DE911663C

DE911663C - Verfahren zur Kontrolle, insbesondere zur Entfernungsbestimmung von Objekten nach dem Rueckstrahlprinzip durch impulsweises Aussenden und Wiederempfangen von hochfrequenten Schwingungen

Info

Publication number: DE911663C
Application number: DEP5273A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Gustav Guanella
Original assignee: PINTSCH ELECTRO GmbH
Current assignee: PINTSCH ELECTRO GmbH
Priority date: 1944-08-05
Filing date: 1951-03-22
Publication date: 1954-05-17

Description

Verfahren zur Kontrolle insbesondere zur Entfernungsbestimmung von Objekten nach dem Rückstrahlprinzip durch impulsweises Aussenden und Wiederempfangen von hochfrequenten Schwingungen Nach bekannten Verfahren zur Entfernungsmessung werden Hochfrequenzimpulse ausgesandt und nach Reflexion wiederempfangen, wobei die Entfernung durch Messung der Laufzeit dieser Impulse ermittelt wird. Ein wesentlicher Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß die Entfernungskontrolle durch die in den Pausen zwischen denEmpfangsimpulsen auftretenden Störspannungen beeinträchtigt wird. Zudem bereitet eine genaue Bestimmung der Entfernung in Hinsicht auf die große Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hochfrequenzimpulse erhebliche Schwierigkeiten. Nach anderen bekannten Verfahren werden Hochfrequenzschwingungen ausgesandt und wiederempfangen, deren Frequenz nach einem Sägezahnprogramm periodisch gewobbelt ist. Zwischen den über die Reflexionsstelle zum Empfänger gelangenden Schwingungen und den unverzögerten Sendeschwingungen entsteht dann im Empfänger eine Schwebung, deren Frequenz bei unbewegter Reflexionsstelle proportional der Entfernung ist und mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zur Entfernungskontrolle gemessen werden kann. Da die Sendeschwingung ununterbrochen ausgesandt wird, sind die Sendeamplituden geringer als bei der Aussendung von Impulsen, so daß die Amplituden der Empfangssignale in vielen Fällen mit Hinsicht auf unvermeidLiche Störspannungen (Empfängerrauschen usw.) zu klein sind.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Kontrolle, insbesondere zur Entfernungsbestimmung von Objekten nach dem Rückstrahlprinlzip durch impulsweises Aussenden und Wiederempfangen von hochfreqenten, akustischen oder elektromagnetischen Schwingungen, nach welchem erfindungsgemäß die Frequenz der Sendeschwingung mit der Frequenz der reflektierten Impulse verglichen wird, wobei bei diesem Vergleich Impulse gebildet werden, deren Höhe mit der Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen schwankt, und nach welchem die Frequenz der Sendeschwingung wenigstens zeitweise periodisch geändert wird.
Die Erfindung wird an Hand der Fig. I bis g erläutert. In Fig. I ist eine Sende-Empfangs-Anlage zur Durchführung des erflndungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Frequenz der vom Hochfrequenzgenerator 0 erzeugten Schwingung e3 wird durch die Wobbelspannung e1 des Frequenzwobblers W periodisch verändert. Diese Wobbelung kann in bekannter Weise auch auf mechanischem Wege, z. B. mittels eines rotierenden Drehkondensators, erfolgen. Die Wechselspannung e8 wird mit dem Tastgerät T periodisch unterbrochen, so daß die zur Aussendung gelangenden Schwingungsimpulse ed entstehen. Die Tastung erfolgt mittels der Steuerimpulse e2 des Impulsgenerators J. Die nach der Reflexion am zu kontrollierenden Objekt wiederempfangenen Impulse e5 werden im Empfangsgerät M mit der ungetasteten Sendespannung e3 verglichen. Der Vergleich der Schwingungen kann durch Addition derselben und nachfolgende Gleichrichtung der entstehenden Summenspannung oder nach produktbildenden Verfahren erfolgen. Dabei entstehen Impulse e6, welche im betrachteten Fall eine entsprechend den Tastpausen auf der Sende seite periodisch unterbrochene Wechselspannung e' bilden, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Die reflektierten Impulse e5 und/oder die beim Schwingungsvergleich gebildeten Impulse e6 können durch Amplitudenfilterung von Störspannungen geringer Amplitude befreit werden.
