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DE10160019B4 - Device for enabling the alignment of a transmitting and receiving channel of a LIDAR device and a LIDAR device equipped with such a device - Google Patents

Device for enabling the alignment of a transmitting and receiving channel of a LIDAR device and a LIDAR device equipped with such a device Download PDF

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DE10160019B4
DE10160019B4 DE10160019A DE10160019A DE10160019B4 DE 10160019 B4 DE10160019 B4 DE 10160019B4 DE 10160019 A DE10160019 A DE 10160019A DE 10160019 A DE10160019 A DE 10160019A DE 10160019 B4 DE10160019 B4 DE 10160019B4
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DE
Germany
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laser beam
lidar device
measuring means
alignment
backward
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Guy Henri Abel Cerutti-Maori
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Alcatel Lucent SAS
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Thales SA
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Abstract

Vorrichtung zum Ermöglichen des Ausrichtens von einem Sende- und Empfangskanal einer einen Sendekanal mit Mitteln (1, oder 1 und 2) zum Erzeugen und Senden eines Laserstrahles (FT) in eine festgelegte Richtung aufweisenden LIDAR-Vorrichtung, wobei die Vorrichtung einen Empfangskanal mit optischen Mitteln (4, 5) umfasst, welche einen Parabolspiegel (4) und eine Fokalkorrekturvorrichtung (5) aufweisen, und welche optischen Mittel vorgesehen und orientiert sind, um einen durch Reflexion an einer Trübung in der Atmosphäre oder am Boden erhaltenen Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufzufangen, wobei die LIDAR-Vorrichtung Haupt-Messmittel (3) zum Empfang des Rückwärts-Laserstrahls (FR) an wenigstens einem Aufnehmer aufweist, und wobei die Vorrichtung Hilfs-Messmittel (7) aufweist, die die Nutzung wenigstens einer Komponente des Rückwärts-Laserstrahles (FR) erlauben, um die Bestimmung der Zentrierung der optischen Mittel (4, 5) auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs-Meßmittel (7) durch Aufnehmer (7) gebildet sind, die an definierten Punkten, die sich in einer peripheren Zone eines Strahles oder...Device for enabling the alignment of a transmission and reception channel of a transmission channel with means (1, or 1 and 2) for generating and transmitting a laser beam (FT) in a defined direction having LIDAR device, the device having a reception channel with optical means (4, 5), which have a parabolic mirror (4) and a focal correction device (5), and which optical means are provided and oriented in order to generate a backward laser beam (FR) obtained by reflection from a cloudiness in the atmosphere or on the ground. the LIDAR device having main measuring means (3) for receiving the backward laser beam (FR) on at least one transducer, and wherein the device has auxiliary measuring means (7) which use at least one component of the backward laser beam (FR) allow to determine the centering of the optical means (4, 5) on the backward laser beam (FR), characterized thereby t, that the auxiliary measuring means (7) are formed by sensors (7) which are located at defined points in a peripheral zone of a beam or ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die dazu dient, die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal einer LIDAR-Vorrichtung zu ermöglichen, die einen Laserstrahl zu Messzwecken einsetzt, und zwar insbesondere die Zentrierung des Empfangskanals auf den Rückwärts-Laserstrahl, sowie ein mit einer solchen Vorrichtung ausgestattetes LIDAR. Dieses LIDAR wird zum Beispiel an Bord eines Satelliten in Erdumlaufbahn mitgefuhrt, um atmosphärische Messungen, insbesondere Winde betreffende Messungen, durchzufuhren.The invention relates to a device which serves to enable the alignment of the transmitting and receiving channel of a LIDAR device, which uses a laser beam for measurement purposes, in particular the centering of the receiving channel on the backward laser beam, as well as with such a device equipped LIDAR. For example, this LIDAR is carried aboard a satellite in orbit to perform atmospheric measurements, particularly wind measurements.

Bekanntlich kann die Gültigkeit von mit einem Laserstrahl durchgeführten Messungen durch einen Ausrichtungsfehler zwischen Sende- und Empfangskanal des Strahles, insbesondere durch einen Zentrierungsfehler, wie oben angegeben, beeintrachtigt werden.As is known, the validity of measurements made with a laser beam can be affected by an alignment error between the transmitting and receiving channels of the beam, in particular by a centering error, as stated above.

Es ist möglich, Ausrichtungsfehler zwischen Sende- und Empfangskanal und insbesondere Fehler der Zentrierung des Empfangskanals zu vermeiden, indem dieser Empfangskanal mit einem großen Blickfeld FOV (für Field of Vision) ausgestattet wird. Ein solches Blickfeld hat jedoch den Nachteil, daß es durch den Empfang eines starken Untergrundsignals, das die Genauigkeit der durchgeführten Messungen signifikant beeinträchtigt, zu einem radiometrischen Fehler fuhrt.It is possible to avoid alignment errors between the transmitting and receiving channels, and in particular errors of the centering of the receiving channel, by providing this receiving channel with a large FOV (Field of Vision) field of view. However, such a field of view has the disadvantage that it leads to a radiometric error by receiving a strong background signal which significantly affects the accuracy of the measurements made.

Eine Lösung des oben erwahnten Problems besteht in der Verwendung eines gleichen afokalen Teleskops zum Senden und zum Empfang, diese ist jedoch schwierig anzuwenden, weil dann das komplexe Problem der Trennung der gesendeten und reflektierten Flüsse am Teleskop gelöst werden muss.One solution to the above-mentioned problem is to use a same afocal telescope for transmission and reception, but this is difficult to apply because then the complex problem of separating the transmitted and reflected flows at the telescope must be solved.

Es ist auch denkbar, eine besonders stabile Montage zu versuchen, die in der Lage ist, die Ausrichtungen zwischen den voneinander getrennt vorgesehenen Kanälen während der Lebensdauer des Satelliten aufrechtzuerhalten, auf dem das LIDAR mitgeführt wird; eine solche Montage ist jedoch schwierig zu konstruieren und zu realisieren.It is also conceivable to attempt a particularly stable assembly capable of maintaining the alignments between the separate channels during the life of the satellite on which the LIDAR is carried; however, such mounting is difficult to construct and to realize.

