Elektrooptische Einrichtung in einer Distanzmessanlage
Die vorliegend, e Erfindung betrifft eine elektrooptische Einrichtung in einer nach dem Rückstrahlprinzip arbeitenden Distanzmessanlage.
Eine solche Einrichtung ist gemä# der Erfindung ge- kennzeichnet durch einen Hohlraumresontor, einen Oszillator zur Erzeugung einer elektromagnetischen Mo dulationsschwingung im Resonator und zwei den direkten, linearen, elektrooptischen Pockels-Effekt bewir- kende Kristalle, welche im Hohlraumresonator oder in separaten, durch die Modulationsschwingung synchron erregten Resonatoren angeordnet sind, wobei durch diese Kristalle und parallel zu deren z-Achsen das abgehende bzw.
das zurückkehrende Strahlenbündel hindurchläuft, wobei die x-oder die y-Achse jedes Kristalls parallel zur Polarisationsebene des betreffenden durchgehenden Strahlenbündels ist, und ferner gekennzeichnet durch Mittel zur Veränderung der Modulationswellenlänge und/oder des vom Strahlenbündel zwischen seinen Durchgängen durch die beiden Kristalle zurückgelegten Gesamtweges vorbanden sind, um die Messung dieses Weges in durch die Modulationswellenlänge gegebenen Einheiten zu ermöglichen.
Vorzugsweise stehen die x-Achsen der beiden Kristalle senkrecht zueinander, und die z-Achse jedes Kristalls ist vorzugsweise parallel zu der am Kristall herr schenden elektrischen n Feldstärke ausgerichtet.
Es können mit Vorteil zwei weitere Kristalle vorgesehen sein, welche praktisch gleich ausgeführt sind wie die beiden erstgenannten Kristalle und welche, mit ihren z-Achsen auf die z-Achsen der beiden erstgenannten Kri stalle ausgerichtet, in Bereichen angeordnet sind, wo die elektrische Feldstärke im Resonator oder einem zugeord- neten Resonator in Richtung der betreffenden z-Achsen und entgegengesetzt zur Feldstärke an den beiden erstgenannten Kristallen gerichtet ist, wobei sowohl das abgehende als auch das zurückkehrende Strahlenbündel der Reihe nach durch einen der erstgenannten und einen der weiteren Kristalle hindurchläuft, und wobei die x Achse jedes der weiteren Kristalle zur x-Achse des benachbarten der erstgenannten Kristalle senkrecht steht.
Bei einer bevorzugten Ausführung der genannten Einrichtung weist der Modulationsresonator einen Innenleiter und einen Aussenleiter auf, welche Leiter im wesentlichen zylindrisch und zueinander koaxial angeordnet sind, wobei die genannten Kristalle mit ihren z Achsen im wesentlichen in radialer Richtung quer durch den Ringraum zwischen den beiden Leitern angeordnet sind.
Jeder der genannten weiteren Kristalle ist vorzugsweise auf der in bezug auf den Innenleiter diametral gegenüberliegenden Seite zum zugeordneten erstgenannten Kristall angeordnet. Es können dabei die Kristalle in einem gemeinsamen Hohlraumresonator montiert sein, dessen Innen- und Aussenleiter zwei Paare von aufeinander ausgerichteten Öffnungen aufweisen, durch welche das abgehende und das rückkehrende Strahlenbündel in praktisch diametral entgegengesetzten Rich tungen hindurchtreten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Aus- führungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch Teile einer Distanzmesseinrichtung mit der elektrooptischen Einrichtung gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Schmit2 durch einen Teil der Einrichtung nach Fig. 1.
Fig. la und 2a zeigen eine Variante von Einzelteilen der Anordnung nach Fig. l und 2, wobei die Fig. la einen Schnitt entlang der Linie bu-bus in Fig. 2a darstellt, und
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines Datenauswertungs- blattes zur Verwendung bei der Distanzmesseinricbtung.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 geht ein Lichtstrahl bi von einer durch eine Blitzlampe gebild, eten Lichtquelle F aus und durchläuft eine kurzbrennweitige Sammellinse L1 (Brennweite etwa 38 mm) und hierauf einen Linear Polarisator Pl. Das linear polarisierte Licht, welches aus dem Polarisator Pi austritt, wird durch en'erses Paar von aufeinander ausgerichteten Offnungen Hl in einem Hohlraummodulator M gerichtet. Der Hohlraummodula tor M dient dazu, in weiter unten beschriebener Weise einen in seiner Polarisierung moduliertenn, abgehenden Lichtstrahl b2 zu erzeugen.
Der in der Polarisierung modulierte Strahl bg wird durch einen Spiegel Rs gegen eine kurzbrennweitige Linse L 2 (Brennweite 25, 4 mm) und ein Objektiv L3 (Brennweite 2Q3 mm, Durchmesser 63, 5 mm) abgelenkt.
