WO1988009480A1 - Process and device for compensating for the influence of turbulences in measurements - Google Patents

Process and device for compensating for the influence of turbulences in measurements Download PDF

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WO1988009480A1 PCT/CH1988/000093 CH8800093W WO8809480A1 WO 1988009480 A1 WO1988009480 A1 WO 1988009480A1 CH 8800093 W CH8800093 W CH 8800093W WO 8809480 A1 WO8809480 A1 WO 8809480A1
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Definitions

  • the invention relates to a method for compensating for inhomogeneities in the refractive index of a dispersive medium when determining the direction of a target point by evaluating the propagation behavior of wave radiation emanating from the target point, according to the preamble of patent claim 1 of the procedure.
  • This basic knowledge leads to the object of the present invention, which consists in developing a method and a device for detecting and compensating for such turbulence effects when determining the direction, so that even variable inhomogeneities for a short time in the refractive index of a dispersive medium when determining the direction of a target point by evaluating the propagation behavior of a wave radiation emanating from the target point.
  • the measures according to the invention offer significant advantages in several respects: Even in the event of strong turbulence in the medium along the measuring path between the measuring point and the target point, e.g. perform very precise corrected angle measurements within seconds. The effects of turbulence are recorded briefly and also simultaneously with the actual measurement and processed to a corrected measured value. The reproducible accuracy of the measured values is a few hundred nanoradians when the measuring time of a few seconds is selected.
  • Fig. 4 shows the example of a transmitter with a laser diode for generating two transmission frequencies
  • Fig. 5 shows a receiver circuit for the invention
  • FIG. 1 There is a direct geometric connection D between a transmitter 1 and a receiver 2. Light rays emanating from the transmitter 1 are deflected along the transmission path as a result of changes in refractive index, so that they are in the receiver at an angle ⁇ with respect to the straight line D arrive. Without a correction, the transmitter 1 would be a virtual transmitter l r appear on the connection D ', which can lead to incorrect measurements, in particular in the case of angle measurements and measurement methods based thereon.
  • the dispersion effect is used, by means of which two different frequencies B and R are deflected to different extents along the transmission path.
  • the difference in the angle of incidence caused by the dispersion is delta ⁇ . It has now been shown that, due to the dispersion, the angle difference delta ⁇ is, in a first approximation, directly proportional to the angle error ⁇ originating from the changes in the refractive index.
  • the method described in more detail below takes this knowledge into account in that the angle deviations delta ⁇ caused by the dispersion are measured in very short time intervals as a series of individual measurements and are averaged over a period of seconds or minutes. The required correction for the actual measured value is then obtained from the mean value obtained. The time intervals mentioned for determining the correction values are matched to the actual changes in the refraction behavior of the transmission medium.
  • n (x, y, z) is the refractive index of the medium (e.g. air)
  • exp (ik (c + ax + by)] represents a plane wave propagating in the direction (a, b, l).
  • the angles a and b are only dependent on the wavelength of the light via the refractive index n, such as this is necessary for the turbulence compensation.
  • FIG. 4 shows the principle of obtaining two transmission frequencies from a single laser diode by frequency doubling.
  • the deflected beam passes through a non-linear crystal 8, e.g. a potassium niobate or lithium niobate crystal.
  • the frequency of the light wave is doubled, in the example to 860 nm.
  • This frequency lies in the blue range and is designated B in FIG. 4, in contrast to the original frequency, which is in red -Range and is designated with R.
  • an intensity filter 9 is provided in at least one of the beam paths.
  • a rotating chopper disk 10 which carries out a different intensity modulation for both frequencies. This is achieved by slits S1 and S2 of different widths on the circumference of the chopper disk 10.
  • the light rays R and B emanating from the transmitter 1 of different frequencies are collected jointly by a receiver optics 5 and directed onto the surface of a position-sensitive detector 6.
  • the different frequencies are red and blue light beams which emanate from at least one laser diode in the transmitter.
  • the detector is, for example, a dual photodiode, which has two adjacent light-sensitive areas E and F.
  • an evaluation circuit on the receiver side has inputs E and F for the output signals of the photodiode regions and a reference input Ref.
  • the input signals E and F are each fed to a sample and hold circuit 11 or 12.
  • the outputs of these two circuits are sampled by a multiplex circuit 14, amplified in an amplifier 15 and fed to registers 17 via an analog / digital converter 16, where the signals for further processing in can be temporarily stored in a computer 18.
  • Angular differences delta ß are obtained from the position signals at the inputs E and F.
  • these values are related to other measured values in the sense of a correction in accordance with a predetermined program, so that corrected measured values can be output directly at the computer output, or these values are stored for later processing.
  • two light frequencies of approximately 430 nm and approximately 860 nm were transmitted through an air atmosphere of approximately 24 degrees Celsius.
  • the aperture of the receiver optics was 36 mm in one case and 46 mm in the second case.
