DE1623420B2 - Verfahren und schaltungsanordnung zur einstellung des ver staerkungsfaktors eines fotomultipliers in laser entfernungs messgeraeten - Google Patents

Verfahren und schaltungsanordnung zur einstellung des ver staerkungsfaktors eines fotomultipliers in laser entfernungs messgeraeten

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung des Verstärkungsfaktors eines Fotomultipliers in Laser-Entfernungsmeßgeräten und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Laser-Entfernungsmeßgeräten mit Riesenimpuls-Lasern beruht die Entfernungsmessung auf der Laufzeitmessung eines Laser-Impulses zwischen den Zeitpunkten der Aussendung und des Empfangs nach Reflexion an einem anzumessenden Ziel. Die Messung dieser Laufzeit erfolgt auf elektronischem Wege unter Verwendung, eines Quarz-Oszillators. Unter Zugrundelegung der' Lichtgeschwindigkeit als Ausbreitungsgeschwindigkeit der Laser-Impulse wird aus der gemessenen Laufzeit die gesuchte Entfernung ermittelt.
Der Laser-Sendeimpuls kann z. B. in einem Rubinkristall erzeugt werden, der durch das Licht einer geeigneten Blitzlampe in bekannter Weise angeregt wird.
Zur Erzeugung eines sehr kurzen und leistungsstarken Laser-Impulses wird ein spezieller Auslösemechanismus, die sogenannte Q-Schaltung, verwendet. Dazu wird ein Prisma in schnelle Rotation versetzt. Kurz vor der aktiven Stellung des rotierenden Prismas wird automatisch die Blitzlampe gezündet und dadurch die Inversion des aktiven Materials eingeleitet. Hat dann das Prisma seine aktive Stellung erreicht, so tritt der Laser-Sendeimpuls aus dem Laser-System aus, durchläuft die Laser-Optik und wird schließlich durch das Strahlenfenster des Entfernungsmeßgerätes ausgestrahlt.
Der ausgesendete Laser-Impuls wird nach Auftreffen auf das anzumessende Objekt von diesem diffus reflektiert, so daß ein Bruchteil der Laser-Energie wieder zum Entfernungsmeßgerät zurückgelangt und von einem im Gerät enthaltenen Fotomultiplier aufgenommen wird, der dann ein entsprechendes Ausgangssignal abgibt.
Die zeitliche Differenz zwischen den Zeitpunkten der Aussendung und des Empfangs des Laser-Impulses wird mittels einer an den Fotomultiplier angeschlossenen, elektronischen Auswerteschaltung bestimmt.
Für die maximale Reichweite Rmax eines derartigen Laser-Entfernungsmeßgerätes gilt nun die folgende Beziehung:
D2 ·ε· T-P8
Hierin ist
D = der Durchmesser des Empfangsobjektivs, ε = der Remissionskoeffizient des Zieles,
T = t~2ali die Transmission
der Atmosphäre (mit α = Extinktions-Koeffizient und R = Zielabstand),
Ps = die Sendeleistung,
Ρε,,φι die minimale Leistung, die der Fotomultiplier noch empfangen kann.
Sieht man in dieser Gleichung die Größen D, ε, Τ und Ps als vorgegeben und konstant an, so folgt:
60
65
ΡΕ,,,,η
d. h., das Quadrat der maximalen Reichweite ist umgekehrt proportional zur minimalen Empfangsleistung. Um möglichst große Reichweiten zu erhalten, muß also die minimale Empfangsleistung möglichst klein sein. Diese ist aber durch das Rauschen des Fotomultipliers begrenzt. Die Rauschleistung des Fotomultipliers wird nun im wesentlichen durch die Hintergrundstrahlung bestimmt.
Um nach Möglichkeit keine Fehlmessungen infolge während des Entfernungsmeßvorganges einfallender Hintergrundstrahlung zu erhalten, wird bei bereits erprobten Meßgeräten nur dann ein eintreffender Impuls als Nutzsignal ausgewertet, wenn die Amplitude der Ausgängsspannung, die vom dem' Fotomultiplier nachgeschalteten Videoverstärker abgegeben wird, einen bestimmten Schwellwert überschreitet.
Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß während der Laufzeit des Laser-Meßimpulses ein aus der Intensität der Hintergrundstrahlung resultierender Rauschimpuls den vorgegebenen Schwellwert überschreitet und dadurch eine Fehlmessung verursacht, hängt von den Bedingungen der Hintergrundstrahlung ab, die sehr unterschiedlich sein können.
