DE3930272C2

DE3930272C2 -

Info

Publication number: DE3930272C2
Application number: DE3930272A
Authority: DE
Inventors: Uwe F.W. Dr. 2000 Wedel De Berghaus; Eberhard 2082 Uetersen De Gelbke; Christoph 2000 Hamburg De Muenkel; Christian Dr. 8000 Muenchen De Werner; Hartmut 8031 Woerthsee De Herrmann; Wilhelm 8000 Muenchen De Krichbaumer; Juergen 8034 Germering De Streicher; Ulrich Prof. Dr. 8031 Woerthsee De Oppel
Original assignee: Impulsphysik GmbH; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; Jenoptik AG
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1989-09-11
Publication date: 1991-07-25
Also published as: DE3930272A1; GB2224175A; GB8922245D0; GB2224175B

Description

Die Erfindung betrifft ein Lidar gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Anwendung dieses Lidars als Abstandswarngerät für Kraftfahrzeuge und ein Abstandswarngerät gemäß den Ansprüchen 5 und 6.The invention relates to a lidar according to the preamble of claim 1 as well as the application of this lidar as Distance warning device for motor vehicles and a Distance warning device according to claims 5 and 6.

Es ist bekannt, mit einem Lidar Transmissions-, Extinktions- und Rückstreumessung in der Atmosphäre durchzuführen, um in ihr vorhandene Gase oder Partikel nachzuweisen, ihre Konzentration und Entfernung vom Standpunkt des Lidars zu bestimmen. Als Beispiel seien hier die Veröffentlichungen von V. E. Derr, "Estimation of the extinction coefficient of clouds from multiwavelength lidar backscatter measurements", Appl. Opt., Vol. 19, No. 14, pp. 2310-2314 für die Untersuchung an Wolken, von J. S. Randhawa et al, "Lidar observations during dusty infrared Test-1", Appl. Opt., Vol. 19, No. 14, pp. 2291-2297, für Rückstreu- und die Transmissionsmessungen an Explosionswolken von TNT mittels eines mit einem CO₂- bzw. Rubin-Laser ausgerüsteten Lidars und von D. K. Kreid, "Atmospheric visibility measurement by a modulated cw lidar", Appl. Opt., Vol. 15, No. 7, pp. 1823-1831 erwähnt. Mit der Messung der Absorption und/oder Streuung von Licht in der Atmosphäre befassen sich ferner z. B. die DE-OS 23 51 972 und die DE-OS 23 28 092. It is known to use a lidar to carry out transmission, extinction and backscatter measurements in the atmosphere in order to detect gases or particles present in it, to determine their concentration and distance from the position of the lidar. The publications by VE Derr, "Estimation of the extinction coefficient of clouds from multiwavelength lidar backscatter measurements", Appl. Opt., Vol. 19, No. 14, pp. 2310-2314 for the investigation on clouds, by JS Randhawa et al, "Lidar observations during dusty infrared Test-1", Appl. Opt., Vol. 19, No. 14, pp. 2291-2297, for backscatter and transmission measurements on explosion clouds from TNT using a lidar equipped with a CO ₂ or ruby laser and from DK Kreid, "Atmospheric visibility measurement by a modulated cw lidar", Appl. Opt., Vol. 15, No. 7, pp. Mentioned 1823-1831. With the measurement of the absorption and / or scattering of light in the atmosphere also deal z. B. DE-OS 23 51 972 and DE-OS 23 28 092.

In den erwähnten Veröffentlichungen ist ein Lidar beschrieben, dessen Laserstrahl über eine Sendeoptik ausgesandt wird. Die ausgesandte Laserstrahlung wird in der Atmosphäre absorbiert und gestreut. Eine Empfangsoptik, deren Öffnungswinkel annähernd dem Öffnungswinkel des ausgesandten Strahls entspricht, mißt das gestreute Licht. Aus der lntensität des gestreuten Lichtes, den bekannten Streuquerschnitten verschiedener Gase und Partikel sowie der spektralen Absorption wird, da die Wellenlänge des Lasers bekannt ist, auf den Extinktionskoeffizienten der Atmosphäre und somit auf die Dichte beigemischter Gase und Partikel geschlossen.In the publications mentioned, a lidar is described, the Laser beam is emitted via a transmission optics. The emitted Laser radiation is absorbed and scattered in the atmosphere. A receiving optics, whose opening angle is approximately the opening angle of the emitted Corresponds to the beam, measures the scattered light. From the intensity of the scattered light, the known scattered cross sections of different Gases and particles as well as the spectral absorption is because of the wavelength of the laser is known on the extinction coefficient of the atmosphere and thus inferred the density of admixed gases and particles.

Es ist auch ein Lidar einer anderen Art bekannt, bei dem zwei Laserstrahlen benachbarter Wellenlänge verwendet werden, wobei die eine Wellenlänge von dem zu bestimmenden Gas besonders stark absorbiert oder gestreut wird, und die benachbarte Wellenlänge durch dieses Gas nahezu keine Absorption oder Streuung erfährt. Die "unbeeinflußt" zurückgestreute Laserstrahlung dient dann als Referenz für die zu bestimmende Absorption des Gases in der Atmosphäre.Another type of lidar is also known, in which two laser beams are used neighboring wavelength are used, the one Wavelength particularly strongly absorbed by the gas to be determined or is scattered, and the neighboring wavelength through this gas almost undergoes no absorption or scattering. The "unaffected" backscattered Laser radiation then serves as a reference for the absorption to be determined of the gas in the atmosphere.