  • the individual measured values were averaged after 1 see and after 10 see. The results are as follows:

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Abstract

In order to acquire and compensate for turbulence effects when determining the direction between a target and a measurement station, a wave radiation with at least two selected frequencies is emitted. The incidence angles of both selected waves are measured practically at the same time at the measurement station. The difference between both measured angular values is then calculated, and on the basis of that difference the angular deviation between the apparent and the real direction of the target is calculated by means of a given algorithm. With this process, short-term non-homogeneity variations of the refractive index of a dispersable medium can also be taken into account when determining the direction of a target. Very precise and corrected angular measurements can thus be carried out very quickly, for instance in a matter of seconds, even in the presence of strong turbulences of the medium along the measurement section extending between the measurement point and the target.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Kompensation von Turbulenzeinflüssen im Vermessungswesen Method and device for compensating turbulence influences in surveying
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Richtungsbestimmung eines Zielpunktes durch Auswer¬ tung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt aus¬ gehenden Wellenstrahlung, gemäss dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for compensating for inhomogeneities in the refractive index of a dispersive medium when determining the direction of a target point by evaluating the propagation behavior of wave radiation emanating from the target point, according to the preamble of patent claim 1 of the procedure.
Im Vermessungswesen machen sich mit steigender Präzision der Instrumente und mit den höheren Anforderungen an die Mess¬ genauigkeit Turbulenzen des vom Messstrahl zu durchdringen¬ den Mediums störend bemerkbar. Dies äussert sich z.B. darin, dass eine punktförmige Lichtquelle in einer gewissen Distanz nur noch als flimmernder Leuchtfleck beobachtet wird. Ein solcher verschmierter Leuchtfleck kann mit herkömmlichen Methoden nicht weiter aufgelöst werden, da die wahre Posi¬ tion des Bildes der punktförmigen Lichtquelle statistischen zeitlichen Schwankungen unterliegt, die auf Inhomogenitäten in der Dichte des durchdrungenen Mediums und damit auf Schwankungen des Brechungsindexes längs der Messstrecke beruhen. Untersuchungen zu diesen Phänomenen wurden ursprünglich angeregt durch die Beobachtung der Gestirne und die dabei auftretenden Unregelmässigkeiten, die sich bei der Beo¬ bachtung durch die Erdatmosphäre einstellen. Zur Reduktion der dadurch entstehenden Messfehler bei optischen Beobach¬ tungen sind bisher nur Verfahren bekannt zur Kompensation von quasi-statischen grossräumigen Inhomogenitäten, die so¬ genannte Refraktionskompensation. Bei der Durchführung dieser Verfahren müssen entsprechend lange Beobachtungs¬ zeiten in Kauf genommen werden.In surveying, with increasing precision of the instruments and with the higher demands on the measuring accuracy, turbulence of the medium to be penetrated by the measuring beam becomes noticeable. This manifests itself, for example, in the fact that a point light source is only observed at a certain distance as a flickering light spot. Such a smeared light spot cannot be resolved further using conventional methods, since the true position of the image of the punctiform light source is subject to statistical temporal fluctuations which are based on inhomogeneities in the density of the penetrated medium and thus on fluctuations in the refractive index along the measurement path. Investigations into these phenomena were originally stimulated by observing the stars and the irregularities that occur as a result of observation by the earth's atmosphere. To reduce the resulting measurement errors in optical observations, only methods are known for the compensation of quasi-static large-area inhomogeneities, the so-called refraction compensation. When carrying out these methods, correspondingly long observation times have to be accepted.
Inzwischen hat sich gezeigt, dass Verfahren zur Refraktions¬ kompensation für die Korrektur bei hochpräziseπ Messungen nicht mehr ausreichen. Vielmehr machen sich die Einflüsse von Turbulenzen im durchdrungenen Medium als überwiegender Störfaktor bemerkbar. Besonders unangenehm sind die Turbu¬ lenzen z.B. bei hochpräzisen optischen Richtungsbestim¬ mungen, die mit Hilfe eines Richtstrahls, z.B. eines vom Zielpunkt ausgehenden Laserstrahls, arbeiten. Turbulenzen sind aber im Gegensatz zur Refraktion keine Langzeiteffekte, sondern je nach den Strömungsverhältnissen im Medium Kurz¬ zeiteffekte, welche das Brechungsverhalten längs der Mess¬ strecke innerhalb von Minuten oder Sekunden entscheidend verändern können.In the meantime it has been shown that methods for refraction compensation are no longer sufficient for the correction in high-precision measurements. Rather, the effects of turbulence in the penetrated medium become noticeable as a predominant disruptive factor. The turbulences are particularly unpleasant, e.g. in the case of high-precision optical direction determinations which are carried out with the aid of a directional beam, e.g. a laser beam emanating from the target point. In contrast to refraction, however, turbulences are not long-term effects, but, depending on the flow conditions in the medium, short-term effects, which can decisively change the refractive behavior along the measuring path within minutes or seconds.
