DE10044690A1 - Measurement of distances and speeds of targets such as vehicle traffic, counts reflected laser pulses during interval between transmission and detection - Google Patents

Measurement of distances and speeds of targets such as vehicle traffic, counts reflected laser pulses during interval between transmission and detection

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Abstract

Laser pulses reflected by the target are counted during the interval between transmission and detection. From this number of pulses and the pulse period, spacing between source and target is determined. An Independent claim is included for corresponding equipment.

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 16.The invention relates to a method for measuring distances and / or Speeds according to the preamble of claim 1 and a Device for measuring distances and / or speeds according to the Preamble of claim 16.

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 < 1 m 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. The methods presented there are based on the Runtime measurement of laser pulses. In doing so, individual short laser pulses (Nanosecond pulses), for example, from a directly controlled laser diode is sent out and the time delay of the reflected pulse is the Distance of the reflector determined. Usually these devices are suitable Measure distances of 1 km with a resolution of <1 m. Through special circuits with self-calibration to compensate for heat influences were measurement accuracies <0.5 m reached [DE 197 57 835 A1 or US 5 946 081]. The laser pulse duration is included about 20 ns. The resolution is determined by the precision with which the absolute Term can be determined. However, it is also heavily 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 A1 ist ein Laserpulsradar gezeigt, bei dem die aus der Verzögerung der Echosignale gewonnenen Entfernungen in Abhängigkeit von verschiedenen Abstrahlwinkeln ermittelt werden, so dass ein Bild der rückstreuenden oder rückreflektierenden Ziele erzeugt werden kann.A laser pulse radar is shown in US Pat. No. 4,770,526 and DE 35 40 157 A1, in which the distances obtained from the delay of the echo signals as a function of Different radiation angles can be determined so that an image of the backscattering or retroreflective targets can be generated.

Ein weiteres 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. Another imaging method with high spatial resolution is described in the US patent No. 5,999,548. This method also uses ultra-short pulses. In particular, the time shift of the broad spectrum becomes one chirped, ultra-short 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 Interferometerarmes 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.Interferometric methods are often used for precision measurements of distances used with which very high spatial resolutions can be achieved. Such a thing The procedure is e.g. B. in U.S. Patent No. 5,991,033. With a correspondingly coherent Light source, such as a narrow band laser, is possible by matching the Interferometer arms to generate an interference pattern, with the help of which the unknown Length of one interferometer arm compared to the other interferometer arm up to can be determined to fractions of the wavelength of the laser light used. The However, spatial resolution of a few 10 nm is offset by a high technical outlay. The measuring arrangement is very sensitive to vibrations and phase disturbances of light in the interferometer arms. Especially the maximum of a few meters limited coherence length of the laser light means that the method for large Distances of a few hundred meters can only be used with great effort because the Partial signals that have to interfere with each other for length measurement, only one Path difference in the order of magnitude of the coherence length may have.

Ein weiteres optisches Meßsystem, bei dem Messgenauigkeiten von 7 µm auf 7 m erreicht wurden, beruht auf einem Heterodyn-Verfahren, bei dem zwei diodengepumpte Mikrokristalllaser, von denen einer eine verstimmbare Frequenz emittiert, in einer interferometrischen Anordnung verwendet werden. Das Verfahren, bei dem die beiden Laser kontinuierlich gegeneinander verstimmt werden, wodurch ein synthetisches Mischsignal im Mikrowellenbereich entsteht, besitzt eine Reichweite von 50 m [Laser in Forschung und Technik, Proc. on Laser 95, N. P. Schmitt, W. Waidelich, K.-D. Salewski, J. Schalk, P. Peuser, Springer-Verlag 1995, S. 391 ff.]Another optical measuring system with measuring accuracy of 7 µm to 7 m were based on a heterodyne process in which two diode-pumped Micro crystal lasers, one of which emits a detunable frequency, in one interferometric arrangement can be used. The process in which the two Lasers are continuously detuned from each other, creating a synthetic Mixed signal arises in the microwave range, has a range of 50 m [laser in Research and Technology, Proc. on Laser 95, N.P. Schmitt, W. Waidelich, K.-D. Salewski, J. Schalk, P. Peuser, Springer-Verlag 1995, pp. 391 ff.]

