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Verfahren zur Entfernungsmessung mittels Lichtblitzen Gegenstand der
Erfindung ist ein Verfahren zur Entfernungsmessung, insbesondere der Wolkenhöhe,
mittels Lichtblitzen, bei dem ein intermittierend ausgesandter Lichtstrahl von dem
zu messenden Objekt reflektiert und der reflektierte Strahl von einer synchron mit
dem Sender in einem kugelsektorförmigen Raum umlaufenden Empfänger-Fotozelle in
elektorische Impulse umgesetzt wird.
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Bei dem unter der Bezeichnung »Radar-Technik« meist angewandten Verfahren
zur Messung größerer Entfernungen vverden reflektierte elektromagnetische Wellen
benutzt, deren Wellenlänge in der Größenordnung von Zentimetern liegt. Viele Objekte,
wie besonders Dunst, Nehel und Wolken, werden von elektromagnetischen Wellen der
genannten Größenordnung durchdrungen und nicht reflektiert, so daß sich dieses Verfahren
insbesondere zur Bestimmung von Wolkenhöhen nicht eignet. Wird jedoch bei einem
im Prinzip gleichen Verfahren die Wellenlänge der benutzten 5 trablung in den Bereich
des sichtbaren Lichtes oder in den der noch kürzeren UV-Strahlen verlegt, so reflektieren
diese Objekte gut, und das Verfahren ist für den genannten Zweck sehr gut brauchbar.
So gelangt man zu einer optischen Entfernungsmessung.
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Auch solche optische Verfahren sind bekanntgeworden. Eine hierfür
geeignete Anordnung besteht im wesentlichen aus einem gerichteten Lichtsender und
einem fotoelektrischen Empfänger, der, meist mit einem Verzerrungskreis ausgestattet,
den vom ankommenden Licht erzeugten Impuls auf einen Rathodenstrahloszillographen
weitergibt. Die Entfernung des vom Leuchtschirm angezeigten Impulses von einer Nullmarke
ist proportional der zu messenden Objektentfernung. Der gerichtete Lichtsender besteht
aus einem Spiegelreflelitor mit einer in seinem Brennpunkt angeordneten und mittels
ECippschwingungell betriebenen Funkenstrecke. Diese bekannten optischen Geräte haben
den Nachteil, daß entweder ihre Reichweit sehr beschränkt ist oder daß bei genügender
Reichweite eine erhebliche Energie benötigt wird. speist ist auch außerdem ihre
Genauigkeit unbefriedigend.
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Diese Nachteile werden durch die Erfindung dadurch beseitigt, daß
zur genauen Definition des Lichtblitzes in an sich bekannter Weise nur der steile
Anstieg der Lichtstromkurve herangezogen wird, während ihr längerer Abfall durch
ein dem Verstärker zugeordnetes Differenzierungsglied unterdrückt wird, und daß
zur Erzeugung des intermittierenden I,ichtstrahles eine Funkenleuchte extrem hoher
Leuchtdichte verwendet wird, deren Funkenvolumen nahezu die Größe des Fehlvolumens
des optischen Spiegels besitzt.
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Eine vollständige Äleßanordnung nach der Erfin-
dung besteht also
aus einem Lichtsender von extrem hoher Leuchtdichte, z. B. eine Hochstrom-Bogenentladung
in einer Edelgas- oder Ouecksilberdampfatmosphäre, der, vorzugsweise durch E;ondensatorenentlandung
erzeugt, einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl gegen das Meßobjekt sendet. Der
an diesem Meßobjekt reflektierte Lichtstrahl wird durch ein optisches System gesammelt
und auf eine Fotozelle geworfen, hier in einem elektrischen Impuls umgewandelt und
nach Verstärkung den Ablenkplatten einer Braunschen Röhre zugeführt. Gleichzeitig
wird durch eine Fotozelle, die direkt am Sender angeordnet ist, der Anfangsimpuls
einem Verstärker und ebenfalls dem Braunschen Rohr zugeführt. Hierdurch kann unmittelbar
eine Laufzeitmessung und damit bei der bekannten Lichtgeschwindigkeit eine Entfernungsmessung
durchgeführt werden.
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Zur Erreichung großer Meßgenauigkeit sind zwei Forderungen zu erfüllen:
1. Um das Nutz-Stör-Verhältnis groß zu machen, soll eine maximale Lichtmenge zur
Fotozelle gelangen.
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2. Da jeder Lichtblitz noch eine endliche zeitliche Ausdehnung besitzt,
muß ein definierter Teil der Lichtstromzeitkurve zur Messung herangezogen werden.
