DE10044690B4

DE10044690B4 - Method and device for measuring distances and / or speeds by means of laser pulses

Info

Publication number: DE10044690B4
Application number: DE10044690A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Prof. Dr. Eichler; Robert Elschner; Peter Prof. Dr. Peuser
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: DE10044690A1

Abstract

Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse, bei dem eine Pulsfolge mit einer Vielzahl von Laserpulsen von einer Quelle zu einem Ziel gesendet wird und die vom Ziel reflektierte Pulsfolge detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zählung der reflektierten Laserpulse im Zeitintervall zwischen dem Senden eines Laserpulses der ausgesendeten Pulsfolge und seiner Detektion erfolgt und aus der so ermittelten Anzahl der Laserpulse und der Dauer der Pulsperiode die Entfernung zwischen der Quelle und dem Ziel bestimmt wird.method for measuring distances and / or speeds by laser pulses, wherein a pulse train with a plurality of laser pulses from a Source is sent to a destination and reflected by the destination Pulse train is detected, characterized in that a count of the reflected laser pulses in the time interval between the sending of a Laser pulse of the transmitted pulse sequence and its detection takes place and from the thus determined number of laser pulses and the duration of the pulse period the distance between the source and the destination is determined.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15.The The invention relates to a method for measuring distances and / or Speeds according to the preamble of the patent claim 1, as well as a device for measuring distances and / or Speeds according to the preamble of Patent claim 15.

Entfernungsmessgeräte, in denen Laser eingesetzt werden, sind erfolgreich entwickelt worden und beispielsweise in den Patentschriften US 5 359 404 , US 5 612 779 und US 5 574 552 beschrieben. Die dort vorgestellten Verfahren beruhen auf der Laufzeitmessung von Laserpulsen. Dabei werden einzelne kurze Laserpulse (Nanosekundenpulse) beispielsweise von einer direkt angesteuerten Laserdiode ausgesendet und aus der zeitlichen Verzögerung des rückreflektierten Pulses wird die Entfernung des Reflektors bestimmt. Üblicherweise sind diese Geräte geeignet, Entfernungen von 1 km mit einer Auflösung < 1m zu messen. Durch spezielle Schaltungen mit Selbstkalibrierung zur Kompensation von Wärmeeinflüssen wurden Messgenauigkeiten < 0,5 m erreicht [ DE 197 57 835 A1 bzw. US 5 946 081 ]. Die Laserpulsdauer liegt bei etwa 20 ns. Die Auflösung wird durch die Präzision vorgegeben, mit der die absolute Laufzeit bestimmt werden kann. Sie ist damit jedoch auch stark abhängig von Streuungen, dem Signal-Rausch-Verhältnis, der Detektorschwelle und der Pulsdauer selbst.Distance measuring devices in which lasers are used have been successfully developed and, for example, in the patents US 5,359,404 . US 5,612,779 and US 5 574 552 described. The methods presented there are based on the transit time measurement of laser pulses. In this case, individual short laser pulses (nanosecond pulses) are emitted for example by a directly controlled laser diode and from the time delay of the back-reflected pulse, the distance of the reflector is determined. Usually these devices are suitable to measure distances of 1 km with a resolution <1m. Due to special circuits with self-calibration to compensate for the influence of heat, measuring accuracies <0.5 m were achieved [ DE 197 57 835 A1 respectively. US 5,946,081 ]. The laser pulse duration is about 20 ns. The resolution is dictated by the precision with which the absolute run time can be determined. However, it is also strongly dependent on scattering, the signal-to-noise ratio, the detector threshold and the pulse duration itself.

In der US 4 770 526 und der DE 35 40 157 C2 ist ein Laserpulsradar gezeigt, bei dem mittels interner optischer Referenzstrecken in kurzen Abständen eine Selbstkalibrierung durchgeführt wird.In the US 4,770,526 and the DE 35 40 157 C2 a laser pulse radar is shown in which by means of internal optical reference paths at short intervals, a self-calibration is performed.

Ein bildgebendes Verfahren mit hoher Ortsauflösung wird im US-Patent No. 5 999 548 beschrieben. Bei diesem Verfahren werden ebenfalls ultrakurze Pulse verwendet. Dabei wird insbesondere die zeitliche Verschiebung des breiten Spektrums eines gechirpten, ultrakurzen Weißlichtpulses ausgenutzt, um Distanzen zu ermitteln.One High spatial resolution imaging technique is described in US Pat. 5,999,548. In this method are also ultrashort Pulse used. In particular, the time shift is the broad spectrum of a chirped, ultrashort white light pulse used to determine distances.

Für Präzisionsmessungen von Entfernungen werden häufig interferometrische Verfahren eingesetzt, mit denen sehr hohe Ortsauflösungen erreicht werden können. Ein derartiges Verfahren ist z.B. in US-Patent No. 5 991 033 gezeigt. Mit einer entsprechend kohärenten Lichtquelle, wie einem schmalbandigen Laser, ist es möglich, durch Abgleich der Interferometerarme ein Interferenzmuster zu erzeugen, mit dessen Hilfe die unbekannte Länge des einen Interterometerarmes im Vergleich zu dem anderen Interferometerarm bis auf Bruchteile der Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes ermittelt werden kann. Der Ortsauflösung von einigen 10 nm steht jedoch ein hoher technischer Aufwand gegenüber. Die Messanordnung ist sehr empfindlich gegenüber Schwingungen und Phasenstörungen des Lichtes in den Interferometerarmen. Insbesondere die maximal auf wenige Meter begrenzte Kohärenzlänge des Laserlichtes bedeutet, dass das Verfahren für große Entfernungen von einigen Hundert Metern nur mit großem Aufwand einsetzbar ist, da die Teilsignale, die zur Längenmessung miteinander interferieren müssen, nur einen Gangunterschied in der Größenordnung der Kohärenzlänge aufweisen dürfen.For precision measurements Distances become common interferometric methods used to achieve very high spatial resolution can. Such a method is e.g. in US Pat. 5,991,033. With a correspondingly coherent Light source, such as a narrow-band laser, it is possible through Matching the interferometer arms to generate an interference pattern, with whose help is the unknown length one of the interferometer arms compared to the other interferometer arm down to fractions of the wavelength of the used laser light can be determined. The spatial resolution of However, some 10 nm is faced with a high technical effort. The Measuring arrangement is very sensitive to vibrations and phase disturbances of the Light in the interferometer arms. In particular, the maximum on a few Meter limited coherence length of the Laser light means that the process for long distances of some One hundred meters only with great Effort is used, since the sub-signals, the length measurement have to interfere with each other, have only a path difference in the order of the coherence length allowed to.

