieser zurückkippt, das Gatter 132 sperrt/ damit die Lampe 136 erlöschen läßt und schließlich dem »nteren Anschluß des Gatters 130 ein Signal zuführt.

Das Gatter 130 läßt.nur Signale durch, wenn seine beiden. Eingänge ein Signal führen. Da das Gatter 116 kein. Eingangssignal liefert, führt sein oberer Anschluß ein Signal, so daß die Ueon-Lampe 138 aufleuchtet. Das ist dann die einzige üampe, die leuchtet» In ; ähnlicher Weise haben die Gatter 1O4 und 106 ein Signal, wenn der Komparator 62 aktiviert wird, so da® das Gatter 13O unwirksam

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bleibt, jedoch das Gatter 128 ein Signal durchläßt, um die Lampe 140 zum Leuchten zu bringen. Wie ersichtlich, entspricht ein Aufleuchten der Lampe 132 einem Signal am Anschluß Y, und es ist normal, daß der Benutzer die Verstärkung mittels des Bedienungsknopfes 28 bzw. des Potentiometers 28' oder aber durch Einstellung der Blende 22 auf einen Wert bringt, so daß die Neon-Lampe 132 ständig leuchtet. Der Logikberechner wirkt so, daß, wenn der erste Strahl mit der Frequenz F von dem Laser 12 ausgesandt wird, sein einziger Rücklaufstrahl gemessen wird, wenn die Signale in das X-Y-Schmalfenster passen. Wird jedoch eine Umschaltung auf Frequenzen F~ und F., vorgenommen, so nimmt der Logikrechner Signale an, die in das breitere Fenster W-Z passen.

Die Signale der Leitung 94 setzen alle Flipflopkreise 108 - 118 in ihre ursprüngliche Lage zurück. Zwischendurch werden Impulse empfangen, so daß jeder nachfolgende Impuls gelesen werden kann. Praktisch wird ein Signal alle 32 Impulse ausgetastet, um zu bestimmen, ob das Rücklaufsignal für den Meßbereich ausreicht, und dieses Signal gelangt zu den Lampen 134, die eine Aufbauzeit bzw. eine Abbauzeit haben, die bei weitem langer als die Länge jedes Signalimpulses ist. Die ausgetasteten Impulse dienen somit dazu, ein längeres Signal zu erzeugen, um die rasch ansprechenden (22 ms Anstiegszeit) Fadenlampen zu betreiben, und die Lampen liefern ein Signal über eine längere Zeitdauer, während der sie das Miveau anzeigen, auf dem die individuell ausgetasteten Signale von dem Gerät empfangen werden.

Fig. 3 zeigt das optische System für die Entfernungsmeß-Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung. Wie schon zuvor erläutert, sendet der Laser 12 über reflektierende Spiegel 150 und 152 einen Lichtstrahl an einen elektro-optischen Lichtmodulator 14. Dieser Lichtmodulator Ϊ4 sendet sein Signal über einen Analysator 154 zu einem Strahlteiler 156. Der Strahlteiler 156 sendet das Ausgangssignal des Lasers unmittelbar über eine Linse t,- zu einem 45°-

Spiegel 158. Der Abstand zwischen dem Zentrum des Strahlteilers 156 und dem Spiegel 158 ist mit a_ bezeichnet. Der Abstand zwischen dem Ausgang des elektro-optischen Lichtmodulators 14 und dem

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Strahlteiler 156 ist mit a, bezeichnet. Vom Strahlteiler 156 zu dem 45°-Spiegel 158 geleitetes Licht wird, dann von einem zweiten Spiegel 160 zu dem Target reflektiert, das als der Targetreflektor 162 ausgebildet ist. Die Entfernung zwischen dem Spiegel 158 und dem zweiten Spiegel 160 ist mit a-. bezeichnet. Von dem zweiten Spiegel 160 abgelenktes Licht gelangt durch eine Linse t_c zu dem Targetreflektor 162. Die Entfernung zwischen der Außenfläche der Linse t~ und dem Targetreflektor 162 ist mit L bezeichnet. Die Entfernung zwischen dem zweiten Spiegel 160 und der Rückfläche der Linse t-> ist mit a₄ bezeichnet. Das von dem Targetreflektor 162 zurückgeworfene Licht gelangt durch die Linse t,, zurück und wird auf die Empfängerdiode 24 fokussiert.

