CN1942780B - 具有谱和空间选择性特征的电子测距仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有谱和空间选择性特征的电子测距仪。本发明公开了一种测距仪，特别地用于对表面进行测量的支持陆地或支持航天应用的望远镜阵列。所述测距仪至少包括：辐射源，用于向待勘测目标发射特别是激光的电磁辐射(ES)；具有传感器(11)的接收器单元，所述接收器单元用于接收由所述目标反射的辐射(S)并用于导出距离信息；以及第一谱滤光器组件(4)。根据本发明，对所述反射的辐射(S)的接收的角度范围通过至少一个空间滤光器组件(6、6’)，特别是作为辐射源和接收器组件的光纤激光器而受限。

Description

具有谱和空间选择性特征的电子测距仪
技术领域
本发明涉及具有谱选择性和空间选择性特征的、特别用于对表面进行测量的支持陆地或支持航天应用的望远镜阵列的电子测距仪。
背景技术
在许多距离测量应用中，特别是在LIDAR测量(光检测和测距)中，必须根据辐射背景获得距离测量的有用信号。辐射背景的强度可能比有用信号的强度大几倍。然而，由于有用信号的性质，可以通过谱或空间滤光器将有用信号从背景中分离出来。通常，与发射器的轴相平行或共轴地发射测量信号，使得该信号沿发射器的轴的方向被待勘测的、大体呈漫射的表面反射回来。此外，可以选择所发射的光的谱范围，使得可以通过谱选择性反射或吸收来分离出宽带背景辐射。
这种测距仪的典型应用领域是带有LIDAR系统的支持航空或支持航天的应用，其中排他地或者与对其他参数的记录同时地实现对物体或表面的距离测量，并且其中接收到很大部分的外来或干扰辐射。
这里，在航空器或航天器上使用的系统必须满足特别的要求，因为通常存在严格的重量限制。此外，在支持航天应用的情况下会出现问题，因为接收到的辐射强度和相关联的热负载很高，例如，这是因为直接的日光或因为它们自身的热表面(如火或金属融化物)的辐射。由此，利用LIDAR从环极轨道对天体的地貌进行扫描的卫星原则上应当能够处理行星的白天和夜晚侧的不同边界条件。白天侧给出了极大部分的背景辐射，必须从该背景辐射中获得待使用的LIDAR信号。然而，在通过强辐射或反射表面(如冰、水或沙漠沙地)的支持陆地或支持航空应用的情况下也会出现类似的困难。
为了抑制或屏蔽背景辐射，使用带有谱宽带、窄带或本地滤光器或空间滤光器的多级滤光概念。
这些滤光器的在频谱上宽的部分具有在紫外(UV)和红外(IR)范围上反射的两个单独的滤光器。
UV滤光器组件包括涂覆在该仪器孔径的面向外部的一侧上的介电多层。例如，可以将该滤光器组件作为一层安装在孔径的ZnSe板上，反射而不吸收600nm以下的波长，但是透射而不吸收更长的波长。这种滤光器很复杂，但是通过限制于一定的谱范围可以在技术上实现它。
IR滤光器组件位于UV滤光器组件的下游，并具有不吸收该波长带的金镜(gold mirror)。UV滤光器组件的ZnSe载体材料反过来确保了在这两个镜之间的无吸收辐射输运。
通过将辐射直接或间接聚焦到用于接收的传感器上来提供空间滤光器组件，该传感器表面充当视场光阑。然而，也可以由位于该传感器的上游的光纤来补充或替代该光阑效应。在垂直系统(即，沿天底(nadir)方向向表面上观察的系统)的情况下，有关辐射按零度入射。为了进行聚焦，可以将ZnSe板的不面对外部的一侧例如适当地形成为单个透镜或透镜阵列(arrangement)。然后将IR滤光器组件的金层布置于该透镜的焦平面上或靠近该焦平面，使得相组合地反射在天底方向以外的任何辐射入射。
谱窄带滤光器组件是紧凑的，例如采用法布里-珀罗干涉仪或光纤光栅的形式，具有小于约LIDAR波长的1nm的带宽，使得沿天底方向抑制该范围以外的任何辐射。