Das Objektiv Lg richtet den abgehenden Strahl Bg von etwa 1, 5 Millirad Öffnung über eine Messstrecke, deren Länge zu bsstimmen ist. Ein (nicht dargestellter) Reflektor, z. B. in Form eines Katzenauges oder einer Würfel- ecke, befindet sich am entfernten Ende der Me#strecke und dient zur Rückstrahlung des modulierten Lichtstrahls, welcher als reflektierter Strahl b3 wieder am Objektiv L3 eintrifft. Der reflektierte Strahl b3 wird mittels geneigter Reflektoren Ra und Rg in einen einstellbaren Lichtwegvariator VP gelenkt.
Der einstellbare Lichtwegvariator VP kann von be kannter Ausführung sein und enthält im vorliegenden Beispiel zwei Spiegel R4, R5, die zueinander senkrecht stehen und beide gegenüber dem einfallenden, reflektier- ten Strahl bg um 45 geneigt sind. Der Variator VP ist mittels einer nicht dargestellten Einstellschraube in Richtung des Strahl, b ; ; geradlinig verschiebbar. Mit dem Variator VP ist ein in Längeneinheiten geeichtes Stahlband T verbunden, dem ein Ablese-Nonius VR gegen- übersteht. Bei Verschiebung des Variators VP wird das Stahlband T von einer drehbaren Trommel D abge- wickelt oder auf diese aufgewickelt.
Die Trommel D trägt ein Zahnrad Gi, welches mit einem Kegelrad G. (strichpunktiert eingezeichnet) in Eingriff steht. Das Kegelrad G2 sitzt auf einer Dreh- achse Sl, welche einen ersten Zeiger Bo lose, aber reibungsschlüssig verstellbar trägt. Der Zeiger B1 dreht gegenüber einer feststehenden Kreisskala B. Die Achse S trägt ferner ein Zahnrad G3, welches mit einem vierten Zahnrad G4 in Eingriff steht. Dieses sitzt auf einer Achse S, welche einen zweiten Zeiger Ai ebenfalls reibungsschlüssig trägt. Der Zeiger Ai dreht gegenüber einer zweiten festsbehenden Skala A. Die Anzeige und Funktion dieser Anordnung mit den Skalen A und B wird weiter unten beschrieben.
Nach Durchlauf des einstellbaren Lichtwegvariators VP wird der reflektierte Strahl b3 durch einen Spiegel R, : auf ein Empfangsobjektiv L4 (Brennweite 203 mm, Durchmesser 38 mm) und eine kurzbrennweitige Linse LJ (Brennweite 25, 4 mm) und anschliessend durch ein zweites Paar von aufeinander ausgerichteten Öffnungen H3 2 im Hohlraummodulator M hindurch gerichtet. Nach dem Durchlauf passiert der austrebende Strahl b4 einen Analysator p1 und gelangt dann über einen Spiegel R ? in einen Photomultiplier PM ; der Analysator P2 ist bezüglich seiner Polarisationsebene gegenüber derjenigen des Polarisators Pi gekreuzt angeordnet.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, enthält der Modulator M einen Hohlraumresonator mit 1/4-Koaxialleitung, deren im wesentlichen zylindrischer Aussenleiter mit O und deren Innenleiter mit I bezeichnet ist. Die Anofd- nung M bildet den Resonator eines Triodenmodulations- oszillators, der schematisch dargestellt und mit V bezeichnet ist. Der Resonator M kann während Intervallen von 40 s durch Verwendung einer Scheibentroide zu starken Schwingungen angeregt werden.
Ein begrenzter Einstell-oder Abgleichbereich der Modulationswellenlänge des Resonators M wird durch einen Ab stimmkörper TM aus Isoliermaterial erreicht, welcher Körper im Ringraum zwischen Innen-und Aussenleiter axial verschiebbar angeordnet ist.
Die beiden Paare von Öffnungen H1 und He sind im Bereich des einen Endes des Innenleiters I in einer gemeinsamen Querschnittebene des Resonators M im Innenleiter I wie auch im Au#enleiter O angebracht (Fig. 1). Die gemeinsamen Achsen der betreff enden Paare von Öffnungen verlaufen zueinander parallel und annähernd diametral zum zylindrischen Au#enleiter O.
Eine Polarisationsmodulation des Strahl. s b1 wird mittels Kristallen, beispielsweise aus Kalium-Dihydrogen- Phosphat (KDP) erreicht, welche den direkten, linearen, elektrooptischen Pockels-Effekt aufweisen. Beim darge stellten Beispiel nach Fig. 1 und 2 sind vier im wesent- lichen identische KDP-Kristalle im Modulator M montiert.
Ein erstes Kristallpaar Xi, Xg ist in den Öffnungen Hi ein- gesetzt, wobei die z-Achsen der Kristalle aufeinander und auf die Verbindungsachse der Öffnungen HI, das heisst auf die Richtung des Strahls bi, ausgerichtet sind. Der Kristall Xi ist mit seiner x-Achse parallel zur Polarisationsebene des einfallenden Strahls bi ausgerichtet, während die x-Achse des Kristalls X2 zur x-Achse des Kristalls Xi senkrecht steht.
Aus der Geometrie des Resonators M ergibt sich ferner, dass die Richtung der elektrischen
Feldstärke E an den Stellen der Kristalle X1, X mit deren z-Achsen zusammenfallen, wobei die Feldstärke- Vektoren entlang den Kristallen Xi und X wie ange deutet, in entgegengesetzter Richtung verlaufen.
