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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Absolutentfernungsmessvorrichtungen und genauer eine Absolutentfernungsmessvorrichtung, die ein optisches Faserschalternetzwerk aufweist, das eine ungewünschte Drift innerhalb der Absolutentfernungsmessvorrichtung reduziert und dadurch werden genauere Entfernungsmessvorrichtungen bereitgestellt.
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Hintergrund
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Im Allgemeinen ist eine Absolutentfernungsmessvorrichtung (absolute distance meter, ADM) eine Vorrichtung, welche die Entfernung zu einem fernen Ziel bestimmt. Sie führt dies aus durch Senden von Laserlicht an das Ziel und dann durch Aufsammeln von Licht, welches das Ziel reflektiert oder streut. Eine ADM kann verwendet werden, um Entfernungen in einer Dimension zu messen, wie es zum Beispiel in einem Konsumprodukt, das in einem Elektrogeschäft verfügbar ist, gesehen werden kann. Es kann zum Beispiel in einer komplexeren Vorrichtung hinzugefügt sein, welche die Fähigkeit zum Messen von Größen korrespondierend mit zusätzlichen Dimensionen aufweist (Freiheitsgrade).
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Ein Beispiel für eine Vorrichtung des letzteren Typs ist der Lasertracker, welcher dreidimensionale räumliche Koordinaten misst. Beispielhafte Systeme werden durch
US 4 790 651 A von Brown et al. und
US 4 714 339 A von Lau et al. beschrieben. Der Lasertracker sendet einen Laserstrahl an ein Retroreflektorziel, das gegen eine Oberfläche von Interesse gehalten wird, oder in eine feste Aufnahme platziert wird. Der am meisten verwendete Typ eines Retroreflektorziels ist ein sphärisch angebrachter Retroreflektor (spherically mounted retroreflector, SMR), welcher einen Würfeleckenretroreflektor aufweisen kann, der innerhalb einer Sphäre mit dem Scheitelpunkt der Würfelecke an dem Sphären-Mittelpunkt angebracht ist.
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Eine Vorrichtung, die nah verwandt ist mit dem Lasertracker ist der Laserscanner. Der Laserscanner schreitet mit einem oder mehreren Laserstrahlen zu Punkten auf einer diffusen Oberfläche. Der Lasertracker und der Laserscanner sind beide Koordinatenmessvorrichtungen. Es ist heute übliche Praxis den Begriff Lasertracker zu verwenden, die auch als Laserscannervorrichtungen bezeichnet werden, die eine Entfernungs- und Winkelmess-Fähigkeit aufweisen. Eine andere Vorrichtung, die nah mit dem Lasertracker verwandt ist, ist die Totalstation, die üblicherweise von Vermessern verwendet wird. Die breite Definition eines Lasertrackers, welche Laserscanner und Totalstationen einschließt, wird durchgehend in diesem Dokument verwendet.
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Eine Radarvorrichtung ist ähnlich einem Lasertracker indem, dass sie elektromagnetische Wellen abstrahlt und empfängt und die empfangenen Wellen analysiert, um die Entfernung zu einem Ziel zu erfahren. Radarvorrichtungen strahlen üblicherweise Wellen in dem RF-, Mikrowellen- oder Millimeter-Bereich des elektromagnetischen Spektrums ab, wobei Lasertracker üblicherweise Wellen in dem sichtbaren oder nahen Infrarot-Bereich abstrahlen. Radarvorrichtungen können entweder bistatisch oder monostatisch sein. Monostatische Radarvorrichtungen strahlen ab und empfangen elektromagnetische Energie entlang eines gemeinsamen Weges, wobei bistatische Radarvorrichtungen auf verschiedenen Wegen abstrahlen und empfangen. Totalstationen können entweder bistatisch oder monostatisch sein. Lasertracker werden für industrielle Messung mit hoher Genauigkeit verwendet, jedoch sind sie monostatisch.
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Um zu verstehen warum Lasertracker monostatisch sind, wird ein durch den Lasertracker abgestrahlter Strahl betrachtet, der zu einem Retroreflektorziel reist und wird zurück auf sich selbst retroreflektiert. Falls ein bistatischer Modus in dem Tracker verwendet wurde, würde der einfallende Laserstrahl über den Mittelpunkt des Retroreflektors streichen und der reflektierte Laserstrahl würde sich relativ zu dem einfallenden Laserstrahl verschieben. Retroreflektorziele mit kleiner Größe von der Sorte, die oft mit Lasertrackern verwendet wird, würde nicht kompatibel mit solch einer bistatischen Vorrichtung sein. Zum Beispiel ist ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels der 0,5 Inch Durchmesser eines SMR. Der Würfelecken-Retroreflektor in solch einem SMR hat üblicherweise einen freien Blendendurchmesser von ungefähr 0,3 Inch, welcher ungefähr 7,5 mm entspricht. Der 1/e2 Strahlungsdichtedurchmesser eines Laserstrahls von einem Tracker könnte ungefähr diese Größe haben oder größer sein. Folglich würde jede Verschiebung in dem Laserstrahl bewirken, dass der Strahl durch den SMR begrenzt wird. Dies würde in einem unakzeptabel großen Abfall der an den Tracker zurückkehrenden optischen Leistung resultieren.
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Eine bistatische Geometrie würde auch für ein faseroptik-basiertes ADM-System problematisch sein. In einem monostatischen Lasertracker, der Laserlicht aus einer optischen Faser ausgibt, kann ein Laser-Kollimator hergestellt werden durch Anordnen der Endfläche der optischen Faser an den Brennpunkt einer Kollimationslinse. Auf dem Rückkehrweg von dem entfernten Retroreflektor streift kollimiertes Laserlicht wieder die Kollimationslinse, obgleich im Allgemeinen der zurückkehrende Laserstrahl außerhalb des Mittelpunkts bezogen auf das ausgehende Laserlicht sein kann. Die Faserendoberfläche ist in dem Fokus der Kollimationslinse angeordnet, welches die Wirkung hat, dass das Licht von dem Retroreflektorziel effizient zurück in die Faser gekoppelt wird, unabhängig von wo der Strahl die Linse streift. In einer bistatischen Vorrichtung ist eine Anordnung der faseroptik-empfangenden Optik vielmehr herausfordernd und eine Koppelungseffizienz ist viel niedriger.
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Ein Typ von Lasertracker enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne eine Absolutentfernungsmessvorrichtung. Falls ein Gegenstand den Weg des Laserstrahls von einem dieser Tracker blockiert, verliert der IFM seine Entfernungsreferenz. Der Betreiber muss dann den Retroreflektor auf die Spur eines bekannten Orts bringen zum Rücksetzen einer Referenzentfernung bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Möglichkeit, um diese Begrenzung zu umgehen, ist es eine ADM in den Tracker einzuführen. Die ADM kann eine Entfernung in einer Punkt-und-Schuss-Weise messen wie unten detaillierter beschrieben. Einige Lasertracker enthalten nur eine ADM ohne ein Interferometer. Ein beispielhafter Lasertracker dieses Typs wird im
US 5 455 670 A von Payne, et al. beschrieben. Andere Lasertracker enthalten üblicherweise sowohl eine ADM als auch ein Interferometer. Ein beispielhafter Lasertracker dieses Typs wird im
US 5 764 360 A von Meier, et al. beschrieben.
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Ein Kardan-Mechanismus innerhalb des Lasertrackers kann verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des Lichts, das durch den SMR retroreflektiert wird, tritt in den Lasertracker ein und passiert ihn zu einem Positionsdetektor. Ein Steuerungssystem innerhalb des Lasertrackers kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor verbinden, um die Drehwinkel der mechanischen Azimut- und Zenitachsen des Lasertrackers anzupassen, um den Laserstrahl zentriert auf den SMR zu halten. Auf diese Weise ist es möglich einem SMR zu folgen (auf der Spur zu bleiben), der über die Oberfläche eines in Frage kommenden Gegenstands bewegt wird.
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Winkel-Encoder, die auf den mechanischen Azimut- und Zenitachsen des Trackers angebracht sind, können die Azimut- und Zenitwinkel des Laserstrahls (mit Bezug auf den Tracker-Rahmen der Referenz) messen. Die eine Entfernungsmessung und zwei Winkelmessungen, die durch den Lasertracker durchgeführt werden, sind ausreichend, um vollständig die dreidimensionale Position des SMR zu spezifizieren.
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Eine der Hauptanwendungen für Lasertracker ist es die Oberflächenmerkmale von Objekten zu scannen, um ihre geometrischen Eigenschaften zu bestimmen. Ein Betreiber kann zum Beispiel den Winkel zwischen zwei Oberflächen durch Scannen jede der Oberflächen bestimmen und dann eine geometrische Ebene an jede anpassen. Ein Betreiber kann in einem anderen Beispiel den Mittelpunkt und Radius einer Sphäre durch Scannen der Sphärenoberfläche bestimmen.
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Vor der
US 7 352 446 B2 von Bridges et al., wurde eher ein Interferometer als eine ADM für den Lasertracker benötigt, um sich bewegende Ziele zu scannen. Bis zu dieser Zeit waren Absolutentfernungsmessvorrichtungen zu langsam um genau die Position eines sich bewegenden Ziels zu finden. Um die volle Funktionalität mit sowohl scannender als auch Punkt-und-Schuss-Fähigkeit zu erhalten, benötigten die früheren Lasertracker sowohl ein Interferometer als auch eine ADM.
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Es folgt ein allgemeiner Vergleich einer interferometrischen Entfernungsmessung und einer Absolutentfernungsmessung. In dem Lasertracker kann ein Interferometer (falls vorhanden) die Entfernung von einem Startpunkt bis zu einem Endpunkt durch Zählen der Anzahl von Inkrementen bekannter Länge (üblicherweise die halbe Wellenlänge des Laserlichts) bestimmen, das passiert, wenn ein Retroreflektorziel zwischen den zwei Punkten bewegt wird. Falls der Strahl während der Messung unterbrochen wird, kann die Anzahl der Zähler nicht genau bekannt sein, das bewirkt, dass die Entfernungsinformation verloren geht. Durch Vergleich bestimmt die ADM in einem Lasertracker die absolute Entfernung zu einem Retroreflektorziel ohne Rücksicht auf Strahlunterbrechungen, welches auch ein Schalten zwischen einer Mehrzahl von Zielen ermöglicht. Deswegen wird gesagt, dass die ADM eine „Punkt-und-Schuss“-Messung ermöglicht.
