DE1934618A1 - Elektronenoptisches Praezisions-Laengenmessgeraet - Google Patents

Description

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Compapnie Frantjaise Thomson Houston - Hotchkiss Brandt, Paris Seine, Boulevard Hauss.mann 17 3 (Frankreich)

„Elektronenoptisches Präzisions-Längennveßgerät"

Französische Priorität vom 12. Juli 1968 aus der französischen Patentanmeldung Hr. 159.051 (Seine) ;

Die Erfindung betrifft ein elektronen-optisch arbeitendes Präzisions-Längen- bzw. Htfernungsmeßgerät, das auf die Technik des mit ultrahoher Frequenz modulierten Lichtes zurückgreift und mit hoher Genauigkeit Längen bzw. Entfernungen von "bis zu einigen hundert Metern messen kann. Keßgeräte dieser Art sind im allgemeinen mit einer Lichtquelle sowie einem Reflexionsprisma ausgerüstet, wobei die Bezugspunkte des Systems mit den beiden Begrenzungspunkten der zu messenden Entfernung zusammenfallen. Hierbei wird das sogenannte Teilüberschußverfahrenengewendet, wobei die Längenmessung auf der Bestimmung der Teilüberschüsse beruht und dabei die Phasenverschiebung zwischen dem modulierten Sendesignal und dem durch Reflexion am Prisma entstehenden modulierten Empfangssignal ermittelt wird.

Bei einigen dieser Geräte wird hierzu ein frequenzmoduliertes Signal verwendet, dessen Weiterverarbeitung allerdings viele Probleme aufwirft. Andere Systeme verwenden ein durch mechanische Hilfsmittel phasenmoduliertes Signal. Im allgemeinen

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können diese Geräte jedoch nur als Feineinsteller bzw. Präzisionr,-zusätze verwendet werden, um eine bekannte Entfernung bzw. Län<^e genauer zu bestimmen.

In der Zielsetzung, der Erfindung liept demnach die Schaffung eines Länqen- bzw, Entfernungsrneßgerätes für Meßgrößen, von denen lediglich bekannt ist, daß diese innerhalb der reichweite des Geräts liegen.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der Erfindung enthält [ ein derartiges Präzisions-Längenmeßgerät mehrere Frecuenzreneratoren, deren Frequenzen einen gemeinsamen Phasenbezuci aufweisen.

; Erfindungsgemäß erfolgt die Phasenmodulation der Sendesignale mit Hilfe von digital arbeitenden Phasenschiebern.

' l/eitere Merkmale sowie Vorteile des erfindunpsgenäßen

ι Präzisions-Langenraeßgeräts ergeben sich aus der nunmehr folgenden, beispielhaft aufzufassenden Beschreibung, in Zusammenhang mit den ι . -

beigefügten Zeichnungen, wobei

- Fig. 1 ein "/bersichtsschema des erfindungsgemäßen

Längen- bzw. Entfernungsmeßgeruts,

- Fi-. 2 Signaldiagramme der an den einzelnen Punk

ten der Schaltung (Zeichnung 1) abgegriffenen Signale

zum Gegenstand hat.

Um die Entfernung D zu messen, die zwischen den beiden Punkten X und Y liegt, nutzt das erfindungsgemäße Längenmeßgerät (Zeichnung 1) die Reflexion am Punkt Y des Prismas 1 eines modulierten und vom Punkt X ausgesendeten Lichtbündels aus. Diese Entfernung D kann in eine ganze Zahl η von Halbwellenlängen L der modulierten Lichtener.gie sowie einen Teilüberschuß k— zerlegt werden, wobei als k eine Konstante angenommen v/ird, deren Wert zwischen 0 und 1 liegt. Hieraus ergibt sich die Beziehung D = η L + k L , woraus sich folgern läßt, daß bei. bekanntem V.'ert

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für L die Werte η und k bestimmt werden müssen.

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Hierzu entspricht während einer ersten Meßstufe die Wellenlänge Ll des modulierten Signals der maximalen Reichweite des

und betränt demnach mehr bzw. ist gleich dem doDPel

ten Wert der zu messenden Entfernung. Somit ergibt sich innerhalb

Ll der ersten Ileßstufe das Verhältnis nl = 0 und damit D = kl -s-. Die

[ "'onstante kl wird aus den Wert der Phasenverschiebung ermittelt,

die zwischen dem modulierten und vom Punkt X ausgehenden Sendesirnal und dem am entsprechenden Punkt Z, nach Reflexion am im ι Punkt Y liegenden Prisma 1, empfangenen Signal vorherrscht. Somit ergibt sich eine erste Messung der Entfernung D, deren Genauigkei von der Präzision der bestimmten Konstante kl abhängt oder, genauer ausnedrückt, in der Größ^.^rdnung von 1/100 liegt.