In ähnlicher Weise sind zwei weitere Kristalle X3 und X in den Öffnungen H2 eingesetzst. Die z-Achsen der Kristalle Xg und X4 sind somit aufeinander wie auch auf die Verbindungsachse der öffnungen H2, das hei#t auf den rückkehrenden Strahl b3 ausgerichtet. Die x
Achse des Kristalls X4 Hegt parallel zu derjenigen, des
Kristalls Xi, während die x-Achse des Kristalls X3 zu derjenigen des Kristalls Xt senkrecht steht.
Die Abmessungen der Kristalle Xi bis Xi sind klein, im Vergleich mit der Modulationswellenlänge des Hohl raummodulators M. In einem spezifischen Beispiel be trägt die Länge der Kristalle je 12, 7 mm und deren
Durchmesser 5 mm, während die Modulationswellen länge etwa 61 cm beträgt.
Die Einwirkung der elektrischen Feldstärke E auf jeden der Kristalle X1 bis X4 ergibt gemä# dem Pockels-
Effekt eine elliptische Polarisation des die Kristalle durchlaufenden Strahls. Dabei ist das Halbachsenverhält- nis linear von der elektrischen Feldstärke abhängig. Der
Strahl b2 nach Durchlauf der Kristalle Xi, X2 ist somit polarisationsmoduliert, wobei die Modulationswellen- länge von der Wellenlänge der Schwingungen des elek- trischen Feldes im Hohlraufmmodulator M abhängt.
Dank der Anordnung von zwei orthogonal versetzten Kristallen Xl, X2 hintereinander in Regionen mit ent- gegengesetzt gerichteter elektrischer Feldstärke gerichteter ergibt sich die doppelte Wirkung, das heisst der Grad der Pola risationsmodulation im austretenden Strahl nach Durch lauf von .zwei Kristallen ist gegenüber der Anwendung von nur einem Kristall verdoppelt.
Nach Durchlauf der zu messenden Weglänge und des
Lichtwegvariators VP passiert der rückkehrende Strahl b3 hintereinander die Kristalle Xa, X3 in den öffnungen
H2, wobei das Halbachsenverhältnis der elliptischen Pola risation des Strahls im allgemeinen'entweder vergrössert oder verkleinert wird, je nach der relativen Modulations- phase des rückkehrenden Strahls b3 in bezug auf die momentane Phasenlage der Modulationsschwingung im
Modulator M.
Deshalb wird bei dem in den Analysator P, eintretenden Strahl b4 im allgemeinen die Polarisa tionsebene gegenüber derjenigen des ursprünglichen StraSs b1 verdreht sein, und die Intensität des durch den Analysator P2 hindurchtretenden Lichtes wird deshalb abhängig sein von der genannten relativen Modulations- phase zwischen dem abgehenden Strahll bS und dem rück kehrenden Strahl b3. Wenn der gesamte Lichtweg mit dem Variator VP verändert wird, durchläuft die relative Modulationsphase nacheinander mehrere vollständige e Zyklen, was am Photomultiplier PM durch entsprechende Schwankungen zwischen n Minimal- und Maximalwerten feststellbar ist.
Ein am Photomultiplier PM angeschlossener Indikator PI ermöglicht deshalb die Anzeige eines bestimmten Wertes der relativen Modulationsphase ; im vorliegenden Fall ist die relative Modulationsphase gleich Null, wenn der Indikator PI einen Minimalwert anzeigt.
Die Modulationswellenlänge kann durch Verschieben des Abstimmkörpers TM verändert werden, vorzugsweise in einem Verschiebungsbereich der Frequenz von 11 %.
Mit Hilfe eine, einzelnen Hohlraumresonators SR, welcher als Bezugsresonator dient, werden nacheinander vorbestimmte Werte der Wellenlänge eingestellt oder gesteuert. Der Bezugsresonator SR (Fig. 2) ist über eine Leitung J und über einen Frequenzvervielfacher FM mit einem Koppelkörper P verbunden, der r am einen Ende im Innern des Modulationsresonators M angeordnet ist.
Durch Anderung des Übersetzungsverhältnisses des Frequenzvervielfachers FM von einem ersten auf einen zweiten Wert, z. B. mittels eines (nicht dargestellten) hand- betätigten Schalters kann der Bezugsresonator SR bei zwei verschiedenen Modulationswellenlängen der vom Modulationsresonator r M aufgenommenen Signale in Resonanz gebracht werden. Die Resonanz des Bezugsresonators SR wird mit einem daran angeschlossenen Resonanzindikator RI festgestellt.
Beim Frequenzvervielfacher FM handelt es sich vorzugsweise um eine Schaltung mit einer Speicherschaltdiode ( Step recovery Diode , snap Diode ), und beim vorliegenden Beispiel ist er so beschaffen, dass er die Modulationsfrequenz der Schwingungen aus dem Resonator M entweder mit dem Faktor 9 oder dem Faktor 10 multipliziert.
