DE1031005B

DE1031005B - Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE1031005B
Application number: DEB36993A
Authority: DE
Inventors: Arne Bjerhammar
Original assignee: ARNE BJERHAMMAR
Current assignee: ARNE BJERHAMMAR
Priority date: 1954-08-28
Filing date: 1955-08-26
Publication date: 1958-05-29
Also published as: CH333562A

Description

Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung Die elektrooptische Entfernungsmessung geht auf die Bestimmungen der Lichtgeschwindigkeit am Ende des neunzehnten und Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts zurück. Der Grund wurde durch die Messung F i z e aus mit einem rotierenden Zahnrad im Jahre 1849 gelegt, und daraufhin folgte eine schnelle Entwicklung von immer fortschrittlicheren Methoden.
Erst aber in Verbindung mit Michelssons umfassenden Messungen zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit wurden die Möglichkeiten der Methode für die praktische Längenmessung entdeckt.
Während Fizeau und Michelsson die Modulation der Lichtwellen mittels mechanischer Hilfsmittel erzeugt hatten, zeigten andere, daß erhöhte Gienauigkeit und vereinfachte Apparatur durch Verwendung einer Kerrzelle als Modulator ermöglicht wurden.
Diese neue Technik wurde 1940 erheblich verbessert, indem eine Photozelle zum Anzeigen des ankommenden Signals benutzt wurde. Daß sowohl die Photozelle als auch die Kerrzelle von demselben hochfrequenten Signal gesteuert wurden, ist wesentlich.
Diese Methoden sind so ausgeführt, daß die Meßsignale in einem Spiegel reflektiert in den Empfänger zurückgeworfen wurden, und Versuche sind auch mit zwei optischen Modulationsfrequenzen ausgeführt worden, eine für den Hinweg und eine andere für den Rückweg. Diese Versuche sind bisher nicht erfolgreich gewesen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur Entfernungsmessung mittels modulierten Lichts. bei dem die Phase einer elektrischen Vergleichsschwingung und einer der reflektierten Lichtschwingung entsprechenden elektrischen Schwingung verglichen werden. Die optische Modulation wird mit Hochfrequenzsignalen ausgeführt, Phasenvergleich geschieht aber elektronisch mit Hilfe von zwei Niederfrequenzsignalen.
Zur genauen Messung großer Entfernungen mittels modulierten Lichts wird vorteilhaft eine konstante Modulationsfrequenz verwendet, da sonst bei jeder Messung eine genaue Frequenzbestimmung notwendig ist. Diese ist jedoch nicht immer einfach durchzuführen.
Bei der Verwendung einer konstanten Modulationsfrequenz liegen nun hinsichtlich der Wahl dieser Frequenz sehr verschiedene Forderungen vor. Da eine Phasendifferenz von 3600 zwischen der ausgesandten und reflektierten Schwingung einer Entfernung entspricht, die der Wellenlänge der Modulationsschwingung oder einem ganzen Vielfachen derselben gleich ist, so ist es erwünscht, eine hohe Modulationsfrequenz zu verwenden, um genaue Messungen ausführen zu können. Die reflektierte Lichtschwingung wird normalerweise in einem Sekundärelektronenvervielfacher in eine elektrische Schwingung umgewandelt. Arbeitet man mit hoher Modulationsfrequenz, so wird die Anodenimpedanz des Sekundärelektronenvervielfachers niedrig, d. h., die an ihr abfallende Spannung wird klein. Diese muß dann in den nachfolgenden Stufen sehr hoch verstärkt werden. Dabei wird das Rauschen der ersten Verstärkerstufe so groß, daß eine genaue Messung praktisch unmöglich ist. Dazu kommt noch, daß im Sekundärelektronenvervielfacher die Geschwindigkeit der Sekundärelektronen so niedrig ist, daß bei hoher Modulationsfrequenz Phasenfehler auftreten, die nicht konstant sind und die deshalb nicht eliminiert werden können.
Erfindungsgemäß werden alle diese Schwierigkeiten dadurch vermieden, daß die beiden zu vergleichenden Schwingungen erst durch Mischung mit einer Hilfsschwingung in ihrer Frequenz transponiert und dann verglichen werden. Die Frequenz der durch diese Mischung entstehenden Schwingung ist dabei niedriger als die Frequenz der ausgesandten und reflektierten Schwingung. Zur Umwandlung der reflektierten Lichtschwingung in eine elektrische Schwingung wird ein Sekundärelektronenvervielfacherverwendet,wobei erfindungsgemäß einer Elektrode desselben die elektrische Hilfsschwingung zugeführt wird. Dadurch erfolgt die Frequenztransponiernng der reflektierten Schwingung schon im Sekundärelektronenvervielfacher. Dies hat den Vorteil, daß es dadurch möglich ist, den Vervielfacher mit einer sehr hohen Anodenimpedanz auszurüsten, wodurch die nachfolgende Verstärkung nur noch gering sein muß. Dadurch wird das Rauschen stark vermindert, so daß die Messung genauer durchgeführt werden kann. Außerdem werden die unerwünschten Phasenverschiebungen im Sekundärelektronenvervielfacher kleiner, und zwar insbesondere dann, wenn man gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens eine nahe der Kathode gelegene Elektrode des Vervielfachers zur Mischung benutzt.