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. Dieses Verfahren wird u. a. im Straßenverkehr häufig angewendet. There are two methods for the optical speed measurement of targets essentially established. U.S. Patent No. 5 359 404 shows a simple and for most Sufficiently precise determination of the radially directed towards the observer Speed of a target by sending out a pair of laser pulses. From the The time interval of the echo pulse pair can be shifted Determine speed. This procedure is u. a. common in traffic 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 on one moving target reflected wavelength of light. Such a laser pulse radar method to determine distances and radial speeds of targets is used in the Patent specification DE 197 01 145 C1 described. This method can also be used to set goals in long distances and scattering targets. The method is particularly suitable good for high speed detection. As difficulties with the Doppler frequency determination are particularly called high noise powers that Doppler shifted light frequency of the echo signal is close to the transmitted one Frequency and is generally of low intensity. So there must be a sufficient one accurate frequency analyzing element can 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.However, the known methods for measuring distance using flight time determinations are limited in spatial resolution. For example, there are errors in the Time measurement, especially in the exact detection of the echo pulses. For larger ones Distances there is an echo signal disappearing in the noise. The precision the measurement remains even if the measurement is repeated frequently by the The pulse length and the signal-to-noise ratio as well as the time resolution of the detector are limited.

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 in kurzer Zeit 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.The invention is therefore based on the object of distances and speeds, for example, at a distance of one meter to several kilometers, with a high Being able to determine precision in a simple and reliable manner and in a short time. The process is intended to bridge the gap between the exact and complex interferometric methods and those limited in their resolution and range Close methods of directly determining the transit time of echo pulses.

Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten gemäß den Patentansprüchen 1, 13 und 16. Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. The object is achieved by the method and the device for measuring Distances and / or speeds according to claims 1, 13 and 16. Further advantageous features emerge from the dependent claims Description and the drawing.  

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse werden Laserpulse von einer Quelle zu einem Ziel gesendet, und es werden die vom Ziel reflektierten Laserpulse detektiert, wobei eine Zählung der reflektierten Laserpulse im Zeitintervall zwischen dem Senden eines Laserpulses 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.In the method according to the invention for measuring distances and / or Velocity through laser pulses become laser pulses from one source to a target sent, and the laser pulses reflected from the target are detected, one Counting of the reflected laser pulses in the time interval between sending one Laser pulse and its detection takes place and from the number of laser pulses determined in this way and the duration of the pulse period determines the distance between the source and the target becomes.

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 method according to the invention offers compared to the distance measurement and Speed measurements with lasers by determining the transit time of individual pulses the advantages of higher precision and a longer range. Through the evaluation The signal / noise ratio can be measured using a strictly periodic measurement signal improve, increase reliability and environmental influences such as stray light or minimize thermal fluctuations in time measurement.

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.Compared to a speed measurement by evaluating the Laser Doppler shift of a wavelength has the advantage that the spectroscopic properties of the measurement signal are not relevant and that the Difference frequency is directly measurable.

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.The advantage of the method over interferometric methods of Distance measurement is a much simpler and more compact measurement setup and one higher mechanical stability, which is particularly important at long distances.

Durch die hohe Präzision können sehr große Entfernungen präzise vermessen werden, was beispielsweise in der Weltraumfahrt von Interesse ist.Due to the high precision, very large distances can be measured precisely is of interest in space travel, for example.

