DE767966C

DE767966C - Verfahren und Einrichtungen zur Entfernungsbestimmung

Info

Publication number: DE767966C
Application number: DES114290D
Authority: DE
Inventors: Richard Dr Rer Nat Feldtkeller
Original assignee: Siemens APP und Maschinen GmbH
Current assignee: Siemens APP und Maschinen GmbH
Priority date: 1934-06-12
Filing date: 1934-06-12
Publication date: 1955-05-05

Description

AUSGEGEBEN AM 5. MAI 1955

RE ICHS PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 42 c GRUPPE

S114290 IXb 142 c

Patentiert im Deutschen Reich vom 12. Juni 1934 an Patenterteilung bekanntgemacht am 17. März 1955

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung, insbesondere zur Höhen- oder Horizontallotung, unter Benutzung von Phasenänderungen bei strahlenden Energien, bei dem die Wellenlängen der verwendeten Strahlung kleiner sind als die zu messenden Entfernungen und den verwendeten Strahlungen eine HilfsmoduLation aufgedrückt wird, und besteht in ίο der Verwendung von Licht- oder Wärtnestrahlen. Das neue Verfahren kann auf zwei verschiedene Arten durchgeführt werden. Die bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens besteht daran, daß die modulierten Licht- oder Wärmestrahlen mit konstanter Modulationsfrequenz ausgesendet und nach Reflexion an der Fläche, deren Entfernung bestimmt werden soil, wieder aufgenommen werden, so daß aus der durch die Laufzeit bedingten Verschiebung zwischen Empfangs- und Sendiephase der Modulationsweife die gesuchte Entfernung abgeleitet werden kann. Eine zweite Durchführungsmöglichkeit des Verfahrens besteht darin, daß durch Änderung der Modulationsfrequenz ein ausgezeichneter Wert der Phasenverschiebung zwischen der Sende- und der Empfangsphase, z. B. ο oder i8o°, herbeigeführt und die diesem

*) Von der Patentsudlerin ist als der Erfinder genannt worden:

Dr. rer.nat. Richard Feldtkellei, Stuttgart-W

ausgezeichneten Wert entsprechende Modulationsfrequenz als Maß für die gesuchte Entfernung benutzt wird.

Es ist bekannt, zur Entfernungsbestimmung S modulierte akustische oder elektrische Wellen zu benutzen. In der Regel werden dabei von der Meßstation Wellenzüge in Form von Signalen, z. B. Knalle, elektrische Impulse, ausgesendet, deren Laufzeit vom Aussenden ίο bis zum Wiedereintreffen auf der Meßstation nach erfolgter Reflexion als Maß für die durchlaufene Strecke dient. Von diesen bekannten Verfahren unterscheidet sich die Erfindung durch die Verwendung von Lichtstrahlung und durch die Zu rückführung der Entfernungsmessung auf die Messung von Phasenverschiebungen bzw. Frequenzen. Ferner ist bereits ein Verfahren zur Entfernungsmessung nach der Echomethode mittels elektrischer Wellen bekanntgeworden, bei dem auf der Meß station ein Sender und ein Empfänger durch einen Modulationssender abwechselnd und mit veränderlicher Frequenz ausgeschaltet werden. Ist die Periode des abwechselnden Aus- und Einschaltens gerade so eingeregelt, daß die Wellenfront der reflektierten Welle in dem Augenblick in der dem Sender und dem Empfänger gemeinsamen Antenne eintrifft, wenn der Sender ausgeschaltet und der Empfänger eingeschaltet wird, so erhält man ein Maximum an Empfangswirkung, und die entsprechende Modulationsfrequenz bildet ein Maß für die gesuchte Entfernung. Man kann dieses Verfahren als das elektrische Gegenstück zu dem aus der Optik bekannten Fizeauverfahren zur Messung der Lichtgeschwindigkeit bezeichnen, bei dem unter Verwendung von moduliertem Licht bei bekannter Entfernung zwischen Sendestation und reflektierendem Körper die Modulationsfrequenz als Maß für die Lichtgeschwindigkeit dient. Bei der auf alle Gebiete des Nachrichtenwesens und die Meßtechnik übergreifenden Anwendung der Hochfrequenztechnik lag es durchaus im Zuge der Entwicklung, das Fizeauverfahren auf das Gebiet der hochfrequenten elektrischen Wellen zu übertragen und unter Umkehrung der gegebenen und der gesuchten Größe zur Entfernungsmessung zu benutzen. Die Verwendung von Licht- oder Wärmestrahlen zur Entfernungsmessung wurde jedoch nicht durch eine entsprechende Entwicklung der Optik nahegelegt oder gefördert, obwohl das Fizeauverfahren bereits seit 85 Jahren bekannt ist. Die erfindungsgemäße vorgeschlagene Verwendung dieser Strahlenarten bedeutet daher einen großen technischen Fortschritt. In der bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich das neue Meßverfahren von den bekannten elektrischen Verfahren ferner durch das Merkmal der Phasenmessung.

