DE102022204529A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Simulation einer Entfernungsmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Simulation einer Entfernungsmessung, umfassend mindestens eine TX-Empfangseinrichtung (2) zum Empfang mindestens eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals (3), mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung (4) zum Aussenden mindestens eines optischen RX-Signals (5), sowie mindestens eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung der Simulation, wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, mindestens ein Steuersignal (7) zum Aussenden des RX-Signals (5) an die mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung (4) zeitlich nach einem Empfang des TX-Signals (3) auszugeben, wobei ein Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals (7) von einer zu simulierendenden Entfernung abhängt sowie ein entsprechendes Verfahren.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Simulation einer Entfernungsmessung, insbesondere einer weltraumgestützten Entfernungsmessung.
• Zur geodätischen oder weltraumgestützten Entfernungsmessung kommen üblicher Weise Laseraltimeter zum Einsatz. Zur Entfernungsmessung wird hierbei ein Lichtsignal von einem Laser des Laseraltimeters erzeugt und in Richtung eines Messobjektes, insbesondere in Richtung eines Punktes auf der Oberfläche eines zu vermessenden Himmelskörpers, ausgesandt. Das ausgesandte Lichtsignal wird vom Messobjekt reflektiert und durch ein Empfangsteleskop des Laseraltimeters empfangen. Aus einer Zeitdauer zwischen Aussenden und Empfangen des Lichtsignals, auch Time of Flight (TOF) genannt, kann dann auf eine zu messende Entfernung zwischen Laseraltimeter und Messobjekt geschlossen werden. Das Lichtsignal legt während der Time of Flight selbstverständlich die zweifache Wegstrecke der zu messenden Entfernung zurück, da das Lichtsignal zum Messobjekt hin und zum Laseraltimeter zurück läuft. Eine Umwandlung von einer gemessenen Time of Flight in eine gemessene Entfernung kann z.B. über die konstante Lichtgeschwindigkeit im Vakuum erfolgen. Insbesondere entspricht eine Time of Flight von ca. 6,66 Nanosekunden einer Entfernung von 1 Meter.
• Üblicherweise handelt es sich bei den zu messendenden Entfernungen um Distanzen von mehreren hundert Kilometern, so dass sich hieraus zu messende Zeitdauern im Millisekunden-Bereich ergeben. Mit Hilfe der durchgeführten Zeit- bzw. Entfernungsmessungen sollen insbesondere Rückschlüsse auf eine Oberflächenbeschaffenheit eines Himmelskörpers, wie beispielsweise das Vorhandensein von Bergen und Tälern, möglich werden. Hieraus ergibt sich, dass an alle Komponenten eines Laseraltimeters hohe Anforderungen hinsichtlich einer Messgenauigkeit sowie einer genauen Kalibrierung gestellt werden.
• Ein Testen und Kalibrieren eines Laseraltimeters ist aufgrund der hohen zu messenden Entfernungen aktuell nur aufwändig umsetzbar, beispielsweise auf dafür ausgewiesenen Teststrecken. Häufig werden Laseraltimeter mittels Satelliten im Erdorbit getestet und kalibriert. Hierzu wird dann z.B. eine Entfernung zwischen Meeresspiegel bzw. Meeresoberfläche und dem Satelliten im Erdorbit gemessen. Dies hat zum Nachteil, dass insbesondere Feinjustierungen oder Reparaturen am Laseraltimeter oder dessen Komponenten, insbesondere bei einem Testen und Kalibrieren im Erdorbit, aktuell nicht durchführbar sind.
• Es stellt sich daher das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, welche eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zum Testen einer Entfernungsmessung ermöglichen. Vorzugsweise ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren zudem das Testen und/oder Kalibrieren eines Laseraltimeters und/oder Komponenten eines Laseraltimeters.
• Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Vorgeschlagen wird daher eine Vorrichtung zur Simulation einer Entfernungsmessung, umfassend mindestens eine TX-Empfangseinrichtung zum Empfang mindestens eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals, mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung zum Aussenden mindestens eines optischen RX-Signals, sowie mindestens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Simulation, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, mindestens ein Steuersignal zum Aussenden des RX-Signals an die mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung zeitlich nach einem Empfang des TX-Signals auszugeben, wobei ein Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals von einer zu simulierendenden Entfernung abhängt.
• Die Vorrichtung simuliert eine Entfernungsmessung, indem es ein TX-Signal - beispielsweise ausgesandt von einem zu kalibrierenden Laseraltimeter - mittels der TX-Empfangseinrichtung empfängt und dann einen Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals zum Aussenden des RX-Signals verzögert. Das Aussenden des RX-Signals ersetzt hierbei das Reflektieren des TX-signals an einer Oberfläche eines entsprechend entfernten Messobjekts. Eine Zeitdauer zwischen Empfang des TX-Signals und Ausgabe des Steuersignals wird dann von der Steuereinrichtung in Abhängigkeit der zu simulierenden Entfernung bestimmt. Mit anderen Worten überbrückt die Vorrichtung eine Zeitdauer bzw. Time of Flight, die ein von dem Laseraltimeter ausgesandtes Lichtsignal eigentlich aufwendet, um eine Wegstrecke zwischen dem Aussenden des Lichtsignals, dem Reflektieren des Lichtsignals an einer Oberfläche und dem Empfang des Lichtsignals zurückzulegen. Somit müssen sowohl das TX-Signal als auch das RX-Signal die zu simulierende Entfernung nicht tatsächlich zurücklegen, was den Aufwand und die Kosten für das Testen und/oder Kalibrieren eines Laseraltimeters bzw. von Komponenten erheblich vereinfacht.
• Die zu simulierende Entfernung kann in einem Bereich von 40 m (einschließlich) bis 120000 km (einschließlich) liegen, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 km (einschließlich) bis 120000 km (einschließlich). Die zu simulierende Entfernung kann vorbestimmt sein, beispielsweise durch Simulationsdaten, und sie kann zeitlich konstant oder von Schuss zu Schuss, also von Aussenden eines Signals zu Aussenden eines weiteren Signals, variabel sein. Eine zu simulierende Entfernung kann insbesondere mit einer Genauigkeitsauflösung in einem Bereich zwischen 3 cm (einschließlich) und 48 cm (einschließlich) bestimmt werden, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 3 cm (einschließlich) und 12 cm (einschließlich), d.h. in den genannten Bereichen der Genauigkeitsauflösung können besonders präzise Veränderungen in der zu simulierenden Entfernung bestimmt werden. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert.
• Komponenten eines zu testenden oder zu kalibrierenden Laseraltimeters können insbesondere eine Einrichtung zum Aussenden eines Lichtsignals, wie beispielsweise ein Festkörperlaser, und/oder eine Einrichtung zum Empfang eines Lichtsignals sein, wie beispielsweise eine Lawinenphotodiode. Eine weitere Komponente kann eine Einrichtung zur Zeitmessung sein, die eine Zeitdauer zwischen Aussenden und Empfang des Lichtsignals bestimmt, um hieraus eine von dem ausgesandten und reflektierten Lichtstrahl zurückgelegte bzw. simulierte Entfernung zu bestimmen.