Innerhalb eines zweiten ileßvorgangs wird diese Messung dadurch renauer, daß die im Punkt X ausgesendete Lichtenergie

j n.it einem Sipnal der V.'ellnlänge L2 moduliert wird, d.h. gleich

"" Ll

. einem llntervielfachen der ursprünglichen Wellenlänge Ll : L2 =-rr.

L2 L2
Somit erhält man D = n2 -y + k2 -y, wobei n2 kleiner oder

gleich fl ist und k2 zwischen 0 und 1 liegt.Der Wert für n2 ist leicht zu ermitteln, da dieser gleich dem ganzen Teil des Bruches

LT ⁼ ^TF" ^{= klH ist}* ^{Der W}^^{Ft für k2 wird auf die} gleiche Weise wie der von kl ermittelt, wobei hier die Genauigkeit im Vergleich zu der beim ersten !leßvorgang erzielten um M-mal höher liegt.. Fährt man in der gleichen Weise fort, so kann diese Messung noch dadurch präziser gestaltet werden, daß man eine Wellenlänge L3 wählt, die unter L2 liegt. Um zu vermeiden, Signale mit hoher Frequenz weiterverarbeiten zu müssen, was geringen Wellenlängen gleid käme und damit Schwierigkeiten aufwerfen würde, nimmt man eine Frequenzumsetzung dieser Signale vor, um hiermit die Messung der Phasenverschiebung zu vereinfachen.

In Zeichnung 1 ist ein Obersichtsschema eines erfindungsgemäßen Längenmeßgeräts dargestellt, innerhalb dessen ein solches Meßverfahren Anwendung findet.

Ohne hiermit eine Einschränkung aussprechen zu wollen, umfaßt das erfindungsgemäße Längenmeßgerät zwei Generatoren 41

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und 42, mit deren Hilfe die Entfernungsmessung in zwei Etappen durchgeführt wird. Ober einen Schalter 91 wird dem jeweiligen Generator Hochspannung zugeführt. Bei der ersten Etappe, innerhalb derer der mit der geringsten Frequenz arbeitende Generator 41 zum Einsatz kommt, übernimmt der zweite Generator 42 die Aufgabe, die erste Messung der Entfernung D zu optimieren. Das von einem der Generatoren 41 oder 42 abgegebene Signal dient der Amplitudenmodulation einer Lichtenergie, die von einer im Dauerbetrieb arbeitenden Laser-Diode oder einem Sublaser 21 ausgeht. Zwi sehen der Diode 21 und dem für die höchste Frequenz arbeitenden Generator 42 liegt vorzugsweise eine Impedanzanpassungs-Schaltung 31. Eine Linse 11 sammelt die von der Diode 21 ausgehende Lichtenergie und vermindert somit die Divergenz des auftretenden Bündels. Dieses Bündel wird auf den Punkt Y ausgelenkt, der den Endpunkt der gegenüber dem Ursprungspunkt X gemessenen Länge D bildet Die Lage dieses Punktes X wird willkürlich innerhalb einer voraus gehenden Eichung bei der Einstellung des Entfernungsmeßgeräts gewählt. Seine Koordinaten sind beispielsweise auf der Außenfläche des Gerätegehäuses markiert. Ein reflektierendes Prisma 1, dessen Scheitel mit dem Punkt Y zusammenfällt, sendet einen Teil des einfallenden Bündels zum Punkt X. Das reflektierte Bündel wird durch einen halbdurehläs.sigen Spiegel 2 aufgenommen, der es zu einer Linse 12 weitergibt, der die Aufgabe zufällt dieses Bündel auf eine Empfangsdiode 22 zu konzentrieren.

Fernerhin erfahren die von den Generatoren 41 und 42 ab gegebenen Signale über die unabhängigen und digital arbeitenden Elemente 51 und 52 eine Phasenverschiebung. Jeder dieser Phasenschieber besteht aus einer Anzahl η Zellen, die in Ja-Nein-Schaltung arbeiten und somit 2^P bestimmte Phasenverschiebungswerte

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mit einem Elementarquantum von gleich γ— festlegen. Ein Binärzähler 3, der die von einem Steueroszillator 4 abgegebenen Impulse empfängt, liefert parallel die digitalen Steuerspannungen der ρ Zellen jedes der Phasenschieber 51 und 52. Die aus dem Binärzähler 3 sowie den Phasenschiebern 51 und 52 und dem Steueroszillator 4 gebildete Einheit Übernimmt als Dauerfunktion die Phasenverschiebung der von den Generatoren 41 oder 42 zur Sendediode 21 ' ; - 5 -

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gelieferten Signale. Die zur Erlangung einer Phasenverschiebung von 2 TT benötigte Zeit T ist demnach gleich 2P-mal die Dauer der Periode U des Steueroszillators 4.