Diese grundsätzliche Erkenntnis führt zur Aufgabe der vorliegenden Erfindung, welche darin besteht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und zur Kompensation derartiger Turbuleπzeffekte bei der Richtungsbestimmung zu entwickeln, so dass auch kurzzeitig variable Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Rich- tungsbestimmuπg eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt ausgehenden Wellenstrahlung berücksichtigt werden können.This basic knowledge leads to the object of the present invention, which consists in developing a method and a device for detecting and compensating for such turbulence effects when determining the direction, so that even variable inhomogeneities for a short time in the refractive index of a dispersive medium when determining the direction of a target point by evaluating the propagation behavior of a wave radiation emanating from the target point.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen 1 und 5 definierten Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention by the features defined in claims 1 and 5.
Die erfindungsgemässen Massnahmen bieten wesentliche Vor¬ teile in mehrfacher Hinsicht: Auch bei starken Turbulenzen im Medium längs der Messstrecke zwischen dem Messpunkt und dem Zielpunkt lassen sich in kürzester Zeit, z.B. innerhalb von Sekunden, sehr präzise korrigierte Winkelmessungen durchführen. Dabei werden die Effekte von Turbulenzen kurzzeitig und ausserdem gleichzeitig mit der eigentlichen Messung erfasst und zu einem korrigierten Messwert verarbei¬ tet. Die reproduzierbare Genauigkeit der Messwerte liegt bei Wahl der Messzeit von einigen Sekunden bei einigen hundert Nanoradian .The measures according to the invention offer significant advantages in several respects: Even in the event of strong turbulence in the medium along the measuring path between the measuring point and the target point, e.g. perform very precise corrected angle measurements within seconds. The effects of turbulence are recorded briefly and also simultaneously with the actual measurement and processed to a corrected measured value. The reproducible accuracy of the measured values is a few hundred nanoradians when the measuring time of a few seconds is selected.
Entgegen bisheriger Annahmen aus bekannten Verfahren zur Refraktionskompensation ist es für die optimale Kompensation von Turbulenzeinflüssen entscheidend, die Apertur der Em¬ pfängeroptik möglichst klein zu wählen. Dies bedeutet, dass eine entsprechende zusätzliche Einrichtung in einem konven¬ tionellen Theodoliten Platz findet, wodurch dessen Messge¬ nauigkeit insbesondere bei starken Temperaturunterschieden und bei Auftreten einer gewissen Luftströmung, erheblich verbessert werden kann. Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.Contrary to previous assumptions from known methods for refraction compensation, it is crucial for the optimal compensation of turbulence influences to choose the aperture of the receiver optics as small as possible. This means that there is space for a corresponding additional device in a conventional theodolite, as a result of which its measuring accuracy can be considerably improved, in particular when there are large temperature differences and when a certain air flow occurs. The invention is explained in more detail below on the basis of preferred exemplary embodiments with the aid of the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 die schematische Darstellung des Messprinzips,1 shows the schematic representation of the measuring principle,
Fig. 2 den Einfluss der Dispersion bei der Messung,2 shows the influence of the dispersion during the measurement,
Fig. 3 die Varianz der nach dem erfindungsgemässen Ver¬ fahren korrigierten Winkeldifferenz (Kurve A) im Vergleich zum konventionell gewonnenen Ergebnis (Kurve B),3 shows the variance of the angle difference (curve A) corrected by the method according to the invention in comparison with the conventionally obtained result (curve B),
Fig. 4 das Beispiel eines Senders mit einer Laserdiode zur Erzeugung von zwei Sendefrequenzen, undFig. 4 shows the example of a transmitter with a laser diode for generating two transmission frequencies, and
Fig. 5 eine Empfängerschaltung zur erfindungsgemässenFig. 5 shows a receiver circuit for the invention
Auswertung optischer Signale unter Verwendung des Multiplex-Verfahrens.Evaluation of optical signals using the multiplex method.
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert. Zwischen einem Sender 1 und einem Empfänger 2 besteht eine direkte geometrische Verbindung D. Lichtstrahlen, die vom Sender 1 ausgehen, werden als Folge von Brechwertänderungen auf ihrem Weg längs der Übertra¬ gungsstrecke abgelenkt, so dass sie im Empfänger unter einem Winkel ß gegenüber der Geraden D eintreffen. Ohne Vornahme einer Korrektur würde der Sender 1 als virtueller Sender lr auf der Verbindung D' erscheinen, was insbesondere bei Win¬ kelmessungen und darauf beruhenden Messverfahren zu Fehl¬ messungen führen kann.The principle of the present invention is first explained with reference to FIG. 1. There is a direct geometric connection D between a transmitter 1 and a receiver 2. Light rays emanating from the transmitter 1 are deflected along the transmission path as a result of changes in refractive index, so that they are in the receiver at an angle β with respect to the straight line D arrive. Without a correction, the transmitter 1 would be a virtual transmitter l r appear on the connection D ', which can lead to incorrect measurements, in particular in the case of angle measurements and measurement methods based thereon.