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Obgleich es mehrere Fehlerquellen in einer Interferometer-Messung gibt, liegt in den meisten Fällen der Hauptfehler in dem Wert der durchschnittlichen Wellenlänge des Laserlichts über seinen Weg durch die Luft. Die Wellenlänge an einem Punkt im Raum ist gleich der Vakuumwellenlänge des Laserlichts geteilt durch den Brechungsindex der Luft an diesem Punkt. Die Vakuumwellenlänge des Lasers ist üblicherweise mit hoher Genauigkeit bekannt (besser als ein Teil aus 10.000.000), aber der durchschnittliche Brechungsindex von Luft ist weniger genau bekannt. Der Brechungsindex von Luft wird gefunden durch ein erstes Benutzten von Sensoren um die Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit der Luft zu messen und dann diese gemessenen Werte in eine geeignete Gleichung einzuführen wie zum Beispiel der Ciddor-Gleichung oder der Edlin-Gleichung.
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Jedoch sind die Temperatur, der Druck und die Luftfeuchtigkeit über den Raum nicht gleichförmig und ebenso sind die Sensoren nicht perfekt genau. Ein Fehler der durchschnittlichen Temperatur von einem Grad Celsius verursacht zum Beispiel einen Fehler in dem Brechungsindex von ungefähr einem Teil pro Million (PPM). Wie oben erwähnt ist die Wellenlänge von Licht in Luft umgekehrt proportional zu dem Luftbrechungsindex.
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Ähnlich ist in einer ADM die so genannte ADM-Wellenlänge der Amplitudemodulationshüllkurve (auch bekannt als Mehrdeutigkeitsbereich) umgekehrt proportional zu dem Luft-Gruppenbrechungsindex. Wegen dieser Ähnlichkeit führen Fehler beim Messen der Temperatur, des Drucks und der Feuchtigkeit zu Fehlern in der berechneten Entfernung, die ungefähr gleich sind für ADM- und Interferometer-Systeme.
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Jedoch sind ADMs anfällig für Fehler, die nicht in Interferometern gefunden werden. Um eine Entfernung zu messen verwendet ein Interferometer einen elektrischen Zähler um eine Spur mit der Anzahl von Zeiten zu verfolgen, die beide Lichtstrahlen innerhalb und außerhalb einer Phase verlaufen sind. Der Zähler ist eine digitale Vorrichtung, die nicht auf kleine analoge Unterschiede reagieren muss. Im Vergleich sind ADMs üblicherweise zum Messen von analogen Werten wie z.B. Phasenverschiebung oder Zeitverzögerung für hohe Präzision erforderlich.
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In den meisten hoch-leistungsfähigen ADMs wird Laserlicht entweder durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Laserquelle oder durch Senden des Laserlichts durch einen externen Modulator wie zum Beispiel einen akusto-optischen Modulator oder einen elektro-optischen Modulator moduliert. Dieses modulierte Laserlicht wird von der ADM an ein fernes Ziel ausgesendet, welches ein Retroreflektor oder eine diffuse Oberfläche sein kann. Licht reflektiert von oder streut an dem fernen Ziel und passiert zumindest teilweise zurück in die ADM.
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Um die Schwierigkeiten zu verstehen, denen man durch ADMs ausgesetzt ist, betrachten wir zwei allgemeine ADM-Architekturen: eine temporär inkohärente Architektur und eine temporär kohärente Architektur. In einigen temporär kohärenten Systemen wird das zurückkehrende Laserlicht mit Laserlicht von einem anderen Ort gemischt bevor es an einen optischen Detektor gesendet wird, der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird decodiert, um die Entfernung von der ADM an das ferne Ziel zu finden. In solchen Systemen kann eine Modulation auf die Amplitude, Phase oder Wellenlänge des Laserlichts angewendet werden. In anderen temporär kohärenten Systemen werden mehrere reine Laserlinien, die verschiedene Wellenlängen aufweisen, kombiniert bevor sie an den Retroreflektor gesendet werden. Diese verschiedenen Lichtwellenlängen werden an dem Detektor kombiniert, dadurch wird eine „synthetische“-Modulation bereitgestellt.
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In temporär inkohärenten optischen Systemen wird Licht üblicherweise nicht in einem optischen Detektor mit Licht einer anderen Wellenlänge gemischt. Der einfachste Typ von einem temporär inkohärenten System verwendet einen einzelnen Messkanal und keinen Referenzkanal. Üblicherweise wird Laserlicht in solchen Systemen mit optischer Leistung moduliert. Licht, das von dem Retroreflektor zurückkehrt, streift einen optischen Detektor, der das Licht in ein elektrisches Signal, das dieselbe Modulationsfrequenz aufweist, umwandelt. Diese Signale werden elektrisch verarbeitet, um die Entfernung von dem Tracker zu dem Ziel zu finden. Der Hauptnachteil dieses Systemtyps ist, dass Variationen in der Reaktion von elektrischen und optischen Bauteilen über die Zeit Jitter und Drift in der berechneten Entfernung verursacht.
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Um diese Fehler in einem temporär inkohärenten System zu reduzieren, ist es ein Ansatz einen Referenzkanal zusätzlich zu dem Messkanal zu kreieren. Dieses wurde unternommen durch Kreieren von zwei Elektroniksätzen. Ein Elektroniksatz befindet sich in dem Messkanal. Moduliertes Laserlicht, das von dem entfernten Retroreflektor zurückkehrt, wird durch einen optischen Detektor zu einem elektrischen Signal umgewandelt und passiert durch diesen Elektroniksatz. Der andere Elektroniksatz befindet sich in dem Referenzkanal. Das elektrische Modulationssignal wird direkt an diesen zweiten Elektroniksatz angelegt. Durch Subtraktion der Entfernung, die in dem Referenzkanal gemessen wird, von der Entfernung, die in dem Messkanal gefunden wird, werden Jitter und Drift in ADM-Ablesungen reduziert. Diese Art von Ansatz entfernt viel von der Variabilität, die durch elektrische Bauteile verursacht wird, insbesondere als eine Temperaturfunktion. Jedoch kann es nicht eine Variabilität, die sich aus Unterschieden in elektro-optischen Bauteilen wie zum Beispiel den Laser und Detektor ergibt, entfernen.
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Um diese Fehler weiter zu reduzieren, kann ein Teil des modulierten Laserlichts aufgeteilt werden und an einen optischen Detektor in dem Referenzkanal gesendet werden. Die meisten der Variationen in dem modulierten Laserlicht der Mess- und Referenzkanäle sind im Gleichtakt und werden abgebrochen, wenn die Referenzentfernung von der gemessenen Entfernung subtrahiert wird.
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Trotz dieser Verbesserungen kann eine Drift in solchen ADM-Systemen noch relativ groß sein, insbesondere über lange Zeitspannen oder über große Temperaturänderungen. Alle der oben diskutierten Architekturen sind einer Drift unterworfen und Wiederholungsfehler, die durch Variationen in optischen und elektrischen Bauelementen verursacht werden, die nicht identisch in den Mess- und Referenzkanälen sind. Optische Fasern, die in ADM-Systemen verwendet werden, ändern eine optische Weglänge mit der Temperatur. Elektrische Anordnungen, die in ADM-Systemen verwendet werden wie zum Beispiel Verstärker und Filter ändern eine elektrische Phase mit der Temperatur.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum außerordentlichen Reduzieren der Wirkungen einer Drift in einer ADM innerhalb eines Lasertrackers wird in
US 6 847 436 B2 von Bridges gelehrt, deren Inhalte hiermit per Verweis eingebunden sind. Dieses Verfahren umfasst eine Verwendung einer Zerhackeranordnung, um alternierend zurückkehrendes Laserlicht auf einem Mess- oder Referenzweg um zu lenken. Obgleich dieses Verfahren gut funktioniert, gibt es eine Begrenzung in der maximalen Rate der Drehung der Schwingblende und daher in der Datensammelrate der ADM.
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Ein Verfahren eines Messens der Entfernung zu einem sich bewegenden Retroreflektor wird in
US 7 352 446 B2 von Bridges et al. gelehrt, deren Inhalte hiermit per Verweis eingebunden sind. Um die höchstmögliche Leistung unter Verwendung des Verfahrens der
US 7 352 446 B2 zu erhalten, werden die Entfernungen bei einer hohen Rate neu gerechnet, vorzugsweise bei einer Rate von mindestens 10 kHz. Es ist schwierig eine mechanische Schwingblende wie in
US 6 847 436 B2 mit einer Datenrate dieser Höhe herzustellen. Daher muss ein anderes Verfahren gefunden werden, um das ADM-Driftproblem zu lösen.