Der Bezugshohlraumresonator SR enthält eine Halb wellenleitung, bestehend aus einem zylindrischen Aussenleiter SO aus Kupfer oder metallisiertem Quarz und einem Innenleiter SI aus vergoldetem Quarz. Durch geeignete Bemessung des Aussenleiters und des Innenieiters in bezug aufeinander kann erreicht werden, dass der Temperaturkoeffizient des Bezugsresonators SR im Vakuum Null beträgt.
Der Innenraum des Bezugsresonators SR enthält getrocknete Luft bei praktisch gleicher Temperatur und gleichem Druck wie die Luft entlang der Messstrecke.
Zu diesem Zweck ist der Resonatorhohlraum mit einer ein Trockenmittel DR enthaltenden Kammer verbunden, welche ihrerseits in einen elastischen Balg PE mündet, welcher den Druckausgleich zwischen der Innenseite und der Aussenseite des Bezugsresonators SR gewährleistet.
Die Verwendung eines solchen Hohlraumresonators mit Trockenluft, unter den gleichen Bedingungen wie die Umgebungsluft, bei der Steuerung der Modlulations- wellenlänge ermöglicht, dass die Modulationswellenlänge allein durch die Dimensionen des Resonators bestimmt, jedoch vom Brechungsindexder Luft entlang der Me#- strecke praktisch unabhängig ist.
Die Anwendung eines Frequenzvervielfachers FM mit zwei unterschiedlichen, Übersetzungsverhältnissen or- möglicht die Verwendung eines einzigen Bezugsresona- tors SR zur Steuerung und Aufrechterhaltung von zwei verschiedenen Modulationswellenlängen. Ein weiterer Vorteil der Einschaltung eines Frequenzvervielfachers FM zwischen dem Modulationsresonator M und dem Bezugsresonator SR besteht darin, dass bei einer gegebenen Modulationswellenlänge die geometrischen Abmessungen des Bezugsresonators verglichen mit der Wellenlänge klein sind, was eine Ausführung des Resonators SR mit hohem Gütefaktor erlaubt.
Um die Modulationswelilenlänge weiter variieren und trotzdem durch den einen Bezugsresonator SR über- wachen zu können, sind eine Anzahl von Quarzüber- lagerungsoszillatorea LO (nur einer in Fig. 2 dargestellt) vorgesehen, die über eine Mischstufe MX und einen Umschalter SW an die Leitung J anschaltbar sind. Der Umschalter SW gibt das Ausgangssignal der Mischstufe MX entweder vor oder hinter dem Frequenzvervielfacher FM auf die Leitung J, und auf einer weiteren Schaltstellung des Umschalters SW ist die Mischstufe MX vollständig von der Leitung J getrennt.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist ähnlich derjenigen, wie sie in der Zeitschrift The Journal of Scientific Instruments , Band 43, Seiten 129 bis 133 (März 1966) beschrieben wurde. Die Distanz D zwi- schen dem Modulationsresonator M und dem Reflektor am entfernten Ende der Messstrecke kann in Einheiten der Modulatioaswellenlän. ge A wie folgt ausgedrückt werden :
D = I/2 A (N + 8 + p) (1)
Hierbei bedeuten N die Anzahl der in der Distanz D voll enthaltenen halben Wellenlängen (ganze Zahl), b den Bruchteil von halben Wellenlängen, um den die Distanz D die genannte ganze Zahl von halben Wellenlängen übersteigt, und p einen Phasenfaktor, der durch die Natur des Demodulations-oder Detektionsvorganges im Modulationsresonator M bestimmt ist.
Der Phasenfaktor p ist Null, wenn die Kristalle Xi und X2 wie beim beschriebenen Beispiel angeordnet sind, nämlich mit ihren x-Achsen senkrecht zu den x-Achsen der Kristalle X3 bzw. X4, wobei ferner die x-Achsen der Kristalle Xi und X2 zueinander senkrecht stehen ; mit dieser Anordnung, das heisst mit p gleich Null, vereinfacht sich die obige Formel (1).
Mit zwei verschiedenen Werten A, und A2 der Modula tionswellenlänge und zugeordneten Werten N1, 61 und NgiltD=(N,+)(2)
D = 1/2 A2 (N2 + < )(3)
Aus den Gleichungen (2) und (3) folgt :
EMI3.1
wobei n = N1-N2.
Beim Gebrauch der Einrichtung ist es zweckmässig, den Bruchteil bi bei der ersten Modulationswellenlänge Al durch eine entsprechende Anfangseinstellung des Licht wegvariators VP auf Null zu reduzieren und die be treffende Einstellung am Stahlband T und Nonius V abzulesen. Diese Anfangseinstellung wird notiert und ge hört zu den für die genaue Distanzerittlung benötigten Daten, wie weiter unten beschrieben wird. Setzt man in der Gleichung (4) 61 = 0, so ergibt sich N1 = nR - R#2 (5) wobei mit R das Verhältnis #2/(#2 - #1) bezeichnet ist.