Nach der Phasenverschiebung werden die von den Generatoren 41 und 42 kommenden Signale jeweils den beiden Mischern 61 und 62 zugeführt, denen die Kristalldetektoren 71 und 72 nachgeschaltet sind. Der dem Generator 42 für die höchste Frequenz entsprechende Mischer 72 empfängt außerdem über einen Adapter 32 das von der Empfangsdiode 22 ermittelte Signal, während für den Mischer 71 die Verbindung zur genannten Empfangsdiode 22 nicht unbedingt über einen Adapter zu verlaufen braucht, da die Frequenz der empfangenen Signale niedriger liegt. Die von der Empfangsdiode 22 aufgenommenen Signale stellen die Amplitudenmodulation der vom Prisma 1 reflektierten Lichtenergie dar. Besitzt diese der Diode 21 über einen der Generatoren 41 oder' 42 zugeführte Amplitudenmodulation die Form Al cos u/t, so besitzt das von der Diode 22 aufgenommene Signal die Form A2 cos ( bh + Klff), worin K eine Konstante darstellt, die zwischen 0 und 1 liegt und Al und A2 zwei weitere Konstanten sind. Der Ausdruck K2TT stellt die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Signal dar. Dieser setzt sich aus dem besonderen Wert des Teilüberschusses d der zu messenden Entfernung KD zusammen. Somit ergibt sich D = n^ + d, wobei mit L die Wellenlänge des Modulationssignals bezeichnet wird. Der Maximalwert des Teilüberschusses d stellt eine Entfernungsabweichung von gleich -z dar, was einer Phasenverschiebung von 2 TT entspricht, d.h. daß K nunmehr gleich 1 ist.

Die Mischer 61 bzw. 62 empfangen daher von der Empfangs· diode 22 ein Signal der Form A2 cos ( UJt + K2 ft) und die digital arbeitenden Phasenschieber 51 bzw. 52 ein zweites Signal des Ausdrucks A3 cos (4ift + )· ^Die Detektoren 71 bzw. 7 2 ermitteln die quadratische Summe dieser Ausdrücke, wonach an ihren Ausgängen nach Filterung und damit verbundener Beseitigung der Komponenten 2 V«l ein Videofrequenz-Signal der Form A2 A3 cos (—ψ— - Κ2^Γ) allein übrig bleibt. Dieses auf den Zeichnungen 1 und 2 mit der Kennziffer A belegte Signal ist durch eine Sinuskurve der Periode T dargestellt.

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Seine Phasenverschiebung K2-ft gegenüber den Signal E der gleichen Periode T und vom Binärzähler 3 geliefert entspricht dem Teilüberschuss d der Messung der Entfernung D

Die Messung des Teilüberschusses d Ia-¹Vt sich demnach auf eine Messung der Phasenverschiebung: zurückführen. Infolee der durchgeführten Frequenzumsetzung ist diese letztgenannte Messung leicht durchzuführen, da sie sich auf ein jiF-Signal der Periode T und nicht auf das ultrahohe und von den Generatoren 41 bzw. 42 gelieferte Signal bezieht. Darüberhinaus ist die Periode T mit Hilfe einer Digitaltechnik definiert, wodurch diese Phasenverschi bunesmessung nochmals vereinfacht wird.

Ein synchron mit dem Schalter 91 für die Auswahl der Generatoren 41 und 42 gesteuerter elektronischer Schalter 92 verbindet den Ausgang der Detektoren 71 bzw. 72 mit einem Filter 5, z.B. vom Typ des Kapazitätswiderstands, dessen Aufrabe es ist, die Dauerkomponente zu unterdrücken und das verbleibende Sinus-Signal B der Periode T einer Begrenzerstufe 6 zuzuführen und dabei die Zentrierung des Mittelwerts dieses Signals B über den gesamter Arbeitsbereich dieser Begrenzerstufe 6 vorzunehmen. Diese Stufe begrenzt die Siriuskurve B in llähe der Nulldurchpünge und liefert die Spitzen C der Periode T. Die Phasenverschiebung zwischen den Spitzen C und denen (E) des Binärzählers 3 entspricht somit dem Teilüberschuß d. Davon ausgegangen, daß die Periode T bleich zweip-mal der U des Steueroszillators 4 ist, beschränkt sich die Messung der Phasenverschiebung auf das Zählen der Anzahl von U-Perioden dieses Steueroszillators 4, die zwischen dem Anfang der vom Zähler 3 gelieferten Spitzen E und den von der Beprenzerschaltung 6 gelieferten Spitzen C liegen. Die beiden Differenzierstufen 81 und 82 markieren die Einsätze dieser Spitzen C und E. Diese steuern einen bistabilen Multivibrator 7, der ein Signal F liefert dessen Dauer gleich dem Zeitintervall ist, das die Einsätze der Spitzen C und E voneinander trennt. Dieses Signal F steuert wiederum ein Gatter 8, so daß dieses zv/ischen den vom Steueroszillator 4 während der Dauer dieses Signals F gelieferten Impulsen fi. eine Anzahl von N Impulsen durchläßt. Diese N Impulse II werden anschließend von einem Zähler 9 addiert.