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Es ist möglich eine Drift in einem Entfernungsmesser durch mechanisches Schalten eines optischen Strahls zwischen zwei freien räumlichen optischen Wegen zu korrigieren. Ein als der Referenzweg bezeichneter optischer Weg ist innen in dem Instrument. Der zweite als Messweg bezeichnete optische Weg reist aus von dem Instrument zu dem zu messenden Objekt und dann zurück zu dem Instrument. Licht von den Mess- und Referenzwegen streift einen einzelnen optischen Detektor. Wegen der Tätigkeit des mechanischen Schalters streift das Licht von den zwei Referenzwegen nicht den einzelnen optischen Detektor zu derselben Zeit. Der mechanische Schalter kann eine mechanisch betätigte optische Komponente wie zum Beispiel ein Spiegel, ein Prisma, ein Strahlensplitter oder eine Schwingblende sein. Das Stellglied kann eine Magnetspule, ein Motor, eine Schwingspule, ein manueller Einsteller oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Weil der optische Detektor und die elektrische Schaltung für die Mess- und Referenzwege dieselben sind, ist beinahe jeder Driftfehler gleich getaktet und gleicht sich aus. Beispiele von Erfindungen, die auf diesem Verfahren basieren, umfassen
US 3 619 058 A von Hewlett et al. ;
US 3 728 025 A von Madigan et al.;
US 3 740 141 A von DeWitt;
US 3 779 645 A von Nakazawa et al.;
US 3 813 165 A von Hines et al.;
US 3 832 056 A von Shipp et al.;
US 3 900 260 A von Wendt;
US 3 914 052 A von Wiklund;
US 4 113 381 A von Epstein;
US 4 297 030 A von Chaborski;
US 4 453 825 A von Buck et al.;
US 5 002 388 A von Ohishi et al.;
US 5 455 670 A von Payne et al.;
US 5 737 068 A von Kaneko et al.;
US 5 880 822 A von Kubo;
US 5 886 777 A von Hirunuma;
US 5 991 011 A von Damm;
US 3 740 141 A von Shirai et al.;
US 6 847 436 B2 von Bridges;
US 7 095 490 B2 von Ohtomo et al.;
US 7 196 776 B2 von Ohtomo et al.;
US 7 224 444 B2 von Stierle et al.;
US 7 262 863 B2 von Schmidt et al.;
US 7 336 346 B2 von Aoki et al.;
US 7 339 655 B2 von Nakamura et al.;
US 7 471 377 B2 von Liu et al.;
US 7 474 388 B2 von Ohtomo et al.;
US 7 492 444 B2 von Osada;
US 7 518 709 B2 von Oishi et al.;
US 7 738 083 B2 von Luo et al.; und die veröffentlichte
US 2009 / 0 009 747 A1 von Wolf et al. Weil alle diese Patente mechanische Schalter verwenden, welche langsam sind, kann keines schnell genug schalten, um in einer ADM verwendet zu werden, die einen in sich bewegenden Retroreflektor genau misst.
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Eine andere Möglichkeit ist eine Drift nur in dem elektrischen und nicht in dem optischen Abschnitt eines Entfernungsmessers zu korrigieren. In diesem Fall wird Licht von dem optischen Referenzweg an den optischen Referenzdetektor gesendet und Licht von dem optischen Messweg wird an den optischen Messdetektor gesendet. Die elektrischen Signale von den Referenz- und optischen Detektoren reisen zu einem elektrischen Schalter, welcher alternierend die elektrischen Signale von den zwei Detektoren an eine einzelne elektrische Einheit weiterleitet. Die elektrische Einheit verarbeitet die Signale, um die Entfernungen zu dem Ziel zu finden. Beispiele von Erfindungen, die auf diesem Verfahren basieren, umfassen
US 3 365 717 A von Hölscher;
US 5 742 379 A von Reifer;
US 6 369 880 B1 von Steinlechner;
US 6 463 393 B1 von Giger;
US 6 727 985 B2 von Giger;
US 6 859 744 B2 von Giger; und
US 6 864 966 B2 von Giger. Obgleich die Verwendung eines elektrischen Schalters Drift in dem elektrischen Abschnitt eines ADM-Systems reduzieren kann, kann es nicht Drift von dem optischen Abschnitt entfernen, welche üblicherweise als groß oder größer als die Drift in dem elektrischen Abschnitt ist. Zusätzlich ist es schwierig ein elektrisches Schaltersystem zu implementieren, dass schnell genug schalten kann, um eine Phasenverschiebung in elektrischen Signalen, die bei mehreren GHz moduliert sind, zu verhindern. Wegen ihrer begrenzten Nutzbarkeit und Schwierigkeit der Implementierung, sind elektrische Schalter keine gute Lösung zum Korrigieren von Drift in einer ADM.
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Für einen bistatischen Entfernungsmesser gibt es zwei Referenzen, welche die Verwendung von Faseroptikschaltern diskutieren. Die veröffentlichte
US 2009 / 0 046 271 A1 von Constantikes lehrt ein Verfahren, in welchem ein Faserschalter in dem ausgehenden Strahlenweg platziert wird und ein zweiter Faserschalter wird in dem zurückkehrenden Strahlenweg platziert. Diese zwei Faseroptikschalter werden zur selben Zeit geschaltet um entweder Licht von dem Messweg oder dem Referenzweg zu erlauben den optischen Detektor zu erreichen. Die
US 4 689 489 A von Cole lehrt eine Verwendung eines Faserschalters, in welchem Licht von dem Rückkehrport des bistatischen Entfernungsmessers in einen Port eines Schalters hinein und Licht von dem ausgehenden Strahl in dem zweiten Port des Schalters eingespeist wird. Die Faserschalter-Architekturen, die in diesen Referenzen beschrieben werden, sind nur für bistatische Vorrichtungen anzuwenden und können aus Gründen, die früher diskutiert wurden, nicht mit Lasertrackern verwendet werden.
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Die
US 4 498 764 A offenbart ein Entfernungsmessgerät mit einem Sender, der unmodulierte kurzzeitige Lichtpulse aussendet, einem ersten Lichtweg vom Sender zu einer Lichtwegweiche, einem zweiten Lichtweg von der Lichtwegweiche zu einem optischen Übertragungsmittel, einem optischen Empfangsmittel zum empfangen von Lichtpulsen, die von einem Ziel reflektiert wurden, einem dritten Lichtweg vom optischen Empfangsmittel zu einem elektrooptischen Empfänger sowie einem Referenz-Lichtweg von der Lichtwegweiche zum elektrooptischen Empfänger.
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Die
WO 2006/039682 A1 offenbart einen Lasertracker mit einer Laserlichtquelle, die moduliertes Laserlicht zu einem Ziel sendet, eine optoelektronische Komponente, die vom Ziel zurückgeworfenes Laserlicht in ein erstes elektrisches Signal umwandelt, eine Aufbereitungselektronik, die aus dem ersten elektrischen Signal ein zweites elektrisches Signal erzeugt, sowie eine Digitalisierungselektronik, die digitale Werte des zweiten elektrischen Signals erzeugt. Ein digitaler Signalprozessor empfängt die digitalen Werte, wobei ein Phasenextraktionsmodul des digitalen Signalprozessors eine geschwindigkeitsabhängige Phasenextraktionsfunktion auf die digitalen Werte anwendet und wobei der digitale Signalprozessor einer Absolutdistanz des sich bewegenden Ziels errechnet. Wenigstens zwei Winkelkodierer bestimmten Winkelkoordinaten zum Ziel, wobei der Signalprozessor dreidimensionale Koordinaten des Ziels errechnet.
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Die
WO 2007/084209 A2 betrifft einen Transceiver mit einem Objektiv, einer Lichtquelle, die eine Quellenapertur bildet, die nahe dem Brennpunkt des Objektivs angeordnet ist, so dass das Objektiv Licht zu einem Beleuchtungsstrahl formt, sowie einem Detektorelement, das nahe der Lichtquelle angeordnet ist, um eine Detektorapertur zu bilden, um von einem Ziel reflektiertes Licht zu empfangen. Die Quellenapertur und die Detektorapertur sind voneinander um weniger als ungefähr das Zwanzigfache der Wellenlänge des Lichts beabstandet.
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Es besteht ein Bedarf für eine ADM, die sich bewegende Ziele genau mit wenig Drift misst. Sie muss monostatisch sein und Drift minimieren sowohl in optischen als auch elektrischen Komponenten.
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Zusammenfassung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Absolutentfernungsmessvorrichtung (ADM), die eine Entfernung zu einem Ziel bestimmt, eine Lichtquelle, die einen emittierten Lichtstrahl emittiert. Die ADM umfasst auch ein Faserschalternetzwerk mit mindestens einem optischen Schalter, der mindestens zwischen zwei Positionen in Antwort auf ein Schaltersteuersignal schaltet, wobei eine erste der Positionen einen Messmodus aktiviert, in welchem der emittierte Lichtstrahl von dem Faserschalternetzwerk zu dem Ziel emittiert wird und als ein Messlichtstrahl in das Faserschalternetzwerk zurück reflektiert wird, wobei eine zweite der Positionen einen Referenzmodus aktiviert, in welchem der Lichtstrahl einen Referenzlichtstrahl innerhalb des Faserschalternetzwerks aufweist, wobei das Faserschalternetzwerk weiterhin einen Teilfaser-Retroreflektor aufweist sowie mindestens einen faseroptischen Koppler, durch welchen der emittierte Lichtstrahl und die Mess- und Referenzlichtstrahlen passieren. Die ADM umfasst weiterhin einen Einkanaldetektor, der die Mess- und Referenzlichtstrahlen in einer temporär beabstandeten, gemultiplexten Weise detektiert und ein elektrisches Signal bereitstellt, welches mit den detektierten Mess- und Referenzlichtstrahlen korrespondiert, wobei der mindestens eine faseroptische Koppler optisch mit dem Einkanaldetektor, mit der Lichtquelle und mit dem mindestens einen optischen Schalter verbunden wird. Die ADM umfasst auch einen Einkanalsignalprozessor, der das elektrische Signal verarbeitet und ein konditioniertes elektrisches Signal in Antwort darauf bereitstellt, und einen Datenprozessor, der das konditionierte elektrische Signal verarbeitet, um die Entfernung zu dem Ziel zu bestimmen. In dem Messmodus wird der emittierte Lichtstrahl von der Lichtquelle durch den mindestens einen faseroptischen Koppler an den mindestens einen optischen Schalter, der sich in der Messmodusposition befindet, und an das Ziel gesendet, wobei der Messlichtstrahl von dem Ziel durch den mindestens einen optischen Schalter, der sich in der Messmodusposition befindet, und durch den mindestens einen faseroptischen Koppler und an den Einkanaldetektor passiert. In dem Referenzmodus wird der emittierte Lichtstrahl von der Lichtquelle durch den mindestens einen faseroptischen Koppler an den mindestens einen optischen Schalter, der sich in der Referenzmodusposition befindet, und an den Teilfaser-Retroreflektor gesendet, wobei der Referenzlichtstrahl, der von dem Teilfaser-Retroreflektor reflektiert wird, durch den mindestens einen optischen Schalter, der sich in der Referenzmodusposition befindet, und durch den mindestens einen faseroptischen Koppler und an den Einkanaldetektor passiert.
