DE4414514A1

DE4414514A1 - Verfahren zur Ermittlung der zwischen zwei Meßorten liegenden Strecke und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4414514A1
Application number: DE4414514A
Authority: DE
Inventors: Klaus Deichl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-04-26
Filing date: 1994-04-26
Publication date: 1995-11-02

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein wie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenes Verfahren zur Ermittlung der zwischen zwei Meßorten liegenden Strecke. Dabei wird die Strecke aus der Laufzeit, die Impulse von Wellen in ir gendwelchen Medien aufweisen, abgeleitet.

Ein derartiges Verfahren ist bereits als Impulsmeßverfah ren bekannt. Das klassische Impulsmeßverfahren ist RADAR.

Impulsentfernungsmesser, die nach dem Impulsmeßverfahren arbeiten, gehen z. B. aus "Der Laserimpuls-Distanzmesser Distomat Wild DI3000 - Meßprinzip und Genauigkeitsuntersu chung -" von P. SPARLA in Allgemeine Vermessungsnachrich ten, 94 (1987) 4, Seite 133 bis 146 und "Der Distant Permanent - ein neuer Impulsentfernungsmesser hoher Auflö sung für Deformationsmessungen" von H. WILDNER und A. JANSSEN in Allgemeine Vermessungsnachrichten, 95 (1988) 4, Seite 121 bis 135 hervor.

Ferner ist in "Das Konzept eines Laserentfernungsmeßsy stems für Messungen zum Mond und nach Satelliten (Wettzell Laser Ranging System = WLRS)" von R. DASSING, R. HÖPFL, W. SCHLÜTER, G. SOLTAU in Veröffentlichungen der Bayerischen Kommission für die Internationale Erdmessung der Bayeri schen Akademie der Wissenschaften, Astronomisch-Geodäti sche Arbeiten, Heft 48, 1986, Seite 38 bis 44 ein Verfah ren beschrieben, mit dessen Hilfe sich sehr große Entfer nungen messen lassen. Dabei sind auf einer Meßstrecke gleichzeitig mehrere Meßimpulse unterwegs. Gemessen wird jeweils die Laufzeit, die ein einzelner Impuls für den Hin- und Rückweg benötigt. Diese Variante der Impulsmes sung dient der Messung sehr langer Strecken. In diesem Fall ist die Laufzeit der Impulse sehr lang. Wäre jeweils nur ein einziger Impuls unterwegs, so könnte man pro Zeit einheit nur wenige Messungen durchführen. Da sich jedoch mehrere Impulse gleichzeitig auf der Strecke befinden, sind mehr Messungen pro Zeiteinheit möglich und die Genauigkeit der Messung wird besser.

Beim bekannten Impulsmeßverfahren erzeugt ein Impulsgene rator periodisch möglichst kurze, energiereiche Impulse, die eine auszusendende Welle direkt oder indirekt modulie ren. Gleichzeitig starten die Impulse eine Uhr. Die Hoch frequenzimpulse oder Lichtimpulse werden zur Gegenstation und von dort wieder zurückgesendet. Die zurückkommenden Impulse werden jeweils über einen Sensor in einen elektri schen Impuls umgewandelt und dazu benutzt, die Uhr zu stoppen. Die Zeitdifferenz Δt zwischen Stop- und Startim puls ist gleich der doppelten Laufzeit der Welle über die Strecke. Die Bestimmungsgleichung für die gesuchte Strecke lautet somit:

Dabei bedeuten:c =
c_o = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
Δt = Laufzeit des Impulses über die Strecke hin und zurück
n = Brechungsindex.

Da die Geschwindigkeit c, mit der sich die Welle längs der Strecke ausbreitet, bekannt ist, läßt sich die Strecke S eindeutig bestimmen.

Die ohnehin große Reichweite von Impulsmeßgeräten kann durch aktive Reflektoren wesentlich erhöht werden.

Bei dem ferner bekannten Phasenmeßverfahren erzeugt ein Oszillator eine kontinuierliche Welle, die eine sinusför mige Welle mit der Wellenlänge λ enthält. Bei einer Ver wendung von Frequenzen im optischen Bereich ist von einem optischen Sender ausgesendetes Licht mit dieser Welle amplitudenmoduliert. Das modulierte Licht wird zu einem Reflektor ausgesendet, der sich am anderen Ende einer zu messenden Strecke befindet. Gleichzeitig wird die Welle einem örtlich vorgesehenen Phasenmesser zugeführt. Das vom anderen Ende der Strecke zurückgesendete Licht wird mit Hilfe einer Empfangsvorrichtung empfangen, die eine Photo zelle, ein Sekundärelektronenvervielfacher, eine Photodiode oder ähnliches sein kann. Das elektrische Aus gangssignal der Empfangsvorrichtung wird dem Phasenmesser ebenfalls zugeführt. Der Phasenmesser mißt die Phasendif ferenz Δϕ zwischen der ausgesendeten und der reflektierten Welle. Da die Welle auf dem Weg über die doppelte Strecke eine Phasenverschiebung erleidet, ist die gemessene Pha sendifferenz Δϕ ein Maß für die gesuchte Strecke S. Die Bestimmungsgleichung lautet:

2S = Nλ + pλ, (2)

wobei S die gesuchte Strecke,
N eine ganze Zahl
λ die Wellenlängep =
Δϕ die gemessene Phasendifferenz ist.

In dieser Bestimmungsgleichung treten zwei unbekannte Größen auf: Die gesuchte Strecke S und die ganzzahlige Vielfache N. Zur Bestimmung der Vielfachen N und damit auch der Strecke S wird die Messung mit mehreren unter schiedlichen Frequenzen, Modulationsfrequenzen bzw. Wel lenlängen λ durchgeführt.

Der instrumentelle Fehler eines Phasenmeßgerätes läßt sich vergleichsweise klein halten. Genauigkeiten im Submillime terbereich bereiten keine besonderen Schwierigkeiten, wer den aber normalerweise nicht angestrebt, weil die Lauf zeiteffekte auf dem Weg der Welle durch das Medium - meist die Atmosphäre - viel größer sind. In der Regel wird der Phasenvergleich nicht mit der Modulationsfrequenz, sondern mit einer wesentlich tieferen Vergleichsfrequenz vorgenom men.

Bei dem Impulsmeßverfahren lassen sich infolge der wesent lich günstigeren Energiebilanz deutlich größere Reichwei ten erzielen, allerdings mit geringerer Genauigkeit.

Die Strecke S, die eine gekrümmte, schräge Strecke im Raum ist, kann entsprechend Gleichung (1) nur durch die Größen auf der rechten Seite verfälscht werden. Die Lichtge schwindigkeit im Vakuum c_o ist per Definition festgelegt und damit fehlerfrei. Der Brechungsindex n drückt aus, um wieviel sich die elektromagnetische Welle in der Atmos phäre langsamer als im Vakuum ausbreitet. Er wird durch Messungen der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und des Luftdrucks mittels bekannter Formeln bestimmt.

Die Messung Δt hat den konkreten Fehler ± m. Das Zeichen ± bedeutet, daß die wahre Laufzeit sowohl größer, als auch kleiner sein kann, als die Messung ergeben hat. Um die Ge nauigkeit von Δt zu erhöhen, wird beim klassischen Impuls verfahren die Anzahl der Messungen erhöht. Unter der Vor aussetzung, daß der Fehler m zufällig, also nicht systema tisch ist, hat der Mittelwert der gemessenen Δt-Werte den Fehler

wobei N_w die Anzahl der Wiederholungsmessungen ist. Um hohe Genauigkeiten zu er reichen, werden in der Praxis mehrere hundert bis tausend Wiederholungsmessungen vorgenommen. Der zeitliche Abstand, in dem diese Wiederholungsmessungen vorgenommen werden, richtet sich nach der maximalen Reichweite des Gerätes.

Im optischen Bereich sind damit derzeit Genauigkeiten von wenigen mm zu erreichen.

Weiterhin ist aus dem "Handbuch der Vermessungskunde" von JORDAN, EGGERT, KNEISSL, 10. Ausgabe, Band VI "Die Entfer nungsmessung mit elektro-magnetischen Wellen und ihre geo dätische Anwendung", MCMLXVI, J. B. Metzlersche Verlags buchhandlung Stuttgart, Seite 313 bis 316 bereits ein Fre quenzmeßverfahren bekannt.