Wenn eine solche besonders stabile Montage nicht realisiert wird, sind Mittel erforderlich, mit denen der radiometrische Ausrichtungsfehler geschätzt werden kann.If such a particularly stable assembly is not realized, means are required with which the radiometric alignment error can be estimated.

Aus ”An Overview of LITE: NASA's Lidar In-space Technology Experiment”, Winker, D. M. et al., in: Proceedings of IEEE, vol. 84, No. 2, February 1996, Seiten 164–180 ist ein Lidar-System beschrieben, das mit drei Wellenlängen arbeitet und einen Quadranten-/MCP-Detektor aufweist, um einen Teil eines rückgestreuten Laserstrahls auszuwerten und basierend auf dieser Auswertung einen kardanisch aufgehängten Spiegel zu steuern, der zur Ausgabe eines Sende-Laserstrahls eingesetzt wird.From "An Overview of Lite: NASA's Lidar In-Space Technology Experiment", Winker, D.M. et al., In: Proceedings of IEEE, vol. 84, no. 2, February 1996, pages 164-180 a lidar system is described which operates at three wavelengths and has a quadrant / MCP detector to evaluate a portion of a backscattered laser beam and to control a gimbal-mounted mirror based on this evaluation, which is used to output a transmitting laser beam.

Das herkömmliche LIDAR-System weist den Nachteil auf, dass eine Vielzahl von optischen Komponenten, insbesondere von Spiegeln, in dem Empfangsstrahlengang vorgesehen sind, so dass eine entsprechende Dämpfung beziehungsweise Verfälschung der auszuwertenden empfangenen Laserstrahlung stattfindet.The conventional LIDAR system has the disadvantage that a plurality of optical components, in particular of mirrors, are provided in the receiving beam path, so that a corresponding damping or falsification of the received laser radiation to be evaluated takes place.

Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung und eine entsprechende LIDAR-Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass ein Aufbau erreicht wird, der eine geringere Komplexität aufweist und insbesondere eine geringere Dämpfung bzw. Verfälschung empfangener Laserstrahlung bewirkt.Accordingly, it is an object of the present invention to improve a generic device and a corresponding LIDAR device to the effect that a structure is achieved, which has a lower complexity and in particular causes a lower attenuation or falsification of received laser radiation.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und mit einer LIDAR-Vorrichtung gemäß Anspruch 3 gelöst.This object is achieved with a device according to claim 1 and with a LIDAR device according to claim 3.

Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine Auswertung peripherer Bereiche der empfangenen Strahlung zur Realisierung einer Ausrichtungsbewertung, ohne dass gleichzeitig eine unnötige Dämpfung desjenigen Teils des Ruckwärts-Laserstrahls stattfindet, der durch die Haupt-Messmittel ausgewertet werden soll. Die Möglichkeit zur Auswertung der peripheren Anteile des Rückwarts-Laserstrahls für die Ausrichtungsbewertung benotigt vorteilhaft keine als teildurchlässige Spiegel ausgebildeten Strahlteilermittel, vielmehr wird eine Separierung der unterschiedlichen Anteile des Ruckwärts-Laserstrahls vorteilhaft allein durch die erfindungsgemäße Anordnung der Fokalkorrekturvorrichtung, des Parabolspiegels und der Aufnehmer zueinander bewirkt.The configuration according to the invention advantageously makes it possible to evaluate peripheral regions of the received radiation in order to realize an alignment evaluation without at the same time taking place an unnecessary damping of that part of the backward laser beam which is to be evaluated by the main measuring means. The possibility of evaluating the peripheral portions of the backward laser beam for the alignment evaluation advantageously does not require a beam-dividing means designed as a partially transparent mirror, but separation of the different portions of the backward laser beam is advantageously effected solely by the arrangement according to the invention of the focal correction device, the parabolic mirror and the pickups ,

Einem Merkmal der Erfindung zufolge werden die Hilfs-Meßmittel für eine Bestimmung der Winkelpositionierung einer Komponente des Laserstrahles genutzt.According to a feature of the invention, the auxiliary measuring means are used for determining the angular positioning of a component of the laser beam.

Einem Merkmal der Erfindung zufolge sind die Mittel zum Senden des Laserstrahles in eine gegebene Richtung anhand von Signalen orientierungsgesteuert, die im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Meßmitteln erzeugt werden, um die Ausrichtung des Sende- und des Empfangskanals des LIDAR zu ermöglichen, wenn der Empfangskanal in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl dezentriert ist.According to a feature of the invention, the means for transmitting the laser beam in a given direction are orientation-controlled by signals generated in the case of decentration by the auxiliary measuring means to allow the alignment of the transmitting and receiving channels of the LIDAR, when the Receiving channel is decentered with respect to the backward laser beam.

Einem Merkmal der Erfindung zufolge sind die Mittel zum Senden des Laserstrahles in eine gegebene Richtung, die anhand der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Meßmitteln erzeugten Signale gesteuert sind, durch eine im Sendekanal vorgesehene Ausrichtvorrichtung gebildet.According to a feature of the invention, the means for transmitting the laser beam in a given direction, which are controlled by the signals generated in the case of decentering by the auxiliary measuring means, are formed by an alignment device provided in the transmitting channel.

Einem Merkmal einer dritten Variante der Erfindung zufolge weist die Ausrichtvorrichtung einen servogeregelten orientierbaren Spiegel auf. According to a feature of a third variant of the invention, the alignment device has a servo-controlled orientable mirror.

Einem Merkmal einer vierten Variante der Erfindung zufolge sind die optischen Mittel des Empfangskanals anhand von Signalen orientierungsgesteuert, die im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugt werden, um die Ausrichtung des Sende- und des Empfangskanals des LIDAR im Fall einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl zu ermöglichen.According to a feature of a fourth variant of the invention, the optical means of the receiving channel are orientation-controlled by means of signals generated by the auxiliary measuring means in the event of decentering, in order to adjust the alignment of the transmitting and receiving channels of the LIDAR in case of decentering the receiving channel To allow reference to the backward laser beam.