Bei der oben erwähnten, bekannten Einrichtung wurde die Distanz D so bestimmt, dass der Wert #2 auf einem Lichtwegvariator gemessen und die ganze Zahl n durch Auszählen der Anzahl vollständiger Zyklen am Ausgang der Phasendetektormittel (auf das vorliegende Beispiel übertragen : am Photomultiplier PM) ermittelt wurde, während die Modulationswellenlänge von At auf ie geändert wurde.
Bei der Anordnung gemäss der vor- liegenden Erfindung wird die Modulationswellentänge von einem ersten Wert RI nacheinander in eine Anzahl @ weiterer Werte #2, #3... geändert, wobei nach jeder An derung der Wellenlänge ein Abgleich #2, #3... durchgeführt und gemessen wird, um die angezeigte Phasendifferenz auf Null zu bringen.
Wie mit dem nachfolgen- den Beispiel gezeigt werden soll, können die relativen Werte #1, #2, #3... der Well. enlängen so gewählt werden, dass die zugehörigen Abgleichwerte #2, #3... aufein anderfolgende Werte für die Grössenordnung der zu messenden Distanz D ergeben, ohne dass die Zahl n ermittelt werden muss.
Für die Messung ist es natürlich bequem, dass das Verhältnis R eine ganze Zahl ist, und die beiden @ Wellen- längen z1 und 20 werden dementsprechend ausgewählt.
Die Ermittlung der zu messenden Distanz aus der Formel (5) wird erheblich vereinfacht, wenn der Wert der ersten Modulationswellenlänge #1 genau zwei Längeneinheiten beträgt (im folgenden Beispiel wird als Längeneinheit LE 0, 304799 Meter [1 Fuss] angenommen, so da# #1/2 = 1 LE). Die entsprechende Modul ! ationsfre- quenz im Modulationsresonator M beträgt etwa 492 MHz, und unter der Annahme, dass bei der. ersten Modulationswellenlänge i der Frequenzvervielfacher FM mit einem Übersetzungsverhältnis von 9 betrieben wird, muss die genaue Wellenlänge des Bezugsresonators SR 2/9 LE betragen, was einer Resonanzfrequenz des Bezugsresonators von etwa 4428 MHz entspricht.
Die beschriebene Einrichtung ist zur Messung von Distanzen bis etwa 10 000 LE (Grössenordnung 3000 Meter) bestimmt, und der Frequenzvervielfacher M und die Dberlagerungsoszillatoren LO sind so bemess. en, dass die Modulationswellenlänge von einem ersten Wert 2. derart in eine Anzahl aufeinanderfolgender Werte 22 2, #3, #4... geändert werden können, dass das Verhältnis R jeder folgenden Wellenlänge zu der Differenz zwischen der ersten und der genannten folgenden Wellenlänge nacheinander die Werte 10, 100, 1000 annimmt ;
mit anderen Worten ausgedrückt, wird für aufeinander- folgende Modulationswellenlängen der Wert R jeweils um den Faktor 10 vergrössert. In dieser Weise ergibt es sich, dass der jeder Wellenlänge zugeordnete Bruchteil 8, der jeweils durch Abgleich des Lichttwegvariators VP auf eine relative Modulationsphase von Null (ersichtlich an der Minimumanzeige des Indikators PI) bestimmt wird, aufeinanderfolgenden Grö#enordnungen der zu messenden Distanz entspricht.
Hingegen vermag keine dieser aufeinanderfolgenden Abgleichmessungen die ganze Zahl N von Halbwellenlängen, die in der zu messenden Distanz entbalten sind, zu liefern, weil die ganze Zahl n [Gleichung (5)] und damit die ordnungszahl der Interferenz zwischen abgehendem und rück kehrendem Modulationssignal im Modulationsresonator M nicht bekannt ist. Wenn jedoch eine weitere Ein heitsmessung durchgeführt wird, welche absichtlich so eingerichtet ist, da# die Zahl n genau Eins beträgt, ist es nicht mehr nötig, die Interfgerenzordnungszahl N irgendeiner der vorangehenden, aufeinanderfolgenden Abgleichmessungen zu kennen.
Zum Zwecke der Durchführung dieser Einheitsmessung ist der Modulationsresonator M mit einem fein einstellbaren Tauchkörper FT versehen, welcher in radialer Richtung gegenüber dem ringförmigen Raum zwischen Innenleiter und Aussenleiter mit Hilfe einer Steuerscheibe W bewegbar, deren Rand mit dem Tauchkörper FT in Berührung steht. Die Steuerscheibe W ist exzentrisch auf einer Drehachse gelagert und trägt einen Zeiger, welcher einer Skala C gegenübersteht. Durch Veränderung der Lage des Tauchkörpers FE mittels der Steuerscheibe W wird die Modulationswellenlänge um einen geringen Betrag verändert, wodurch auch der Wert des Verhältnisses R variiert.
Bei der Einheitsmessung wird so vorgegangen, dass unter Beobachtung des Indikators PI der Wert von R so weit geändert wird, da# die relative Modulationsphase genau einen vollständigen Zyklus, durchläuft, das heisst die Anzeige des Indikators PI muss ausgehend vom Minimalwert ansteigen und wieder erstmals auf den Minimalwert absinken. Es ist dann bekannt, dass in der Gleichung (5) n gleich 1 und dementsprechend N gleich R beträgt. Sornit ist es möglich, die Skala C bei gegebener Modulationswellenlänge direkt in Distanzeinheiten zu eichen.