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Figurenliste
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Ausführungsformen werden jetzt in beispielhafter Weise beschrieben mit Referenz zu den begleitenden Zeichnungen, welche als beispielhaft und nicht begrenzend verstanden werden, und wobei gleiche Elemente in einigen Figuren gleich nummeriert sind, in welchen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Lasertrackers darstellt, der einen Laserstrahl an einen externen Retroreflektor sendet; und
- 2A ein Blockdiagramm einer tracker-elektrooptischen Anordnung ist, die eine ADM mit einem optischen Faserschalternetzwerk, einen sichtbaren Laser und einer Trackeroptik umfasst; und
- 2B ein Blockdiagramm einer tracker-elektrooptischen Anordnung ist, die eine ADM mit einem optischen Faserschalternetzwerk, einer inkrementalen Entfernungsmessanordnung und einer Trackeroptik umfasst; und
- 3 ein Blockdiagramm einer tracker-elektrooptischen Anordnung ist, die eine ADM mit einem optischen Faserschalternetzwerk und einer Trackeroptik umfasst; und
- 4 ein Blockdiagramm einer tracker-elektrooptischen Anordnung ist, die eine ADM mit einem optischen Faserschalternetzwerk und einer vereinfachten Optik umfasst; und
- 5 ein optisches Faserschalternetzwerk zeigt, das einen Faseroptikschalter, einen optischen Koppler und einen Teilfaser-Retroreflektor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
- 6 ein optisches Faserschalternetzwerk zeigt, das einen Faseroptikschalter, einen optischen Zirkulator und einen Teilfaser-Retroreflektor gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
- 7 ein optisches Faserschalternetzwerk zeigt, das zwei Faseroptikkoppler und einen Faseroptikschalter gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst; und
- 8 ein optisches Faserschalternetzwerk zeigt, in welchem mehrfache Faseroptikschalter kombiniert werden, um optische Isolation gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu kombinieren; und
- 9 ein optisches Faserschalternetzwerk zeigt, in welchem die Schaltetätigkeit durch optische Modulatoren oder optische Dämpfer gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird; und
- 10 ein Blockdiagramm einer beispielhaften ADM-Elektronik ist, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
- 11 ein Blockdiagramm des Datenprozessors ist, der in Ausführungsformen der vorliegende Erfindung verwendet wird; und
- 12 eine Grafik eines beispielhaften Signals von einem ADM-System ist; und
- 13 eine Grafik eines beispielhaften Schaltersignals ist; und
- 14 eine Grafik eines beispielhaften Gattersignals ist; und
- 15 ein Blockdiagramm eines Verarbeitungssystems ist, das in Ausführungsformen der vorliegende Erfindung verwendet wird; und
- 16 ein Blockdiagramm einer ADM-Elektronik ist, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Ein beispielhafter Lasertracker 10 ist in 1 veranschaulicht. Ein beispielhafter kardanartiger, strahlgesteuerter Mechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenit-Trägerwagen 14, der auf eine Azimut-Basis 16 montiert ist, und um eine Azimut-Achse 20 gedreht wird. Eine Nutzlast 15 ist auf den Zenit-Trägerwagen 14 montiert und wird um eine Zenit-Achse 18 gedreht. Die Zenitmechanische Drehachse 18 und die Azimut-mechanische Drehachse 20 schneiden sich miteinander orthogonal intern zu dem Tracker 10 an einem Kardanpunkt 22, welcher typischerweise der Ursprung für Entfernungsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 passiert virtuell durch den Kardanpunkt 22 und ist orthogonal auf die Zenit-Achse 18 gerichtet. In anderen Worten ist der Laserstrahl 46 in der Ebene normal zu der Zenit-Achse 18. Der Laserstrahl 46 wird in der gewünschten Richtung durch Drehung der Nutzlast 15 um die Zenit-Achse 18 und durch Drehung des Zenit-Trägerwagens 14 um die Azimut-Achse 20 gerichtet. Zenit- und Azimut-Winkel-Encoder, intern zu dem Tracker (nicht dargestellt), sind an der Zenit-mechanischen Achse 18 und Azimut-mechanischen Achse 20 angebracht und geben mit hoher Genauigkeit die Winkel einer Drehung an. Der Laserstrahl 46 reist zu einem externen Retroreflektor 26 wie zum Beispiel der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR), der oben beschrieben ist. Durch Messen der radialen Entfernung zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26 und die Drehwinkel um die Zenit- und Azimut-Achsen 18, 20, wird die Position des Retroreflektors 26 innerhalb des sphärischen Koordinatensystems des Trackers gefunden.
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Der Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen aufweisen wie es in der Diskussion, die folgt, beschrieben wird. Aus Gründen der Klarheit und Einfachheit wird in der folgenden Diskussion ein Steuermechanismus von der in 1 dargestellten Art angenommen. Jedoch sind andere Typen von Steuermechanismen möglich. Zum Beispiel würde es möglich sein einen Laserstrahl von einem Spiegel, der um die Azimut- und Zenit-Achsen gedreht wird, zu reflektieren. Die hier beschriebenen Techniken sind anwendbar unabhängig von dem Typ des Steuermechanismus.
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Bauelemente des Lasertrackers
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Eine tracker-elektrooptische Anordnung 250A ist in 2A dargestellt. Sie umfasst eine ADM-Anordnung 2000, einen sichtbaren Laser 110 und eine optische Anordnung 190. Die ADM-Anordnung 2000 umfasst eine ADM-Elektronik 300, einen ADM-Laser 102, ein optisches Faserschalternetzwerk 200 und einen Datenprozessor 400. Die optische Anordnung 190 umfasst einen ADM-Strahlkollimator 140, eine Einkopplung eines sichtbaren Strahls 150, eine Tracking-Anordnung 170 und einen Strahlaufweiter 160.
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Es gibt viele Möglichkeiten Licht zu modulieren. Ein Modulationstyp ist optische Leistung mit dem Modulationssignal, das üblicherweise entweder sinusförmig oder getaktet ist. Ein anderer Modulationstyp ist von optischer Wellenlänge. Dieser Modulationstyp wird manchmal in kohärenten Laserentfernungsmessern verwendet. Modulation kann direkt auf die Lichtquelle oder einen externen Modulator, wie z.B. ein elektrooptischer Modulator, angewandt werden, um die Leistung, Polarisation oder Phase des Laserlichts zu variieren. Das in dieser Offenbarung beschriebene Verfahren ist für jeden dieser Modulationstypen anwendbar. Licht kann von einem Laser, einer Superlumineszenzdiode, oder irgendeinem anderen Typ eines optischen Emitters kommen. In dem unteren Text wird die Lichtquelle oft als ein Laser bezeichnet, aber dies sollte nicht dazu verwendet werden, um den Typ von Lichtquelle, der verwendet werden könnte, darauf zu begrenzen.
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Licht von dem ADM-Laser 102 wird in die optische Faser 104 injiziert und reist zu dem Faserschalternetzwerk 200. Etwas Licht von dem Faserschalternetzwerk 200 reist durch ein faser-optisches Kabel 501 an den ADM-Strahlkollimator 140. Der ADM-Strahlkollimator 140 weist eine stabile Zwinge 142 und eine Positivlinse 144 auf. Optische Fasern sind vorzugsweise von dem Einzelmodus-Typ.
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Im Falle, dass der ADM-Laser 102 bei einer Infrarotwellenlänge operiert, ist es passend einen sichtbaren Laserstrahl bereitzustellen, um dabei zu unterstützen den Strahl leichter zu finden. Der sichtbare Laser 110 sendet sichtbares Licht durch ein faser-optisches Kabel 215 an den sichtbaren Strahlaustritt 150, welcher eine stabile Zwinge 152, eine Positivlinse 154 und einen dichroitischer Strahlenteiler 114 umfasst. Der dichroitische Strahlenteiler 114 sendet den ADM-Strahl 108 aber reflektiert den sichtbaren Strahl 112. Rechts von dem Strahlenteiler 114 weist ein Verbundlaserstrahl 116, den sichtbaren Laserstrahl 112 und den ADM-Laserstrahl 108 auf, welcher im Wesentlichen kollinear sind. Der Laserstrahl 116 passiert durch den Strahlenteiler 118 und den Strahlaufweiter 160, wobei er als größerer kollimierter Laserstrahl 46 erscheint. Der Strahlaufweiter 160 weist eine Negativlinse 162 und die Positivlinse 164 auf.
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In einigen Anwendungen ist es wünschenswert ein Interferometer (IFM) zusätzlich zu einer ADM einzufügen. Eine tracker-elektrooptische Anordnung 250B ist in 2B dargestellt. Sie weist dieselben Bauelemente wie die elektrooptische Anordnung 250A auf, außer, dass der sichtbare Laser 110 durch eine inkrementale Entfernungsmessanordnung 180 ersetzt ist. Die inkrementale Entfernungsmessanordnung 180 weist einen stabilen Laser 182 und eine Interferometer (IFM)-Anordnung 184 auf. Der stabile Laser 182 ist vorzugsweise ein frequenzstabilisierter Helium-Neon-Laser, die einen roten Strahl erzeugt. Die IFM-Anordnung 184 weist Optik und Elektronik (nicht dargestellt) auf, welche die inkrementale Änderung in der Entfernung zum Retroreflektor 26 ist.
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Der Laserstrahl 46 reist zu dem externen Retroreflektor 26 wie in 1 dargestellt. Der Strahl 46 wird von dem Retroreflektor 26 reflektiert und kehrt zu dem Lasertracker 10 als Strahl 48 zurück. Falls der Laserstrahl 46 die Mitte des Retroreflektors 26 streift, verfolgt der reflektierte Laserstrahl 48 den Weg des einfallenden Strahls 46. Falls der Laserstrahl 46 den Retroreflektor 26 außerhalb der Mitte streift, kehrt der reflektierte Laserstrahl 48 parallel zu dem einfallenden Strahl 46 aber versetzt von ihm zurück. Der reflektierte Laserstrahl 48 tritt wieder in den Tracker 10 durch den Strahlaufweiter 160 ein und verfolgt wieder den Weg durch das optische System zurück.