Da die Intensität des rückgestreuten Lichts mit der Entfernung des streuenden Volumens vom Lidar mit einer höheren als quadratischen Potenz abnimmt, wird mit elektronischen Torschaltungen gearbeitet, welche nur immer einen bestimmten Entfernungsbereich auswerten. Die Laser senden in der Regel kurze Strahlungspulse in der Größenordnung einiger zehn Nanosekunden aus; es werden allerdings auch modulierte kontinuierlich arbeitende Laser verwendet. Since the intensity of the backscattered light increases with the distance of the scattering volume from the lidar with a higher than square power decreases, electronic gate circuits are used, which only always evaluate a certain distance range. The lasers send in usually short radiation pulses on the order of a few tens of nanoseconds out; however, there are also modulated continuously working Laser used.

Aus DE 25 11 538 A1 ist ein Nebelwarngerät bekannt, das einen Sender für Impulse und einen im Winkel hierzu angeordneten Empfänger aufweist und bei dem durch Umstellung eines Polarisationsfilters Meßwerte nacheinander in den beiden Polarisationsebenen der Rückstreuung und aus diesen der Polarisationsgrad ermittelt werden. Die Änderung der Polarisationsfunktion dient zur Feststellung der Sichtweite. Eine Unterscheidung zwischen Trübungen verschiedener Art ist hiermit nicht möglich und die Feststellung fester Hindernisse offenbar nicht beabsichtigt.From DE 25 11 538 A1 a fog warning device is known that one transmitter for impulses and one at an angle to it arranged receiver and in which by Changeover of a polarization filter measured values one after the other in the two polarization planes of the Backscatter and from this the degree of polarization be determined. The change in the polarization function serves to determine the visibility. A Differentiation between different types of turbidity is not possible with this and the determination more firm Obstacles apparently not intended.

Auch nach DE 23 51 972 A1 wird die Sichtweite aufgrund der Rückstreuung ausgestrahlter Lichtimpulse an Aerosolteilchen zu einem Empfänger registriert und die dort ankommende Energie in ein elektrisches Signal umgeformt und über einen geeigneten Verstärker einem Anzeigegerät zugeführt. Eine Unterscheidung der Rückstrahlung in verschiedenen Polarisationsebenen erfolgt hier nicht.Visibility is also based on DE 23 51 972 A1 the backscattering of emitted light pulses Aerosol particles registered to a recipient and the energy arriving there in an electrical signal transformed and a suitable amplifier Display device supplied. A distinction between Retroreflection in different polarization levels does not take place here.

Die bekannten Lidarausführungen eignen sich zur Messung eines Extinktionskoeffizienten in der Atmosphäre allgemein und zur Messung der Extinktion eines beigemischten Gases oder von Partikeln. Sie sind jedoch nicht geeignet, verschiedene Arten atmosphärischer Trübungen voneinander eindeutig und schnell zu unterscheiden, wie z. B. Schnee von Nebel, Regen oder einem festen Sichthindernis.The known lidar designs are suitable for measurement of an extinction coefficient in the atmosphere general and for measuring the absorbance of a admixed gas or particles. However, you are not suitable, different types of atmospheric Clouds from one another clearly and quickly distinguish, such as B. snow from fog, rain or a fixed obstacle to visibility.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lidar zu schaffen, welches eindeutig und schnell eine Unterscheidung verschiedener atmosphärischer Trübungen, wie z. B. Schnee, Nebel und Regel voneinander vornimmt.The invention has for its object to a lidar create which one clearly and quickly Differentiation of different atmospheric Cloudiness, such as B. makes snow, fog and rule from each other.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved.

Mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 6 wird die weitere Aufgabe gelöst, ein Abstandswarngerät für Kraftfahrzeuge mit einem Lidar, welches die Art eines Sichthindernisses und dessen Entfernung anzeigt, zu schaffen.With the subject of claim 6, the further task solved a distance warning device for motor vehicles with a lidar, which indicates the type of obstruction and its distance.

In den Patentansprüchen 2 bis 4 sind bevorzugte Ausführungsarten des erfindungsgemäßen Lidars und im Patentanspruch 5 die Anwendung des erfindungsgemäßen Lidars als Abstandswarngerät beschrieben. Preferred embodiments are in claims 2 to 4 of the lidar according to the invention and in claim 5 the application of the lidar according to the invention described as a distance warning device.

Im folgenden wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Lidars und des erfindungsgemäßen Abstandswarngeräts anhand von zeichnerischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigtThe following is an example of the lidar and of the distance warning device according to the invention based on drawings Illustrations explained in more detail. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lidars, Fig. 1 is a schematic representation of a lidar according to the invention,

Fig. 2 ein idealisiertes abstandskorrigiertes Lidar-Signal einer Nebelwand, Fig. 2 is an idealized distance-corrected lidar signal of a smoke screen,

Fig. 3 ein idealisiertes nicht abstandskorrigiertes Lider-Signal einer Nebelwand, Fig. 3 is an idealized not corrected distance Lider signal of a smoke screen,

Fig. 4 ein idealisiertes abstandskorrigiertes Lidar-Signal einer Schnee wand, Fig. 4 is an idealized distance-corrected lidar signal wall of a snow,

Fig. 5 ein idealisiertes abstandskorrigiertes Lidar-Signal einer Regenwand, Fig. 5 is an idealized distance-corrected lidar signal of a rain wall,

Fig. 6 ein idealisiertes nicht abstandskorrigiertes Lidar-Signal eines fe sten Sichthindernisses, und Fig. 6 shows an idealized, non-distance-corrected lidar signal of a most visible obstacle, and

Fig. 7 ein Blockschaltbild zusätzlicher Komponenten für eine Geschwindig keitssteuerung eines Kraftfahrzeugs. Fig. 7 is a block diagram of additional components for a speed control of a motor vehicle.