Durch die Benutzung von Lichtstrahlen zur Entfernungsmessung in der obenerwähnten Weise werden folgende wesentliche Vorteile erreicht: Es ist zunächst eine scharfe Bündelung des Meßstrahles und die Anwendung eines stark gerichteten Empfängers möglich. Dadurch werden Störungen durch elektrische. akustische oder optische Felder, die zufällig oder beabsichtigt im Wirkungsbereich der neuen Meß vorrichtung auftreten, weitgehendst beseitigt. Aus den gleichen Gründen wird ein großer Grad von Geheimhaltung erreicht. Diese kann noch gesteigert werden durch Verwendung unsichtbaren Lichtes, z.B. des infraroten Bereiches für den Meß strahl (Wärmestrahlen). Endlich hat die Verwendung eines Lichtstrahles für die Messung noch den Vorteil, daß das durch den Nachrichten- und Fernsteuerverkehr stark besetzt elektrische Frequenzband für die Zwecke der Entfernungsbestimmung nicht in Anspruch genommen zu werden braucht. Die bequeme und einfache Erzeugung der Lichtstrahlen gewährleistet eine hohe Betriebssicherheit; das geringe Gewicht einer vollständigen Meßanlage ist ein Vorteil, der für Luftfahrzeuge von ausschlaggebender Bedeutung ist.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei konstanter Modulationsfrequenz.

In Fig. ι ist 1 die zur Erzeugung des Meßlichtstrahles dienende Lichtquelle. Für diese können irgendwelche der bekannten Strahler benutzt werden, z. B. Bogenlampen, Gasentladungslampen, Quecksilberdampflampen. Glühlampen, thermische Strahler usw. Insbesondere sind vorzuziehen wegen ihrer großen Lichtstärke Bogenlampen und die aus der Hochfrequenzkinematographie bekann ten Funkenlampen. Der Lichtquelle 1 werden, sofern sie nicht schon ihrer Natur nach unsichtbares Licht ausstrahlt, im gegebenen Fall geeignete Filter zur Unterdrückung des sichtbaren Lichtes oder zum Aussieben besonders vorteilhafter Wellenlängen, z. B. monochroma- no tisches Licht, vorgeschaltet. Mittels einer geeigneten Optik 2 wird die gewünschte Bündelung des Meßstrahles herbeigeführt. 3 ist eine Lochblende oder Sinusblende an sich bekannter Bauart zur Modulation des Licht-Strahles. Der modulierte Lichtstrahl wird an der hinsichtlich ihrer Entfernung zu bestimmenden Fläche, z. B. im Fall der Höhenlotung, an der Erdoberfläche diffus reflektiert und von dem Empfänger 4, z. B. einer im Brennpunkt eines Hohlspiegels angeordneten Photozelle, aufgenommen. Der Empfänger 4