Für die optische Geschwindigkeitsmessung von Zielen haben sich zwei Verfahren wesentlich etabliert. US-Patent No. 5 359 404 zeigt eine einfache und für die meisten Zwecke hinreichend genaue Bestimmung der radial zum Beobachter gerichteten Geschwindigkeit eines Zieles durch das Aussenden eines Laserpulspaares. Aus der Verschiebung des zeitlichen Abstandes des Echo-Pulspaares lässt sich die Geschwindigkeit ermitteln. Diese Verfahren wird u.a. im Straßenverkehr häufig angewendet.For the optical Speed measurement of goals, two procedures have become essential established. US Pat. 5 359 404 shows a simple and for the most part Reasonably accurate determination of the radially directed to the observer Speed of a target by emitting a pair of laser pulses. From the shift in the time interval of the echo pulse pair can the Determine speed. These methods are i.a. in traffic often applied.

Eine weitere Möglichkeit bietet die Messung der Dopplerverschiebung der an einem bewegten Ziel reflektierten Wellenlänge des Lichtes. Ein solches Laser-Pulsradarverfahren zur Bestimmung von Entfernungen und radialen Geschwindigkeiten von Zielen wird in der Patentschrift DE 197 01 145 C1 beschrieben. Mit dieser Methode können auch Ziele in großen Entfernungen und Streuziele verfolgt werden. Das Verfahren eignet sich besonders gut für die Detektion hoher Geschwindigkeiten. Als Schwierigkeiten bei der Dopplerfrequenzbestimmung werden insbesondere hohe Rauschleistungen genannt, die dopplerverschobene Lichtfrequenz des Echosignales liegt dicht bei der ausgesendeten Frequenz und ist im allgemeinen nur von geringer Intensität. Es muss also ein ausreichend genaues frequenzanalysierendes Element verwendet werden.Another possibility is to measure the Doppler shift of the wavelength of light reflected at a moving target. Such a laser pulse radar method for determining distances and radial speeds of targets is disclosed in the patent DE 197 01 145 C1 described. This method can also be used to track long-range targets and scattering goals. The method is particularly well suited for the detection of high speeds. In particular, high noise powers are mentioned as difficulties in determining the Doppler frequency; the Doppler-shifted light frequency of the echo signal is close to the emitted frequency and is generally only of low intensity. So, a sufficiently accurate frequency analyzing element has to be used.

Die bekannten Verfahren zur Entfernungsmessung über Flugzeitbestimmungen sind jedoch in der Ortsauflösung beschränkt. Es ergeben sich beispielsweise Fehler bei der Zeitmessung, insbesondere bei der exakten Detektion der Echopulse. Bei größeren Entfernungen ergibt sich ein im Rauschen verschwindendes Echosignal. Die Genauigkeit der Messung bleibt selbst bei einer häufigen Wiederholung der Messung durch die Pulslänge und das Signal-Rauschverhältnis sowie die Zeitauflösung des Detektors limitiert.The known methods for distance measurement over time-of-flight determinations however in the spatial resolution limited. For example, there are errors in the timing, in particular in the exact detection of the echo pulses. For larger distances results an echo signal disappearing in the noise. The accuracy of Measurement remains even with a frequent repetition of the measurement by the pulse length and the signal-to-noise ratio as well as the time resolution limited by the detector.

Das Dokument US 4,097,148 beschreibt ein System und Verfahren zur Messung von Entfernungen mit einem gepulsten Laser. Dabei werden ein oder mehrere Laserpulse ausgesendet und an einem Ziel reflektiert. Mittels eines Flip-Flops wird die Zeitdifferenz zwischen einen Startpuls und einem vom Ziel reflektierten Stopppuls ausgezählt.The document U.S. 4,097,148 describes a system and method for measuring distances with a pulsed laser. One or more laser pulses are emitted and reflected at a target. By means of a flip-flop, the time difference between a start pulse and a stop pulse reflected by the target is counted.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Entfernungen und Geschwindigkeiten, beispielsweise in einem Abstand von einem Meter bis zu mehreren Kilometern, mit hoher Präzision auf einfache und zuverlässige Weise und mit einer einfachen Konstruktion bestimmen zu können. Das Verfahren soll dabei die Lücke zwischen den genauen und aufwendigen interferometrischen Methoden und den in ihrer Auflösung und Reichweite begrenzten Methoden der direkten Laufzeitbestimmung von Echopulsen schließen.Of the Invention is therefore based on the object distances and speeds, for example, at a distance of one meter to several Kilometers, with high precision on simple and reliable To be able to determine a manner and with a simple construction. The Procedure should fill the gap between the exact and elaborate interferometric methods and in their resolution and range limited methods of direct transit time determination Close echo pulses.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 15. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.The Task is solved by the method and the device for measuring distances and / or Speeds according to claims 1 or 15. Further advantageous features emerge from the dependent claims, the description and the drawing.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse wird eine Pulsfolge mit einer Vielzahl von Laserpulsen von einer Quelle zu einem Ziel gesendet und die vom Ziel reflektierte Pulsfolge wird detektiert, wobei eine Zählung der reflektierten Laserpulse im Zeitintervall zwischen dem Senden eines Laserpulses der ausgesandten Pulsfolge und seiner Detektion erfolgt und aus der so ermittelten Anzahl der Laserpulse und der Dauer der Pulsperiode die Entfernung zwischen der Quelle und dem Ziel bestimmt wird.at the method according to the invention for measuring distances and / or speeds by laser pulses is a pulse train with a plurality of laser pulses from a Source is sent to a destination and the pulse rate reflected by the target detected, with a count the reflected laser pulses in the time interval between the transmission a laser pulse of the emitted pulse sequence and its detection takes place and from the thus determined number of laser pulses and the Duration of the pulse period the distance between the source and the Target is determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber der Entfernungsmessung und Geschwindigkeitsmessungen mit Lasern durch Bestimmung der Laufzeit einzelner Pulse die Vorteile einer höheren Präzision und einer größeren Reichweite. Durch die Auswertung eines streng periodischen Messsignals lässt sich das Signal/Rausch-Verhältnis verbessern, die Zuverlässigkeit erhöhen und die Einflüsse der Umgebung wie Streulicht oder thermisch bedingte Schwankungen bei der Zeitmessung minimieren.The inventive method offers opposite Distance measurement and speed measurements with lasers by determining the duration of individual pulses the benefits of a higher precision and a wider range. By evaluating a strictly periodic measurement signal can be the signal-to-noise ratio improve the reliability increase and the influences the environment such as stray light or thermally induced fluctuations minimize timing.

Gegenüber einer Geschwindigkeitsmessung durch Auswertung der Laserdopplerverschiebung einer Wellenlänge besteht der Vorteil, dass die spektroskopischen Eigenschaften des Messsignals nicht relevant sind und dass die Differenzfrequenz direkt messbar ist.Opposite one Speed measurement by evaluation of the laser Doppler shift a wavelength There is the advantage that the spectroscopic properties of the Measuring signals are not relevant and that the difference frequency directly measurable is.

Der Vorteil des Verfahrens gegenüber interferometrischen Methoden der Entfernungsmessung ist ein wesentlich einfacherer und kompakterer Messaufbau und eine höhere mechanische Stabilität, welche insbesondere bei großen Entfernungen wichtig ist.Of the Advantage of the method Interferometric methods of distance measurement is essential simpler and more compact measurement setup and a higher mechanical Stability, which especially for large Distances is important.