Das in Fig. 1 dargestellte Lidar 1 hat einen Sender 3, einen Em pfänger 5 und eine Auswertevorrichtung 7. Der Sender 3 ist ein Laser 9, dessen ausgesandte gepulste und linearpolarisierte Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich über 1,4 µm Wellenlänge liegt, damit seine Strahlung nicht augenschädlich ist. Der elektrische Feldvektor der linearpolarisierten Strahlung des Lasers 9 liegt in der Zeichenebene. Die Strahlung wird mit tels einer Sendeoptik 11 zu einen Strahl 12 mit einem Öffnungswinkel von etwa 10 mrad aufgeweitet.The lidar 1 shown in Fig. 1 has a transmitter 3, a Em pfänger 5 and an evaluation device. 7 The transmitter 3 is a laser 9 , the emitted pulsed and linearly polarized radiation in the infrared wavelength range is above 1.4 μm wavelength, so that its radiation is not harmful to the eyes. The electric field vector of the linearly polarized radiation of the laser 9 lies in the plane of the drawing. The radiation is expanded by means of a transmission optics 11 to a beam 12 with an opening angle of approximately 10 mrad.

Vor dem Lidar 1 befindet sich im Abstand d eine Nebelwand 14, in die der Strahl 12 eindringt und teilweise an den Nebeltröpfchen entgegen gesetzt der einfallenden Strahlrichtung in einem Strahl 15 zurückreflektiert bzw -gestreut wird. Ein weiterer Teil der einfallenden Strahlung 12 wird mehrfach gestreut und gelangt außerhalb des Strahlkegels der Strahlung 12 hauptsächlich in einem Strahlungskegel 17 von 10 bis 30 mrad zum Lidar 1 zurück. Zur deutlichen Darstellung sind in Fig. 1 die Winkel der Strahlen 12 und 15 sowie des Strahlungskegels 17 stark vergrößert dargestellt.In front of the lidar 1 there is a fog wall 14 at a distance d, into which the beam 12 penetrates and is partially reflected or scattered back against the incident droplet direction in a beam 15 . Another part of the incident radiation 12 is scattered several times and returns to the lidar 1 outside the radiation cone of the radiation 12 mainly in a radiation cone 17 of 10 to 30 mrad. For a clear representation, the angles of the beams 12 and 15 and of the radiation cone 17 are shown greatly enlarged in FIG. 1.

Eine erste Empfangsvorrichtung zur Detektion des Strahls 15 hat eine Cassegrainsche-Spiegelanordnung 19 (in der Mitte durchbohrter Hauptspiegel 20 und in der optischen Achse über dem Bohrloch 21 sitzen der Fangspiegel 22), eine Blende 23, ein optisches System 24, welches die aus der Blende 23 austretenden Strahlenbündel 15 und 17 in parallele Strahlen verwandelt und nur Strahlung durchläßt, welche aus dem Spektrum des Lasers 3 stammt (Schmalbandfilter 26), ein Wollaston-Prisma 25, wel ches die Strahlenbündel 15 und 17 in je zwei Strahlenbündel 15a/17a und 15b/17b aufteilt und je eine Fokussierlinse 27a und 27b, welche die Strahlung 15a bzw. 15b auf je eine Photodiode 29a und 29b als Detektor fokussiert. Das Wollaston-Prisma 25 ist derart angeordnet, daß linearpola risierte Strahlung des Strahlenbündels 15, deren elektrischer Feldvektor parallel zum elektrischen Feldvektor des Strahls 12 ist, also in der Zei chenebene liegt, es als Strahl 15a verläßt. Hierzu senkrecht polarisierte Strahlung des Strahlenbündels 15 verläßt das Wollaston-Prisma 25 als Strahl 15b.A first receiving device for the detection of the beam 15 has a Cassegrain mirror arrangement 19 (main mirror 20 pierced in the middle and the secondary mirror 22 is located in the optical axis above the borehole 21 ), a diaphragm 23 , an optical system 24 which detects the diaphragm 23 emerging rays 15 and 17 transformed into parallel rays and only lets radiation that comes from the spectrum of the laser 3 (narrow band filter 26 ), a Wollaston prism 25 , which ches the rays 15 and 17 in two rays 15 a / 17 a and 15 b / 17 b and a focusing lens 27 a and 27 b, which focuses the radiation 15 a and 15 b onto a photodiode 29 a and 29 b as a detector. The Wollaston prism 25 is arranged in such a way that linear polarized radiation of the beam 15 , the electric field vector of which is parallel to the electric field vector of the beam 12 , ie lies in the plane of the zei, leaves it as the beam 15 a. For this purpose, perpendicularly polarized radiation from the beam 15 leaves the Wollaston prism 25 as beam 15 b.

