DE3730093C2

DE3730093C2 -

Info

Publication number: DE3730093C2
Application number: DE19873730093
Authority: DE
Inventors: Bernhard F. Dr. Balgach Ch Gaechter; Andre M.J. Dipl.-Phys. Dr. Luechingen Ch Huiser
Original assignee: Wild Leitz AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1987-05-19
Filing date: 1987-09-08
Publication date: 1990-07-12
Also published as: WO1988009480A1; CH674080A5; DE3730093A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Vermessungsgerät mit Mitteln zur Kompensation von Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Richtungsbestimmung eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt ausgehenden Wellenstrahlung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Vermessungswesen machen sich mit steigender Präzision der Instrumente und mit den höheren Anforderungen an die Meßgenauigkeit Turbulenzen des vom Meßstrahl zu durchdringenden Mediums störend bemerkbar. Dies äußert sich z. B. darin, daß eine punktförmige Lichtquelle in einer gewissen Distanz nur noch als flimmernder Leuchtfleck beobachtet wird. Ein solcher verschmierter Leuchtfleck kann mit herkömmlichen Methoden nicht weiter aufgelöst werden, da die wahre Position des Bildes der punktförmigen Lichtquelle statistischen zeitlichen Schwankungen unterliegt, die auf Inhomogenitäten in der Dichte des durchdrungenen Mediums und damit auf Schwankungen des Brechungsindexes längs der Meßstrecke beruhen.

Untersuchungen zu diesen Phänomenen wurden ursprünglich angeregt durch die Beobachtung der Gestirne und die dabei auftretenden Unregelmäßigkeiten, die sich bei der Beobachtung durch die Erdatmosphäre einstellen. Zur Reduktion der dadurch entsehenden Meßfehler bei optischen Beobachtungen sind bisher nur Verfahren bekannt zur Kompensation von quasi-statischen großräumigen Inhomogenitäten, die sogenannte Refraktionskompensation. Bei der Durchführung dieser Verfahren müssen entsprechend lange Beobachtungszeiten in Kauf genommen werden.

Inzwischen hat sich gezeigt, daß Verfahren zur Refraktionskompensation für die Korrektur bei hochpräzisen Messungen nicht mehr ausreichen. Vielmehr machen sich die Einflüsse von Turbulenzen im durchdrungenen Medium als überwiegender Störfaktor bemerkbar. Besonders unangenehm sind die Turbulenzen z. B. bei hochpräzisen optischen Richtungsbestimmungen, die mit Hilfe eines Richtstrahls, z. B. eines vom Zielpunkt ausgehenden Laserstrahls, arbeiten. Turbulenzen sind aber im Gegensatz zur Refraktion keine Langzeiteffekte, sondern je nach den Strömungsverhältnissen im Medium Kurzzeiteffekte, welche das Brechungsverhalten längs der Meßstrecke innerhalb von Minuten oder Sekunden entscheidend verändern können.

Zur Lösung eines ähnlichen Problems ist es aus der DE-PS 31 30 747 bereits bekannt, zur Bestimmung der Koordinaten des Auftreffpunktes von ungebrochenen Lichtstrahlen in mehr oder weniger transparenten Flüssigkeiten eine Lichtquelle vorzusehen, die mindestens zwei ausgewählte Frequenzen aussendet, um aus den Informationen am Auftreffort Korrekturwerte nach einem bestimmten Algorithmus herzuleiten und mit unkorrigierten Meßwerten zu verknüpfen.

Bezüglich der apparativen Realisierung dieses Gedankens schlägt die genannte Druckschrift vor, am Auftreffpunkt der Lichtstrahlen eine Mattscheibe vorzusehen und das darauf entstehende Abbild der Lichtstrahlen durch eine Videokamera aufzunehmen und die dabei entstehenden Videosignale in einem Bildaufzeichnungsgerät zur späteren off-line-Bearbeitung zu speichern.

