DE2819320A1

DE2819320A1 - Impulslaser-entfernungsmesser zur heterodynen messwerterfassung

Info

Publication number: DE2819320A1
Application number: DE19782819320
Authority: DE
Inventors: Gerard Henri Dubrunfaut
Original assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Current assignee: Societe Anonyme de Telecommunications SAT
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1978-12-21
Also published as: GB1602425A; US4190362A; FR2389906B1; DE2819320B2; DE2819320C3; FR2389906A1

Description

Societe Anonyme de Telecommunications Paris / Pränkreich

Impulslaser-Entfernungsmesser zur heterodynen Meßwerterfassung

Die Erfindung betrifft einen Impulslaser-Entfernungsmesser zur heterodynen Meßwerterfassung, enthaltend einen von einem Taktgeber gesteuerten Impulslaser, eine Sendeoptik, um die von dem Laser gelieferte Energie auf ein sich in bestimmter Entfernung befindliches Zielobjekt zu konzentrieren, eine Empfängeroptik, um einen Teil der von dem Zielobjekt reflektierten Strahlung zu empfangen, einen Orts- bzw. überlagerungsoszillator, der eine konti-

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nuierliche Lichtwelle mit einer der Sendefrequenz des Impulslasers benachbarten Frequenz abgibt, einen Mischer, um die reflektierte, von der Empfängeroptik abgeleitete Strahlung und die von dem Überlagerungsdetektor gelieferte Strahlung zu addieren, einen Photodetektor, der die von dem Mischer abgegebene Stahlung empfängt und an seinem Ausgang ein elektrisches, als Überlagerungsreflektionssignal bezeichnetes Signal mit der überlagerungsfrequenz liefert, und ein Zeitmeßglied, welches an den Taktgeber und den Photodetektor angeschlossen ist, um die Zeit zwischen dem Aussenden eines Signales und dem Empfang des reflektierten Signales zu messen.

Um den Abstand zwischen einem Zielobjekt und einem Beobachtungsstand zu bestimmen, ist es bereits bekannt, während einer sehr kurzen Zeit eine Lichtstrahlung hoher Leistung bzw. Energie in Richtung auf das Zielobjekt auszusenden, und die Zeit zu messen, die die Strahlung nach Reflektion an dem Zielobjekt benötigt, um wieder zu dem Ausgangspunkt zurückzukehren.

Zum Aussenden dieser Strahlung verwendet man einen Impulslaser, der in der Lage ist, Signale von sehr hoher Leistung bzw. Energie und sehr kurzer Zeitdauer auszusenden.

Da die zu erfassenden reflektierten Signale nur eine sehr geringe Leistung haben, macht man sich die Technik der sogenannten heterodynen Messung bzw. Meßwerterfassung zu nutze, indem man diese reflektierten Signale mit einem von einem Orts- bzw. Überlagerungslaser ausgesandten Signal benachbarter Frequenz und sehr großer Amplitude mischt und das auf diese Weise erhaltene Signal einem nicht linearen Erfassungsglied, beispielsweise einem photovoltaischen Detektor zuführt, dessen Ausgangssignal dann die Überlagerungsfrequenz hat. Es ist bekannt, daß diese Technik zu einer sehr hohen Empfänger- bzw. Empfangsempfindlichkeit führt.

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Die Anwendlang der sogenannten heterodynen Meßwerterfassung bzw. Messung ist jedoch nur dann von besonderem Vorteil, wenn die Frequenz des zu empfangenden Signales mit einer hohen Genauigkeit bekannt ist.

Demgegenüber haben Impulslaser eine Sendefrequenz, die in beträchtlicher Weise von einem Impuls zum anderen Impuls variieren kann. Unter diesen Bedingungen muß die Filtrierung des Ausgangssignales des Detektors auf einem großen Frequenzband erfolgen. Wenn man eine hohe Empfindlichkeit beibehalten will, muß der Laser eine sehr hohe Leistung haben, damit das Signal vom Rauschen diskriminiert werden kann. Eine andere Lösung besteht darin, die Spektralreinheit des Impulslasers zu verbessern, was jedoch sehr komplexe Anordnungen voraussetzt. In beiden Fällen kommt man zu sehr raumaufwendigen und kostspieliegen Ausrüstungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Entfernungsmesser, der nach dem Prinzip der heterodynen Messung bzw. Meßwerterfassung arbeitet, zu schaffen, bei dem die üblicherweise vorhandenen Schwierigkeiten hinsichtlich der schlechten oder ungenauen Definierung der Frequenz des Impulslasers mittels einfacher Mittel und Glieder behoben sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Entfernungsmesser dadurch gekennzeichnet, daß er einen Teiler , der einen Teil der von dem Orts- bzw. überlagerungsdetektor emittierten Strahlung abzweigt und dem Mischer zuleitet, dem Photodetektor zugeordnete Glieder, um vor der Rückkehr der reflektierten Strahlung das auf diese Weise erhaltene Überlagerungssendesignal zu speichern, und Glieder umfaßt, um das überlagerungssendesignal und das überlagerungsreflektionssignal zu einem resultierenden Signal zu überlagern, das dem Zeitmeßglied zugeführt wird.

