Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Inhomogenitäten im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Richtungsbestimmung eines Zielpunktes durch Auswer¬ tung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt aus¬ gehenden Wellenstrahlung, gemäss dem Oberbegriff des Patent¬ anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Im Vermessungswesen machen sich mit steigender Präzision der Instrumente und mit den höheren Anforderungen an die Mess¬ genauigkeit Turbulenzen des vom Messstrahl zu durchdringen¬ den Mediums störend bemerkbar. Dies äussert sich z.B. darin, dass eine punktförmige Lichtquelle in einer gewissen Distanz nur noch als flimmernder Leuchtfleck beobachtet wird. Ein solcher verschmierter Leuchtfleck kann mit herkömmlichen Methoden nicht weiter aufgelöst werden, da die wahre Posi¬ tion des Bildes der punktförmigen Lichtquelle statistischen zeitlichen Schwankungen unterliegt, die auf Inhomogenitäten in der Dichte des durchdrungenen Mediums und damit auf Schwankungen des Brechungsindexes längs der Messstrecke beruhen.

Untersuchungen zu diesen Phänomenen wurden ursprünglich angeregt durch die Beobachtung der Gestirne und die dabei auftretenden Unregelmässigkeiten, die sich bei der Beo¬ bachtung durch die Erdatmosphäre einstellen. Zur Reduktion der dadurch entstehenden Messfehler bei optischen Beobach¬ tungen sind bisher nur Verfahren bekannt zur Kompensation von quasi-statischen grossräumigen Inhomogenitäten, die so¬ genannte Refraktionskompensation. Bei der Durchführung dieser Verfahren müssen entsprechend lange Beobachtungs¬ zeiten in Kauf genommen werden.

Inzwischen hat sich gezeigt, dass Verfahren zur Refraktions¬ kompensation für die Korrektur bei hochpräziseπ Messungen nicht mehr ausreichen. Vielmehr machen sich die Einflüsse von Turbulenzen im durchdrungenen Medium als überwiegender Störfaktor bemerkbar. Besonders unangenehm sind die Turbu¬ lenzen z.B. bei hochpräzisen optischen Richtungsbestim¬ mungen, die mit Hilfe eines Richtstrahls, z.B. eines vom Zielpunkt ausgehenden Laserstrahls, arbeiten. Turbulenzen sind aber im Gegensatz zur Refraktion keine Langzeiteffekte, sondern je nach den Strömungsverhältnissen im Medium Kurz¬ zeiteffekte, welche das Brechungsverhalten längs der Mess¬ strecke innerhalb von Minuten oder Sekunden entscheidend verändern können.

Diese grundsätzliche Erkenntnis führt zur Aufgabe der vorliegenden Erfindung, welche darin besteht, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung und zur Kompensation derartiger Turbuleπzeffekte bei der Richtungsbestimmung zu entwickeln, so dass auch kurzzeitig variable Inhomogenitäten

im Brechungsindex eines dispersiven Mediums bei der Rich- tungsbestimmuπg eines Zielpunktes durch Auswertung des Ausbreitungsverhaltens einer vom Zielpunkt ausgehenden Wellenstrahlung berücksichtigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Ansprüchen 1 und 5 definierten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemässen Massnahmen bieten wesentliche Vor¬ teile in mehrfacher Hinsicht: Auch bei starken Turbulenzen im Medium längs der Messstrecke zwischen dem Messpunkt und dem Zielpunkt lassen sich in kürzester Zeit, z.B. innerhalb von Sekunden, sehr präzise korrigierte Winkelmessungen durchführen. Dabei werden die Effekte von Turbulenzen kurzzeitig und ausserdem gleichzeitig mit der eigentlichen Messung erfasst und zu einem korrigierten Messwert verarbei¬ tet. Die reproduzierbare Genauigkeit der Messwerte liegt bei Wahl der Messzeit von einigen Sekunden bei einigen hundert Nanoradian .