Einem Merkmal einer fünften Variante der Erfindung zufolge wird die Orientierung der optischen Mittel des Empfangskanals realisiert unter Berücksichtigung der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signale, gebildet durch die Gesamtheit des Teleskops, mit dem der Rückwärtsstrahl aufgefangen wird, wobei zu diesem Zweck diese Gesamtheit drehbar montiert und servogeregelt ist.According to a feature of a fifth variant of the invention, the orientation of the optical means of the receiving channel is realized taking into account the signals generated in the case of decentring by the auxiliary measuring means formed by the entirety of the telescope with which the backward beam is collected, for this purpose this assembly is rotatably mounted and servo-controlled.

Einem Merkmal einer sechsten Variante der Erfindung zufolge ist die Orientierung der optischen Mittel des Empfangskanals, die anhand der im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signale orientierungsgesteuert werden, gebildet durch einen drehbar montierten und servogeregelten Spiegel der Gesamtheit des Teleskops, mit dem der Rückwärtsstrahl aufgefangen wird.According to a feature of a sixth variant of the invention, the orientation of the optical means of the receiving channel, which are orientation-controlled by the signals generated in the case of a decentering by the auxiliary measuring means, formed by a rotatably mounted and servo-controlled mirror of the entirety of the telescope, with the Reverse beam is caught.

Einem Merkmal einer siebenten Variante der Erfindung zufolge wird der Messaufnehmer in Abhängigkeit von im Fall einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln erzeugten Signalen seitlich verschoben, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal des LIDAR im Falle einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl zu ermöglichen.According to a feature of a seventh variant of the invention, the sensor is displaced laterally as a function of signals generated by the auxiliary measuring means in the event of a decentering in order to adjust the alignment of the transmitting and receiving channels of the LIDAR in the case of a decentering of the receiving channel with respect to the reverse To allow laser beam.

Die Erfindung, ihre Merkmale und Vorteile werden genauer geschildert in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den unten genannten Figuren.The invention, its features and advantages will be more particularly described in the following description taken in conjunction with the figures below.

1 ist ein Prinzipschema einer Anordnung eines optischen Teleskops, die eine Bewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung enthalten kann. 1 Fig. 10 is a schematic diagram of an arrangement of an optical telescope which may include an evaluation device according to the invention.

2 ist ein Prinzipschema eines Beispiels einer Ausrichtungsbewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung. 2 Fig. 10 is a schematic diagram of an example of an alignment evaluation apparatus according to the invention.

3 ist ein Beispiel eines ersten empfangbaren Signals. 3 is an example of a first receivable signal.

4 ist ein Beispiel eines zweiten empfangbaren Signals. 4 is an example of a second receivable signal.

5 ist ein Prinzipschema einer herkömmlichen Ausrichtungsbewertungsvorrichtung. 5 Fig. 10 is a schematic diagram of a conventional alignment evaluation apparatus.

6 ist ein Beispiel, welches das an einem Vier-Quadranten-Detektor einer Bewertungsvorrichtung, wie in 5 schematisch gezeigt, empfangene Infrarotsignal darstellt. 6 For example, consider an example of what is done on a four-quadrant detector of an evaluation device, as in FIG 5 shown schematically represents received infrared signal.

Das in 1 gezeigte Schema betrifft eine optische Teleskopanordnung. Es wird angenommen, dass mit dieser Anordnung ein Satellit ausgestattet ist, der vorgesehen ist, um um die Erde oder eventuell einen anderen Planeten umzulaufen, um atmosphärische Messungen und z. B. Winde betreffende Messungen durchzuführen. Die Messungen werden durchgeführt mit Hilfe eines Laserstrahls FT, der von einer Quelle 1 erzeugt wird und in eine genaue Richtung D gesendet werden soll, die über eine Ausrichtungsvorrichtung 2 festgelegt ist. Diese Vorrichtung umfasst zum Beispiel einen servogeregelten orientierbaren Spiegel, über den die Orientierung des Strahles geregelt werden kann.This in 1 Scheme relates to an optical telescope arrangement. It is assumed that this arrangement is equipped with a satellite, which is intended to orbit around the earth or possibly another planet in order to obtain atmospheric measurements and z. B. wind measurements to perform. The measurements are made using a laser beam FT from a source 1 is generated and is to be sent in an accurate direction D via an alignment device 2 is fixed. This device comprises, for example, a servo-controlled orientable mirror, by means of which the orientation of the beam can be regulated.

Der Laserstrahl FT ist im allgemeinen auf die Erde und genauer gesagt auf einen festgelegten Punkt ausgerichtet. Der Satellit umfaßt herkömmlicherweise Mittel, die es ihm ermöglichen, sich in Bezug auf den Planeten, um den er umläuft, zu lokalisieren, z. B. einen Positionsfinder vom Typ GPS (für ”Global Positioning System”), und Mittel, die es ihm ermöglichen, seine Lage (Fluglage) in der Umlaufbahn zu bestimmen, z. B. einen stellaren Sensor. Ein System zur Bestimmung der Blick- oder Zielrichtung ist vorgesehen, um auf geometrisch-optischem Niveau die Überprüfung der Genauigkeit der Positionierung der diversen Elemente überprüfen zu können, die zusammenwirken, um die Emission des Strahles FT in eine festgelegte Zielrichtung D zu gewährleisten. Diese Überprüfung erfolgt z. B. mit Hilfe einer optischen Vorrichtung, die einen Teil des in die Richtung D gesendeten Laserstrahles FT zu einem Winkelpositionsaufnehmer zurücksendet, um es diesem Aufnehmer zu ermöglichen, jede Abweichung geometrischer Art zu messen, die an einem der mitgeführten Elemente auftritt, die zum Senden zusammenwirken.The laser beam FT is generally aligned with the earth and more specifically at a fixed point. The satellite conventionally includes means which allow it to locate with respect to the planet around which it orbits, e.g. As a position finder GPS type (for "Global Positioning System"), and means that allow him to determine its position (attitude) in orbit, z. B. a stellar sensor. A system for determining the direction of sight or sight is provided in order to be able to check, at the geometrical-optical level, the accuracy of the positioning of the various elements which cooperate to ensure the emission of the beam FT into a defined target direction D. This review is done z. By means of an optical device which sends back a portion of the laser beam FT transmitted in the direction D to an angular position transducer to allow that transducer to measure any geometric deviation occurring on one of the entrained elements which cooperate for transmission ,