wird auf eine geeignete Phasenmeßeinrichtung geschaltet. Dieser Phasenmeßeinrichtung ist zum Zwecke des Vergleiches auch die Sendephase zuzuführen. Letztere kann in irgendeiner geeigneten Weise ermittelt und zugeleitet werden. So könnte man z. B. mit der diite Modulationsblende 3 antreibenden Antriebsvorrichtung einen Wechselstromgenerator kuppeln. Bei' entsprechender Bemessung des Generators stimmt dann dessen Frequenz überein mit der Modulationsfrequenz des Lichtstrahles und steht zu der Sendephase des Lichtstrahles in fester Phasenbeziehung. Statt dessen kann man aber auch, wie in Fig. 1 angedeutet, von dem durch die Blende 3 modulierten Lichtstrahl einen Teil abzweigen und einem Empfängers, z.B. einer zwei ten Photozelle, zuleiten.

Mit Rücksicht auf die Liehtgesehwindig-

ao keit von 300 000 km/Sek. ergibt sich bei einer zu messenden Entfernung von 5⁰⁰ n* eine Laufzeit desi Lichtes über die Meßstrecke von Vsooooo Sekunde. Beträgt die Modulationsfrequenz 1000 Hz, so ergibt sich eine Phasenverschiebung in dem angenommenen FaB von etwa i°. Die auftretende Phasenverschiebung ist proportional der zu messenden Entfernung. Aus dem angenommenen Beispiel läßt sich entnehmen, daß die auftretenden Phasenver-Schiebungen und die erforderlichen Frequenzen durchaus innerhalb praktisch meßbarer bzw. brauchbarer Bereiche liegen. Die ModülätionswelHtenlänge muß jedoch größer sein als die zu messende Entfernung, um Doppeldeutigkeiten auszuschließen. Sofern die Phasenverschiebung einwandfrei zwischen 0 und' 360⁰ meßbar ist, genügt es, wenn die angewandte Modulations wellenlänge größer ist als der doppelte Betrag der zu messenden Entfernung (also Hinweg und Rückweg). Praktisch wird man jedoch in der Regel nur eine Phasenverschiebung von ο bis i8o° gut messen können. Daraus ergibt sich dann, daß die Wellenlänge der Modulationsfrequenz viiermäl so groß wie die zu messende maximale Entfernung oder größer sein muß. Da die Meßgenauigkeit mit zunehmender Modulationsfrequenz steigt, wird man möglichst an den genannten unteren Grenzwert der Well enlänge herangehen. Mit Rücksicht auf diese Verhältnisse wird es sich unter Umständen empfehlen, d'as Gerät auf mehrere Meßbereiche umschaltbar zu machen, indem z. B. Mittel vorgesehen sind, die gestatten, die Umlaufgeschwindigkeit der Blende 3 auf verschiedene Werte einzustellen.

Wie schon oben erwähnt, kann zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen Sendephase und Empfangsphase des Meßlichtstrahles ein an sich beliebiges Phasenmeßgerät Anwendung finden. Imsbesondexe eignet sich hierzu ein elektrisches Gerät bzw. eine elektrische Schaltung der in Fig. 2 dargestellten Art.

In der Schaltung nach Fig. 2 bedeuten 4 und 5 die entsprechenden Empfangsvorrichtungen der Fig. 1. Die Teile 4 und S sind also z. B. Photozellen, von welchen die erste den reflektierten Lichtstrahl· aufnimmt und die zweite den von dem Lichtstrahl nach seinem Durchtritt durch die Modulationsblende 3 abgezweigten Teil. Die Ausgangs spannungen der Photozellen 4 und 5 werden zweckmäßig nach vorheriger Verstärkung in den Verstärkern 6 und 7 der eigentlichen Phasenmeßschaltung zugeführt. Diese besteht in einer Art Brückenschaltung mit zwei Trockenglleiohrichtern 8 und 9 und zwei Ohmschen Widerständen 10 und 11 und der Sekundärwicklung eines primärseitig aus dem Verstärker 6 gespeisten Übertragers 12. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 7 ist über den Übertrager 13 einerseits an eine Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers 12 und andererseits an den Verbindüngspunkt der beiden Widerstände 10 und 11 angeschlossen. 14 ist ein Gleichstrommeßgerät, z.B. einDrehspulmeßgerät mit zwei gesonderten Wicklungsteilen 14° und 14* des Rähmchens. Der Wicklungsteil 14° lliegt im Diagonalzweig der durch diese Querwicklung des· Übertragers 12, die Trockengleichrichter 8 und 9 und die Widerstände 10 und 11 gebildeten Brücke. Der Wicklungsteil 14^s ist über einen Gleichrichter 15 an die Ausgangsspannung des Verstärkers 7 gelegt.