Durch die hohe Präzision können sehr große Entfernungen präzise vermessen werden, was beispielsweise in der Weltraumfahrt von Interesse ist.By the high precision can very long distances precise which are of interest, for example, in space travel is.

Geschwindigkeiten können durch zeitlich gekoppelte, wiederholte Entfernungsmessungen mit einer sehr hohen bzw. vergleichbaren Präzision ermittelt werden.speeds can by time-coupled, repeated distance measurements with a very high or comparable precision can be determined.

Das Verfahren ermöglicht es, den absoluten Fehler bei Entfernungsmessungen im Vakuum (z.B. in der Raumfahrt) auf einer Distanz von mehreren Kilometern z.B. in den Bereich von 10-100μm zu senken. In der Atmosphäre (Luft) reduziert sich die Auflösung durch Brechungsindexschwankungen z.B. auf einige Millimeter.The Procedure allows it, the absolute error in distance measurements in vacuum (e.g. aerospace) at a distance of several kilometers, e.g. in the range of 10-100μm to lower. In the atmosphere (Air) reduces the resolution by refractive index variations e.g. to a few millimeters.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht insbesondere eine stabile und einfache Präzisionsmessung von Geschwindigkeiten und Entfernungen mittels modengekoppelter Kurzpulslaser. Dabei wird ausgenutzt, dass die aus einem modengekoppeltem Laserresonator austretenden Pulszüge ultrakurzer Laserpulse eine hohe Stabilität der Pulsfolgefrequenz besitzen und die einzelnen Laserpulse auch über eine hohe Anzahl von Pulsperioden hinweg noch miteinander korreliert sind. Die ausschließlich durch die optische Länge des Resonators vorgegebene Pulsfolgefrequenz dient dabei als Zeitbasis (optische „clock", Frequenznormal).The present invention enables in particular a stable and simple precision measurement of speeds and distances using mode-locked short-pulse lasers. This exploits that emanating from a mode-locked laser resonator pulse trains ultrashort laser pulses have a high stability of the pulse repetition frequency and the individual laser pulses over a high number of pulse periods are still correlated with each other. The exclusively by the optical length the resonator predetermined pulse repetition frequency serves as a time base (optical "clock", frequency standard).

Bei diesem Verfahren kann die Entfernung zu einem Ziel bzw. Messobjekt oder Reflektor durch einfache Zählung der zwischen Hin- und Rückreflexion emittierten Laserpulse bestimmt werden. Die Präzisionsmessung erfolgt z.B. additiv durch Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den aus dem Resonator austretenden Pulsfolgen und den vom Ziel rückreflektierten Pulsfolgen.at This method can be the distance to a target or measurement object or reflector by simple counting the between back and forth reflection emitted laser pulses are determined. The precision measurement is e.g. additive by determining the phase shift between the out of the Resonator emerging pulse sequences and the back reflected from the target Pulse sequences.

Bevorzugt wird zur Feststellung der Geschwindigkeitskomponente eines Zieles in Ausbreitungsrichtung des Laserstahls, im folgenden als radiale Geschwindigkeit bezeichnet, die Frequenzverschiebung zwischen Pulsfolgefrequenz des Resonators und Pulsfolgefrequenz der vom bewegten Ziel zurück reflektierten Laserpulse ausgewertet.Prefers is used to determine the velocity component of a target in the propagation direction of the laser beam, hereinafter referred to as radial Speed refers to the frequency shift between pulse repetition frequency of the resonator and pulse repetition frequency of the reflected from the moving target back Evaluated laser pulses.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich die Laserentfernungs- und Geschwindigkeitsmessung insbesondere durch Verwendung eines modengekoppelten Lasers als Frequenznormal verbessern. Modengekoppelte Laser erzeugen Pulszüge mit einem konstanten Puls-zu-Puls-Abstand, der exakt der Umlaufzeit der im Resonator oszillierenden Pulse entspricht. Der zeitliche Jitter dieses Abstandes kann einen Bruchteil der Pulsdauer der erzeugten ultrakurzen Laserpulse nicht überschreiten, da sonst eine Modenkopplung im Resonator nicht mehr erfolgen kann und das Pulsregime zusammenbricht.With the method according to the invention let yourself the Laserentfernungs- and speed measurement in particular by Improve the use of a mode-locked laser as a frequency standard. Mode-locked lasers generate pulse trains with a constant pulse-to-pulse distance, which exactly corresponds to the circulation time of the oscillating pulses in the resonator. The temporal jitter of this distance can be a fraction of the pulse duration the generated ultrashort laser pulses do not exceed, otherwise a Mode coupling in the resonator can no longer be done and the pulse regime collapses.

Das Verfahren wird bevorzugt zweistufig durchgeführt, wobei zunächst die grobe Entfernung zu einem Ziel durch Abzählen von Laserpulsen erfolgt, die in ganzen Vielfachen der optischen Resonatorlänge des verwendeten Lasers ausgedrückt wird. Anschließend wird z.B. die Verschiebung innerhalb der Resonatorlänge zwischen den vom Laserresonator periodisch ausgesendeten Laserpulsen und den vom Ziel zurück reflektierten Laserpulsen bestimmt und dadurch eine Präzisionsmessung bis auf Bruchteile der optischen Resonatorlänge ermöglicht. Die optische Resonatorlänge selbst unterliegt nur geringen Schwankungen (z.B. thermische Schwankungen), die sich durch verschiedene Maßnahmen teilweise unterdrücken lassen. Durch die exakte Bestimmung der Pulsfolgefrequenz, welche auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, wird die optische Resonatorlänge bzw. der Puls-zu-Puls Abstand ermittelt.The Method is preferably carried out in two stages, wherein the first rough distance to a target by counting laser pulses, in whole multiples of the optical cavity length of the used laser becomes. Subsequently is e.g. the shift within the resonator length between the periodically emitted by the laser resonator laser pulses and back from the target reflected laser pulses and thereby determines a precision measurement allowed to fractions of the optical resonator length. The optical resonator length itself is subject to only slight fluctuations (for example thermal fluctuations), through different measures partially suppress to let. By the exact determination of the pulse repetition frequency, which can be measured in a simple manner with high accuracy the optical resonator length or the pulse-to-pulse distance determined.

Bei der Reflexion des Pulszuges an einem bewegten Ziel, das sich zu oder von der Laserquelle bzw. dem Resonator weg bewegt, erfährt die Pulsfolgefrequenz eine Dopplerverschiebung, die durch Differenzfrequenzverstärkung des aus dem Resonator austretenden Pulszuges und des rückreflektierten Pulszuges gemessen werden kann und damit ein Maß für die Geschwindigkeit des Zieles wiedergibt. Die zu kalibrierende Größe ist wiederum die Pulsfolgefrequenz des Resonators.at the reflection of the pulse train on a moving target that is approaching or moved away from the laser source or the resonator, learns the Pulse repetition frequency is a Doppler shift caused by difference frequency amplification of the emerging from the resonator pulse train and the back-reflected pulse train can be measured and thus a measure of the speed of the target reproduces. The variable to be calibrated is again the pulse repetition frequency of the resonator.