Bei bereits erprobten Laser-Entfernungsmeßgeräten ist deren Empfindlichkeit so eingestellt, daß selbst unter schwierigen Hintergrundbedingungen (z. B. von der Sonne beschienenen Wolken oder starke Streuung des Sonnenlichts in das Empfangsobjektiv des Gerätes) die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlmessung einen bestimmten Betrag nicht überschreitet.
Daraus ergibt sich aber der wesentliche Nachteil, daß die Reichweite solcher Geräte nicht über einen bestimmten Grenzwert hinaus erhöht weiden kann.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, die Empfindlichkeit und Reichweite von Laser-Entfernungsmeßgeräten der eingangs genannten Art wesentlich zu verbessern bzw. zu erhöhen.
Das Verfahren zur Einstellung des Verstärkungsfaktors eines Fotomultipliers in Laser-Entfernungsmeßgeräten besteht gemäß der Erfindung darin, daß die Einstellung in Abhängigkeit von der Intensität der Hintergrundstrahlung vorgenommen wird.
Dieses Verfahren ermöglicht es, die Empfangsempfindlichkeit eines wie eingangs beschriebenen Laser-Entfernungsmeßgerätes der jeweiligen Intensität der Hintergrundstrahlung anzupassen.
Gemäß einem Merkmal zur weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Verstärkungsfaktor des Fotomultipliers bei steigender Intensität der Hintergrundstrahlung herabgesetzt und bei kleiner werdender Intensität der Hintergrundstrahlung erhöht wird.
Infolgedessen ergibt sich der bedeutende Vorteil, daß unabhängig von der Intensität der Hintergrundstrahlung die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlmessung bzw. Fehlanzeige durch einen den Schwellwert übersteigenden Rauschimpuls konstant gehalten wird.
Ist die Intensität der einfallenden Hintergrundstrahlung relativ klein, so wird auf Grund des erfindungsgemäßen Verfahrens bei gleichbleibender Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige die maximale Reichweite wesentlich erhöht. Mit einer derartigen Reichweitenerhöhung ist automatisch eine Vergrößerung der Empfindlichkeit verknüpft, die bedeutend besser ist als bei Laser-Entfernungsmeßgeräten, bei denen die Verstärkung des Fotomultipliers von vorn-
herein auf einen vorgegebenen festen Betrag eingestellt ist.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus der Anzahl der pro Zeiteinheit infolge Hintergrundstrahlung empfangenen Rauschimpulse, deren Impulshöhen einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, die erforderliche Stellgröße für die Einstellung des Verstärkungsfaktors des Fotomultipliers abgeleitet.
Vorteilhaft können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die Laser-Echoimpulse als auch die Hintergrundstrahlung durch den gleichen Fotomultiplier empfangen und durch den nachfolgenden Video-Verstärker verstärkt werden.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die in an sich bekannter Weise ■ aus einer Gesichtsfeldblende, einer Linse und einem optischen Schmalbandfilter sowie einem Fotomultiplier und einem Videoverstärker besteht, weist zweckmäßig einen elektronischen Impulszähler auf, der dem Videoverstärker nachgeschaltet ist und nach Maßgabe der empfangenen Rauschimpuisrate eine proportionale Spannung abgibt, die wiederum als Stellgröße für, ein Stellglied dient, das die Eingangsspannung des Hochspannungstransformators für den Fotomultiplier entsprechend verändert.
Ferner ist zur Einstellung der Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige durch die Auswerteelektronik des Laser-Entfernungsmeßgerätes dem Stellglied ein Potentiometer nachgeschaltet. Durch ein gesondertes Instrument kann die Wahrscheinlichkeit einer Fehlanzeige bzw. Fehlmessung noch direkt angezeigt werden.
Es ist zweckmäßig, als elektronischen Impulszähler einen auf eine vorgegebene Integrationszeit eingestellten bzw. einstellbaren Integrator zu verwenden, der eine Ausgangsspannung liefert, die der Zahl der Rauschimpulse, die über einem vorgegebenen Schwellwert liegen und .während der Integrationszeit erscheinen, proportional ist.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der, Erfindung ist zum Empfang der Hintergrundstrahlung ein zusätzlicher Empfänger vorgesehen, der das. gleiche Gesichtsfeld wie der Fotomultiplier besitzt. Bei dieser Anordnung sind das Stellglied und das Instrument zur Anzeige der Wahrscheinlichkeit einer Fehlmessung dem gesonderten Empfänger direkt nachgeschaltet.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Im Rahmen von Ausführungsbeispielen zeigt
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
F i g. 2 eine weitere Schaltungsanordnung, die eine Variante zur Anordnung gemäß F i g. 1 bildet.