Bekanntlich ist die Genauigkeit der Positionierung der diversen zum Gewährleisten der Emission eines Laserstrahles in eine festgelegte Richtung zusammenwirkenden Elemente nicht ausreichend, um die Gültigkeit der unter Verwendung eines solchen Strahles durchgeführten Messungen zu gewährleisten. Es ist nämlich notwendig, Meßfehler radiometrischer Art zu berücksichtigen, die die Rückwärts-Signale beeinträchtigen können, die durch Reflexion oder Diffusion aus einem gesendeten Laserstrahl entstehen.As is known, the accuracy of positioning the various elements cooperating to ensure the emission of a laser beam in a predetermined direction is not sufficient to ensure the validity of the measurements made using such a beam. Namely, it is necessary to consider radiometric-type measurement errors that may affect the backward signals caused by reflection or diffusion from a transmitted laser beam.

Solche Fehler können insbesondere vorkommen, wenn das Blickfeld des Empfangskanals nicht auf die vom Laserstrahl beleuchtete Zone zentriert ist; in diesem Fall muß das Blickfeld überdimensioniert werden. Das erhaltene Rückwärtssignal kann sich dann deutlich von dem gesuchten unterscheiden, weil der terrestrische Untergrund beobachtet wird.Such errors can occur in particular if the field of view of the receiving channel is not centered on the laser beam illuminated zone; In this case, the field of vision must be oversized. The obtained backward signal may then differ significantly from that sought as the terrestrial background is observed.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, die Abweichung der Laser-Sende- und Empfangskanäle eines LIDAR und insbesondere die Zentrierung des Empfangskanals auf den Rückwärts-Laserstrahl abzuschätzen. Diese Vorrichtung wird hier als Teil eines LIDAR angenommen, das mit einer Anordnung ausgestattet ist, welche ein optisches Teleskop enthält, wie schematisch in 1 gezeigt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche Teleskope bekannten Typs verwendet werden, z. B. ein Teleskop vom Cassegrain-Typ mit Fokalkorrekturvorrichtung. Die betreffenden Elemente des Sendekanals sind die Mittel, die die Emission des Laserstrahles in die Richtung D gewährleisten, sie sind dargestellt durch die Laserquelle 1 und die Ausrichtvorrichtung 2 in 1. Die betreffenden Elemente des Empfangskanals sind gebildet durch optische Empfängermittel, denen Meßmittel zugeordnet sind. Die Empfängermittel sind vorgesehen, um die Auffangung des Laserstrahles zu ermöglichen, der vom Sendekanal herkommt, nachdem er an einem Echo reflektiert worden ist. Sie sind zum Beispiel um ein Photonensammelteleskop herum organisiert, das eingerichtet ist, um den Rückwärts-Laserstrahl auf die Meßeinrichtungen zu richten. Diese sind ausgebildet in Form eines oder mehrerer Meßaufnehmer wie etwa des Aufnehmers 3, bei denen in jedem wenigstens einer der im Rückwärts-Laserstrahl vorhandenen Komponenten aufgenommen ist.The device according to the invention makes it possible to estimate the deviation of the laser transmission and reception channels of a LIDAR and, in particular, the centering of the reception channel on the backward laser beam. This device is here assumed to be part of a LIDAR equipped with an assembly containing an optical telescope, as shown schematically in FIG 1 shown. In the present invention, different telescopes known type can be used, for. As a telescope Cassegrain-type with focal correction device. The respective elements of the transmission channel are the means that ensure the emission of the laser beam in the direction D, they are represented by the laser source 1 and the alignment device 2 in 1 , The relevant elements of the receiving channel are formed by optical receiver means, which are associated with measuring means. The receiver means are provided to allow the collection of the laser beam originating from the transmission channel after it has been reflected on an echo. For example, they are organized around a photon collecting telescope arranged to direct the backward laser beam at the measuring devices. These are formed in the form of one or more transducers such as the transducer 3 in which at least one of the components present in the backward laser beam is received in each.

Im in 1 gezeigten Prinzipschema umfassen die Empfängermittel ein Teleskop mit einem konkaven Spiegel 4 vom Paraboltyp, der in die Zielrichtung D orientiert ist, wobei die Brennachse dieses Spiegels und die Zielrichtung D, wie von den Elementen des Sendekanals definiert, parallel sind. Die Meßmittel sind symbolisch dargestellt durch einen Meßaufnehmer 3, der hier als am Brennpunkt des Parabolspiegels plaziert angenommen wird, um die Komponente oder Komponenten des Rückwärts-Laserstrahles aufzufangen, deren Nutzung zu Meßzwecken vorgesehen ist. Wie oben angegeben, sind diese Messungen zum Beispiel Messungen der Windgeschwindigkeit, die von einem Meßaufnehmer eines räumlichen LIDAR realisiert werden, das organisiert ist, um Messungen in der Erdatmosphäre durchzuführen.Im in 1 In principle, the receiver means comprise a telescope with a concave mirror 4 of the parabola type oriented in the direction D, with the focal axis of this mirror and the direction D as defined by the elements of the transmission channel being parallel. The measuring means are symbolically represented by a transducer 3 which is assumed to be placed at the focus of the parabolic mirror here to absorb the component or components of the backward laser beam intended to be used for measurement purposes. As indicated above, these measurements are, for example, wind velocity measurements made by a spatial LIDAR transducer organized to perform measurements in the earth's atmosphere.