Die Pulsdauer der ultrakurzen Laserpulse ist für die prinzipielle Funktion des Verfahrens nicht entscheidend. Sie beeinflusst jedoch bei der Entfernungsmessung die Genauigkeit, mit der die Phasenverschiebung zwischen den aus dem Resonator austretenden und den vom Ziel zurück reflektierten Pulsfolgen bestimmt werden kann. Für diese Genauigkeit ist entscheidend, wie fein man die ausgesendeten und vom Ziel zurück reflektierten ultrakurzen Laserpulse voneinander trennen kann. Die maximal erreichbare Auflösung des Messverfahrens wird dann durch einen bestimmten Teil der Breite der sich überlappenden Laserpulse vorgegeben, sie ist zu dieser proportional.The Pulse duration of the ultrashort laser pulses is for the principal function of the process is not critical. However, it affects in the Distance measurement the accuracy with which the phase shift between those exiting the resonator and those reflecting back from the target Pulse trains can be determined. For this accuracy is crucial how fine the ultrathin sent out and reflected back from the target Can separate laser pulses from each other. The maximum achievable resolution of the Measurement method is then determined by a certain part of the width the overlapping Laser pulses given, it is proportional to this.

Bevorzugt wird eine Augensicherheit durch den möglichen Einsatz von modengekoppelten Lasern bei augensicheren Wellenlängen wie z.B. 1,5μm gewährleistet.Prefers is eye safety through the possible use of mode-locked Lasers at eye-safe wavelengths such as. 1.5μm guaranteed.

Die Entfernung kann durch einfaches Auszählen der Pulsperioden zwischen dem Absenden eines Pulszuges und dem Empfang des Echosignales erfolgen. Die Präzisionsbestimmung erfolgt additiv durch die Feststellung der Phasenlage zwischen der ausgesendeten Pulsfolge und dem Echosignal. Diese kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden. Im einfachsten Fall wird die Verschiebung der Pulszüge zueinander mit zwei getrennten Photodioden und einer geeigneten Filtereinrichtung elektronisch, beispielsweise durch Bestimmung eines Gleichanteiles bei der Frequenzmischung ermittelt. Eine verbesserte Genauigkeit wird dadurch erreicht, dass die Phasenverschiebung mittels einer optischen Verzögerungsstrecke und einem nichtlinearen optischen Element, in dem sich Referenz- und Echopulszug überlagern, ermittelt wird. Dabei liefert beispielsweise das in Abhängigkeit von der optischen Weglänge der Verzögerung ermittelte Maximum der Autokorrelationsfunktion zwischen Referenz- und Echopuls den Präzisionsanteil der zu vermessenden Entfernung.The Removal can be done by simply counting the pulse periods between the transmission of a pulse train and the reception of the echo signal. The precision determination takes place additively by determining the phase angle between the emitted Pulse train and the echo signal. This can be done in different ways carried out become. In the simplest case, the shift of the pulse trains to each other with two separate photodiodes and a suitable filter device electronically, for example by determining a DC component determined at the frequency mixing. An improved accuracy is achieved in that the phase shift by means of a optical delay line and a non-linear optical element in which reference and echo pulse train overlay, is determined. This provides, for example, depending on from the optical path length the delay determined maximum of the autocorrelation function between reference and Echopuls the precision proportion the distance to be measured.

Durch die Detektion eines streng periodischen Signals kann eine deutliche Verbesserung bei der Unterdrückung des Rauschens erreicht werden.By the detection of a strictly periodic signal can be a significant Improvement in suppression of the noise.

Gemäß eine Ausfürungsart der Erfindung wird die Pulsfolgefrequenz eines modengekoppelten Kurzpulslasers als Frequenznormal verwendet. In einem zweistufigen Verfahren wird der Abstand zu einem Ziel zunächst in einem Vielfachen der optischen Resonatorlänge des Lasers, welche der Pulsfolgefrequenz zugrunde liegt, angegeben und anschließend durch die Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen ausgesendeten und rückreflektierten Pulszügen exakt bestimmt. Zur Messung der radialen Geschwindigkeit des Zieles wird die Dopplerverschiebung der Pulsfolgefrequenz des Echosignales zum ausgesendeten Messsignal bestimmt. Durch eine Differenzfrequenzverstärkung der elektronisch detektierten Signale kann diese exakt bestimmt werden.According to a Ausfürungsart The invention is the pulse repetition frequency of a mode-locked short-pulse laser used as a frequency standard. In a two-step process is the distance to a target first in a multiple of the optical cavity length of the laser, which is the Pulse rate is based, specified and then by the determination of the phase shift between emitted and reflected back pulse trains exactly determined. To measure the radial velocity of the target becomes the Doppler shift of the pulse repetition frequency of the echo signal determined to the transmitted measurement signal. By a difference frequency amplification of electronically detected signals can be determined exactly.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse umfasst eine Quelle zur Erzeugung einer Vielzahl von Laserpulsen als Pulsfolge und eine Detektoreinrichtung zur Detektion der von einem Ziel reflektierten Pulsfolge von Laserpulsen, und weiterhin eine Zähleinrichtung zur Zählung der vom Ziel reflektierten Laserpulse, die in einem Zeitintervall zwischen dem Absenden eines Laserpulses und seiner Detektion nach erfolgter Reflexion am Ziel detektiert werden. Mit dieser Vorrichtung lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren durchführen. Insbesondere lassen sich mit der Vorrichtung die in Bezug auf das Verfahren beschriebenen Vorteile erzielen. Darüber hinaus ist die Vorrichtung bzw. ein entsprechendes Gerät kompakt, in bewegtem Zustand verwendbar und selbstkalibrierend.The inventive device for measuring distances and / or speeds by laser pulses includes a source for generating a plurality of laser pulses as a pulse train and a detector device for the detection of a target reflected pulse train of laser pulses, and continue a counter to count the reflected from the target laser pulses, in a time interval between the sending of a laser pulse and its detection after that Reflection can be detected at the target. With this device can be the inventive method carry out. In particular, the device can be used with respect to the method achieve the advantages described. In addition, the device or a corresponding device compact, usable in moving condition and self-calibrating.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Schalter oder Chopper zur Unterbrechung des Sendens von Laserpulsen. Die Zähleinrichtung umfasst vorteilhafterweise einen Zähler für gesendete Laserimpulse und einen Zähler für reflektierte Laserimpulse, um nach einer Unterbrechung des Sendens von Laserpulsen die Anzahl der weiterhin detektierten, vom Ziel reflektierten Laserpulse zu bestimmen.The device preferably comprises a switch or chopper for interrupting the transmission of laser pulses. The counting device advantageously comprises a transmitter for transmitted laser pulses and a counter for reflected laser pulses in order, after an interruption of the transmission of laser pulses, to detect the number of further detected pulses. To determine from the target reflected laser pulses.