Entgegen bisheriger Annahmen aus bekannten Verfahren zur Refraktionskompensation ist es für die optimale Kompensation von Turbulenzeinflüssen entscheidend, die Apertur der Em¬ pfängeroptik möglichst klein zu wählen. Dies bedeutet, dass eine entsprechende zusätzliche Einrichtung in einem konven¬ tionellen Theodoliten Platz findet, wodurch dessen Messge¬ nauigkeit insbesondere bei starken Temperaturunterschieden und bei Auftreten einer gewissen Luftströmung, erheblich verbessert werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung des Messprinzips,

Fig. 2 den Einfluss der Dispersion bei der Messung,

Fig. 3 die Varianz der nach dem erfindungsgemässen Ver¬ fahren korrigierten Winkeldifferenz (Kurve A) im Vergleich zum konventionell gewonnenen Ergebnis (Kurve B),

Fig. 4 das Beispiel eines Senders mit einer Laserdiode zur Erzeugung von zwei Sendefrequenzen, und

Fig. 5 eine Empfängerschaltung zur erfindungsgemässen

Auswertung optischer Signale unter Verwendung des Multiplex-Verfahrens.

Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird zunächst anhand von Fig. 1 erläutert. Zwischen einem Sender 1 und einem Empfänger 2 besteht eine direkte geometrische Verbindung D. Lichtstrahlen, die vom Sender 1 ausgehen, werden als Folge von Brechwertänderungen auf ihrem Weg längs der Übertra¬ gungsstrecke abgelenkt, so dass sie im Empfänger unter einem Winkel ß gegenüber der Geraden D eintreffen. Ohne Vornahme einer Korrektur würde der Sender 1 als virtueller Sender l ^r

auf der Verbindung D' erscheinen, was insbesondere bei Win¬ kelmessungen und darauf beruhenden Messverfahren zu Fehl¬ messungen führen kann.

Zur Langzeit-Kompensation des durch die Refraktion hervor¬ gerufenen Winkelfehlers ß wird der Dispersionseffekt heran¬ gezogen, durch welchen zwei unterschiedliche Frequenzen B und R längs der Übertragungsstrecke verschieden stark abge¬ lenkt werden. Der durch die Dispersion verursachte Unter¬ schied im Einfallswinkel beträgt delta ß. Es hat sich nun gezeigt, dass die Winkeldifferenz delta ß aufgrund der Dis¬ persion in erster Näherung direkt proportional ist zu dem von den Brechwertänderungen stammenden Winkelfehler ß. Diese Grundtatsacheπ haben in gewissen Grenzen für alle brechenden Medien Gültigkeit, also für Luft ebenso wie für Wasser oder andere Fluide, sowie auch für Festkörper, bezüglich der Aus¬ breitung beliebiger Wellen.

Bisherige Verfahren zur Kompensation des Refraktionswinkels ß sind von Langzeitbeobachtungen der Winkelabweichungen aus¬ gegangen. Turbulenzeinfiüsse durch zeitlich veränderliche Ungleichvεrteilungen in der Dichte und damit im Brechungs¬ index des von der Wellenstrahlung durchsetzten Mediums wurden dabei nicht berücksichtigt.

Fig. 2 zeigt nun die Momentaufnahme für den Krümmungsverlauf von Strahlungsachsen unterschiedlicher Frequenz unter Be¬ rücksichtigung der Turbulenzen. Dabei ist zu berücksichti¬ gen, dass sich die Turbulenzen durch Strömungseinflüsse oder unterschiedliche Wärmeeiπstrahlung längs der Übertragungs-

strecke zeitabhängig verändern können. Dementsprechend würde sich auch der Verlauf der Achsen von B und R in Fig. 2 und damit der Einfallswinkel am Empfänger verändern.

Das im folgenden näher beschriebene Verfahren trägt dieser Erkenntnis dadurch Rechnung, dass die von der Dispersion verursachten Winkelabweichungen delta ß in sehr kurzen Zeit¬ intervallen als eine Serie von Einzelmessungen ausgemessen und über einen Zeitraum von Sekunden oder Minuten ausgemit- telt werden. Aus dem erhaltenen Mittelwert wird dann die erforderliche Korrektur für den eigentlichen Messwert gewon¬ nen. Die erwähnten Zeitintervalle für die Ermittlung der Korrekturwerte sind auf die tatsächlichen Veränderungen im Refraktionsverhalten des Übertragungsmediums abgestimmt.

Werden praktisch zur gleichen Zeit die eigentlichen Winkel¬ messungen und die Korrekturmessungen durchgeführt, werden damit diejenigen Ungenauigkeiten im Messergebnis beseitigt, welche auf den "Verschmierungseffekt" durch die frühere Langzeitintegration bzw. das Ausmitteln bei der Fehlerkom¬ pensation zurückzuführen sind. Die Messgenauigkeit kann dadurch ohne weiteres um eine Grössenordnung verbessert werden. Wie später noch plausibel gemacht wird, nimmt der Restfehler wesentlich schneller mit der Messzeit ab als dies bei der herkömmlichen Kompensationsmethode der Fall ist.