Bei dem Frequenzmeßverfahren wird eine frequenzmodulierte Welle abgestrahlt und diese nach Reflexion wieder empfan gen. Gemessen wird dauernd der augenblickliche Frequenzun terschied zwischen der ausgestrahlten und empfangenen Welle.

Zufolge der endlichen Laufzeit tritt zwischen den beiden ein Frequenzunterschied auf, der ein Maß für die Laufzeit Δt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das die Genauigkeit des Phasen meßverfahrens mit der hohen Reichweite des Impulsmeßver fahrens vereinigt.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte gelöst. Die Wellen können dabei transversal oder longitudinal sein. Als Trägerfrequenz dient vorzugsweise Licht. Die Trägerfrequenz kann jedoch jede beliebige andere Welle sein. Die Modulation kann durch Tastung der Lichtquelle oder durch Modulation des von der Lichtquelle ausgesende ten Lichts erfolgen. Als reflektierender Gegenstand dient vorzugsweise eine Reflexionsvorrichtung, insbesondere ein Tripelprisma. Unter einem Frequenzmesser ist in diesem Zu sammenhang auch ein Periodendauermesser zu verstehen, der den Kehrwert der Frequenz mißt.

Vorzugsweise wird die Anordnung so betrieben, daß sich nur ein Impuls auf der Strecke befindet bzw. in der Meß schleife umläuft. Es können jedoch durchaus Impulsgruppen oder eine kontinuierliche Folge von Impulsen ausgesendet werden und dann gleichzeitig auf der Strecke sein. Aller dings ist dies bei der Messung der Impulsfolgefrequenz und/oder der Ableitung der gesuchten Strecke aus der ge messenen Frequenz zu berücksichtigen.

Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet in Verbindung mit einer kontinuierlichen Messung eine besonders hohe Meßgenauigkeit. Die Bestimmungsgleichung für die gesuchte Strecke S lautet.

wobei c = ,
t die Dauer der Messung und
N_w die Zahl der Wiederholungsmessungen ist.

Bezogen auf die für das bekannte Impulsmeßverfahren gül tige Gleichung (1) wird die Genauigkeit von Δt nicht da durch erhöht, daß N_w mal die Laufzeit Δt gemessen wird, sondern dadurch, daß einmal die Zeit t gemessen wird, die der Impuls braucht, um die Strecke N_w mal zu durchlaufen. Diese Zeit kann praktisch mit der gleichen Genauigkeit ± m gemessen werden, wie die einmalige Laufzeit Δt eines Im pulses. Die Laufzeit und der Fehler eines - gesuchten - einmaligen Durchlaufens der Strecke ergibt sich zu

Der Fehler der Laufzeit geht also nicht nur mit der Wurzel der Anzahl der Wiederholungen, sondern direkt mit der An zahl der Wiederholungen zurück. Außerdem erfordert die gleiche Anzahl von Wiederholungsmessungen weniger Zeit, weil simultan mit dem Ankommen eines Impulses der nächste Impuls gestartet wird. Bei kürzeren Strecken ergibt sich damit von selbst eine höhere Umlauffrequenz als bei länge ren Strecken. Die maximale Umlauffrequenz stellt sich au tomatisch ein.

Das Verfahren läßt sich vorteilhaft zur Messung des gegen seitigen Abstandes von Fixpunkten einsetzen. Insbesondere läßt sich mit Hilfe des Verfahrens die gegenseitige Ent fernung zweier Meßpunkte dadurch bestimmen, daß die zwi schen den Meßorten ermittelte Strecke auf die Meßpunkte zentriert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung lassen sich mit den Verfahrensschritten nach Anspruch 2 auch Entfernungen zwischen Meßpunkten bestimmen, die eine relative radiale Geschwindigkeit zueinander aufweisen. Bei nicht nur radia ler relativer Geschwindigkeit ist das Meßgerät oder eine Optik der Meßanordnung dem Reflektor entsprechend nachzu führen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schließt sich an eine Anregungsphase eine Meßphase an. Eine selbsttätige Beendi gung der Anregungsphase läßt sich auf einfach realisier bare Weise durch die Verfahrensschritte nach Anspruch 3 bewirken.

Die Verfahrensschritte nach Anspruch 4 stellen sicher, daß ein störungsbedingt unterbrochener Meßvorgang selbsttätig wieder aufgenommen werden kann.

Mit Hilfe des Verfahrens nach Anspruch 5 lassen sich in vorteilhafter Weise dadurch größere Entfernungen erfassen und/oder Hindernisse umgehen, daß im Zuge der zu messenden Strecke wenigstens ein bidirektionaler Zwischenverstärker für die in der Schleife umlaufenden Impulse vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Meßvorrichtung zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens, die insbesondere ein Meßgerät ist, geht aus Anspruch 6 hervor. Der optische Sender und der optische Empfänger können dabei mit je einer eigenen Optik versehen sein. Beide Optiken können ggf. konzen trisch zueinander angeordnet sein. Andererseits kann es zweckmäßig sein, eine gemeinsame Optik vorzusehen, über die sowohl der Sende- als auch der Empfangsweg verläuft.

Die Meßvorrichtung nach Anspruch 6 kann andererseits als aktiver Reflektor eines üblichen Impulsmeßgerätes dienen, sofern kompatible Trägerfrequenzen und Impulsformen ver wendet werden. Auf diese Weise kann ein vorhandenes Im pulsmeßgerät so durch die ansonsten völlig eigenständige Meßvorrichtung ergänzt werden, daß sich damit eine deut lich vergrößerte Reichweite ergibt. Allerdings wird damit nicht auch die Meßgenauigkeit des vorhandenen Impulsmeßge räts erhöht.

Die Weiterbildung der Meßvorrichtung nach Anspruch 7 hat den Vorteil, daß sich durch Verwendung mehrerer Meßvor richtungen die Reichweite der Meßanordnung wesentlich er höhen läßt.

Zweckmäßige weitere Ausgestaltungen der Meßvorrichtung ge hen aus den Ansprüchen 8 bis 11 hervor.

Die Meßvorrichtung nach Anspruch 11 dient zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5. Der bidirektionale Zwi schenverstärker empfängt das Meßsignal und sendet es in derselben oder einer anderen Richtung aus. Durch Wieder aussenden in einer anderen Richtung ist es möglich, bei der Entfernungsmessung Hindernisse zu umgehen. Dabei kön nen zwei Einzelgeräte in fluchtender oder abgewinkelter Anordnung zu einem Doppelgerät vereinigt werden.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Meßanordnung für das bekannte Phasenmeßverfahren,

Fig. 2 eine Meßanordnung für das ebenfalls bekannte Impulsmeßverfahren,

Fig. 3 eine Meßvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem mittels Momenttaster an eine Meßschleife anschaltbaren Anregungsgenerator und mit einem Frequenzmesser,

Fig. 4 eine Meßvorrichtung mit einem selbsttätig an die Meßschleife anschaltbaren Anregungsgenerator,

Fig. 5 eine Meßvorrichtung mit einem Vorwahlzähler und einer Uhr,

Fig. 6 eine Meßvorrichtung mit einem optischen Kurzschluß,

Fig. 7 eine Meßvorrichtung mit einem Start-Stop- Oszillator,

Fig. 8 ein Impulsdiagramm für den Start-Stop-Oszillator der Meßvorrichtung nach Fig. 7,

Fig. 9 ein Impulsdiagramm für die Meßvorrichtung nach Fig. 7,

Fig. 10 eine Meßvorrichtung mit einem Anregungsgenerator und mit einem elektronischem Schalter,

Fig. 11 ein Impulsdiagramm für die Meßvorrichtung nach Fig. 9,

Fig. 12 eine Meßanordnung mit einem aktiven Reflektor,

Fig. 13 eine Meßanordnung mit einem bidirektionalen Zwischenverstärker,

Fig. 14 eine Meßanordnung mit zwei selbständigen Teil strecken und

Fig. 15 eine Meßanordnung mit einer Meßvorrichtung und einem Reflektor,

Fig. 16 eine Anordnung zur Frequenzeichung eines Entfernungsmessers mit Hilfe eines Zeitzeichenempfängers und

Fig. 17 eine Anordnung zur Frequenzeichung eines Entfernungsmessers durch Frequenzregelung mit Hilfe eines Zeitzeichenempfängers.

