DE10151228A1

DE10151228A1 - Lidar-Teleskop mit kombinierter Nah- und Fernfeld-Optik

Info

Publication number: DE10151228A1
Application number: DE10151228A
Authority: DE
Inventors: Derk Weidauer; Ludger Woeste
Original assignee: EILIGHT LASER SYSTEMS GmbH
Current assignee: EILIGHT LASER SYSTEMS GmbH
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2002-08-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Lidar-Teleskop mit kombinierter Nah- und Fernfeld-Optik und ist gekennzeichnet dadurch, daß zwei Empfangsoptiken mit einem gemeinsamen Hauptspiegel angeordnet sind, derart, daß der Sendeweg und beide Empfangswege koaxial sind.

Description

I. Stand der Technik Einführung

Das LIDAR-Verfahren zur Fernerkundung von Eigenschaften der Atmosphäre ist seit mehreren Jahrzehnten bekannt. LIDAR steht für Light Detection and Ranging und ist das optische Analogon zum RADAR (Radiowave Detection and Ranging). Ein LIDAR-System sendet kurze Lichtpulse in die Atmosphäre und empfängt das zurück gestreute Licht. Die Entfernung des streuenden Objektes ist über bekannte Lichtgeschwindigkeit mit der Laufzeit des Lichtpulses verknüpft. Die Streuung kann wie beim RADAR an Objekten erfolgen. Insbesondere aber kann im LIDAR die Streuung an Partikeln und Molekülen der Atmosphäre genutzt werden. LIDAR-Signale sind somit kontinuierlich und geben Aufschluß über jeden Teil des von dem Lichtpuls zurückgelegten Weges.

Die Fernerkundung von Spurengasen in der Atmosphäre gelingt mit dem DIAL-Verfahren (Differential Absorption LIDAR). Hier werden Lichtpulse zweier verschiedener Wellenlängen (Farben) ausgesandt. Die Wellenlängen sind so gewählt, daß sie deutlich verschiedene Absorption durch das zu detektierende Gas erfahren. Aus dem Unterschied im Verlauf dieser beiden LIDAR-Signale kann die Konzentration des Spurengases als Funktion des Abstandes vom LIDAR-System ermittelt werden. Mit diesem Verfahren wird heute eine Vielzahl von Studien und Untersuchungen zur räumlichen Verteilung von Luftschadstoffen durchgeführt. Insbesondere sind hier die Fernüberwachung von Abgasfahnen und die vertikale Sondierung der Ozonkonzentration zu nennen.

Problemstellung

1. Lidar-Signale haben eine Dynamik, die wesentlich mit 1/R² skaliert, worin R den Abstand des streuenden Volumens vom Lidar-System bezeichnet:
mit
R₂ < R₁
P_i bezeichnet die empfangene Lichtleistung aus einem Streuvolumen im Abstand R_i.
2. Empfänger sind günstigstenfalls in einem Empfindlichkeitsbereich 1 : 100 nutzbar. Daraus folgt, dass mit einem Empfänger ein Intervall [R₁, R₂] mit R₂ = 10 × R₁ abgedeckt werden kann.
3. Signale, deren Intensität den nutzbaren Bereich weit überschreiten, stören den Detektor nachhaltig. Sie müssen daher abgeschwächt werden.
4. Die notwendige Abschwächung erfolgt im einfachsten Falle durch die sogenannte "geometrische Kompression". Deren Wirkungsbereich wird wesentlich durch das Verhältnis aus Gesichtsfeld und Durchmesser des Empfangsteleskopes bestimmt.
5. Andere Methoden der Signal-Abschwächung gliedern sich in a.) mechanische Shutter, b.) optoelektronische Shutter, c.) elektronische Empfindlichkeitsvariation des Detektors.
6. Die Verwendung von Signalen aus dem abgeschwächten Bereich ist in allen Fällen schwierig und kann leicht zu Artefakten führen.
7. Um mit einem einzigen Lidar-System einen Entfernungsbereich von z. B. [50 m, 3000 m] zu überstreichen ohne dabei Signale aus dem abgeschwächten Bereich zu verwenden, sind mehrere Empfangswege notwendig.
8. Ein koaxiales System hat gegenüber off-axis Systemen den Vorteil, dass alle bei der Alignierung eingehenden Funktionen rotationssymmetrisch sind. Somit gelingt die Justierung eindeutig und ist besonders stabil.

II. Nachteile bisheriger Technik; Aufgabenstellung

Die Einrichtung mehrerer Empfangswege mit unterschiedlich weit reichender geometrischer Kompression erforderte bisher die Verwendung verschiedener und somit räumlich getrennter Empfangsteleskope. Der Grund liegt in der unter 4.) benannten Abhängigkeit der geometrischen Kompression vom Gesichtsfeld und Durchmesser des Empfangsteleskopes.