Zur Langzeit-Kompensation des durch die Refraktion hervor¬ gerufenen Winkelfehlers ß wird der Dispersionseffekt heran¬ gezogen, durch welchen zwei unterschiedliche Frequenzen B und R längs der Übertragungsstrecke verschieden stark abge¬ lenkt werden. Der durch die Dispersion verursachte Unter¬ schied im Einfallswinkel beträgt delta ß. Es hat sich nun gezeigt, dass die Winkeldifferenz delta ß aufgrund der Dis¬ persion in erster Näherung direkt proportional ist zu dem von den Brechwertänderungen stammenden Winkelfehler ß. Diese Grundtatsacheπ haben in gewissen Grenzen für alle brechenden Medien Gültigkeit, also für Luft ebenso wie für Wasser oder andere Fluide, sowie auch für Festkörper, bezüglich der Aus¬ breitung beliebiger Wellen.For long-term compensation of the angular error β caused by the refraction, the dispersion effect is used, by means of which two different frequencies B and R are deflected to different extents along the transmission path. The difference in the angle of incidence caused by the dispersion is delta β. It has now been shown that, due to the dispersion, the angle difference delta β is, in a first approximation, directly proportional to the angle error β originating from the changes in the refractive index. These basic facts are valid within certain limits for all refractive media, ie for air as well as for water or other fluids, as well as for solids, with regard to the propagation of any waves.
Bisherige Verfahren zur Kompensation des Refraktionswinkels ß sind von Langzeitbeobachtungen der Winkelabweichungen aus¬ gegangen. Turbulenzeinfiüsse durch zeitlich veränderliche Ungleichvεrteilungen in der Dichte und damit im Brechungs¬ index des von der Wellenstrahlung durchsetzten Mediums wurden dabei nicht berücksichtigt.Previous methods for compensating the refraction angle β have been based on long-term observations of the angle deviations. Turbulence influences due to time-varying unequal distributions in the density and thus in the refractive index of the medium penetrated by the wave radiation were not taken into account.
Fig. 2 zeigt nun die Momentaufnahme für den Krümmungsverlauf von Strahlungsachsen unterschiedlicher Frequenz unter Be¬ rücksichtigung der Turbulenzen. Dabei ist zu berücksichti¬ gen, dass sich die Turbulenzen durch Strömungseinflüsse oder unterschiedliche Wärmeeiπstrahlung längs der Übertragungs- strecke zeitabhängig verändern können. Dementsprechend würde sich auch der Verlauf der Achsen von B und R in Fig. 2 und damit der Einfallswinkel am Empfänger verändern.2 now shows the snapshot for the curvature of radiation axes of different frequencies, taking into account the turbulence. It must be taken into account here that the turbulence due to flow influences or different heat radiation along the transmission can change route depending on time. Accordingly, the course of the axes of B and R in FIG. 2 and thus the angle of incidence at the receiver would also change.
Das im folgenden näher beschriebene Verfahren trägt dieser Erkenntnis dadurch Rechnung, dass die von der Dispersion verursachten Winkelabweichungen delta ß in sehr kurzen Zeit¬ intervallen als eine Serie von Einzelmessungen ausgemessen und über einen Zeitraum von Sekunden oder Minuten ausgemit- telt werden. Aus dem erhaltenen Mittelwert wird dann die erforderliche Korrektur für den eigentlichen Messwert gewon¬ nen. Die erwähnten Zeitintervalle für die Ermittlung der Korrekturwerte sind auf die tatsächlichen Veränderungen im Refraktionsverhalten des Übertragungsmediums abgestimmt.The method described in more detail below takes this knowledge into account in that the angle deviations delta β caused by the dispersion are measured in very short time intervals as a series of individual measurements and are averaged over a period of seconds or minutes. The required correction for the actual measured value is then obtained from the mean value obtained. The time intervals mentioned for determining the correction values are matched to the actual changes in the refraction behavior of the transmission medium.
Werden praktisch zur gleichen Zeit die eigentlichen Winkel¬ messungen und die Korrekturmessungen durchgeführt, werden damit diejenigen Ungenauigkeiten im Messergebnis beseitigt, welche auf den "Verschmierungseffekt" durch die frühere Langzeitintegration bzw. das Ausmitteln bei der Fehlerkom¬ pensation zurückzuführen sind. Die Messgenauigkeit kann dadurch ohne weiteres um eine Grössenordnung verbessert werden. Wie später noch plausibel gemacht wird, nimmt der Restfehler wesentlich schneller mit der Messzeit ab als dies bei der herkömmlichen Kompensationsmethode der Fall ist.If the actual angle measurements and the correction measurements are carried out practically at the same time, those inaccuracies in the measurement result which are attributable to the "smearing effect" due to the earlier long-term integration or averaging in error compensation are eliminated. The measurement accuracy can be easily improved by an order of magnitude. As will be made plausible later, the residual error decreases significantly faster with the measurement time than is the case with the conventional compensation method.