Die Meßvorrichtung nach Fig. 1 zeigt einen Entfernungsmes ser, der nach dem bekannten Phasenmeßverfahren arbeitet. Der Sinusoszillator 1 steuert den optischen Sender 2. Das über die Sendeoptik 3 ausge sendete Licht 4 gelangt zum Reflektor 9. Das reflektierte Licht 8 trifft über die Empfangsoptik 7 auf den optischen Empfänger 6. Mit Hilfe des Phasenmessers 5 wird die Pha sendifferenz Δϕ zwischen ausgesendetem und empfangenem Licht gemessen und daraus die Entfernung nach Gleichung (2) bestimmt.

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung zeigt einen Entfer nungsmesser, der nach dem bekannten Impulsmeßverfahren ar beitet. Der Entfernungsmesser unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, daß anstelle des Oszillators 1 der Impulsgenerator 12 und anstelle des Phasenmessers 5 die Uhr 13 tritt. Die Uhr 13 wird durch einen ausgesendeten Impuls gestartet und durch einen empfangenen Impuls ange halten. Aus der Zeitdifferenz Δt wird die Entfernung nach Gleichung (1) bestimmt.

Bei der Meßvorrichtung 46 der Meßanordnung nach Fig. 3, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dient, ist der Ausgang des Anregungsgenerators 14 über den Momenttaster 15 mit dem Eingang des Impulsformers 17 ver bunden. An den Ausgang des Impulsformers 17 ist der opti sche Sender 2 angeschlossen. Der Ausgang des optischen Empfängers 6 ist mit dem Eingang des Impulsformers 17 und dem Eingang des Frequenzmessers 16 verbunden.

Die Meßvorrichtung 46 enthält ferner die Sendeoptik 3 zur Bündelung des vom optischen Sender 2 abgegebenen Lichts und die Empfangsoptik 7 zur Fokussierung des empfangenen Lichts 8 auf die Photodiode des optischen Empfängers 6, die z. B. eine Avalanche-Photo-Diode (APD) ist und die die empfangenen Lichtimpulse in einen entsprechenden impuls förmigen Photostrom umwandelt. Der Photostromimpuls wird insbesondere im optischen Empfänger 6 verstärkt. Gegebe nenfalls erfolgt eine weitere Verstärkung in einem nach folgenden, in der Figur nicht dargestellten Verstärker.

Die beschriebene Meßvorrichtung befindet sich am einen Meßort A. Am anderen Ende der Meßstrecke S befindet sich am Meßort B die Reflexionsvorrichtung 9. Als Reflektor 9 können wie bei bekannten Anordnungen ein bis mehrere Tri pelprismen verwendet werden. Anstelle des Reflektors 9 kann andererseits aber z. B. auch - bei allerdings deutlich verringerter Reichweite - ein diffus reflektierender Ge genstand Verwendung finden.

Bei der Meßvorrichtung 46 nach Fig. 3 erzeugt der Oszilla tor 14 als Startoszillator bzw. Anregungsgenerator eine niederfrequente Welle, die über den Momenttaster 15 dem Impulsformer 17 zugeführt wird. Der Impulsformer 17 er zeugt daraus einen kurzen, steilen und energiereichen Im puls. Der Impuls steuert den optischen Sender 2 an, der als elektrooptischen Wandler bzw. Lichtquelle vorzugsweise einen Halbleiterlaser enthält. Der Impuls steuert entweder direkt die Lichtquelle an oder moduliert das Licht indi rekt durch einen nachfolgenden Modulator.

Der vom optischen Sender 2 am Meßort A ausgesendete Licht impuls wird am anderen Ende der Strecke, d. h. am Meßort B vom Reflektor 9 reflektiert und fällt nach dem Eintreffen am einen Meßort A auf den optischen Empfänger 6, der als optoelektrischen Wandler z. B. eine Photozelle enthält.

Das elektrische Ausgangssignal des optischen Empfängers 6 steuert den Impulsformer 17 an. Der Impulsformer 17 gibt einen Impuls ab, dieser Impuls wird vom optischen Sender 2 ausgesendet und vom Reflektor 9 reflektiert. Der vom opti schen Empfänger empfangene Impuls steuert wiederum den Im pulsformer 17 an.

Auf diese Weise entsteht durch Rückkopplung ein periodi scher Vorgang, bei dem ein Impuls in einem Strom-Licht- Kreislauf in einer geschlossenen Schleife zirkuliert. Die Frequenz dieses Vorgangs hängt von der Laufzeit ab, die der Lichtimpuls zum Zurücklegen der doppelten Strecke braucht. Diese Laufzeit ist unmittelbar ein Maß für die gesuchte Strecke S. Diese Laufzeit Δt bzw. Frequenz f wird mit Hilfe des Frequenzmessers 16, der ein handelsüblicher Frequenzmesser oder Periodendauermesser sein kann, über beliebige Zeitintervalle sehr genau gemessen. Ein steiler Impuls am Ausgang des Impulsformers 17 bewirkt ein günsti ges Signal-Rausch-Verhältnis sowie einen geringen Fehler einfluß von Amplitudenschwankungen und trägt somit zu einer hohen Meßgenauigkeit bei.

Der Frequenzmesser 16 ist an die Verbindungsleitung ange schlossen, die den Ausgang des optischen Empfängers 6 mit dem Eingang des Impulsformers 17 verbindet. Er kann ggf. an einer anderen Stelle der Schleife angeordnet sein, in der der Meßimpuls umläuft.

Die Bestimmungsgleichung für die gesuchte Strecke S lautet in diesem Fall:

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit c des Meßsignals wie bei den beiden üblichen Verfahren als bekannt vorausge setzt wird und die Frequenz f das Ergebnis der Frequenz messung ist, tritt in dieser Gleichung als einzige Unbe kannte die gesuchte Strecke S auf.

Bei Beginn einer Messung wird die als Streckenmeßgerät dienende Meßvorrichtung 46 zunächst in einem mehr oder we niger langen Zielvorgang auf den Reflektor 9 ausgerichtet. Während dieses Ausrichtevorgangs wird der Momenttaster 15 immer wieder betätigt, bis ein zurückkommender Meßimpuls anzeigt, daß die Zielung erfolgreich war.

Bei einer möglichen Unterbrechung des Zielstrahls, z. B. durch Zweige oder Verkehrsteilnehmer, wird der Meßvorgang wieder per Hand gestartet.

Fig. 4 zeigt eine Meßvorrichtung, bei der - ausgehend von der Meßvorrichtung nach Fig. 3 - anstelle des Momentta sters 15 die Anregungslogik 18 vorgesehen ist, die durch das Ausgangssignal des optischen Empfängers 6 gesteuert wird. Der Momenttaster 15 der Meßvorrichtung nach Fig. 3 ist durch eine Automatik ersetzt, die dafür sorgt, daß der Anregungsgenerator 14 so lange zum Impulsformer 17 durch geschaltet ist, bis ein Meßimpuls von der Strecke zurück kommt und der Anregungsgenerator 14 dann vom Impulsformer 17 getrennt wird.

Außerdem wird der Anregungsgenerator 14 wieder zum Impuls former 17 durchgeschaltet, wenn der Meßimpuls, der über die Strecke zurückkommen müßte, ausbleibt.

Die Anregungslogik 18 enthält das monostabile Kippglied 21, das UND-Glied 19 und das ODER-Glied 20. Das ODER-Glied 20 ist mit einem seiner Eingänge an den Ausgang des opti schen Empfängers 6 und mit dem anderen Eingang an den Aus gang des UND-Gliedes 19 angeschlossen. Von den beiden Ein gängen des UND-Gliedes 19 liegt der eine am Ausgang des Anregungsgenerators 14, der andere am Ausgang des monosta bilen Kippgliedes 21. Das monostabile Kippglied 21 ist mit seinem Steuereingang an den Ausgang des optischen Empfän gers 6 angeschlossen.

Das monostabile Kippglied 21 hält das UND-Glied 19 für die Impulse des Anregungsgenerators 14 offen, solange es an seinem Steuereingang keinen Meßimpuls empfängt. Gelangt ein Meßimpuls vom Ausgang des optischen Empfängers 6 zum Steuereingang des monostabilen Kippgliedes 21, so wird dieses für eine vorgegebene Zeitspanne in den quasistabi len Zustand versetzt, in dem es das als Torschaltung die nende UND-Glied 19 sperrt. Das monostabile Kippglied 21 ist retriggerbar, so daß das UND-Glied 19 gesperrt bleibt, solange ein Meßimpuls in der Meßschleife umläuft.