Eine solche Vorrichtung ist für Vermessungsgeräte nicht geeignet, da bei diesen die Meßergebnisse innerhalb von Sekunden, also praktisch on-line zur Verfügung stehen müssen. Schließlich ist eine Videobildverarbeitung auch sehr aufwendig, so daß sie ein Vermessungsgerät, wie einen Theodoliten, unzulässig vergrößern und verteuern würde.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Vermessungsgerät zum Betrieb in einem gasförmigen dispersiven Medium zu schaffen, mit dem sich Turbulenzeffekte bei der Richtungsbestimmung in einfacher Weise und praktisch on-line ausschalten lassen, so daß auch kurzzeitig variable Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Richtungsbestimmung eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt ausgehenden Wellenstrahlung berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 4 definierten Merkmalen gelöst.

Das erfindungsgemäße Gerät bietet wesentliche Vorteile in mehrfacher Hinsicht: Auch bei starken Turbulenzen im Medium längs der Meßstrecke zwischen dem Meßpunkt und dem Zielpunkt lassen sich in kürzester Zeit, z. B. innerhalb von Sekunden, sehr präzise korrigierte Winkelmessungen durchführen. Dabei werden die Effekte von Turbulenzen kurzzeitig und außerdem gleichzeitig mit der eigentlichen Messung erfaßt und zu einem korrigierten Meßwert verarbeitet. Die reproduzierbare Genauigkeit der Meßwerte liegt bei Wahl der Meßzeit von einigen Sekunden bei einigen hundert Nanoradian.

Entgegen bisheriger Annahmen aus bekannten Verfahren zur Refraktionskompensation ist es für die optimale Kompensation von Turbulenzeinflüssen entscheidend, die Apertur der Empfängeroptik möglichst klein zu wählen. Dies bedeutet, daß eine entsprechende zusätzliche Einrichtung in einem konventionellen Theodoliten Platz findet, wodurch dessen Meßgenauigkeit insbesondere bei starken Temperaturunterschieden und bei Auftreten einer gewissen Luftströmung, erheblich verbessert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung des Meßprinzips,

Fig. 2 den Einfluß der Dispersion bei der Messung,

Fig. 3 die Varianz der mit einem Gerät nach der Erfindung korrigierten Winkeldifferenz (Kurve A) im Vergleich zum konventionell gewonnenen Ergebnis (Kurve B),

Fig. 4 das Beispiel eines Senders mit einer Laserdiode zur Erzeugung von zwei Sendefrequenzen, und

Fig. 5 eine Empfängerschaltung zur erfindungsgemäßen Auswertung optischer Signale unter Verwendung des Multiplex-Verfahrens.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert. Zwischen einem Sender 1 und einem Empfänger 2 besteht eine direkte geometrische Verbindung D. Lichtstrahlen, die vom Sender 1 ausgehen, werden als Folge von Brechwertänderungen auf ihrem Weg längs der Übertragungsstrecke abgelenkt, so daß sie im Empfänger unter einem Winkel β gegenüber der Geraden D eintreffen. Ohne Vornahme einer Korrektur würde der Sender 1 als virtueller Sender 1′ auf der Verbindung D′ erscheinen, was insbesondere bei Winkelmessungen und darauf beruhenden Meßverfahren zu Fehlmessungen führen kann.

Zur Langzeit-Kompensation des durch die Refraktion hervorgerufenen Winkelfehlers β wird der Dispersionseffekt herangezogen, durch welchen zwei unterschiedliche Frequenzen B und R längs der Übertragungsstrecke verschieden stark abgelenkt werden. Der durch die Dispersion verursachte Unterschied im Einfallswinkel beträgt delta β. Es hat sich nun gezeigt, daß die Winkeldifferenz delta β aufgrund der Dispersion in erster Näherung direkt proportional ist zu dem von den Brechwertänderungen stammenden Winkelfehler β. Diese Grundtatsachen haben in gewissen Grenzen für alle brechenden Medien Gültigkeit, also für Luft ebenso wie für Wasser oder andere Fluide, sowie auch für Festkörper, bezüglich der Ausbreitung beliebiger Wellen.

