DE1623521C - Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels Laser Impulsen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft cine Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels Laser-Impulsen, mit einem Laser-Sender und einem zugeordneten, ein Teleskop enthaltenden Empfänger, mit mindestens einem Fotomultiplikator und einem Entfernungszählgerät, welches das Zeitintervall zwischen der Aussendung eines Laser-Impulses und dem Empfang seines von einem Ziel kommenden Echos ist, mit Organen zum paarweisen Aussenden von Laser-Impulsen, zum Messen des Zeitabstandes zwischen den beiden Impulsen eines jeden ausgesandten Impulspaares zum Verwenden nur des zweiten der beiden Impulse, die durch den letzten gemessenen Zeitabstand voneinander getrennt sind.

Es ist bekannt, daß die Leistungsfähigkeit von Entfernungsmeßsystemen, die mit der Lasertechnik arbeiten und bei denen die Entfernung eines Zieles durch ein Messen der Zeit bestimmt wird, die zwischen der Aussendung eines Lichtimpulses durch einen Laser-Sender in die Richtung des Zieles und dem Empfang eines Echo-Impulses durch einen in der Nähe des Senders angeordneten Empfängers verstreicht, insbesondere durch die Eigengeräusche des Empfängers und durch parasitäre Lichtsignale begrenzt ist, welche den Empfänger erreichen.

Der Empfänger weist eine optische Einrichtung, die zum Einfangen des Echosignals dient, und mindestens einen Detektor auf, der im allgemeinen ein Fotomultiplikator ist, um die empfangenen Lichtimpulse in elektrische Impulse umzuwandeln. Die Eigengeräusche sind im wesentlichen solche, welche die Fotomultiplikatoren beeinflussen und welche durch die thermoionische Emission der Kathode, durch die Ionisation der Restgase in der Röhre, durch Feldeinflüsse, durch lichterzeugende Reaktionen und durch ohmsche Verluste entstehen. Gewisse Nebengeräusche, insbesondere diejenigen, welche durch die thermoionische Emission der Kathode entstehen, können durch Kühlen des Fotomultiplikators vermindert werden. Es ist auch bekannt, einen großen Teil dieser Nebengeräusche durch die Verwendung von zwei Fotomultiplikatoren in Parallelschaltung und einen Koinzidenz-Schaltkreis zu eliminieren, der nur die gleichzeitig ausgesandten Signale dieser Fotomultiplikatoren hindurchläßt. Schließlich haben die modernsten Fotomultiplikatoren einen ausreichend niedrigen Eigengeräuschpegel, so daß sie ohne die erwähnten Schutzmaßnahmen betrieben werden können.

Die parasitären Lichtsignale oder äußeren Nebengeräusche, welche den Empfänger erreichen, welche Vorsichtsmaßnahmen zürn Schütze des Empfängers auch immer getroffen sein mögen, stammen vom Ziel selbst, wenn es durch irgendeine andere Quelle außer, dem Laser-Sender beleuchtet wird, aus der Umgebung des Zieles und von der Helligkeit der Atmosphäre zwischen dem Ziel und dem Empfänger. Diese Helligkeit zwischen dem Ziel und dem Empfänger kann entweder durch äußere Umstände oder durch die Beugung des durch den Laser-Sender ausgestrahlten Lichts auftreten. Da diese äußeren Störgrößen einen ziemlich kleinen Pegel haben, werden sie durch den Fotomultiplikator in bestimmte elektrische Impulse übersetzt, die eine Amplitudenverteilung und eine zeitliche Verteilung von Eigenschaften aufweisen, die sich in Abhängigkeit von diesem Pegel verändern. Da außerdem diese äußeren Nebengeräusche schwach sind und die Geräuschimpulse im Abstand voneinander auftreten, ist es häufig schwierig, sie von Laser-Echos mit geringer Stärke zu unterscheiden.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit von Laser-Einrichtungen zur Entfernungsmessung zu verbessern, insbesondere den Einfluß der äußeren Nebengeräusche auf die praktisch verwertbare Empfindlichkeit der

ίο Empfänger dieser Einrichtungen zu vermindern.