Bevorzugt ist eine Frequenzmischungseinheit zur Bestimmung der Phasenlage periodischer Signale, die von der Detektoreinrichtung erzeugt werden, vorgesehen.Prefers is a frequency mixing unit for determining the phase position periodic signals generated by the detector device, intended.

Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung eine einstellbare optische Strecke zur Verzögerung der vom Ziel reflektierten Laserpulse, und ein nichtlineares optisches Element, das die gesendeten und die verzögerten, reflektierten Laserpulse empfängt um ein Signal in Abhängigkeit von der Verzögerungsstrecke zu maximieren.advantageously, The device includes an adjustable optical path for delaying the from the target reflected laser pulses, and a nonlinear optical Element that the transmitted and the delayed, reflected laser pulses receives a signal in dependence from the delay line to maximize.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:following The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. Showing:

1 eine Vorrichtung zur Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. 1 a device for distance and / or speed measurement according to a preferred embodiment of the invention.

Das in 1 schematisch dargestellte Messgerät bzw. die Vorrichtung ist zur Durchführung des Verfahrens zur Präzisionsmessung von Entfernungen und radialen Geschwindigkeiten mit modengekoppelten, ultrakurzen Laserpulsen geeignet.This in 1 schematically illustrated measuring device or the device is suitable for carrying out the method for precision measurement of distances and radial velocities with mode-locked, ultrashort laser pulses.

Das Messgerät gliedert sich in vier Bauteil- bzw. Funktionsgruppen, nämlich Einheiten zur Pulserzeugung 20, zur optionalen optischen Präzisionsmessung 30, zur elektronischen Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung 40 und eine Ziel- und Messoptik 50.The measuring instrument is divided into four component or functional groups, namely units for pulse generation 20 , for optional optical precision measurement 30 , for electronic distance and speed measurement 40 and a sighting and measuring optics 50 ,

Die Vorrichtung umfasst eine Quelle (1) in Form eines modengekoppelten Ultrakurzpuls-Laserresonator, mit der Laserpulse erzeugt werden. Im vorliegenden Fall dient dazu ein Diodengepumpter Festkörperlaser mit einer Pulsdauer von 200 fs und einer Pulsfolgefrequenz von 1 GHz. Selbstverständlich können auch andere geeignete Laser als Laserpulsquelle verwendet werden.The device comprises a source ( 1 ) in the form of a mode-locked ultrashort pulse laser resonator with which laser pulses are generated. In the present case, a diode-pumped solid-state laser with a pulse duration of 200 fs and a pulse repetition frequency of 1 GHz is used. Of course, other suitable lasers may be used as the laser pulse source.

Ein Strahlteiler 2a dient zur Aufteilung des erzeugten Laserstrahls, so dass er einerseits über eine Optik 4, die den Strahl aufweitet, auf ein zu vermessendes Ziel ausgerichtet wird, und andererseits einer Detektions- und Zähleinrichtung 60 zugeführt wird, in der die Laserpulse gezählt werden.A beam splitter 2a serves to divide the generated laser beam so that it on the one hand via an optics 4 which expands the beam, is aligned with a target to be measured, and on the other hand a detection and counting device 60 is supplied, in which the laser pulses are counted.

Eine Kollimationsoptik 5 dient zur Fokussierung des vom Ziel zurück reflektierten Anteils des gepulsten Laserstrahls bzw. Pulszuges, der anschließend ebenfalls der Detektions- und Zähleinrichtung 60 zugeführt wird, um die reflektierten Pulse zu zählen.A collimation optics 5 serves to focus the reflected back from the target portion of the pulsed laser beam or pulse train, which then also the detection and counting device 60 is supplied to count the reflected pulses.

Ein Modulator bzw. Schalter 3, der z.B. als Pockelszelle oder mechanischer Chopper ausgebildet ist, dient zur zeitweisen Unterbrechung des erzeugten Laserstrahls, bevor er zum Ziel und zur Detektions- und Zähleinrichtung 60 gesendet wird. Der Schalter 3 und die Detektions- und Zähleinrichtung 60 sind an eine Recheneinheit bzw. zentrale Prozesssteuerung 12 gekoppelt.A modulator or switch 3 , which is designed, for example, as a Pockels cell or mechanical chopper, serves to temporarily interrupt the generated laser beam before it reaches the target and the detection and counting device 60 is sent. The desk 3 and the detection and counting device 60 are to a computing unit or central process control 12 coupled.

Zähler 10a und 10b dienen zur Zählung der gesendeten Laserpulse (10a) und der empfangenen bzw. vom Ziel zurück reflektierten Laserpulse (10b).counter 10a and 10b are used to count the transmitted laser pulses ( 10a ) and the received or reflected back from the target laser pulses ( 10b ).

Die Messung erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird die Strahlausrichtung mit der Ziel- und Messoptik 50 solange optimiert, bis das Echosignal an einer Photodiode 8 der Detektions- und Zähleinrichtung 60 maximal ist.The measurement takes place in several steps. First, the beam alignment with the aiming and measuring optics 50 optimized until the echo signal to a photodiode 8th the detection and counting device 60 is maximum.

Die Signaldetektion erfolgt innerhalb der Detektions- und Zähleinrichtung 60 in einer Stufenanordnung aus optischen Filtern 6 in Form von Interferenzfiltern, schneller Photodiode 7,8 (Avalanche-Dioden) und elektronischer Filter-Verstärkeranordnung 9, in der eine schmalbandige Frequenzselektion des Eingangssignales bei Einstellung eines Schwellwertes erfolgen kann. Der Schwellwert wird von der zentralen Prozessteuerung 12 so eingestellt, dass das mit den Zählern 10a, 10b ermittelte Ergebnis einer Pulszählung für Referenz- und Echosignal bei einer mit dem Chopper 3 zeitweise unterbrochenen Pulsfolge identisch ist.The signal detection takes place within the detection and counting device 60 in a stage arrangement of optical filters 6 in the form of interference filters, fast photodiode 7 . 8th (Avalanche diodes) and electronic filter amplifier arrangement 9 in which a narrow-band frequency selection of the input signal can be made when setting a threshold value. The threshold value is determined by the central process control 12 set that up with the counters 10a . 10b determined result of a pulse count for reference and echo signal at one with the chopper 3 temporarily interrupted pulse sequence is identical.

Die Entfernungsmessung erfolgt so, dass mit dem Chopper 3 der gepulste Laserstrahl unterbrochen wird. Dadurch fällt in der Filter-Verstärkeranordnung 9 das vom Strahlteiler 2a kommende Referenzsignal unter den eingestellten Schwellwert und am Referenzeingang des Zählers 10a wird die Zählung gestoppt. Das bis zur Unterbrechung ausgesendete Signal bzw. Echosignal durchläuft den Weg zum Ziel und zurück und wird anschließend der Zählung zugeführt. Aus der Differenz der Zählerstände zwischen Echo- und Referenzsignal an den Zählern 10a und 10b ergibt sich dann die Entfernung zum Ziel in ganzen Resonatorlängen. Die Berechnung wird weiter unten noch näher erläutert.The distance measurement is done in such a way that with the chopper 3 the pulsed laser beam is interrupted. This drops in the filter-amplifier arrangement 9 that from the beam splitter 2a coming reference signal below the set threshold and at the reference input of the counter 10a the count is stopped. The signal or echo signal transmitted until the interruption passes through the path to the destination and back and is then fed to the counting. From the difference between the counter readings between echo and reference signal at the counters 10a and 10b then the distance to the target results in whole resonator lengths. The calculation will be explained in more detail below.