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Die Tracking-Anordnung 170 weist den Strahlenteiler 118, ein optionales optisches Filter 128 und einen Positionsdetektor 130 auf. Ein Teil des reflektierten Laserstrahls 48 wird von dem Strahlenteiler 118 abgelenkt und passiert durch das optionale optische Filter 128, um den Positionsdetektor 130 zu streifen. Das optische Filter 128 blockiert ungewünschte Lichtwellenlängen wie zum Beispiel Umgebungslicht in der Nähe des Retroreflektors 26.
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Der Positionsdetektor 130 erzeugt ein elektrisches Signal, das die Position des Lichtspots an den Positionsdetektor 130 angibt. Der Positionsdetektor 130 kann von irgendeinem Detektortyp sein, der die Position des zurückkehrenden Lichtstrahls angibt. Es kann zum Beispiel ein positionsempfindlicher Detektor wie zum Beispiel ein Lateraleffektdetektor oder Quadrantendetektor oder es kann ein fotoempfindliches Feld wie zum Beispiel ein CCD- oder CMOS-Feld sein. Der Rücklaufpunkt des Positionsdetektors ist definiert als der Punkt, den der Laserstrahl 126 streift, falls der Laserstrahl 46 die Mitte des Retroreflektors 26 streift. Wenn der Laserstrahl 46 sich von der Mitte des Retroreflektors 26 bewegt, bewegt sich der Laserstrahl 126 weg von dem Rücklaufpunkt und veranlasst den Positionsdetektor 130 ein elektrisches Fehlersignal zu erzeugen. Ein Servosystem (nicht dargestellt) verarbeitet dieses Fehlersignal um Motoren (nicht dargestellt) zu aktivieren, welche den Laserstrahl 46 von dem Lasertracker 10 zu der Mitte des externen Retroreflektors 26 hin drehen. Auf diese Weise wird der Laserstrahl vom Tracker 10 veranlasst die Bewegung des Retroreflektors 26 zu verfolgen.
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Der dichroitische Strahlenteiler 114 sendet das zurückkehrende ADM-Laserlicht durch den ADM-Strahlkollimator 140, wo er in eine optische Faser 501 eingekoppelt wird. Das Laserlicht reist zurück in das Faserschalternetzwerk 200 und ein Teil von ihm reist durch eine optische Faser 230 zu der ADM-Elektronik 300. Die ADM-Elektronik 300 wandelt das optische Signal in ein elektrisches Signal um und konditioniert das elektrische Signal in einer Weise, die geeignet ist für einen besonderen Modulationstyp, der auf das Laserlicht angewandt wird. Das Signal von der ADM-Elektronik 300 wird an den Datenprozessor 400 gesendet, welcher das Signal verarbeitet um ein Ergebnis 420 zu finden, die Entfernung von dem Tracker-Kardanpunkt 22 zu dem Retroreflektorziel 26.
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Die Komponenten der tracker-elektrooptischen Anordnung
250A,
250B können in Gänze innerhalb der Tracker-Nutzlast
15 angeordnet sein, teilweise innerhalb der Tracker-Nutzlast
15 und teilweise innerhalb der Azimut-Basis
16 angeordnet sein, oder in Gänze innerhalb der Azimut-Basis
16 angeordnet sein. Falls die ADM- oder Interferometer-Komponenten in der Azimut-Basis
16 angeordnet sind, können diese mit optischen Komponenten durch Weiterführen von faseroptischen Kabeln durch die mechanischen Azimut- und Zenit-Achsen in die Nutzlast
15 hinein verbunden werden. Dieses Verfahren ist in
WO 2003/062744 dargestellt, deren Inhalt hiermit per Verweis eingebunden ist. Alternativ, falls die
ADM- oder Interferometer-Komponenten in der Azimut-Basis
16 angeordnet sind, kann das Licht, das durch den
ADM-Laser
102 oder stabilen Laser
182 emittiert wird, durch freien Raum zu einem Strahl-Steuerspiegel, der in der Nutzlast angeordnet ist, gesendet werden. Dieses Verfahren ist im
U.S. Patent Nr. 4,714,339 von Lau et al. dargestellt.
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Das optische Faserschalternetzwerk 200 stellt ein Mittel zum Weiterleiten und Schalten von optischen Signalen an oder von der optischen Anordnung 190 bereit. Das Faserschalternetzwerk 200 wird unten detailliert beschrieben.
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Es ist möglich den Laser mit sichtbarem Licht 110 in 2A oder die inkrementale Entfernungsmessanordnung 180 in 2B auszusondern. In diesem Fall ist eine Einkopplung eines sichtbaren Strahls 150 nicht notwendig. Die sich daraus ergebende elektro-optische Anordnung 350 ist in 3 dargestellt. Diese Architektur könnte geeignet sein, falls ein IFM nicht gebraucht wurde und falls der ADM-Laser 102 sichtbares Laserlicht emittierte. Es könnte auch geeignet sein, falls ein IFM nicht gebraucht wurde und falls ein sichtbarer Zeigestrahl nicht gebraucht wurde.
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Für handgehaltene Entfernungsmesser oder andere Instrumente, die nicht einer Spur folgen, kann die Architektur durch Weglassen der Tracking-Anordnung 170 und möglicherweise des Strahlaufweiters 160 weiter vereinfacht sein. Der sich daraus ergebende ADM-Entfernungsmesser 450 ist in 4 dargestellt.
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2A, 2B, 3 und 4 enthalten alle die ADM-Anordnung 2000, welche das optische Faserschalternetzwerk 200 enthält. Der Nutzen eines Faserschalternetzwerks 200 ist, dass es eine Reduktion in der Drift der ADM-Entfernungsablesungen ermöglicht. Der Grund für diese Reduktion kann verstanden werden durch detaillierte Betrachtung einer ADM-Elektronik 300. Eine spezifische Ausführungsform für die ADM-Elektronik wird in der Diskussion betrachtet, welche die 10 und 11 begleitet; d.h. in Verbindung mit einem Lasertracker. Die Vorteile des Faserschalternetzwerks zum Reduzieren von Drift in einem ADM-System werden jedoch allgemeiner auf ADM-Systeme angewandt und können zum Beispiel getaktete Laufzeit-ADMs, Chirp-ADMs und kohärente genauso wie inkohärente ADMs aufweisen. Um zu erklären wie ein Faserschalternetzwerk 200 die Reduktion bei Drift ermöglicht, wird jetzt Bezug auf 16 genommen, welches die Bauelemente deren ADM-Elektronik 300 in allgemeineren Worten beschreibt.
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In 16 weist die ADM-Elektronik 300 einen Laser-Übertrager 310, einen Einkanal-Laser-Empfänger 320, eine Einkanalsignalleitung 332 und Verbindungsleitungen 330, 334 und 336 auf. Der Laser-Übertrager 310 kann eine Vielzahl von Signalen erzeugen. Ein Signal von der Verbindungsleitung 330 wird verwendet um den ADM-Laser 102 zu modulieren. Zusätzlich erzeugen die meisten Typen von ADM-Systemen einen oder mehrere zusätzliche Signale, die verwendet werden beim Verarbeiten des Signals in dem Einkanalempfänger 320. Die Kombination von solchen Signalen wird hier als das Einkanalsignal 332 bezeichnet, aus Gründen, die in der folgenden Diskussion klar werden.
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Der Einkanalempfänger 320 weist einen einzelnen Detektor 322 und eine Einkanal-Elektronik 324 auf. Licht kommt über die Verbindungsleitung 336, welche ein faser-optisches Kabel ist, das an dem Faserschalternetzwerk 200 angeschlossen ist, an dem einzelnen Detektor 322 an. Der einzelne Detektor 322 wandelt das optische Signal von 336 in ein elektrisches Signal um. Dieses elektrische Signal wird durch Einkanal-Elektronik verarbeitet und das sich daraus ergebende verarbeitete Signal wird über die Verbindungsleitung 334 an den Datenprozessor 400 gesendet.
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Die in ADM-Systemen gesehene Drift ist im Allgemeinen das Ergebnis von Änderungen in den elektrischen und optischen Systemen über eine Zeit uns insbesondere mit Bezug auf Temperaturänderungen. In den Hintergrundabschnitt dieses Dokuments wurde erklärt, dass ADM-Systeme oft versuchen die Wirkungen von solchen Änderungen durch Subtrahieren der Ablesungen von einem Referenzkanal von jenen von einem Messkanal zu entfernen. Wie erläutert, kann das Signal in dem Referenzkanal optisch oder elektrisch sein mit einem optischen Referenzsignal, welches im Allgemeinen die höchste Leistung bereitstellt. Die Verwendung von zwei Kanälen auf diese Weise kann Drift nur in einem begrenzten Grad korrigieren, weil zwei getrennte elektrische Kanäle in der Empfangseinheit erforderlich sind - einen für den Messkanal und einen für den Referenzkanal. Falls das Referenzsignal optisch ist, muss die Empfangseinheit auch zwei getrennte optische Detektoren bereitstellen - einen für den Messkanal und einen für den Referenzkanal. Jedoch sind die elektrischen und optischen Komponenten innerhalb der zwei Kanäle nicht identisch und ebenso wenig sind es auch die Temperaturen der Komponenten in jedem der Kanäle. Folglich ist die innerhalb der Mess- und Referenzkanäle gesehene Drift nicht vollständig im Gleichtakt und lässt sich nicht vollständig aufheben.
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Unter Verwendung eines Faserschalternetzwerks zum Multiplexen von optischen Signalen ist es möglich einen einzelnen Detektor zu verwenden, um beide Mess- und Referenzkanäle zu bedienen. Es ist auch eher möglich einen einzelnen elektrischen Kanal als zwei elektrische Kanäle in dem Empfänger zu verwenden. Weil es dort nur einen einzelnen elektrischen Empfangskanal gibt, braucht jedes elektrische Signal, das durch den Übertrager 310 geliefert wird, nur in einem einzelnen Kanal bereitgestellt zu werden. Das Ergebnis des einzelnen optischen Detektors, des einzelnen elektrischen Empfangskanals und der Einkanalsignale von dem Übertrager ist eine beinahe vollständige Aufhebung von Drift-Effekten. Das sich daraus ergebende ADM-System ist beinahe drift-frei.