Wird das als Meßvorrichtung nach Fig. 4 ausgebildete Meß gerät eingeschaltet, so beginnt der Anregungsgenerator oder Startoszillator 14 zu laufen und steuert über die An regungslogik 18 den Impulsformer 17 an, der seinerseits das vom optischen Sender 2 auszusendende Licht amplituden moduliert. Durch eine Zielvorrichtung, die in der Figur nicht dargestellt ist, wird der in der ebenfalls nicht dargestellten Gegenstation angebrachte Reflektor ange zielt.

Ist das Ziel eingestellt, so wird der ausgesendete Impuls reflektiert und gelangt auf die Empfangsphotozelle des op tischen Empfängers 6. Nach einer Verstärkung des Signals im optischen Empfänger 6 läuft der Meßimpuls zur Anre gungslogik 18 und zum Frequenzmesser 16. Das monostabile Kippglied 21 wird gesetzt und sperrt das UND-Glied 19 für das Signal vom Startoszillator 14 der aber weiterläuft. Andererseits steuert das Ausgangssignal des optischen Emp fängers 6 über das ODER-Glied 20 den Impulsformer 17 an. Die Meßschleife ist somit geschlossen.

Der Frequenzmesser 16, dessen Meßzeit vorzugsweise ein stellbar ist, zeigt nun die Impulsfolgefrequenz oder die Laufzeit der umlaufenden Meßimpulse an. Bei Unterbrechung der Impulsfolge, beispielsweise durch ein durch den Licht strahl fahrendes Auto, fällt das monostabile Kippglied 21 in seinen Ruhezustand zurück, öffnet das UND-Glied 19 und es kommt automatisch wieder der Startoszillator 14 zum Zu ge. Kommt wieder ein meßbares Signal vom Reflektor des an deren Meßortes zurück, so setzt der geschilderte Vorgang wieder ein.

Die Meßgenauigkeit kann durch Wahl der Meßdauer des Fre quenzmessers 16 weitgehend beeinflußt werden. Anhand der Streuungen mehrerer aufeinander folgender Frequenzmessun gen kann die Genauigkeit abgeschätzt werden.

Bewegt sich das Ziel in radialer Richtung, so ändert sich die Laufzeit des Impulses und damit auch die Anzeige des Frequenzzählers 16. Aus dieser Änderung df pro Zeiteinheit dt läßt sich unmittelbar die radiale Entfernungsänderung ableiten.

Führt man zum Zeitpunkt t eine Messung entsprechend Glei chung (3) durch, so erhält man als Ergebnis

Eine Messung zum Zeitpunkt t + dt führt ebenfalls nach Gleichung (3) zum Ergebnis

Als Differenz ergibt sich

mit der ausreichenden Näherung f² =f_t·f_t+dt.

Aus dieser Streckenänderung ergibt sich als Geschwindig keit

Die in Fig. 5 gezeigte Meßvorrichtung stimmt mit der Meß vorrichtung nach Fig. 4 weitgehend überein. Abweichend ist anstelle des Frequenzmessers 16 in Fig. 4 der Vorwahlzäh ler 23 vorgesehen, der die Uhr 22 ansteuert.

Ein vom optischen Empfänger 6 kommender Impuls startet den Vorwahlzähler 23, der wiederum die Uhr 22 startet. Nun zählt der Vorwahlzähler 23 die vom optischen Empfänger 6 kommenden Impulse hoch, bis die an ihm eingestellte Wie derholungszahl N_w erreicht ist. Ist die Wiederholungszahl N_w erreicht, so stoppt der Vorwahlzähler 23 die Uhr 22. Damit ist ein Meßzyklus beendet. Gegebenenfalls kann nach einem automatischen Zurücksetzen der Uhr und des Vor wahlzählers ein neuer Meßzyklus beginnen. Alternativ kann die Uhr 22 direkt durch den vom optischen Empfänger 6 kom menden Impuls gestartet werden.

Die Laufzeit, die ein Meßimpuls während eines Umlaufs in der Schleife benötigt, ist dabei gleich der von der Uhr 22 angezeigten Zeitspanne t dividiert durch die am Vor wahlzähler 23 eingestellte Zahl N_w. Die Bestimmungsglei chung für die gesuchte Strecke S lautet daher wieder

Bei den Meßvorrichtungen nach den Fig. 3 bis 5 werden der Oszillator 14, der Taster 15 oder die Anregungslogik 18, der Frequenzmesser 16 oder der Vorwahlzähler 23 mit Uhr 22, der Impulsformer 17, der optische Sender 2 und der optische Empfänger 6 zweckmäßigerweise gemeinsam in einem Meßgerät untergebracht. Reicht die Reichweite eines sol chen Meßgerätes nicht aus, so kann es sich als zweckmäßig erweisen, ein zweites gleichartiges Meßgerät als aktiven Reflektor zu verwenden. Auf diese Weise läßt sich die Reichweite der Meßvorrichtung wesentlich vergrößern. Vor zugsweise besteht dabei kein Unterschied zwischen den bei den Meßgeräten. Jedes Meßgerät ist der aktive Reflektor des anderen Meßgerätes. An jedem Meßgerät kann das Ergeb nis der Messung ermittelt und abgelesen werden.

Die Zeit Δt, die ein Impuls zum Durchlaufen eines Zyklus braucht, setzt sich zusammen aus der Zeit, die er zum Durchlaufen der Strecke hin und zurück braucht

und den durch die Schaltung, d. h. im Gerät verursachten Laufzeiteffekten Δt_G.

Somit gilt Δt = Δt_G + Δt_S.

Die an einer Anzeigevorrichtung des Frequenzmessers am Meßgerät abgelesene Zeitdauer oder Frequenz setzt sich da her zusammen aus der eigentlich gesuchten Laufzeit Dt_S des Signals und der Laufzeit Δt_G des Signals im Meßgerät selbst. Ist die Laufzeit Δt_G konstant, kann sie durch eine Eichung ermittelt und bei folgenden Messungen als bekannte Korrektur angebracht werden.

In der Praxis zeigt sich jedoch, daß die Laufzeit Δt_G in folge von Temperatureinflüssen und Alterungseffekten drif tet. Dem wird zweckmäßigerweise durch Einbau eines opti schen Kurzschlusses in das Meßgerät begegnet. Mit Hilfe dieses optischen Kurzschlusses lassen sich eventuelle ge räteinterne Laufzeiteffekte erfassen.

Eine Meßvorrichtung mit optischem Kurzschluß geht aus Fig. 6 hervor. Dabei wird das vom optischen Sender 2 ausgesen dete Signal nicht über die Strecke zum Reflektor des ande ren Meßortes gesendet, sondern über eine einschaltbare Op tik oder einen Lichtschalter unmittelbar im Meßgerät zum Photosensor des optischen Empfängers 6 geleitet und eine Eichmessung durchgeführt, deren Ergebnis die Laufzeit Δt_G bzw. die entsprechende Frequenz enthält. Im gezeigten Bei spiel besteht der optische Kurzschluß aus den beiden Spie geln 10 und 11.

Ist die Laufzeit Δt_G des Signals im Meßgerät konstant, so ist auch das Ergebnis dieser Eichmessung immer gleich. Ist die Laufzeit Δt_G jedoch nicht konstant, so schlägt sich dies auch in der Eichmessung nieder. Deshalb besteht jede Streckenmessung zweckmäßigerweise aus zwei Messungen, näm lich der eigentlichen Streckenmessung und einer Eichmes sung. Beide Messungen werden unmittelbar nacheinander durchgeführt. Hat sich die Laufzeit Δt_G geändert, so wer den beide Laufzeiten im gleichen Maße beeinflußt. Bildet man aber jetzt die Differenz der beiden Messungen, so fällt die Drift der Laufzeit Δt_G weitgehend heraus.

Die Laufzeiten sind bei der Eichmessung jedoch so kurz, daß Schwierigkeiten bei der Impulsformung auftreten könn ten. Zusätzlich wäre bei direkter Messung ein aufwendiger Frequenzmesser erforderlich.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 6 ist daher zwischen dem op tischen Empfänger 6 und der Anregungslogik 18 die Verzöge rungslinie oder Verzögerungsvorrichtung 24 eingebaut, die eine konstante oder einstellbare Verzögerung aufweist und so die Laufzeit um einen definierten Betrag erhöht. Auf diese Weise wird die Messung erheblich erleichtert. Durch geeignete Wahl der Verzögerung kann man auch bei ver gleichsweise kurzen Meßstrecken eine für die Frequenzmes sung vorteilhafte Periodendauer erreichen.