• Ein von der Vorrichtung empfangenes Signal kann als TX-Signal (Transmitter-Signal) bezeichnet werden. Ein von der Vorrichtung ausgesandtes optisches Signal kann als RX-Signal (Receiver-Signal) bezeichnet werden. Das TX-Signal und/oder das RX-Signal kann/können entlang eines TX-Pfads bzw. RX-Pfads geleitet werden. Der TX-Pfad kann entlang einer Wegstrecke vom Laseraltimeter bzw. einer Komponente des Laseraltimeters zu der TX-Empfangseinrichtung hin verlaufen. Der RX-Pfad kann entlang einer Wegstrecke von der RX-Aussendeeinrichtung zum Laseraltimeter bzw. einer Komponente des Laseraltimeters verlaufen.
• Vorzugsweise wird/werden das TX-Signal und/oder das RX-Signal zumindest abschnittsweise mittels eines Glasfaserkabels entlang des TX-Pfads oder des RX-Pfads geleitet. Ein solches Glasfaserkabel kann Teil der Vorrichtung sein. Bei Verwendung eines Glasfaserkabels ergibt sich der Vorteil, dass der TX-Pfad und/oder RX-Pfad zumindest abschnittsweise gekrümmt sein kann/können, d.h. der TX-Pfad und/oder RX-Pfad muss das Signal nicht zwingend entlang einer geraden Wegstrecke leiten. Dies erleichtert insbesondere eine Anordnung von Vorrichtung und Laseraltimeter.
• Die TX-Empfangseinrichtung kann signaltechnisch mit einem zu testenden Laseraltimeter verbunden sein, beispielsweise über das zuvor erwähnte Glasfaserkabel. Die TX-Empfangseinrichtung kann zum Empfang des optischen TX-Signals einen lichtempfindlichen Detektor, beispielsweise eine Energiemesseinrichtung und/oder einen optischen Sensor, wie beispielsweise eine Lawinenphotodiode, aufweisen. Durch den Empfang des elektrischen und/oder optischen TX-Signals wird die Simulation der Entfernungsmessung insbesondere gestartet, d.h. das TX-Signal dient als Start-Trigger der Simulation bzw. eines Durchlaufs eines Verfahrens zur Simulation einer Entfernungsmessung. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert. Mittels der TX-Empfangseinrichtung können zudem verschiedene Parameter des TX-Signals bestimmt werden.
• Die Parameter des optischen TX-Signals und/oder RX-Signals können eine Pulsbreite (vorzugsweise angegeben in Nanosekunden) oder eine Intensität (vorzugsweise angegeben in Watt pro Quadratmeter) sein, insbesondere auch ein zeitlicher Verlauf der Intensität. Insbesondere kann ein Parameter eine Pulsenergie (vorzugsweise angegeben in Joule) sein. Weitere Parameter können eine Wellenlänge und/oder Wellenfrequenz des ausgesandten Signals sein. Das optische TX-Signal und/oder optische RX-Signal weisen vorzugweise eine Wellenlänge in einem Bereich von 410 Nanometern (einschließlich) bis 1550 Nanometern (einschließlich), bevorzugt in einem Bereich von 946 Nanometern (einschließlich) bis 1444 Nanometern (einschließlich) auf. Besonders bevorzugt ist eine Wellenlänge 1064 Nanometer. Eine Wellenlänge in den genannten Bereichen hat insbesondere zum Vorteil, dass sich ein so ausgebildetes TX-Signal oder RX-Signal durch ein Glasfaserkabel leiten lässt.
• Das elektrische TX-Signal ist vorzugsweise so ausgebildet, dass es ein optisches TX-Signal simuliert. D.h. die zuvor erwähnten Parameter des optischen TX-Signals können mittels des elektrischen TX-Signals simuliert werden, also signaltechnisch nachgebildet werden. Hierdurch muss die TX-Empfangseinrichtung nicht zwingend einen optischen Sensor zum Empfang eines optischen TX-Signals aufweisen. Dies ist z.B. dann vorteilhaft, wenn ein unvollständiges Laseraltimeter bzw. nur eine einzelne Komponente eines Laseraltimeters getestet oder kalibriert werden soll. Auch denkbar ist, dass mit Hilfe des elektrischen TX-Signals eine Einrichtung zum Aussenden eines Lichtsignals simuliert wird. Dies kann insbesondere bei der Entwicklung von Laseraltimetern vorteilhaft sein, um besonders geeignete Laser zum Aussenden eines TX-Signals zu bestimmen.
• Die RX-Aussendeeinrichtung kann zum Aussenden eines optischen RX-Signals einen Laser umfassen. Dieser Laser kann beispielsweise als Festkörperlaser, insbesondere als ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser; auch genannt Neodym-YAG-Laser, ausgebildet sein. Die RX-Aussendeeinrichtung kann signaltechnisch mit einem zu testenden Laseraltimeter verbunden sein, beispielsweise über das zuvor erwähnte Glasfaserkabel. Selbstverständlich ist die RX-Aussendeeinrichtung vorzugsweise so ausgebildet, dass das RX-Signal von einem zu testenden Laseraltimeter empfangen werden kann.
• Mittels der RX- Aussendeeinrichtung können Parameter des RX-Signals eingestellt werden. Mit anderen Worten kann hierdurch eine Reflexion des vom Laseraltimeter ausgesandten Lichtsignals simuliert werden. Insbesondere können ein oder mehrere Parameter des RX-Signals in Abhängigkeit von vorbestimmten Simulationsdaten eingestellt werden. Dies wird im Folgenden noch näher erläutert. Vorzugsweise emittiert die RX-Aussendeeinrichtung ein optisches RX-Signal im infraroten Bereich.
• Weiter kann die RX-Aussendeeinrichtung einen Signalgenerator zur Einstellung von Parametern des RX-Signals aufweisen, wobei der Signalgenerator insbesondere Parameter wie eine Frequenz, einen zeitlichen Verlauf oder eine Amplitude von RX-Signalen einstellen kann. Mit anderen Worten kann also eine, insbesondere zeitlich variable, Form des RX-Signals präzise und genau eingestellt werden. Eine Form kann beispielsweise sinusförmig sein. Mit Hilfe eines so eingestellten RX-Signals können insbesondere Komponenten eines Laseraltimeters getestet und/oder kalibriert werden, da sich Fehler in der Detektion des RX-Signals als Fehler in einer detektierten Frequenz, einem zeitlichen Verlauf, oder einer Amplitude niederschlagen.
• Die TX-Empfangseinrichtung und RX-Aussendeeinrichtung sind signaltechnisch mit der Steuereinrichtung verbunden, insbesondere über elektrische Leitungen. Vorzugsweise leitet die TX-Empfangseinrichtung die für das TX-Signal bestimmten Parameter an die Steuereinrichtung weiter.
• Die Steuereinrichtung kann einen Mikrocontroller und/oder ein Oszilloskop umfassen oder als ein solcher/ein solches ausgebildet sein. Zusätzlich kann die Steuereinrichtung auch einen Analog-Digital-Wandler, beispielsweise zur Umwandlung eines analogen Oszilloskop-Signals in ein digitales Steuersignal aufweisen. Insbesondere kann zur Ausgabe des Steuersignals zum Zeitpunkt der Ausgabe ein Schaltelement durch die Steuereinrichtung betätigt werden. Das Schaltelement kann Teil der Steuereinrichtung sein. So kann der Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals genau getaktet werden.
• Die Zeitdauer zwischen einem Zeitpunkt des Empfangs des TX-Signals und einem Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals kann von der Steuereinrichtung selbstverständlich um zusätzliche Zeitdauern, die z.B. zur Weiterleitung der entsprechenden Signale entlang des TX- und/oder RX-Pfads oder innerhalb der Vorrichtung nötig sind, erweitert werden. Diese zusätzlichen Zeitdauern können vorbestimmt sein.