Eine noch exaktere Bestimmung der Entfernung erfolgt elektronisch durch Bestimmung der Phasenlage der periodischen, gefilterten Signale zueinander mit Hilfe eines Frequenzmischers 11.An even more accurate determination of the distance is carried out electronically by determining the phase position of the periodic, filtered signals to each other using a frequency mixer 11 ,

Eine noch höhere Genauigkeit wird erzielt, wenn diese Phasenlage optisch in einer optionalen Präzisionsmesseinheit ermittelt wird. Dazu wird das Echosignal mit einer mechanischen bzw. einstellbaren Verzögerungsstrecke 13 motorgesteuert zusätzlich gegenüber dem Pulszug des Referenzsignales verzögert. Die Pulse des Referenz- und des Echosignales werden mit einer achromatischen Linse 14 in ein nichtlineares optisches Element 15, beispielsweise einen sättigbaren Absorber oder einen frequenzverdoppelnden Kristall fokussiert. Ein Strahlteiler 2b dient dazu, den von der Quelle 1 erzeugten Strahl als Referenzstrahl direkt dem nicht linearen optischen Element 15 zu zuführen. Wenn sich beide Pulse räumlich und zeitlich optimal überlagern, wird das bei der Überlagerung entstehende Signal, das mit einer Photodiode oder einem Photomultiplier 16 gemessen wird, maximal. Aus der Abhängigkeit dieses Maximums von der verzögernden Wegestrecke ergibt sich die genaue Entfernung.An even higher accuracy is achieved if this phase position is determined optically in an optional precision measuring unit. For this purpose, the echo signal with a mechanical or adjustable delay path 13 Motor-controlled additionally delayed with respect to the pulse train of the reference signal. The pulses of the reference and echosi gnales are using an achromatic lens 14 in a nonlinear optical element 15 For example, a saturable absorber or a frequency doubling crystal is focused. A beam splitter 2 B serves to that from the source 1 generated beam as a reference beam directly to the non-linear optical element 15 to feed. If both pulses overlap optimally spatially and temporally, the signal resulting from the superimposition becomes that with a photodiode or a photomultiplier 16 is measured, maximum. From the dependence of this maximum of the delaying path distance results in the exact distance.

Die Messung der radialen Geschwindigkeit erfolgt durch Differenzfrequenzverstärkung der aus dem Referenz- und dem Echosignal herausgefilterten harmonischen Anteile.The Radial velocity is measured by difference frequency amplification filtered out of the reference and the echo signal harmonic Shares.

Modengekoppelte Kurzpulslaser, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, sind beim gegenwärtigen Stand der Technik verfügbar. Besonders geeignet ist dabei die Klasse der diodengepumpten Festkörperlaser zur Erzeugung ultrakurzer Pulse. Neben einer guten Pulsstabilität besitzen diese Laser auch ein sehr gutes Strahlprofil. Ein gutes Strahlprofil ist eine wichtige Voraussetzung, um auch in großen Entfernungen von einigen Kilometern noch sinnvoll eine Entfernung mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können, da sonst durch eine große Strahldivergenz mit einem schiechten Signal-Rausch-Verhältnis zu rechnen ist und der ermittelte Abstand nicht klar einer Punkt-zu-Punkt-Distanz zugeordnet werden kann. Für solche Anwendungszwecke sind u.a. diodengepumpte Festkörperlaser geeignet [u.a. U. Keller et.al. „29 GHz modelocked miniature Nd:YVO. laser", Electronics Letters, 35, No. 14, 1999]. Diese Laser besitzen typische Pulslängen von 200 fs bis 5 ps, bei einer Pulsfolgefrequenz von 100 MHz bis zu 50 GHz, was Resonatorlängen von 10 cm bis zu einigen Millimetern entspricht. Alternativ ist auch der Einsatz von modengekoppelten Faserlasern [E. Yoshida, M. Nakazawa „80-200 GHz erbium doped fibre lasen using a rational harmonic mode-locking technique", Electronics Leiters, 32, No. 15, 1996] denkbar. Es könnten auch integrierte Halbleiter-Femtosekunden-Laser eingesetzt werden, wie sie in [Y.K. Chen et.al. „Subpicosecond monolithic colliding-pulse mode-locked multiple quantum well lasers", Appl. Phys. Lett., 58, 1253-1255, 1991], [S. Arahira, Y. Matsui, Y. Ogawa „Mode-Locking at Very High Repition Rates More Than Terahertz in Passively Mode-Locked Distributed-Bragg-Reflector Laser Diodes", IEEE 1. of Quant.Mode-locked Short pulse lasers as used in the invention are at the present State of the art available. Particularly suitable is the class of diode-pumped solid-state lasers for generating ultrashort pulses. Besides having a good pulse stability These lasers also have a very good beam profile. A good beam profile is an important requirement even in long distances of some Miles still make sense to determine a distance with high accuracy to be able to otherwise by a big one Beam divergence with a slick signal-to-noise ratio to be expected and the determined distance is not clearly a point-to-point distance can be assigned. For such applications are i.a. diode-pumped solid-state lasers suitable [i.a. U. Keller et.al. "29 GHz modelocked miniature Nd: YVO. laser", Electronics Letters, 35, no. 14, 1999]. These lasers are typical pulse lengths from 200 fs to 5 ps, at a pulse repetition frequency of 100 MHz to to 50 GHz, which resonator lengths from 10 cm to a few millimeters. Alternatively it is also the use of mode-locked fiber lasers [E. Yoshida, M. Nakazawa "80-200 GHz erbium doped fiber read using a rational harmonic mode-locking technique ", Electronics Ladder, 32, No. 15, 1996] conceivable. Semiconductor femtosecond lasers could also be used as described in [Y.K. Chen et.al. "Subpicosecond monolithic colliding-pulse mode-locked multiple quantum well lasers ", Appl. Phys. Lett. 58, 1253-1255, 1991], [S. Arahira, Y. Matsui, Y. Ogawa "Fashion Locking Than Terahertz Passively Fashion-Locked Distributed Bragg Reflector Laser Diodes ", IEEE 1st of Quant.

Electr., 32, No. 7, 1996] beschrieben werden. Diese Laser zeichnen durch sehr hohe Pulsfolgefrequenzen von 350 GHz bis zu 1,5 THz aus und sind über den Diodenstrom direkt abschaltbar. Aufgrund des schlechteren Strahlprofiles eignen sich diese Laser besonders für kürzere Entfernungen.Electr., 32, no. 7, 1996]. These lasers draw through very high pulse repetition frequencies from 350 GHz up to 1.5 THz and are about the diode current can be switched off directly. Due to the poorer beam profile These lasers are particularly suitable for shorter distances.