Bei sehr kurzen Strecken von z. B. nur wenigen Zentimetern Länge überwiegt Δt_G. Mit einer zusätzlichen Verzögerung von z. B. 100 ns können diese Schwierigkeiten auf relativ einfache Weise behoben werden.

Bei langen Strecken überwiegt Δt_S. Konzipiert man das Meß gerät für eine maximale Reichweite von etwa 10 km, so re sultiert daraus Δt_S = 66,7 µs. Die entsprechenden Grenz frequenzen bzw. Extremlaufzeiten sind dann 10 MHz f 15 kHz bzw. 100 ns Δt 67 µs.

Bei der Meßvorrichtung nach Fig. 7 ist der Anregungsgene rator als Start-Stop-Oszillator 25 ausgebildet, der sich mit Hilfe des monostabilen Kippgliedes 26 wahlweise star ten oder anhalten läßt. Aus diesem Grund ist kein Moment taster oder elektronischer Schalter zwischen dem Start- Stop-Oszillator 25 und dem Impulsformer 17 vorgesehen.

Der Eingang des monostabilen Kippgliedes 26 ist mit dem Ausgang des optischen Empfängers 6 verbunden. Die Ausgänge des Start-Stop-Oszillators 25 und des optischen Empfängers 6 sind mit den Eingängen des ODER-Gliedes 27 verbunden, dessen Ausgang an den Eingang des Impulsformers 17 geführt ist.

Fig. 8 zeigt für den Start-Stop-Oszillator 25 der Meßvor richtung nach Fig. 7 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung Ua von der Steuerspannung Us. Hat die Steuerspannung Us den Wert 1, so ist der Start-Stop-Oszillator 25 aktiviert und gibt eine Folge von Taktimpulsen ab. Hat die Steuer spannung Us den Wert 0, so befindet sich der Oszillator 25 im Ruhezustand.

Der Start-Stop-Oszillator 25 hat die aus Fig. 8 ersichtli che Funktion. Hieraus ergibt sich für die Meßanordnung nach Fig. 7 das in Fig. 9 dargestellte Zeitdiagramm.

Nach Einschalten des Meßgeräts ist der Start-Stop-Oszilla tor 25 durch das retriggerbare monostabile Kippglied 26 aktiviert und gibt eine Folge von Anregungsimpulsen A1 . . . An ab. Die ersten Anregungsimpulse A1 . . . kommen nicht zurück, da das Impulsmeßgerät noch nicht exakt ausgerich tet ist. Erst der Anregungsimpuls An führt zu einer Folge von Meßimpulsen M1 . . . Mn. Zwischen der Anstiegsflanke des Anregungsimpulses An und der Anstiegsflanke des Meßimpul ses M1 liegt die Zeitspanne Δt. Nach dem n-ten Meßimpuls Mn reißt die Folge der Meßimpulse z. B. durch Unterbrechung des Meßstrahles ab.

Das monostabile Kippglied 26 wurde durch den ersten Meßim puls M1 in den quasistabilen Zustand versetzt, in dem die Spannung U_S den Wert 0 hat und der Start-Stop-Oszillator 25 angehalten ist. Mit dem ersten Meßimpuls M1 beginnt die Zeit τ zu laufen. Sie wird mit jedem Meßimpuls neu ange stoßen. Kommt aus beliebigem Grund kein Impuls zurück, so beginnt mit der Anstiegsflanke des letzten Meßimpulses Mn die Zeit τ das letztemal zu laufen. Nach Ablauf der Kipp dauer τ fällt das monostabile Kippglied 26 in den Ruhe stand zurück, d. h. sein Ausgang nimmt wieder Logikpegel "1" an. Der Start-Stop-Oszillator 25 startet von neuem, so daß von neuem Anregungsimpulse ausgesendet werden.

Im Ruhezustand und dann, wenn kein Impuls reflektiert wird, liegt der Eingang 272 des ODER-Gliedes 27 auf Logik pegel "0" und die Spannung U_S auf Logikpegel "1". Der Start-Stop-Oszillator 25 kann arbeiten und sendet Impulse über das ODER-Glied 27 zum Reflektor. Zurückkommende Im pulse regen jeweils das monostabile Kippglied 26 an, ver längern so dessen Kippdauer und sperren weiter den Start- Stop-Oszillator 26. Vom invertierenden Ausgang des so an geregten monostabilen Kippgliedes 26 gelangt Logikpegel "0" zum Eingang des Start-Stop-Oszillators 25. Der Start- Stop-Oszillator 25 ist somit gesperrt. Gleichzeitig wird der reflektierte Impuls über das ODER-Glied 27 und den Im pulsformer wieder ausgesendet usw.

Die Kippdauer τ des monostabilen Kippgliedes 26 ist zweck mäßigerweise so bemessen, daß sie unter Berücksichtigung eventueller zusätzlicher Zeitglieder größer als die maxi male Laufzeit Δt_max des Impulses über den Hin- und Rückweg der Strecke ist.

In vorteilhafter Weise spielen kleine Laufzeiteffekte bei dieser Schaltung praktisch keine Rolle.

Die Frequenz des Start-Stop-Oszillators 25 ist zweckmäßi gerweise so gewählt, daß sie deutlich kleiner als 1/Δt_max ist, wobei Δt_max von der maximalen Reichweite und zusätz lichen Verzögerungen des Gerätes abhängt.

Bei der Meßvorrichtung nach Fig. 10 ist der Anregungsgene rator zugleich ein Teil des elektronischen Schalters, der den Anregungsgenerator gegebenenfalls über den Impulsfor mer 17 mit dem optischen Sender 2 verbindet.

Nach Initialisierung der Schaltung liegt am Eingang 351 des UND-Gliedes 35 eine logische "0" und am Eingang 352 des UND-Gliedes 35 eine logische "1" an. Nach einmaliger Anregung des monostabilen Kippgliedes 28, die zweckmäßi gerweise zusammen mit dem Einschalten des Meßgerätes er folgt, erzeugt das monostabile Kippglied 28 eine Kipp schwingung der Dauer τ₁, die mit Hilfe des RC-Gliedes, be stehend aus den Widerständen 31 und 32 und dem Kondensator 30, differenziert wird.

Der beim Differenziervorgang entstehende positive Impuls wirkt sich nicht aus, da die Spannung am Schaltungspunkt c ohnehin schon Logikpegel "1" hat. Der ferner entstehende negative Impuls wird über das Nicht-Glied 33 invertiert. Das Ausgangssignal des Nicht-Glieds 33 legt den Eingang 351 des UND-Gliedes 35 auf Logikpegel "1" und passiert das UND-Glied 35 und das ODER-Glied 36. Anschließend wird der Impuls sowohl über den Impulsformer 17 und den optischen Sender 2 in Richtung Reflektor abgesandt als auch unmit telbar auf den Rücksetzeingang r des monostabilen Kipp gliedes 28 und, zur zeitlichen Verzögerung, über den nicht invertierenden Verstärker 29 auf den Setzeingang s des mo nostabilen Kippgliedes 28 zurückgeführt. Auf diese Weise wird beim monostabilen Kippglied 28 zuerst ein Reset be wirkt und daraufhin das monostabile Kippglied 28 neu ange stoßen usw.

Dieser Zyklus hält an, bis ein Meßimpuls vom Reflektor zu rückgesendet wird. Der vom optischen Empfänger 6 empfan gene Meßimpuls wird über das ODER-Glied 36 sowohl über den Impulsformer 17 und den optischen Sender 2 wieder ausge sendet als auch zum Ansteuern des monostabilen Kippgliedes 28 benutzt. Zum anderen wird mit Hilfe des kommenden Im pulses das monostabile Kippglied 34 angeregt. Das monosta bile Kippglied 34 legt für die Zeit τ₂ das Potential des Eingangs 352 des UND-Gliedes 35 auf Logikpegel "0" und sperrt das UND-Glied 35. Damit wird der negative Impuls, der beim Rücksetzen des monostabilen Kippgliedes 28 auf tritt, abgeblockt.

Kommt aus irgendeinem Grund kein Impuls vom Reflektor zu rück, so wird das monostabile Kippglied 34 nicht angeregt und die negative Flanke des vom monostabilen Kippglied 28 erzeugten Impulses bewirkt, daß wieder der Anregungsgene rator zum Zuge kommt.