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

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 10-100 µm zu senken. In der Atmosphäre (Luft) reduziert sich die Auflösung durch Brechungsindexschwankungen z. B. auf einige Millimeter.The method enables the absolute error in distance measurements in vacuum (e.g. in space travel) over a distance of several kilometers e.g. B. in the range of  Lower 10-100 µm. In the atmosphere (air) the resolution is reduced Refractive index fluctuations e.g. B. 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 modengekoppelten 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 laser. This takes advantage of the fact that the mode-locked Laser resonator emitting pulse trains of ultra-short laser pulses ensure high stability Have pulse repetition frequency and the individual laser pulses also over a high number of Pulse periods are still correlated with each other. The only through the Optical length of 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.With this method, the distance to a target or measurement object or reflector by simply counting the laser pulses emitted between the back and back reflections be determined. The precision measurement takes place e.g. B. additive by determining the Phase shift between the pulse trains emerging from the resonator and the pulse sequences reflected back from the target.

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.It is preferred to determine the speed component of a target in Direction of propagation of the laser steel, hereinafter as radial speed denotes the frequency shift between the pulse repetition frequency of the resonator and Pulse repetition frequency of the laser pulses reflected back from the moving target is evaluated.

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. The laser removal and Speed measurement in particular by using a mode-locked Improve lasers as a frequency standard. Mode-locked lasers also generate pulse trains a constant pulse-to-pulse interval that is exactly the round trip time in the resonator corresponds to oscillating pulses. The temporal jitter of this distance can be a fraction Do not exceed the pulse duration of the generated ultra-short laser pulses, otherwise one Mode coupling in the resonator can no longer take place 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 process is preferably carried out in two stages, the first being the rough one Distance to a target is done by counting laser pulses, in whole multiples the optical resonator length of the laser used is expressed. Subsequently z. B. the shift within the resonator length between the Laser resonator periodically emits laser pulses and returns from the target Reflected laser pulses determined and thereby a precision measurement down to fractions the optical resonator length allows. The optical resonator length itself is subject to only slight fluctuations (e.g. thermal fluctuations), which are caused by different Have measures partially suppressed. By the exact determination of the Pulse repetition frequency, which are measured in a simple manner with high accuracy can, the optical resonator length or the pulse-to-pulse distance is 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.When the pulse train is reflected on a moving target that is moving towards or from the Moved away laser source or the resonator, the pulse repetition frequency experiences Doppler shift caused by differential frequency amplification from the resonator emerging pulse train and the back-reflected pulse train can be measured and is a measure of the speed of the target. The size 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 ultra-short laser pulses is for the principle function of the process not crucial. However, it affects accuracy when measuring distance, with which the phase shift between those emerging from the resonator and the pulse trains reflected from the target can be determined. For this accuracy is decisive how finely you sent out and reflected back from the target can separate ultrashort laser pulses. The maximum achievable resolution of the The measuring method is then overlapped by a certain part of the width Given laser pulses, it is proportional to this.

Bevorzugt wird eine Augensicherheit durch den möglichen Einsatz von modengekoppelten Lasern bei augensicheren Wellenlängen wie z. B. 1,5 µm gewährleistet. Eye safety through the possible use of mode-locked is preferred Lasers at eye-safe wavelengths such as B. 1.5 microns 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 distance can be determined by simply counting the pulse periods between sending a pulse train and the reception of the echo signal. The precision determination is done additively by determining the phase position between the transmitted Pulse train and the echo signal. This can be done in different ways. In the simplest case, the shifting of the pulse trains to each other is done with two separate ones Photodiodes and a suitable filter device electronically, for example Determination of a direct component in the frequency mixing determined. An improved one Accuracy is achieved by using an optical phase shift Delay line and a nonlinear optical element in which reference and overlay echo pulse train is determined. For example, in The maximum determined as a function of the optical path length of the delay Autocorrelation function between the reference and echo pulse the precision portion of the surveying distance.

Durch die Detektion eines streng periodischen Signals kann eine deutliche Verbesserung bei der Unterdrückung des Rauschens erreicht werden.By detecting a strictly periodic signal, a significant improvement can be made can be achieved in suppressing the noise.