Nachfolgend wird das Messverfahren noch näher erläutert:
Die Messung der Entfernung erfolgt in mehreren Schritten. Zuerst wird der Abstand der Laserpulse des Meßsignales exakt bestimmt und das Meßsystem damit kalibriert. Dazu wird eine große Zahl von Pulsen innerhalb eines definierten Zeitintervalls abgezählt. Die Messgenauigkeit wird dabei bei ausreichend großer Pulszahl im wesentlichen durch die Genauigkeit der Uhr vorgegeben. Der dabei entstehende relative Fehler pflanzt sich direkt auf den relativen Fehler der zu messenden Entfernungen und Geschwindigkeiten fort. Der Einfluss einer eventuellen Drift der optischen Resonatorlänge kann vermindert werden, wenn diese Kalibrierungsmessung unmittelbar im Anschluss an die Entfernungs- oder Geschwindigkeitsmessung zwecks Mittelung wiederholt wird. Durch den Einsatz weit verbreiteter elektronischer Uhren und einer einfachen Schaltelektronik mit einer Photodiode (Avalanche-Diode) kann eine relative Präzision bei der Bestimmung der Resonatorlänge < 10^-9 erreicht werden. Die Periodendauer T ist exakt vorgegeben durch die Umlaufdauer des Pulses im Resonator mit der optischen Resonatorlänge L_R (c ... Lichtgeschwindigkeit)

The measuring method will be explained in more detail below:
The measurement of the distance takes place in several steps. First, the distance of the laser pulses of the measuring signal is determined exactly and the measuring system calibrated with it. For this purpose, a large number of pulses are counted within a defined time interval. The measurement accuracy is given at a sufficiently large number of pulses essentially by the accuracy of the clock. The resulting relative error propagates directly to the relative error of the distances and velocities to be measured. The influence of any drift in the optical resonator length can be reduced if this calibration measurement is repeated immediately after the distance or speed measurement for averaging. By using widely used electronic clocks and a simple switching electronics with a photodiode (avalanche diode), a relative precision in the determination of the resonator length <10 ^-9 can be achieved. The period T is exactly predetermined by the circulation time of the pulse in the resonator with the optical resonator length L _R (c ... speed of light)

Eine Abweichung von diesem Wert ist aufgrund des pulsformenden Modenkopplungsprozesses nicht möglich. Ein möglicherweise durch Fluktationen entstehender Jitter der Periodendauer ist vernachlässigbar und gleicht sich insbesondere bei Mittlungen über mehrere Pulsperioden vollständig aus.A Deviation from this value is due to the pulsing mode coupling process not possible. One maybe Fluttering jitter of the period is negligible and compensates completely, especially during averages over several pulse periods.

Nach der Kalibrierung wird das Ziel mit dem gepulsten Laserstrahl anvisiert und das rückreflektierte Echosignal detektiert. Da das Signal streng periodisch ist, kann es sehr gut aus dem Untergrund herausgefiltert werden. Das ausgesendete Signal wird dann mit dem Schalter oder Chopper 3 unterbrochen und gleichzeitig wird die Pulszählung am Detektor 8 des Echosignales gestartet. Ein Wert für die Entfernung L, ergibt sich in der ersten Stufe des Meßverfahrens dann aus der Zahl N der danach empfangenen Pulse

After calibration, the target is targeted with the pulsed laser beam and the back-reflected echo signal is detected. Since the signal is strictly periodic, it can be very well filtered out of the ground. The emitted signal is then sent with the switch or chopper 3 interrupted and simultaneously the pulse count on the detector 8th of the echo signal started. A value for the distance L, then results in the first stage of the measuring method from the number N of pulses received thereafter

Die tatsächliche Entfernung liegt dann in dem Intervall

. Sie kann genauer ermittelt werden, indem die Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Messsignal und dem Echosignal mit einer der oben genannten Methoden genauer bestimmt wird. Aus der festgestellten positiven Verschiebung φ des Echosignales gegenüber dem ausgesendeten Signal ergibt sich das Ergebnis der Präzisionsmessung L

The actual distance is then in the interval

, It can be more accurately determined by more accurately determining the phase shift between the transmitted measurement signal and the echo signal using one of the above methods. Out the determined positive shift φ of the echo signal with respect to the transmitted signal results in the result of the precision measurement L

Der Fehler ΔL der Messgröße ergibt sich näherungsweise aus

The error ΔL of the measured variable results approximately

Das bedeutet, dass beispielsweise bei einer Pulsfolgefrequenz von 20 GHz und einer Entfernung von mehreren Kilometern absolute Genauigkeiten deutlich unterhalb von 1 mm erreicht werden können. Durch die Messung mit der optischen Verzögerungsstrecke 13 lässt sich die Genauigkeit bei der Bestimmung der Phasenverschiebung unter 100 μm senken.This means that, for example, with a pulse repetition frequency of 20 GHz and a distance of several kilometers absolute accuracies can be achieved well below 1 mm. By measuring with the optical delay line 13 the accuracy of determining the phase shift can be reduced below 100 μm.

Die Messung der radialen Geschwindigkeit erfordert ebenfalls eine Kalibrierungsmessung der Pulsfolgefrequenz des ausgesendeten Messsignals

The measurement of the radial velocity also requires a calibration measurement of the pulse repetition frequency of the emitted measurement signal

Die Ermittlung der radialen Geschwindigkeit v eines Zieles erfolgt durch Verstärkung der Differenzfrequenz Δf zwischen der Pulsfolgefrequenz des ausgesendeten, gepulsten Laserstrahls f und der dopplerverschobenen Pulsfolgefrequenz des Echosignales f₀

The determination of the radial velocity v of a target is effected by amplifying the difference frequency Δf between the pulse repetition frequency of the emitted, pulsed laser beam f and the Doppler-shifted pulse repetition frequency of the echo signal f ₀

Es gibt n die mittlere Brechzahl in der Umgebung des Zieles an.It n indicates the mean refractive index in the vicinity of the target.

Sowohl die Differenzfrequenz als auch die ausgesendete Pulsfolgefrequenz lassen sich als streng periodische Signale durch bekannte Massnahmen mit hoher Präzision bestimmen.Either the difference frequency as well as the emitted pulse repetition frequency can be described as strictly periodic signals by known measures with high precision determine.

Radiale Geschwindigkeiten des Zieles (Drift) lassen sich durch eine nach einer definierten Zeit wiederholte Entfernungsmessung bestimmen. Auch hier besteht die Möglichkeit einer Präzisionsmessung mit relativen Fehlern < 10^-7, indem man den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Entfernungsmessungen ebenfalls in einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer der Pulsfolge ausdrückt. Praktisch lässt sich das durch das einfache Weiterzählen der Pulse des durchlaufenden Lasers zwischen zwei Messungen denkbar einfach realisieren.Radial velocities of the target (drift) can be determined by a distance measurement repeated after a defined time. Again, there is the possibility of a precision measurement with relative errors <10 ^-7 , by expressing the time interval between the two distance measurements also in an integer multiple of the period of the pulse train. In practice, this can be realized very simply by simply continuing to count the pulses of the passing laser between two measurements.