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Eine einfache Berechnung zeigt, daß die Frequenz des resultierenden Signales gleich der auf der Bewegung des Zielobjektes basierenden Doppler-Verschiebung F ist. Die mit der Ungenauigkeit der Frequenz F des Impulslasers in Verbindung stehenden Probleme werden dadurch gelöst, daß F nicht in dem Ausdruck der Frequenz des resultierenden Signales erscheint. Die Ungenauigkeit von F ist in der Praxis stets bei weitem geringer als die Ungenauigkeit von F , so daß die Filtrierung innerhalb eines sehr engen Bandpasses erfolgen kann.

In der FR-PS 2 o81 184 ist eine optisches Gerät zur gleichzeitigen Messung der Entfernung und der Geschwindigkeit eines Fahrzeuges beschrieben; dieses bekannte Gerät umfaßt einen Impulslaser, einen Orts- bzw. überlagerungslaser und optische Einrichtungen, die es ermöglichen, einen Teil des von dem Impulslaser emittierten Strahlenbündels, einen Teil des von dem Fahrzeug reflektierten Strahlenbündels und das von dem Orts- bzw. überlagerungslaser ausgesandte Strahlenbündel auf einen Mischer zu lenken. Dieses bekannte Gerät benutzt jedoch nicht die heterodyne Messung bzw. Meßwerterfassung der Entfernungsmessung, und der Überlagerungslaser, die optischen Einrichtungen und der erwähnte Mischer dienen ausschließlich dazu eine Geschwindigkeitsmessung durch Bestimmung der Doppler-Verschiebung zu realisieren.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines üblichen Entfernungsmessers bzw. Fernmeßgerätes;

Fig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers bzw. Fernmeßgerätes;

Fig. 3 ein Schaltbild einer Ausführungsform des einen Teil des in Fig. 2 dargestellten Entfernungsmessers

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bildenden Spektralanalysators, und

Fig. 4 eine Ausführungsform des Synthetisierers, der einen Teil des in Fig. 2 dargestellten Entferungsmessers bzw. Fernmeßgerätes bildet.

Der in Fig. 1 dargestellte Entfernungsmesser ist auf ein Zielobjekt C gerichtet, das sich in dem zu messenden Abstand D von dem Entfernungsmesser befindet. Bei dem Zielobjekt handelt es sich beispielsweise um ein Fahrzeug, z.B. einen Panzer bzw. Tank.

Der Entfernungsmesser enthält einen Impulslaser 1o, der, gesteuert von dem Taktgeber 11, Lichtsignale mit großer Leistung und von kleiner Dauer aussendet. Die Lichtimpulse haben beispielsweise eine Dauer von etwa o,1 yus und werden mit einer sehr niedrigen Periodizität bzw. Frequenz ausgesendet, beispielsweise alle o,1s.

Die Sendefrequenz F des Impulslasers 1o ist nicht mit einer sehr großen Genauigkeit präzisiert und kann von einem Impuls zum anderen um 2oo bis 3oo MHz variieren. Diese nur mittelmäßige Genauigkeit hängt von der Betriebsweise des Impulslasers ab.

Bei einem derartigen Laser handelt es sich beispielsweise um einen CO₂~Laser vom Typ T.E.A. oder vom Typ "Q-Switch" der bei 1o,6yum mit einer mittleren Leistung in der Größenordnung von 5W sendet.

Die von dem Impulslaser 1 ο ausgesandte Strahlung wird von einer Senderoptik 12 auf das Zielobjekt C konzentriert. Die von dem Zielobjekt reflektierte Strahlung wird von einer Empfängeroptik 13 nach einer Zeit empfangen, die eine Funktion des Abstandes D ist. Für einen Abstand D von 1 km beträgt diese Zeit beispielsweise 7/us, während sie für einen Abstand von 1o km 7oyus beträgt.