Obschon natürlich an der Skala C die Distanz nur in erster Näherung ablesbar ist, nämlich im vor- liegenden Beispiel auf etwa 1000 LE genau, reicht die Anzeigegenauigkeit doch aus, um die Grö#enordnung der Distanz festzustellen, woraus der genaue Wert durch den oben beschriebenen Lichtwegabgteich ermittelt werden muss, jedoch ohne dal3 bei irgendeinem Schritt des Me#- verfahrens die Interferenzordnungszahl N bzw. die ganze Zahl n bekannt sein muss.
Wenn, wie oben angegeben, der Anfangswert der Modulationswellenlänge auf 2 LE und der Anfangswert von R auf 10 festgelegt wird, so ergibt sich eine solche Anordnung der Zahnräder Gs, Gg und G4, dass der Zeiger Bi eine vollständige Umdrehung ausführt, wenn der Lichtweg sich um 1 LE ändert, während eine voll- standige Umdrehung des Zeigers Ai einer Änderung des Lichtweges um 10/9 LE entspricht. Die Skala B wird in zehn gleiche Abschnitte unterteilt, während die Skala A in Abschnitten entspreche, nd 1 LE geeicht ist.
Das Distanzme#verfahren unter Verwendung der beschriebenen Einrichtung wird nachsbehend anhand eines spezifischen Beispiels erläutert, wobei davon ausgegan- gen wird, dass der Bezugsresonator SR eine genaue Wellenlänge von 2/9 LE entsprechend einer Resonanzfrequenz von 4428 MHz aufweist. Zur Erleichterung der Distanzermittlung ist es zu empfehlen, dass die bei den aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten erhaltenen, einzelnen Ablesungen in ein Datenblattt eingetragen werden, wie es beispielsweise in der Fig. 3 dargestellt ist.
Die Messung wickelt sich in der folgenden Weise ab :
1. Die Modulationswellenlänge des Modulationsresonators M wird genau auf 2 LE eingestellt, indem der Frequenzvervielfacher FM auf das Übersetzungsver- hältnis 9 eingestellt und der Abstimmkörper TM verschoben wird, bis der Resonanzindikator RI den Resonanzzustand anzeigt. Hierbei ist der Schalter SW in der Ausschaltstellung, bei welcher die Mischstufe MX von der übrigen Schaltung getrennt ist. Wenn der Resonanzzustand hergestellt ist, wird der Indikator des Photo multipliers PM im allgemeinen nicht einen Minimalwert anzeigen.
Der Lichtwegvariator VP wird deshalb verstellt, bis am Indikator PI eine Minimumanzeige beobachtet wird, wobei die Variation des Lichtweges am Stahlband T und Nonius V direkt in Bruchteilen einer Längeneinheit ablesbar ist. Diese erste Ablesung, welche dem Zest oder Bruchteil 61 in der Formel (2) entspricht, wird im Datenblatt nach Fig. 3 unter der Bezeichnung Bruchteile eingetragen (Beispiel : 0, 3156 LE).
2. Die reibungsschlüssig befestigten Zeiger A1, Bt auf den Skalen A und B werden auf Null gestellt, da im vorliegenden Fall, wie oben erläutert, die Phasendifferenz p Null ist.
3. Die Modulationswellenlänge wird nun auf einen Wert Le von genau 10/9mal #1 eingestellt, das heisst auf 2mal 10/9 LE. Dies wird erreicht durch Einstellung des Frequenzvervielfachers FM auf ein Ubersetzungsver hältnis von 10, so dass die Modulationsfrequenz im Modulationsresonator M (492mal 9/10) gleich 442, 8 MHz beträgt, wenn der Bezugsresonator SR auf Resonanz gebracht wird. Hierfür wird der Abstimmkörper TM erneut verschoben, bis am Indikator RI der Reso nanzzustand im Bezugsresonator feststellbar ist.
Die Modulationswellenlänge beträgt dann genau 12 gleich (2mal 10/9 LE, und das Verhältnis R gleich A2/A2-Al) hat bei dieser ersten Messung genau den Wert 10. Der Lichtwegvariator VP wird hierauf wieder abgeglichen und die Stellung des Zeigers A1 auf der Skala A abgelesen. Jeder Teilstrich der Skala A entspricht 1 LE. Die Ablesung der Skala A (auf den nächsten ganzzahligen Wert gerundet) wird sodann als Einer im Datenblatt eingetragen ; beim vorliegenden Beispiel wird eine Ablesung von 7 angenommen.
4. Es folgt nun eine zweite Messung mit dem ganz zahligen Verhältnis R von 100, welche ein Messergebnis in Einheiten von 10 LE liefert. Zu diesem Zweck mu# eine Modulationswellenlänge A3 von 100/99 #1 gleich 2mal 100/99 LE eingestellt werden. Die entsprechende Modulationsfrequenz beträgt etwa (492-4, 92) MHz, und wenn der Frequenzvervielfacher FM auf ein tuber- setzungsverhältnis von 9 eingestellt ist, so hat dessen Ausgangssignal eine Frequenz von (4428-44, 28) MHz. Bei dieser Frequenz kann natürlich der Bezugsresonator SR nicht auf Resonanz gebracht werden.