Im folgenden wird kurz auf den theoretischen Hintergrund der Erfindung eingegangen, soweit er zum Verständnis der Zusam¬ menhänge beiträgt. Betrachtet man eine für Z=0 ebene Welle, die sich in der Z- Richtung ausbreitet, so wird diese Welle durch Inhomogeni¬ täten in der Atmosphäre verzerrt. Es ist bekannt, dass diese verzerrte Welle in der Ebene z=R>0 näherungsweise gegeben ist durchThe theoretical background of the invention is briefly discussed below, insofar as it contributes to an understanding of the relationships. If one considers a wave that is flat for Z = 0 and propagates in the Z direction, this wave is distorted by inhomogeneities in the atmosphere. It is known that this distorted wave is approximately given in the plane z = R> 0 by
exp [ ik 0int dz n(x,y,z)] (Rytov'sche Näherung),exp [ik 0 int dz n (x, y, z)] (Rytov approximation),
worin k die Wellenzahl des verwendeten Lichts und n(x,y,z) der Brechungsindex des durchsetzten Mediums (z.B. Luft) ist,where k is the wavenumber of the light used and n (x, y, z) is the refractive index of the medium (e.g. air)
Das Integral 0intH dz n(x,y,z) lässt sich, ohne Näherung; partiell in eine Taylorreihe entwickeln:The integral 0 int H dz n (x, y, z) can be done without approximation; partially develop into a Taylor series:
int dz n(x,y,z) = c + ax + by + ^(x,y),int dz n (x, y, z) = c + ax + by + ^ (x, y),
worin j2f(x,y) der Restterm ist. Nimmt man an, dass k^(x,y) klein gegen 1 ist, dann giltwhere j2f (x, y) is the residual term. Assuming that k ^ (x, y) is small against 1, then it holds
expfik0intR dz n(x,y,z)J = exp|]ik(c-ι-ax+by)_ l+iko(x, y)expfik 0 int R dz n (x, y, z) J = exp |] ik (c-ι-ax + by) _ l + iko (x, y)
Der Term exp[ik(c+ax+by)] stellt eine sich in der Richtung (a,b,l) ausbreitende ebene Welle dar. Die Winkel a und b sind nur über den Brechungsindex n von der Wellenlänge des Lichts abhängig, wie dies für die Turbulenzkompensation erforderlich ist.The term exp [ik (c + ax + by)] represents a plane wave propagating in the direction (a, b, l). The angles a and b are only dependent on the wavelength of the light via the refractive index n, such as this is necessary for the turbulence compensation.
Für das gute Funktionieren der Methode ist es wichtig, dass der Störterm k^.(x,y) so klein wie möglich ist. Je kleiner der betrachtete Ausschnitt aus der Wellenfront ist, um so kleiner wird also der Störter . Dies hat die beachtenswerte Konsequenz, dass die Apertur des Empfängers möglichst klein zu sein hat, was durchaus im Gegensatz zu der bisherigen Auffassung der einschlägigen Fachwelt steht. Bisher wurde davon ausgegangen, dass im Hinblick auf eine möglichst gute Mittelung der Turbulenzeinflüsse eine grosse Apertur zu ver¬ wenden ist. Das obige Ergebnis zeigt, dass diese traditio¬ nelle Auffasssung zu relativieren ist, sobald es um die Reduktion der Turbuleπzeinflüsse auf die Messgenauigkeit geht.For the method to work well, it is important that the interference term k ^. (X, y) is as small as possible. The smaller the section of the wavefront under consideration, the more the disturbance becomes smaller. This has the remarkable consequence that the aperture of the receiver has to be as small as possible, which is quite contrary to the previous view of the relevant experts. So far it has been assumed that a large aperture should be used with a view to averaging the turbulence influences as well as possible. The above result shows that this traditional view has to be put into perspective as soon as the turbulence influences on the measurement accuracy are reduced.
Je grösser die Turbulenzstrukturen sind, oder je kleiner die räumliche Frequenz der Variationen in n(x,y,z) ist, um so kleiner ist der Störterm k^f(x,y) im Verhältnis zu den Win¬ keln a und b. Diese grossen Turbulenzstrukturen verursachen also kleinere Fehler als die kleineren Strukturen. Grosse Strukturen verursachen gleichzeitig diejenigen Fehler, die sich am langsamsten ändern und deshalb mit den herkömmlichen Methoden am schlechtesten auszumitteln sind. Da die neue Methode gerade diese Fehler gut kompensiert, nimmt der Feh¬ ler bei der vorliegenden Methode viel schneller mit der Messzeit ab als bei konventionellen Methoden.The larger the turbulence structures, or the smaller the spatial frequency of the variations in n (x, y, z), the smaller the interference term k ^ f (x, y) in relation to the angles a and b. These large turbulence structures therefore cause smaller errors than the smaller structures. At the same time, large structures cause the errors that change the slowest and are therefore the worst to be averaged using conventional methods. Since the new method compensates precisely for these errors, the error in the present method decreases with the measuring time much more quickly than in conventional methods.