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Hinsichtlich der Optiken 12 und 13 ist darauf hinzuweisen, daß sie die Form einer einzigen Optik haben, die mit einem Sender-Empfänger-Duplexglied ausgerüstet ist.

Der Entfernungsmesser enthält weiterhin einen Orts- oder Überlagerungsoszillator 14, der eine kontinuierliche Lichtwelle aussendet, deren mit einer sehr großen Genauigkeit bekannte Frequenz in der Nähe der Frequenz des Impulslasers 1o liegt. Dieser Überlagerungsoszillator besteht in dem beschriebenen Beispiel aus einem CO«-Laser.

Das von der Empfängeroptik 13 kommende Lichtsignal und das von dem Überlagerungsoszillator 14 ausgesandte Signal werden gemäß dem Prinzip der heterodynen Messung bzw. Meßwerterfassung in einem Mischer 15 überlagert bzw. addiert, dessen Ausgangslichtsignal auf einen Photodetektor 16 gerichtet wird, beispielsweise einen photovoltaischen Detektor, der wie ein Frequenzumformer bzw. -wandler wirkt. Das Ausgangssignal des Detektors 16 ist demzufolge ein elektrisches Signal, dessen Amplitude proportional zur Amplitude des reflektierten Signales ist, und von dem die Frequenz gleich der Differenz zwischen der Frequenz F der reflektierten Strahlung und der Frequenz F, des Überlagerungsoszillators 14 ist.

Die Frequenz F differiert von der Sendefrequenz F entsprechend der auf der Bewegung des Zielobjektes beruhenden Doppler-Verschiebung F_D wie folgt:

^Fr - ^Fo ^{+ F}D

Die Frequenz F des Ausgangssignales des Detektors 16 ist demzufolge:

^Fs - ^Fo ^{+ F}D - ^Fl

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Dieses Signal wird in dem Filter 17 gefiltert und dann durch einen Diodengleichrichter 18 geschickt, der ein kontinuierliches Signal an ein Zeitmeßglied 19 liefert. Dieses an den Taktgeber 11 angeschlossene Zeitmeßglied mißt die Zeit zwischen dem Zeitpunkt des Aussendens eines Impulses durch den Impulslaser 1o und die Erfassung eines reflektierten Signales durch den Detektor 18, wobei diese Zeit im wesentlich proportional zu dem zu messenden Abstand D ist. ·

Die Unbestimmtheit hinsichtlich der Frequenz F bestimmt

die Bandbreite des Filters 17 und damit die Empfindlichkeit der Messung. Die Doppler-Verschiebung F_n im Falle eines CO₂-Lasers, der bie 1o,6 «m sendet, und eines Zielobjektes mit einer Radialgeschwindigkeit von 5 m/s (18km/std) beträgt 1 MHz, während sie bei einer Geschwindigkeit von 5o m/s (18okm/std) etwa bei 1o MHz liegt.

Die Unbestimmtheit von F ist, wie es bereits zum Ausdruck gebracht ist, viel ausgeprägter, da sie im Bereich von 2oo bis 3oo MHz liegt.

Unter diesen Bedingungen muß das Filter 17 einen sehr weiten Druchlaßbereich bzw. Bandpaß von etwa 3oo MHz haben, wobei die Empfindlichkeit der Messung sehr schlecht ist.

Wenn man die Wirkung dieser Unbestimmtheit hinsichtlich F ausschalten und nur die auf dem Doppler-Effekt beruhende Unbestimmtheit in Rechnung ziehen könnte, könnte man einen Filter mit einem viel engeren Durchlaßbereich bzw. Bandpaß von beispielsweise 1o MHz verwenden, was zu einer um das 3o-fache verbesserten Empfindlichkeit führen würde.

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- 1ο -

Der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Entfernungsmesser führt zu einer derartigen Verbesserung. In Fig. 2 tragen die mit Fig. 1 übereinstimmenden Glieder die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1.