Eine zweite Empfangsvorrichtung dient zur Detektion des Strahlen bündels 17. Sie beinhaltet, wie die erste Empfangsvorrichtung, die Casse grainsche-Spiegelanordnung 19, die Blende 23, das optische System 24 und das Wollaston-Prisma 25, welches die Strahlung des Strahlenbündel 17 in einen linearpolarisierten Strahl 17a, dessen elektrischer Feldvektor in der Zeichenebene liegt, und einen linearpolarisierten Strahl 17b, dessen Polarisationsebene senkrecht zum Strahl 17a liegt, aufspaltet, sowie zu sätzlich je eine Fokussierlinse 31a und 31b, welche den Strahl 17a bzw. 17b auf je eine Photodiode 33a bzw. 33b als Detektor fokussiert. Um Fig. 1 nicht zu überladen sind nur die "Strahlbegrenzungen" 12, 15, 15a, 15b, 17, 17a und 17b dargestellt.A second receiving device is used to detect the beam 17 . It includes, like the first receiving device, the Casse grain mirror arrangement 19 , the aperture 23 , the optical system 24 and the Wollaston prism 25 , which emits the radiation of the beam 17 into a linearly polarized beam 17 a, the electric field vector of which lies in the plane of the drawing , and a linearly polarized beam 17 b, the polarization plane of which is perpendicular to beam 17 a, splits, and additionally a focusing lens 31 a and 31 b, which beam 17 a and 17 b onto a photodiode 33 a and 33 b focused as a detector. In order not to overload Fig. 1, only the "beam limits" 12 , 15 , 15 a, 15 b, 17 , 17 a and 17 b are shown.

Die von den Photodioden 29a, 29b, 33a und 33b abhängig von der auf sie auftreffenden Strahlungsintensität I₁₅_∥, I₁₅_⟂, I₁₇_∥ und I₁₇_⟂ er zeugten elektrischen Signale werden mit je einem Verstärker 34a, 34b, 34c und 34d, deren Verstärkung einstellbar ist, wie unten beschrieben, ver stärkt.The generated by the photodiodes 29 a, 29 b, 33 a and 33 b depending on the incident on them radiation intensity I₁₅ _∥ , I₁₅ _⟂ , I₁₇ _∥ and I₁₇ _⟂ he electrical signals with an amplifier 34 a, 34 b, 34 c and 34 d, whose gain is adjustable, as described below, reinforced.

Ein kleiner Teil des von Laser 9 ausgesandten Strahls 12 wird über einen Lichtleiter 35 zu einer Photodiode 36, die mit einen Zeitglied 38 verbunden ist, geführt. Ein Ausgang 37a des Zeitgliedes 37 ist mit einem Signalverarbeitungselement 41 und jeder von vier weiteren Ausgängen ist mit je einem der vier Verstärker 34a, 34b, 34c und 34d verbunden. Vier Anzeigen 43a bis 43d, die mit den Worten festes Hindernis, Nebel, Schnee und Regen beschriftet sind, sind mit dem Signalverarbeitungselement 41 elektrisch verbunden. Eine fünfte, ebenfalls mit dem Signalverarbeitungs element 41 verbundene Anzeige 44 ist zur Darstellung des Abstands d vom Lidar 1 zur Nebelwand 14 vorhanden.A small part of the beam 12 emitted by laser 9 is guided via an optical fiber 35 to a photodiode 36 , which is connected to a timing element 38 . An output 37 a of the timing element 37 is connected to a signal processing element 41 and each of four further outputs is connected to one of the four amplifiers 34 a, 34 b, 34 c and 34 d. Four displays 43 a to 43 d, which are labeled with the words fixed obstacle, fog, snow and rain, are electrically connected to the signal processing element 41 . A fifth display 44, which is also connected to the signal processing element 41 , is present to represent the distance d from the lidar 1 to the smoke screen 14 .

Der Laser 9 sendet mit einigen einhundert Hertz Repetitionsfrequenz Pulse mit einer Pulsbreite von einigen zehn Nanosekunden aus, die mit der Sendeoptik 11 zum Strahl 12 mit etwa 10 mrad Öffnungswinkel aufgeweitet werden. In einem Abstand d vom Lidar 1 in 200 Metern befindet sich eine Nebelwand 14. Ein Teil jedes Laserpulses gelangt über den Lichtleiter 35 zur Photodiode 36, welche das Zeitglied 37 startet. Das Zeitglied 37 ist derart ausgelegt, daß es nach dem ersten Laserpuls an seinen Ausgängen 37a bis 37e nach 60 ns eine digitalcodierte Information "90,0" entspre chend der Laufzeit von 60 ns für einen Hin- und Rückweg von 180 m, d. h. einen Abstand d eines eventuellen Sichthindernisses von 90 m, abgibt.The laser 9 transmits pulses with a repetition frequency of a few hundred Hertz with a pulse width of a few tens of nanoseconds, which are widened with the transmitting optics 11 to the beam 12 with an opening angle of approximately 10 mrad. A fog wall 14 is located at a distance d from the lidar 1 in 200 meters. A part of each laser pulse passes through the light guide 35 to the photodiode 36 , which starts the timer 37 . The timer 37 is designed such that after the first laser pulse at its outputs 37 a to 37 e after 60 ns, digitally coded information "90.0" corresponding to the running time of 60 ns for a return trip of 180 m, ie a distance d of a possible visual obstacle of 90 m.