• Um den Zeitpunkt der Ausgabe in Abhängigkeit einer zu simulierende Entfernung möglichst genau zu bestimmen, kann die Steuereinrichtung zur Bestimmung des Zeitpunkts der Ausgabe des Steuersignals eine geeignete Taktrate zur Zeitmessung aufweisen. Eine solche Taktrate kann in einem Bereich von 0,2 Nanosekunden (einschließlich) bis 3,2 Nanosekunden (einschließlich) liegen. Mit einer solchen Taktrate lassen sich Entfernungen in vorteilhafter Weise bis auf Bruchteile eines Meters bestimmen bzw. simulieren. Eine besonders bevorzugte Taktrate entspricht 0,8 Nanosekunden. Mit anderen Worten gibt die Taktrate also vor, mit welcher Genauigkeit eine zu simulierende Entfernung eingestellt werden kann. Bezugnehmend auf den zuvor genannten Bereich für die Genauigkeitsauflösung entspricht beispielsweise eine Taktrate von 0,2 Nanosekunden 3 cm Genauigkeitsauflösung und eine Taktrate von 3,2 Nanosekunden entspricht 48 cm Genauigkeitsauflösung. Für die besonders bevorzugte Taktrate von 0,8 Nanosekunden kann die Genauigkeitsauflösung 12 cm entsprechen.
• Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein Laseraltimeter bzw. dessen Komponenten auf eine einfache und kostengünstige Weise getestet werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Vorrichtung vor einem Laseraltimeter angeordnet wird und eine Entfernungsmessung mittels der Vorrichtung simuliert wird. Vorzugsweise ist/sind das Laseraltimeter und/oder die Vorrichtung platzsparend in einem Labor oder Reinraum angeordnet. So kann/können das Laseraltimeter und/oder die Vorrichtung während des Testens und Kalibrierens vor schädlichen Umwelteinflüssen geschützt werden.
• Auch können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne Komponenten eines Laseraltimeters, wie beispielsweise eine Lawinenphotodiode, separat vom Rest eines Laseraltimeters getestet und/oder kalibriert werden. Hierzu kann beispielsweise eine zu testende Lawinenphotodiode an oder in der Vorrichtung angeordnet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung mit einem Laseraltimeter auf. Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens eine erste Schnittstelle zum Weiterleiten eines TX-Signals und eine weitere Schnittstelle zum Weiterleiten eines RX-Signals auf. Eine solche Schnittstelle kann insbesondere eine optische Schnittstelle, wie beispielsweise ein Anschluss für ein Glasfaserkabel sein. Insbesondere kann ein Teil des oder der gesamte TX- und/oder RX-Pfad als Schnittstelle ausgebildet sein. Alternativ oder kumulativ kann es sich bei der Schnittstelle um eine Öffnung in einem Gehäuse der Vorrichtung handelt. Durch die Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung mit einem Laseraltimeter kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass das TX-Signal und/oder das RX-Signal ohne signaltechnische Störungen empfangen bzw. ausgesendet werden kann/können. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Vorrichtung mindestens eine elektrische Schnittstelle zum Austausch von elektrischen Signalen bzw. Daten mit dem Laseraltimeter aufweist. Hierdurch kann eine Kommunikation zwischen Laseraltimeter und Vorrichtung während der Simulation ermöglicht werden.
• Selbstverständlich kann die Vorrichtung eine Schnittstelle zur elektrischen Stromversorgung aufweisen. Auch kann entsprechende Einrichtung zur Stromversorgung als Teil der Vorrichtung vorgesehen sein, insbesondere ein (Hoch)Spannungsquelle und/oder -wandler.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich eine Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung des TX-Signals und/oder mindestens eine weitere Empfangseinrichtung zum Empfang des RX-Signals auf.
• Die Erzeugungseinrichtung kann insbesondere einen Festkörperlaser umfassen oder ausbilden und so ein TX-Signal erzeugen. Mittels der Erzeugungseinrichtung können Parameter des TX-Signals eingestellt werden. Weiter kann die Erzeugungseinrichtung ebenfalls den zuvor erläuterten Signalgenerator zur Einstellung von Parametern des TX-Signals aufweisen. Die Erzeugungseinrichtung kann signaltechnisch mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Vorzugsweise entspricht die Erzeugungseinrichtung einer zu testenden und/oder kalibrierenden Komponente eines Laseraltimeters, welche zu Testzwecken Teil der Vorrichtung ist.
• Die weitere Empfangseinrichtung kann insbesondere eine Lawinenphotodiode und/oder eine Energiemesseinrichtung aufweisen. Mittels der weiteren Empfangseinrichtung können verschiedene Parameter des RX-Signals bestimmt werden. Die weitere Empfangseinrichtung kann signaltechnisch mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Vorzugsweise entspricht die weitere Empfangseinrichtung einer zu testenden und/oder kalibrierenden Komponente eines Laseraltimeters, welche zu Testzwecken Teil der Vorrichtung ist. Vorzugsweise weist die Vorrichtung zusätzlich eine elektrische und/oder optische Schnittstelle zur Anordnung der Erzeugungseinrichtung und/oder zur Anordnung der weiteren Empfangseinrichtung auf. Durch Vorsehen einer Erzeugungseinrichtung und/oder weiteren Empfangseinrichtung ist ein Testen und/oder Kalibrieren von Komponenten eines Laseraltimeters besonders vereinfacht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens eine Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung mit einer Recheneinheit auf. Durch die mindestens eine Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung mit einer Recheneinheit kann die Vorrichtung, insbesondere die Steuereinrichtung, mit einer externen Recheneinheit verbunden werden. Vorzugsweise ist die Schnittstelle als USB-, WLAN- und/oder Bluetooth-Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere kann über die Schnittstelle auch ein elektrisches TX-Signal in die Vorrichtung eingeleitet werden. Hierdurch kann ermöglicht werden, die Vorrichtung von der externen Recheneinheit aus zu steuern. Insbesondere muss Personal zur Durchführung der Simulation so nicht unmittelbar mit der Vorrichtung oder den Komponenten des Laseraltimeters interagieren. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung ferngesteuert werden, so dass das Personal nicht in unmittelbarer Nähe zur Vorrichtung arbeiten muss bzw. das Personal nicht zwingend unmittelbar anwesend sein muss. Zusätzlich kann sowohl die Vorrichtung als auch die Komponenten des Laseraltimeters vor Beschädigungen durch das Personal geschützt werden, sowie ggf. das Personal vor der Laserstrahlung des Lasers.
• In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, wobei mindestens die TX-Empfangseinrichtung und die RX-Aussendeeinrichtung in dem Gehäuse angeordnet sind. Vorzugsweise sind alle Teile der Vorrichtung vollständig oder teilweise von dem Gehäuse umhaust, bzw. in oder an dem Gehäuse angeordnet oder befestigt. Das Gehäuse kann quaderförmig ausgebildet sein bzw. ein quaderförmiges Volumen umhausen. Eine Dimension bzw. Länge einer Seitenkante des Gehäuses kann in einem Bereich zwischen 5 cm (einschließlich) und 150cm (einschließlich) liegen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 30cm (einschließlich) und 60 cm (einschließlich). Ein Material des Gehäuses kann Aluminium aufweisen. So kann eine Gesamtmasse der Vorrichtung mit Gehäuse vorzugsweise geringer als 100 kg (einschließlich) sein. Weiter kann das Gehäuse mindestens einen Griff zum Tragen der Vorrichtung aufweisen. Durch diese Eigenschaften und die kompakten Dimensionen ist die Vorrichtung bzw. das Gehäuse insbesondere portabel. Das Gehäuse kann ferner Befestigungselemente zur Befestigung der Vorrichtung in einer Laborumgebung aufweisen, wie beispielsweise zur