Ein für die Auflösung beschränkender Faktor des Verfahrens, der allerdings auch bei allen herkömmlichen optischen Entfernungsmessverfahren vorhanden ist, wird dadurch vorgegeben, dass prinzipiell nur das Produkt aus geometrischer Weglänge und mittlerer Brechzahl über die Entfernung gemessen werden kann. Die gemessene optische Weglänge hängt also beispielsweise von den thermischen Eigenschaften des Mediums ab, das sich zwischen dem Messgerät und dem Ziel befindet. Durch eine Korrekturrechnung mit der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes von Luft kann der Messwert jedoch korrigiert bzw. angepasst werden.One for the resolution restrictive Factor of the process, however, even in all conventional is provided by optical distance measuring method, is given by that in principle only the product of geometric path length and average refractive index over the distance can be measured. The measured optical path length thus depends for example, from the thermal properties of the medium, that is between the meter and the destination. Through a correction calculation with the temperature dependence of the Refractive index of air, however, the measured value can be corrected or be adjusted.

Durch die Erfindung wird die absolute Genauigkeit und die Reichweite bei der Messung von Entfernungen durch die Verarbeitung eines stabilen periodischen Signales verbessert. Die Messung radialer Geschwindigkeiten eines Zieles kann durch die Auswertung der spektralen Dopplerverschiebung der Laserwellenlänge des rückreflektierten Lichtes erfolgen. Die Messung der Dopplerverschiebung der Pulsfolgefrequenz eines modengekoppelten Resonators erlaubt eine spektral unabhängige Messung und beruht ebenfalls auf der Messung eines stabilen periodischen Signales.By the invention will provide absolute accuracy and range the measurement of distances by processing a stable periodic Signals improved. The measurement of radial velocities of a Target can be determined by the evaluation of the spectral Doppler shift the laser wavelength the back-reflected Light done. The measurement of the Doppler shift of the pulse repetition frequency a mode-locked resonator allows a spectrally independent measurement and is also based on the measurement of a stable periodic signal.

Die Periodendauer der stabilen Pulsfolge eines modengekoppelten Laserresonators wird als Zeitbasis für die Messung der Flugzeit der Laserpulse zu einem Ziel und die Dopplerverschiebung der stabilen Pulsfolgefrequenz zur Ermittlung der radialen Geschwindigkeit eines Zieles verwendet.The Period of the stable pulse train of a mode-locked laser resonator is used as a time base for the measurement of the time of flight of the laser pulses to a target and the Doppler shift the stable pulse repetition frequency for determining the radial velocity of a target.

Das Verfahren ermöglicht genaue Vermessungen von großen Entfernungen, die Beobachtung langsamer Driften, Vermessung von radialen Geschwindigkeiten, bildgebende Oberflächenabtastungen und ist in turbulenten und streuenden Medien sowie zur Feststellung von Brechungsindexveränderungen einsetzbar.The Procedure allows accurate measurements of large Distances, observing slow drifts, surveying radial velocities, surface imaging scans and is in turbulent and scattering media and to detect refractive index changes used.

Claims

Method for measuring distances and / or speeds by laser pulses, in which a pulse sequence with a plurality of laser pulses is transmitted from a source to a target and the pulse sequence reflected by the target is detected, characterized in that a count of the reflected laser pulses in the time interval between the transmission of a laser pulse of the emitted pulse sequence and its detection takes place and from the thus determined number of laser pulses and the duration of the pulse period, the distance between the source and the target is determined.

Method according to claim 1, characterized in that that in addition a phase shift between the sent and the goal reflected laser pulses is determined.

Method according to claim 1 or 2, characterized a frequency shift between the pulse repetition frequency of the transmitted laser pulses and the pulse repetition frequency of the reflected laser pulses is determined and from this the radial velocity of the target relative to the source.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a phase shift between the sent and the reflected laser pulses by mixing a part of a sent and reflected pulse train in a nonlinear optical element is detected, with a pulse train additionally through an adjustable optical path is delayed.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a phase shift between the sent and the reflected laser pulses by frequency mixing and / or through an electronic delay and subsequent Frequency mixing is detected.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a Doppler shift is sent between and reflected laser pulses by differential frequency amplification determined in periodic, electrical signals converted laser pulses becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that at least one repeated distance measurement carried out is, with the time interval between two Enffernungsmessungen by an integer multiple of the period of the pulse train is fixed.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that mode-locked, ultrashort laser pulses used be, as a pulse source for generating the ultrashort laser pulses a mode locked diode pumped solid state or fiber laser or a mode-locked diode laser is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a calibration measurement is performed, wherein the distance or the period of the generated laser pulses by counting determined by laser pulses within a defined time interval becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that several calibration measurements are performed to eliminate the influence of drift, preferably each before and after a finalization and / or Speed measurement the calibration measurement is performed and the result is averaged.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that transmitted and reflected laser pulses simultaneously be counted wherein for the distance measurement, the transmission of the laser pulses interrupted will, while the reflected laser pulses are counted.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a correction is performed in which the temperature dependence the refractive index of air is taken into account.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the period of a stable pulse train a mode-locked laser resonator as the time base for the measurement the time of flight of the laser pulses to the target is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mode-locked resonator is a time standard for the Determination of the time of flight of a laser pulse train to the target and used back is, this time by counting the coupled out from the resonator laser pulses and determining the phase shift of the emitted and retro-reflected Laser pulses is determined to each other.

Device for measuring distances and / or speeds by laser pulses, with a source ( 1 ) for generating a plurality of laser pulses as a pulse train, and a detector device ( 7 . 8th ) for detecting the pulse train of laser pulses reflected by a target, characterized by a counter ( 3 . 10a . 10b ) for counting the laser pulses reflected from the target, which are detected in a time interval between the sending of a laser pulse and its detection after reflection at the target.

Apparatus according to claim 15, characterized by a switch ( 3 ) for interrupting the transmission of the laser pulses.

Apparatus according to claim 15 or 16, characterized in that the counter means a counter ( 10a ) for transmitted laser pulses and a counter ( 10b ) for reflected laser pulses in order to determine after an interruption of the transmission of laser pulses, the number of further detected, reflected from the target laser pulses.

Device according to one of claims 15 to 17, characterized by a frequency mixing unit ( 11 ) for determining the phase position of periodic signals generated by the detector device ( 7 . 8th ) be generated.

Device according to one of Claims 15 to 18, characterized by an adjustable optical path ( 13 ) for delaying the laser pulses reflected from the target, and a nonlinear optical element ( 15 ) receiving the transmitted and the delayed reflected laser pulses to produce a signal dependent on the delay path (Fig. 13 ) to maximize.