Bisherige Verfahren zur Kompensation des Refraktionswinkels β sind von relativ langsam verlaufenden Beobachtungen der Winkelabweichungen ausgangen. Turbulenzeinflüsse durch kurzzeitig veränderliche Ungleichverteilungen in der Dichte und damit im Brechungsindex des von der Wellenstrahlung durchsetzten Mediums wurden dabei nicht berücksichtigt.

Fig. 2 zeigt nun die Momentaufnahme für den Krümmungsverlauf von Strahlungsachsen unterschiedlicher Frequenz unter Berücksichtigung der Turbulenzen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß sich die Turbulenzen durch Strömungseinflüsse oder unterschiedliche Wärmeeinstrahlung längs der Übertragungsstrecke zeitabhängig verändern können. Dementsprechend würde sich auch der Verlauf der Achsen von B und R in Fig. 2 und damit der Einfallswinkel am Empfänger verändern.

Das im folgenden näher beschriebene Verfahren trägt dieser Erkenntnis dadurch Rechnung, daß die von der Dispersion verursachten Winkelabweichungen delta β in sehr kurzen Zeitintervallen als eine Serie von Einzelmessungen ausgemessen und über einen Zeitraum von Sekunden oder Minuten ausgemittelt werden. Aus dem erhaltenen Mittelwert wird dann die erforderliche Korrektur für den eigentlichen Meßwert gewonnen. Die erwähnten Zeitintervalle für die Ermittlung der Korrekturwerte sind auf die tatsächlichen Veränderungen im Refraktionsverhalten des Übertragungsmediums abgestimmt.

Werden praktisch zur gleichen Zeit die eigentlichen Winkelmessungen und die Korrekturmessungen durchgeführt, werden damit diejenigen Ungenauigkeiten im Meßergebnis beseitigt, welche auf den "Verschmierungseffekt" durch die frühere Langzeitintegration bzw. das Ausmitteln bei der Fehlerkompensation zurückzuführen sind. Die Meßgenauigkeit kann dadurch ohne weiteres um eine Größenordnung verbessert werden. Wie später noch plausibel gemacht wird, nimmt der Restfehler wesentlich schneller mit der Meßzeit ab als dies bei der herkömmlichen Kompensationsmethode der Fall ist.

Im folgenden wird kurz auf den theoretischen Hintergrund der Erfindung eingegangen, soweit er zum Verständnis der Zusammenhänge beiträgt.

Betrachtet man eine für Z = 0 ebene Welle, die sich in der Z- Richtung ausbreitet, so wird diese Welle durch Inhomogenitäten in der Atmosphäre verzerrt. Es ist bekannt, daß diese verzerrte Welle in der Ebene Z = R < 0 näherungsweise gegeben ist durch

exp[ik ₀int^R dz n(x, y, z)] (Rytov'sche Näherung),

worin k die Wellenzahl des verwendeten Lichts und n(x, y, z) der Brechungsindex des durchsetzten Mediums (z. B. Luft) ist.

Das Integral ₀int^R dz n(x, y, z) läßt sich, ohne Näherung; partiell in eine Taylorreihe entwickeln:

₀int^Rdz n(x, y, z) = c + ax + by + Φ(x, y),

worin Φ(x, y) der Restterm ist. Nimmt man an, daß K Φ(x, y) klein gegen 1 ist, dann gilt

exp[ik ₀int^R dz n(x, y, z)] = exp[ik(c + ax + by)] · {1 + ik₀(x, y)}

Der Term exp [ik(c + ax + by)] stellt eine sich in der Richtung a, b, 1) ausbreitende ebene Welle dar. Die Winkel a und b sind nur über den Brechungsindex n von der Wellenlänge des Lichts abhängig, wie dies für die Turbulenzkompensation erforderlich ist.