Befestigung einer Lochplatte. Auch denkbar ist das Vorsehen eines Ausrichtungselements an einer Außenseite des Gehäuses. Das Ausrichtungselement kann zur Ausrichtung der Vorrichtung, insbesondere relativ zu einem Laseraltimeter, dienen und als Referenzspiegel für einen Theodolit und/oder Autokollimator ausgebildet sein. Durch das Gehäuse lässt sich die Vorrichtung in besonders einfacher Weise vor Umwelteinflüssen schützen. Insbesondere kann die Vorrichtung durch ein Umhausen mittels des Gehäuses auf besonders einfache Weise von einer äußeren Umgebung wie bspw. einem Reinraum getrennt werden. Selbstverständlich können Schnittstellen zur signaltechnischen Verbindung an einer Außenseite des Gehäuses vorgesehen sein. Die Schnittstellen zur signaltechnischen Verbindung an der Außenseite des Gehäuses können an die konkreten Gegebenheiten eines zu testenden Laseraltimeters oder an Laborbedingungen angepasst werden. Auch denkbar ist, dass die Schnittstellen räumlich von dem Gehäuse getrennt anordenbar sind. So können die Schnittstellen leichter an konkrete Gegebenheiten angepasst werden.
• In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung einer Intensität des RX-Signals auf. Bei einer Entfernungsmessung mittels eines Laseraltimeters wird eine Intensität eines reflektierten Lichtsignals aufgrund der zurückgelegten Entfernung üblicher Weise stark gedämpft. Daher ist es für die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft, eine Dämpfungseinrichtung vorzusehen, welche die Intensität des RX-Signals derart dämpft, dass realistische Intensitätswerte des RX-Signals erreicht werden, die insbesondere mit Intensitätswerten übereinstimmen, die bei der zu simulierenden Entfernung zu erwarten sind. Die Dämpfungseinrichtung kann als ein mikro-elektro-mechanisches Dämpfungsglied zur Einstellung eines gewünschten Dämpfungsgrads ausgebildet sein. Beispielsweise kann an dem Dämpfungsglied über die Steuerungseinrichtung eine Spannung angelegt werden, die den Dämpfungsgrad beeinflusst und so die Intensität des RX-Signals in einer Glasfaser einstellt. Eine Gleichspannung kann hierbei für einen konstanten Dämpfungsgrad sorgen und eine Wechselspannung kann für einen variablen Dämpfungsgrad sorgen. Das Dämpfungsglied kann mit bis zu 1 Kilohertz (einschließlich) taktbar sein. Weiter beispielsweise kann die Dämpfungseinrichtung derart ausgebildet sein, dass diese mindestens zwei Lichtleiter aufweist. Ein Lichtsignal wird hierbei über einen ersten Lichtleiter auf einen Spiegel geleitet und vom Spiegel an einen weiteren Lichtleiter weitergeleitet. Mit Hilfe eines Piezoelementes kann eine Ausrichtung des Spiegels innerhalb der Dämpfungseinrichtung eingestellt werden, wobei die Ausrichtung des Spiegels Einfluss auf den Anteil des Lichtsignals hat, welcher an den weiteren Lichtleiter weitergeleitet wird, so dass eine Intensität des Lichtsignals gedämpft wird. Das Piezoelement kann mit 0 Volt (wenig Dämpfung) bis 5 Volt (maximale Dämpfung) mit Gleichspannung oder Wechselspannung (maximal 1kHz) betrieben werden. Bevorzugt ist ein Dämpfungsgrad von mindestens 2 dB einstellbar. Besonders bevorzugt kann ein Dämpfungsgrad von gleich oder mehr als 30 dB eingestellt werden. Die Dämpfungseinrichtung kann den Dämpfungsgrad für ein Lichtsignal in einem Wellenlängenbereich von 450nm (einschließlich) bis 2300nm (einschließlich) einstellen. Bevorzugt liegt der Wellenlängenbereich zwischen 980nm (einschließlich) bis 1250nm (einschließlich). Mit anderen Worten kann ein Dämpfungsgrad, beispielsweise mittels der Steuereinrichtung durch ein entsprechendes elektrisches Signal, eingestellt werden. Der Dämpfungsgrad kann insbesondere in Abhängigkeit von bestimmten Parametern des TX-Signals. RX-Signals und/oder vorbestimmten Simulationsdaten eingestellt werden. Durch einen entsprechend eingestellten Dämpfungsgrad kann dann ein realistischer Intensitätswert des RX-Signals erzielt werden. Vorzugsweise ist/sind die RX-Aussendeeinrichtung und/oder die Steuereinrichtung signaltechnisch mit der Dämpfungseinrichtung verbunden. Eine geeignete Dämpfungseinrichtung wird unter der Bezeichnung V1000A von der Firma Thorlabs GmbH mit Sitz in Bergkirchen und Lübeck, Deutschland vertrieben.
• In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Stelleinrichtung zur, insbesondere optischen, Einstellung des RX-Signals auf. Die Stelleinrichtung kann als Kollimator ausgebildet sein oder einen Kollimator aufweisen. Insbesondere kann die Stelleinrichtung einen Spiegel und/oder eine Optik, insbesondere eine Linse, aufweisen, der/die optischen Eigenschaften des RX-Signals eingestellt. Weiter kann die Stelleinrichtung mechatronische Elemente wie einen Stellmotor aufweisen, wobei durch das Ansteuern des Stellmotors eine Ausrichtung und/oder Orientierung der Stelleinrichtung bzw. von Komponenten der Stelleinrichtung derart beeinflusst wird, dass insbesondere ein Strahldurchmesser und/oder eine Divergenz und/oder eine Ausrichtung des optischen RX-Signals gezielt eingestellt werden kann/können. Die Stelleinrichtung kann mittels der Steuereinrichtung beispielsweise durch ein entsprechendes elektrisches Signal gesteuert werden. Die Stelleinrichtung kann insbesondere in Abhängigkeit von bestimmten Parametern des TX-Signals, RX-Signals und/oder vorbestimmten Simulationsdaten gesteuert werden. Durch eine entsprechende Einstellung des Strahldurchmessers und/oder der Divergenz des ausgesandten RX-Signals und/oder der Ausrichtung des optischen RX-Signals kann eine Entfernungsmessung realistischer simuliert werden. Insbesondere können mittels der Stelleinrichtung fehlerhafte Ausrichtungen der RX-Aussendeeinrichtung korrigiert bzw. getestet werden. Weiterhin kann dadurch auch eine Ausrichtung einer Sendeachse zu einer Empfangsachse eines Laseraltimeters getestet werden, insbesondere können fehlerhafte Ausrichtungen simuliert werden.
• Weiter kann die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Signalschalteinrichtung aufweisen. Eine solche Signalteilungseinrichtung kann beispielsweise als glasfasergebundene Y-Teilung ausgebildet sein und ein TX- oder RX-Signal aufteilen, wobei ein erster Teil des eingehenden Signals entlang einer ersten Abzweigung und ein weiterer Teil des eingehenden Signals entlang einer zweiten Abzweigung geführt wird. Alternativ kann die Signalschalteinrichtung beispielsweise als Multiplexer ausgebildet, wobei ein erstes eingehendes Signal und/oder ein weiteres eingehendes Signal zu einer gemeinsamen Abzweigung geleitet werden. Die Parameter des Signals werden durch die Teilung und/oder Zusammenführung vorzugsweise nicht beeinflusst. Lediglich die Intensität des TX- oder RX-Signals wird durch die Teilung halbiert. So kann das TX- oder RX-Signal in vorteilhafter Weise geteilt und/oder zusammengeführt werden und entlang verschiedener Pfade innerhalb der Vorrichtung geleitet werden.