Um diese herbeizuführen und die erforderliche Modulations wellenlänge 3 einhalten zu können, wird die Misch- stufe MX über den Schalter SW eingeschaltet, damit dem Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers FM ein Signal des Uberlagerungsoszillators LOl mit einer Frequenz von 44, 28 MHz überlagert wird. Die Frequenz des oberen Seitenbandes des Mischsignals beträgt dann (4428-44, 28 + 44, 28) = 4428 MHz, so dass der Bezugsresonator SR bei dieser Frequenz in Resonanz schwingt.
Es ist zu erwähnen, dal3 die gleiche Frequenz des oberen Seitenbandes am Ausgang des Frequenzverviel- fachers auch bei einer anderen Einstellung des Schalters SW erhalten werden könnte, indem eine Frequenz von 4, 92 MHz eines anderen Uberlagerungsoszillators den Eingang des Frequenzvervielfachers FM überlagert würde.
Nach Aufschaltung des genannten Uberlagerungs- signals von geeigneter Frequenz wird der Abstimmkörper TM erneut verschoben, bis der Resonanzindikator RI den. Resonanzzustand anzeigt, und die Modulations wellenläge #3 genau 2mal 100/99 LE beträgt. Der LIchtwegvariator VP wird anschlie#end wiecer verstellt, bis der Indikator PI am Photomultiplier ein Minimum anzeigt, worauf die Stellung des Zeigers B1 auf der Skala B abgelesen wird. Weil das Zahnrad G2 eine vollständige Umdrehung bei einer Wegänderung von 1 LE (2Hs) ausführt, entspricht jeder Teilstrich der Skala B bei dieser Messung einer Strecke von 10 LE.
Die Ablesung der Skala B] wird auf dem Datenblatt nach Fig. 3 unter der Bezeichnung Zehnern auf eine schematische Skalenscheibe übertragen, welche eino Wiedergabe der Skala B darstellt. Beim vorlegenden Beispiel wird eine Zehnerablesung zwischen 60 und 70 angenommen.
5. Es folgt nun eine Messung mit dem Verhälrtnis R gleich 1000, was den Übergang auf eine Modulations wellenlänge #4 von 1000/999 #1 gleich 2mal 1000/999 LE erfordert. Die entsprechende Moduylationsfrequenz beträgt etwa 492-0, 492) MHz, und das Ausgangssignal am Frequenzvervielfacher FM beim Übersetzungs- verhältnis 9 wird deshalb die Frequenz (4428-44, 28) MHz aufweisen.
Um bei dieser Modulationswellenlänge 1t den Resonanzzustand im Bezugsresonator SR herbeizuführen, ist es dann notwendig, dem Ausgangssignal des Frequenzvervielfachers FM ein Signal von 4, 428 MHz aus dem tJberlagerungsoszillator LO2 zu über- lagern, wodurch sich eine Frequenz des oberen Seitenbandes von genau 4428 MHz ergibt. Das gleiche Ergeb- nis würde auch die Überlagerung eines 0, 492-MHz Signals am Eingang des Frequenzvervielfachers FM l, iefern.
Nach Anschaltung der genannten Uberlagerungsfrequenz wird der Abstimmkörper TM erneut verschoben, bis die Resonanz am Indikator RI erkennbar ist, und der Lichtwegvariator wird hierauf neu eingestellt, bis der Indikator PI ein Minimum anzeigt. Der Zeiger B1 auf der Skala B zeigt nun Einheiten von 100 LE an, und die Ablesung wird unter der Bezeichnung Hunderter auf eine Skalenscheibe im Datenblatt übertragen. Als Beispiel ist eine Ablesung zwischen 800 und 900 LE ange nommen.
6. Zum Schluss ist es notwendig, die Grössenordnung der zu bestimmenden Distanz auf 1000 LE genau festzustellen, zu welchem Zweck der Tauchkörper FT zur Feinabstimmung verwendet wird. Zunächst wird der Modulationsresonator M wieder auf die Modulations wellenlänge 1 von genau 2 LE oingestellt, und der Licht wegvariator VP wird bis zur Anzeige eines Minimalwertes am Indikator PI verschoben. Die Steuerscheibe W wird hierauf gedreht, bis der Indikator PI nach Durchlauf einer Maximumanzeige den nächsten Minimalwert angibt ; hierauf wird die Skala C abgelesen.
Der Bereich der Skala C geht in diesem Fall in Einheiten von 1000 LE von Null bis 10000 LE, und die Ablesung wird unter der Bezeichnung Tausendern auf eine Skalenscheibe im Datenblatt übertragen (vorliegendes Beispiel : Ablesung zwischen 4000 und 5000 LE).