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Faserschalternetzwerk
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Mehrere mögliche Ausführungsformen eines optischen Faserschalternetzwerks 200 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden hier diskutiert. Diese sind jeweils als 200A bis 200E in 5 bis 9 gekennzeichnet. 5 zeigt ein ADM-System 550, welches den ADM-Laser 102, das Faserschalternetzwerk 200A, die ADM-Elektronik 300 und eine stabile Zwinge 142 aufweist. Das Faserschalternetzwerk 200A weist einen faser-optischen Koppler 206, einen faseroptischen Schalter 500, einen Teilfaser-Retroreflektor 505, optische Verbindungsfasern 104, 230, 501, 502, 503, 510 und eine elektrische Verbindung 470 auf. Licht reist von dem ADM-Laser 102 durch die optische Faser 104 in den optischen Koppler 206 hinein. Ein Teil des Lichts von dem Faser-Koppler 206 reist zu einem reflektionsarmen Abschluss (low-reflection termination, LRT) 208, welcher beinahe alles von dem Licht absorbiert. Vorzugsweise ist die Reflektion des LRT 208 kleiner als 1/50000. Der Rest des Lichts von dem Faserkoppler 206 reist durch die optische Faser 503 an den optischen Schalter 500. In diesem Falle ist der faser-optische Schalter 500 ein einpoliger Wechselschalter (single-pole double throw, SPDT), jedoch könnten andere Typen von Schaltern verwendet werden.
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Die elektrische Verbindung 470 sendet an den faser-optischen Schalter 500 ein elektrisches Signal, das steuert, ob das optische Signal an die optische Faser 501 oder die optische Faser 502 geleitet wird. Falls der Schalter 500 Licht an die optische Faser 501 leitet, passiert Licht von der stabilen Zwinge 142 durch den Tracker und hinaus an den Retroreflektor 26. Das zurückkehrende Laserlicht reist zu den faser-optischen Schalter 500, durch den Koppler 206, durch die Faser 230 und in die ADM-Elektronik 300 hinein. Licht, das entlang dieses Weges zu und von dem Retroreflektor reist, wird als in dem Messweg bezeichnet und während dieser Zeit wird der Tracker als in dem Messmodus bezeichnet.
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Falls der Schalter 500 Licht an die optische Faser 502 leitet, passiert Licht an den Teilfaser-Retroreflektor 505, welcher einen Bruchteil des Laserlichts zurück durch den Koppler 206, durch die Faser 230 und in die ADM-Elektronik 300 reflektiert. Licht, das intern an den Tracker durch Reflektieren von dem Teilfaser-Retroreflektor 505 reist, wird als in dem Referenzweg bezeichnet und während dieser Zeit wird der Tracker als in dem Referenzmodus bezeichnet.
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Der Faserkoppler 206 ist vorzugsweise ein 50/50-Koppler, auch als 3 dB-Koppler bekannt. Für Licht, das in einem 50/50-Koppler 206 durch den ADM-Laser 102 injiziert wird, geht 50% des Laserlichts an die optische Faser 510 und 50% geht an die optische Faser 503. Für Licht, das in den Koppler 206 von der umgekehrten Richtung injiziert wird, geht 50% des zurückkehrenden Lichts an den ADM-Laser 102 und 50% des zurückkehrenden Lichts geht an die ADM-Elektronik 300. Eine Faraday'sche Isolation wird innerhalb des ADM-Lasers 102 bereitgestellt, um Licht, das durch den Faserkoppler 206 an den ADM-Laser 102 passiert, an einer Destabilisierung des Lasers zu hindern.
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Die Lichtmenge, die an die optische Faser 501 zurückkehrt nach dem das Licht an den Retroreflektor 26 gereist ist, hängt von einer Zahl von Faktoren ab einschließlich der Entfernung zu dem Retroreflektor, dem Durchmesser und der Neigung des Retroreflektors und der Kopplungseffizienz des ADM-Strahlkollimators 140. Die Reflektion des Teilfaser-Retroreflektors 505 wird vorzugsweise ausgewählt, um Laserleistung ungefähr gleich zu den Durchschnittsleistungen, die durch den Retroreflektor 26 unter verschiedenen Messbedingungen zurückkehren, zu reflektieren.
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Der faser-optische Schalter 500 sollte vorzugsweise eine optische Isolation zwischen den zwei Schalterpositionen von wenigstens 20 dB aufweisen. Das bedeutet, dass, wenn der Schalter sich in einer Oben-Position befindet, der Betrag an optischer Leistung, der in der Unten-Position verloren geht, um einem Faktor von mindestens 100 geringer ist als der, welcher in der Oben-Position angelegt ist. Nach Reflektieren und Zurückfolgen des Wegs wird die Isolation bei einem weiteren Faktor um 100 reduziert, so dass die gesamte effektive Isolation einen Faktor von 104 oder 40 dB aufweist. Schalter mit niedrigeren Isolationsniveaus können auch durch deren Kombination verwendet werden, um ihre gesamte Isolation wie unten erläutert zu erhöhen.
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Zusätzlich zur optischen Isolation sollte der faser-optische Schalter 500 vorzugsweise einen optischen Reflektionsverlust von mindestens 40 dB aufweisen. Das bedeutet, dass das Licht, das durch den Schalter zurück reflektiert wird, um einen Faktor von mindestens 10.000 verglichen mit dem einfallenden Licht reduziert werden sollte. Dies stellt sicher, dass exzessives ungewünschtes Licht nicht auf das Licht, das auf den gewünschten Weg reist, reflektiert wird und dadurch die Genauigkeit der Messung reduziert.
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Ein zweites Faserschalternetzwerk 200B ist in einem ADM-System 650 der 6 dargestellt. Das ADM-System 650 weist den ADM-Laser 102, das Faserschalternetzwerk 200B, die ADM-Elektronik 300 und die stabile Zwinge 142 auf. Das Faserschalternetzwerk 200B weist einen optischen Zirkulator 610, den faseroptischen Schalter 500, den Teilfaser-Retroreflektor 505, die optischen Verbindungsfasern 104, 230, 501 502, 503 und die elektrische Verbindung 470 auf. Licht reist von dem ADM-Laser 102 durch die optische Faser 104 in einen Port 601 und aus einem Port 602 zu der Faser 503. Von der Faser 503 reist das Licht wie oben für das ADM-System 550 beschrieben. Zurückkehrendes Licht passiert zurück durch das Port 602 und ein Ausgangsport 603 an die optische Faser 230.
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Der Vorteil eines Drei-Port-Zirkulators, wie zum Beispiel 610 in 6 verglichen mit einem Vier-Port-Faseroptischen Koppler wie zum Beispiel 206 in 5, ist, dass keine Leistung an dem vierten Port verloren geht, welche in 206 der 5 in dem reflektionsarmen Abschluss 208 verschwendet wird. Der Nachteil eines Zirkulators ist, dass er im Allgemeinen einige Polarisationsmodidispersions (Polarization mode dispersion, PMD)-Niveaus aufweist. Was dazu führte, dass jede Änderung im Polarisationszustands von Licht, das auf der optischen Faser 501 oder 502 zurückkehrt, zu einer Verzögerung in der Phase des modulierten Lichts führen kann und dadurch einen Fehler in der berichteten ADM-Entfernung erzeugt.
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Ein drittes Faserschalternetzwerk 200C ist in einem ADM-System 750 der 7 dargestellt. Das ADM-System 750 weist den ADM-Laser 102, das Faserschalternetzwerk 200C, die ADM-Elektronik 300 und die stabile Zwinge 142 auf. Das Faserschalternetzwerk 200C weist einen faser-optischen Koppler 204, den faseroptischen Koppler 206, reflektionsarme Abschlüsse 208, 715, einen Faserschalter 700, optische Verbindungsfasern 104, 230, 501, 510, 701 und 716, und die elektrische Verbindung 470 auf. Licht reist von dem ADM-Laser 102 durch die optische Faser 104 an den ersten optischen Koppler 204. Ein Teil des Lichts von dem ersten optischen Koppler 204 reist durch eine optische Referenzfaser 702 an den Schalter 700 und der andere Teil reist durch die optische Faser 716 an den zweiten optischen Koppler 206. Ein Teil des Lichts von dem zweiten optischen Koppler 206 reist durch die optische Faser 510 an den reflektionsarmen Abschluss 208 und der andere Teil reist durch die optische Faser 501 an die stabile Zwinge 142.
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Licht, das an die stabile Zwinge 142 zurückkehrt, reist durch die optische Faser 501 zurück an den zweiten optischen Koppler 206. Ein Teil des von dem zweiten optischen Koppler 206 zurückkehrenden Lichts reist zu dem optischen Schalter 700. Ein anderer Teil des von dem zweiten optischen Koppler 206 zurückkehrenden Lichts reist durch die optische Faser 716 zurück an den ersten optischen Koppler 204. Ein Teil von diesem zurückkehrenden Licht geht durch die optische Faser 104 an den ADM-Laser 102, wo es durch einen in den Laser hineingebauten Faraday-Isolator blockiert wird. Ein anderer Teil des zurückkehrenden Lichts reist durch die optische Faser 715 an den reflektionsarmen Abschluss 210.
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In dem Messmodus veranlasst die elektrische Verbindung 470 den Schalter 700 die optische Faser 701 mit der ADM-Elektronik 300 zu verbinden. In dem Referenzmodus veranlasst die elektrische Verbindung 470 den Schalter 700 die optische Faser 702 mit der ADM-Elektronik 300 zu verbinden. Verglichen mit dem ADM-System 550 hat das ADM-System 750 den Vorteil, dass es keinen Teilfaser-Retroreflektor 208 erfordert. Es hat den Nachteil, dass es einen zusätzlichen faser-optischen Koppler, einen zusätzlichen reflektionsarmen Abschluss und eine zusätzliche optische Faser 702 erfordert.