• In einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Speichereinrichtung zur Speicherung und/oder zur Bereitstellung von Simulationsdaten auf, wobei die Steuereinrichtung signaltechnisch mit der Speichereinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist, das Steuersignal in Abhängigkeit der Simulationsdaten auszugeben. Die Speichereinrichtung kann beispielsweise als Solid State Drive oder Hard Drive Disc ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Speichereinrichtung ebenfalls mit der im Folgenden erläuterten Auswerteeinrichtung signaltechnisch verbunden. Die Simulationsdaten können Parameter zur Einstellung des RX-Signals, insbesondere Parameter zur Einstellung der RX-Aussendeeinrichtung und/oder der zuvor erläuterten Dämpfungseinrichtung und/oder Stelleinrichtung aufweisen. Besonders bevorzugt umfassen die Simulationsdaten Soll-Parameter zum Testen und/oder Kalibrieren eines Laseraltimeters und/oder einer Komponente eines Laseraltimeters. Die Simulationsdaten können beispielsweise Messdaten tatsächlicher gemessener Entfernungen sowie der damit einhergehenden Parameter umfassen, wobei die Simulationsdaten mittels eines bereits kalibrierten Laseraltimeters bestimmt worden sein können und somit vorbekannt sein können. So lässt sich eine Entfernungsmessung besonders realistisch simulieren.
• In einer weiteren Ausführungsfirm weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung des TX-Signals und/oder des RX-Signals auf. Die Auswerteeinrichtung kann einen Mikrocontroller umfassen oder als ein solcher ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung signaltechnisch mit der Steuereinrichtung, der TX-Empfangseinrichtung und/oder der RX-Aussendeeinrichtung verbunden. Besonders vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung signaltechnisch mit einem zu testenden Laseraltimeter oder einer zu testenden Komponente des Laseraltimeters verbunden, so dass die Auswerteeinrichtung beispielsweise auf Parameter eines vom Laseraltimeter ausgesandten TX-Signals oder eines vom Laseraltimeter empfangenen RX-Signals zugreifen kann. So kann die Auswerteeinrichtung in vorteilhafter Weise zum, insbesondere automatisierten, Testen und/oder Kalibrieren eines Laseraltimeters oder einer Komponente eines Laseraltimeters genutzt werden. Denkbar ist insbesondere, dass die Auswerteeinrichtung aktuelle Parameter des (ausgesandten) TX-Signals und/oder (empfangenen) RX-Signals mit vorbestimmten Soll-Parametern vergleicht. Die Soll-Parameter können beispielsweise aus bereitgestellten Simulationsdaten bekannt sein. Stellt die Auswerteeinrichtung nun im Zuge der Auswertung eine Abweichung zwischen einem Ist- und einem Soll-Parameter fest, wobei die Abweichung größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, so kann die Auswerteeinrichtung einen entsprechenden Parameter des Laseraltimeters oder einer Komponente des Laseraltimeters verändern. Durch iterative Simulationsdurchläufe kann die festgestellte Abweichung iterativ verkleinert werden. Mit anderen Worten kann die Vorrichtung mit Hilfe der Auswerteeinrichtung in vorteilhafter Weise zum Testen und/oder Kalibrieren eines Laseraltimeters oder einer Komponente eines Laseraltimeters genutzt werden.
• Weiter kann die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Energiemesseinrichtung zur Messung der Energie des empfangenen TX-Signals und/oder des ausgesandten RX-Signals aufweisen. Die Energiemesseinrichtung kann insbesondere Teil der TX-Empfangseinrichtung sein. Alternativ oder kumulativ kann die Energiemesseinrichtung auch Teil der zuvor erläuterten weiteren Empfangseinrichtung sein. Die Energiemesseinrichtung kann als Photonendetektor ausgebildet sein und eine Messgenauigkeit in einem Bereich von einem Femtojoule bis einem Nanojoule aufweisen. Vorzugsweise weist die Energiemesseinrichtung eine Messgenauigkeit in einem Bereich von 30 Femtojoule (einschließlich) bis 100 Pikojoule (einschließlich) auf. So können in vorteilhafter Weise bereits kleinste Energiemengen nachgewiesen werden, wie sie beispielsweise durch ein Photon übertragen werden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass größere Energiemengen nachgewiesen werden, beispielsweise in einem Bereich von einem Millijoule (einschließlich) bis 10 Joule (einschließlich).
• Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Simulation einer Entfernungsmessung, insbesondere einer weltraumgestützten Entfernungsmessung, umfassend die Schritte:
• - Empfang eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals mittels mindestens einer Empfangseinrichtung,
• - Ausgabe eines Steuersignals zum Aussenden eines RX-Signals mittels mindestens einer Steuereinrichtung, wobei die Ausgabe zeitlich nach dem Empfang des TX-Signals erfolgt, wobei ein Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals von einer zu simulierendenden Entfernung abhängt,
• - Aussenden eines optischen RX-Signals mittels mindestens einer RX-Aussendeeinrichtung.
• Bevorzugt umfasst das Verfahren zudem einen oder mehrere der folgenden Schritte:
• - Modellieren eines RX-Signals, insbesondere mit einem zeitlichen Intensitätsverlauf. Das Modellieren findet beispielsweise mit Hilfe des zuvor erläuterten Signalgenerators und/oder eines Pulsmodulators statt. Das Modellieren findet insbesondere vor dem Aussenden des RX-Signals statt. Das Modellieren kann in Abhängigkeit von Simulationsdaten eingestellt werden. So kann in vorteilhafter Weise die zu simulierende Entfernung besonders realistisch simuliert werden.
• - Messung und Speicherung der empfangenen und/oder ausgesendeten optischen und/oder elektrischen Signale. Die Messung und Speicherung kann mit Hilfe eines elektrischen oder optischen Sensors, insbesondere in Verbindung mit einem Oszilloskop mit Datenspeicherfunktion, stattfinden. Auch denkbar ist eine Speicherung in der zuvor erläuterten Speichereinrichtung. So können die empfangenen und/oder ausgesandten Signale in vorteilhafter Weise mit Simulationsdaten verglichen werden oder zur Kalibrierung einer Komponente eines Laseraltimeters bzw. eines Laseraltimeters genutzt werden, beispielsweise mittels der zuvor erläuterten Auswerteeinrichtung. Vorzugsweise werden empfangene und ausgesandte optische und/oder elektrische Signale gemessen und gespeichert. So kann in vorteilhafter Weise ein, insbesondere zeitlicher, Bezug zwischen den empfangen und ausgesandten Signalen hergestellt werden, um z.B. eine Zeitdauer, die für die Signalverarbeitung beansprucht wird, bei der Durchführung des Verfahrens zu berücksichtigen.
• Eine Abfolge der Schritte, also insbesondere der Empfang des TX-Signals, die Ausgabe des Steuersignals sowie das Aussenden des RX-Signals wird vorzugsweise iterativ wiederholt, d.h. das Verfahren wird wiederholt in der genannten Abfolge der Schritte ausgeführt. Insbesondere können mindestens 30 Iterationen des Verfahrens pro Sekunde durchgeführt werden.
• Zusätzlich kann auch eine Ausgabe des Steuersignals iterativ verändert werden. Beispielsweise können so Messung von Oberflächenprofilen eines zu untersuchenden Himmelskörpers mittels der Vorrichtung simuliert werden, z.B. indem der Zeitpunkt der Ausgabe entsprechend des zu simulierenden Oberflächenprofils iterativ verändert wird. So kann in vorteilhafter Weise eine Sensitivität des Laseraltimeters oder einer Komponente des Laseraltimeters hinsichtlich verschiedener Entfernungen zeiteffizient getestet werden.
• Weiter kann das Verfahren einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen:
• - Empfang eines RX-Signals, insbesondere mittels einer weiteren Empfangseinrichtung,
• - Auswerten eines RX-Signals mittels einer Auswerteeinrichtung, und/oder