Durch die digitalcodierte Information werden die Verstärker 34a bis 34d für etwa 10 ns auf eine Empfindlichkeit eingestellt, die ein elektrisches Signal der betreffenden Photodiode 29a, 29b, 33a bzw. 33b entsprechend rückgestreuter Strahlung eines in 90 m Entfernung zu erwartenden Sicht hindernisses ausreichend verstärken würde. Nach etwa einer Millisekunde (entsprechend der eingestellten Repetitionsfrequenz der Laserpulse) wird ein weiterer Laserpuls ausgesandt und das Zeitglied 37 gibt nun nach 70 ns eine digitalcodierte Information "91,5" entsprechend einem eventuel len Sichthindernis in 91,5 m vom Lidar 1 an die Verstärker 34a bis 34d und das Signalverarbeitungselement 41, usw.By means of the digitally coded information, the amplifiers 34 a to 34 d are set to a sensitivity for approximately 10 ns, which is an electrical signal from the relevant photodiode 29 a, 29 b, 33 a or 33 b corresponding to backscattered radiation to be expected at a distance of 90 m Would increase visibility obstacles sufficiently. After about a millisecond (corresponding to the set repetition frequency of the laser pulses), another laser pulse is emitted and the timer 37 now gives digitally coded information "91.5" after 70 ns corresponding to a possible obstruction in sight in 91.5 m from the lidar 1 to the amplifier 34 a to 34 d and the signal processing element 41 , etc.

Da die Intensität der rückgestreuten Strahlung 15 und 17 in Ab hängigheit vom Abstand mit einer höheren als quadratischen Potenz ab nimmt, wird mit einem elektronischen "Fenster" gearbeitet, bei dem eine Strecke in kleine Raumteilbereiche unterteilt wird und nach jedem ausge sandten Laserpuls ein anderer Raumteilbereich auf rückgestreute Strahlung des soeben ausgesandten Pulses untersucht wird. Hierdurch kann starke Streustrahlung der zum Lidar 1 nahen Bereiche unterdrückt werden und die Verstärkung der empfangenen Signale derart eingestellt werden, daß ihre Signalhöhe abstandskorrigiert ist. Der Abstand des die Streustrahlung aus sendenden Raumbereichs ist durch den Einschaltzeitpunkt des elektroni schen "Fensters" gegeben. Die geometrische Auflösung des Abstands ergibt sich aus der Öffnungszeit des "Fensters" (10 ns∎1,5 m).Since the intensity of the backscattered radiation 15 and 17 decreases in dependence on the distance with a higher than quadratic power, an electronic "window" is used, in which a route is divided into small areas and after each laser pulse sent a different area is examined for backscattered radiation of the pulse just emitted. As a result, strong stray radiation from the areas close to lidar 1 can be suppressed and the amplification of the received signals can be adjusted in such a way that their signal level is corrected for distance. The distance of the scattered radiation from the room area is given by the switch-on time of the electronic "window". The geometric resolution of the distance results from the opening time of the "window" (10 ns∎1.5 m).

Da sich die Nebelwand 14 erst in 200 m Entfernung befindet, lie fern obige Messung kein Signal. Erst nachdem das Zeitglied 37 nach 1340 ns die digitalcodierte Information "201" an die Verstärker 34a bis 34d und an das Signalverarbeitungselement 41 übermittelt, erhält die Pho todiode 29a, welche nur gestreute und reflektierte Strahlung innerhalb des Strahls 15, deren Polarisationsebene parallel zur Polarisationsebene der Laserstrahlung im Strahl 12 ist, empfängt, und die Photodioden 33a und 33b Strahlung aus der mehrfach gestreuten Strahlung des Strahls 17, ein Signal. Mit den folgenden Laserpulsen, wobei mit jedem Laserpuls rückge streute Strahlung aus jeweils einem um 1,5 m weiter entfernten Raumteil bereich empfangen wird, wächst, wie in Fig. 2a (abstandskorrigiertes elektrisches Signals I₁₅_∥ der Photodiode 29a nach deren Verstärker 34a) mit logarithmischer Ordinate für das Signal I₁₅_∥ dargestellt, das aufberei tete elektrische Signal der parallel polarisierten rückgestreuten Strahlung des Strahles 15 über dem Abstand als Abszisse bis zu einem maximalen Wert I_max und nimmt dann wieder ab. Die abstandskorrigierten Signale I₁₇_∥ und I₁₇_⟂ des mit den Photodioden 33a und 33b empfangenen Streu lichts des Strahls 17 sind in den Fig. 2c und 2d logarithmisch über dem linearen Abstand d vom Lidar 1 aufgetragen. In Fig. 2b ist das ab standskorrigierte Streulicht I₁₅_⟂ mit senkrechter Polarisation des Strahls 15 logarithmisch über dem linearen Abstand d aufgetragen. Die Signale I₁₇_∥ und I₁₇_⟂ steigen ebenfalls zu einen maximalen Wert an und fallen dann wieder ab. Das Signal I₁₅_⟂ erreicht keine über dem Rauschen liegen den Werte.Since the fog wall 14 is only 200 m away, the above measurement does not provide a signal. Only after the timing element 37 transmits the digitally coded information “201” to the amplifiers 34 a to 34 d and to the signal processing element 41 after 1340 ns, does the photodiode 29 a, which contains only scattered and reflected radiation within the beam 15 , have their polarization plane parallel to the plane of polarization of the laser radiation in the beam 12 , and the photodiodes 33 a and 33 b receive radiation from the multiply scattered radiation of the beam 17 , a signal. With the following laser pulses, with each laser pulse rückge scattered radiation from a respective m to 1.5 more distant space is received region as shown in Fig. 2a grows (distance corrected electrical signal I₁₅ _∥ of the photodiode 29 a according to the amplifier 34 a) shown with logarithmic ordinate for the signal I₁₅ _∥ , the processed electrical signal of the parallel polarized backscattered radiation of the beam 15 over the distance as the abscissa up to a maximum value I _max and then decreases again. The distance-corrected signals I₁₇ _∥ and I₁₇ _⟂ of the photodiode 33 a and 33 b received scattered light of the beam 17 are shown in FIGS. 2c and 2d logarithmically to the linear distance d applied from the lidar. 1 In Fig. 2b the from corrected stray light I₁₅ _⟂ with perpendicular polarization of the beam 15 is logarithmically plotted over the linear distance d. The signals I₁₇ _∥ and I₁₇ _{⟂ also} increase to a maximum value and then decrease again. The signal I₁₅ _⟂ does not exceed the values above the noise.