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Ein viertes Faserschalternetzwerk 200D ist in einem ADM-System 850 der 8 dargestellt. Das ADM-System 850 weist den ADM-Laser 102, das Faserschalternetzwerk 200D, die ADM-Elektronik 300 und die stabile Zwinge 142 auf. Das Faserschalternetzwerk 200D weist den faser-optischen Koppler 206, Faserschalter 500, 810, 820, reflektionsarme Abschlüsse 208, 816, 826, einen Teilfaser-Retroreflektor 505, optische Verbindungsfasern 104, 230, 501, 502, 503, 510, 812, 814, 822, 824 und die elektrische Verbindung 470 auf. Die vierte Faserschalternetzwerk-Konfiguration 850 ist eine Modifizierung des ADM-Systems 550, das in 5 dargestellt ist, um die Isolation zwischen den Mess- und Referenzkanälen durch Hinzufügen von kaskadierten Schaltern 810 und 820 zu erhöhen.
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In dem Messmodus verbindet der Schalter 500 die optische Faser 503 mit der optischen Faser 812, und der Schalter 810 verbindet die optische Faser 812 mit der optischen Faser 501. In dem Messmodus verbindet auch der Schalter 820 die optische Faser 502 mit der optischen Faser 822, die zu einem reflektionsarmen Abschluss 826 führt. Angenommen, dass die Isolation von jedem Schalter 500, 810, 820 20 dB beträgt. Das bedeutet zum Beispiel, dass weniger als 0,01 der optischen Leistung durch den ungewollten Weg in einen besonderen Schalter passieren wird. In diesem Fall wird weniger als 0,01 der optischen Leistung, die an der optischen Faser 503 vorhanden ist, an die optische Faser 502 passieren, und weniger als 0,0001 wird an die Faser 824 passieren. Dieses Licht, das durch den Teilfaser-Retroreflektor 505 reflektiert wird, wird durch einen Faktor von 0,0001 weiter reduziert beim Zurückpassieren an die optische Faser 503. Mit anderen Worten wird die reflektierte optische Leistung durch einen Faktor von mindestens 10-8 = -80 dB gesenkt verglichen mit der ausgehenden optischen Leistung an der optischen Faser 503.
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In dem Referenzmodus, verbindet der Schalter 500 die optische Faser 503 mit der optischen Faser 502, und der Schalter 820 verbindet die optische Faser 502 mit der optischen Faser 824, die zu dem Teilfaser-Retroreflektor 505 führt. In dem Referenzmodus verbindet auch der Schalter 810 die optische Faser 812 mit der optischen Faser 814, die zu dem reflektionsarmen Abschluss 816 führt. Wie in dem vorhergehenden Fall, für Schalter von denen jeder eine Isolation von 20 dB aufweist, wird die sich daraus ergebende Leistung, die an die optische Faser 503 zurückkehrt, um weniger als 10-8 = 80 dB mal des ursprünglichen Betrags.
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Ein fünftes Faserschalternetzwerk 200E ist in einem ADM-System 950 der 9 dargestellt. Das ADM-System 950 weist den ADM-Laser 102, das Faserschalternetzwerk 200E, die ADM-Elektronik 300 und die stabile Zwinge 142 auf. Das Faserschalternetzwerk 200E weist den faser-optischen Koppler 206, optische Modulatoren oder Dämpfungen 910, 920, den Teilfaser-Retroreflektor 505, optische Verbindungsfasern 104, 501, 503, 510, 922, 230 und die elektrische Verbindung 470 auf. Das ADM-System 950 entspricht dem ADM-System 550 der 5, außer dass 910, 920 optische Modulatoren oder Dämpfungen sind, die zwischen minimalen und maximalen Niveaus betrieben werden, um als einpoliger Einschalter (single pole single throw, SPST) zu arbeiten. Falls 910, 920 optische Modulatoren sind, sind diese vorzugsweise polarisationsunabhängig und bidirektional in ihrem Betrieb. Der Betrieb des ADM-Systems 950 entspricht dem des oben beschriebenen ADM 850.
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Eine spezifische Ausführungsform der ADM-Elektronik 300 wird jetzt betrachtet. Diese besondere Ausführungsform wird als ADM-Elektronik 3000 bezeichnet und ist in 10 dargestellt. Die ADM-Elektronik 3000 wandelt das von dem Faserschalternetzwerk 200 ausgegebene Licht entweder in dem Messmodus oder dem Referenzmodus in ein digitales elektrisches Signal um zur Verarbeitung durch den Datenprozessor 400 und erzeugt auch ein Modulationssignal für den ADM-Laser 102. Die Eingabe an die ADM-Elektronik 3000 ist die Faseroptik 230 und die Ausgaben sind ein elektrisches Modulationssignal 360 und ein konditioniertes elektrisches Signal 460. US Patent Nr. 7,352,446 von Bridges et. al., dessen Inhalt hiermit per Verweis eingebunden ist, offenbart Details zu einer ähnlichen ADM-Elektronik 3000.
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Die ADM-Elektronik 3000 der 10 weist eine Bezugsfrequenz 3002, einen Synthesizer 3004, einen Detektor 3006, Mischer 3010, Verstärker 3014, 3018, einen Frequenzteiler 3024 und einen Analogdigitalwandler (ADC) 3022 auf. Die Bezugsfrequenz 3002 stellt die Zeitbasis für die ADM dar und sollte geringe Phasenstörung und geringe Frequenzdrift aufweisen. Die Bezugsfrequenz kann ein beheizter Quarzoszillator (oven-controlled crystal oscillator, OCXO), ein Rubidium-Oszillator, oder irgendeine andere sehr stabile Bezugsfrequenz sein. Vorzugsweise sollte die Oszillationsfrequenz genau und stabil innerhalb eines schmalen Bruchteils von einem Teil pro Million sein. Das Signal von der Bezugsfrequenz wird in einen Synthesizer eingegeben, welcher drei Signale erzeugt. Das erste Signal liegt bei einer Frequenz fRF und moduliert die optische Leistung des ADM-Lasers 102. Dieser Modulationstyp wird Helligkeitsmodulation (intensity modulation, IM) genannt. Alternativ ist es eher für das erste Signal bei der Frequenz fRF möglich die elektrische Feldamplitude des Laserlichts von dem ADM-Laser 102 als die optische Leistung zu modulieren. Dieser Modulationstyp wird Amplitudenmodulation (AM) genannt. Das zweite und das dritte Signal, die sich beide bei der Frequenz fLO befinden, gehen durch die lokalen Oszillatorports des Mischers 3010.
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Das optische Faserkabel 230 transportiert Laserlicht. Das Licht in diesem optischen Faserkabel 230 wird durch den Detektor 3006 in elektrische Signale umgewandelt. Dieser optische Detektor 3006 sendet die Modulationsfrequenz fRF an den Verstärker 3014 und dann an Mischer 3010. Der Mischer 3010 erzeugt zwei Frequenzen, eine bei |fLO - fRF| und eine bei |fLO + fRF|. Diese Signale reisen zu einem Niedrigfrequenzverstärker 3018. Der Verstärker 3018 blockiert die Hochfrequenzsignale, so dass nur die Signale bei der Zwischenfrequenz (IF), fIF = |fLO - fRF| durch den Analogdigitalwandler (ADC) 3022 passieren. Die Bezugsfrequenz 3002 sendet ein Signal in den Frequenzteiler 3024, welcher die Frequenz des Bezugs 3002 durch eine Ganzzahl N teilt, um einen Abtasttakt zu erzeugen. Im Allgemeinen kann der ADC die abgetasteten Signale durch einen Ganzzahlfaktor M dezimieren, so dass die effektive Abtastrate fREF / NM ist. Diese effektive Abtastrate sollte ein Vielfaches einer Ganzzahl der Zwischenfrequenz fIF sein.
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Die Timing-Elektronik 472 kann einen Frequenzteilerchip und einen Mikroprozessor oder ein Field Programmable Gate Array sein. Der Frequenzteilerchip teilt die Frequenz des Signals von der Bezugsfrequenz 3002 zu einer niedrigeren Frequenz. Diese Frequenz wird an den Mikroprozessor oder das Field Programmable Gate Array angelegt, das ihre interne Verarbeitungsfähigkeit verwendet, um die erforderlichen in 13 und 14 dargestellten Timing-Signale bereitzustellen.
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Hier sind Frequenzen für eine beispielhafte ADM: die Bezugsfrequenz beträgt fREF = 20 MHz. Die Synthesizer-RF-Frequenz, die den Laser treibt, beträgt fRF = 2800 MHz. Die Synthesizer-LO-Frequenz, die an den Mischer angelegt wird, beträgt fLO = 2800,01 MHz. Die Differenz zwischen den LO- und RF-Frequenzen ist die Zwischenfrequenz von fIF = 10 kHz. Die Bezugsfrequenz wird durch N = 10 dividiert, um eine an den ADC als Abtasttakt angelegte 2 MHz Frequenz zu erzeugen. Der ADC weist einen Dezimierungsfaktor von M = 8 auf, welcher eine effektive Abtastrate von 250 kHz erzeugt. Da die IF 10 kHz beträgt, benötigt der ADC 25 Abtastungen pro Zyklus.
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Der ADC sendet die abgetasteten Daten zur Analyse an den Datenprozessor 400. Die Datenprozessoren umfassen Digitalsignalprozessor (DSP)-Chips und Universal-Mikroprozessorchips. Die durch diese Prozessoren durchgeführte Verarbeitung wird unten beschrieben.
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Wie in
2 bis
4 dargestellt, erzeugt die ADM-Elektronik
3000 ein Signal, das über die elektrische Verbindung
470 reist, um das Faserschalternetzwerk
200 zwischen Mess- und Referenzmodi zu schalten. Zusätzlich wandelt der Datenprozessor
400 die digitale Ausgabe der ADM-Elektronik
3000 in ein Ergebnis
420 um, welches ein numerischer Entfernungswert ist. Eine exemplarische Ausführungsform des Datenprozessors
400 ist ein Datenprozessor
400A, der in
11 dargestellt ist. Die Eingabe an den Datenprozessor
400A ist eine elektrische Schnittstelle
460 an die ADM-Elektronik
3000 und die Ausgabe ist das Ergebnis
420.
US Patent Nr. 7,352,446 , dessen Inhalt oben per Verweis eingebunden ist, offenbart Details zu einem ähnlichen Datenprozessor
400.