Die Länge der Kippdauer τ₁ des monostabilen Kippgliedes 28 gibt die Frequenz des Anregungsgenerators vor und ist vor zugsweise deutlich größer als die maximale Zeit Δt_max, die ein Meßimpuls für einen einmaligen Umlauf in der Schleife benötigt. Die Kippdauer τ₂ des monostabilen Kippgliedes 34 ist so bemessen, daß der Resetimpuls, der zum Eingang 351 des UND-Gliedes 35 kommt, maskiert, d. h. unwirksam gemacht wird. Die Maskierung ist abhängig von der Durchlaufverzö gerung der Binärschaltungen. Die Kippdauer τ₂ liegt z. B. im Bereich 50 ns τ₂ < Δt_min.

Fig. 11 zeigt ein Impulsdiagramm für die Meßanordnung nach Fig. 10. Die Größen U1, U3, U4 und U5 stellen die Logikpe gel dar, die im betrachteten Beispiel TTL-Logikpegel sind. Dabei sind für die Anregung eines Meßvorganges und den zu gehörigen Meßvorgang selbst der zeitliche Verlauf des Aus gangssignals U1 des monostabilen Kippgliedes 28, die durch Differenzieren des Ausgangssignals U1 am Schaltungspunkt c entstehende Spannung U2, das Ausgangssignal U3 des opti schen Empfängers 6 und das Ausgangssignal U4 des monosta bilen Kippgliedes 34 über der Zeit aufgetragen. U5 stellt das Signal dar, das den Impulsformer 17 anregt. Die Breite dieses Signals ist je nach Herkunft unterschiedlich.

Beim Einschalten des Gerätes nimmt das Ausgangssignal U1 des monostabilen Kippgliedes 28 Logikpegel "1" an. Nach Ablauf der Zeit τ₁ kippt das monostabile Kippglied 28 und es entsteht am Ausgang des monostabilen Kippgliedes 28, d. h. im Verlauf des Ausgangssignals U1 ein negativer Im puls. Am Schaltungspunkt c ergibt sich für die Spannung U2 ein Impulspaar mit einem der Abstiegsflanke des Ausgangs impulses zugeordneten negativen und einem der Anstiegs flanke des Ausgangsimpulses zugeordneten positiven Impuls.

Dieser Vorgang wiederholt sich nach Ablauf der Zeitspanne τ₁. Während der betrachteten Zeit hat die Ausgangsspannung U4 des monostabilen Kippgliedes 34 Logikpegel "1", so daß die Anregungsimpulse das UND-Glied 35, das ODER-Glied 36 und den Impulsformer 17 passieren und vom optischen Sender 2 ausgesendet werden. Hieraus resultiert beim Empfang von Meßimpulsen der Spannungsverlauf U3. Das monostabile Kipp glied 34 wird durch die Meßimpulse jeweils auf Logikpegel 0 gesetzt.

Zweckmäßigerweise wird der Meßablauf, auch das Aussenden von Anregungsimpulsen in Abhängigkeit vom Zustand des vom Empfänger abgegebenen Ausgangssignals in Abwandlung der in den Figuren dargestellten Meßvorrichtungen, durch einen Mikroprozessor gesteuert. Auf Grund der Anzeige des Fre quenzzählers und/oder der eintreffenden Impulse kann der Mikroprozessor erkennen, ob Impulse vom Reflektor zurück kommen. Wenn JA, trennt er den Anregungsgenerator ab, wenn NEIN, schaltet er ihn - ggf. - wieder ein.

Auch die Berechnung der Strecke S erfolgt zweckmäßiger weise mit Hilfe eines Mikroprozessors. Bei einer bevorzug ten Ausführungsform wird dieser Mikroprozessor zugleich für Steuerungsfunktionen ausgenutzt.

Der Mikroprozessor hat insbesondere die Aufgabe, aus den Messungen der Laufzeit die Strecke zu berechnen, die Rich tigkeit der Einzelmessungen zu überprüfen, nötigenfalls Fehlmessungen zu verwerfen und die Zahl der Messungen so lange zu erhöhen, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist. Die Mikroprozessorsteuerung sieht zweckmäßigerweise mehrere Einstellmöglichkeiten vor, insbesondere die Vorgabe einer bestimmten Meßzeit, die Vorgabe einer bestimmten Meßgenauigkeit, kontinuierliche Messungen bis zum Abbruch per Hand und Hinweise, wenn das gewünschte Ergebnis nicht erreicht wer den kann, eine Angabe der erzielten Genauigkeit der gemessenen Strecke, und/oder die Berechnung des Brechungsindexes n.

Mit Hilfe des Mikroprozessors können dem Benutzer zusätz lich weitere statistische Angaben zur Verfügung gestellt werden, wie die Zahl der Unterbrechungen (z. B. durch Unterbrechung des Strahlengangs) des Meßvorganges und/oder die Gesamtzahl der Messungen.

Neben der Auswertung der Messungen sorgt der Mikroprozes sor zweckmäßigerweise noch für den optimalen Ablauf der Messungen. Er überprüft und regelt die Temperaturen von Bauteilen, stellt die Verstärkung des Meßsignals so ein, daß die Impulshöhe weitgehend konstant ist und steuert die eigentliche Messung und eine Registrierung der Daten auf einen Datenträger. Ferner kann der Mikroprozessor vorteil haft dazu herangezogen werden, eine Abstimmung mit einem elektronischen Theodoliten vorzunehmen, Meldungen über den Betriebszustand des Entfernungsmessers abzugeben, Angaben über das Signal/Rauschverhältnis und der Energie des empfangenen Impulses zu gewinnen und/oder ein Umschalten zwischen Eich- und Reflektormessung zu steuern.

In den Fig. 12 bis 14 ist gezeigt, daß die Reichweite eines Impulsmeßgerätes durch einen aktiven Reflektor oder einen bidirektionalen Zwischenverstärker deutlich erhöht werden kann.

Bei der Anordnung nach Fig. 12 wird die Strecke S mit Hilfe des Meßgerätes 37 gemessen. Als aktiver Reflektor dient das weitere Meßgerät 39. Mit R ist jeweils der Empfänger (Receiver), mit T der Sender (Transmitter) des betreffenden Meßgerätes bezeichnet. Die Strecke, die sich mit Hilfe des aktiven Reflektors 39 messen läßt, ist mit S, die mit dem Tripelprisma 38 als passivem Reflektor meß bare Strecke mit SO bezeichnet.

Die in Fig. 13 dargestellte Anordnung gestattet eine Ver doppelung der meßbaren Strecke S, die sich nach Fig. 12 mit Hilfe des aktiven Reflektors 39 messen läßt. In der Mitte der Anordnung befindet sich das Doppelgerät 40, das aus den beiden Einzelgeräten 42 und 43 zusammengesetzt ist. Die beiden Einzelgeräte 42 und 43, die im elektri schen Aufbau jeweils den in den Fig. 3 bis 7 und 10 ge zeigten Meßgeräten entsprechen, sind in spiegelbildlicher Anordnung zum Doppelgerät 40 zusammengefaßt. Während bei den Meßgeräten nach den Fig. 3 bis 7 und 10 der opti sche Sender und der optische Empfänger jeweils räumlich nebeneinander angeordnet sind, befinden sie sich hier je doch an räumlich entgegengesetzten Seiten des betreffenden Gerätes 42 bzw. 43.

Der vom Gerät 37 kommende Impuls trifft auf den Empfänger R des Gerätes 42 und wird vom Sender des Gerätes 42 zum Empfänger R des Gerätes 39 gesendet. Der Impuls gelangt dann vom Sender T des Gerätes 39 über den Empfänger R und Sender T des Gerätes 43 zum Empfänger R des Gerätes 37. Es befindet sich immer nur ein einziger Impuls auf der Meß schleife. In den Geräten 37, 42, 39 und 43 wird der Impuls jeweils verstärkt.

Das Meßgerät 37 und/oder das Meßgerät 39 bzw. das Meßgerät 42 und/oder 43 wird zur Ermittlung der doppelten Strecke 2S verwendet.

Bei der Anordnung nach Fig. 14 sind in der Mitte die bei den Einzelgeräte 44 und 45 Rücken an Rücken aufgestellt. Die beiden Einzelgeräte 44 und 45 entsprechen in ihrem elektrischen und mechanischen Aufbau den Meßgeräten nach den Fig. 3 bis 7 und 10. Die beiden Teilstrecken S wer den völlig unabhängig voneinander gemessen. Auf beiden Teilstrecken zirkuliert je ein Meßimpuls. Bei der Anord nung nach Fig. 14 ist somit die Anordnung nach Fig. 12 zweimal angewendet.