Im folgenden wird kurz auf den theoretischen Hintergrund der Erfindung eingegangen, soweit er zum Verständnis der Zusam¬ menhänge beiträgt.

Betrachtet man eine für Z=0 ebene Welle, die sich in der Z- Richtung ausbreitet, so wird diese Welle durch Inhomogeni¬ täten in der Atmosphäre verzerrt. Es ist bekannt, dass diese verzerrte Welle in der Ebene z=R>0 näherungsweise gegeben ist durch

exp [ ik ₀ int dz n(x,y,z)] (Rytov'sche Näherung),

worin k die Wellenzahl des verwendeten Lichts und n(x,y,z) der Brechungsindex des durchsetzten Mediums (z.B. Luft) ist,

Das Integral ₀ int ^H dz n(x,y,z) lässt sich, ohne Näherung; partiell in eine Taylorreihe entwickeln:

int dz n(x,y,z) = c + ax + by + ^(x,y),

worin j2f(x,y) der Restterm ist. Nimmt man an, dass k^(x,y) klein gegen 1 ist, dann gilt

expfik ₀ int ^R dz n(x,y,z)J = exp|]ik(c-ι-ax+by)_ l+iko(x, y)

Der Term exp[ik(c+ax+by)] stellt eine sich in der Richtung (a,b,l) ausbreitende ebene Welle dar. Die Winkel a und b sind nur über den Brechungsindex n von der Wellenlänge des Lichts abhängig, wie dies für die Turbulenzkompensation erforderlich ist.

Für das gute Funktionieren der Methode ist es wichtig, dass der Störterm k^.(x,y) so klein wie möglich ist. Je kleiner der betrachtete Ausschnitt aus der Wellenfront ist, um so

kleiner wird also der Störter . Dies hat die beachtenswerte Konsequenz, dass die Apertur des Empfängers möglichst klein zu sein hat, was durchaus im Gegensatz zu der bisherigen Auffassung der einschlägigen Fachwelt steht. Bisher wurde davon ausgegangen, dass im Hinblick auf eine möglichst gute Mittelung der Turbulenzeinflüsse eine grosse Apertur zu ver¬ wenden ist. Das obige Ergebnis zeigt, dass diese traditio¬ nelle Auffasssung zu relativieren ist, sobald es um die Reduktion der Turbuleπzeinflüsse auf die Messgenauigkeit geht.

Je grösser die Turbulenzstrukturen sind, oder je kleiner die räumliche Frequenz der Variationen in n(x,y,z) ist, um so kleiner ist der Störterm k^f(x,y) im Verhältnis zu den Win¬ keln a und b. Diese grossen Turbulenzstrukturen verursachen also kleinere Fehler als die kleineren Strukturen. Grosse Strukturen verursachen gleichzeitig diejenigen Fehler, die sich am langsamsten ändern und deshalb mit den herkömmlichen Methoden am schlechtesten auszumitteln sind. Da die neue Methode gerade diese Fehler gut kompensiert, nimmt der Feh¬ ler bei der vorliegenden Methode viel schneller mit der Messzeit ab als bei konventionellen Methoden.

Fig. 3 zeigt die typische Gesetzmässigkeit im Verlauf der Fehlervarianz in Abhängigkeit von der Messzeit, und zwar Kurve A gemäss der Erfindung und Kurve B nach dem Stand der Technik.

Um die Anforderungen an die Stabilität des Empfängers auf einem Mini ium zu halten, ist es zweckmässig, nur einen gemeinsamen Übertragungskanal für die unterschiedlichen

Frequenzen zu verwenden. Die Identifizierung der Frequenzen kann dann z.B. durch unterschiedliche Intensitätsmodulation für die verwendeten diskreten Frequenzen, erfolgen.

Fig. 4 zeigt das Prinzip der Gewinnung von zwei Sendefre¬ quenzen aus einer einzigen Laserdiode durch Frequenzverdop¬ pelung. Der von einer Laserdiode 1 ausgehende Strahl, der z.B. im roten Bereich liegt, vorzugsweise bei ca. 430 nm, wird in einem teildurchlässigen Spiegel 7A aufgespalten. Der abgelenkte Strahl durchläuft nach Umlenkung an einemm Spie¬ gel 7B im Beispiel einen nichtlinearen Kristall 8, z.B. ein Kaliu niobat- oder Lithiu niobatkristall . In diesem nicht- linearen Kristall wird die Frequenz der Lichtwelle verdop¬ pelt, im Beispiel also auf 860 nm. Diese Frequenz liegt im Blau-Bereich und ist in Fig. 4 mit B bezeichnet, im Gegen¬ satz zur ursprünglichen Frequenz, die im Rot-Bereich liegt und mit R bezeichnet ist. Zur Intensitätsanpassung der beiden Sendestrahlen ist ein Intensitätsfilter 9 in min¬ destens einem der Strahlengänge vorgesehen.