Der Strahlteiler 156 sendet ferner das Ausgangssignal des elektrooptischen Modulators 14 zu einem weiteren Spiegel 164. Das innere Solenoid 20 kann von dem Targetreflektor 162 zurückgeworfenes Licht sperren und einen Strahl daran hindern, auf die Empfängerdiode 24 zurückzufallen, während der Pfad zwischen dem Strahlteiler 156 und dem weiteren Spiegel 164 geöffnet wird. Statt dessen kann das innere Solenoid 20 den internen Lichtpfad zwischen dem Strahlteiler 156 und dem weiteren Spiegel 164 sperren und dann den Pfad von dem Targetreflektor 162 zu der Empfängerdiode 24 freigeben. Das innere Solenoid 20 kann so wählen, welcher Pfad gemessen werden soll, nämlich entweder der externe Pfad zu dem Target oder der interne Pfad, wie das nachstehend erläutert wird.

Der innere Pfad verläuft von dem weiteren Spiegel'164 weiter zu der Empfängerdiode 24. Der weitere Spiegel 164 ist so angeordnet, daß die Entfernung zwischen dem Strahlteiler 156 und dem Spiegel 164 genau gleich dem Abstand zwischen dem Spiegel 15 8 und dem Spiegel 160 bzw. a~ ist. Weiter ist der Abstand zwischen dem Strahlteiler 156 und dem Spiegel 158 genau gleich dem Abstand zwischen den Spiegeln 164 und 160 bzw. gleich a„. Die Lot-Achse des Gerätes ist mit 166 bezeichnet. Diese Achse kann bei der Herstellung des Gerätes voreingestellt werden. Die Entfernung zwischen der Lot-Achse 166 und dem Spiegel 164 ist mit a^ bezeichnet, während der Abstand zwischen der Lot-Achse 166 und der Empfängerdiode

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24 mit a_c bezeichnet ist.

Die meisten zur Zeit hergestellten Geräte der hier in Rede stehenden Art weisen einen "Null-Verschiebungs"-Berechnungs- oder -Korrektürschalter auf, so daß der jeweilige Operator das Gerät hinsichtlich der "Null-Verschiebung" eichen muß. Es wäre wünschenswert, die Hotwendigkeit dieser Art der Berechnung im offenen Einsatz eliminieren und ein Gerät mit einer echten Null-Verschiebung bauen zu können _t ohne daß die Notwendigkeit einer Vorberechnung im freien Einsatz auftritt. Um dies zu erreichen, ist das Gerät nach der Erfindung so ausgestaltet, daß der Spiegel 164 im Verhältnis zu der Lot-Achse 166 mechanisch so in dem Gerät angeordnet werden kann, daß die tatsächlich gemessene Entfernung dem externen Lichtpfad minus dem internen Lichtpfad ohne jede Korrektur wirklich gleich ist.

Um dies zu erreichen, arbeitet die vorliegende Erfindung wie folgt:

wan betrachtet die zu messende Entfernung durch ein geeignetes, an dem Gerät angebrachtes Teleskop 16 8. Wie schon angedeutet, wird angestrebt, die Entfernung zu messen und sie genau gleich äer Länge des externen optischen Pfades minus der Länge des internen optischen Rfades einzustellen.

Die zu messende Entfernung wird mit R bezeichnet, während die Entfernung von t„ zum zu messenden Punkt mit L, die interne optische Pfadlänge mit I, die externe optische Pfadlänge mit E und der Brechungsindex des verwendeten optischen Materials mit "n" bezeichnet werden.