Es kann sich andererseits als zweckmäßig erweisen, das Meßgerät einer Anordnung nach einer der Fig. 3 bis 7 und 10 so auszubilden, daß es möglich ist, zwei derartige Meßgeräte mechanisch miteinander zu verbinden und elek trisch so zu schalten, daß jeweils der Sender des einen Meßgerätes mit dem Empfänger des anderen Meßgerätes ver bunden ist. Auf diese Weise läßt sich mit Hilfe von zwei derartigen Meßgeräten nicht nur eine Anordnung nach Fig. 14, sondern auch eine solche nach Fig. 13 realisieren.

Bei den Impulsmeßgeräten werden die Bedienungselemente vorzugsweise an einer der Optik gegenüberliegenden Front seite angebracht. Bei den Einzelgeräten 42 bis 45 der An ordnung nach Fig. 13 oder 14 sind die nicht dargestellten Bedienungselemente zweckmäßigerweise seitlich angebracht.

Wird bei der Anordnung nach Fig. 13 oder 14 aus irgend einem Grund der Sichtstrahl unterbrochen, so wird im Fall der Fig. 13 die gesamte Messung neu gestartet, im Fall der Fig. 14 nur die Messung der Teilstrecke, die unterbrochen wurde.

Durch Wiederholung der in Fig. 13 oder 14 gezeigten Meßan ordnung läßt sich die Länge der zu messenden Strecke prak tisch beliebig erhöhen. Hindernisse lassen sich dadurch umgehen, daß man einen gebrochenen Linienzug bzw. Polygon zug anlegt. In diesem Fall müssen allerdings je nach Be darf die Winkel zwischen den Teil strecken gesondert be stimmt werden.

Die Ablaufsteuerung der Messung wird zunehmend schwieri ger, je mehr Meßgeräte in der Meßanordnung zusammenarbei ten. Eine Mikroprozessorsteuerung ist daher bei den Anord nungen nach Fig. 13 und 14 von besonderem Vorteil. Diese Mikroprozessorsteuerung wird insbesondere als relative oder absolute Steuerung konzipiert. Bei der relativen Steuerung sendet ein Master-Gerät zu bestimmten Zeiten keinen Meßimpuls, sondern einen Steuerimpuls aus, der zur Synchronisation der Messung dient. Bei der absoluten Steuerung wird über ein Steuer- oder Zeitsignal von außen, z. B. über Satelliten, insbesondere mit GPS oder einen Zeitsignalsender, z. B. DCF 77, die Synchronisation herbei geführt. Es ist dann in den Meßgeräten jeweils ein geeig neter Empfänger für die Funksignale vorzusehen.

In den Fig. 3 bis 7 und 10 sind jeweils Sende- und Empfangsoptik nebeneinander dargestellt. Eine andere zweckmäßige Abwandlung der in den Figuren dargestellten Anordnungen besteht darin, Sende- und Empfangsoptik kon zentrisch ineinander anzuordnen. Andererseits kann man an stelle einer derartigen Anordnung eine einzige Optik, so wohl für das Senden als auch für das Empfangen verwenden. Auf diese Weise lassen sich Meßgeräte mit besonders klei nen Abmessungen realisieren.

Fig. 15 zeigt anhand einer Meßanordnung für die Vorrich tungen nach den Fig. 3 bis 7 und 10 den Zusammenhang zwischen Meßort und Meßpunkt. Die Meßorte sind mit A und B, die Meßpunkte mit a und b bezeichnet. Die Meßorte A und B sind vorzugsweise senkrecht über den Meßpunkten a und b. Andernfalls wird die auf den Meßorten A und B ermittelte Strecke auf die Meßpunkte a und b zentriert.

Die in den Anordnungen nach den Fig. 3 bis 7 gezeigten Anordnungen enthalten jeweils einen Frequenzmesser. Aus der gemessenen Frequenz ergibt sich die gesuchte Strecke. Aus hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit resultieren bei der Zeitmessung z. B. absolute Genauigkeiten von weni gen Picosekunden und bei der Frequenzmessung relative Genauigkeiten von mindestens 1·10^-6. Zweckmäßigerweise werden daher sehr genaue Oszillatoren verwendet und zudem in regelmäßigen Zeitabständen Eichmessungen durchgeführt. Je ungenauer der maßstabsgebende Oszillator ist, umso un genauer ist die Messung und umso öfter müssen Eichmessun gen durchgeführt werden.

Zur genauen Festlegung des Maßstabs ist daher eine hochge naue Vergleichsfrequenz von Vorteil.

Die Fig. 16 bzw. 17 zeigen Anordnungen zur selbsttäti gen Eichung von Entfernungsmessern unter Verwendung einer Normalfrequenz.

Die Anordnung nach Fig. 16 geht von der Anordnung nach Fig. 7 aus. Zusätzlich zu den Bausteinen nach Fig. 7 sind der elektronische Umschalter 48 und der Zeitzeichenempfän ger 47 vorgesehen. Der mikroprozessorgesteuerte Umschalter 48 schaltet zwischen dem Schaltungspunkt für die zu mes sende Frequenz und dem Ausgang des Zeitzeichenempfängers 47 um, so daß nur jeweils eines der beiden Signale zum Frequenzmesser 16 durchgeschaltet wird.

Der Zeitzeichenempfänger 47 ist als Geradeausempfänger ausgebildet. In Mitteleuropa wird z. B. u. a. der Sender DCF 77 empfangen.

Wird der Zeitzeichenempfänger 47 über den elektronischen Umschalter 48 an den Frequenzzähler 16 angeschlossen, so wird die empfangene, bekannte Sollfrequenz gemessen. Weicht das Meßergebnis von der Sollfrequenz ab, wird diese Differenz vom Mikroprozessor als Korrektur gespeichert und als Verbesserung an die Ergebnisse der nachfolgenden Fre quenzmessungen angebracht. Die Umschaltung sowie das An bringen der Korrektur kann ggf. auch per Hand erfolgen.

Bei der Anordnung nach Fig. 17 regelt die vom Zeitzeichen empfänger 47 kommende Sollfrequenz einen im Frequenzmesser 16 zur Festlegung des Zeitmaßstabes vorgesehenen Oszilla tor auf die Sollfrequenz nach. Die gemessene Frequenz ist damit von vornherein praktisch richtig.

Wird eine Streckenmessung ohne Funkempfang durchgeführt, so wird bei der Anordnung nach Fig. 16 an der Beobachtung die vom Mikroprozessor bei der letzten Messung erhaltene Korrektur angebracht. Bei der Anordnung nach Fig. 17 ist das nicht ohne weiteres möglich. Es wird mit dem im Fre quenzmesser 16 enthaltenen Oszillator gemessen, unabhängig von seiner Genauigkeit. Der Mikroprozessor gibt daher zweckmäßigerweise bei ausgefallenem Funkempfang eine ent sprechende Warnung aus.

Vorzugsweise wird die bei der Anordnung nach Fig. 16 vor gesehene Korrektur mit der nach Fig. 17 vorgesehenen Fre quenzregelung kombiniert. In diesem Fall führt man zuerst eine Messung nach Fig. 16 aus, speichert den Korrekturwert und regelt anschließend für die folgenden Messungen den Oszillator des Frequenzmessers 16 auf seinen Sollwert ein. Wird bei einer anschließenden Messung kein Funksignal empfangen, so steht dem Mikroprozessor der gespeicherte Wert zur Berechnung der Korrektur zur Verfügung.

Es kann z. B. bei nicht ausreichend gebündelten Mikrowellen vorkommen, daß unbeabsichtigt ein reflektierender Körper kurz in den Strahlungsbereich kommt und ungewollt den Im puls reflektiert. Derartige Fälle sind dadurch leicht zu erkennen und zu eliminieren, daß mehrere Messungen vorge nommen werden, so daß jede größere Abweichung sofort er kannt wird.