• - Anpassen von Parametern des TX-Signals und/oder RX-Signals, insbesondere mittels der Erzeugungseinrichtung und/oder Anpassen von Parametern eines Laseraltimeters, insbesondere einer Komponente eines Laseraltmeters.
• Der Empfang eines RX-Signals kann insbesondere das Bestimmen von Parametern des RX-Signals umfassen. Das Auswerten eines RX-Signals kann insbesondere den Abgleich von bestimmten Parametern des RX-Signals, also Ist-Parametern mit Soll-Parametern umfassen. Weiter kann das Auswerten des RX-Signals das Bestimmen einer Abweichung zwischen Soll- und Ist-Parametern umfassen. Alternativ oder kumulativ kann das Auswerten auch das Bestimmen einer Abweichung zwischen einer simulierten Entfernung einer bestimmten Entfernung umfassen. Die simulierte Entfernung kann hierbei einem Soll-Parameter und die bestimmte Entfernung einem Ist-Parameter entsprechen. Die bestimmte Entfernung kann beispielsweise in Abhängigkeit des TX-Signals und des RX-Signals bestimmt werden. Vorzugsweise wird die bestimmte Entfernung mittels des zu testenden Laseraltimeters bestimmt.
• Das Anpassen von Parametern des TX-Signals und/oder RX-Signals bzw. das Anpassen von Parametern eines Laseraltimeters erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit der bestimmten Abweichung. Das Anpassen erfolgt vorzugsweise derart, dass in einer folgenden Iteration aufgrund der angepassten Parameter die Abweichung zwischen Ist- und Soll-Parametern verkleinert ist. Ein angepasster Parameter kann beispielsweise mittels einer Kostenfunktion bestimmt werden, wobei die Kostenfunktion die Abweichung minimiert. Dies kann dem zuvor erläuterten Testen und/oder Kalibrierung eines Laseraltimeters und/oder einer Komponente eines Laseraltimeters entsprechen.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass ein oder mehrere der beschriebenen Schritte des Verfahrens von der Vorrichtung ausgeführt werden können. Vorzugsweise wird das vollständige Verfahren von der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere automatisiert, ausgeführt. Für das Verfahren ergeben sich somit die entsprechenden, zuvor für die Vorrichtung angeführten, Vorteile.
• Auch vorstellbar ist, dass beispielsweise zu schulendes Personal mittels der Vorrichtung und/oder dem Verfahren auf eine mit dem Laseraltimeter durchzuführende Entfernungsmessung vorbereitet wird. Eine weltraumgestützte Entfernungsmessung, beispielsweise zur Bestimmung einer Oberflächenbeschaffenheit auf einem Planeten wie Merkur oder einem Jupitermond, kann aufgrund der großen Entfernung zwischen Erde und Laseraltimeter üblicher Weise nicht in Echtzeit, sondern nur mit einer entsprechenden Zeitverzögerung durchgeführt werden. Insbesondere kann die Messung unter Umständen nur während eines kurzen, einmaligen Vorbeiflugs an einem Himmelskörper erfolgen. Aus diesem Grund ist ein vorheriges Trainieren der Abfolge der Schritte zur Entfernungsmessung mittels der Vorrichtung und/oder des Verfahrens für zu schulendes Personal vorteilhaft. Insbesondere können mittels der Vorrichtung und/oder des Verfahrens realistische Messbedingungen simuliert werden. Beispielsweise kann mit Hilfe von Simulationsdaten ein zu bestimmenden Oberflächenbeschaffenheit eines Planeten simuliert werden.
• Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen:
• 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
• 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
• 4 ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Simulation einer Entfernungsmessung.
• Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
• 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Mit Hilfe der Vorrichtung 1 kann ein Laseraltimeter 20 getestet und/oder kalibriert werden. Hierzu wird von einer als Neodym-YAG-Laser ausgebildeten Einrichtung 23 zum Aussenden eines Lichtsignals ein TX-Signal 3 erzeugt und entlang eines TX-Pfads 25 zu einer Schnittstelle 21 der Vorrichtung 1 geleitet.
• Über die als Öffnung in einem Gehäuse 50 der Vorrichtung 1 ausgebildete Schnittstelle 21 wird das TX-Signal 3 von einer in dem Gehäuse 50 angeordneten TX-Empfangseinrichtung 2 empfangen. Die TX-Empfangseinrichtung 2 kann als Lawinenphotodiode ausgebildet sein, wobei mittels der TX-Empfangseinrichtung 2 Parameter des TX-Signals 3, wie beispielsweise eine Pulsbreite und eine Pulsenergie, bestimmt werden.
• Die TX-Empfangseinrichtung 2 ist signaltechnisch mit einer Steuereinrichtung 6 verbunden, wobei der Empfang des TX-Signals 3 als elektrisches Trigger-Signal zum Start einer Zeitmessung genutzt wird. Ein Oszilloskop 9 ist Teil der Steuereinrichtung 6 und erlaubt eine besonders präzise Zeitmessung mit einer Taktrate von beispielsweise 0,8 Nanosekunden. Ein Mikroprozessor 8 ist ebenfalls Teil der Steuereinrichtung 6. Der Mikroprozessor ist signaltechnisch mit einer Speichereinrichtung 80 verbunden, wobei die Speichereinrichtung 80 dem Mikroprozessor 8 eine zu simulierende Entfernung bereitstellt und einen zeitlichen Verlauf des Steuersignals 7 bereitstellen kann. Die zu simulierende Entfernung wandelt der Mikroprozessor 8 in eine Zeitdauer um, die zwischen Empfang des TX-Signals 3 und Ausgabe eines Steuersignals 7 verstreichen soll, um die Entfernung zu simulieren.
• Mit Hilfe des Oszilloskops 9 bestimmt die Steuereinrichtung 6 dann in Abhängigkeit der zu simulierenden Entfernung einen Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals 7. Das Steuersignal 7 wird an eine RX-Aussendeeinrichtung 4 geleitetet, wobei das Steuersignal 7 ein Aussenden eines RX-Signals 5 auslöst.
• Bevor das RX-Signal 5 die Vorrichtung 1 über eine weitere Schnittstelle 22 in Richtung des Laseraltimeters 20 verlässt, passiert das RX-Signal 5 sowohl eine Dämpfungseinrichtung 60 als auch eine Stelleinrichtung 70. Ein einzustellender Dämpfungsgrad der Dämpfungseinrichtung 60 kann beispielsweise aus Simulationsdaten vorbekannt sein. Zur Einstellung des Dämpfungsgrads ist die Dämpfungseinrichtung 60 mit der Steuereinrichtung 6 signaltechnisch verbunden. Durch die Dämpfungseinrichtung 60 wird so insbesondere eine Intensität des RX-Signals 5 gedämpft und so eingestellt, dass die Dämpfung des RX-Signals 5 mit der zu simulierenden Entfernung in realistischer Weise korrespondiert.
• Die Stelleinrichtung 70 ist ebenfalls signaltechnisch mit der Steuereinrichtung 6 verbunden, wobei mittels der Steuereinrichtung 6 eine Ausrichtung, eine Divergenz und/oder ein Strahlendurchmesser des RX-Signals 5 eingestellt wird. Die Einstellung der Stelleinrichtung 70 kann insbesondere in Abhängigkeit von vorbekannten Simulationsdaten erfolgen.
• Nach Passieren der Schnittstelle 22, welche als Öffnung an einer Außenseite des Gehäuses 50 der Vorrichtung 1 angeordnet ist, wird das RX-Signal 5 über einen RX-Pfad 26 zu einer Einrichtung 24 zum Empfangen des RX-Signals 5 geleitet. Die Einrichtung 24 zum Empfangen kann als Lawinenphotodiode ausgebildet sein und ist Teil des zu testenden Laseraltimeters 20. Die Einrichtung 24 zum Empfangen kann selbstverständlich signaltechnisch mit der Einrichtung 23 zum Aussenden verbunden sein. Hierdurch kann die Einrichtung 24 auch zur Zeitmessung und somit zur Bestimmung einer gemessenen Entfernung in Abhängigkeit des TX- und RX-Signals 3, 5 geeignet sein. Insbesondere kann das Laseraltimeter 20 mit der Vorrichtung 1 signaltechnisch verbunden sein, um eine vom Laseraltimeter 20 bestimmte Entfernung mit der zu simulierenden Entfernung vergleichen zu können.