Für ein bestimmtes Gerät ist ersichtlich, daß die Entfernung R gleich ist:

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R = (2a₅ + 2a₂ t 2a₄ + 2t_& -F 21»)

I — a '.+ a_o + a_c +" au
I J a■ . ο

2t_g

Erzielting einer "Knil-VerschiebTong'¹ mtiß der,.folgenden genügt

R" * B - I

Daher ist mit

^a5.

Da fc_o und t^ bekannte Größen sind, m?ß nur «Sie einen Abstand eingestellt werden^ der der obigen Gieietang genügt» Als Alternative zn der vorgenannten MöglicnJteit, wenn es riieiit inöglicli ist, die Lot-Ächse des Gerätes rätjniliqh, ztt ändern oder den Strahlteiler 156 bzw, den Spiegel 464 in ubereinstiirmttng, mit der obigen Gleichung zvt bewegen, so lcann dieser Betrag ^. wenn der Wert der Gleichung R + E - I■ + K wie oben bestimmt wird, wobei "K" di© Verschiebung ist - in dem Bogikrechner 34 enthalten wmin_t so daß bei Durchführung aller Berechnungen die Mull'-Verschiebung autontatisch i^der Gleichung berücksichtigt wird. Es versteht sich Je™*, doch t daß durch Einarbeiten dieses Betrages·- in das Gerät _t so daß keine Null-Verschiebung erforderlich ist, i*ogikrechner~Bi©Kiente und Betriebszeit eingespart werden» ■;

Wie ersichtlich,:ist die Entfernungsmeß-Vorrichtung nach öer vsr« liegenden Erfindung für extrem genauen Einsatz. bestjunrat * Eines der wirklichen Probleme bei dem Arbeiten roit derartigen ©©raten

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steht einfach darin, daß es schwierig ist/ das Gerät ein- bzw. auszuschalten, ohne die räumliche bzw. körperliche Einstellung des Gerätes zu beeinträchtigen und so eine Änderung hervorzurufen, die eine Neueichung infolge eines Fehlers bedingen würde. Es wäre so sehr wünschenswert, als Bestandteil des Gerätes ein System zur Verfügung zu haben, mit dessen Hilfe das Gerät ein- bzw. ausgeschaltet werden kann, um die Messung einzuleiten bzw. abzubrechen, ohne dabei das Gerät berühren zu müssen. Eine solche Anordnung ist mit Fig. 4 wiedergegeben, wobei diese Anordnung in Fig. 1 allgemein als Auslösetaste 36 erscheint. Entsprechend Fig. 4 ist die Auslösetaste 36 mit einem Transistor 170 ausgestattet, der ein hochfrequentes Signal von der Referenz-Zwischenfrequenz erhält, so daß der Ausgang des Transistors 170 eine Photodiode 172 aktiviert, die Licht mit einer Frequenz von 1,5 kHz emittiert. Diese lichtemittierende Diode 172 befindet sich auf der Vorderseite des Bedienungsbordes 30, so daß eine in Form eines Fingers oder eines sonstigen Gegenstandes vor die Photodiode 172 gehaltene Außenfläche 174 das Licht auf den photoempfindlichen Transistor 176 reflektieren würde.