Bei der in Fig. I dargestellten Sende-Empfangs-Anlage ist zur Unterdrückung der in den Impulspausen auftretenden Störungsspannungen ein Unterbrecher U vorgesehen, welcher durch die Steuerimpulse e9 so beeinflußt wird, daß die Spannungsübertragung jeweils kurze Zeit vor dem Auftreten der Impulse e6 beginnt und kurze Zeit nachher wieder unterbrochen wird. Die Steuerspannung e9 wird ebenfalls mit dem Impulsträger J erzeugt, wobei eine besondere Verzögerungseinrichtung P zur Einstellung der Phasenlage entsprechend der Laufzeit der reflektierten Impulse vorgesehen ist. Durch Tiefpaß- bzw. Bandpaßfilterung im Filter F werden die Komponenten höherer Frequenz unterdrückt, so daß eine periodisch unterbrochene Wechselspannung e8 entsteht, deren Frequenz mit der gesuchten Differenzfrequenz fd der verglichenen Schwingungen e3 und C5 übereinstimmt. Die Wechselspannung e8 wird mit dem frequenzempfindlichen InstrumentK, beispielsweise einem Frequenzmesser, kontrolliert.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ferner Sende-Empfangs-Anlagen mit einem Pendelrückkopplungsempfänger möglich, bei welchem die Frequenz der Pendelspannung mit der Frequenz der Impulstastung auf der Sendeseite übereinstimmt und bei welchem die Phasenlage der Pendelspannung entsprechend der Laufzeit der reflektierten Impulse einstellbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich sowohl durch Aussendung von Kurzimpulsen wie auch von Langimpulsen durchführen. Unter Kurzimpulsen sind solche zu verstehen, deren Laufzeit kleiner ist als die maximale Laufzeit der reflektierten Impulse , wobei die letzteren gemäß dem an Hand Fig. I beschriebenen Ausführungsbeispiel mit der ungetasteten Sendeschwingung e3 verglichen werden. Unter Langimpulsen sind dagegen solche zu verstehen, deren Dauer größer als die maximale Laufzeit der reflektierten Impulse e5 ist, so daß sich die letzteren mit den getasteten Sendeimpulsen zeitlich teilweise überdecken. In diesem Fall können somit die auf dem direkten Wege empfangenen Sendeimpulse e4 mit den reflektierten wiederempfangenen Impulsen e5 verglichen werden.
Im allgemeinen ist die Frequenz der Tastspannung e2 größer als die Differenzfrequenz Ja der verglichenen Schwingungen, so daß auf jede dieser Differenzfrequenz entsprechende Schwingungsperiode eine bestimmte Anzahl von Impulsen fällt, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. Es können jedoch auf die Dauer eines Impulses auch mehrere der Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen entsprechende Schwingungsperioden fallen.
In diesem Fall ist die Tastfrequenz J2 klein gegenüber der Differenzfrequenz td, und die Spannung eß' tritt in Form einer Sinusspannung auf, welche jeweils nach mehreren Schwingungspemoden Unterbrechungen aufweist. Auch in diesem Fall kann die Differenzfrequenz Ja gemessen werden, indem ein Großteil der Kombinationsfrequenzen (fd+nf2) durch das Filter F unterdrückt wird, so daß am Filterausgang im wesentlichen nur die gewünschte Schwingungskomponente e8 verbleibt.
Die Frequenz f, der Sendeschwingung es kann nun beispielsweise nach einem Sägezahnprogramm gewobbelt sein. In Fig. 3 ist der Verlauf der Sendefrequenz Js durch den angezogen gezeichneten Linienzug dargestellt. Der gestrichelt gezeichnete Frequenzverlauf der reflektierten wiederempfangenen Impulse eS ist entsprechend der Laufzeit T derselben zeitlich gegenüber dem Frequenzverlauf der Sendeschwingung e3 verschoben. Die Differenzfrequenz fd der verglichenen Schwingungen e3 und e5 ist dem Laufweg s der reflektierten Impulse e5 nach der Beziehung fa=Kj (c = Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit) proportional. Dabei ist kr eine Konstante von der Dimension Zeit- Thre Größe hängt außerdem vom Frequenzhub ab.
