DE2619436A1

DE2619436A1 - Entfernungsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE2619436A1
Application number: DE19762619436
Authority: DE
Inventors: Keith Davy Froome; George Russell
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1975-05-07
Filing date: 1976-05-03
Publication date: 1976-11-18
Also published as: SE416244B; SE7605203L; CH609770A5; US4068951A; GB1511354A

Description

Patentanwälte Dipl.-lng. Curt Wallach

Dipl.-lng. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

2619436 Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

3. MAI 197B

Datum:

Unser Zeichen: I5 512 τ Fk/Ne

National Research Development Corporation London, England

Entfernungsraeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Entfernungsmeßeinrichtung.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Entfernungsmeßeinrichtung umfaßt erste Modulationseinrichtungen zur Modulation einer ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung, erste Sendereinrichtungen zur Aussendung der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung über einen Weg, dessen Länge zu messen ist, Empfangseinrichtungen zum Empfang der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung und zur Bestimmung der Modulationsphase dieser Trägerstrahlung, zweite Modulationseinrichtungen zur Modulation einer zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung entsprechend der Modulationsphase der empfangenen modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung, zweite Sendereinrichtungen zur Aussendung der modulierten zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung zurück über den Weg, dessen Länge zu messen ist, und Detektoreinrichtungen zur Peststellung der Modulationsphase der empfangenen modulierten zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung und zur Erzeugung einer Anzeige der Länge des Weges hieraus.

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Die ersten Modulationseinrichtungen können vorzugsweise einen Kristall aufweisen, der den direkten Pockel¹sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweist und der in einem Hohlraumresonator angeordnet ist, um durch ihn hindurch in einer Richtung parallel zur Z-Achse die erste elektromagnetische Trägerstrahlung auszusenden, wobei die x- oder y-Achse des Kristalls parallel zur Polarisationsebene der ersten hindurchlaufenden elektromagnetischen Trägerstrahlung angeordnet sind. Dies ist der Fall, wenn der Kristall beispielsweise aus Lithiumniobat besteht. Wenn der Kristall jedoch beispielsweise aus Kaliumhydrogenphosphat oder Lithiumtantalat besteht, so ist die Ausrichtung des Kristalls anders.

Die Detektoreinrichtungen können einen Kristall aufweisen, der den direkten Pockel'sehen linearen elektrooptischen Effekt zeigt und der vorzugsweise in dem Hohlraumresonator so angeordnet ist, daß durch ihn hindurch in einer Richtung parallel zu seiner optischen Achse die empfangene modulierte zweite elektromagnetische Trägerstrahlung hindurchgeleitet wird, wobei die x- oder y-Achse des Kristalls parallel zur Polarisationsebene der empfangenen modulierten zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung und senkrecht zu einem angelegten elektrischen Feld ausgerichtet ist und die Einrichtung schließt weiterhin Einrichtungen zur Änderung der Modulationswellenlänge und/oder des von der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung durchlaufenen Weges ein, um auf diese Weise eine Messung des Weges in Ausdrücken der Modulationswellenlänge zu ermöglichen.

Die z-Achse jedes Kristalls ist vorzugsweise senkrecht zu dem elektrischen Feld an dem jeweiligen Kristall ausgerichtet. Dies gilt wiederum für den Fall, daß der Kristall beispielsweise Lithiumniobat ist. Wenn der Kristall teispielsweise aus Kaliumhydrogenphosphat oder Lithiumtantalat besteht, so ist die Ausrichtung jedes Kristalls anders.

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Die Einrichtung kann einen ersten Laser zur Erzeugung der ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung einschließen.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die zweiten Modulationseinrichtungen einen Kristall auf, der den direkten Pockel¹ sehen linearen elektrooptischen Effekt zeigt und der in einem der in einem Hohlraum so angeordnet ist, daß durch ihn in einer Richtung parallel zu seiner z-Achse die zweite elektromagnetische Trägerstrahlung hindurchgeleitet wird, wobei die x- oder y-Achse des Kristalls parallel zur Polarisationsebene der zweiten durch ihn hindurchlaufenden elektromagnetischen Trägerstrahlung ist. Die Empfangseinrichtungen können einen Kristall einschließen, der den direkten Pockelschen linearen elektrooptischen Effekt zeigt und der in dem Hohlraumresonator so angeordnet ist, daß durch ihn in einer Richtung parallel zu seiner optischen Achse die empfangene modulierte erste elektromagnetische Trägerstrahlung hindurchgeleitet wird, wobei die x- oder y-Achse des Kristalls parallel zur Polarisationsebene der empfangenen modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung ist, die durch ihn hindurchläuft.