Der photoempfindliche Transistor 176 ist kapazitiv mit einem Hochpaßfilter 178 gekoppelt, über den er mit der Basis eines Transistorverstärkers 180 in Verbindung steht. Ümgebungs- oder Raumbeleuchtung befindet sich nahezu auf einem Gleichspannungsniveau, so daß normalerweise, gleich wie viel von diesem ümgebungslicht auf den photoempfindlichen Transistor 176 fällt, dessen Ausgangssignal nicht über das Hochpaßfilter 78 zu der Basis des Transistorverstärkers 130 gelangen und dort kein Ausgangssignal für einen Auslöse! npuls erzeugen kann. YJird jedoch Licht von der Außenfläche 174 auf den photoeiapfindlichen Transistor 176 von der Photodiode 172 aus reflektiert, so erhält man ein pulsierendes Ausgangssignal mit einer Frequenz von 1,5 kHz, das das Hochpaßfilter 178 passiert •und zu dem Transistorverstärker 180 gelangt, so daß ein von dem Logikrechner 34 erfaßter Auslöseimpuls hervorgerufen wird, der den Beginn eines Arbeitszyklus festlegt.

Es sei darauf hingewiesen, daß es nicht notwendig ist, das Gerät

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zu berühren, da beispielsweise ein Finger nur nahe genug an die Photodiode 172 herangebracht werden muß, um deren Licht zu dem photoempfindlichen Transistor 176 zu reflektieren, was.dann zu einem Äuslöseimpuls führt. Das Ausgangssignal des Transistors speist dabei einen zu dem Transistorverstärker ISO parallelgeschalteten Impulsfοrmungskondensator 182.

Patentansprüche;

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Claims

Paten tansprüche t

1.1 Elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, ~'' einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal, so daß die Strahlungsquelle mit der Referenz frequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit dem Rücklaufsiynal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung durch das Instrument zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der strahiungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Phasenvergleich eine Einrichtung zur Berechnung der Formel R - E - I + K aufweist, wobei

R = zu messende Entfernung
B = externer Pfad
I = interner Pfad; und
K = eine Konstante

ist, unu daß die Berechnungs-Einrichtung der gemessenen Entfernung entsprechende Signale erzeugt und die Wieüergabeeinrichtung von der Berechnungseinrichtung so gesteuert wird, daß sie die ge-iessene Entfernung anzeigt.

2. Vermessungsgerät nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstante K gleich Hull ist.

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Vermessungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der externe optische Pfad CE) und der interne optische Pfad (I) gemeinsame optische Elemente (154, 156, 164) aufweisen, daß das Gerat eine Lot-Achse (166) hat, von der aus die Entfernung berechnet wird, und daß die gemeinsamen optischen Elemente im Verhältnis zu der Lot-Achse (166) so angeordnet sind, daß die Konstante K gleich Null ist.

Vermessungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsamen optischen Elemente einen Strahlteiler (156) aufweisen, der nahe dem elektro-optischen Lichtmodulator (14) angeordnet ist, um Strahlung längs des internen und des externen optischen Pfades auszusenden, und daß die Lage des Strahlteiler im Verhältnis zu der Lot-Achse derart wirksam ist, daß der Wert der Konstanten K'bestimmt wird.

Elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal, so daß die Strahlungsquelle mit der Referenzfrequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit dem Rücklaufsignal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesarate Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung durch das Gerät zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der strahlungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Vergleich einzelner, ausgetasteter Rücklauf-

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Strählüiigsisignale mit digitalen Niveaus sowie dadurch, daß die Verfleictiseinfishtung elfte Einrichtung zur Berechnung der Strecke, die die Strahlung durchlaufen hat/ aufweist und daß die SignadvergleiGhs-Einridhtung die Öerechftungs-Einrichtung unwirksam hält, sofern die einzelnen ausgetasteten Rücklauf-Strahiungssignäle nicht innerhalb der Vorgegebenen digitalen Niveaus liegen*

6. Vermessungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenz^requenzsignäl-Einriöhtüng der Modulations-Einrichtüng in vorgegebenen Intervallen unterschiedliche Refeifenzfrequenzsignaie zuführt, daß die Signal Vergleichs-Einrichtung (54 - 64) die Berechnungs-Einrichtuhg unwirksam hält, sofern die einzelnen ausgetasteten Rücklauf-Strahlungssignale nicht innerhalb einer ersten Gruppe vorgegebener digitaler Niveaus für ein Referenzfrequenzsignal liegen, wobei die einzelnen ausgetasteten Rücklaüfsignäle für ein abweichendes Referenzfrequenzsignal innerhalb einer zweiten Gruppe Vorgegebener digitaler Niveaus liegen müssen, die von den ersten vorgegebenen digitalen Niveaus abweichen.