In Fig. 3 ist das mit der Photodiode 29a gemessene, aber nicht abstandskorrigierte Signal zum besseren Verständnis bis zu einem Abstand von 500 m dargestellt, wobei sich in einem Abstand d von 200 m die 200 m dicke Nebelwand 14 befindet.In Fig. 3 the measured with the photodiode 29 a, but not distance-corrected signal is shown for better understanding up to a distance of 500 m, the 200 m thick smoke wall 14 being at a distance d of 200 m.

Werden diese Messungen mit einer Schneewand und einer Regenwand wiederholt, so ergeben sich für Schnee die in den Fig. 4a bis 4d und für Regen die in den Fig. 5a bis 5d dargestellten idealisierten Ergeb nisse. Die Zuordnung der Darstellungen zu den Photodioden 29a, 29b, 33a und 33b ist analog zu den Darstellungen der Fig. 2a bis 2d gewählt. Zur Unterscheidung der Meßergebnisse erhalten die gemessenen abstands korrigierten idealisierten Intensitäten I₁₅_∥, I₁₅_⟂, I₁₇_∥ und I₁₇_⟂ einen weiteren Index N für die Messung an der Nebelwand, R für die Regenwand und S für die Schneewand.If these measurements are repeated with a wall of snow and rain wall so obtained for the snow 5a nit in FIGS. 4a to 4d and rain in FIGS. 5d shown idealized resulting. The assignment of the representations to the photodiodes 29 a, 29 b, 33 a and 33 b is selected analogously to the representations of FIGS. 2a to 2d. To differentiate the measurement _results , the measured distance-corrected idealized intensities I₁₅ _∥ , I₁₅ _⟂ , I₁₇ _∥ and I₁₇ ⟂ _receive a further index N for the measurement on the fog wall, R for the rain wall and S for the snow wall.

Überraschenderweise hat sich nun aus der Messung entsprechend dem oben beschriebenen Vorgang folgendes ergeben:Surprisingly, the measurement has now turned out accordingly from the process described above:

Bei der Nebelwand 14 wird je ein abstandskorrigiertes Signal I₁₅_∥ _N, I₁₇_∥ _N und I₁₇_⟂ _N erhalten; das Signal I₁₅_⟂ _N ist nicht vorhanden;
bei einer (nicht dargestellten) Schneewand wird je ein abstandskor rigiertes Signal I₁₅_∥ _S, I₁₅_⟂ _S, I₁₇_∥ _S und I₁₇_⟂ _S erhalten;
bei einer (nicht dargestellten) Regenwand wird ein abstandskorri giertes Signal I₁₅_∥ _R erhalten; die Signale I₁₅_⟂ _R, I₁₇_∥ _R und I₁₇_⟂ _R sind vernachlässigbar klein.At the smoke _screen 14 , a distance-corrected signal I₁₅ _∥ _N , I₁₇ _∥ _N and I₁₇ _⟂ _{N is} obtained; the signal I₁₅ _⟂ _N is not present;
with a (not shown) snow wall, a distance-corrected signal I₁₅ _∥ _S , I₁₅ _⟂ _S , I₁₇ _∥ _S and I₁₇ _⟂ _{S is} obtained;
with a rain wall (not shown) a distance-corrected signal I₁₅ _∥ _{R is} obtained; the signals I₁₅ _⟂ _R , I₁₇ _∥ _R and I₁₇ _⟂ _R are negligibly small.

Handelt es sich um ein festes Sichthindernis (nicht dargestellt), dessen nicht abstandskorrigiertes Signal von Photodiode 29a in Fig. 6 dargestellt ist, so wird gegenüber obigen Signalen von der Photodiode 29a ein Signal I₁₅_∥ _H mit spitzen, nadelförmigen Anstieg detektiert. Je nach der Art der Oberfläche (spiegelnd oder diffus) kann auch noch ein Anteil I₁₅_⟂ _H sein.If it is a fixed visual obstacle (not shown), whose non-distance-corrected signal from photodiode 29 a is shown in Fig. 6, a signal I₁ _{Sign ∥} _H with pointed, needle-shaped rise is detected compared to the above signals from photodiode 29 a. Depending on the type of surface (specular or diffuse), I₁ _{I ⟂} _H may also be present.