Bei dem betrachteten Beispiel ist eine Fokalkorrekturvorrichtung 5 zwischen dem Aufnehmer 3 und dem Spiegel 4 angeordnet und auf die Brennachse dieses Spiegels 4 zentriert. Sie ist hier schematisch dargestellt durch eine Montage, die durch eine Sammellinse in Zuordnung zu einer Zerstreuungslinse gebildet ist, zu Zwecken der Fokussierung der empfangenen Rückwärts-Lasersignale auf den Aufnehmer 3.In the considered example is a focal correction device 5 between the pickup 3 and the mirror 4 arranged and on the focal axis of this mirror 4 centered. It is shown schematically here by a mounting, which is formed by a converging lens in association with a diverging lens, for purposes of focusing the received backward laser signals on the pickup 3 ,

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Rückwärts-Lasersignale, die vom Boden oder ggf. von Trübungen und insbesondere von Wolken zurückgeworfen werden, zu nutzen, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal zu überprüfen. Dies wird dadurch möglich, daß der von einem Laserstrahl zurückgelegte Weg von einem Satelliten in der Umlaufbahn, an dem der Strahl gesendet worden ist, bis zu dem Moment, wo der gleiche Strahl durch ein Echo am Boden oder an einer atmosphärischen Trübung reflektiert wird, dem entspricht, den der reflektierte Strahl in entgegengesetzter Richtung zurücklegt.According to the invention, the reverse laser signals, which are reflected by the ground or possibly by clouding and in particular by clouds, are used to check the alignment of the transmitting and receiving channels. This is possible because the distance traveled by a laser beam from a satellite in the orbit at which the beam has been transmitted to the moment when the same beam is reflected by an echo on the ground or at an atmospheric haze, the corresponds, which the reflected beam travels in the opposite direction.

Es ist vorgesehen, das Blickfeld am Empfang möglichst weit zu begrenzen, um die mit dem Auffangen von störenden Untergrundsignalen durch den Meßaufnehmer 3 verbundenen Risiken weitestmöglich zu verringern. Eine zusätzliche Vorsichtsmaßnahme zum Beseitigen der anderen Störflüsse wird z. B. erreicht durch die Positionierung einer Drossel 6 von zylindrischer Gestalt, die auf die Brennachse des Spiegels zentriert ist, in der internen Zone des Teleskops, wo sich die Fokalkorrekturvorrichtung 5 und der Meßaufnehmer befinden.It is intended to limit the field of view at the reception as far as possible, in order to compensate for the interception of disturbing background signals by the transducer 3 reduce the associated risks as far as possible. An additional precaution to eliminate the other disturbances is z. B. achieved by the positioning of a throttle 6 of cylindrical shape centered on the focal axis of the mirror, in the internal zone of the telescope, where the focal correction device 5 and the transducer are located.

Erfindungsgemäß umfaßt die Bewertungsvorrichtung Hilfs-Meßmittel, über die die Zentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl bestimmt werden kann. Die Orientierung des Rückwärtskanals ist gegeben durch die Brennachse des Spiegels 4, die mit dem Rückwärts-Laserstrahl FR fluchten soll. Wie oben angegeben, ist dieser Rückwärts-Laserstrahl derjenige, der durch Reflexion, durch Echo an einer Trübung oder ein Echo am Boden, des in Blickrichtung D emittierten Laserstrahles FT erhalten wird.According to the invention, the evaluation device comprises auxiliary measuring means, via which the centering of the receiving channel with respect to the backward laser beam can be determined. The orientation of the reverse channel is given by the focal axis of the mirror 4 to be aligned with the backward laser beam FR. As stated above, this backward laser beam is the one obtained by reflection, by echo of a haze or echo on the ground, of the laser beam FT emitted in the direction of view D.

Ein Beispiel einer Abwandlung der Bewertungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist in 2 schematisch für ein LIDAR gezeigt, dessen Quelle einen Laserstrahl FT erzeugen soll, der aus Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen, z. B. einer Infrarotkomponente der Wellenlänge 1,06 μm und einer ultravioletten Komponente der Wellenlänge 0,35 μm (dritte Harmonische) zusammengesetzt ist. Hier wird angenommen, daß die Fokalkorrekturvorrichtung 5 in Bezug auf den Aufnehmer 3 so angeordnet ist, daß eine perfekte Korrektur für die im Rückwärtsstrahl FR enthaltene Ultraviolettstrahlung durchgeführt wird. Ein Ultraviolettbild UV in Form eines punktförmigen Fleckes, dessen Verteilung der des in 3 dargestellten glockenförmigen Signals entspricht, wird dann am Aufnehmer 3 erhalten.An example of a modification of the evaluation device according to the invention is shown in FIG 2 shown schematically for a LIDAR whose source is to generate a laser beam FT, which consists of components with different wavelengths, eg. B. an infrared component of wavelength 1.06 microns and an ultraviolet component of wavelength 0.35 microns (third harmonic) is composed. Here, it is assumed that the focal correction device 5 in relation to the transducer 3 is arranged so that a perfect correction for the ultraviolet radiation contained in the backward beam FR is performed. An ultraviolet image UV in the form of a dot-shaped spot whose distribution is that of the in 3 represented bell-shaped signal is then at the pickup 3 receive.

Bei einer Ausgestaltung wird die Fokalkorrekturvorrichtung eingesetzt, um ein Bild in Form eines punktförmigen Fleckes an einem Ende des Kernes einer optischen Multimode-Faser zu erzeugen, die als Eingangsschnittstelle des Aufnehmers 3 dient.In one embodiment, the focal correction device is employed to produce a punctiform spot image at one end of the core of a multimode optical fiber which is the input interface of the susceptor 3 serves.

