DE966908C - Verfahren zur Entfernungsmessung und Vorrichtung zur Ausuebung des Verfahrens - Google Patents

Description

(WiGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 19. SEPTEMBER 1957

S 26418 IX/42 c

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsmessung mit Hilfe von Licht- oder anderen elektromagnetischen Wellen, die mit einer Modulationsschwingung amplitudenmoduliert ausgestrahlt, nach Zurücklegen der Meßstrecke wieder empfangen und einer nochmaligen Modulation mit derselben Modulationsschwingung unterworfen werden, sowie eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.

Gegenüber dem genannten, an und für sich bekannten Verfahren ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einer an sich bekannten, eine periodische Funktion der Laufzeit und damit der Meßstrecke bildenden Größe, dargestellt durch eine um einen Mittelwert schwingende Welle, eine zweite Größe als Hilfsr größe derselben Art, d. h. eine Welle gleicher Periodenlänge, in analoger Weise derart erzeugt wird, daß sie gegen die erste Größe einen Phasenunterschied aufweist, und dadurch, daß durch Subtraktion der beiden Größen ein Differenzwert entsteht, der für gewisse Entfernungswerte der Meßstrecke ein Minimum annimmt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zwei Betriebszustände besitzt, die während aufeinanderfolgender Intervalle miteinander abwechseln, wobei im einen Betriebszustand die erste Größe und im anderen die Hilfsgröße erzeugt wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigt

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Fig. ι die Vorrichtung schematisch, während die Fig. 2 und 3 Kurven zur Erläuterung ihrer

Wirkungsweise und

Fig. 4 ein Schema des in derselben enthaltenen Anzeigegerätes darstellen.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens wird angenommen, daß mit Lichtwellen gearbeitet wird und demgemäß ist mit ι ein zu einem Sender gehöriger to Lichtmodulator bezeichnet, welcher einen mit Hilfe eines parabolischen Spiegels 2 gebündelten Lichtstrahl 3 in der Amplitude moduliert, indem er z. B. den der Lichtquelle zugeführten elektrischen Strom steuert. Der Lichtstrahl wird gegen den in einer gewissen zu ermittelnden Entfernung gelegenen Gegenstand 4 geworfen, und nach Reflexion an demselben entsteht ein Rückstrahl 5> welcher im Empfänger über eine Linse 6 dem eine Photozelle P aufweisenden Anzeigegerät 7 zugeführt wird. Die Schwingungen eines Modulations^ Schwingungserzeugers 8 werden dem Lichtmodulator ι zugeführt und modulieren die Amplitude des ausgesandten Lichtes. Dieselben Schwingungen werden auch der Klemme K des Anzeigegerätes 7 zugeführt, dessen Schaltschema in Fig. 4 gezeigt ist. Die Klemme K ist mit dem zweiten Gitter einer Tetrode T verbunden, in deren Anodenkreis ein Instrument / liegt. Die Ausgangsspannung der Photozelle P, welche durch den Reflexionsstrahl 5 erregt wird, gelangt auf das Steuergitter der Tetrode T und steuert den durch das Instrument / fließenden Anodenstrom, wobei sich die Empfindlichkeit der Steuerwirkung mit der Frequenz der dem zweiten Gitter zugeführten Modulationsschwingung ändert. Das empfangene Signal wird im Anzeigegerät also nochmals mit der gleichen Frequenz moduliert wie beim Aussenden desselben.

Fig. 2 zeigt die zeitlichen Variationen sowohl der Amplitude des ausgesandten Lichtes wie der Empfindlichkeit des Anzeigegerätes 7. In einem gewissen Zeitpunkt t wird die Stärke des ausgesandten Lichtes als A + B sin mt angenommen, wo m die Kreisfrequenz der Modulationsschwingung ist. Die Empfindlichkeit des Anzeigegerätes 7 hat dann einen entsprechenden Wert α + b sin mt. Die Stärke des dem Anzeigegerät zugeführten Lichtes hat aber einen Wert, der der Stärke des ausgesandten Lichtes im Zeitpunkt t—At entspricht, wo At die Fortpflanzungszeit des Lichtes über den Weg zum Gegenstand 4 und zurück ist. Dieser Wert, A-\-B sin m (t—At), multipliziert mit dem entsprechenden Wert der Empfindlichkeit des Anzeigegerätes, stellt den Wert des das Instrument / durchfließenden Stromes i (t) zur Zeit t dar:

i (t) = (a+b sinmt) (A + B sin m {t—At (1) Nach Ausschreiben des Produktes erhält man: i (t) = aA + aBsinm (t—At)+Abs'mmt

