-
Einrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Iinpulsrückstrahlprinzip
Es sind Einrichtungen zur Entfernungsmessung bekannt, bei denen Meß impulse gegen
das Meßobjekt abgestrahlt, hier reflektiert und nach ihrer Rückkehr von einem am
Orte des Senders befindlichen Empfänger aufgenommen werden. Die Laufzeit des Echoimpulses
bzw. die Phasenverschiebung zwischen direktem und reflektiertem Meßimpuls, bezogen
auf die Impulsfolgefrequenz, dient als Maß für die gesuchte Entfernung. Für die
Anzeige und Auswertung der Meßimpulse kann man z. B. eine Braunsche Röhre benutzen,
deren Elektronenstrahl mit einer zur Impulsfolgefrequenz synchronen Zeitablenkfrequenz
periodisch bewegt wird, z. B. eine Kreisbahn beschreibt. Auf der so erhaltenen Leuchtbahn
rufen die Meßimpulse Markierungen, z. B. zackenförmfige Auslenkungen, hervor, deren
Phasenlage die Laufzeit bestimmt.
-
Beträgt die der Zeitablenkungsfrequenz f entsprechende Wellenlänge
(Impulsabstand Ä A = f; ; c = Lichtgeschwindigkeit) das Doppelte der zu messenden
Entfernung, dann ergibt sich eine P4asenverschiebung von 3600; kleinere Meßentfernungen
rufen entsprechend geringere Phasenverschiebungen hervor. Um mit der beschriebenen
Anordnung eine eindeutige Anzeige zu erhalten, muß daher die
die
Zeitablenkfrequenz bestimmende Wellenlänge mindestens das Doppelte der maximalen
Meßentfernung betragen. Ist, wie es bei manchen Phasenmeßgeräten der Fall ist, eine
eindeutige Phasenmessung nur bis zu ISos möglich, dann ist eine Wellenlänge vom
vierfachen Betrage der NIeßentfernung erforderlich.
-
Andererseits ist die Genauigkeit der Entfernungsmessung um so größer,
je höher die Zeitablenkfrequenz, je kleiner also dieNVellenlänge R ist, da diese
ja den Zeitmaßstab der Kurzzeitmessung bzw. Phasenmessung darstellt. Es ist daher
erwünscht, eine möglichst hohe Zeitablenkfrequenz benutzen zu können.
-
Um hierbei auch bei größeren Entfernungen eine eindeutige Anzeige
zu erhalten, ist bereits die Verwendung von Oszillographen nach dem Mehrzeigerprinzip
vorgeschlagen worden.
-
Hierbei wird z. B. von zwei Braunschen Röhren die eine mit einer Zeitahlenkfrequenz
betrieben, deren zugehörige Wellenlänge das Zlvei- bzw. Vierfache der maximalen
Nkßentfernung ist, so daß eine stets eindeutige Anzeige vorliegt (Grobmessung);
die zweite Braunsche Röhre wird mit einer höheren Frequenz betrieben. wie sie der
verlangten Genauigkeit entspricht (Feinmessung). Vorzugsweise sind die beiden Zeitablenkfrequenzen
nach dem Dezimalsystem unterteilt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß Grob- und
Feinmessung getrennt voneinander erfolgen und zu diesem Zlvecke Sende- und Empfangsapparatur
auf die verschiedenen Impulsfolge-bzw. Zeitablenkfrequenzen umzuschalten sind.
-
Dadurch wird der SIeßvorgang schwerfällig und oft in untragbarer Weise
verzögert. fan kann zwar diesen Übelstand beseitigen, indem jeder Braunschen Röhre
eine vollständige Sende- und Emp fangs apparatur zugeordnet ist. Doch erfordert
dieser Ausweg einen großen Aufwand an Geräten.