Bei dem oben betrachteten Beispiel wird die in dem Rückwärtsstrahl FR enthaltene Infrarot-Strahlung von Dreh-Aberrationen an der Fokalkorrekturvorrichtung 5 zufällig beeinträchtigt, z. B. durch einen Fertigungsfehler, eine sphärische Aberration, einen axialen Farbfehler,...In the example considered above, the infrared radiation contained in the backward beam FR becomes rotational aberrations at the focal correction device 5 accidentally affected, z. Due to a manufacturing defect, a spherical aberration, an axial chromatic aberration, ...

Dies führt dazu, daß das vom Infrarotsignal gebildete fleckartige Bild aufgeweitet wird und dem in 4 gezeigten IR-Signal mit schwingendem Verhalten entspricht. Wie gezeigt, ist ein Merkmal dieses Signals, daß es am Rand abrupte Flanken aufweist, was seine Erfassung vereinfacht. Bei der in 4 schematisch gezeigten Ausgestaltung erfolgt diese Erfassung an genauen Meßpunkten über eine Mehrzahl von Aufnehmern 7, die so organisiert sind, dass sie eine Bestimmung der prazisen Position des Randes des IR-Fleckbildes ermoglichen, welches der Infrarotstrahl hinter der Fokalkorrekturvorrichtung 5 bildet. Diese Aufnehmer 7 haben z. B. Eingangsschnittstellen, die jeweils durch ein Ende einer optischen Faser gebildet sind, die durch den Infrarotstrahl beleuchtet wird, wenn er wie vorgesehen positioniert ist. Jedes Faserende entspricht dann einem der oben erwähnten genauen Meßpunkte.As a result, the spotty image formed by the infrared signal is widened and the in 4 corresponds to shown IR signal with oscillatory behavior. As shown, a feature of this signal is that it has abrupt edges at the edge, which simplifies its detection. At the in 4 schematically shown this detection takes place at precise measuring points on a plurality of transducers 7 , which are organized so as to enable determination of the precise position of the edge of the IR spot image, which the infrared ray behind the focal correction device 5 forms. These transducers 7 have z. B. input interfaces, each formed by one end of an optical fiber which is illuminated by the infrared beam when it is positioned as intended. Each fiber end then corresponds to one of the abovementioned exact measuring points.

Die eventuelle Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwartsstrahl FR führt zur Nichtbelichtung von Beleuchtung mancher Meßpunkte. Sie kann daher unter Berücksichtigung der Signalpegel bestimmt werden, die von den Aufnehmern 7 an den verschiedenen Meßpunkten je nach Belichtung, der sie ausgesetzt sind, erzeugt werden.The eventual decentering of the receiving channel with respect to the backward beam FR results in the non-exposure of illumination of some measuring points. It can therefore be determined taking into account the signal levels emitted by the transducers 7 be generated at the various measuring points depending on the exposure to which they are exposed.

Diese Bewertung kann zu Korrekturzwecken eingesetzt werden, wenn das LIDAR über Mittel verfugt, mit denen die Ausrichtung des Sende- und Empfangskanals in Bezug aufeinander korrigiert werden kann.This rating may be used for correction purposes if the LIDAR has means for correcting the alignment of the transmit and receive channels with respect to each other.

Ausrichtungskorrekturen können erreicht werden durch eine Veranderung der Orientierung des vom LIDAR gesendeten Laserstrahles FT. Diese Veranderung kann die Folge einer Veranderung sein, die an wenigstens einem der Elemente vorgenommen wird, die zur Gewährleistung der Emission des Strahles FT in einer festgelegten Richtung DT zusammenwirken, z. B. durch eine Einwirkung auf die Ausrichtvorrichtung 2.Alignment corrections can be achieved by changing the orientation of the laser beam FT transmitted by the LIDAR. This change may be the result of a change made to at least one of the elements which cooperate to ensure the emission of the beam FT in a fixed direction DT, e.g. B. by an action on the alignment 2 ,

Die Ausrichtungskorrekturen konnen auch erreicht werden durch Veränderungen der Orientierung des Teleskops oder wenigstens bestimmter seiner optischen Elemente wie z. B. des Spiegels 4. Sie konnen auch erreicht werden durch eine Verschiebung des oder der Aufnehmer, insbesondere durch eine seitliche Verschiebung des Messaufnehmers 3. Dann kann ein Teleskop eingesetzt werden, bei dem hinter der Laserquelle keine Ausrichtvorrichtung 2 vorgesehen ist. Es scheint jedoch, dass in den meisten Fällen eine Einwirkung in Höhe der Ausrichtvorrichtung 2 in Anbetracht der üblichen Einfachheit einer derartigen Vorrichtung leichter zu realisieren ist.The alignment adjustments can also be achieved by changing the orientation of the telescope or at least certain of its optical elements such. B. the mirror 4 , They can also be achieved by a displacement of the transducer or, in particular by a lateral displacement of the sensor 3 , Then, a telescope can be used, in which behind the laser source no alignment device 2 is provided. However, it seems that in most cases, an effect in the amount of alignment device 2 In view of the usual simplicity of such a device is easier to implement.