Die z-Aichse ist vorzugsweise senkrecht zu dem elektrischen Feld an den jeweiligen Kristall.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Modulationseinrichtungen so ausgebildet, daß sie die erste elektromagnetische Trägerstrahlung mit einer Frequenz modulieren, die von der abweicht, mit der die zweiten Modulationseinrichtungen die zweite elektromagnetische Trägerstrahlung modulieren, wobei die Einrichtung Photode.tektoreinrichtungen einschließt, die zum Empfang der Strahlung von den zweiten Modulationseinrichtungen angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz auf die Differenz zwischen der Modulationsfrequenz der ersten Modulationseinrichtungen und der Modulationsfrequenz der zweiten Modulationseinrichtungen bezogen ist und das mit

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einer Frequenz amplitudenmoduliert ist, deren Phase auf die Modulationsphase der empfangenen modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung bezogen ist.

Die Einrichtung kann einen zweiten Laser zur Erzeugung der zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung einschließen. Der zweite Laser kann so angeordnet sein, daß er durch das genannte elektrische Signal gesteuert ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeiohnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert.

Inder Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Entfernungsmeßeinrichtungj

Fig. 2 einen Querschnitt eines Modulationshohlraumes

der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 nach Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung, die ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 zeigt.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Entfernungsmeßeinrichtung gezeigt, das eine Haupteinheit M mit einem Laser Lj- aufweist, der einen kohärenten parallelen Lichtstrahl liefert. Der Strahl Mb₁ wird durch einen Linearpolarisator und dann durch einen Modulationshohlraum C_M geleitet, der in einer noch zu beschreibenden Weise aufgebaut ist, um eine Polarisationsmodulation des austretenden Strahls Mbp zu erzeugen.

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_ 5 —

Der Strahl Mb₂ wird in eine Einrichtung VP geleitet, die einen veränderlichen Lichtweg aufweist und die von irgendeiner zweckmäßigen bekannten Konstruktion sein kann. In dem dargestellten Beispiel besteht diese Einrichtung VP aus einem ersten Reflektorpaar R,, Rp, die unter rechten Winkeln zueinander angeordnet und jeweils unter 45°zum Strahl Mbp geneigt sind, und einem zweiten Reflektorpaar R^₅, R₂,, die mit Abstand von dem ersten Reflektorpaar angeordnet sind und die unter rechten Winkeln zueinander angeordnet und unter 45° zum Strahl Mb₂ geneigt sind, der von dem Reflektor R₂ reflektiert wird. Die beiden Reflektoren R₁, R₂ sind linear in der Richtung des Strahl Mb₂ beweglich mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Schraubeneinstellung befestigt während die beiden Reflektoren R,, R₁, in ihrer Lage gegenüber dem Modulationshohlraum C» festgelegt sind. Ander einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtung VP ist eine Skala S befestigt, die in Entfernungseinheiten geeicht ist und die eine (nicht gezeigte) Peinableseskala aufweisen kann.

Nach Durchlaufen der einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtung VP wird der Strahl Mb₂ von der Haupteinheit M entlang des Weges, dessen Länge gemessen werden soll, zur Nebeneinheit S ausgesandt. Der Strahl Mb_p wird von einem Teleskop

φ der Nebeneinheit empfangen und auf einen Reflektor SR b 5

geleitet. Ein Strahl Sb^₅ von dem Reflektor SR,- wird durch einen Modulationshohlraum C₀ geleitet, der in noch zu beschreibender Weise so aufgebaut ist, daß er eine weitere Polarisationsmodulation des Strahls Sb^₅ hervorruft. Die Frequenz f_M der Modulation des Modulationshohlraumes C_M der Haupteinheit, weicht von der Frequenz f_o der Modulation des Modulationshohlraumes Cg ab. Die Frequenz f_M kann beispielsweise 150 MHz sein, während die Frequenz f„ beispielsweise 149,99 MHz sein kann. Ein Strahl Sb₂, von dem Modulationshohlraum CL wird durch einen Linearpolarisator SP₀ auf einen Photodetektor PD_Q geleitet, der beispielsweise ein Photoelektronenvervielfacher sein kann. Die Polarisationsebene des Linearpolarisators