-
Aufgabe der Erfindung ist die gleichzeitige Grob- und Feinanzeige
mit einer gemeinsamen Sende- und Empfangsapparatur. Ausgangspunkt ist eine Einrichtung
zur Entfernungsmessung nach dem Impulsrückstrahlprinzip mit oszillographischer Grob-Fein-Anzeige
unter Benutzung mehrerer in ganzzahligem Verhältnis zueinander stehender Zeitablenkfrequenzen,
deren niedrigste der Impulsfolgefrequenz entspricht; das wesentliche erfinderische
Kennzeichen besteht darin, daß die Sendeimpulse aus der höchsten Zeitablenkfrequenz
abgeleitet und im Takte der niedrigsten Zeitablenkfrequenz abgeblendet sind.
-
Es ist zwar eine Einrichtung bekannt, bei der die Sendeimpulse unmittelbar
mit der niedrigeren Frequenz (Grobfrequenz) erzeugt und auf dem Leuchtschirm einer
Braunschen Röhre zur Anzeige gebracht werden, deren Zeitablenkfrequenz mit der Impulsfolgefrequenz
übereinstimmt. Für die Durchführung der Feinanzeige ist ein Frequenzvervielfacher
vorgesehen, der die Zeitahlenkfrequenz der Feinmessung (Feinfrequenz erzeugt und
bei der Feinablesung auf die Braunsche Röhre geschaltet wird. während die Sendeimpulse
nach wie vor mit der Grobfrequenz ausgesandt werden. Die Sendeimpulse sind hierbei
also phasenstarr gegen die Grobfrequenz. Die Meßgenauigkeit ist dagegen in erster
Linie abhängig von der Feinfrequenz und hat eine phasenstarre Beziehung zwischen
der Frequenz der Sendeimpulse und der Feinfrequenz zur Voraussetzung. Diese Voraussetzung
ist aber nur unvollkommen erfüllt, da l'ngenauigkeiten in der Arbeitsweise des Frequenzvervielfachers
in die Feinanzeige eingehen Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist dagegen die
gewünschte phasenstarre Beziehung zwischen der Frequenz der Sendeimpulse und der
Zeitablenkfrequenz der Feinmessung direkt gegeben und nicht von einer Frequenzteilerschaltung
oder anderen Zwischengliedern abhängig. Somit ist höchste Genauigkeit der Feinanzeige
gewährleistet.
-
Ein wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die elektrische
Entfernungsmessung nach der Echomethode, bei der die von einem Hochfrequenzsender
periodisch ausgesandten Meßimpulse Alarkierungen der synchron mit der Impulsfolgefrequenz
nach einer Zeitfunktion erzeugten Leuchtbahn einer Braunschen Röhre hervorrufen
und der Phasenunterschied zwischen direktem und Echoimpuls das Anlaß für die gesuchte
Entfernung bildet. Die Grob- und Feinmessung kann hierbei, wie bekannt, mit einer
einzigen Braunschen Röhre durchgeführt werden. die jeweils auf die einzelnen Nießbereiche
umschaltbar ist. Äjauchmal ist es jedoch zweckmäßiger, jedem Aleßbereich eine besondere
Braunsche Röhre zuzuordnen. um das L'mschalten zu ersparen und gleichzeitige Grob-und
Feinmessung zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Ausbildung einer derartigen Einrichtung
ist als Ausführungsbeispiel in den Figuren der Zeichnung dargestellt und soll nachfolgend
in Bauart und Wirkungsweise beschrieben werden. Es zeigt Fig. I das Schema einer
erfindungsgemäßen Anordnung; Fig. 2 und 3 stellen Anzeigeskalen der Braunschen Röhren
dar; Fig. 4 ist ein Diagramm zur Erläuterung der RVirkungsweise.