Bekanntlich ist es im Fall eines Vier-Quadranten-Detektors möglich, die Abweichung des Flecks des empfangenen Infrarotsignals IR in Bezug auf die theoretische Position, die er in der Mitte des Detektors einnehmen sollte, zu bestimmen, wie in 6 schematisch gezeigt. Es ist möglich, durch Berechnung die Abweichung entlang der Abszisse und Ordinate der Ebene, in der sich der Fleck auf dem Detektor bildet, zu bestimmen, wobei diese Bestimmung unter Berücksichtigung des Niveaus I der von den vier Einzeldetektoren gelieferten Signale erfolgt, die den Vier-Quadranten-Detektor bilden. Wenn I1, I2, I3 und I4 die Pegel der von diesen vier Detektoren gelieferten Signale sind, ist die Abweichung, die zur Dezentrierung entlang der Bezugsachsen des Detektors führt gleich (I1 + I3) – (I2 + I4) für die eine und (I1 + I2) – (I3 + I4) für die andere. 5 zeigt eine herkömmliche Ausrichtungsbewertungsvorrichtung zur Verwendung des Vier-Quadranten-Detektors gemäß 6.As is known, in the case of a four-quadrant detector, it is possible to determine the deviation of the spot of the received infrared signal IR with respect to the theoretical position which it should occupy in the middle of the detector, as in FIG 6 shown schematically. It is possible to calculate by calculation the deviation along the abscissa and ordinate of the plane in which the spot is formed on the detector, this determination being made taking into account the level I of the signals supplied by the four individual detectors. Quadrant detector form. When I 1 , I 2 , I 3, and I 4 are the levels of the signals supplied by these four detectors, the deviation that results in decentering along the reference axes of the detector is equal to (I 1 + I 3 ) - (I 2 + I 4 ) for one and (I 1 + I 2 ) - (I 3 + I 4 ) for the other. 5 FIG. 12 shows a conventional alignment evaluation apparatus for using the four-quadrant detector of FIG 6 ,

Die Ergebnisse der Messungen, durch die die Dezentrierung des Rückwärtsstrahles in Bezug auf seine theoretische Position charakterisiert wird, werden dann berücksichtigt, um auf die oben erwähnten Mittel einzuwirken, mit denen jede benötigte Orientierungsänderung zu Zwecken der Ausrichtungskorrektur wie oben in der Beschreibung angegeben durchgeführt werden kann.The results of the measurements, which characterize the decentering of the backward beam with respect to its theoretical position, are then taken into account to act on the above-mentioned means with which any needed orientation change for purposes of alignment correction can be made as indicated above in the description ,

Die erfindungsgemäße Konfiguration ermöglicht vorteilhaft eine Auswertung peripherer Bereiche der empfangenen Strahlung zur Realisierung einer Ausrichtungsbewertung, ohne dass gleichzeitig eine unnötige Dämpfung desjenigen Teils des Ruckwarts-Laserstrahls stattfindet, der durch die Haupt-Messmittel ausgewertet werden soll. Die Möglichkeit zur Auswertung der peripheren Anteile des Rückwärts-Laserstrahls für die Ausrichtungsbewertung benötigt vorteilhaft keine als teildurchlässige Spiegel ausgebildeten Strahlteilermittel, vielmehr wird eine Separierung der unterschiedlichen Anteile des Ruckwärts-Laserstrahls vorteilhaft allein durch die erfindungsgemäße Anordnung der Fokalkorrekturvorrichtung, des Parabolspiegels und der Aufnehmer zueinander bewirkt.The configuration according to the invention advantageously makes it possible to evaluate peripheral regions of the received radiation in order to realize an alignment evaluation, without at the same time taking place an unnecessary damping of that part of the backward laser beam which is to be evaluated by the main measuring means. The possibility of evaluating the peripheral portions of the backward laser beam for the alignment evaluation advantageously requires no trained as a partially transparent mirror beam splitter means, rather a separation of the different components of the backward laser beam is advantageously effected solely by the inventive arrangement of the focal correction device, the parabolic mirror and the pickup to each other ,

Claims (10)