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Die erste Forderung wird dadurch erfüllt, daß in einem technisch
möglichen Reflektor das Brennpunkt-Fehlervolumen bestimmt und das Volumen der Gasentladung
diesem angeglichen wird. Dieser Effekt wird erreicht durch Wahl des Gasdruckes und
der Gaszusammensetzung und durch Anwendung einer elektromagnetischen Rompensationsfokussierung,
indem der Entladungsstrom über zwei Schleifen so um das Entladungsgefäß geführt
wird, daß das erzeugte Magnetfeld das Funkenvolumen auf der gewünschten Größe hält.
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Die zweite Forderung wird erfüllt durch Heranziehen der extrem steilen
Anstiegsflanke der Lichtstromkurve, die ihren Scheitelwert in etwa 107 Sekunden
erreicht. Der formgetreue elektrische Impuls der Fotozelle wird dann über einen
Impulsformer, d. h. einen Begrenzer mit Differenzierungsglied dem Verstärker zugeführt.
In dieser Schaltung gibt nur die steile Anstiegsflanke einen Impuls, da die wesentlich
längere Abfallflanke durch einen Gleichrichter unterdrückt wird.
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Werden weiterhin die Lichtblitze mit einer konstanten Frequenz ausgesendet
und die Zeitbasis des Braunschen Rohres mit dieser oder einer Vielfachen synchronisiert,
so kann man durch Schieben der Phase die jeweiligen Senderimpulse an gleicher Stelle
des Schirmes zur Deckung bringen. Der Abstand zwischen Senderimpuls und Empfängerimpuls
kann dann infolge der bekannten Lichtgeschwindigkeit im Entfernungsmaßstab geeicht
werden.
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Um Fehlmessungen zu vermeiden, die durch z. B. niedrigere Reflexionswände
nebenbei erzeugt werden, unterdrückt man gemäß der Erfindung den Zeitbereich bis
in die Nähe der zu erwartenden Laufzeit. Hierzu wird in den Strahlengang vor den
Empfänger ein trägheitsloser Lichtverschluß in Form einer Kerrzelle oder eines Bildwandlers
in den Strahlengang eingeschaltet, der erst dann aufgetastet wird, wenn die Meßzeit
unmittelbar bevorsteht. Als Verzögerungsteil ist eine Laufzeitkette oder eine der
bekannten Kurzzeitmesserschaltungen anzuwenden. Durch diese Anordnung besteht auch
die Möglichkeit, aus dem gesendeten Lichtimpuls einen Bruchteil, z. B. 10-8 Sekunden,
herauszuschneiden, der einer Wegstrecke von 3 m entspricht.
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Die Zeichnung zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In Fig. 1 bedeutet im einzelnen 1 den Lichtsender mit Reflektor 2,
3 den abgehenden Lichtstrahl, 4 das reflektierenden Meßobjekt, 5 den reflektierten
Lichtstrahl, 6 einen Hohlspiegel mit dem Lichtempfänger 7 für den reflektierten
Strahl. 8 ist eine Fotozelle, die dem Sender beigeordnet ist, 9 ein Hochspannungsimpulserzeuger
für den Lichtsender, 10 ein Breitbandverstärker für den Senderimpuls, 11 ein Breitbandver-
stärker
für den Empfängerimpuis und 12 das Braunsche Rohr.
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Fig. 2 zeigt im wesentlichen die gleiche Anordnung wie Fig. 1, die
jedoch mit dem Verzögerungsglied und dem Lichtverschluß ergänzt ist. Hierin bedeutet
zusätzlich 13 das Verzögerungsglied mit dem Zeiteinstellteil 14 und 15 den trägheitslosen
lichtelektrischen Verschluß.
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Fig. 3 zeigt eine Erweiterung der vorhergehenden Anordnungen, bei
der der Sender und der Empfänger zwangläufig durch eine mechanische oder eine elektrische
Welle gekuppelt sind, um einen bestimmten Bereich nach Zielen abzutasten. 18 hedeutet
die Kupplung zwischen Sender und Empfänger und 19 einen elektrischen Umsetzkanal
für die Umsetzung der Drehung in einen elektrischen Basismaßstab am Braunschen Rohr.
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Der technische Fortschritt dieser Erfindung liegt in erster Linie
in der Erschließung der Nahzone bei Entfernungsmessungen mittels Reflexionsverfahren.
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Außerdem wird gegenüber den bekannten Geräten eine größere Reichweite
bei gleichzeitiger Energieeinsparung und höherer Genauigkeit erzielt.