Die von einem anzumessenden Ziel diffus reflektierte Laser-Strahlung und die gegebenenfalls vorhandene Hintergrundstrahlung tritt durch ein Eingangsobjektiv in das Entfernungsmeßgerät ein und gelangt hier, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, zum Fotomultiplier 4.
Eine im Strahlengang vor dem Fotomultiplier 4 angeordnete Gesichtsfeldblende 1 begrenzt den Gesichtsfeldwinkel des Fotomultipliers. Zwischen Linse 2 und Fotomultiplier 4 ist ein optisches Schmalbandfilter 3 eingeschaltet, das die Aufgabe hat, nur die Strahlung des interessierenden Spektralbereiches (des Senders) auf die Kathode des Fotomultipliers 4 hindurchzulassen.
Der Fotomultiplier 4 ist nun in einen Rückkopplungskreis gelegt, mit dessen Hilfe ν erfindungsgemäß die Einstellung des Verstärkungsfaktors des Fotomultipliers 4 in Abhängigkeit von der Intensität der Hintergrundstrahlung vorgenommen werden kann.
Das durch den Videoverstärker 5 verstärkte Ausgangssignal des Fotomultipliers 4 wird über den Kanal 6 einer speziellen elektronischen Auswerteschaltung zugeführt, die die weitere Verarbeitung des Ausgangssignals für die Ermittlung der gesuchten Entfernung übernimmt. . .
Andererseits ist dem Videoverstärker 5 ein elektronischer Impulszähler 7 nächgeschaltet, der während eines bestimmten Zeitintervalls, z.B. von 0,1 bis 1 Sekunde, die Anzahl der Rauschimpulse, deren Impulshöhen einen vorgegebenen Schwellwert von z.B. 1 Volt überschreiten, zählt.
Der Impulszähler 7 ist ein. auf eine vorgegebene Integrationszeit eingestellter Integrator. Er kann für die kurze Zeit des Meßvorgangs (Aussendung und Empfang eines Laser-Impulses) abschaltbar sein. Seine Zeitkonstante kann aber auch so groß sein, daß er auf die kurzzeitigen Laser-Echoimpulse nicht anspricht. . . .
Der Impulszähler 7 gibt nach Maßgabe der empfangenen Rauschimpulsrate eine proportionale Spannung U1 ab, die als Stellgröße für ein Stellglied 9 dient.
Durch das Stellglied 9 wird dann die Eingangsspannung U2 eines Hochspannungstransformators 10 entsprechend dem jeweiligen Betrag der Stellgröße U1 verändert.
Der Hochspannungstransformator 10 ist ein Bestandteil eines nicht eingezeichneten Gleichspannungswandlers, der die für den Betrieb des Fotomultipliers erforderliche hohe Gleichspannung von etwa 1,6 kV erzeugt.
Zusätzlich ist nun noch ein mit dem Stellglied 9 in Verbindung stehendes Potentiometer 11 vorgesehen, das zur Einstellung der Wahrscheinlichkeit für eine Fehlmessung bzw. Fehlanzeige dient.
Mit Hilfe des Potentiometers 11 läßt, sich also erwünschtenf alls die je nach speziellem Anwendungsfall erlaubte Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige durch die Auswerteelektronik des.LaserTEntfernungsmeßgerätes infolge, von Rauschimpulsen, die den vorgegebenen Schwellwert überschreiten, von Hand einstellen.
Um einen sofortigen Überblick zu erhalten, auf welche Wahrscheinlichkeit für Fehlmessungen das Gerät gerade eingestellt ist, wird der jeweilige Wahrscheinlichkeitswert durch ein Anzeigeinstrument 8 gesondert angegeben.
Dieses Anzeigeinstrument 8, das beispielsweise ein Voltmeter oder ein Digitalanzeigegerät sein .kann, wird direkt mit der vom Impulszähler 7 abgegebenen Spannung U1 gespeist.
Die Kennlinie des Stellglieds 9 ist an den Fotomultiplier 4 angepaßt und verläuft so, daß die Eingangsspannung U2 des Hochspannungstransformators 10 bei steigender Spannung U1 abnimmt.