Die Anordnung mehrerer Empfangsteleskope erfolgt häufig nebeneinander. Somit können nicht beide Empfangswege koaxial zum Sendestrahl sein. Die unter 8.) erwähnten Vorteile eines koaxialen Systems sind somit nicht nutzbar. Will man dagegen zwei unterschiedliche Empfangsteleskope koaxial anordnen, so kann man sie entlang der optischen Achse übereinander montieren. Daraus resultieren erhebliche Ausmaße des Systems, was unter anderem Schwierigkeiten der mechanischen Stabilität zur Folge hat.

Die Aufgabenstellung für die Erfindung besteht darin, ein koaxiales System aus einem Sende- und zwei Empfangswegen vorzustellen, in dem nur ein gemeinsamer Hohlspiegel zum Einsatz kommt.

III. Beschreibung der Erfindung

Die Merkmale der Erfindung sind:

1. Zwei Empfangsoptiken mit einem gemeinsamen Hauptspiegel.
2. Sendeweg und beide Empfangswege koaxial.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau des Ausführungsbeispieles,

Fig. 2 die Wirkungsweise für den Sendeweg und das Fernfeld,

Fig. 3 die Wirkungsweise für das Nahfeld.

Der Hohlspiegel S ist der Empfangsspiegel. Sein Durchmesser ist mit D bezeichnet, seine Brennweite ist f. Er ist am Boden des Systems montiert. Seine Figurenachse ist die optische Achse des zu beschreibenden Systems. Auf dieser Achse sind übereinander der Fangspiegel S₂ für das Nahfeld, der Fangspiegel S₁ für das Fernfeld und der Umlenkspiegel S₀ für den Sendestrahl angeordnet. Diese Spiegel sind von elliptischer Form und bedecken in der axialen Projektion eine Kreisfläche, die den Durchmesser d nicht überschreitet. Die Montage dieser Spiegel gelingt mit einem System von Rohren, die quer zur optischen Achse angeordnet sind. Diese Rohre sind in einer Weise durchbrochen, daß sie fast keine Abschattung der Empfangswege bewirken. Auf Höhe der Fangspiegel S₂ und S₁ sind seitlich neben der optischen Achse die Detektoren für das Nahfeld und das Fernfeld angeordnet. Deren Eintrittsblenden sind mit F₂ und F₁ bezeichnet. Die Detektoren sind baugleich und haben denselben Abstand von der optischen Achse. In den Lichtwegen zu den beiden Detektoren sind Linsen L₂ und L₁ angeordnet.

Wirkungsweise

a) Für das Fernfeld wird eine ringförmige Fläche des Hauptspiegels genutzt; Aussendurchmesser dieser Fläche: D, Innendurchmesser: D/3.
b) Für das Nahfeld wird ein innerer Ring des Hauptspiegels genutzt; Aussendurchmesser: D/3, Innendurchmesser: d.
c) Für den koaxialen Sendestrahl steht ein Durchmesser d zur Verfügung.
d) Beide Fangspiegel S₂ und S₁ und der Sendespiegel S₀ überschreiten nicht den Durchmesser d.
e) Die wirksame Brennweite des Teleskopes wird für das Nahfeld durch eine Linse L₂ auf ein Drittel der Hauptbrennweite f reduziert.
f) Durch e.) erfährt der Nahfeld-Detektor das gleiche Öffnungsverhältnis wie der Fernfeld-Detektor:
Somit können baugleiche Detektoren verwendet werden.
g) Durch e.) und f.) ergibt sich für das Nahfeld rechnerisch eine um einen Faktor 9 kürzere geometrische Kompression als für das Fernfeld (vgl. 4.)).
h) Durch Verwendung einer Linse L₁ kann die Eintrittsblende F₁ des Fernfeld-Detektors im gleichen Abstand im gleichen Abstand von der optischen Achse wie die Eintrittsblende F₂ des Nahfeld-Detektors angeordnet werden.

Claims

1. Lidar-Teleskop mit kombinierter Nah- und Fernfeld- Optik, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Empfangsoptiken mit einem gemeinsamen Hauptspiegel angeordnet sind derart, daß der Sendeweg und beide Empfangswege koaxial sind.

2. Lidar-Teleskop mit kombinierter Nah- und Fernfeld- Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Fernfeld eine ringförmige Fläche mit Außendurchmesser D und Innendurchmesser (D/3) und für das Nahfeld ein innerer Ring mit Außendurchmesser (D/3) und Innendurchmesser (d) des Hauptspiegels genutzt wird.