Rückführbare hochgenaue Distanzmessungen über mehrere hundert Meter durchgeführt

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „Absolute long distance measurement in air“ wurden an der PTB ein hochgenauer Entfernungsmesser entwickelt und auf mehreren Referenzstrecken mit Entwicklungen von europäischen Partnerinstituten sowie dem präzisesten etablierten Verfahren verglichen. Der Entfernungsmesser beruht auf einem Heterodyninterferometer, das mit vier Wellenlängen arbeitet. Als Lichtquelle des Interferometers dient ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser, der sowohl die Grundwelle bei einer Wellenlänge von 1064 nm als auch das frequenzverdoppelte Licht bei 532 nm zur Verfügung stellt.

Mit einem akusto-optischen Frequenzschieber wird ein Teil des Lichts der Wellenlänge 1064 nm um einen Betrag von 82 MHz in der Frequenz verschoben. Beide Strahlen werden auf die Messstrecke geführt und nach Reflexion an einem Tripelspiegel mit zwei Referenzstrahlen zur Interferenz gebracht. Die Phasendifferenz beider Interferometersignale zeigt eine Schwebung („synthetische Wellenlänge“) mit einer Periode von c/2/82 MHz » 1,83 m. Diese Phasendifferenz dient zur Grobbestimmung der gemessen Länge, die vorab auf ca. ±0,9 m bekannt sein muss. Das frequenzverdoppelte Licht der Wellenlänge 532 nm wird entsprechend mit einem akusto-optischen Frequenzschieber um 1,7 GHz verschoben. Die hierfür resultierende synthetische Wellenlänge von ca. 176 mm wird dann zur Feinbestimmung der Länge der Messstrecke benutzt.

Mit diesem Aufbau wurden Vergleichsmessungen auf den Referenzpfeilerstrecken in Nummela (Finnland) bis 864 m Länge und in Innsbruck (Österreich) bis zu 750 m Länge durchgeführt. Bild 1 zeigt die Abweichungen der gemessenen Längen von den Referenzwerten in Nummela. Die Abweichungen liegen im gesamten Bereich unterhalb von ±0,75 mm. Ein Grund für die zunehmende Streuung der Werte mit der Länge ist der Einfluss der Luftbrechzahl auf die Längenmessung, welche sich im Wesentlichen mit der Temperatur, dem Luftdruck und der Luftfeuchte ändert. Bei langen Strecken im Freien hat die Temperatur den größten Einfluss auf die Messunsicherheit. Eine Unsicherheit von 1°C liefert einen Messunsicherheitsbeitrag von 1 mm/km für die Länge.

Bild 1:   Differenz zwischen den mit PTB-Aufbau gemessenen Längen und den Referenzwerten auf der Normal-Pfeilerstrecke in Nummela (Finnland)

Da das Interferometer mit Wellenlängen bei 532 nm und 1064 nm arbeitet, lässt sich der Einfluss der Luftbrechzahl über Ausnutzung der Dispersion kompensieren. Ebenso lässt sich die effektive Temperatur im Strahlengang aus der Dispersion berechnen. Dazu muss die Länge mit je einer Wellenlänge bei 1064 nm und 532 nm mit hoher Auflösung absolut gemessen werden. Da die Absolutmessung im Infraroten mit der Genauigkeit der synthetische Wellenlänge von 3,66 m erfolgt, reicht die Unsicherheit hier nicht aus, um die Brechzahlkompensation direkt durchzuführen. Mit einem Messwert für die Temperatur als Startwert lässt sich die Kompensation dennoch bis zu einer Länge <200 m durchführen. In Bild 2 ist der zeitliche Verlauf der so gemessenen mittleren Temperatur im Strahlengang im Vergleich mit einem Pt100-Widerstandsthermometer dargestellt. Das Widerstandsthermometer befand sich dabei nahe dem Anfang der Messstrecke. Die Übereinstimmung ist in diesem Fall besser als 0,1 °C, wobei weitere Messungen im Bereich ±0,2 °C lagen. Da die Temperatur nur am Anfang der Strecke gemessen werden wurde, sind solche Abweichungen zu größeren Distanzen hin durchaus zu erwarten. Die Mittelungszeit für die interferometrische Temperaturmessung beträgt hier 10 ms und ist damit um Größenordnungen schneller als ein Widerstandsthermometer. Länge und Temperatur werden dabei gleichzeitig gemessen.

Bild 2:   Aus der interferometrischen Messung über die Dispersion berechnete Temperatur im Strahlengang im Vergleich zu der mit einem Pt-100 Widerstandsthermometer am Anfang der Messstrecke gemessenen.