3 Messprinzipien der elektronischen Entfernungsmessung

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Dieter Kalb
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1 3 Messprinzipien der elektronishen Entfernungsmessung Der Benutzer der modernen Entfernungsmessgeräte und Tahymeter ist sih der komplexen inneren Abläufe dieser hohwertigen Geräte kaum bewusst. Da die Handhabung dieser Instrumente heute auh für den Nihtfahmann äußerst einfah ist, sind oft auh kaum Kenntnisse über die bei diesen Geräten angewandten Messprinzipien vorhanden. Andererseits sind trotz aller tehnisher Reife auh die modernen Geräte niht frei von zufälligen und systematishen Fehlern. Ohne Kenntnis der Messprinzipien kann jedoh auh keine sinnvolle Vorkehrung zur Ausshaltung bzw. Einshränkung dieser Fehler getroffen werden. Erfreuliherweise sind die angewandten Messprinzipien in ihren Grundzügen leiht zu verstehen. Bei den meisten Messprinzipien wird eine elektromagnetishe Welle von einem Sender erzeugt, über die zu messende Distanz zu einem Reflektor gesandt, dort reflektiert, von einem Empfänger empfangen und dann ausgewertet. Überwiegend wurde hierbei aus dem elektromagnetishen Spektrum der Bereih von 0,5 m bis 1,5 m, also der Bereih des sihtbaren Lihtes und des nahen Infrarots, verwendet. Bei zwei Messprinzipien dient die vom Sender ausgesandte Welle direkt als Messsignal und bei einem weiteren Messprinzip wird dieser ausgesandten Welle ein periodishes Messsignal aufmoduliert. Man untersheidet folgende Verfahren: Impulsmessverfahren: Der Sender sendet nur während sehr kurzer Zeit und das ausgesandte Wellenpaket (Puls) dient als Messsignal. Entfernungsmessung mittels Dopplereffekt: Aus der Relativbewegung zwishen Sender und Empfänger wird eine Entfernungsänderung abgeleitet. Entfernungsmessung durh Interferenzen: Die vom Sender kontinuierlih abgestrahlte Welle dient direkt als Messsignal. Phasenvergleihsverfahren: Der vom Sender kontinuierlih abgestrahlten Welle wird ein periodishes Messsignal aufmoduliert. Distanzmessung durh Lasertriangulation: Aus der Änderung eines Triangulationswinkels bei vorgegebener Basis wird eine Distanz abgeleitet.

2 18 3 Messprinzipien der elektronishen Entfernungsmessung Diese Verfahren werden im Folgenden kurz vorgestellt. Das derzeit noh am häufigsten eingesetzte Verfahren, das Phasenvergleihsverfahren, wird darüber hinaus in Abshnitt 4 ausführlih besprohen. 3.1 Impulsmessverfahren Grundlage des Impulsmessverfahrens ist die Messung der Laufzeit eines Laserimpulses (Bild 3-1). Laserimpuls Reflektor Sender Empfänger D Bild 3-1: Impulsmessverfahren Misst man die Laufzeit t eines Impulses, der vom Sender zum Reflektor und wieder zurük zum Empfänger läuft, so kann man die gesuhte Distanz D direkt aus der Laufzeit t ableiten: D 0 t (3-1) n mit 0 = Lihtgeshwindigkeit im Vakuum, = m/s, n = Brehzahl der Atmosphäre oder mit der geshwindigkeit folgt 0 (3-) n t D. (3-3)

3 3.1 Impulsmessverfahren 19 Die Impulse werden hierbei von einem durh die Sendediode fließenden Stromstoß von a. 10 ns (1ns 10 9 s) Dauer erzeugt. Die Impulslänge von 10 ns entspriht einem Lihtbalken von 3 m Länge. Die Laufzeitmessung erfolgt mit Hilfe eines elektronishen Zählers (Bild 3-). Zähler START STOP Sender Empfänger Bild 3-: Prinzip der Laufzeitmessung Beim Aussenden des Impulses wird ein Teil des Impulses direkt auf den Empfänger gelenkt und damit der Zähler gestartet. Der Zähler zählt dann so lange, bis der vom Reflektor zurükkommende Impuls den Zählvorgang beendet. Da die Lihtgeshwindigkeit sehr groß ist, werden an die Laufzeitmessung sehr hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt. Nah D t und t D folgt für die Genauigkeit der Zeitmessung s t bei vorgegebener Strekenmessgenauigkeit s D s. t s D Soll die Strekenmessung auf ±0,5 m genau erfolgen, so folgt für die geforderte Genauigkeit der Laufzeitmessung st 0,005 m 10 0,33 10 s 0,033 ns m s. Bemerkenswert ist hierbei, dass diese hohe Genauigkeitsforderung unabhängig von der Länge der zu messenden Streke ist und somit auh für Kurzstreken gilt. Um diese hohe Genauigkeitsanforderung zu erfüllen, werden zur Zeitmessung bei der geodätishen Strekenmessung zwei Verfahren, die digitale und die analog-digitale Zeitmessung, angewandt.