Neben der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, die einen Rückkopplungskreis beinhaltet und die auf Grund der Tatsache, daß sowohl die Laser-Echoimpulse als auch die Hintergrundstrahlung durch den gleichen Empfänger, nämlich den Fotomultiplier 4,
empfangen und durch den nachfolgenden Videoverstärker 5 verstärkt werden, den Vorteil· hat, daß die Intensität der Hintergrundstrahlung im interessierenden Spektralbereich berücksichtigt wird, ist im Rahmen der Erfindung noch eine weitere Anordnung denkbar, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.
Hierbei wird zum Empfang der Hintergrundstrahlung ein zusätzlicher Empfänger 12 verwendet, der das gleiche Gesichtsfeld wie der Fotomultiplier 4 besitzt. ίο
Der Empfänger 12 kann eine Foto-Diode oder Fotozelle sein und in Verbindung mit einem zugehörigen Ausgangskreis die über einen vorgegebenen Zeitraum integrierte Hintergrundintensität bestimmen und eine entsprechende Ausgangsspannung U1 an das Stellglied 9 abgeben.
Auch hier wird wieder die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige gesondert durch ein Anzeigeinstrument 8 angezeigt. Anzeigeinstrument 8 und Stellglied 9 sind beide direkt dem Empfänger 12 nachgeschaltet.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Einstellung des Verstärkungsfaktors eines Fotomultipliers in Laser-Entfernungsmeßgeräten, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung in Abhängigkeit von der Intensität der Hintergrundstrahlung vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Fotomultipliers bei steigender Intensität der Hintergrundstrahlung herabgesetzt und bei kleiner werdender Intensität der Hintergrundstrahlung erhöht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Anzahl der pro Zeiteinheit infolge Hintergrundstrahlung empfangenen Rauschimpulse, deren Impulshöhen einen vorgegebenen Schwellwert überschreiten, die erforderliche Stellgröße für die Einstellung des Verstärkungsfaktors abgeleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Laser-Echoimpulse als auch die Hintergrundstrahlung durch den gleichen Fotomultiplier (4) empfangen und durch den nachfolgenden Videoverstärker (5) verstärkt werden.
3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einer Gesichtsfeldblende (1), einer Linse (2) und einem optischen Schmalbandfilter (3) sowie einem Fotomultiplier (4) und einem Videoverstärker (5), gekennzeichnet durch einen elektronischen Impulszähler (7), der dem Videoverstärker (5) η abgeschaltet ist und nach Maßgabe der empfangenen Rauschimpulsrate eine proportionale Spannung (CZ1) abgibt, die als Stellgröße für ein Stellglied (9) dient, durch das die Eingangsspannung (U9) des Hochspannungstransformators (10) für den Fotomultiplier (4) entsprechend der Stellgröße (CZ1) verändert wird; durch ein Potentiometer (11) zur Einstellung der Wahrscheinlichkeit für eine Fehlmessung bzw. Fehlanzeige am Stellglied (9) sowie ein Anzeige-Instrument (8) zur Anzeige der Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Impulszähler (7) ein auf eine vorgegebene Integrationszeit eingestellter bzw. einstellbarer Integrator ist, der eine Ausgangsspannung (U1) liefert, die der Zahl der Rauschimpulse, die über einem vorgegebenen Schwellwert liegen und während der Integrationszeit erscheinen, proportional ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrscheinlichkeit für eine Fehlanzeige durch die Auswerteelektronik des Laser-Entfernungsmeßgerätes infolge von Rauschimpulsen, die den vorgegebenen Schwellwert überschreiten, am Stellglied (9) einstellbar ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfang der Hintergrundstrahlung ein zusätzlicher Empfänger (12) verwendet wird, der das gleiche Gesichtsfeld wie der Fotomultiplier (4) besitzt..
9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abwandlung der Anordnung gemäß Anspruch 5 das Anzeigeinstrument (8) und das Stellglied (9) direkt dem gesonderten Empfänger (12) nachgeschaltet sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein gesondertes Anzeigegerät für die Wahrscheinlichkeit einer Fehlanzeige.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DE19671623420 1967-06-28 1967-06-28 Verfahren und schaltungsanordnung zur einstellung des ver staerkungsfaktors eines fotomultipliers in laser entfernungs messgeraeten Pending DE1623420B2 (de)

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