Bei Verwendung eines üblichen Phasenindikators ist dessen Ausschlag direkt der Phasendifferenz zwischen ausgesandter und reflektierter Schwingung proportional. Zur Erzielung einer empfindlichen Messung ist es jedoch zweckmäßig, den Phasenindikator als Nullinstrument auszubilden. In diesem Fall wird eine der zu vergleichenden Schwingungen vor ihrer Zuführung zum Phasenindikator verzögert. Dazu kann ein optischer oder elektrischer Verzögerer verwendet werden. Optische Verzögerer sind jedoch für praktische Zwecke ungünstiger als elektrische Verzögerer, so daß es vorteilhaft ist, letztere zu verwenden. Es ist ferner zweckmäßig, die Polarität der Schwingungen umschaltbar zu machen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Polarität der Vergleichsschwingung elektrisch mittels einer Phasenumkehrstufe umgekehrt wird. Ebenso kann gemäß einer Weiterbildung des Erfindounglsgedankens die Polarität der ausgesandten Lichtschwingung optisch umgeschaltet werden. Bei der Messung wird der elektrische Verzögerer derart eingestellt, daß der Phasenindikator bei Polaritätsumschaflung einer Schwingung denselben Ausschlag anzeigt wie vor der Umschaltung. Dies ist nur dann der Fall, wenn die eingestellte Phasendifferenz zwischen den miteinander verglichenen Schwingungen 900 beträgt Die zu messende Entfernung kann in diesem Fall direkt am Verzögerer abgelesen werden.
Bei der Entfernungsmessung mittels modulierten Lichts hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Lichtmodulation mittels eines Kristalls, insbesondere eines piezoelektrischen Kristallls, vorzunehmen, dem die Ausgangsspannung eines elektrischen Oszillators zugeführt wird, wobei dieser Oszillator gleichzeitig die elektrische Vergleichsschwingung liefert. Vor und hinter dem Kristall sind Polarisatoren angeordnet, deren einer zweckmäßig aus zwei Teilen mit zueinander senkrechter Polarisationsrichtung besteht.
Diese beiden Teile werden wahlweise in den Strahlengang eingeschaltet und bewirken so einen Wechsel in der Modulationspolarität des ausgesandten Lichtes.
Der Kristall selbst ist so geschnitten, daß keine Schnittebene parallel zu seiner Z-Achse verläuft, während seine Anordnung so getroffen ist, daß das zu modulierende Licht ihn ungefähr parallel zu seiner Z-Achse durchdringt.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung zur Messung von Entfernungen, Fig. 2 die erfindungsgemäße Anordnung zur Lichtmodulation, Fig. 3 die Schaltung der erfindungsgemäßen Anordnung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung erfolgt die Entfernungsmessung mittels modulierten Lichts. Der Sender 1 dient zur Erzeugung und Abstrahlung des mit der Frequenz f modulierten Lichtes. Die Modulation des Lichtes erfolgt dabei mittels eines im Sender 1 untergebrachten Kristalls, der von dem Oszillator 2 erregt wird. Die Ausgangsspannung des Oszillators 2 gelangt gleichzeitig zum Verzögerer 3. Von dort wird die ver- zögerte Spannung einer Mischstufe 4 zugeführt, welcher gleichzeitig vom Oszillator 5 eine Spannung mit der Frequenz J2 zugeführt wird. Die in der Mischstufe 4 entstehende Frequenz ft-2 wird dem Phasenindikator 6 zugeleitet. Das reflektierte Licht wird im Empfänger 7 in eine elektrische Schwingung der Frequenz fi verwandelt, die mit der Frequenz J2 vom Oszillator 5 gemischt wird. Die Zwischenfrequenz J1-f2 wird in Stufe 8 verstärkt und gelangt ebenfalls zum Phasenindikator 6. Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Anordnung ist folgende: Der Sender 1 sendet moduliertes Licht aus, wobei die Modulation durch die Ausgangsspannung des Oszillators 2 bewirkt wird. Die Spannung des Oszillators 2 gelangt gleichzeitig nach einer im Verzögerer 3 regulierbaren Verzögerung zur Mischstufe 4, wo die Mischung mit der Frequenz J2 des Oszillators 5 stattfindet. Die Ausgangsspannung der Mischstufe 4 hat c6ieFrequenzf,-f,, und diese wird dem Phasenindikator 6 zugeführt. Das empfangene Signal ist ebenfalls mit der Frequenz tt moduliert und wird im Empfänger 7 mit der Frequenz 2 des Oszillators 5 gemischt.
Die entstehende Spannung hat die Frequenz fl-2 und wird in Stufe 8 verstärkt und dann endlich dem Phasenindikator 6 zugeführt. Durch die Transponierung ändert sich zwar die Phase der beiden ursprünglichen Schwingungen, doch erfolgt diese Änderung um genau denselben Betrag. In dem Phasenindikator 6 werden die Phasen der beiden zugeführten Schwingungen verglichen, wobei deren Phasendifferenz genau dieselbe ist wie die zwischen den beiden Eingangsspannungen der Stufe 4 und 7. Eine Frequenzänderung des Oszillators 5 hat keine Wirkung auf das Meßergebnis. In dem hier beschriebenen Fall ist der Phasenindikator 6 als Nullinstrument ausgebildet, und die vom Oszillator 2 gelieferte Schwingung wird im Verzögerer 3 so weit verzögert, bis der Phasenindikator 6 den Ausschlag Null anzeigt. Die zu messende Entfernung kann in diesem Fall am Verzögerer 3 abgelesen werden.