4 0 3 Messprinzipien der elektronishen Entfernungsmessung Bei der digitalen Zeitmessung wird die Laufzeitmessung nah HIPP 1983 mit Hilfe einer relativ hohen Oszillatortaktfrequenz von 300 MHz bestimmt (Bild 3-3). t 300 MHz Zählertor auf zu Während Toröffnung gezählte Takte (entsprehen der gesuhten Streke) Bild 3-3: Digitale Laufzeitmessung Der ausgesandte Impuls () öffnet das Zählertor und der anshließend vom Reflektor zurüktreffende Impuls () shließt es wieder. Die während der Laufzeit gezählten Takte entsprehen dann der vom Impuls durhlaufenen Streke. Mit dieser hohen erreihen diese Geräte eine Auflösung bei der Einzelmessung von einigen dm. Durh sehr viele Einzelmessungen mit anshließender Mittelbildung kann die Auflösung in den mm-bereih gesteigert werden. Die analog-digitale Zeitmessung (GRIMM, FRANK & GIGER 1986) erfolgt mit einer wesentlih niedrigeren von 15 MHz (Bild 3-4). T a n T T T e 15 MHz t Zählertor auf zu Während Toröffnung gezählte Takte; hier: n Bild 3-4: Grobwertermittlung bei der analog-digitalen Laufzeitmessung Durh den Zähler werden während der Toröffnung die ansteigenden Flanken der Takte, also n Takte und damit das Zeitintervall n T, erfasst. Niht erfasst sind dabei die Restintervalle T a und T e. Bei einer von 15 MHz ist außerdem nur eine Auflösung von 10 m erreiht. Das Zeitintervall n T ist somit erst ein Grobwert, der verfeinert werden muss.

5 3.1 Impulsmessverfahren 1 Zur Messung des vollständigen Intervalls t müssen die Restintervalle T a und T e noh bestimmt werden und man erhält dann t Ta n T T e. (3-4) T a und T e können mit Hilfe eines Zeit-Spannungswandlers mit sehr hoher Auflösung gemessen werden (Bild 3-5). U=0 U=U(T ) a U=0 T a T e U=U(T ) e Kondensatorspannung Bild 3-5: Feinmessung mit Zeit-Spannungswandler (nah GRIMM, FRANK & GIGER 1986) Ein Zeit-Spannungswandler ist im Prinzip ein Kondensator, der durh einen während der Zeit T a bzw. T e konstant fließenden Strom aufgeladen wird. Die am Kondensator anliegenden Spannungen U(T a ) und U(T e ) sind dann ein Maß für die Zeitintervalle T a und T e. Dieses analog-digitale Verfahren ermögliht eine Auflösung bei der Einzelmessung shon im mm-bereih. Zur weiteren Steigerung der Auflösung wird auh hier innerhalb kurzer Zeit eine große Zahl von Impulsen ausgewertet. Die Impulsrepetitionsfrequenz ist allerdings niht beliebig steigerbar. Um ein eindeutiges Strekenmessergebnis zu erhalten, muss vor Aussenden eines neuen Impulses der vorhergehende Impuls shon in den Empfänger gelangt sein. Soll ein Gerät für eine maximale Reihweite von 50 km ausgelegt werden, so müsste der Impuls eine maximale Streke von 100 km zurüklegen und wäre dann 0,333 ms (1 ms = 10-3 s) unterwegs. Es wären hier also theoretish rund 3000 Einzelmessungen pro Sekunde möglih. Beim DI 3000 beträgt der Impulsabstand 0,5 ms. Es sind also 000 Einzelmessungen pro Sekunde möglih und der eindeutige Entfernungsbereih geht hier bis 75 km. Die erreihte Auflösung liegt bei diesem Gerät dann im 0,1 mm-bereih. Eine weitere Steigerung der Auflösung vor allem für die Messung mittlerer und größerer Entfernungen (>1 km) ist niht mehr sinnvoll, da dann z.b. die unsihere Erfassung atmosphärisher Parameter Strekenfehler verursahen kann, die weit über der erreihten Auflösung liegen.

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