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steht unter rechten Winkeln zur Polarisationsebene des Linearpolar isators MP₁ der Haupteinheit M, so daß als Folge hiervon die Polarisationsmodulations-Überlagerungsfrequenz des Strahls Sb₂, von dem Linearpolarisator SP₂ in einen amplitudenmodulierten Strahl SBj- umgewandelt wird, der auf den Photodetektor PD_g geleitet wird. In dem vorstehend angegebenen Beispiel ist die Frequenz fB der Amplitudenmodulation des Strahls Sb,- gleich 10 kHz. Es ist wesentlich, festzustellen, daß die Phase des Strahls Sbj- identisch zur Phase des Strahls Mbp bezüglich der Phase 0_g des Modulationshohlraumes C_g ist. Ein elektrisches Ausgangssignal von dem Photodetektor PD_g weist eine Frequenz auf, die gleich der der Modulation des Strahls Sb^ fet und dieses elektrische Signal wird zur Modulation eines (nicht gezeigten) Hochspannungsgenerators eines Lasers Lq verwendet, der eine parallelen Lichtstrahl Sb₁ erzeugt. Der Strahl Sb₁ wird über einen Linearpolarisator SP₁ dem Modulationshohlraum C_g zugeführt, der eine Polarisationsmodulation eines austretenden Strahls Sbp hervorruft. Der Strahl Sbp ist daher mit der Frequenz fU amplitudenmoduliert und mit der Frequenz f_g polarisationsmoduliert. Der Strahl Sbp wird entlang des Weges, dessen Länge gemessen werden soll, zu einem Teleskop T_M der Haupteinheit M ausgesandt und wird von diesem Teleskop auf einen Reflektor MRj- geleitet. Ein Strahl Mb, von dem Reflektor MRj- wird dem Modulationshohlraum C^ zugeführt.

Ein Strahl Mb₂, von dem Modulationshohlraum O. wird durch einen Linearpolarisator MPp auf einen Photodetektor PD- geleitet, der beispielsweise ein Photoelektronenvervielfacher sein kann. Die Polarisationsebene des Linearpolarisators MPp steht unter rechten Winkeln zur Polarisationsebene des Linearpolarisators SP₁ der Nebeneinheit S und infolgedessen wird die Polarisationsmodulations-iiberlagerungsfrequenzdes Strahls Mb₂, in dem Linearpolarisator MP₂ in einen amplitudenmodulierten Strahl Mb(- umgewandelt, der auf den Photodetektor PD„ geleitet wird. In dem vorstehend angegebenen Beispiel ist die Frequenz der Amplitudenmodulation des Strahls Mb^. gleich der

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Frequenz f„ der Amplitudenmodulation des Strahls Sb₁-. Die Phase des Strahls Mb₁- wird durch die Phase des Strahls Mb-, bezüglich der Phase 0*. des Modulationshohlraumes C„ bestimmt, d.h. sie ist auf die Anzahl der Perioden des Strahls Sbp über den Weg bestimmt, dessen Entfernung gemessen werden soll. Der Strahl Sb₂ ist, wie dies weiter oben erwähnt wurde, ebenfalls mit einer Frequenz f-, amplitudenmoduliert, wobei die Phase der Amplitudenmodulation des Strahls Mb^ auf die Anzahl der Perioden des Strahls Mbp über den Weg, dessen Entfernung gemessen werden soll, zusätzlich zur Anzahl der Perioden der Amplitudenmodulation des Strahls Sb_? bezogen ist. Wenn die Reflektoren R-, Rp der einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtung VP in ihrer Lage geändert werden, wird der Ausgang des Photodetektors PD_M ein Minimum, wenn ■ die Perioden der Amplitudenmodulation des Strahls Mb,- gegenphasig sind. Durch Einstellen des Pegels der Amplitudenmodulation des Strahls Sbp kann dieses Minimum sehr scharf gemacht werden und beispielsweise kann die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung Vp innerhalb von 1 mm festgelegt werden. Das Ausgangssignal von dem Photodetektor PD„ wird in einem Verstärker A verstärkt und von einer Anzeigeeinrichtung I angezeigt.