Fig. 3 zeigt die typische Gesetzmässigkeit im Verlauf der Fehlervarianz in Abhängigkeit von der Messzeit, und zwar Kurve A gemäss der Erfindung und Kurve B nach dem Stand der Technik.3 shows the typical regularity in the course of the error variance as a function of the measurement time, specifically curve A according to the invention and curve B according to the prior art.
Um die Anforderungen an die Stabilität des Empfängers auf einem Mini ium zu halten, ist es zweckmässig, nur einen gemeinsamen Übertragungskanal für die unterschiedlichen Frequenzen zu verwenden. Die Identifizierung der Frequenzen kann dann z.B. durch unterschiedliche Intensitätsmodulation für die verwendeten diskreten Frequenzen, erfolgen.In order to keep the requirements for the stability of the receiver on a mini ium, it is advisable to use only one common transmission channel for the different ones Frequencies to use. The frequencies can then be identified, for example, by different intensity modulation for the discrete frequencies used.
Fig. 4 zeigt das Prinzip der Gewinnung von zwei Sendefre¬ quenzen aus einer einzigen Laserdiode durch Frequenzverdop¬ pelung. Der von einer Laserdiode 1 ausgehende Strahl, der z.B. im roten Bereich liegt, vorzugsweise bei ca. 430 nm, wird in einem teildurchlässigen Spiegel 7A aufgespalten. Der abgelenkte Strahl durchläuft nach Umlenkung an einemm Spie¬ gel 7B im Beispiel einen nichtlinearen Kristall 8, z.B. ein Kaliu niobat- oder Lithiu niobatkristall . In diesem nicht- linearen Kristall wird die Frequenz der Lichtwelle verdop¬ pelt, im Beispiel also auf 860 nm. Diese Frequenz liegt im Blau-Bereich und ist in Fig. 4 mit B bezeichnet, im Gegen¬ satz zur ursprünglichen Frequenz, die im Rot-Bereich liegt und mit R bezeichnet ist. Zur Intensitätsanpassung der beiden Sendestrahlen ist ein Intensitätsfilter 9 in min¬ destens einem der Strahlengänge vorgesehen.FIG. 4 shows the principle of obtaining two transmission frequencies from a single laser diode by frequency doubling. The beam emanating from a laser diode 1, e.g. is in the red range, preferably around 430 nm, is split in a partially transparent mirror 7A. The deflected beam passes through a non-linear crystal 8, e.g. a potassium niobate or lithium niobate crystal. In this nonlinear crystal, the frequency of the light wave is doubled, in the example to 860 nm. This frequency lies in the blue range and is designated B in FIG. 4, in contrast to the original frequency, which is in red -Range and is designated with R. To adjust the intensity of the two transmission beams, an intensity filter 9 is provided in at least one of the beam paths.
Zur besseren Identifizierung der beiden Sendestrahlen für die Auswertung im Empfänger ist eine rotierende Chopper- Scheibe 10 vorgesehen, welche für beide Frequenzen eine unterschiedliche Intensitätsmodulation vornimmt. Dies wird durch unterschiedlich breite Schlitze Sl bzw. S2 auf dem Umfang der Chopper-Scheibe 10 erreicht.For better identification of the two transmission beams for evaluation in the receiver, a rotating chopper disk 10 is provided, which carries out a different intensity modulation for both frequencies. This is achieved by slits S1 and S2 of different widths on the circumference of the chopper disk 10.
Fig. 5 zeigt eines von vielen möglichen Ausführungsbei- spielen für eine Empfängerschaltung zum Erfassen der be¬ schriebenen Winkelabweichungen. Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, werden die vom Sender 1 ausgehenden Licht¬ strahlen R und B unterschiedlicher Frequenz von einer Empfängeroptik 5 gemeinsam aufgefangen und auf die Ober¬ fläche eines positionsempfindlichen Detektors 6 geleitet. Im Beispiel handelt es sich bei den unterschiedlichen Frequen¬ zen, wie oben erwähnt, um rote und blaue Lichtstrahlen, die von mindestens einer Laserdiode im Sender ausgehen. Beim Detektor handelt es sich z.B. um eine Dual-Photodiode, welche zwei benachbarte lichtempfindliche Bereiche E und F aufweist.5 shows one of many possible exemplary embodiments for a receiver circuit for detecting the described angular deviations. As in Fig. 2 schematically is indicated, the light rays R and B emanating from the transmitter 1 of different frequencies are collected jointly by a receiver optics 5 and directed onto the surface of a position-sensitive detector 6. In the example, the different frequencies, as mentioned above, are red and blue light beams which emanate from at least one laser diode in the transmitter. The detector is, for example, a dual photodiode, which has two adjacent light-sensitive areas E and F.