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Lin mit einem Sichtanzeigegerät 10 gekoppelter Digitalrechner

führt nunmehr die Operation d = durch und zeigt das Ergeb-

2P
ms an.

Die Arbeitsweise des somit beschriebenen elektronenoptischen Präzisions-Längenmeßgeräts verläuft vollkommen aperiodisch und die Meßgenauigkeit ist unabhängig von der Dauer der Periode U der -vom Steueroszillator 4 gelieferten Impulse G.

j Um für jede Etappe der Messung den gleichen Ursprung X

!beibehalten zu können, sind die beiden verwendeten Generatoren 41 iund 42 abhängig voneinander gestaltet und besitzen darüberhinaus !einen gemeinsamen Phasenbezti^,

I Es gilt als selbstverständlich, daß die beispielhaft j gegebene Beschreibung jegliche Varianten mit zwei oder mehr voneinander abhängigen Generatoren, die mit digital arbeitenden Phasenschiebern kombiniert sind, gleichermaßen in die Erfindung einschließt.

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Claims (1)

1. Telefon 561762

   8, Juli 1969

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   Compagnie Fran^aise Thomson Houston - Hotchkiss Brandt, Paris 8eme, Boulevard Haussmann 173 (Frankreich)

   Patentansprüche :

   1.yElektronenoptisches Längenmeßgerät zur genauen Messung von relativ großen Längen bzw. Entfernungen, dadurch Rekennzeichnet, daß es in Kombination ein optisches System (1, 2, 11, 12, 21, 22) zur Kennzeichnung von Endpunkten (X und Y) der zu messenden Länge bzw. Entfernung (D), ferner umschaltbare Generatoren (41, 42) für die Amplitudenmodulation der Lichtstärke eines einfallenden Bündels, das vom optischen System ausgewertet wird und schließlich elektronisch arbeitende Phasenschieber (3, 4, 51, 52) sowie eine elektronische Auswert- und Anzeigeeinheit (61, 62, 71, 72, 5, 6, 81, 82, 7, 8, 9, 10) umfaßt.

   2. Längen bzw* Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch ge-' -kennzeichnet, daß das optische System (1, 2, 11, 12, 21, 22) aus einer Sendediode (21) gebildet wird, die sich in der Nähe des einen Endes (X) der zu messenden Entfernung (D) befindet und der eine Konvergenzlinse <11) nachgeschaltet ist, wobei ein reflektierendes Prisma (1), das sich am anderen Ende der zu messenden Entfernung (D) befindet,über einen halbdurchlässigen Spiegel (2) das ihm zugeführte Lichtbündel zu einer Empfangsdiode (22) leitet, der eine zweite Linse (12) vorgeschaltet ist»

   3. Längenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

   es sich bei den für die Amplitudenmodulation des vom optischen System ausgewerteten Lichtbündels verwendeten Modulationsele-· menten um Generatoren (41, 42) handelt, von denen die einen Frequenzen die Oberwellen dar anderen Frequenzen darstellen und die' darüberhinaus einen gemeinsamen Phasenbezug besitzen.

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   M-. ' Längenmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch" gekennzeichnet, daß es sich bei den elektronisch arbeitenden Phasenschiebern um digitale Phasenschieber £51, 52) handelt, die von einem Binärzähler (3) gesteuert werden, der wiederum seine Steuerbefehle von einem Steueroszillator (4) erhält.

   5. Längenmeßgerät nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (91, 92) gleichzeitig jeweils den Generator (Ml oder 42) steuern, der' für die Modulation der Sendediode (21) sowie des entsprechenden Empfangskanals (61, 71; 62, 72) eingesetzt wird, wobei die Phase des Signals (A), die am Ausgang des zweiten Schalters (92) abgenommen wird, anschließend mit der des vom Binärzähler (3) gelieferten Bezugssignals (3) verglichen wird und die Messung der Phasenverschie bung zwischen den genannten Signalen den gesuchten Teilüberschuß darstellt.

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