-
Bei der Anordnung nach Fig. 1 werden in einem Hochfrequenzgenerator
I elektrische Schwingungen von z. B. I50 kHz erzeugt, die durch einen Piezokristall
genau stabilisiert
sind. Diese Schwingungen werden einem Impulsgeber
2 zugeführt, der z. B. aus jedem Wellenzug eine schmale Impulsspitze bildet, deren
Zeitdauer von der Größenordnung io-7 Sekunden sein kann. Die so erhaltenen Impulse
dienen zur Modulation eines-Senders von wesentlich höherer Frequenz, so daß auf
eine Impulsspitze eine Vielzahl von Schwingungen entfällt. Zunächst sei das mit
3 bezeichnete Ausblendegerät als nicht vorhanden angenommen. Dann werden die im
Impulsgeber 2 erzeugten Impulse über ein Modulationsgerät4 einem Kurzwellen- oder
Ultrakurzwellensender 5 zugeführt, der im Takte der Generatorfrequenz I50 kHz (Impulsfolgefrequenz)
Meßimpulse in Form kurzwelliger Wellenzüge mittels einer Antenne 6 abstrahlt.
-
Die Vom Meßobjekt reflektierten und zurückkommenden Meßimpulse werden
von einer Empfangsantenne 7 aufgenommen und einem Empfangsgerät 8 zugeleitet. Nach
Demodulation werden die zurückgewonnenen Meßimpulse auf eine Braunsche Röhre 10
gegeben. Zweckmäßig durchlaufen sie dabei einen Verzerrer 9, damit die beim Sende-
und Empfangsvorgang verwaschenen Impulse in markante¢ und scharfer Form für die
eigentlicheAnzeige zur Verfügung stelhen. Gegen die von der Antenne 6 direkt abgesfrahlten
Wellen ist die Empfangsleinrichtung zweckmäßig abgeschirmt bzw. blockiert, so daß
nur die Echoimpulse von der Empfangsantenne 7 aufgefangen werden.
-
In der Braunschen Röhre ist in bekannter Weise ein Drehfeld erzeugt,
z. B. durch gekreuzte Plattenpaare ii und 12, an denen um 90° gegeneinander phasenverschoben
die vom Generator 1 erzeugte Spannung liegt.
-
Auf diese Weise entsteht auf dem Leuchtschirm 14 eine Kreisbahn, die
mit der Frequenz 150 kHz vom Elektronenstrahl durchlaufen wird. Die empfangenen
Impulse werden auf den kegelförmigen Ablenkkondensator I3 gegeben und rufen kurzzeitige
zackenförmige Auslenkungen des Elektronenstrahls von seiner Bahn hervor. Da die
Impulsgabe und die Umläufe des Elektronenstrahls mit der gleichen Frequenz und synchron
erfolgen, bewirken die Echoimpulse bei jedem Umlauf die Auslenkung an der gleichen
Stelle der Leuchtbahn, so daß ein stehendes Bild erhalten wird.
-
Der Abstand der Zacke von der Nullmarke ist bei richtiger Justierung
der Laufzeit der Echoimpulse verhältnisgleich, so daß eine die Leuchtbahn umgebende
Skala direkt in Entfernung geeicht werden kann. Fig. 2 zeigt die Leuchtbahn mit
der Skala, auf der die von den Echoimpulsen herrührende Zacke 22 markiert ist, die
eine Entfernung von 640 m anzeigt.
-
Der mit der soweit beschriebenen Anordnung eindeutig zu erfassende
Meßbereich beträgt Iooom entsprechend 2000mLaufstrecke der Meßimpulse
Bei der Meßentfernung I000 m fällt die Anzeigezacke mit dem Nullpunkt der Skala
zusammen, die Phasenverschiebung beträgt alsdann 3600 Mit der angenommenen Frequenz
von 150 kHz ist bei genügend scharfen Anzeigezacken die Ablesung auf etwa 10 m genau
möglich. Um auch größere Entfernungen messen zu können, ist in der Anordnung ein
weiterer Hochfrequenzgenerator 15 mit einer Frequenz von I5 kHz vorgesehen. Die
beiden Generatoren I und I5 stehen in einem starren Frequenzverhältni,s; vorteilh,aft
wird die niedrigere Frequenz mittels eines Frequenzuntersetzers 16 aus der höheren
Frequenz abgeleitet. Dem Hochfrequenzgenerator I5 ist eine Braunsche Röhre 17 zugeordnet,
die ebenfalls zwei gekreuztePlattenpaare I8 und 19 zur Erzeugung eines Drehfeldes
und einen Ablenkkondensator 20 enthält. Mit der Frequenz 15 kHz lassen sich Entfernungen
bis I0000 m eindeutig messen
Würden die mit der Feinfrequenz 150 kHz erzeugten Impulse direkt auf den Ablenkkondensator
20 gegeben, so entstünden auf der kreisförmigen Elektronenbahn des Leuchtschirms
21 zehn Meßzacken gleichzeitig, so daß eine solche Betriebsweise unbrauchbar wäre.