Entsprechend weist eine empfängerseitige Auswerteschaltung Eingänge E und F für die Ausgangssignale der Photodioden¬ bereiche sowie einen Referenzeingang Ref auf. Die Eingangs¬ signale E und F werden je einer Sample- und Hold-Schaltung 11 bzw. 12 zugeführt. Gesteuert von einer Logik- und Zeit¬ steuereinheit 13 werden die Ausgänge dieser beiden Schal¬ tungen von einer Multiplex-Schaltung 14 abgetastet, in einem Verstärker 15 verstärkt und über einen Analog/Digitalwandler 16 Registern 17 zugeführt, wo die Signale zur Weiterverar¬ beitung in einem Rechner 18 zwischengespeichert werden.Correspondingly, an evaluation circuit on the receiver side has inputs E and F for the output signals of the photodiode regions and a reference input Ref. The input signals E and F are each fed to a sample and hold circuit 11 or 12. Controlled by a logic and time control unit 13, the outputs of these two circuits are sampled by a multiplex circuit 14, amplified in an amplifier 15 and fed to registers 17 via an analog / digital converter 16, where the signals for further processing in can be temporarily stored in a computer 18.
Aus den an den Eingängen E und F anfallenden Positionssigna- len werden Winkeldifferenzen delta ß gewonnen. Im Rechner werden diese Werte entsprechend einem vorgegebenen Programm zu anderen Messwerten im Sinne einer Korrektur in Beziehung gebracht, so dass am Rechπerausgang korrigierte Messwerte direkt ausgegeben werden können, oder diese Werte zur späteren Verarbeitung gespeichert werden. In einem praktisch ausgeführten Beispiel wurden zwei Licht¬ frequenzen von ca. 430 nm und ca. 860 nm durch eine Luft¬ atmosphäre von ca. 24 Grad Celsius übertragen. Die Apertur der Empfängeroptik betrug in einem Fall 36 mm und im zweiten Fall 46 mm. Zur Demonstration der mit der Messzeit stark abnehmenden Fehlervarianz wurden die Einzelmesswerte jeweils nach 1 see und nach 10 see gemittelt. Die Ergebnisse stellen sich wie folgt dar:Angular differences delta ß are obtained from the position signals at the inputs E and F. In the computer, these values are related to other measured values in the sense of a correction in accordance with a predetermined program, so that corrected measured values can be output directly at the computer output, or these values are stored for later processing. In a practical example, two light frequencies of approximately 430 nm and approximately 860 nm were transmitted through an air atmosphere of approximately 24 degrees Celsius. The aperture of the receiver optics was 36 mm in one case and 46 mm in the second case. To demonstrate the error variance, which decreases sharply with the measurement time, the individual measured values were averaged after 1 see and after 10 see. The results are as follows:
1. Apertur = 36 mm: leicht bewölkt; Wind von 2,5 m/s unkorrigiert korrigiert T - 1 see 1,58 x 10"11 rad2 1,74 x lO-11 rad2 T = 10 see 8,68 x 10"12 rad¬ 2,77 x 10-12 rad2 1st aperture = 36 mm: slightly cloudy; Wind of 2.5 m / s uncorrected corrected T - 1 lake 1.58 x 10 "11 wheel 2 1.74 x 10 -11 wheel 2 T = 10 lake 8.68 x 10 " 12 wheel ¬ 2.77 x 10 -12 bike 2
sonnig; Wind von 2,0 m/s unkorrigiert korrigiert T = 1 see 4,69 x 10~12 rad2 5,34 x 10"12 rad2 T = 10 see 2,70 x 10~12 rad2 5,59 x 10"13 rad2 sunny; Wind of 2.0 m / s uncorrected corrected T = 1 see 4.69 x 10 ~ 12 rad 2 5.34 x 10 "12 rad 2 T = 10 see 2.70 x 10 ~ 12 rad 2 5.59 x 10 "13 bike 2
2. Apertur - 46 mm: sonnig; Wind von 2,0 m/s unkorrigiert korrigiert T = 1 see 1,63 x 10"11 rad2 1,40 x 10"11 rad2 2nd aperture - 46 mm: sunny; Wind of 2.0 m / s uncorrected corrected T = 1 see 1.63 x 10 "11 rad 2 1.40 x 10 " 11 rad 2
T = 10 see 7,52 x 10-12 rad2 1,95 x 10~12 rad2 T = 10 see 7.52 x 10 -12 rad 2 1.95 x 10 ~ 12 rad 2

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS
1. Verfahren zur Kompensation von Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Rich¬ tungsbestimmung eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer zwischen dem Zielpunkt und einer Messstation zur Aussendung gebrachten Wellenstrahlung; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei ausgewählte Frequenzen zur Aussendung gebracht werden und dass ihre Einfallswinkel an der Messstation praktisch gleichzeitig gemessen werden, dass die Differenz der beiden gemessenen Winkelwerte gebildet wird und dass aus dieser Differenz die Winkelabweichung zwischen der scheinbaren und der tatsäch¬ lichen Richtung des Zielpunktes nach einem bestimmten Algo¬ rithmus errechnet wird, wobei die Winkelabweichung als Kurrekturwert mit den gemessenen Einfallswinkeln zur Berechnung des wahren Richtungswertes verknüpft wird.1. Method for compensating for inhomogeneities in the refractive index of a dispersive medium when determining the direction of a target point by evaluating the propagation behavior of a wave radiation emitted between the target point and a measuring station; characterized in that at least two selected frequencies are emitted and that their angles of incidence are measured practically simultaneously at the measuring station, that the difference between the two measured angle values is formed and that from this difference the angle deviation between the apparent and the actual direction of the Target point is calculated according to a specific algorithm, the angular deviation being linked as a correction value with the measured angles of incidence for calculating the true directional value.