Wenn die Zeit, die der Strahl Mbp zum Durchlaufen der zu messenden Entfernung T^.i'st, so ist die Phase des Strahls Sb₂, bezüglich der Phase des Strahls Mbp am Modulationshohlraum Cg gleich:

die Phase des Strahls Mb₂^ bezüglich der Phase des Strahls am Modulationshohlraum C.. ist:

und die Phasenverzögerung der Amplitudenmodulation des Strahls Sbp ist gleich:

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Daher ist die Phase des Strahls Mb^ bezüglich der Phase des Strahls Mbp am Modulationshohlraum C,, gMch:

JyJ £> ^ P(J₁ JY[ ^ jvj^ ^ Jy^

Es ist somit zu erkennen, daß die Nebeneinheit S bezüglich der Phasenänderung, die über die zu messende Entfernung auftritt, als reflektierendes Ziel wirkt. Die Verwendung der Nebeneinheit S anstelle eines reflektierenden Ziels hat jedoch den Vorteil, daß die Entfernung vergrößert wird, die von der Entfernungsmeßeinrichtung gemessen werden kann. Ein reflektierendes Ziel verhält sich als gerichtete kleine Quelle mit einem zeitlich fluktuierenden Winkelspektrum auf Grund von atmosphärischem Flimmern. Die von einem reflektierenden Ziel zurückgestrahlte Energie ändert sich mit der vierten Wurzel der zu messenden Entfernung während die Energie von der Nebeneinheit S, die von der Haupteinheit M empfangen wird, sich mit der Quadratwurzel der zu messenden Entfernung ändert. Daher weist die Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 beträchtlich mehr als den doppelten Bereich einer äquivalenten Einrichtung auf, bei der die Nebeneinheit S durch ein ausschließlich reflektierendes Ziel ersetzt ist.

Wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, weist der Modulationshohlraum Cjyj einen Viertelwellen-Koaxialleitungs-Hohlraumresonator mit einem äußeren im wesentlichen zylindrischen Leiter 0 und einem inneren koaxialen Leiter I^f auf. Der Modulationshohlraum C bildet den Resonator und einen (nicht gezeigten) stabilen Oszillator, der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz f„ liefert. Das Ausgangssignal von dem stabilen Oszillator wird dem Modulationshohlraum C-, über eine Kopplungsschleife CL zugeführt.

Ein begrenzter Abgleichbereich der Modulationswellenlänge des Modulationshohlraumes O. ergibt sich mit Hilfe eines axial

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beweglichen ringförmigen Abgleichstopfens TP aus Isoliermaterial, der in dem ringförmigen Raum zwischen den inneren und äußeren Leitern I', O angeordnet ist.

Zwei Sätze mit miteinander ausgerichteten Löchern EL , H₂ (Fig. 3) sind in dem äußeren Leiter 0 benachbart zum Ende hoher Impedanz des Modulationshohlraums angeordnet und sie sind in einer gemeinsamen Querschnittsebene dieses Hohlraums angeordnet. Die gemeinsamen Achsen der jeweiligen Sätze von Löchern EL, Hp erstrecken sich parallel zueinander und im wesentlichen diametral zum Außenleiter 0.

Die Polarisationsmodulation des Strahls Mb. wird mit Hilfe eines Kristalls erzielt, beispielsweise aus Ammoniumdihydrogenphosphat (ADP), Kaliumhydrogenphosphat (KDP), Kaliumdeuteriumphosphat (KDXP) oder Lithiumniobat, die den direkten Pockel¹sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel nach den Pigg. 2 und 3 sind zwei identische Lithiumniobat-Kristalle X,, Xp in dem Modulationshohlraum C_M befestigt. Ein erster Kristall X₁ ist in den miteinander ausgerichteten Löchern H, angeordnet während ein zweiter Kristall Xp in den miteinander ausgerichteten Löchern H₂ angeordnet ist. Die Kristalle X., X₂ sind mit ihrer z-Achse senkrecht zum schwingenden elektrischen Feld E in dem Modulationshohlraum C., angeordnet während ihre x- oder y-Achsen parallel zur Polarisationsebene des Strahls Mb₁ liegen. Die Kristalle X₁, X₂ sind weiterhin mit ihrer x-Achse senkrecht zueinander angeordnet. Der Strahl Mb₁ läuft durch den Kristall Χ_χ während der Strahl Mb^ durch den Kristall X₂ hindurchläuft. Jeder der Kristalle-X kann spezielle Abmessungen von 12,5 x ^*0 χ 2,5 mm aufweisen, wobei die z-Achse jedes Kristalls genau parallel zur 12,5 mm-Abmessung ist, während die x-Achse und die y-Achse ziemlich parallel zu den anderen beiden Abmessungen verlaufen.