7» Vermessungsgerät nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvergleichs-Einrichtung Austast-Einrichtuncen (80, 9O, 84, 92, 86# 96 - 106) aufweist, um zu einer Zeit Je^ weils nur eine Gruppe einzelner Rücklauf-Strahlungssignale auözutasten.

8« Vermessungsgerät nach Anspruch 5,6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die SignalVergleichs-Einrichtung eine Mehrzahl digitaler Niveaüvergleichs-Einrichtungen, die jeweils auf ein anderes digitales Niveau der Rücklauf-Strahlungssignale ansprechen, und eine Mehrzahl digitaler Wiedergabe-Einrichtungen aufweist, die jeweils auf eine der digitalen Niveaüvergleichs-Einrichtungen ansprechen, um das Niveau eines Rücklauf-Strahlungssignals digital anzuzeigen.

9. Vermessungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

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die digitale Wiedergäbe-Einrichtung von Lampen (138 - 148). gebildet ist> von denen in Übereinstiramung fttit der dufch das individuelle Rückläüf-S-trählungssignal aktivierten digitalen VergleicHs-E in richtung höchsten Miveaus zu einem Zeitpunkt nur jeweils eine Lampe aktiviert wird.

10. Vermessungsgerät' nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lampen Neon-Lampeft vorgesehen sind*

11. Vermessungsgerät nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvergleichs^Einrichtung zu einem Zeitpunkt nur ein einzelnes Rückiäuf-Strahlungssignäl einer Gruppe einzelner Rücklauf^Strählungssignale austastet und daß die einzelnen digitalen Wiedergabe-EinriGhtüngeri jeweils für eine der Austastzeit gleiche Seit in Übereinstimmung mit dem digitalen Niveau des avisgetasteten, den digitalen Signaivergleicns-Einrichtungen zugeführten Rücklaüf-Strahlungssignäls aktiviert werden.

12. Vermessungsgerät nach Anspruch 8, 9_t 10 öder 11 , gekennzeichnet durch eine weitere digitale Wiedergabe-Einrichtung, die wirksam wird _t Wenn das Rücklauf-Strahlungssighal unterhalb des niedrigsten, zur Aktivierung einer der digitalen Vergleichseinriehtungen fähigen Niveaus liegt,

13. Elektro-optisches VermessurigSgerat mit einer Strahlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der MtodulatioHS^Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal* so daß die Strahlungsquelle mit der Referenz frequenz moduliert wird, einer strählüngsempfindliehen Einrichtung für den Erspfang von Rüeklatif-StrahlüngsSignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfreqüenzsignals mit dem Rücklauf— Signal, um so eine Messung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesamte Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulations-Einrichtung durch das Gerät zu einem

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Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungseinpfindli-

*· -'lochen Einrichtung durchläuft, einem internen,- optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsmodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Einrichtung zur Berechnung der von der Strahlung durchlaufenen Strecke aufweist und daß die Berechnungs-Einrichtung die Referenzfrequenzsignal -Einrichtung so steuert, daß die Referenzfrequenz eine Pnasenverschiebung von 90° erfährt, wobei die Berechnungs-Einrichtung zunächst die Entfernung einer vorgegebenen Gruppe von Rücklauf-Strahlungssignalen berechnet, sodann die Phase des Referenzsignals um 90° verschiebt und eine zweite vorgegebene Gruppe Rücklauf-Strahlungssignale, die der erstgenannten Gruppe gleich sind, berechnet und hierauf die Ablesung beider vorgegebener Gruppen mittelt, um so die zu messende Strecke zu berechnen.