Zur besseren Identifizierung der beiden Sendestrahlen für die Auswertung im Empfänger ist eine rotierende Chopper- Scheibe 10 vorgesehen, welche für beide Frequenzen eine unterschiedliche Intensitätsmodulation vornimmt. Dies wird durch unterschiedlich breite Schlitze Sl bzw. S2 auf dem Umfang der Chopper-Scheibe 10 erreicht.

Fig. 5 zeigt eines von vielen möglichen Ausführungsbei- spielen für eine Empfängerschaltung zum Erfassen der be¬ schriebenen Winkelabweichungen. Wie in Fig. 2 schematisch

angedeutet ist, werden die vom Sender 1 ausgehenden Licht¬ strahlen R und B unterschiedlicher Frequenz von einer Empfängeroptik 5 gemeinsam aufgefangen und auf die Ober¬ fläche eines positionsempfindlichen Detektors 6 geleitet. Im Beispiel handelt es sich bei den unterschiedlichen Frequen¬ zen, wie oben erwähnt, um rote und blaue Lichtstrahlen, die von mindestens einer Laserdiode im Sender ausgehen. Beim Detektor handelt es sich z.B. um eine Dual-Photodiode, welche zwei benachbarte lichtempfindliche Bereiche E und F aufweist.

Entsprechend weist eine empfängerseitige Auswerteschaltung Eingänge E und F für die Ausgangssignale der Photodioden¬ bereiche sowie einen Referenzeingang Ref auf. Die Eingangs¬ signale E und F werden je einer Sample- und Hold-Schaltung 11 bzw. 12 zugeführt. Gesteuert von einer Logik- und Zeit¬ steuereinheit 13 werden die Ausgänge dieser beiden Schal¬ tungen von einer Multiplex-Schaltung 14 abgetastet, in einem Verstärker 15 verstärkt und über einen Analog/Digitalwandler 16 Registern 17 zugeführt, wo die Signale zur Weiterverar¬ beitung in einem Rechner 18 zwischengespeichert werden.

Aus den an den Eingängen E und F anfallenden Positionssigna- len werden Winkeldifferenzen delta ß gewonnen. Im Rechner werden diese Werte entsprechend einem vorgegebenen Programm zu anderen Messwerten im Sinne einer Korrektur in Beziehung gebracht, so dass am Rechπerausgang korrigierte Messwerte direkt ausgegeben werden können, oder diese Werte zur späteren Verarbeitung gespeichert werden.

In einem praktisch ausgeführten Beispiel wurden zwei Licht¬ frequenzen von ca. 430 nm und ca. 860 nm durch eine Luft¬ atmosphäre von ca. 24 Grad Celsius übertragen. Die Apertur der Empfängeroptik betrug in einem Fall 36 mm und im zweiten Fall 46 mm. Zur Demonstration der mit der Messzeit stark abnehmenden Fehlervarianz wurden die Einzelmesswerte jeweils nach 1 see und nach 10 see gemittelt. Die Ergebnisse stellen sich wie folgt dar:

1. Apertur = 36 mm: leicht bewölkt; Wind von 2,5 m/s unkorrigiert korrigiert T - 1 see 1,58 x 10 ^"11 rad ² 1,74 x lO ^-11 rad ² T = 10 see 8,68 x 10 ^"12 rad ^¬ 2,77 x 10 ^-12 rad ²

sonnig; Wind von 2,0 m/s unkorrigiert korrigiert T = 1 see 4,69 x 10~ ¹² rad ² 5,34 x 10 ^"12 rad ² T = 10 see 2,70 x 10 ^~12 rad ² 5,59 x 10 ^"13 rad ²

2. Apertur - 46 mm: sonnig; Wind von 2,0 m/s unkorrigiert korrigiert T = 1 see 1,63 x 10 ^"11 rad ² 1,40 x 10 ^"11 rad ²

T = 10 see 7,52 x 10 ^-12 rad ² 1,95 x 10 ^~12 rad ²