• Weiter zeigt 1, dass die Vorrichtung 1 und das Laseraltimeter 20 platzsparend in einem Reinraum angeordnet sind, wobei eine Begrenzung 100 des Reinraums durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist. Somit kann eine Entfernungsmessung mittels der Vorrichtung 1 simuliert werden, ohne dass ein Lichtsignal die tatsächliche Entfernung zurücklegen muss.
• 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Im Die in 2 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist insbesondere auch zum Testen und/oder Kalibrieren von einzelnen Komponenten eines Laseraltimeters 20 geeignet. So ist in der gezeigten Ausführungsform in der Vorrichtung 1 ein zu testender Laser 34 sowie ein Signalgenerator 33 als Erzeugungseinrichtung 31 angeordnet. Der Laser 34 ist signaltechnisch mit dem Signalgenerator 33 verbunden.
• In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die TX-Empfangseinrichtung 2 als eine zu testende Lawinenphotodiode ausgebildet. Mit Hilfe des Signalgenerators 33 kann zum Testen der Lawinenphotodiode beispielsweise ein harmonisches TX-Signal 3 erzeugt werden. An die zu testende Lawinenphotodiode können insbesondere weitere elektrische Komponenten eines Laseraltimeters 20 angeschlossen werden (nicht dargestellt).
• Analog zu den Erläuterungen zu 1 ist die TX-Empfangseinrichtung 2 signaltechnisch mit einer Steuereinrichtung 6 verbunden, wobei der Empfang des TX-Signals 3 als elektrisches Trigger-Signal zum Start einer Zeitmessung genutzt wird. Eine als Laser ausgebildete RX-Aussendeeinrichtung 4 sendet dann ein RX-Signal 5 aus, welches nach Passieren einer Dämpfungseinrichtung 60 von einer weiteren Empfangseinrichtung 32 empfangen wird. Die TX-Empfangseinrichtung und die weitere Empfangseinrichtung 32 kann auch als eine gemeinsame Einrichtung ausgebildet sein, beispielsweise wenn diese als zu testende Lawinenphotodiode ausgebildet ist.
• Die weitere Empfangseinrichtung 32 kann insbesondere eine zu testende und/oder zu kalibrierende Einrichtung 24 zum Empfangen eines RX-Signals 5 sein. Die weitere Empfangseinrichtung 32 ist signaltechnisch mit einer als Mikroprozessor ausgebildeten Auswerteeinrichtung 91 verbunden. Durch die Auswerteeinrichtung 91 können Parameter des empfangenen RX-Signals 5 ausgewertet werden, wobei die Parameter durch die weitere Empfangseinrichtung 32 bestimmt werden. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung 91 mit einer Speichereinrichtung 80 signaltechnisch verbunden. Hierdurch können die bestimmten Parameter des RX-Signals 5 mit vorbekannten Soll-Parametern abgeglichen werden, wobei die Soll-Parameter beispielsweise als Teil von Simulationsdaten auf der Speichereinrichtung 80 abgespeichert sind. Vorzugsweise können die zu testenden Komponenten eines Laseraltimeters 20 so mittels der Vorrichtung 1 getestet und kalibriert werden (siehe 4).
• Zusätzlich ist die Vorrichtung 1, insbesondere die Steuereinrichtung 6, über als WLAN-Modul ausgebildete Schnittstellen 41, 42 mit einer externen Recheneinheit 43 signaltechnisch, insbesondere drahtlos, verbunden. Die externe Recheneinheit 43 kann ebenfalls einen Mikroprozessor 8 aufweisen und zur Fernsteuerung der Vorrichtung 1 genutzt werden. So kann beispielsweise zu schulendes Personal außerhalb der Begrenzung 100 eines Reinraums die Vorrichtung 1 über die externe Recheneinheit 43 steuern.
• Weiter zeigt 3 eine weitere Ausführungsform, die die Vorteile der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kombiniert. Die Vorrichtung 1 weist in der gezeigten Ausführungsform eine erste Signalschalteinrichtung 35 und eine weitere Signalschalteinrichtung 36 auf. Die erste Signalschalteinrichtung 35 ermöglicht, dass ein TX-Signal 3 sowohl von einem Laseraltimeter 20 über eine Schnittstelle 21 in die Vorrichtung geleitet werden kann als auch mittels einer Erzeugungseinrichtung 31 intern erzeugt und an die TX-Empfangseinrichtung 2 geleitet werden kann. Die weitere Signalschalteinrichtung 36 ermöglicht, dass ein ausgesandtes RX-Signal 5 sowohl von einem Laseraltimeter 20 empfangen werden kann als auch von einer weiteren Empfangseinrichtung 32 empfangen werden kann.
• Durch die in 3 gezeigte Ausführungsform lässt sich die Vorrichtung 1 somit in verschiedenen Test- und oder Kalibrierszenarien einsetzen.
• 4 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Simulation einer Entfernungsmessung. Das Verfahren umfasst eine Abfolge von Schritten, die in aufeinanderfolgenden Iterationen so lange durchgeführt werden, bis eine Abweichung zwischen einer simulierten Entfernung einer mittels eines Laseraltimeters 20 bestimmten Entfernung kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist.
• Das Verfahren beginnt mit dem Empfang S1 eines optischen TX-Signals 3, welches von einer Einrichtung 23 zum Aussenden eines Lichtsignals, insbesondere eines TX-Signals 3, von einem Laseraltimeter 20 ausgesendet wurde. Das TX-Signal 3 wird mittels einer TX-Empfangseinrichtung 2 empfangen (siehe 1).
• Um eine Entfernung zu simulieren, wird die Ausgabe S2 eines Steuersignals 7 mittels mindestens einer Steuereinrichtung 6 solange verzögert, bis ein zeitlicher Abstand zwischen dem Empfang S1 des TX-Signals 3 und einem Zeitpunkt der Ausgabe S2 des Steuersignals 7 einer Zeitdauer entspricht, die das vom Laseraltimeter 20 ausgesandte Lichtsignal benötigen würde, um an einem Messobjekt (nicht dargestellt) reflektiert zu werden und vom Messobjekt zum Laseraltimeter 20 zurück zu gelangen. Die Zeitdauer bzw. der Zeitpunkt der Ausgabe S2 wird somit in Abhängigkeit der zu simulierendenden Entfernung bestimmt. Auf die Ausgabe S2 des Steuersignals 7 hin sendet eine RX-Aussendeeinrichtung 4 ein optisches RX-Signal 5 aus. Die entspricht einem Aussenden S3 des RX-Signals 5.
• Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird das von der RX-Aussendeeinrichtung 4 ausgesandte RX-Signal 5 von einer weiteren Empfangseinrichtung 32 empfangen. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 wird das von der RX-Aussendeeinrichtung 4 ausgesandte RX-Signal 5 von einer Einrichtung 24 zum Empfangen eines Lichtsignals empfangen. Dies entspricht dem Schritt des Empfangs S4 des RX-Signals 5.
• Weiter umfasst das Verfahren das Bestimmen S5 von Parametern des RX-Signals 5. Die Parameter des RX-Signals werden dann durch Auswerten S6 mit Soll-Parametern abgeglichen. Eine Anpassung von Parametern der weiteren Empfangseinrichtung 32 kann dann in einem Schritt S7 erfolgen.
• Durch weitere Iterationen des Verfahrens kann so eine Abweichung so weit minimiert werden, dass eine zu testende Komponente eines Laseraltimeter 20 - wie beispielsweise die weitere Empfangseinrichtung 32 - derart kalibriert werden kann, dass eine Abweichung zwischen einem bestimmten Ist-Parameter und einem Soll-Parameter kleiner als ein vorbestimmter Schwellwert ist. Mit anderen Worten kann mittels des beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung 1 eine bestimmte Ist-Entfernung an eine zu simulierende Soll-Entfernung angenähert werden.
• Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