Andererseits kann der Fall eintreten, daß sich im Strah lungskegel des Impulses mehr als ein reflektierender Ge genstand in verschiedenen Entfernungen befindet. Da jeder dieser "Reflektoren" den Impuls zurück zum Sender schickt, ist damit pro reflektierendem Gegenstand ein Impuls auf der Strecke. Das kann vom Meßgerät oder von der mit der Messung befaßten Person dadurch erkannt werden, daß die Zeitdifferenzen, die die einzelnen Impulse voneinander trennen, sehr unregelmäßig sind bzw. daß die gemessenen Umlauffrequenzen sehr stark variieren. Um auch in einem solchen Fall das gewünschte Ergebnis zu erhalten, kann eine schärfere Bündelung durch bessere Richtantennen, größere Antennen und/oder die Verwendung kürzerer Wellen, eine Verlängerung der Impulsdauer, ein Schwenken der Antenne, ein Unterdrücken jedes n-ten Impulses, eine Änderung der Aufstellung des Meßinstruments, die Verwendung eines akti ven Reflektors und/oder eine Abschwächung der Impulsener gie oder der Verstärkung auf der Empfangsseite Abhilfe schaffen.

Bezugszeichenliste

1 = Sinusoszillator
2 = optischer Sender
3 = Sendeoptik
4 = ausgesendete Welle
5 = Phasenmesser
6 = optischer Empfänger
7 = Empfangsoptik
8 = empfangene Welle
9 = Reflektor
10 = Spiegel
11 = Spiegel
12 = Impulsgenerator
13 = Uhr
14 = Anregungsgenerator
15 = Momenttaster
16 = Frequenzmesser
17 = Impulsformer
18 = Anregungslogik
19 = UND-Glied
20 = ODER-Glied
21 = Monostabiles Kippglied
22 = Uhr
23 = Vorwahlzähler
24 = Verzögerer
25 = Start-Stop-Oszillator
26 = Monostabiles Kippglied
27 = ODER-Glied
28 = Monostabiles Kippglied
29 = nicht invertierender Verstärker
30 = Kondensator
31 = Widerstand
32 = Widerstand
33 = Nicht-Glied
34 = Monostabiles Kippglied
35 = UND-Glied
351 = Eingang des UND-Gliedes 35
352 = Eingang des UND-Gliedes 35
36 = ODER-Glied
37 = Meßgerät
38 = Tripelprisma
39 = Meßgerät, aktiver Reflektor
40 = Doppelgerät
41 = Doppelgerät
42 . . . 45 = Einzelgerät
46 = Meßvorrichtung
47 = Zeitzeichenempfänger
48 = elektronischer Umschalter
a, b = Meßpunkt
c = Schaltungspunkt
A, B = Meßort
R = Empfänger (Receiver)
r = Rücksetzeingang des monostabilen Kippgliedes 28
s = Setzeingang des monostabilen Kippgliedes 28
S = Entfernung
SO = Entfernung
T = Sender (Transmitter)
τ₁ = Kippdauer des monostabilen Kippgliedes 28
τ₂ = Kippdauer des monostabilen Kippgliedes 34
Δt = Zeit für einen eindeutigen Umlauf eines Meßimpulses

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der zwischen zwei Meßorten (A, B) liegenden Strecke (S), wobei an dem einen der bei den Meßorte (A) Meßimpulse zum anderen Meßort (B) ausge sendet, die am anderen Meßort (B) empfangenen Meßimpulse von einem reflektierenden Gegenstand (Reflexionsvorrichtung 9) zum einen Meßort (A) zurückge sendet und die vom reflektierenden Gegenstand (Reflexionsvorrichtung 9) zurückgesendeten Meßimpulse mit tels einer Empfangsvorrichtung (6, 7) empfangen werden und durch Auswertung der ausgesendeten und der empfangenen Meßimpulse die zwischen den beiden Meßorten (A, B) gelege ne Strecke (S) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Meßvorrichtung (46) am einen Meßort (A) in einer Anregungsphase zunächst ein von einem Anregungs generator (14) erzeugter Anregungsimpuls dem Eingang der Sendevorrichtung (2, 3) zugeführt und von der Sendevor richtung (2, 3) als Trägerfrequenz-Meßimpuls ausgesendet wird, daß daraufhin der vom reflektierenden Gegenstand (Reflexionsvorrichtung 9) kommende und von der Empfangs vorrichtung (6, 7) empfangene Meßimpuls der Sendevorrich tung (2, 3) zugeführt und von der Sendevorrichtung (2, 3) ausgesendet wird und daß die Impulsfolgefrequenz der aus dem Anregungsimpuls resultierenden Folge von empfangenen und ausgesendeten Meßimpulsen mittels eines Frequenzmes sers (16) gemessen wird und daß die gemessene Frequenz ein Maß für die zu ermittelnde Strecke (S) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus vom Frequenzmesser gemessenen Frequenzen die Ände rung der Frequenz bestimmt und aus der bestimmten Frequenzänderung die Entfernungsänderung pro Zeiteinheit abgeleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Vorbereitungsphase an dem einen Meßort (A) eine Folge von Anregungsimpulsen ausgesendet wird und daß die Aussendung von Anregungsimpulsen beendet wird, sobald an dem einen Meßort (A) wenigstens ein von der Reflexions vorrichtung (9) zurückgesendeter Meßimpuls empfangen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem einen Meßort (A) festgestellt wird, ob von der Reflexionsvorrichtung (9) verwertbare Meßimpulse empfangen werden, und daß beim Ausbleiben wenigstens eines verwert baren Meßimpulses dem Eingang der Sendevorrichtung (2, 3) wieder so lange Anregungsimpulse zugeführt werden, bis von der Empfangsvorrichtung (6, 7) wenigstens ein verwertbarer Meßimpuls empfangen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Meßvorrichtung (46) an dem einen Meßort (A) und der Reflexionsvorrichtung (9) am anderen Meßort (B) wenigstens ein bidirektionaler Zwischenverstärker (40) angeordnet ist, der die empfangenen Meßimpulse verstärkt und neu aussendet.

6. Meßvorrichtung zur Messung der Strecke zwischen zwei Meßorten (A, B), mit einer Sendevorrichtung (2, 3) zum Aussenden von Trägerfrequenz-Meßimpulsen zu einem am ande ren der beiden Meßorte (B) vorgesehenen, zum Zurücksenden empfangener Meßimpulse dienenden, reflektierenden Gegen stand (Reflexionsvorrichtung 9), mit einer Empfangsvor richtung (6, 7) zum Empfang der von dem reflektierenden Gegenstand (Reflexionsvorrichtung 9) zurückgesendeten und am einen Meßort (A) ankommenden Meßimpulse und mit einer Auswertevorrichtung zur Bestimmung der Strecke (S) durch Auswertung der am einen Meßort (A) ausgesendeten und der empfangenen Meßimpulse, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang der Empfangsvorrichtung (6, 7) mit dem Eingang der Sendevorrichtung (2, 3) verbunden ist und daß die Auswertevorrichtung an die Verbindung zwischen der Empfangsvorrichtung (6, 7) und der Sendevorrichtung (2, 3) angeschlossen ist und einen Frequenzmesser (16) zur Mes sung der Folgefrequenz der Meßimpulse enthält.

7. Meßvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Verwendung der Meßvorrichtung (46) als reflektieren der Gegenstand.

8. Meßvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungsimpulsgenerator als Start-Stop-Oszillator (25) ausgebildet ist, daß an dem einen Meßort (A) der Sen devorrichtung (2) ein ODER-Glied (27) vorgeschaltet ist, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Start-Stop-Oszil lators (25) und dessen anderer Eingang mit dem Ausgang der Empfangsvorrichtung (6, 7) verbunden ist, und daß einem Steuereingang des Start-Stop-Oszillators (25) ein durch die empfangenen Meßimpulse retriggerbares monostabiles Kippglied (26) vorgeschaltet ist, das im quasistabilen Zu stand den Start-Stop-Oszillator (25) sperrt.

9. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzmesser (16) durch einen Vorwahlzähler (23) und eine daran angeschlossene Uhr (22) gebildet ist.

10. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Empfangsvorrichtung (6, 7) und dem elek tronischen Schalter (18) eine Verzögerungsvorrichtung (24) angeordnet ist.

11. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Ausgang der Empfangsvor richtung und dem Eingang der Sendevorrichtung über ein An schlußpaar geführt ist, so daß zur Bildung eines bidirek tionalen Zwischenverstärkers (40) mittels zweier Meßvor richtungen die Sendevorrichtung eines der beiden Meßgeräte mit der Empfangsvorrichtung des anderen der beiden Meßge räte verbindbar ist.