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Serie von Einzelmessungen vorgenommen wird, deren Resultate über einen Zeitraum im Sekundenbereich eum end¬ gültigen Messresultat gemittelt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that a series of individual measurements is carried out, the results of which are averaged over a period of seconds in the final measurement result.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesendeten Messwellen unterschiedlicher Frequenz mit unterschiedlicher Intensität moduliert werden und dass diese Modulationsunterschiede zur Identifikation der verschiedenen Frequenzen im Empfänger ausgewertet werden.3. The method according to claim 1, characterized in that the transmitted measuring waves of different frequencies are modulated with different intensities and that these modulation differences are evaluated to identify the different frequencies in the receiver.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vom Zielpunkt ein Messimpuls zur Aussendung gebracht wird und dass an der Messstation mindestens zwei diskrete Fre¬ quenzen als Messfrequenzen zur weiteren Verarbeitung aus¬ gefiltert werden.4. The method according to claim 1, characterized in that a measurement pulse is sent from the target point and that at the measuring station at least two discrete frequencies are filtered out as measurement frequencies for further processing.
5. Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Messstation und einem Zielpunkt, wobei am Zielpunkt Mittel zum Aussenden von Lichtstrahlen mit min¬ destens zwei unterschiedlichen Frequenzen an die Messstation vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mess¬ station ein gemeinsamer Empfangskanal für die Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenzen vorgesehen ist.5. Measuring device for performing the method according to claim 1, with a measuring station and a target point, means for emitting light beams with at least two different frequencies to the measuring station being provided at the target point, characterized in that in the measuring station a common one Receiving channel for the light beams of different frequencies is provided.
6. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, das mindestens optische Elemente (5) innerhalb des Empfangskanals, welche die Dispersion der vom Zielpunkt empfangenen Strahlen beeinflussen, den unterschiedlichen Frequenzen gemeinsam sind. 6. Measuring device according to claim 5, characterized in that the at least optical elements (5) within the receiving channel, which influence the dispersion of the beams received from the target point, are common to the different frequencies.
7. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Detektieren der Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz eine positionsempfindliche optoelektrische Wandler¬ einrichtung (6) vorgesehen ist, deren Ausgänge an eine Multiplex-Signalverarbeitungseinrichtung zur getrennten Verarbeitung von Lichtsignalen unterschiedlicher Frequenz angeschlossen sind.7. Measuring device according to claim 5, characterized in that a position-sensitive optoelectric converter device (6) is provided for detecting the light beams of different frequency, the outputs of which are connected to a multiplex signal processing device for separate processing of light signals of different frequency.
8. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Empfangskanal ein Objektiv (5) mit minimaler Apertur vorgesehen ist.8. Measuring device according to claim 5, characterized in that a lens (5) with a minimal aperture is provided in the receiving channel.
9. Messeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Aussenden von Lichtstrahlen im Zielpunkt aus einer Laserdiode (1) einer ersten Frequenz bestehen und dass über einen Strahlteiler (7A) ein Teil des Laserstrahls in einen zweiten Stahlengang ausgeblendet wird, in welchem ein Frequenzvervielfacher (8) angeordnet ist, zur Erzeugung einer zweiten Frequenz.9. Measuring device according to claim 5, characterized in that the means for emitting light beams at the target point consist of a laser diode (1) of a first frequency and that part of the laser beam is masked into a second beam path via a beam splitter (7A), in which a frequency multiplier (8) is arranged to generate a second frequency.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Strahlen (B,R) Mittel (10) zur unterschiedlichen Intensitätsmodulation durchlaufen. 10. Measuring device according to claim 9, characterized in that both beams (B, R) pass through means (10) for different intensity modulation.
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