14. Elektro-optisches Vermessungsgerät mit einer Stranlungsquelle, einer Einrichtung zur Modulation der Strahlungsquelle mit einer oder mehreren Frequenzen, einer Einrichtung zur Speisung der Modulations-Einrichtung mit einem Referenzfrequenzsignal, so daß die .Strahlungsquelle mit der Referenz frequenz moduliert wird, einer strahlungsempfindlichen Einrichtung für den Empfang von Rücklauf-Strahlungssignalen, einer Einrichtung zum Phasenvergleich des Referenzfrequenzsignals mit deiu Rücklaufsi^nal, um so eine Messung der von der Strahlung durcnlaufenen Strecke zu erhalten, einem externen optischen Pfad, der die gesaiiite Strecke umfaßt, die die modulierte Strahlung von der Strahlungsiioüulations-Einrichtung durch das Gerät zu einem Target und zurück durch das Gerät zu der strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einem internen optischen Pfad, der die Strecke umfaßt, die die raouulierte Strahlung von der strahluntjs.nodulierenden Einrichtung durch das Gerät zu der

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strahlungsempfindlichen Einrichtung durchläuft, einer Einrichtung zur wahlweisen Messung entweder des internen oder aber des externen optischen Pfades sowie einer Einrichtung zur Wiedergabe der gemessenen Entfernung, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz-Einrichtung aufeinanderfolgend unterschiedliche Referenzfrequenzen f , f „ , f₃ unterschiedlicher Größenordnung zuführt, so daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Phasenmessung 0.. mit der Referenz frequenz f ₁ , eine Phasenmessung 0„ mit der Referenzfrequenz f₂ und eine Phasenmessung 03 mit der Referenzfrequenz f~ erhält und daß die Phasenvergleichs-Einrichtung eine Einrichtung zur Berechnung der Entfernung R wie folgt aufweist:

«ft

IX I XX I X,XXl

3A

2A

I IA

Einheiten

worin

X = beliebige Zahl

^R1A 100 -<»2> (Einser, ^R2A R¹
—— I I \j) -0₃) (Zehner, ^R3A R²

wobei R andeutet, daß R auf die nächsten Zehner der X-Einhexten abgerundet ist, während R andeutet, daß R auf die nächsten Tausender der X-Einheiten abgerundet ist, so daß gilt

R, = IOOOR-,. +

»A ^{+ R}1A ^Einneiten·

15. Vermessungsgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 14, gekennzeichnet durch eine Auslöse-Einrichtung zur Inbetriebnahme des Vermessungsgeräts, die eine an dem Gerät angebrachte Hochfrequenz-Strahlungsquelle, eine neben der Hochfrequenz-

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Strahlungsquelle, jedoch außerhalb des Strahlungspfades dieser Hochfrequenz-Strahlungsquelle angeordnete und zum Empfang von Strahlung, die von der Hochfrequenz-Strahlungsquelle bei Anordnung einer reflektierenden Außenfläche (174) neben der

abgegeben wird,
Strahlungsquelle/geeignete strahlungsernpfindliche Einrichtung sowie eine mit dem Ausgang der strahlungsempfindlicnen Einrichtung gekoppelte Hochfrequenz-Filtereinrichtung aufweist, die nur hochfrequente Signale von der strahlungseiapfindlichen Einrichtung durchläßt, um so die Inbetriebnahme des Gerätes auszulösen.

16. Vermessungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle durch die Referenzfrequenz-Einrichtung gespeist ist.

17. Vermessungsgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eine Photonen emittierende Photodiode (172) ist.

18. Vermessungsgerät nach Anspruch 15, 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Einrichtung ein photoempfindliches Halbleiterelement ist.

19. Vermessungsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenz-Filtereinrichtung ein an den Ausgang des photoempfindlichen Halbleiterelementes angeschlossener Kondensator ist.

KiJ/hs 4

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