Aus obigen Kriterien ermittelt das Signalverarbeitungselement 41 eine eindeutige Zuordnung, ob es sich bei dem gemessenen Sichthindernis um eine Nebel-, Schnee- oder Regenwand oder ein festes Sichthindernis handelt. Bei einer Nebel-, Schnee- oder Regenwand ermittelt das Signal verarbeitungselement 41 aus den vom Zeitglied 37 übermittelten digitalco dierten Werten zu jeder Messung einen jeweiligen Abstandswert d. Der Ab standswert d liegt annähernd in der Mitte des Signalanstiegs I₁₅_∥ _N, I₁₅_∥ _S bzw. I₁₅_∥ _R. Bei einem festen Sichthindernis entfällt aufgrund des nadelför migen, spitzen Signalanstiegs des Signals I₁₅_∥ _H die Mittenbildung. Der er mittelte Abstand d wird in der Anzeige 44 als Zahlenangabe in Metern an gezeigt. Zusätzlich leuchtet entsprechend obiger Auswertung die jeweilige Anzeige 43a, 43b, 43c oder 43d entsprechend einer Nebel-, Schnee- oder Regenwand oder eines festen Sichthindernisses auf.From the above criteria, the signal processing element 41 determines an unambiguous assignment as to whether the measured obstruction is a wall of fog, snow or rain or a fixed obstruction. In the case of a wall of fog, snow or rain, the signal processing element 41 determines a respective distance value d for each measurement from the digitally coded values transmitted by the timing element 37 . From the stand value d is approximately in the middle of the signal increase _{I₁₅ ∥} _N , I₁₅ _∥ _S or I₁₅ _∥ _R. In the case of a fixed obstacle to visibility, the averaging is omitted due to the needle-shaped, sharp signal rise of the signal I₁₅ _∥ _H. The average distance d is shown in the display 44 as a number in meters. In addition, according to the above evaluation, the respective display 43 a, 43 b, 43 c or 43 d lights up according to a wall of fog, snow or rain or a fixed obstacle to visibility.

Befindet sich innerhalb der Nebel-, Schnee- oder Regenwand ein festes Sichthindernis, so überlagert sich den in den Fig. 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b dargestellten Kurvenverläufen ein spitzer, nadelförmiger Impuls, der von dem Signalverarbeitungselement 41 als festes Sichthindernis erkannt wird. In diesem Fall leuchtet neben der Anzeige 43a, 43b oder 43c für die Nebel-, Schnee- oder Regenwand die Anzeige 43d für das feste Sichthin dernis. Die Abstandsanzeige 44 zeigt den Abstand d des festen Sichthin dernisses an.If there is a fixed visual obstacle within the wall of fog, snow or rain, the curves shown in FIGS . 2a, 2b, 4a, 4b, 5a, 5b are superimposed by a pointed, needle-shaped pulse which is generated by the signal processing element 41 as a fixed visual obstacle is recognized. In this case, in addition to the display 43 a, 43 b or 43 c for the fog, snow or rain wall, the display 43 d for the fixed sight obstacle. The distance indicator 44 shows the distance d of the fixed sight.

Obiges Lidar 1 läßt sich in ein (nicht dargestelltes) Kraftfahrzeug einbauen, wobei obiges Meßverfahren in Fahrtrichtung ausgeführt wird. Die Anzeigen 43a, 43b, 43c und 43d der Nebel-, Schnee- oder Regenwand bzw. eines festen Sichthindernisses sind für den Fahrer eine ausgezeichnete Fahrhilfe. Werden die Daten des Signalverarbeitungselements 41, wie in Fig. 7 dargestellt, in eine Datenverarbeitungseinrichtung 47 übermittelt, welche die augenblickliche Geschwindigkeit des Fahrzeugs über ein Tacho meter 49 bestimmt, so kann die augenblickliche Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs in Abhängigkeit auftretender Sichthindernisse optimal gesteuert werden, indem die Datenverarbeitungseinrichtung 47 je nach übermittelten Daten des Tachometers 49 und des Signalverarbeitungselements 41 auf die Treibstoffzufuhr 50 und damit auf das Antriebssystem bzw. auf die Brems vorrichtung 51 des Fahrzeugs einwirkt.The above lidar 1 can be installed in a motor vehicle (not shown), the above measuring method being carried out in the direction of travel. The displays 43 a, 43 b, 43 c and 43 d of the wall of fog, snow or rain or a fixed obstacle to visibility are excellent driving aids for the driver. If the data of the signal processing element 41 , as shown in FIG. 7, is transmitted to a data processing device 47 , which determines the instantaneous speed of the vehicle via a tachometer 49 , the instantaneous driving speed of the vehicle can be optimally controlled in dependence on visual obstacles that occur data processing means 47 depending on the data transmitted from the tachometer 49 and the signal processing element 41 to the fuel supply 50 and thus to the drive system or the braking device 51 acts of the vehicle.

Die Anzeige 43c einer Regenwand wird auch aktiviert, wenn von einem vorausfahrenden Kraftfahrzeug Wasser von der Fahrbahn aufgewirbelt wird.The display 43 c of a rain wall is also activated when water is whirled up from the road by a motor vehicle in front.