+ V2 b B cos m A *—Va b B cos m (2 t—A t) (2)

Wie hieraus ersichtlich, ist die Gleichstromkomponente des Stromes eine periodische Funktion von At₁ so daß es möglich ist, durch Messen der Gleichstromkomponente die Zeit At zu bestimmen, die der Strahl auf seinem Wege zum Gegenstand und zurück benötigt hat.

Da At der gesuchten Entfernung proportional ist, wird der das Instrument I durchfließende Strom i (t) ebenso eine periodische Funktion dieser Entfernung sein. Die in Fig. 3 voll ausgezogene Kurve stellt die Gleichstromkomponente des vom Anzeigegerät angezeigten Stromes i (t) als Funktion der mit d bezeichneten Entfernung dar.

Sieht man einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger vor, welche den beschriebenen genau gleichen, wobei aber die Modulationsschwingungen der beiden Sender (oder Empfänger) gleiche Phase, die Modulationsschwingungen der beiden Empfänger (oder Sender) aber entgegengesetzte Phase haben, wird der Strom des Anzeigegerätes des zweiten Empfängers dann den der gestrichelten Kurve in Fig. 3 entsprechenden Verlauf haben. Wenn der Unterschied zwischen den Strömen der beiden Anzeigegeräte zum Hervorrufen einer Instrumentanzeige verwendet wird, wird diese Anzeige für gewisse Entfernungswerte Null sein, wie unmittelbar aus Fig. 3 ersichtlich ist. Die Nullanzeige ist ein sehr scharfes Kriterium für die entsprechende Entfernung.

Eine Vereinfachung erhält man, wenn dieselbe , Anordnung zur Erzeugung beider Ströme verwendet wird. Ein Umschalter kann bei dem in der Fig. ι gezeigten Entfernungsmesser vorgesehen sein, welcher die Phase der dem Modulator 1 zugeführten Modulationsschwingung periodisch um i8o° ändert. Der Entfernungsmesser arbeitet ζ. Β während einer hundertstel Sekunde nach der voll ausgezogenen Kurve der Fig. 3, während der darauffolgenden hundertstel Sekunde nach der gestrichelten Kurve, dann wieder nach der voll ausgezogenen Kurve usw. Die Stromdifferenz wird mit einem Gleichstrominstrument gemessen, welches für die bei der Subtraktion der beiden Ströme entstehenden Pulsierungen unempfindlich ist. Der Ausschlag des Gleichstrominstrumentes wird dann eine dem Unterschied zwischen der Ordinate der voll ausgezogenen und der der gestrichelten Kurve entsprechende Funktion der Entfernung -d sein.

Die Umschaltung kann beispielsweise mittels einer Wechselspannung erzielt werden, welche während jeder zweiten Halbperiode derselben eine Phasenverschiebung der Modulationsschwingung um i8o° hervorruft.

Für den obengenannten Fall, daß die eine Anordnung nach der voll ausgezogenen Kurve der Fig. 3 funktioniert, während eine zweite Anordnung nach der gestrichelten Kurve arbeitet, ist es selbstverständlich nicht notwendig, daß den beiden Anordnungen Modulationsschwingungen von genau entgegengesetzter Phase zugeführt werden, wie in der Fig. 3 angedeutet ist. Die Phasendifferenz kann auch eine kleinere sein, aber da die Ableitung der Sinusfunktion am größten mitten zwischen inem Wellenberg und dem folgenden Wellental

ist, werden die Nullstellen der Stromdifferenz einem Höchstwert der Ableitung der Stromdifferenz mit Bezug auf die Entfernung entsprechen für den Fall, daß die Phasendifferenz i8o° beträgt, wodurch eine möglichst empfindliche Einstellung des Nullwertes erhalten wird.