Gemäß einem besonderen Aspekt 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 particular aspect of the invention, the pulse repetition frequency becomes a mode-locked short pulse laser used as the frequency standard. In a two-stage The distance to a target is initially in a multiple of the optical method Resonator length of the laser, which is the basis of the pulse repetition frequency, and then by determining the phase shift between emitted and back-reflected pulse trains determined exactly. For measuring the radial Speed of the target is the Doppler shift of the pulse repetition rate of the Echo signals determined for the transmitted measurement signal. By a Differential frequency amplification of the electronically detected signals can do this exactly be determined.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse umfasst eine Quelle zur Erzeugung von Laserpulsen und eine Detektoreinrichtung zur Detektion der von einem Ziel reflektierten Laserpulse und weiterhin eine Zähleinrichtung zur Zählung der 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 device according to the invention for measuring distances and / or Velocity through laser pulses includes a source for generating laser pulses and a detector device for detecting the laser pulses reflected from a target and further a counting device for counting the laser pulses in a time interval  between the sending of a laser pulse and its detection after reflection be detected at the destination. The device according to the invention can be used with this device Carry out procedure. In particular, the device can be used in relation to the Achieve the benefits described. In addition, the device is a Corresponding device compact, usable when in motion 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 Sending laser pulses. The counting device advantageously comprises a counter for sent laser pulses and a counter for reflected laser pulses to look for a Interruption of the transmission of laser pulses the number of detected, from Target to determine reflected laser pulses.

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

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.The device advantageously comprises an adjustable optical path Delay of the laser pulses reflected from the target, and a non-linear optical Element that receives the transmitted and the delayed, reflected laser pulses maximize a signal depending on the delay line.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment. there shows:

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

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Messgerät bzw. die Vorrichtung ist zur Durchführung des Verfahrens zur Präzisionsmessung von Entfernungen und radialen Geschwindigkeiten mit modengekoppelten, ultrakurzen Laserpulsen geeignet. The measuring device or the device shown schematically in FIG. 1 is suitable for carrying out the method for precision measurement of distances and radial speeds with mode-coupled, ultra-short 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 device is divided into four component or function groups, namely units for pulse generation 20 , for optional optical precision measurement 30 , for electronic distance and speed measurement 40 and a target and measurement optics 50 .

Die Vorrichtung umfasst eine Quelle (1) in Form eines modengekoppelten Ultrakurzpuls- Laserresonators, 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 for this. Of course, other suitable lasers can also 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 2 a serves to divide the laser beam generated, so that it is aligned with a target to be measured on the one hand via optics 4 that expand the beam, and on the other hand is fed to a detection and counting device 60 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.Collimation optics 5 serve to focus the portion of the pulsed laser beam or pulse train reflected back from the target, which is then also fed to the detection and counting device 60 in order 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 , the z. B. is designed as a Pockels cell or mechanical chopper, serves to temporarily interrupt the laser beam generated before it is sent to the target and to the detection and counting device 60 . The switch 3 and the detection and counting device 60 are coupled to a computing unit or central process control 12 .

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

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 target and measurement optics 50 is optimized until the echo signal at a photodiode 8 of the detection and counting device 60 is at a 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 step arrangement of optical filters 6 in the form of interference filters, fast photodiodes 7 , 8 (avalanche diodes) and electronic filter amplifier arrangement 9 , in which a narrowband frequency selection of the input signal when a threshold value is set can be done. The threshold value is set by the central process controller 12 such that the result of a pulse count for the reference and echo signal determined with the counters 10 a, 10 b is identical in the case of a pulse sequence temporarily interrupted by the chopper 3 .