Außer den bereits beschriebenen Elementen enthält der in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Entfernungsmesser einen Teiler 3o, der einen Teil des von dem Laser ausgesandten Lichtsignales abzweigt und dem Mischer 15 zuführt. Die Addition des von dem Orts- bzw. Überlagerungsoszillators gelieferteu Signal erfolgt dabei vor Rückkehr der reflektierten Strahlung. Daraus resultiert am Ausgang des Detektors 16 ein überlagerungssendesignal der Frequenz:

F¹ = F - F₁
sol

Indem man dieses Signal F¹S mit dem Überlagerungsreflektionssignal der Frequenz:

F = F +F - F
^rs ο D 1

überlagert, erhält man ein Signal mit der Frequenz

ρ s= F - F¹ = F
^rb s s D

Die Unbestimmtheit hinsichtlich F, wird daher auf die

auf dem Doppler-Effekt beruhende Unbestimmtheit begrenzt, da F nicht in die Gleichung von F, eingeht. Zur Realisierung dieser Überlagerung enthält der Entfernungsmesser einen von dem Taktgeber gesteuerten elektronischen Kommutator 31, der mit einer Ausgangsklemme E an eine Schaltung angeschlossen ist, die einen ultraschnellen Spektralanalysator 32, ein Speicherungsglied 33 und einen

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Frequnenzsynthetisierer 34 umfaßt. Der Kommutator 31 ist mit seiner anderen Ausgangsklemme R an einen Frequenzwandler 35 angeschlossen, der außerdem das Ausgangssignal des Synthetisierers 34 empfängt.

Während der Dauer des Aussenden bzw. Ausstrahlens eines Impulses durch den Laser 1o befindet sich der Kommutator

31 in der Position E. Das von dem Filter 17 gefilterte Überlagerungssignal F¹ wird an den Spektralanalysator

32 übertragen, der die dominierende Frequenz dieses Signales bestimmt und den Wert dieser Frequenz an das Speicherungsglied 33 überträgt, das diesen Wert bis zur folgenden Aussendung bzw. Ausstrahlung speichert.

Sobald die Ausstrahlung bzw. Aussendung beendet ist, und bevor der ausgesandte Impuls die Zeit zur Rückkehr gehabt hat, erzeugt der Synthetisierer 34 ein Signal der Frequenz F¹ gleich dem in dem Speicherungsglied 33 gespeicherten Wert, d.h. gleich F ~ ^Fi·

Der Kommutator 31 geht, gesteuert von dem Taktgeber 11, außerdem in die Position R über.

Wenn der von dem Laser ausgesandte Lichtimpuls in der Empfängeroptik 13 wiedererscheint, hat er eine Frequenz F + Fj., wobei die Größe F_. die Dopplerverschiebung aufgrund der radialen Bewegung des Zielobjektes repräsentiert.

Das reflektierte Signal wird in dem Mischer 15 mit dem Signal des Orts- bzw. Überlagerungsoszillators 14 addiert, und man erhält am Ausgang des Detektors 16 ein elektrisches Signal mit der Frequenz:

^Fo ^{+ F}D - ^Fl

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Dieses Signal wird an einen der Ausgänge des Frequenz-Wandlers 35 angelegt, der an seinem anderen Eingang das von dem Synthetisierer 34 stammende Signal empfängt.

Man erhält demzufolge am Ausgang des Frequenzwandlers

35 ein Überlagerungssignal mit der Frequenz:

iF +F - F ) - (p -T>)s=p ¹O D ^£1^{; u}o *1^J D

Wie es bereits zum Ausdruck gebracht ist, ist die Unbestimmtheit hinsichtlich der Frequenz dieses Signals sehr gering verglichen mit der Unbestimmtheit hinsichtlich der Frequenz F des Lasers 1o. Man kann demzufolge ein Filter

36 mit sehr engem Durchlaßbereich bzw. Bandpaß von beispielsweise 1o MHz für das Filter 17 gemäß Fig. 1 verwenden.

Das gefilterte Signal wird anschließend in der an Hand von Fig. 1 beschriebenen Weise mittels des Diodengleichrichters 18 und des Zeitmeßgliedes 19 aubereitet bzw. verarbeitet.

In Fig. 3 ist eine Ausfuhrungsform eines Spektralanalysators 32 dargestellt. Dieser Analysator muß eine unltraschnelle Betriebsweise haben, da der Synthetisierer 34 mit der Erzeugung des Signales F¹ vor der Rückkehr des ent-

sprechenden Lichtimpulses beginnen kann. Dieses wird mittels einer Batterie von entsprechend angeordneten bzw. angepaßten η Filtern 5o a,... 5o i.... 5o η erreicht, die parallel liegen und deren durch die Zeichen F ,...

el

F.... F , symbolisierten Durchlaßbereiche bzw. Bandpässe gleichmäßig innerhalb des von dem Bandpaß D des Filters 17 definierten Intervall liegen. Jedes Filter hat demzufolge einen Bandpaß bzw. Durchlaßbereich von D/n.

