Laufzeitmessung

Laufzeitmessung ist ein Verfahren zur indirekten Entfernungsmessung durch Messung der Zeit, die ein Signal für das Durchlaufen der Messstrecke benötigt.

Je nach Art des Signals wird bei Geräten, welche die Laufzeitmessung ausnutzen entweder von

Radar - Laufzeitmessung mit elektromagnetischen Wellen,
Lidar - Laufzeitmessung mit Laser oder
Sonar - Laufzeitmessung mit Schall oder Ultraschall

gesprochen.

Fledermaus als Vorbild

Bekanntes Vorbild in der Natur ist das Orientierungssystem der Fledermäuse. Diese aktiv fliegenden und weltweit verbreiteten Säugetiere sind in der Lage, sich auch in völliger Dunkelheit zu orientieren. Mit Hilfe der Echoortung können sie Entfernung und Richtung von Hindernissen und Beutetieren lokalisieren.

Dieses Verfahren kann auch der Mensch sich antrainieren. Es kann dann völlig blinden Menschen zur Orientierung dienen.

Technische Umsetzung

Prinzip der Laufzeitmessung

Da elektromagnetische Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, sind die Laufzeiten bei kurzen Strecken extrem klein. Die Zeitmessung erfolg daher mit speziellen Kurzzeitmessern oder Intervallzählern. Erste Anwendungen waren Entfernungen mittels Laufzeitdifferenz von Licht und Schall (Blitz-Donner, Kanonenschüsse) und die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.

Bei Distanzmessungen geht der Entfernungsbereich von einigen Metern (Handlaser für Bauwesen etc.) über einige km (EDM für Vermessung und Geowissenschaften bis Millionen von Kilometern in Astronomie und Raumfahrt.

Die Laufzeitmessung verwendet hauptsächlich:

elektrische Signale, Schwing- und Regelkreise (für Labor- und Zeitmessungen, Elektrotechnik, Computer usw.)
Schall oder Ultraschall, beispielsweise für Tiefenmessung mit Echolot
Lichtwellen und Infrarot für Distanzmessungen, oft in Form von Laserstrahlen
Radiowellen mit Wellenlängen einiger Millimeter (beispielsweise Radar) bis Meter.

Über größere Strecken (2,3) werden oft Echoverfahren oder Reflektoren verwendet, um ausreichend starke Messsignale zu erhalten. Bei Radiowellen (4) ist auch aktive Beantwortung mit Transpondern in Gebrauch. Für reflektierte Signale folgt die Distanz aus $D=c\cdot t/2$ , wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit $c$ von der Brechzahl des Mediums abhängt (für Licht in Bodennähe etwa 1,0003).

Anwendungen

Die wichtigsten Anwendungen sind:

Analyse elektrischer Laufzeiten zur Optimierung von Systemen der Elektrotechnik und Informatik
Labormessungen in der Physik zur Bestimmung von Materialeigenschaften (Brechzahl optischer Medien, geophysikalische Wellenausbreitung in Gesteinen ...) oder zur Eichung von Verfahren und Maßstäben
Distanzmessungen in der Geodäsie, Astronomie, Navigation etc. aus der Laufzeit von Schall- oder elektromagnetischen Wellen.