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 carried out in such a way that the pulsed laser beam is interrupted with the chopper 3 . As a result, in the filter amplifier arrangement 9, the reference signal coming from the beam splitter 2 a falls below the set threshold value, and the counting is stopped at the reference input of the counter 10 a. The signal or echo signal transmitted until the interruption passes through the path to the destination and back and is then fed to the count. The distance between the echo and reference signals at the counters 10 a and 10 b then gives the distance to the target in whole resonator lengths. The calculation is 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.The distance is determined even more precisely electronically by determining the phase position of the periodic, filtered signals with respect to one another with the aid of 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 zuzuführen. 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.Even greater accuracy is achieved if this phase position is determined optically in an optional precision measuring unit. For this purpose, the echo signal is additionally motor-controlled delayed with a mechanical or adjustable delay path 13 in relation to the pulse train of the reference signal. The pulses of the reference and echo signals are focused with an achromatic lens 14 into a nonlinear optical element 15 , for example a saturable absorber or a frequency doubling crystal. A beam splitter 2 b serves to supply the beam generated by the source 1 directly to the non-linear optical element 15 as a reference beam. If the two pulses optimally overlap in space and time, the signal produced during the overlay, which is measured with a photodiode or a photomultiplier 16 , becomes maximum. The exact distance results from the dependence of this maximum on the decelerating route.

Die Messung der radialen Geschwindigkeit erfolgt durch Differenzfrequenzverstärkung der aus dem Referenz- und dem Echosignal herausgefilterten harmonischen Anteile.The radial speed is measured by differential frequency amplification harmonic components filtered out from the reference signal and the echo signal.

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 schlechten 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: YVO4 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 laser using a rational harmonic mode-locking technique", Electronics Letters, 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 modelocked 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). 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.Mode locked short pulse lasers as used in the invention are available in the current state of the art. The class of diode-pumped solid-state lasers for generating ultra-short pulses is particularly suitable. In addition to good pulse stability, these lasers also have a very good beam profile. A good beam profile is an important prerequisite in order to be able to determine a distance with high accuracy even at great distances of a few kilometers, otherwise a large signal divergence means that a poor signal-to-noise ratio can be expected and the distance determined is not clear can be assigned a point-to-point distance. For such applications, diode-pumped solid-state lasers are suitable [U. Keller et. al. "29 GHz modelocked miniature Nd: YVO 4 laser", Electronics Letters, 35, No. 14, 1999]. These lasers have typical pulse lengths from 200 fs to 5 ps, with a pulse repetition frequency from 100 MHz to 50 GHz, which corresponds to resonator lengths from 10 cm to a few millimeters. Alternatively, the use of mode-locked fiber lasers [E. Yoshida, M. Nakazawa "80-200 GHz erbium doped fiber laser using a rational harmonic mode-locking technique", Electronics Letters, 32, No. 15, 1996] is conceivable. Integrated semiconductor femtosecond lasers as described in [YK Chen et.al. "Subpicosecond monolithic colliding-pulse modelocked multiple quantum well lasers", Appl. Phys. Lett., 58, 1253-1255, 1991], [p. 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). of quant. Electr., 32, No. 7, 1996]. These lasers are characterized by very high pulse repetition frequencies from 350 GHz to 1.5 THz and can be switched off directly via the diode current. 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 LR (c. . . Lichtgeschwindigkeit)
The measurement procedure is explained in more detail below:
The distance is measured in several steps. First, the distance between the laser pulses of the measuring signal is exactly determined and the measuring system is then calibrated. To do this, a large number of pulses are counted within a defined time interval. With a sufficiently large number of pulses, the measurement accuracy is essentially determined by the accuracy of the clock. The resulting relative error propagates directly to the relative error of the distances and speeds to be measured. The influence of a possible drift of the optical resonator length can be reduced if this calibration measurement is repeated immediately after the distance or speed measurement for the purpose of averaging. By using widely used electronic clocks and simple switching electronics with a photodiode (avalanche diode), a relative precision in determining the resonator length <10 -9 can be achieved. The period T is exactly determined by the period 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 Mittelungen über mehrere Pulsperioden vollständig aus.A deviation from this value is due to the pulse shaping Mode coupling process not possible. A possibly due to fluctuations The jitter that occurs in the period is negligible and is particularly similar with averages over several pulse periods completely.