Der Verzögerer 3 kann mittels der Leitung 9 überbrückt werden. In diesem Fall ist der Phasenindikator 6 als Phasenmeßinstrument ausgebildet, und sein Ausschlag ist direkt der zu messenden Entfernung proportional. Um möglichst schnell eine grobe Schätzung der zu messenden Entfernung zu erzielen, kann die Ausgangsspannung der Mischstufe 4 über die Leitung 10 dem Sender 1 zugeführt werden, so daß also der Sender mit der Frequenz ft-2 moduliert wird. Gleichzeitig sind die anderen Stufen in entsprechender Weise umzuschalten.
In Fig. 2 ist die im Sender 1 enthaltene Anordnung zur Modulation des Lichtes dargestellt. Das von der Lampe 11 gelieferte Lichtbündel wird mittels der Linse 12 auf den Kristall 13 abgebildet. Dem Kristall 13 wird vom Oszillator 2 eine Spannung mit der Frequenz ft zugeführt. Dadurch wird der Kristall 13 in Schwingungen versetzt, so daß sich seine Brechungseigenschaften mit der Frequenz 1 verändern. Auf diese Art erhält man eine Modulation des Lichtbündels. Das vom Kristall 13 austretende Lichtbündel wird mittels der Linse 14 in paralleles Licht umgewandelt. Dieses Licht tritt durch den aus den beiden Teilen 15 und 16 bestehenden Polarisator. Die Polarisationseinrichtung der beiden Teile 15 und 16 ist senkrecht zueinander, wie dies durch die beiden Pfeile dargestellt ist. Durch wahlweises Einschalten der Teile 15 und 16 in den Strahlengang wird ein Wechsel in der Modulationspolarität des Lichtes erreicht.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Schaltung des Empfängers 7, der Verstärkerstufe 8 und des Phasenindikators 6 näher ausgeführt.
Das reflektierte Licht fällt auf die Kathode des Sekundärelektronenvervielfachers 17, wird in diesem in eine elektrische Schwingung mit der Frequenz tt umgewandelt mit der Schwingung der Frequenz 2 vom Oszillator 5 gemischt und gleichzeitig verstärkt. Die transponierte und verstärkte Schwingung der Frequenz f,-f, wird am Anodenwiderstand 18 abgenommen und iiber ein übliches Koppelglied derVerstärkerr(.hre 19 zugeführt, am Anodenwiderstand20 abgenommen und über ein übliches Koppelglied dem Steuergitter der Röhre 21 zugeführt. An die Anode der Röhre 21 ist ein Meßinstrument 22 geschaltet. dessen zweiter Anschluß am Abgriff des Widerstandes 23 liegt. Die vom Oszillator 2 erzeugte und über den Verzögerer 3 verzögerte Spannung wird in der Nlischstufe 4 in eine solche mit der Frequenz fl-2 um gewandelt und über das LC-Glied24 dem Steuergitter der Phasenumkehrröhre 25 zugeleitet. Im Kathoden-und Anodenkreis dieser Röhre sind die gleich großen Widerstände 26 und 27 gelegen, und ihre Abgriffe sind mit dem Schalter 28 verbunden. Über diesen kann die cm ausgesandten Signal entsprechende Schwingung einem Gitter der Röhre 21 zugeführt werden. Bei der Messung ist nun der veränderliche Verzögerer 3 derart einzustellen, daß das Anzeigeinstrument 22 denselben Ausschlag für die beiden Positionen des Umschalters 28 ergibt. Dies bedeutet, daß die Phasendifferenz zwischen den der Röhre 21 zugeführten Schwingungen bei jeder Stellung des Schalters 28 denselben Wert hat. Da hei der Umschaltung des Schalters 28 die der Röhre 21 zugeführte Spannung einmal positive und einmal negative Polarität hat, muß dieser Wert 900 sein. Die Ablesung der zu messenden Entfernung geschieht in diesem Fall am Verzögerer 3.
Anstatt die Polarität der dem ausgesandten Signal entsprechenden Schwingung mittels der Phasenumkehrstufe 25 umzukehren, kann diese Phasenumkehr auch optisch mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Anordnung erfolgen.
PATENTANSPRÜCIIE-1. Verfahren zur Entfernungsmessung mittels modulierten Lichts, bei dem die Phase einer der ausgesandten Lichtschwingung entsprechenden elektrischen Vergleichsschwingung und einer der reflektierten Lichtschwingung entsprechenden elektrischen Schwingung verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zu vergleichenden Schwingungen erst durch Mischung mit einer Hilfsschwingung in ihrer Frequenz transponiert und dann verglichen werden.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transponierte Frequenz niedriger gewählt wird als die Senderfrequenz.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zur Umwandlung der reflektierten Lichtschwingung in eine elektrische Schwingung dienenden Strahlungsempfänger gleichzeitig die Mischung mit der Hilfsschwingung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der zu vergleichenden Schwingungen vor ihrer Zuführung zu einem als Nullinstrument ausgebildeten Phasenindjikator elektrisch verzögert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der elektrischen Vergleichsschwingung wahlweise umgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarität der Lichtschwingung wahlweise umgeschaltet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verzögerung so eingestellt wird, daß der Phasenindikator vor und nach der Polaritätsumschaltung einer Schwingung denselben Ausschlag anzeigt.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zur Lichtmodulation dienenden Kristall (13).