通过对入射辐射的多级选择，可以从背景辐射中分离出LIDAR系统的有用辐射，通过反射避免对该阵列的加热。特别是在卫星的情况下，该“热负载”是必须被最小化的关键参数，因为必须从存在的能量供应中获得必要的冷却力。由此，也可以从强发射表面执行记录，如行星靠近太阳的白天侧，特别是不需要特殊的冷却装置，这使得可以减少约1.3kg的质量。
同时，该阵列允许特别紧凑的结构，该结构例如还允许二维阵列。由此，ZnSe板的内部可以采用10×10多透镜阵列(小透镜阵)的形式，使得可以通过相同的数值孔径实现短焦距因而实现短设计。这些透镜可以将所接收到的辐射导引到下游光纤的入口中，这些光纤可以分别通向单独的检测器或者通向公共的检测器。可以将窄带滤光器组件布置在光纤端与检测器之间。可以通过六角形、蜂窝状铍结构来实现对透镜阵列与多条光纤的连接和机械固定，使得确保了强结构连同轻重量。
通过对单独的检测器分别分配单条光纤，可以增大检测器端的系统冗余性，甚至不必进行大的硬件修改就可以对单个光子进行检测。
然而，仍存在的缺点是发射器和接收器组件的空间分隔。尽管通过上述可能的实施方式在原则上可以实现紧凑的设计，然而分立的发射器和接收器仍然具有不同的束路径和它们的轴的偏移。此外，必须将不同类型的组件集成在一个阵列中，这导致更大的技术复杂性和增大的制造成本。此外，由于可用面积的原因，发射器和接收器的功率受到限制，因为增大发射器孔径的数量或面积会减小接收器孔径的数量或面积。
发明内容
本发明的目的是提供一种测距仪，特别是用于望远镜系统的测距仪，其在结构上得到了简化。
另一目的是提供一种提高了对可用空间、面积以及重量限制的利用的测距仪。
根据本发明，通过本发明的测距仪实现了这些目的，或进一步开发了这些成果。本发明包括一种用于对表面进行测量的支持陆地或支持航天应用的望远镜阵列的测距仪，该测距仪至少包括：
辐射源，用于向待勘测目标发射电磁辐射(ES)；
具有传感器(11)的接收器单元，所述接收器单元用于接收由所述目标反射的辐射(S)并用于通过脉冲传输时间或相位测量方法从所述接收到的辐射中导出距离信息；
至少一个空间滤光器组件(6、6’)，将所述空间滤光器组件(6、6’)形成并布置成使得对所述反射的辐射(S)的接收的角度范围受到限制，
所述测距仪的特征在于：该测距仪具有第一谱滤光器组件(4)，所述第一谱滤光器组件(4)位于所述空间滤光器组件的所述接收方向的上游并在红外范围上进行反射。
本发明涉及具有谱和空间选择性的电子测距仪，特别用于支持陆地或支持航天应用的望远镜装置。
根据本发明，由用作发射器和接收器的公共组件的光纤激光器来形成布置在谱宽带滤光器组件的下游的光纤。其中，由泵浦激光器生成光并将该光输入到所述光纤激光器的一个端面中。将所生成的激光发射用于进行勘测，并且当在该激光发射经过了所述多个宽带滤光器组件之后被接收到时，将该激光发射输入回所述光纤激光器中(但是此时是从另一端面输入的)，并由所述光纤激光器来导引。由于泵浦光和激光具有不同的谱范围，因此可以将这两个分量彼此分开。此外，可以引入时间鉴别，其将由于激光信号往返的有限传输时间而导致的时间延迟考虑进来。在离开了所述光纤激光器之后，将所反射的光通过所述窄带滤光器组件导引到传感器上。
附图说明
在附图中示意性地并以示例的方式示出了本发明和各种实施例的进一步的详情。具体地：
图1示出了宽带滤光器组件的效果的示意图；
图2示出了各种组件的协作的示意图；
图3示出了根据本发明第一实施例的示意图；以及
图4示出了用于实现根据本发明第二实施例的多个阵列之间的关系的示意图。
具体实施方式