Für das gute Funktionieren der Methode ist es wichtig, daß der Störterm k Φ (x, y) so klein wie möglich ist. Je kleiner der betrachtete Ausschnitt aus der Wellenfront ist, um so kleiner wird also der Störterm. Dies hat die beachtenswerte Konsequenz, daß die Apertur des Empfängers möglichst klein zu sein hat, was durchaus im Gegensatz zu der bisherigen Auffassung der einschlägigen Fachwelt steht. Bisher wurde davon ausgegangen, daß im Hinblick auf eine möglichst gute Mittelung der Turbulenzeinflüsse eine große Apertur zu verwenden ist. Das obige Ergebnis zeigt, daß diese traditionelle Auffassung zu relativieren ist, sobald es um die Reduktion der Turbulenzeinflüsse auf die Meßgenauigkeit geht.

Je größer die Turbulenzstrukturen sind, oder je kleiner die räumliche Frequenz der Variationen in n(x, y, z) ist, um so kleiner ist der Störterm k Φ (x, y) im Verhältnis zu den Win keln a und b. Diese großen Turbulenzstrukturen verursachen also kleinere Fehler als die kleineren Strukturen. Große Strukturen verursachen gleichzeitig diejenigen Fehler, die sich am langsamsten ändern und deshalb mit den herkömmlichen Methoden am schlechtesten auszumitteln sind. Da die neue Methode gerade diese Fehler gut kompensiert, nimmt der Fehler bei der vorliegenden Methode viel schneller mit der Meßzeit ab als bei konventionellen Methoden.

Fig. 3 zeigt die typische Gesetzmäßigkeit im Verlauf der Fehlervarianz in Abhängigkeit von der Meßzeit, und zwar Kurve A gemäß der Erfindung und Kurve B nach dem Stand der Technik.

Um die Anforderungen an die Stabilität des Empfängers auf einem Minimum zu halten, ist es zweckmäßig, nur einen gemeinsamen Übertragungskanal für die unterschiedlichen Frequenzen zu verwenden. Die Identifizierung der Frequenzen kann dann z. B. durch unterschiedliche Intensitätsmodulation für die verwendeten diskreten Frequenzen erfolgen.

Fig. 4 zeigt das Prinzip der Gewinnung von zwei Sendefrequenzen aus einer einzigen Laserdiode durch Frequenzverdoppelung. Der von einer Laserdiode 1 ausgehende Strahl, der z. B. im roten Bereich liegt, vorzugsweise bei ca. 430 nm, wird in einem teildurchlässigen Spiegel 7 A aufgespalten. Der abgelenkte Strahl durchläuft nach Umlenkung an einem Spiegel 7 B im Beispiel einen nichtlinearen Kristall 8, z. B. ein Kaliumniobat- oder Lithiumniobatkristall. In diesem nichtlinearen Kristall wird die Frequenz der Lichtwelle verdoppelt, im Beispiel also auf 860 nm. Diese Frequenz liegt im Blau-Bereich und ist in Fig. 4 mit B bezeichnet, im Gegensatz zur ursprünglichen Frequenz, die im Rot-Bereich liegt und mit R bezeichnet ist. Zur Intensitätsanpassung der beiden Sendestrahlen ist ein Intensitätsfilter 9 in mindestens einem der Strahlengänge vorgesehen.

Zur besseren Identifizierung der beiden Sendestrahlen für die Auswertung im Empfänger ist eine rotierende Chopper- Scheibe 10 vorgesehen, welche für beide Frequenzen eine unterschiedliche Intensitätsmodulation vornimmt. Dies wird durch unterschiedlich breite Schlitze S 1 bzw. S 2 auf dem Umfang der Chopper-Scheibe 10 erreicht.

Fig. 5 zeigt eines von vielen möglichen Ausführungsbeispielen für eine Empfängerschaltung zum Erfassen der beschriebenen Winkelabweichungen. Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, werden die vom Sender 1 ausgehenden Lichtstrahlen R und B unterschiedlicher Frequenz von einer Empfängeroptik 5 gemeinsam aufgefangen und auf die Oberfläche eines positionsempfindlichen Detektors 6 geleitet. Im Beispiel handelt es sich bei den unterschiedlichen Frequenzen, wie oben erwähnt, um rote und blaue Lichtstrahlen, die von mindestens einer Laserdiode im Sender ausgehen. Beim Detektor handelt es sich z. B. um eine Dual-Photodiode, welche zwei benachbarte lichtempfindliche Bereiche E und F aufweist.