Zur näheren Erläuterung der in Fig. 2 dargestellten Schaltung denke man sich zunächst die Teilte i4^& und 15 fort. Man entnimmt leicht der Darstellung, daß mitt Hilfe der Gleichrichter 8 und 9 zwei Gleichstromkreise gebildet sind, von welchen der eine über die Sekundärwicklung des Übertragers 13, die eine Hälfte der Sekundärwicklung des Übertragers 12, den Gleichrichter 8 und den Widersitand 10 verläuft, während der andere über die Sekundärwicklung des Übertragers 13, die eine Hälfte der Sekundärwicklung des Übertragers 12, den Gleichrichter 9 und den Widerstand 11 verläuft. Da mit Bezug auf die Durchlaßrichtung des einen der beiden Gleichstromkreise die Sekundärwicklung des Übertragers 12 entgegengesetzt geschaltet ist wie mit Bezug auf die Durchlaßrichtung des zweiten der beiden Gleichstromkreise, so sieht man leicht, daß im einen der beiden Gleichstromkreise diie geometrische Summe und im anderen der beiden Gleichstromkreise die geometrische Differenz der Sekundärspannungen des Übertragers 12 und 13 wirksam sind.

Es ist klar, daß die resultierende Spannung abhängig ist von der Phasenverschiebung

Claims

zwischen den beiden Komponenten, d. h. den Sekundärspannungen der Übertrager 12 und 13. Demgemäß wird sich auch in der Wicklung I4ß ein Strom ergeben, dessen Mittelwert abhängig von der genannten Phasenverschiebung ist. Vorausgesetzt ist hierbei, daß die beiden Gleichstromkreise im Arbeitsgebiet eine im wesentlichen geradlinige Kennlinie besitzen. Zur näheren Theorie der Schaltung sei verwiesen auf das Patent 623 274. Das Meßgerät 14 zeigt also die Phasenverschiebung zwischen der Ausgangsspannung des Verstärkers 7 und der des Verstärkers 6 und damit die gesuchte Entfernung an. Das Gerät kann unmittelbar in Entfernungen geeicht werden. Es wurde oben stillschweigend vorausgesetzt, daß das Meßergebnis nur abhängig sei von der Phasenverschiebung. Bei der Schaltung nach Fig. 2 ist jedoch das Meßergebnis auch noch abhängig von den Amplituden. Es ist hier verhältnismäßig einfach, die von der Zelle 5 aufgenommene Intensität durch entsprechende Steuerung der Lichtquelle konstant zu halten. Die Intensität der vom Objekt, z. B. dem Erdboden, reflektierten Wellen ist jedoch im starken Maße abhängig von der Entfernung, der Sichtigkeit, der Größe des reflektierenden Objektes usw. Infolgedessen kann mit einer Konstanz der Amplitude der Ausgangsspannung des Verstärkers 7 nicht ohne weiteres gerechnet werden. Um diesen Einfluß auf das Meßergebnis zu beseitigen, stehen mehrere Wege offen. Im Ausführungsbeispiel ist hierzu das Rähmchen des Meßgerätes 14 mit der obenerwähnten zweiten Wicklung 14s versehen, die über die Gleichrichter 15 an der Ausgangsspannung des Übertragers 13 liegt. Auf diese Weise kann der Einfluß der Amplitudenschwankungen kompensiert werden. Ein anderer Weg zur Beseitigung des Amplitudeneinflusses ist gegeben durch die Verwendung eines Amplitudenreglers bzw. eines Amplitudenbegrenzers. Wird ein solcher zwischen der Empfangszelle 4 und Übertrager 13 eingeschaltet, so bleibt die Amplitude der über den Übertrager in die Gleichrichterschaltung gelangenden Spannung konstant. In diesem Fall werden die in Fig. 2 veranschaulichten Elemente I4& und 15 überflüssig. Da die verschiedenen Schaltungselemente störende und sich mit der Zeit allmählich ändernde Laufzeiten aufweisen können, muß das Gerät von Zeit zu Zeit geeicht werden. Das kann dadurch geschehen, daß in einen der beiden Kreise, über die die Ausgangsspannung der Zelle 4 bzw. der Zelle 5 in die Schaltung geleitet wird, für die Eichung vorübergehend ein Element gelegt wird, das eine bekannte Phasenverschiebung hervorruft. Durch ein zweites dauernd in der Schaltung liegendes Regelglied wird dann die Schaltung einjustiert, zweckmäßig mit Hilfe des Meßgerätes 14, an dem eine entsprechende Eichmarke angebracht wird. PATENTAXSP R CCHE:

1. Verfahren zur Entfernungsbestimmung, insbesondere zur Höhen- oder Horizontallotung, unter Benutzung von Phasenänderungen bei strahlenden Energien, bei dem die Wellenlängen der verwendeten Strahlung kleiner sind als die zu messenden Entfernungen und den verwendeten Strahlungen eine Hilfsmodulation aufgedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Licht- oder Wärmestrahlen verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte Lichtoder Wärmestrahlung mit einer innerhalb eines Meßbereiches konstant bleuenden Frequenz ausgesendet, nach Reflexion an der Fläche, deren Entfernung bestimmt werden soll, wieder aufgenommen und aus der durch die Laufzeit bedingten Verschiebung zwischen Empfangs- und Sendephase der Modulationswelle die gesuchte Entfernung bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die modulierte Lichtoder Wärmestrahlung mit regelbarer Modulationsfrequenz ausgesendet, nach Reflexion an der Fläche, deren Entfernung bestimmt werden soll, aufgenommen und die zur Herstellung eines ausgezeichneten Wertes der Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangsphase erforderliche Modulationsfrequenz als Maß für die gesuchte Entfernung benutzt wird.

4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Kombination einer Lichtquelle, einer Modulationseinrichtung für diese, eines Empfangsgerätes für den reflektierten Lichtstrahl und einer Phasenmeßeinrichtung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung einer brückenartigen Schaltung, in der mit Hilfe von Gleichrichtern zwei Gleichstromkreise gebildet sind, von welchen in dem einen die geometrische Summe der die Sendephase und der die Empfangsphase nachbildenden Spannungen und von welchen in dem anderen die geometrische Differenz der genannten Spannungen wirksam ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungs- iao elemente zur Kompensation der Amplitudenschwankungen der in die Gleichrichter-

schaltung eingeführten Spannungen vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Diagonalzweig der Gleichrichterschaltung Liegende Meßgerät eiine von dem Empfangsgerät für den reflektierten Lichtstrahl gespeäiste Kompensationswicklung enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Amplitudenbegrenzer zwischen dem Empfangsgerät für den reflektierten Lichtstrahl' und der Gleichrichterbrücke.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüdhe, gekennzeichnet durch ein phasenverschiebendes SchaLtungsdement in Verbindung mit Mitteln zur vorübergehenden Einschaltung dieses Elementes für die Zwecke der Eichung.

Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden:

Deutsche Patentschriften Nr. 403939,

463076;
britische Patentschriften Nr. 28634 vom

Jahre 1911, 28635 v°^m Jahre 1911;
USA.-Patentschriften Nr. 1838371,

1940114.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

9625 4.