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Jedem Filter 5o i ist ein Hülldetektor (Detecteur d'enveloppe) 51i, ein Widerstand 52i und ein Verstärker 53i zugeordnet, an deren Ausgänge ein Kondensator 54 angeschlossen ist.

Wenn am Eingang der Filter 5oi ein Signal ankommt, liefert das Filter, dessen Frequenz der Frequenz des Signales am nächsten ist, eine stärkere Spannung als die anderen Filter.

Der Kondensator 54 lädt sich über den ensprechenden Widerstand bis zum Wert der entsprechenden Spannung auf. Der Verstärker 53i, der diesem Widerstand und damit diesem Filter und dieser Frequenz entspricht, liefert eine Spannung, die sich sehr deutlich von den von den anderen Verstärkern gelieferten Spannungen unterscheidet und die man dazu verwenden kann, um in das Speicherungsglied 33 den Wert dieser Frequenz einzuschreiben.

Die Konstruktion dieses Speicherungsgliedes 33 bringt keine Schwierigkeiten mit sich. Dieses Speicherungsglied muß vor Beginn jeder Sendeperiode auf Null zurückgestellt werden, und zwar zur gleichen Zeit, bei der der Kondensator 54 entladen wird.

Als Synthetisierer 34 kann man eine Batterie von parallelliegenden Oszillatoren 6oa... 6oi.... 6on... verwenden, die permanent arbeiten. Die Auswahl eines der Oszillatoren 6oi erfolgt in der Weise, daß man eine Steuerspannung zum entsprechenden Eingang Ei schickt, wodurch der elektronische Schalter 61i geschlossen wird.

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Claims

Patentansprüche

1./ Impulslaser-Entfernungsmesser zur heterodynen Meßwerterfassung, enthaltend einen von einem Taktgeber gesteuerten Impulslaser, eine Sendeoptik, um die von dem Laser gelieferte Energie auf ein sich in bestimmter Entfernung befindliches Zielobjekt zu konzentrieren, eine Empfängeroptik, um einen Teil der von dem Zielobjekt reflektierten Strahlung zu empfangen, einen Ortsbzw. Überlagerungsoszillator, der eine kontinuierliche Lichtwelle mit einer der Sendefrequenz des Impulslasers benachbarten Frequenz abgibt, einen Mischer, um die reflektierte, von der Empfängeroptik abgeleitete Strahlung und die von dem Überlagerungsdetektor gelieferte Strahlung zu addieren, einen Photodetektor, der die von dem Mischer abgegebene Strahlung empfängt und an seinem Ausgang ein elektrisches, als Überlagerungsreflektionssignal bezeichnetes Signal mit der Überlagerungsfrequenz liefert, und ein Zeitmeßglied, welches an den Taktgeber und den Photodetektor angeschlossen ist, um die Zeit zwischen dem Aussenden eines Signales und dem Empfang des reflektierten Signales zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Teiler (3o), der einen Teil der von dem Orts- bzw. Überlagerungsdetektor (14) emittierten Strahlung abzweigt und dem Mischer (15) zuleitet, dem Photodetektor (16) zugeordnete Glieder, um vor der Rückkehr der reflektierten Strahlung das auf diese Weise erhaltene Überlagerungssendesignal zu speichern, und Glieder umfaßt, um das überlagerungssendesignal und das überlagerungsreflektionssignal zu einem resultierenden Signal zu überlagern, daß dem Zeitmeßglied (19) zugeführt wird.

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2. Iitipulslaser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Photodetektors (16) ein von dem Taktgeber (11) gesteuerter Kommutator (31) angeordnet ist, von dem der eine Ausgang R direkt an einen der Eingänge eines Frequenzwandlers (35) angeschlossen ist, während der andere Kommutatorausgang E an eine Schaltung angeschlossen ist, die aufeinanderfolgend einen Spektralanalysator (32), ein Speicherungsglied (33) und einen Frequenzsynthetisierer (34) umfaßt, dessen Ausgang an den zweiten Eingang des Frequenzwandlers /C(35) angeschlossen ist, der das resultierende Signale dem Zeitmeßglied (19) zuleitet, wobei der Kommutator (31) nur während der Emission eines Impulses den Ausgang des Photodetektors mit dem Spektralanalysator (32) verbindet.

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