Es können nun die Eintragungen der einzelnen Messungen auf dem Datenblatt zusammengefasst werden, was im vorliegenden Fall ein Messergebnis für die Distanz D von 4867, 3156 LE liefert. Das Datenblatt trägt einen Vordruck zur Eintragung von Korrekturen der Distanz D für eine besondere Lage des Reflektors (nicht dargestellt) und die Elevation des Reflektors in bezug auf den Modulationsresonator M. Solche Korrekturen, wel- che in jedem Fall klein sind, können bei Bedarf einer Korrekturtabelle entnommen werden.
Bemerkenswert ist, dass die Überlagerungsoszillatoren LO zur Erzeugung der geeigneten Seitenbandfrequenzen quarzgesteuerteOszillatorenmiteinerFrequenzstabilität von nur etwa 1 : 10 000 sein können, so da# hierfür keine Temperaturstabilisierung für die Oszillatorkristalle er forderlich ist. Da die Aufgabe dieser Überlagerungsoszillatoren nur die Hervorrufung von Seitenbändern ist, wirkt sich ein Fehler in der Frequenz des Uberlagerungsoszillators nur wenig auf die gewünschte Modulations wellenlänge aus, indem 99 oder 99, 9% davon immer durch den Bezugshohlraumresonaton SR bestimmt sind.
Die resultierende Modulationswellenlänge bleibt daher für alle praktischen Anwendungen ausreichend gegen über Schwankungen des Brechungsnndexes der Atmo- sphäre kompensiert.
Bei einer praktischen Ausführung der Einrichtung ist ein Einstellknopf zur Verschiebung des Abstimmkörpers TM zwecks Abgleichs der Modulationswellenlänge vorgesehen. Die aufeinanderfolgenden Bewegungen des Ab stimmkörpers TM können ausgenützt werden, um über den Schalte : r SW, den zugehörigen, quarzgesteuerten Uberlagerungsoszillator LO einzuschalten, indem zu diesem Zweck der Schalter mit dem Einstellknopf mecha nisch gekoppelt ist. Ausserdem können mit dem Einstellknopf mechanische Abdeckblenden gekoppelt sein, um jeweils diejenigen der Skalen A, B und C zu verdecken, welche zu der gerade verwendeten Modulationswellenlänge nicht passen,.
Die Frequenz des Modulationsresonators M kann in geringem Ausmass frequenzmoduliert werden, um die synchrone Feststellung des Phasenminimums zu er- leichtern. Ausserdem können der Photomultiplier EM, die Oszillatorröhre V und die Lichtquelle F aus einem ge meinsamen Impulsgenerator BP (Fig. 2) impulsweise betrieben werden.
Bei der in den Fig. la und 2a dargestellten Variante wird ein Modulationshohlraumresonator M mit nur zwei Kristallen Xi und X4 verwendet. Der abgehende, linear polarisierte Strahl b1 durchläuft den KristaM Xi, während der rückkehrende Strahl b3 den Kristall X4 durchläuft.
Die z-Achsen der Kristalle Xi und X4 stehen senkrecht zur elektrischen Feldstärke E der Schwingung im Modulationsresonator M. Der Innenleiter I trägt eine Endplatte IP, die zu der Stirnwand OP des Aussenleiters O im Abstand parallel steht, wobei die Krista. lle Xl und X4 zwischen der Endplatte IP und der Stirnwand OP angeordnet sind.
Bei einer solchen Anordnung beeinflusst ein quergerichteter elektrooptischer Effekt in den Kristallen Xi und X4 die Polarisation der betreffenden, durchlaufen- den Strahlen bl und bu. In diesem Fall ist es nicht wichtig, dass die z-Achsen der Kristalle Xi und X4 genau auf die durchlaufenden Strahlen bi und b8 ausgerichtet sind, wobei aber die x-achsen der Kristalle Xi und X4 zueinander senkrecht stehen sollen, damit wie beim Aus führungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 der Phasenfaktor p gemäss Gleichung (1) Null wird.
Die elektrische und optische Ausrüstung der Einrichtung nach Fig. la und 2a ist identisch mit derjenigen gemä# Fig. 1 und 2 und deshalb hier nicht dargestellt.
Um die Minmumanzeige des Indikators PI des Photomultipliers PM genauer lokalisieren zu können, kann ein (nicht dargestellter) Frequenzmodulations- schalter am Resonator M vorgesehen sein. Bei Betätigung dieses Schalters wird eine geringfügige, symmetrische Verschiebung der Modulationsfrequenz jeweils zwischen auf einanderfolgenden Lichtimpulsen erzeugt, und der Photomultiplier PM synchron gesteuert, so dass die Minimumanzeige am Indikator PI in Form einer Mittelpunkt- anzeige erscheint.
Anstelle einer gewöhnlichen Lichtquelle F kann ein Laser verwendet werden.
Obschon die neue Einrichtung im Zusammenhang mit einer Polarisationsmodulation des Strahls l beschrie- ben worden ist, leuchtet es ein, dass anstelle der Kristalle Xi bis X4 solche eingesetzt werden konnten, welche den Faraday-Effekt aufweisen, wodurch eine Phasenmodula- tion, das hei#t Phasenrotation mit der Modulationsfre- quenz, erreicht würde.