TX-Empfangseinrichtung

3

TX-Signal

4

RX-Aussendeeinrichtung

5

RX-Signal

6

Steuereinrichtung

7

Steuersignal

8

Mikroprozessor

9

Oszilloskop

20

Laseraltimeter

21

Schnittstelle für TX-Signal

22

Schnittstelle für RX-Signal

23

Einrichtungen zum Aussenden eines Lichtsignals

24

Einrichtungen zum Empfangen eines Lichtsignals

25

TX-Pfad

26

RX-Pfad

31

Erzeugungseinrichtung

32

weitere Empfangseinrichtung

33

Signalgenerator

34

Laser

35

Signalschalteinrichtung

36

weitere Signalschalteinrichtung

41

Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung

42

Schnittstelle zur signaltechnischen Verbindung

43

Recheneinheit

50

Gehäuse

60

Dämpfungseinrichtung

70

Stelleinrichtung

80

Speichereinrichtung

91

Auswerteeinrichtung

100

Begrenzung Reinraum

S1

Empfang eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals

S2

Ausgabe eines Steuersignals

S3

Aussenden eines optischen RX-Signals

S4

Empfang eines RX-Signals

S5

Auswerten eines RX-Signals

S6

Abgleich von Parametern

S7

Anpassen von Parametern

Claims (10)

1. Vorrichtung (1) zur Simulation einer Entfernungsmessung, umfassend mindestens eine TX-Empfangseinrichtung (2) zum Empfang mindestens eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals (3), mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung (4) zum Aussenden mindestens eines optischen RX-Signals (5), sowie mindestens eine Steuereinrichtung (6) zur Steuerung der Simulation, wobei die Steuereinrichtung (6) dazu ausgebildet ist, mindestens ein Steuersignal (7) zum Aussenden des RX-Signals (5) an die mindestens eine RX-Aussendeeinrichtung (4) zeitlich nach einem Empfang des TX-Signals (3) auszugeben, wobei ein Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals (7) von einer zu simulierendenden Entfernung abhängt.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich mindestens eine Schnittstelle (21, 22) zur signaltechnischen Verbindung mit einem Laseraltimeter (20) aufweist.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich eine Erzeugungseinrichtung (31) zur Erzeugung des TX-Signals (3) und/oder mindestens eine weitere Empfangseinrichtung (32) zum Empfang des RX-Signals (5) aufweist.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) mindestens eine Schnittstelle (41, 42) zur signaltechnischen Verbindung mit einer Recheneinheit (43) aufweist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (50) aufweist, wobei mindestens die TX-Empfangseinrichtung (2) und die RX-Aussendeeinrichtung (4) in dem Gehäuse (50) angeordnet sind.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich mindestens eine Dämpfungseinrichtung (60) zur Dämpfung einer Intensität des RX-Signals (5) aufweist.
7. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich mindestens eine Stelleinrichtung (70) zur Einstellung des RX-Signals (5) aufweist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich mindestens eine Speichereinrichtung (80) zur Speicherung und/oder zur Bereitstellung von Simulationsdaten aufweist, wobei die Steuereinrichtung (6) signaltechnisch mit der Speichereinrichtung (80) verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung (6) zusätzlich dazu ausgebildet ist, das Steuersignal (7) in Abhängigkeit der Simulationsdaten auszugeben.
9. Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich mindestens eine Auswerteeinrichtung (91) zur Auswertung des RX-Signals (5) aufweist.
10. Verfahren zur Simulation einer Entfernungsmessung umfassend die Schritte: - Empfang (S1) eines optischen und/oder elektrischen TX-Signals (3) mittels mindestens einer Empfangseinrichtung (2), - Ausgabe (S2) eines Steuersignals (7) zum Aussenden eines RX-Signals (5) mittels mindestens einer Steuereinrichtung (6), wobei die Ausgabe zeitlich nach dem Empfang des TX-Signals (3) erfolgt, wobei ein Zeitpunkt der Ausgabe des Steuersignals (7) von einer zu simulierendenden Entfernung abhängt, - Aussenden (S3) eines optischen RX-Signals (5) mittels mindestens einer RX-Aussendeeinrichtung (4).

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