Die Wobbelung der Sendefrequenz Js kann auch nach einem Programm gemäß Fig. 4 erfolgen, nach welchem die Frequenz linear ansteigt und mit der gleichen Steilheit wieder abfällt. Die Differenzfrequenz fd der verglichenen Schwingungen e3 und eÕ hat dabei, abgesehen von kurzzeitigen Übergängen, einen konstanten Wert. Ferner kann die Sendefrequenzwobbelung nach einem sinusförmigen Programm erfolgen, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wobei die Differenzfrequenz Ja gleichfalls einen sinusförmigen Verlauf hat.
Die Dauer der Wobbelungsperiode kann z. B. mit der Dauer eines Sendeimpulses e4 übereinstimmen, d. h. die Sendespannung e3 kann während der Dauer einer Wobbelperiode ausgesandt werden und während der Dauer mehrerer Wobbelperioden unterbrochen sein, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Die Dauer der Sendeimpulse ?4 und der Impuispausen kann ferner in einem ganzzahligen Verhältnis zur Dauer der Wobbelperiode stehen, indem z. B. auf jede Wobbelperiode eine bestimmte Anzahl Impulse und Impulspausen fallen, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Schließlich können die Verhältnisse auch so gewählt werden, daß während jeder Wobbelperiode der Sendefrequenzfs ein Ilmpuls e4 ausgesandt wird, wobei entsprechend Fig. 8 der Startpunkt jedes Sendeimpulses vorteilhaft mit dem Beginn der Wobbelperiode zur Übereinstimmung gebracht wird. Mit diesen Maßnahmen wird erreicht, daß keine unerwünschten Schwankungen und periodische Störungen im Verlauf der Differenzfrequenz fd auftreten, indem sich derselbe in jeder Wobbelperiode wiederholt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, eine Wobbelvorrichtung zu verwenden, welche eine Einstellung der Dauer der Wobbelperiode der Sendefrequenz f5 gestattet, so daß je nach den herrschenden Umständen die Verhältnisse gemäß den Fig. 7, 8, 9 gewählt werden können. Da die Entfernungen der zu kontrollierenden Objekte oft sehr vefschieden groß sind, ist es ferner zweckmäßig, eine Wobbelungs vorrichtung zu benutzen, bei welcher der Wobbelhub veränderbar ist, so daß dieser stets so eingestellt werden kann, daß die Differenzfrequenz Ja einen bestimmten konstanten Wert annimmt. Die gesuchte Entfernung kann dann jeweils aus der Einstellung des Wobbelhubs entnommen werden.
Die Sende-Empfangs-Anlagen zur Durchführung des Verfahrens können ferner Mittel zur fortlaufenden Messung der Laufzeit der reflektierten Impulse enthalten. Die Messung der Impulslaufzeit stellt dann eine Grobmessung der gesuchten Entfernung dar, während das erfindungsgemäße Verfahren eine Methode zur Feinmessung der Entfernung darstellt.
Zur Überwachung der Impulslaufzeit kann beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre verwendet werden, bei welcher die Zahl der je Zeiteinheit stattndenden Strahlablenkungen in der X-Richtung mit der Zahl der in dieser Zeiteinheit ausgesandten Impulse übereinstimmt und auf deren Y-Ablenksystem die wiederempfangenen reflektierten Impulse geleitet sind. Die Phasenlage der Strahlablenkung in der X-Richtung kann gegenüber den ImpulssenKlezeitpunkten derart verschoben werden, daß die zu kontrollierenden reflektierten Impulse mit einer Markierungslinie in der Mitte des Leuchtschirms der Kathodenstrahlröhre zur Deckung gebracht werden. so daß aus der jeweiligen Phaseneinstellung auf die Impulslaufzeit geschlossen werden kann.