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 Lg ergibt sich in der ersten Stufe des Meßverfahrens dann aus der Zahl N der danach empfangenen Pulse:
After calibration, the target is sighted with the pulsed laser beam and the back-reflected echo signal is detected. Since the signal is strictly periodic, it can be filtered out of the background very well. The transmitted signal is then interrupted by the switch or chopper 3 , and at the same time the pulse counting at the detector 8 of the echo signal is started. A value for the distance L g results in the first stage of the measurement process from the number N of the pulses received afterwards:

Die tatsächliche Entfernung liegt dann in dem Intervall:
The actual distance is then in the interval:

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
It can be determined more precisely by determining the phase shift between the transmitted measurement signal and the echo signal more precisely using one of the methods mentioned above. The result of the precision measurement L results from the positive shift ϕ of the echo signal as compared to the transmitted signal

Der Fehler ΔL der Messgröße ergibt sich näherungsweise aus
The error ΔL of the measured variable results approximately from

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 with a pulse repetition frequency of 20 GHz and a distance of several kilometers, for example, absolute accuracies well below 1 mm can be achieved. By measuring with the optical delay path 13 , the accuracy in 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 speed also requires a calibration measurement of the pulse repetition frequency of the transmitted measurement signal

Die Ermittlung der radialen Geschwindigkeit v eines Zieles erfolgt durch Verstärkung der Differenzfrequenz Δf zwischen der Pulsfolgefrequenz des ausgesendeten, gepulsten Laserstrahls fs und der dopplerverschobenen Pulsfolgefrequenz des Echosignales fe
The radial speed v of a target is determined by amplifying the difference frequency Δf between the pulse repetition frequency of the emitted, pulsed laser beam f s and the Doppler-shifted pulse repetition frequency of the echo signal f e

Es gibt n die mittlere Brechzahl in der Umgebung des Zieles an.It gives n the average 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.Both the difference frequency and the emitted pulse repetition frequency can be as Determine strictly periodic signals with known measures with high precision.

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 speeds of the target (drift) can be determined by a distance measurement repeated after a defined time. Here too there is the possibility of a precision measurement with relative errors <10 -7 , by also expressing the time interval between the two distance measurements in an integer multiple of the period of the pulse train. In practice, this can be achieved very simply by simply counting the pulses of the laser that passes through 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 Brechungsindex von Luft kann der Messwert jedoch korrigiert bzw. angepasst werden.A limiting factor of the process for the resolution, but also for all conventional optical distance measuring method is available specified that in principle only the product of geometric path length and average Refractive index can be measured over the distance. The measured optical path length depends, for example, on the thermal properties of the medium between the meter and the target. By a correction calculation with the The measured value can, however, depend on the temperature of the refractive index of air be corrected or 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.Through the invention, the absolute accuracy and the range in the measurement of distances improved by processing a stable periodic signal. The measurement of radial speeds of a target can be done by evaluating the spectral Doppler shift of the laser wavelength of the back-reflected light respectively. The measurement of the Doppler shift of the pulse repetition frequency mode-locked resonators allow a spectrally independent measurement and are based also 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 as a time base for measuring the flight time of the laser pulses to a target and the Doppler shift of the stable pulse repetition frequency to determine the radial Speed of a target used.

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 method enables precise measurements of large distances Observation of slow drifts, measurement of radial velocities, imaging surface scans and is in turbulent and scattering media as well Can be used to determine changes in the refractive index.