Wie sich aus obigen Messungen ergeben hat, unterscheiden sich die mit den Photodioden 33a und 33b ermittelten Ergebnisse nur wenig. Es kann deshalb eine der Photodioden 33a bzw. 33b mit ihrem Verstärker 34b bzw. 34d weggelassen werden, ohne die Genauigkeit der ermittelten Werte zu verringern. Die Verwendung beider Dioden 33a und 33b läßt unter ge wissen Umweltbedingungen eine exaktere Auswertung zu.As has emerged from the above measurements, the results obtained with the photodiodes 33 a and 33 b differ only slightly. One of the photodiodes 33 a and 33 b with its amplifier 34 b and 34 d can therefore be omitted without reducing the accuracy of the values determined. The use of both diodes 33 a and 33 b allows under ge environmental conditions a more precise evaluation.

Je nach auszumessenden Distanzen können mit dem Zeitglied 37 an dere Anfangs- und Endwerte eingestellt werden, auch können andere Repe titionsfrequenzen des Lasers 9, sowie eine andere Auflösung als 10 ns entsprechend 1,5 m gewählt werden.Depending on the distances to be measured, the start and end values can be set with the timer 37 , other repetition frequencies of the laser 9 and a resolution other than 10 ns corresponding to 1.5 m can also be selected.

Claims

1. Lidar to determine the type and distance of turbidities in the atmosphere and a solid obstruction obscured by turbidities by determining the backscatter using

a) a transmitter ( 3 ) with a predetermined small aperture angle for the emission of a pulsed, linearly polarized beam ( 12 ),
b) a receiver ( 5 ) for the backscattered radiation ( 15, 17 ),
c) an evaluation device ( 7 ) for evaluating the electrical signals formed from the backscattered radiation ( 15, 17 ),
d) a timing element ( 37 ) for controlling the evaluation of the backscattered pulses according to different measuring distances,

characterized in that

e) the receiver ( 5 ) identifies two receiving devices for the backscattered radiation ( 15 and 17 ) from non-overlapping reception area areas, whereby
f) the receiving optics of the first receiving device is constructed such that essentially only the reflected radiation ( 15 ) of the emitted beam ( 12 ) lies in its receiving area and
g) the receiving optics of the second receiving device is constructed in such a way that its receiving area lies around the reflected beam ( 15 ) and it receives multiply scattered radiation ( 17 ) outside the directly reflected beam ( 15 ).

2. Lidar according to claim 1, characterized in that

a) the first and the second receiving device for backscattered radiation ( 15, 17 ) in the receiving optics contains a polarization analyzing element ( 25 ) and
b) a first and a second detector ( 29 a, 29 b) and. for determining the radiation intensity of the radiation ( 15 ) which is directly reflected back to the first receiving device in accordance with its polarization parallel and perpendicular to the direction of polarization of the emitted beam ( 12 )
c) at least one further detector ( 33 a, 33 b) for radiation polarized in one direction is present for the radiation ( 17 ) which is multiply reflected back to the second receiving device.

3. Lidar according to claim 2, characterized in that an evaluation device ( 7 ) the ratio of the electrical output signal of at least one detector ( 33 a, 33 b) of the second receiving device to that of the first ( 29 a) and / or second ( 29 b) Detector of the first receiving device determined.

4. Lidar according to claim 2 or 3, characterized in that the evaluation device ( 7 ) has a first display ( 43 d) for a fixed visual obstacle, which indicates when the evaluation device ( 7 ) from the first and / or second detector ( 29 a, 29 b) of the first receiving device receives a needle-shaped pointed pulse, has a second display ( 43 a) for fog as a visual obstacle ( 14 ), which indicates when the evaluation device ( 7 ) from the second detector ( 29 b) of the first receiving device receives a negligible signal compared to its first detector ( 29 a) and receives a slowly rising and falling distance-corrected signal (I₁₇ _∥ _N , I₁₇ _⟂ _N ) from the detector ( 33 a) or from the detectors ( 33 a, 33 b) of the second receiving _device , has a third display ( 43 c) for rain or water whirled up from the ground as a visual obstacle, which indicates when the evaluation device ( 7 ) from the second detector ( 29 b) of the first receiving device device a compared to the signal (I₁₅ _∥ _R ) of the first detector ( 29 a) negligible signal (I₁₅ _⟂ _R ) and from the detector ( 33 a) or from the detectors ( 33 a, 33 b) of the second receiving device only a negligibly small slow rising and falling distance-corrected signal (I₁₇ _∥ _R , I₁₇ _⟂ _R ), has a fourth display ( 43 b) for snow as a visual obstacle, which indicates when the evaluation device ( 7 ) from the first and second detectors ( 29 a, 29 b) the first receiving device over the course of time an approximately equal signal (I₁₅ _∥ _S , I₁₅ _⟂ _S ) and from the detector ( 33 a) or from the detectors ( 33 a, 33 b) of the second receiving device a slowly rising and falling distance-corrected signal ( I₁₇ _∥ _S , I₁₇ _⟂ _S ) receives.

5. Use of a lidar after one or more of claims 1 to 4 than Distance warning device for motor vehicles.

6. Distance warning device according to claim 5, further characterized by an electronic data processing device ( 47 ), which determines a maximum speed from the distance (d) and the type of visual obstacle, taking into account the roadway state to be expected thereon, and / or an exceedance thereof by action prevents the drive and / or braking system ( 50, 51 ) of the vehicle.