Zur gleichzeitigen Überwachung der Entfernung und der Geschwindigkeit von bewegten Objekten kann die Frequenz der Sendeschwingung auch zeitweise konstant gehalten werden, wobei bekanntlich der dann auftretende Wert die Differenzfrequenz Ja der verglichenen Schwingungen nach dem Dopplereffekt der Relativgeschwindigkeit des reflektierenden Objekts proportional ist. Der bei gewobbelter Sendefrequenz entstehende Wert der Differenzfrequenz fd der verglichenen Schwingungen besteht dann aus einem geschwindigkeitsproportionalen und einem entfernungsproportionalen Frequenzanteil. Die Sendefrequenzfs kann in diesem Fall z. B. nach dem in der Fig. 9 dargestellten Programm gewobbelt sein. wobei sowohl auf den ansteigenden wie auch auf den geradlinigen Teil der Wobbelperiode eine bestimmte Anzahl Impulse und Jmpulspausen fallen. Die verschiedenen bei konstanter und bei gewobbelter Sendefrequenz auftretenden Werte der Differenzfrequenz fd können in verschiedenen Frequenzmessern gemessen werden, deren Anzeigevorrichtungen z. B. übereinander angeordnet sind, so daß aus dem Unterschied der Zeigerausschläge derselben direkt die Entfernung abgelesen werden kann.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Kontrolle, insbesondere zur Entfernunglsbestimmung von Objekten nach dem Rückstrahlprinzip durch impulsweises Aussenden und Wiederempfangen von hochfrequenten akustischen oder elektromagnetischen Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Sendeschwingung mit der Frequenz der reflektierten Impulse verglichen wird, wobei bei diesem Vergleich Impulse gebildet werden, deren Höhe mit der Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen schwankt und daß die Frequenz der Sendeschwingung wenigstens zeitweise periodisch geändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse ausgesandt werden, deren Dauer kleiner ist als die minimale Laufzeit der reflektierten Impulse.
3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß Impulse ausgesandt werden. deren Dauer größer ist als die maximale Laufzeit der reflektierten Impulse.
4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten Impulse mit der ungetasteten Sendeschwingung (e3) verglichen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten impulse mit den Sendeimpulsen (e4), mit welchen sie sich zeitlich teilweise überdecken, verglichen werden.
6. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastfrequenz der Sende- impulse größer ist als die Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen, so daß während einer der Differenzfrequenz entsprechenden Schwingungsperiode eine Anzahl Impulse gebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastfrequenz der Sendeimpulse kleiner ist als die Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen, so daß mehrere der Differenzfrequenz entsprechende Schwingungsperioden auf jeden der beim Schwingungsvergleich gebildeten Impulse fallen.
8. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Anderung der Sendefrequenz nach einem sägezahuförmigen Programm erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz periodisch geradlinig ansteigt und mit gleicher Steilheit wieder abfällt.
10. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Änderung der Sendefrequenz nach einem sinusförmigen Programm erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Sendeimpulses wenigstens angenähert mit der Dauer der Änderungsperiode der Sendefrequenz übereinstimmt wobei die Sendeschwingung abwechslungsweise während einer Änderungsperiode ausgesandt und während mehreren Änderungsperioden unterbrochen wird.
12. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Änderungsperiode der Sendefrequenz eine bestimmte Anzahl Sendeimpulse und mpulsepausen fallen.
13. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß während jeder Änderungsperiode der Sendefrequenz ein Impuls ausgesandt wird.
14. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontrolle von bewegten Objekten beim Schwingungsvergleich abwechslungsweise von der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängige und gleichzeitig von der Entfernung und der Relativgeschwindigkeit des Objekts abhängige D ifferenzfrequenzen gebildet werden, welche getrennt ausgewertet werden.
15. Verfahren nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz innerhalb der Änderungsperiode zeitweise konstant ist.
I6. Verfahren nach Anspruch I4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz abwechslungsweise einer Änderung unterworfen ist, welche sich über eine bestimmte Anzahl Änderungsperioden erstreckt und während eines Zeitabschnittes, welcher einer bestimmten Anzahl von Impulsen und Impulispausen entspricht konstant gehalten wird.
-I 7. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Sendefrequenzänderung auftretende Frequenzhub dauernd so eingestellt wird, daß beim Schwingungsvergleich wenigstens zeitweise eine bestimmte konstante Frequenzdifferenz gebildet wird, wobei die gesuchte Entfernung aus der jeweiligen Einstellung des Frequenzhubs ermittelt wird.
18. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Grobbestimmung der Entfernung des Objekts die Laufzeit der reflektierten Impulse dauernd gemessen wird und zur genauen Bestimmung der Entfernung die aus der beim Schwingungsvergleich gewonnene Differenzfrequenz ausgewertet wird.
Ig. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierten wiederempfangenen Impulse durch Amplitudenfilterung von Störspannungen geringer Amplitude befreit werden.
20. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Schwingungsvergleich gebildeten Impulse durch Amplitudenfilterung von Störspannungen geringer Amplitude befreit werden.
21. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß aus den beim Schwingungsvergleich gebildeten Impul-sen durch Filterung diejenige Schwingungskomponente herausgegriffen wird, deren Frequenz mit der Differenzfrequenz der verglichenen Schwingungen übereinstimmt.