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor und hinter dem Kristall (13) Polarisatoren (15, 16) angeordnet sind.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (13) so geschnitten ist, daß keine Schnittebene parallel zu seiner Z-Achse verläuft.

11. Anordnung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennlzeichn,et, daß der Kristall (13) so angeordnet ist, daß das zu modulierende Licht ihn ungefähr parallel zu seiner Z-Achse durchläuft.

12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vom reflektierten Licht beaufschlagten Sekundärelektronenvervielfacher (17), dessen einer Elektrode Spannung von einem Hilfsoszillator (5) so zugeführt wird, daß eine multiplikative Mischung der beiden Schwingungen entsteht.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Hilfsoszillators einer nahe der Kathode des Sekundärelektronenvervielfachers liegenden Elektrode zugeführt wird.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenindikator (6) aus einer Mehrelektrodenröhre (21) besteht, in deren Anodenkreis ein elektrisches Meßinstrument (22) eingeschaltet ist, und deren verschiedenen Steuerelektroden die zu vergleichenden Schwingungen zugeführt werden.

15. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Elektronenröhre (25), der die der reflektierten Lichtschwingung entsprechende elektrische Schwingung zugeführt wird und in deren Anoden-und Kathodenkreis jeweils gleich große und mit einem Abgriff versehene Widerstände (26, 27) liegen.

16. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Polarisator (15, 16), der zwei Teile mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen enthält, die wahlweise in den Strahlengang einschaltbar sind, und der zur Umschaltung der Modulationspolarität des ausgesandten Lichtes dient.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 855 586.