在图1中，对宽带滤光器组件的效果进行示意性的说明。按不同角度入射的辐射S射入(strike)作为第二谱滤光器组件的UV滤光器组件1，该UV滤光器组件1反射辐射S的UV分量UV。经由具有成形透镜结构2a的ZnSe板2馈送其余分量。透镜2a具有用于提高对反射回的辐射的透射的抗反射涂层3。通过该结构，该辐射的红外分量IR也被透射，但是它在通过了作为第一谱滤光器组件的IR滤光器组件4之后，被反射回去，因而，在再次通过ZnSe板2和UV滤光器组件1之后，该IR分量IR再次离开测距仪。
图2示出了各种其他组件的协作的示意图。在进行了在图1中说明的第一次滤光之后，剩余的辐射射入空间滤光器组件6，在这里该空间滤光器组件6具有光纤的形式。通过光阑或对传感器面积的限制也可以等效地实现该效果。将IR滤光器组件4移位到焦点或光纤入口处，这里选择的图纯粹是示意性的，具体地，未精确表示出光纤与IR滤光器组件4的尺寸关系。该结构反射在天底方向以外的任何辐射入射。在空间滤光器组件6对方向进行了选择之后，由作为第三谱滤光器组件的窄带滤光器组件7实现进一步的选择步骤，该窄带滤光器组件7例如具有法布里-珀罗干涉仪或反射光栅结构的形式。通过这些组件的协作，将入射辐射S相对于它的谱和方向分量分离开，反射该辐射的主要部分，以避免或者至少减小对测距仪的加热。为了简单起见，在该图中略去了束路径的其他组件，如多个透镜。
图3利用图1和图2所示的滤光器步骤对根据本发明第一实施例的示意图进行了描述。经由UV滤光器组件1、带有透镜结构2a的ZnSe板2以及IR滤光器组件4馈送入射辐射S。在通过了该IR滤光器组件4之后，该辐射被输入光纤的多模部分中(情况A)，或经由微透镜5被输入用于对强度进行后放大(postamplification)的有源光纤芯6a(情况B)。在前一情况下，光纤的位于检测器端的一端必须配备有强度光阑6b，而在情况B下必须配备有快速开关，例如采用Q开关的形式。在情况B下，然后实现对光纤激光器的发射与通入传感器11的开关的时间关联分离，使得当该开关接通时光纤芯6a充当后放大器。两个光纤区还充当空间滤光器。滤光器激光器例如具有：直径为4微米的有源光纤芯6a和具有约100微米的直径的多模结构。在该多模结构中，所接收到的辐射S通过光纤激光器并最终经由第一透镜8a、二向色分束器10、窄带滤光器组件7以及第二透镜8b，入射到传感器11上。然而，与该接收束路径相平行地，根据本发明，还将该结构用于发射用于进行测量的测量辐射ES。为了生成该测量辐射ES，泵浦光源9发射光，该光通过第三透镜8c使该光准直，并经由分束器10和第一透镜8a将该光输入到光纤激光器中。为了防止该光纤激光器对接收器的多个组件(特别是对传感器11)的激光发射的不利效应，光纤激光器在接收器端具有在光学地遮盖有源光纤芯6a的端元件6b。经由包括微透镜5和透镜结构2a的望远镜阵列将由光纤激光器生成的测量辐射ES变成发射所需的束剖面。由此光纤在前向操作模式下进行操作，作为发射模式下的光纤激光器，然而，在后向操作模式下，该光纤充当接收器的空间滤光器组件6’。通过这种双重用途，通过基本上相同的多个光学组件实现了发射和检测，得到了设计的简化，这在空间和重量限制方面具有优势。
图4示出了给出了根据本发明的第二实施例的多条光纤的组合。纯粹示意性地示出了用于实现根据本发明第二实施例的多条光纤的多个阵列之间的关系。ZnSe板2’现在具有多个透镜结构2a’作为多透镜阵，一条光纤与该多个透镜结构2a’中的一个相配合，作为空间滤光器组件6’。在相应的透镜结构2a’与配合的光纤入口之间安装有IR滤光器组件4。可以将所述多个IR滤光器组件形成为连续结构，但是各条光纤也可以分开。为了使图简化，未示出其他组件，如微透镜。由作为光纤激光器的各条光纤来生成测量辐射ES，接着通过配合的透镜结构2a’来发射它。