Claims (20)

1. Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse, bei dem die Laserpulse von einer Quelle zu einem Ziel gesendet werden und die vom Ziel reflektierten Laserpulse detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zählung der reflektierten Laserpulse im Zeitintervall zwischen dem Senden eines Laserpulses 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.1. A method for measuring distances and / or speeds by laser pulses, in which the laser pulses are sent from a source to a target and the laser pulses reflected by the target are detected, characterized in that a count of the reflected laser pulses in the time interval between the transmission of a Laser pulse and its detection takes place and the distance between the source and the target is determined from the number of laser pulses thus determined and the duration of the pulse period. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Phasenverschiebung zwischen den gesendeten und den vom Ziel reflektierten Laserpulsen ermittelt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that an additional Phase shift between the transmitted and the reflected from the target Laser pulses is determined. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenzverschiebung zwischen der Pulsfolgefrequenz der gesendeten Laserpulse und der Pulsfolgefrequenz der reflektierten Laserpulse ermittelt wird und daraus die radiale Geschwindigkeit des Ziels relativ zur Quelle bestimmt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that 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 it the radial velocity of the target is determined relative to the source. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung zwischen den gesendeten und den reflektierten Laserpulsen durch Mischung eines Teils eines gesendeten und des reflektierten Pulszuges in einem nichtlinearen optischen Element festgestellt wird, wobei ein Pulszug zusätzlich durch eine einstellbare optische Strecke verzögert wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a phase shift between the transmitted and the reflected Laser pulses by mixing a part of a transmitted and the reflected Pulse train is determined in a nonlinear optical element, wherein a Pulse train is also delayed by an adjustable optical path. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasenverschiebung zwischen den gesendeten und den reflektierten Laserpulsen durch Frequenzmischung und/oder durch eine elektronische Verzögerung und anschließende Frequenzmischung festgestellt wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a phase shift between the transmitted and the reflected Laser pulses by frequency mixing and / or by an electronic one Delay and subsequent frequency mixing is determined.   6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dopplerverschiebung zwischen gesendeten und reflektierten Laserpulsen durch Differenzfrequenzverstärkung der in periodische, elektrische Signale umgewandelten Laserpulse bestimmt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that a Doppler shift between transmitted and reflected laser pulses by amplifying the differential frequency in periodic electrical signals converted laser pulses is determined. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine wiederholte Entfernungsmessung durchgeführt wird, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Entfernungsmessungen durch ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Pulsfolge festgelegt ist.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that at least one repeated distance measurement is carried out, wherein the time interval between two distance measurements by an integer Multiple of the period of the pulse train is set. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass modengekoppelte, ultrakurze Laserpulse verwendet werden, wobei als Pulsquelle zur Erzeugung der ultrakurzen Laserpulse ein modengekoppelter diodengepumpter Festkörper- oder Faserlaser oder ein modengekoppelter Diodenlaser verwendet wird.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that mode-locked, ultra-short laser pulses are used, whereby as A mode-locked pulse source for generating the ultra-short laser pulses diode-pumped solid-state or fiber laser or a mode-locked Diode laser is used. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kalibrierungsmessung durchgeführt wird, wobei der Abstand bzw. die Periodendauer der erzeugten Laserpulse durch Abzählen von Laserpulsen innerhalb eines definierten Zeitintervalls ermittelt wird.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that a calibration measurement is carried out, the distance or the Period of the laser pulses generated by counting laser pulses within a defined time interval is determined. 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kalibrierungsmessungen durchgeführt werden, um den Einfluss einer Drift zu eliminieren, wobei bevorzugt jeweils vor und nach einer Entfernungs- und/oder Geschwindigkeitsmessung die Kalibrierungsmessung durchgeführt wird und das Ergebnis gemittelt wird.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that multiple calibration measurements are taken to determine the influence of a Eliminate drift, preferably before and after a distance and / or speed measurement the calibration measurement is carried out and the result is averaged. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gesendete und reflektierte Laserpulse gleichzeitig gezählt werden, wobei zur Entfernungsmessung das Senden der Laserpulse unterbrochen wird, während die reflektierten Laserpulse weitergezählt werden. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that transmitted and reflected laser pulses are counted simultaneously, with the Distance measurement the sending of the laser pulses is interrupted during the reflected laser pulses can be counted further.   12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrektur durchgeführt wird, bei der die Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex von Luft berücksichtigt wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that a correction is made in which the temperature dependence of the Refractive index of air is taken into account. 13. Verfahren zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodendauer einer stabilen Pulsfolge eines modengekoppelten Laserresonators als Zeitbasis für die Messung der Flugzeit der Laserpulse zum Ziel verwendet wird.13. Method for measuring distances and / or speeds Laser pulses, in particular according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the period of a stable pulse train of a mode-locked laser resonator as a time base for measuring the flight time of the Laser pulses are used to target. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dopplerverschiebung einer stabilen Pulsfolgefrequenz des Laserresonators zur Ermittlung der radialen Geschwindigkeit des Ziels verwendet wird.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a Doppler shift of a stable pulse repetition frequency of Laser resonators are used to determine the radial velocity of the target becomes. 15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der modengekoppelte Resonator als Zeitnormal für die Bestimmung der Flugzeit eines Laserpulszuges zum Ziel und zurück verwendet wird, wobei diese Zeit durch Auszählen der vom Resonator ausgekoppelten Laserpulse und Feststellung der Phasenverschiebung der ausgesendeten und rückreflektierten Laserpulse zueinander bestimmt wird.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that the mode locked resonator is the time standard for determining the Flight time of a laser pulse train to the destination and back is used, this Time by counting the laser pulses and coupled out from the resonator Determination of the phase shift of the emitted and back-reflected Laser pulses to each other is determined. 16. Vorrichtung zur Messung von Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten durch Laserpulse, mit
einer Quelle (1) zur Erzeugung von Laserpulsen
und einer Detektoreinrichtung (7, 8) zur Detektion der von einem Ziel reflektierten Laserpulse,
gekennzeichnet durch eine Zähleinrichtung (3, 10a, 10b) zur Zählung der Laserpulse, die in einem Zeitintervall zwischen dem Absenden eines Laserpulses und seiner Detektion nach erfolgter Reflexion am Ziel detektiert werden. 16. Device for measuring distances and / or speeds by laser pulses, with
a source ( 1 ) for generating laser pulses
and a detector device ( 7 , 8 ) for detecting the laser pulses reflected from a target,
characterized by a counting device ( 3 , 10 a, 10 b) for counting the laser pulses which are detected in a time interval between the sending of a laser pulse and its detection after the reflection at the target. 17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Schalter (3) zur Unterbrechung des Sendens der Laserpulse.17. The apparatus according to claim 16, characterized by a switch ( 3 ) for interrupting the transmission of the laser pulses. 18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähleinrichtung einen Zähler (10a) für gesendete Laserimpulse und einen Zähler (10b) für reflektierte Laserimpulse umfasst, um nach einer Unterbrechung des Sendens von Laserpulsen die Anzahl der weiterhin detektierten, vom Ziel reflektierten Laserpulse zu bestimmen.18. The apparatus according to claim 16 or 17, characterized in that the counting device comprises a counter ( 10 a) for transmitted laser pulses and a counter ( 10 b) for reflected laser pulses in order, after an interruption in the transmission of laser pulses, to determine the number of those still detected, to determine laser pulses reflected from the target. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, gekennzeichnet durch eine Frequenzmischungseinheit (11) zur Bestimmung der Phasenlage periodischer Signale, die von der Detektoreinrichtung (7, 8) erzeugt werden.19. Device according to one of claims 16 to 18, characterized by a frequency mixing unit ( 11 ) for determining the phase position of periodic signals which are generated by the detector device ( 7 , 8 ). 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, gekennzeichnet durch eine einstellbare optische Strecke (13) zur Verzögerung der vom Ziel reflektierten Laserpulse und ein nichtlineares optisches Element (15), das die gesendeten und die verzögerten, reflektierten Laserpulse empfängt, um ein Signal in Abhängigkeit von der Verzögerungsstrecke (13) zu maximieren.20. Device according to one of claims 16 to 19, characterized by an adjustable optical path ( 13 ) for delaying the laser pulses reflected by the target and a nonlinear optical element ( 15 ) which receives the transmitted and the delayed, reflected laser pulses to a signal to maximize depending on the delay line ( 13 ).
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