Entsprechend weist eine empfängerseitige Auswerteschaltung Eingänge E und F für die Ausgangssignale der Photodiodenbereiche sowie einen Referenzeingang Ref auf. Die Eingangssignale E und F werden je einer Sample- und Hold-Schaltung 11 bzw. 12 zugeführt. Gesteuert von einer Logik- und Zeitsteuereinheit 13 werden die Ausgänge dieser beiden Schaltungen von einer Multiplex-Schaltung 14 abgetastet, in einem Verstärker 15 verstärkt und über einen Analog/Digitalwandler 16 Registern 17 zugeführt, wo die Signale zur Weiterverarbeitung in einem Rechner 18 zwischengespeichert werden.

Aus den an den Eingängen E und F anfallenden Positionssignalen werden Winkeldifferenzen delta β gewonnen. Im Rechner werden diese Werte entsprechend einem vorgegebenen Programm zu anderen Meßwerten im Sinne einer Korrektur in Beziehung gebracht, so daß am Rechnerausgang korrigierte Meßwerte direkt ausgegeben werden können, oder diese Werte zur späteren Verarbeitung gespeichert werden.

In einem praktisch ausgeführten Beispiel wurden zwei Lichtfrequenzen von ca. 430 nm und ca. 860 nm durch eine Luftatmosphäre von ca. 24 Grad Celsius übertragen. Die Apertur der Empfängeroptik betrug in einem Fall 36 mm und im zweiten Fall 46 mm. Zur Demonstration der mit der Meßzeit stark abnehmenden Fehlervarianz wurden die Einzelmeßwerte jeweils nach 1 sec und nach 10 sec gemittelt. Die Ergebnisse stellen sich wie folgt dar:

1. Apertur = 36 mm

leicht bewölkt; Wind von 2,5 m/s

sonnig; Wind von 2,0 m/s

2. Apertur = 46 mm

sonnig; Wind von 2,0 m/s

Claims

1. Vermessungsgerät mit Mitteln zur Kompensation von Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Bestimmung eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer zwischen dem Zielpunkt und einer Meßstation zur Aussendung gebrachten Wellenstrahlung, wobei mindestens zwei ausgewählte Frequenzen zur Aussendung gebracht werden und aus Informationen am Auftreffort Korrekturwerte nach einem bestimmten Algorithmus hergeleitet und mit den unkorrigierten Meßwerten verknüpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Betrieb des Gerätes in einem gasförmigen dispersiven Medium im Empfangskanal ein Objektiv (5) mit minimaler Apertur vorgesehen ist, und daß zum Detektieren der Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz eine positionsempfindliche optoelektrische Wandlereinrichtung (6) vorgesehen ist, deren Ausgänge an eine Multiplex-Signalverarbeitungseinrichtung zur getrennten Verarbeitung von Lichtsignalen unterschiedlicher Frequenz angeschlossen sind.

2. Vermessungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Aussenden von Lichtstrahlen im Zielpunkt aus einer Laserdiode (1) einer ersten Frequenz bestehen und daß über einen Strahlteiler (7 A) ein Teil des Laserstrahls in einen zweiten Strahlengang ausgeblendet wird, in welchem ein Frequenzvervielfacher (8) angeordnet ist, zur Erzeugung einer zweiten Frequenz.

3. Vermessungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Strahlen (B, R) senderseitige Mittel (10) zur unterschiedlichen Intensitätsmodulation durchlaufen.

4. Verfahren zum Betrieb des Vermessungsgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Serie von Einzelmessungen vorgenommen wird, deren Resultate über einen Zeitraum im Sekundenbereich zum endgültigen Meßresultat gemittelt werden.