Um trotzdem die gleiche Sende- und Empfangsapparatur für beide Braunschen Röhren
gleichzeitig benutzen zu können, ist erflndungsgemäß - das Ausblendegerät 3 vorgesehen.
Durch die Grobfrequenz I5 kHz erfolgt damit eineAusblendung der Meßimpulse, so daß
nur jeder zehnte Impuls zum Sonder gelangt. Im Ausblendegerät wird z. B. die I5-kHz-Spannung
auf das Gitter von Röhren in einer derartigen Schaltung gegeben, daß nur beim Nulldurchgang
von negativen zu positiven Werten die Freigabe für die mit I50 kHz erzeugten Impulse
erfolgt. Von zehn Impulsen werden also immer neun unterdrückt. Diese Wirkungsweise
ist durch Fig. 4 veranschaulicht. Die unterdrückten Meßimpulse sind gestrichelt
angedeutet.
-
Es erscheint jetzt auf dem Leuchtschirm 2I der Grobanzeigeeinrichtung
nur eine einzige Zacke 23 (s. Fig. 3). Bei richtiger Justierung ist damit eine eindeutige
Ablesung bei Entfernungsmessungen bis zu 10000 m gewährleistet. Durch die gleichzeitige
Feinanzeige mittels der Braunschen Röhre 10 wird aber ferner eine Genauigkeit der
Ablesung bis auf 10 m erhalten. Die Ablesung der Anzeigen in F;ig. 2 und 3 gibt
eine Entfernung von 5640 m.
-
Zwar wird durch die Ausblendung der Meßimpulse mittels des Gerätes
3 bewirkt, daß auf der Leuchtbahn 14 der Braunschen Röhre 10 für die Feinmessung
jeweils nur ein Meßimpuls auf zehn Umläufe des Elektronenstrahls entfällt, das sind
bei der Feinfrequenz von 150 kHz aber immer noch I5000 synchrone Auslenkzacken je
Sekunde, so daß die Ablesung in keinerlei Weise beeinträchtigt wird. Die bei der
beschriebenen Schaltung vorgesehene Blockierung des Empfängers gegen die direkten
Impulse sichert eine vollkommene Entkopplung. Der Empfänger ist dann während je
einer ganzen I5-kHz-Periode auf voller Empfangsempfindlichkeit. Natürlich kann das
Meßverfahren auch so abgeändert werden, daß keine Abschirmung vorgesehen ist und
damit der direkte Impuls gleichzeitig mit dem Echoimpuls auf den Leuchtschirmen
der Braunschen Röhre entsteht.
-
Die starre Frequenzbeziehung zwischen den beiden Hochfrequenzgeneratoren
I und 15 kann auch durch Frequenzvervielfachung erhalten werden. Hierbei wird der
Generator 15 durch einen Piezokristall stabilisiert und aus ihm die höhere Frequenz
abgeleitet. Da alsdann aber die bei der Frequenzübersetzung auftretenden Fehler
in die Feinanzeige eingehen würden, ist die eingangs. beschriebene Methode der Frequenzuntersetzung
vorzuziehen. Die Kreisbahn des Elektronenstrahls ist nur beispielsweise angegeben
worden. An sich kann der Elektronenstrahl nach einer beliebigen Zeitfunktion abgelenkt
werden, z. B. eine Gerade, eine Ellipse oder eine andere Figur beschreiben.