Vorrichtung zum Ermöglichen des Ausrichtens von einem Sende- und Empfangskanal einer einen Sendekanal mit Mitteln (1, oder 1 und 2) zum Erzeugen und Senden eines Laserstrahles (FT) in eine festgelegte Richtung aufweisenden LIDAR-Vorrichtung, wobei die Vorrichtung einen Empfangskanal mit optischen Mitteln (4, 5) umfasst, welche einen Parabolspiegel (4) und eine Fokalkorrekturvorrichtung (5) aufweisen, und welche optischen Mittel vorgesehen und orientiert sind, um einen durch Reflexion an einer Trübung in der Atmosphäre oder am Boden erhaltenen Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufzufangen, wobei die LIDAR-Vorrichtung Haupt-Messmittel (3) zum Empfang des Rückwärts-Laserstrahls (FR) an wenigstens einem Aufnehmer aufweist, und wobei die Vorrichtung Hilfs-Messmittel (7) aufweist, die die Nutzung wenigstens einer Komponente des Rückwärts-Laserstrahles (FR) erlauben, um die Bestimmung der Zentrierung der optischen Mittel (4, 5) auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfs-Meßmittel (7) durch Aufnehmer (7) gebildet sind, die an definierten Punkten, die sich in einer peripheren Zone eines Strahles oder Bildfleckes befinden, wenn die optischen Mittel (4, 5) auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) zentriert sind, so angeordnet sind, dass jede Dezentrierung zu Pegelunterschieden am Ausgang der Aufnehmer (7) führt, wobei die definierten Punkte regelmäßig um eine Brennachse der optischen Mittel (4, 5) verteilt sind, über welche der Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufgefangen wird, um an die Haupt-Messmittel (3) übertragen zu werden, und wobei die definierten Punkte in einer Ebene lokalisiert sind, die senkrecht zur Brennachse des Parabolspiegels (4) und nach der Fokalkorrekturvorrichtung (5) angeordnet ist.Apparatus for enabling alignment of a transmit and receive channel of a Transmission channel with means ( 1 , or 1 and 2 ) for generating and transmitting a laser beam (FT) in a fixed direction LIDAR device, the device having a receiving channel with optical means ( 4 . 5 ) comprising a parabolic mirror ( 4 ) and a focal correction device ( 5 ), and which optical means are provided and oriented to absorb a backward laser beam (FR) obtained by reflection from turbidity in the atmosphere or at the bottom, the LIDAR device comprising main measuring means ( 3 ) for receiving the backward laser beam (FR) at at least one pickup, and wherein the device comprises auxiliary measuring means ( 7 ), which permit the use of at least one component of the backward laser beam (FR) in order to determine the centering of the optical means ( 4 . 5 ) to the reverse laser beam (FR), characterized in that the auxiliary measuring means (FR) 7 ) by transducers ( 7 formed at defined points located in a peripheral zone of a beam or image spot, when the optical means ( 4 . 5 ) are arranged on the backward laser beam (FR), are arranged so that each decentering to level differences at the output of the transducer ( 7 ), wherein the defined points regularly around a focal axis of the optical means ( 4 . 5 ), over which the backward laser beam (FR) is collected, to the main measuring means ( 3 ) and wherein the defined points are located in a plane perpendicular to the focal axis of the parabolic mirror ( 4 ) and after the focal correction device ( 5 ) is arranged. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Hilfs-Messmittel (7) nutzbar sind für eine Winkelpositionsbestimmung einer der Komponenten des Laserstrahles.Device according to Claim 1, in which the auxiliary measuring means ( 7 ) are usable for an angular position determination of one of the components of the laser beam. LIDAR-Vorrichtung mit einem Sendekanal mit Mitteln (1, oder 1 und 2) zum Erzeugen und Senden eines Laserstrahles (FT) in eine festgelegte Richtung (D), und mit einem Empfangskanal mit als Parabolspiegel, (4) und Fokalkorrekturvorrichtung (5) ausgebildeten optischen Mitteln (4, 5), die vorgesehen und orientiert sind, um einen durch Reflexion an einer Trübung in der Atmosphäre oder am Boden erhaltenen Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufzufangen, wobei die LIDAR-Vorrichtung Haupt-Messmittel (3) zum Empfang des Rückwärts-Laserstrahls (FR) an wenigstens einem Aufnehmer aufweist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2.LIDAR device with a transmission channel with means ( 1 , or 1 and 2 ) for generating and transmitting a laser beam (FT) in a predetermined direction (D), and having a receiving channel as a parabolic mirror, ( 4 ) and focal correction device ( 5 ) optical means ( 4 . 5 ) which are provided and oriented to catch a backward laser beam (FR) obtained by reflection from turbidity in the atmosphere or at the bottom, the LIDAR device comprising main measuring means (FIG. 3 ) for receiving the backward laser beam (FR) on at least one pickup, characterized by a device according to at least one of claims 1 to 2. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem die Mittel (2), die ein Senden des Laserstrahles (FT) in eine festgelegte Richtung (D) ermöglichen, anhand von Signalen orientierungsgesteuert sind, die im Falle einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln (7) erzeugt werden, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal der LIDAR-Vorrichtung zu ermöglichen, wenn der Empfangskänal in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) dezentriert ist.LIDAR device according to claim 3, in which the means ( 2 ), which enable the laser beam (FT) to be transmitted in a defined direction (D), are orientation-controlled by means of signals which in the case of a decentering are guided by the auxiliary measuring means (FIG. 7 ) to enable alignment of the transmit and receive channels of the LIDAR device when the receive channel is decentered with respect to the backward laser beam (FR). LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 4, bei dem die Mittel (2) durch eine im Sendekanal vorgesehene Ausrichtvorrichtung (2) gebildet sind.LIDAR device according to claim 4, wherein the means ( 2 ) by an alignment device provided in the transmission channel ( 2 ) are formed. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 5, bei dem die Ausrichtvorrichtung (2) einen servogeregelten orientierbaren Spiegel umfasst.LIDAR device according to claim 5, in which the alignment device ( 2 ) comprises a servo-controlled orientable mirror. LIDAR-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei der die optischen Mittel (4, 5) des Empfangskanals anhand von Signalen orientierungsgesteuert sind, die im Falle einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln (7) erzeugt werden, um die Ausrichtung von Sende- und Empfangskanal der LIDAR-Vorrichtung im Falle einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) zu ermöglichen.LIDAR device according to one of Claims 3 to 6, in which the optical means ( 4 . 5 ) of the receiving channel are orientation-controlled by means of signals which, in the case of decentration, are guided by the auxiliary measuring means ( 7 ) to allow alignment of the transmit and receive channels of the LIDAR device in the event of decentering of the receive channel with respect to the backward laser beam (FR). LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem die Orientierung der optischen Mittel (4, 5) des Empfangskanals unter Berücksichtigung der im Falle einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln (7) erzeugten Signale durch die Gesamtheit des Teleskops erreicht wird, mit dem der Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufgefangen wird, wobei zu diesem Zweck diese Gesamtheit drehbar montiert und servogeregelt ist.LIDAR device according to claim 3, in which the orientation of the optical means ( 4 . 5 ) of the receiving channel, taking into account, in the case of a decentering, the auxiliary measuring means ( 7 ) is achieved by the entirety of the telescope, with which the reverse laser beam (FR) is collected, for which purpose this entirety is rotatably mounted and servo-regulated. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die Orientierung der optischen Mittel (4, 5) des Empfangskanals, die anhand der im Falle einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln (7) erzeugten Signale gesteuert sind, durch einen drehbar montierten und servogeregelten Spiegel der Gesamtheit des Teleskops gebildet sind, mit dem der Rückwärts-Laserstrahl (FR) aufgefangen wird.LIDAR device according to claim 7, in which the orientation of the optical means ( 4 . 5 ) of the receiving channel, which in the case of a decentering of the auxiliary measuring means ( 7 ) are formed by a rotatably mounted and servo-controlled mirror of the entirety of the telescope, with which the backward laser beam (FR) is collected. LIDAR-Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem der Messaufnehmer (3) in Abhängigkeit von im Falle einer Dezentrierung von den Hilfs-Messmitteln (7) erzeugten Signalen seitlich verschoben wird, um die Ausrichtung von Sende- und -Empfangskanal der LIDAR-Vorrichtung im Falle einer Dezentrierung des Empfangskanals in Bezug auf den Rückwärts-Laserstrahl (FR) zu ermöglichen.LIDAR device according to claim 9, in which the sensor ( 3 ) as a function of in the case of a decentering of the auxiliary measuring means ( 7 ) to shift the alignment of the transmit and receive channels of the LIDAR device in the event of decentering the receive channel with respect to the backward laser beam (FR).
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