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Der Datenprozessor 400 der 11 benötigt die digitalisierten Daten von ADC 3022 und leitet davon die Entfernung von dem Tracker zu dem externen Retroreflektor 26 ab. 11 verweist auf diese Entfernung als das ERGEBNIS 420. Der Datenprozessor 400 weist einen Digitalsignalprozessor 410, einen Mikroprozessor 450 und Quarzoszillatoren 402, 404 auf.
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Der Analogdigitalwandler 3022 sendet abgetastete Daten an den DSP 410. Diese Daten werden an ein Programm weitergeleitet, das innerhalb des DSP läuft. Dieses Programm enthält drei Hauptfunktionen: eine Phasenextrahierfunktion 420, eine Kompensationsfunktion 422 und eine Kalman-Filterfunktion 424. Der Zweck der Phasenextrahierfunktion ist es die Phasen der Signale zu bestimmen, d.h. der Modulationsbereich muss zuerst berechnet werden. Der Modulationsbereich ist als die Umlaufentfernung definiert, die das ADM-Laserlicht in Luft gereist ist für die Phase der Lasermodulation um sich durch 2 pi Radien zu ändern.
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Um die ADM-Messung mit den Messungen des Winkel-Encoders und Positionsdetektors zu synchronisieren, bestimmt ein Zähler
414 die Zeitdifferenz zwischen dem Synchronisationsimpuls und der Entfernung des letzten Zustands. Es führt dies in der folgenden Weise aus. Der Quarzoszillator
404 sendet eine niederfrequente Sinuswelle an den Frequenzteiler
452, der innerhalb des Mikroprozessors
450 angeordnet ist. Diese Taktfrequenz wird auf f
SYNC, der Frequenz des Synchronisationsimpulses, herunter dividiert. Der Synchronisationsimpuls wird über einen Gerätebus an den DSP, Winkel-Encoder-Elektronik und Positionsdetektor-Elektronik gesendet. In einem beispielhaften System sendet der Oszillator ein 32,768 kHz Signal durch den Frequenzteiler
452, welches durch 32 dividiert wird, um eine Synchronisationsimpuls-Frequenz f
SYNC = 1,024 kHz zu erzeugen. Der Synchronisationsimpuls wird an den Zähler
414 gesendet, welcher sich innerhalb des DSP
410 befindet. Der Zähler wird durch den Quarz
402 getaktet, welcher eine Phasenregelkreis (phase lock loop, PLL) - Vorrichtung
412 innerhalb des DSP antreibt. In dem beispielhaften System weist der Oszillator
402 eine Frequenz von 30 MHz auf und der PLL
412 verdoppelt diese, um ein Taktsignal von 60 MHz an den Zähler
414 zu erzeugen. Der Zähler
414 bestimmt die Ankunft des Synchronisationsimpulses bei einer Auflösung von 1/60 MHz = 16,7 Nanosekunden. Die Phasenextrahierfunktion
420 sendet ein Signal an den Zähler, wenn der ADC
322 alle Abtastungen für einen Zyklus gesendet hat. Dieser setzt den Zähler
414 zurück und beginnt ein neues Zählen. Der Synchronisationsimpuls stoppt das Zählen des Zählers
412. Die Gesamtanzahl der Zählungen wird durch die Frequenz dividiert, um die abgelaufene Zeit zu bestimmen. Da das Zeitintervall in den obigen Gleichungen auf eins gesetzt wurde, ist das normierte Zeitintervall t
NORM die abgelaufene Zeit, die durch das Zeitintervall dividiert wird. Die Zustandsentfernung x
EXT, die auf dem Synchronisationsimpulsanreiz extrapoliert wird, ist
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Die Kalman-Filterfunktion 424 stellt das Ergebnis bereit, welches die Entfernung von dem Tracker zu dem externen Retroreflektor 26 ist.
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Es ist wichtig zu erkennen, dass das Verfahren zur Verwendung von den hier beschriebenen faser-optischen Schaltern nicht auf ein phasenbasiertes Entfernungsmessverfahren, von welchem die beispielhafte Ausführungsform der 10 ein Beispiel ist, beschränkt ist. Faser-optische Schalter können zum Beispiel gleich gut verwendet werden mit einem getakteten Laufzeitentfernungsmesser.
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12 zeigt ein Beispiel des gemultiplexten Signals 1300, das von dem Signalkonditionierer 3018 der 10 entspringt und in den Analogdigitalwandler (ADC) 3022 derselben Figur eintritt. Dieser Typ von Multiplexsignal könnte durch eine phasenbasierte ADM erzeugt werden. In 12 repräsentiert die größere Amplitude das Signal von dem Messkanal und die kleinere Amplitude repräsentiert das Signal von dem Referenzkanal. Die Referenz- und Messsignale werden durch das Faserschalternetzwerk 200 zusammen gemultiplext. In dem in 12 dargestellten Beispiel beträgt die Frequenz der Sinuskurve 100 kHz und die korrespondierende Periode beträgt 0,01 Millisekunden = 10 Mikrosekunden. Das numerische Ergebnis 420 weist in diesem Beispiel eine Ausgangsfrequenz von 10 kHz und eine korrespondierende Periode von 0,1 Millisekunden = 100 Mikrosekunden auf.
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Im Allgemeinen bewirkt die Schaltaktion zwischen Mess- und Referenzsignalen, dass einige Übergänge in den Ausgangsignalen von elektrischen und optoelektrischen Komponenten der ADM-Elektronik 3000 auftreten. Falls diese Übergangssignale, welche durch den ADC 3022 gelesen werden, in den Berechnungen des Datenprozessors 400 enthalten wären, würde ein fehlerhaftes Ergebnis 420 auftreten. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es wichtig, dass Übergänge in den Rohdaten, die durch den Datenprozessor 400 verarbeitet werden, ausgemerzt worden sind, um das Ergebnis 420 zu erhalten.
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In dem hier betrachteten Beispiel werden nur 80 Mikrosekunden von jeder 100 Mikrosekunden-Periode verarbeitet und die anderen 20 Mikrosekunden werden verworfen. Von den 80 Mikrosekunden, die behalten werden, werden 20 Mikrosekunden (2 Sinusperioden) von dem Referenzkanal behalten und 60 Mikrosekunden (6 Sinusperioden) werden von dem Messkanal behalten.
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13 zeigt ein Timing-Signal 1200 von der elektrischen Verbindung 470. Der Messmodus beginnt, wenn das Timing-Signal 1200 durch einen hohen Wert 1210 geht, und der Referenzmodus beginnt, wenn das Timing-Signal 1200 durch einen niedrigen Wert 1230 geht. 14 zeigt das Gate-Signal 1250, das angibt, wenn Daten 460 als gültig betrachtet werden. Ein hohes Gate-Signal 1260 gibt an, dass das Referenzsignal gültig ist. Ein hohes Gate-Signal 1265 gibt an, dass das Messsignal gültig ist. Ein niedriges Gate-Signal 1255 gibt an, dass kein Signal gültig ist.
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Die Verfahren der oben diskutierten Algorithmen wurden mittels eines Verarbeitungssystems 1500 implementiert, das in 15 dargestellt ist. Das Verarbeitungssystem 1500 weist eine Tracker-Verarbeitungseinheit 1510 und einen optionalen Computer 80 auf. Die Verarbeitungseinheit 1510 umfasst mindestens einen Prozessor, welcher ein Mikroprozessor, ein Digitalsignalprozessor (DSP), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine ähnliche Vorrichtung sein kann. Die Verarbeitungsfähigkeit wird bereitgestellt, um Information zu verarbeiten und Befehle an interne Tracker-Prozessoren auszugeben. Solche Prozessoren können einen Positionsdetektorprozessor 1512, einen Azimut-Encoder-Prozessor 1514, einem Zenit-Encoder-Prozessor 1516, einen Indikationslichtprozessor 1518, den ADM-Prozessor 400, ein Interferometer (IFM)-Prozessor 1522 und einen Kameraprozessor 1524 aufweisen. Ein Hilfseinheit-Prozessor 1570 stellt optional Timing- und Mikroprozessorunterstützung für andere Prozessoren innerhalb der Tracker-Prozessoreinheit 1510 bereit. Vorzugsweise kommuniziert sie mit anderen Prozessoren mittels eines Gerätebusses 1530, welcher vorzugsweise Information durchweg durch den Tracker mittels Datenpaketen transferiert, wie es allgemein in der Technik bekannt ist. Vorzugsweise wird Rechenfähigkeit durchweg in der Tracker-Verarbeitungseinheit 1510 mit DSPs und FPGAs, die Zwischenberechnungen auf Daten, die durch die Tracker-Sensoren gesammelt werden, bereitgestellt. Die Ergebnisse dieser Zwischenberechnungen werden an den Hilfseinheit- Prozessor 1570 zurückgegeben. Die Hilfseinheit 1570 kann mit dem Hauptkörper des Lasertrackers 10 durch ein langes Kabel verbunden sein, oder es kann innerhalb des Hauptkörpers des Lasertrackers eingebunden sein, so dass der Tracker direkt (und optional) mit dem Computer 80 verbindet. Vorzugsweise ist die Hilfseinheit 1570 mit dem Computer 8o durch die Verbindung 1540 verbunden, welche vorzugsweise ein Ethernet-Kabel oder eine drahtlose Verbindung ist. Die Hilfseinheit 1570 und der Computer 80 können mit dem Netzwerk durch Verbindungen 1542, 1544 verbunden sein, welche vorzugsweise Ethernet-Kabel oder drahtlose Verbindungen sind.
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Während die obige Beschreibung sich auf besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, versteht es sich, dass viele Modifikationen ausgeführt werden können ohne sich von dem Geist davon zu entfernen. Die begleitenden Ansprüche sind beabsichtigt solche Modifikationen abzudecken, wenn sie innerhalb des wahren Bereichs und des Geistes der vorliegenden Erfindung fallen würden.
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Die gegenwärtig offenbarten Ausführungsformen sind deshalb in allen Bezügen als veranschaulichend und nicht beschränkend zu betrachten, der durch die beigefügten Ansprüche angegebene Bereich der Erfindung und nicht die vorhergehende Beschreibung, und alle Änderungen, welche innerhalb der Bedeutung und des Bereichs von Äquivalenz der Ansprüche liegen, sind deshalb beabsichtigt davon umfasst zu sein.