Das auf jeden Kristall X₁, X₂ einwirkende elektrische Feld E ruft eine elliptische Polarisation des durch die Kristalle

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hindurohlaufenden Strahls auf Grund des direkten Pockel'sohen linearen optischen Effektes hervor. Die hervorgerufene Elliptizität ist linear von der Größe des angelegten Feldes E und der Länge des Liohtweges in dem Kristall abhängig. Daher ist der aus dem Kristall X₁ austretende Strahl Mtu mit einer Modulationswellenlänge polarisationsmoduliert, die von der Wellenlänge der Schwingungen des elektrischen Feldes in dem Modulationshohlraum abhängt. Die Elliptizität der elliptischen Polarisation des Strahls Mb.,, der durch den Kristall X₂ hindurchläuft, wird allgemein entweder vergrößert oder verkleinert, und zwar in Abhängigkeit von der relativen Modulationsphase des Strahls Mb, verglichen mit der momentanen Phase des Modulationshohlraumes C... Der in den Polarisator MPp eintretende Strahl Mb₂, hängt daher von der relativen Modulationsphase der Strahlen Mbp und Mb, ab.

Das angelegte elektrische Feld E kann einige 100 Volt aufweisen, um einen annehmbaren Modulationsgrad hervorzurufen und weil die Strahlen Mb., Mb, von einem Laser ausgehen, können einer oder beide zweimal durch den jeweiligen Kristall X., Xp geleitet werden, um das Ausmaß der Elliptizität zu verdoppeln, das in diesen hervorgerufen wird.

Die Kristalle X₁, X₂ sind, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, auf einer federbelasteten Anordnung SL angeordnet, die in federndem Eingriff mit dem Innenleiter I' steht. Dies erleichtert die richtige Ausrichtung der Kristalle X-,, X bezüglich der Strahlen Mb,, Mb-, und des angelegten elektrischen Feldes E.

Der Modulationshohlraum C_g weist eine Konstruktion auf, die zu der des Modulationshohlraumes C-, identisch ist, jedoch mit der Ausnahme, daß er mit einem Ausgangssignal von einem üblichen Oszillator mit einer Frequenz von f_g gespeist wird.

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Die Laser L_M und L„ sind ebenfalls identisch und können beispielsweise Helium-Neon-Laser sein. Tatsächlich können die Haupteinheit M und die Nebeneinheit S von identischer Konstruktion sein: Für einen Haupteinheits-Betrieb verbinden (nicht gezeigte) Schalterelemente den Photodetektor mit dem Verstärker A und der Anzeigeeinrichtung I während für den Nebeneinheits-Betrieb diese Schalterelemente den Photodetektor mit dem Laser verbinden. Für einen Nebeneinheits-Betrieb wird die Lage der Reflektoren R., Rp der einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtung bezüglich des Modulationshohlraumes festgelegt.

Im folgenden wird das Verfahren der Entfernungsmessung unter Verwendung der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 beschrieben. Zuerst werden die Frequenzen f.. und f„ der Modulation der

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Modulationshohlräume CL. bzw. C_g so eingestellt, daß die Halbwellenlänge der Modulation ziemlich genau 1 Meter ist, wobei d iese Frequenzen angenähert 150 MHz betragen. Die genaue Halbwellenlänge wird aus der Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, der Frequenzen f.. und f_o und Messungen des atmosphärischen Brechungsindex an geeigneten Punkten entlang des Weges bestimmt, dessen Entfernung zu messen ist, wobei der Brechungsindex aus dem barometrischen Druck und Temperaturmessungen bestimmt wird. Die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP wird dann so eingestellt, daß ein Minimum an dem Anzeiger I angezeigt wird, um den Bruchteil eines Meters der gemessenen Entfernung anzugeben.