由此，类似地，可以由各条光纤单独地或由所有光纤或由多条光纤一起形成或使用位于在所述多条光纤的下游的多个组件。由此，在各情况下可以将单个传感器与一条光纤配合起来。然而，另选地，也可以将多条光纤的辐射馈送给公共传感器。类似地，可以从公共光源泵浦出多条光纤，或者，如图3所示，多条光纤可以具有单独的泵浦光源。
通过将各条光纤形成为接收器和发射器，可以实现对结构中的各种孔径的标准化，从而产生制造和操作的优点(如对发射器和接收器的共轴结构)，而且还可以实现对可用空间或面积和重量的最优化利用。

Claims (21)

1.一种测距仪，该测距仪至少包括：
辐射源，用于向待勘测目标发射电磁辐射(ES)；
具有传感器(11)的接收器单元，所述接收器单元用于接收由所述目标反射的辐射(S)并用于通过脉冲传输时间或相位测量方法从所述接收到的辐射中导出距离信息；
至少一个空间滤光器组件(6、6’)，将所述空间滤光器组件(6、6’)形成并布置成使得对所述反射的辐射(S)的接收的角度范围受到限制，
所述测距仪的特征在于：该测距仪具有第一谱滤光器组件(4)，所述第一谱滤光器组件(4)位于所述空间滤光器组件的接收方向的上游并在红外范围上进行反射。
2.根据权利要求1所述的测距仪，其特征在于：所述空间滤光器组件(6、6’)采用光纤(6)的形式。
3.根据前述任一权利要求所述的测距仪，其特征在于：所述空间滤光器组件(6’)是具有多模覆层和有源光纤芯(6a)的光纤激光器。
4.根据权利要求3所述的测距仪，其特征在于：所述反射的辐射(S)通过所述多模覆层。
5.根据权利要求3所述的测距仪，其特征在于：所述反射的辐射(S)通过所述有源光纤芯(6a)。
6.根据权利要求1所述的测距仪，其特征在于：该测距仪具有第二谱滤光器组件(1)。
7.根据权利要求1所述的测距仪，其特征在于：该测距仪具有位于第一谱滤光器组件(4)与传感器(11)之间的窄带第三谱滤光器组件(7)。
8.根据权利要求7所述的测距仪，其特征在于：所述第三谱滤光器组件(7)是干涉仪和/或空间周期结构。
9.根据权利要求1所述的测距仪，其特征在于：该测距仪具有至少两个空间滤光器组件(6、6’)。
10.根据权利要求9所述的测距仪，其特征在于，设置了相配合的多透镜阵(2a’)。
11.根据权利要求10所述的测距仪，其特征在于：空间滤光器组件(6、6’)和多透镜阵(2a’)通过六角形蜂窝状结构进行固定。
12.根据权利要求1所述的测距仪，其适合并专用于对表面进行测量的支持陆地或支持航天应用的望远镜阵列。
13.根据权利要求1所述的测距仪，其特征在于，所述电磁辐射是激光。
14.根据权利要求2所述的测距仪，其特征在于，所述空间滤光器组件(6、6’)具有位于接收方向的上游的微透镜(5)。
15.根据权利要求4所述的测距仪，其特征在于，所述多模覆层具有位于所述光纤芯(6a)与传感器(11)之间的光遮盖(6b)。
16.根据权利要求5所述的测距仪，其特征在于，所述有源光纤芯(6a)具有位于所述光纤芯与传感器(11)之间的光开关。
17.根据权利要求6所述的测距仪，其特征在于，所述第二谱滤光器组件(1)具有位于所述第一谱滤光器组件(4)的沿接收方向的上游的滤光器并在紫外范围上进行反射。
18.根据权利要求7所述的测距仪，其特征在于，所述第三谱滤光器组件(7)具有比所述发射的辐射(ES)的波长小1nm的谱宽度。
19.根据权利要求8所述的测距仪，其特征在于，所述第三谱滤光器组件(7)是法布里-珀罗干涉仪或反射光栅结构。
20.根据权利要求10所述的测距仪，其特征在于，所述多透镜阵(2a’)被形成为ZnSe板(2’)的结构。
21.根据权利要求11所述的测距仪，其特征在于，所述六角形蜂窝状结构包括铍。
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