Es ist ersichtlich, daß diese Einstellung sich durch stetige Veränderung der Entfernung zwischen dem Entfernungsmesser und dem Gegenstand ergeben kann, z. B. wenn sich der Entfernungsmesser in einem sich bewegenden Fahrzeug befindet, aber auch dadurch, daß die Frequenz der Modulationsschwingungen verändert wird; denn aus Gleichung (2) ist ersichtlich, daß das mit der Entfernung, d. h. mit Δ t periodisch variable Glied auch eine Funktion dieser Frequenz m ist. Eine Veränderung von m ist also gleichbedeutend mit einer Veränderung des Maßstabes entlang der Abszissenachse in der Fig. 3.

Man kann also die Entfernung unverändert lassen und die Modulationsfrequenz m bis zum Erhalten des Nullausschlages verändern. Die Entfernung ist dann ein ganzzahliges Vielfaches der Periode der in Fig. 3 dargestellten Kurve. Um welches Vielfache es sich handelt, muß in anderer Weise be-' stimmt werden, z. B. durch eine unschärfere Methode, die einen groben Wert der Entfernung gibt.

Es ist offenbar, daß es zur Erzeugung der in der Fig. 3 angedeuteten Stromdifferenz nicht notwendig ist, die Polarität der zur Modulation des ausgesandten Lichtes benutzten Schwingung umzuschalten. Es ist auch möglich, das ausgesandte Licht genau wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zu modulieren und die Vorrichtung so auszuführen, daß dem Anzeigegerät während jeder zweiten Halbperiode einer z. B. soperiodigen Wechselspannung eine vorzugsweise um i8o° phasenverschobene Modulationsspannung zugeführt wird.

In der Ableitung der Gleichung (2) wurde vorausgesetzt, daß die Modulationsschwingungen am Sender und am Empfänger gleiche Oberschwingungen sind. Im allgemeinen Fall ist dies nicht notwendig, sondern es genügt, wenn die Modulationsschwingungen am Sender und am Empfänger wenigstens eine gemeinsame Frequenzkomponente enthalten.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens zur Entfernungsmessung gegenüber den bisher bekannten liegt darin, daß mit verhältnismäßig einfachen Mitteln eine große Genauigkeit der Entfernungsmessung möglich ist.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Entfernungsmessung mit Hilfe von Licht- oder anderen elektromagnetischen Wellen, die mit einer Modulationsschwingung amplitudenmoduliert, ausgestrahlt, nach Zurücklegen der Meßstrecke wieder empfangen und einer nochmaligen Modulation mit derselben Modulationsschwingung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu einer an sich bekannten, eine periodische Funktion der Laufzeit und damit der Meßstrecke bildenden Größe, dargestellt durch eine um einen Mittelwert schwingende Welle, eine zweite Größe als Hilfsgröße derselben Art, d. h. eine Welle gleicher Periodenlänge, in analoger Weise derartig erzeugt wird, daß sie gegen die erste Größe einen Phasenunterschied aufweist; und dadurch, daß durch Subtraktion der beiden Größen ein Differenzwert entsteht, der für gewisse Entfernungswerte der Meßstrecke ein Minimum annimmt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Größen während abwechselnder, gleich langer Zeitintervalle erzeugt werden.
3. 3. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem durch eine Modulationsschwingung gesteuerten Sender und einem durch dieselbe Schwingung gesteuerten Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender zwei Betriebszustände besitzt, die während aufeinanderfolgender Intervalle miteinander abwechseln, wobei im einen Betriebszustand die erste Größe und im anderen die Hilfsgröße erzeugt wird.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein summierendes Meßinstrument, welches während aufeinanderfolgender Betriebsintervalle von" den erzeugten Größen mit verschiedener Polarität beeinflußt wird.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der beiden Größen Mittel zur periodischen Phasenverschiebung der im Sender oder der im Empfänger wirksamen Modulationsschwingungen vorhanden sind, derart, daß während jedes zweiten Betriebsintervalls die erste Größe und während der zwischenliegenden Intervalle die Hilfsgröße entsteht.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung i8o° beträgt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 564802, 739362; O. Mittelstaedt, Dissertation, Leipzig, 1928; Annalen der Physik, 5. Folge, Bd. 37, 1940,

   S. 365 bis 402 (Hüttel);
   Arkiv for Mathematik, Astronomi och Fysik,

   Bd. 29A (1943), Nr. 30 (Bergstrand).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 709 682/45 9.57