Die Modulationsflrequenzen der Modulationshohlräume C„ bzw. Cg werden dann um 10 % vergrößert und die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP wird dann eingestellt, bis ein Minimum von dem Anzeiger I angezeigt wird, um die Einer-Stellen der in Meter gemessenen Entfernung anzugeben. Die Modulationsfrequenzen der Modulationshohlräume C„ bzw. CV, werden

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dann um 1 % anstelle von 10 % vergrößert und die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP wird erneut

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eingestellt, bis ein Minimum von dem Anzeiger I angezeigt wird, um die Zehnerstellen der in Meter gemessenen Enfernung anzugeben. Dieser Vorgang wird wiederholt, um alle wesentlichen Zahlen der gemessenen Entfernung zu liefern.

Es ist verständlich, daß die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP fortgelassen werden kann und daß stattdessen die Modulationsfrequenzen f„ bzw. f der Modulationshohlräume C_M bzw. Cg eingestellt werden körnen, bis ein Minimum von dem Anzeiger I angezeigt wird. Dies wird für einen Satz von Frequenzbereichen wiederholt.

Es wurde bisher angenommen, daß die Lichtstrahlen monochromatisch sind und als Ergebnis hiervon ist es erforderlich, den Brechungsindex der Luft an verschiedenen Punkten entlang des Weges zu bestimmen, dessen Länge gemessen werden soll, um einen Wert für die Modulations-Halbwellenlänge zu gewinnen. Wenn jedoch Licht mit zwei oder mehr Farben verwendet wird, können die Phasenunterschiede zwischen den Farben bei der gleichen Modulationsfrequenz dazu verwendet werden, die durchzuführende atmosphärische Korrektur abzuschätzen.Weil die gesamte atmosphärische Korrektur in den meisten Fällen lediglich J500 ppm beträgt, müssen die Phasendifferenzen zwischen den Farben sehr genau gemessen werden. In Anwendung dieses Prinzips ist die Einrichtung nach Fig. 1 bei einer Ausführungsform so modifiziert, daß die Haupteinheit M einen Strahl Mb₂ erzeugt, der aus zwei Lichtfarben besteht, die geometrisch überlagert sind und zeitlich beispielsweise mit einer Frequenz von 100 Hz abwechseln, wobei das Licht von zwei getrennten Lasern erzeugt wird. Die Nebeneinheit S sendet die von der Haupteinheit S empfangene Phaseninformation als Intensitätsmodulation eines Strahls Sb₂ entweder mit einer Lichtfarbe oder mit zwei Lichtfarben aus, die wieder geometrisch überlagert und zeitlich abwechselnd sind. Die Haupteinheit M weist eine einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP, einen Photodetektor PD„, einen Verstärker A und einen Anzeiger I für jede Lichtfarbe auf. Es ist verständlich, daß es nicht wesentlich

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ist, die von der Nebeneinheit S empfangene Phaseninformation zur Haupteinheit M zurückzuführen. Die Phasendifferenz für die beiden Farben kann an der Nebeneinheit S mit Hilfe einer einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtungen oder tatsächlich durch irgendwelche üblichen elektronischen Phasenvergleichsschaltungen gemessen werden.

Anstelle einer Amplitudenmodulation der Strahlen Sb₂ mit der Phaseninformation, die die Nebeneinheit S von der Haupteinheit M empfängt, könnte der Ausgang des Photodetektors PD„ entweder zur Amplitudenmodulation des Ausgangs eines üblichen Oszillators verwendet werden, der den Modulationshohlraum C_g ansteuert oder er könnte zur Polarisationsmodulation des Strahls Sbp dadurch verwendet werden, daß dieser dem Kristal Xp des Modulationshohlraums C_g zugeführt würde. Alternativ könnte die von der Nebeneinheit S empfangene Phaseninformation der Haupteinheit M unter Verwendung einer getrennten niederfrequenten Lichtmodulation oder einer Mikrowellenverbindung zugeführt werden.

Ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 ist in Fig. 4 dargestellt. Gleiche Teile in den Figg. 1 und 4 sind mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Bei der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 4 ist ein Zirkularpolarisator MCP, zwischen dem Laser L·, und dem Modulations_T hohlraum C., der Haupteinheit M anstelle des Linearpolarisators MP, der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 eingesetzt,- Daher wird der Strahl Mb_n von dem Modulationshohlraum C_„ mit der

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Frequenz f des Hohlraums C^ elliptisch polarisationsmoduliert. In gleicher Weise ist ein Zirkularpolarisator SCPp zwischen dem Modulationshohlraum C₃ und dem Photodetektor PD₃ der Nebene inheit S anstelle des Linearpolarisators SPp der Entfernungsmeßeinrichtung nach Fig. 1 eingesetzt. Der Zirkularpolarisator SCP₂ ist bezüglich des Zirkularpolarisators MCP₁ gekreuzt.

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Daher wird der Strahl Sb₀ mit der Frequenz f_ amplitudenmoduliert. Der elektrische Ausgang des Photodetektors PD„ weist eine Frequenz auf, die gleich der des Strahls Sb_n. ist und dieser elektrische Ausgang wird in einem Verstärker A' verstärkt, wobei das verstärkte Signal einer (nicht gezeigten) zusätzlichen Elektrode in dem Modulationshohlraum C_g zugeführt wird. Der Strahl Sb. von dem Laser L_g wird über einen Zirkularpolarisator SCP. dem Modulationshohlraum CL zugeführt. Der Strahl Sbp von dem Modulationshohlraum ist daher sowohl mit der Frequenz f_c polarisationsmoduliert als auch mit der Frequenz f_ß elliptisch polarisationsmoduliert.

Nach der Rückübertragung entlang des Weges, dessen Länge gemessen werden soll, bis zum Teleskop T_M der Haupteinheit M wird der Strahl Mb, auf einen Strahlteiler BS geleitet. Der durch den Strahlteiler hindurchgelangende Teil des Strahls wird durch den Modulationshohlraum C_M geleitet. Der Strahl Mbh von dem Modulationshohlraum CL. läuft durch einen Zirkularpolarisator MCPp, der bezüglich des Zirkularpolarisators SCP, gekreuzt ist. Der von dem Zirkularpolarisator MCPp austretende Strahl Mbj- ist amplitudenmoduliert und wird auf dem Photodetektor PDj. geleitet. Die Frequenz der Amplitudenmodulation

des Strahls Mb₁- ist f_ und ihre Phase ist auf die Phase $_M ρ rs i^vi

des Modulationshohlraumes C_M bezogen, d.h. sie ist auf die Anzahl der Perioden des Strahls Sb_p über den Weg bezogen, dessen Entfernung zu messen ist.

Der von dem Strahlteiler BS abgelenkte Teil des Strahls läuft durch einen Linearpolar isator MP^₅ und ein von diesem ausgehender Strahl Mbg ist mit der Frequenz f_ amplitudenmoduliert und seine Phase ist auf die Phase gL des Modulationshohlraumes Cg bezogen, d.h. sie ist auf die Anzahl der Perioden des Strahls Mb₂ auf dem Weg zwischen dem Modulationshohlraum Cj. und dem Modulationshohlraum C_g unter Einschluß der einen veränderlichen Lichtweg aufweisenden Einrichtung VP bezogen.

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Der Strahl Mbg wird auf einen Photodetector APD„ gelenkt. Das Ausgangssignal des Photodetektors PD.. wird den X-Platten eines Oszilloskops 0 zugeführt, während das Ausgangssignal von dem Photodetektor APDj. den Y-Platten des Oszilloskops zugeführt wird. Die Ausgangssignale von den Photodetektoren PD_M und APD-, bewirken die Abbildung einer Lissajous-Figur auf dem Oszilloskop, wobei diese Figur dadurch als Linie eingestellt wird, daß die einen veränderlichen Lichtweg aufweisende Einrichtung VP eingestellt wird, woraus die zu messende Länge des Weges in der vorstehend anhand der Fig. 1 beschriebenen Weise bestimmt werden kann.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1./Entfernungsmeßeinrichtung, gekennze ichne t durch erste Modulationseinrichtungen (CL., Xl) zur Modulation einer ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Mb.), erste Sendereinrichtungen (VP) zur Aussendung der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Mb_?) über einen Weg, dessen Länge zu messen ist, Empfangseinrichtungen (Tg, Cg) zum Empfang der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Mbp) und zur Bestimmung der Modulationsphase hiervon, zweite Modulationseinrichtungen (Oo) zur Modulation einer zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Sb,) entsprechend der Modulationsphase der empfangenen modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Mbp), zweite Sendereinrichtungen zur Aussendung der modulierten zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung (Sbp)zurück über den Weg, dessen Länge zu messen ist, und Detektoreinrichtungen (C_M, Xp) zur Feststellung der Modulationsphase der empfangenen modulierten zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung und zur Erzeugung einer Anzeige der Länge des Weges hieraus.

2. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Modulationseinrichtungen (C„, X,) einen Kristall (X,) aufweisen, der den direkten Pockel'sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweist und der in einem Hohlraumresonator so angeordnet ist, daß die erste elektromagnetische Trägerstrahlung (Mb,) in einer Richtung parallel zur z-Achse des Kristalls hindurchverläuft und daß die x- oder y-Achse des Kristalls (X,) parallel zur Polarisationsebene der ersten hindurchlaufenden elektromagnetischen Trägerstrahlung (Mb,) ist.

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3>. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungeii (C_M, X₂) einen Kristall (X₂) umfassen, der den direkten Pockel¹sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweist und der in dem Hohlraumresonator derart angeordnet ist, daß die empfangene modulierte zweite elektromagnetische Trägerstrahlung (Sb₂) in einer Richtung parallel zur optischen Achse und senkrecht zu einem angelegten elektrischen Feld (E) hindurchgeleitet wird, und daß die Einrichtung weiterhin Einrichtungen (V_p) zur Änderung der Modulationswellenlänge und/oder des von der modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung durchlaufenen Weges einschließt, um auf diese VfeLse eine Messung des Weges in Ausdrücken der Modulationswellenlänge zu ermöglichen.

4. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die z-Achse jedes Kristalls (X₁, X₂) senkrecht zu dem elektrischen Feld (E) an dem jeweiligen Kristall ist.

5. Entfernungsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichne t durch einen ersten Laser (L..) zur Erzeugung der ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung.

6. Entfernungsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t, daß die zweiten Modulationseinrichtungen (C_a) einen Kristall aatweisen, der den direkten Pockel¹sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweist und der in einem Hohlraumresonator derart angeordnet ist, daß die zweite elektromagnetische Trägerstrahlung in einer Richtung parallel zu der z-Achse des Kristalls hindurchgeleitet wird und daß die x- oder y-Achse des Kristalls parallel zur Polarisationsebene der zweiten

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elektromagnetischen Trägerstrahlung ist, die durch diesen hindurchläuft.

7. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e, kennzeichnet, daß die Empfangseinrichtungen (To, C₀) einen Kristall einschließen, der den direkten Pockel¹sehen linearen elektrooptischen Effekt aufweist und der so in dem Hohlraumresonator angeordnet ist, daß die modulierte erste elektromagnetische Trägerstrahlung in einer Richtung parallel zu seiner optischen Achse hindurchgeleitet wird.

8. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die z-Achse jedes Kristalls senkrecht zum elektrischen Feld an dem jeweiligen Kristall ist.

9. Entfernungsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Modulationseinrichtung (Cj., v\) so angeordnet ist, daß sie die erste elektromagnetische Trägerstrahlung (Mb,) mit einer Frequenz moduliert, die von der Frequenz abweicht, mit der die zweiten Modulationseinrichtungen (C_o) die zweite

elektromagnetische Trägerstrahlung (Sb,) modulieren, daß die Einrichtung Photodetektoreinrichtungen (PD_M) einschließt, die zum Empfang der Strahlung von den zweiten Modulationseinrichtungen (C_Q) angeordnet sind, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, dessen Frequenz auf die Differenz zwischen der Modulationsfrequenz der ersten Modulationseinrichtungen (Cjyj) und der Modulationsfrequenz der zweiten Modulationseinrichtungen (Cg) bezogen ist und das mit einer Frequenz amplitudenmoduliert ist₅ die auf die Modulationsphase der empfangenen modulierten ersten elektromagnetischen Trägerstrahlung bezogen ist.

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10. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 9* gekennzeichnet durch einen zweiten Laser (L₀) zur Erzeugung der zweiten elektromagnetischen Trägerstrahlung.

11. Entfernungsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Laser (Lg) so aufgebaut ist, daß er von dem elektrischen Signal gesteuert wird.

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