Man weiß, daß der Lasereffekt, der eine Lichtverstärkung durch eine stimulierte Strahlenmission bedeutet, auftritt, wenn in einer Probe aus geeignetem Material eine Umkehr zwischen einem Grundenergieniveau und einem Niveau erregter Energie erfolgt, das durch das Einbringen einer »Pumparbeit« genannten Energie erhalten wird. Die Rückkehr eines Atoms aus dem erregten Zustand in den Grundzustand wird von der Emission eines Photons' mit einer Frequenz begleitet, die der Energiedifferenz zwischen dem erregten Niveau und dem Grundniveau entspricht. Dieses Photon ist fähig, die Emission eines anderen Photons mit der gleichen Frequenz und der gleichen Phase durch ein anderes Atom zu bewirken, so daß dadurch eine Lawinenwirkung erzeugt wird. Um einen Laser-Oszillator zu bilden, wird die Probe zwischen zwei parallelen Spiegeln so angeordnet, daß ein kurzgeschlossener (boucle) Oszillator erzielt wird. Ein genau paralleler Strahl von kohärentem Licht wird durch einen der Spiegel hindurch emittiert, der einen geringen Lichtdurchlässigkeitskoeffizienten hat. Die aus Feststoffen gebildeten Lasersysteme, wie die Rubinlaser, werden optisch mit Hilfe von Blitzröhren erregt, und um einen Lichtimpuls sehr großer Stärke und sehr kurzer Dauer zu erhalten, wird der Laser durch Zwischenschalten einer Kerr-Zelle zwischen die beiden Spiegel oder durch das Ersetzen des einen' Spiegels durch einen sich drehenden Reflektor daran gehindert, mit der Emission zu beginnen, bevor er nicht maximal erregt ist. Versuche haben gezeigt, daß ein fester und dergestalt ausgelöster Laser bei jeder Emission, d. h..beispielsweise bei jedem Vorbeigang des sich drehenden Reflektors gegenüber dem feststehenden Spiegel, zwei oder mehrere aufeinanderfolgende Impulse erzeugt, deren Anzahl und gegenseitiger Abstand durch Beeinflussung der Rotationsgeschwindigkeit des sich drehenden Reflektors verändert werden können, aber deshalb einer gewissen Instabilität.unterworfen bleiben.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch eine eingangs genannte Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels Laser-Impulsen dadurch gelöst, daß sie einen Schnellzähler,-,. Organe zur Inbetriebnahme dieses Zählers bei jedem ersten Impuls eines ausgesandten Laser-Impulspaares, Organe zum Stoppen des Schnellzählers und zur Inbetriebnahme eines Entfernungsmeßzählers beim zweiten Impuls des Impulspaares und einen dem Schnellzähler zugeordneten Dekoder aufweist, bei welchem jeder seiner Ausgänge ein UND-Eingangstor zu einer Verzögerungsstrecke steuert, die eine Zeitkonstante aufweist, die gleich der Anzahl von Zeiteinheiten ist, deren Registrierung im Schnellzähler jenen Ausgang aktiviert, und daß der Ausgang des Fotomultiplikators parallel zu einem Eingang eines jeden der UND-Tore und zum Stopp-Eingang des Entfernungsmeßzählers über ein UND-Tor geschaltet ist, dessen zweiter

Eingang mit den Ausgängen aller Verzögerungsstrecken verbunden ist.

Die Einrichtung gemäß der Erfindung bringt eine Verbesserung der Betriebssicherheit eines Laser-Entfernungsmessers, indem bei ihm beim Empfang von Rückkehrimpulsen die irrtümliche Verwendung von Impulsen verhindert wird, die aus beim Senden erzeugten parasitären Impulsen resultieren, was durch die Verwendung einer Steuereinrichtung der Meßeinrichtung für die Ausbreitungszeit für den Hin- und Rücklauf eines verwertbaren Impulses erreicht wird. Diese Steuereinrichtung aktiviert die Meßeinrichtung nur, wenn ein Rückkehrimpuls einem genau definierten ausgesandten Impuls entspricht. Zu diesem Zweck wird die Messung der Ausbreitungszeit auf dem Hinweg und Zurückweg beim Empfang erst freigegeben, nachdem eine »Schutzzelt« verstrichen ist. Dadurch werden die Rückkehrimpulse eliminiert, die Impulsen entsprechen, die vor dem betreffenden definierten Impuls ausgesendet worden sind oder die mit diesen zuletzt genannten Impulsen in zufälliger Beziehung stehen. , Anderseits ist die betreffende Messung nur möglich, wenn die beiden ausgesandten Impulse durch einen genauen Zeitabstand voneinander, getrennt sind, wodurch die Sicherheit bei der Messung weiter erhöht wird.

Das für jede Entfernungsmessung verwendete Impulspaar kann durch zwei aufeinanderfolgende Lichtimpulse bei einer einzigen Auslösung eines ausgelösten Feststoff-Lasers gebildet sein. In diesem Fall folgen die Impulse sehr dicht aufeinander. Das Impulspaar kann aber auch durch zwei Impulse gebildet werden, die durch ein zweimaliges aufeinanderfolgendes Auslösen eines solchen Lasers erzeugt werden. Im zweiten Falle, in welchem der Abstand der beiden Impulse wesentlich größer ist, wird als Schnellzähler vorzugsweise ein Dekadenzähler verwendet, bei welchem jeder Dekade ein Dekoder zugeordnet ist, der eine Gruppe von zehn Verzögerungsstrecken steuert, wobei die Gruppen von Verzögerungsstrecken der aufeinanderfolgenden Dekaden in Serie miteinander geschaltet sind.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema einer Laser-Einrichtung zur Entfernungsmessung gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ein Ausführungsbeispiel für einen Teil der in F i g. 1 gezeigten Einrichtung.

In F i g. 1 ist ein Laser 1, beispielsweise ein Rubinlaser für eine optische Erregung dargestellt, der mit ausgelösten Impulsen eine Zielplatte 2 beleuchtet, deren Entfernung gemessen werden soll. Ein parallel zum Laser 1 angeordnetes Empfangsteleskop 3 überträgt die von ihm empfangene Energie auf einen Fotomultiplikator 4, der die empfangenen Lichtimpulse in elektrische Impulse umwandelt. In Fig. 1 sind auch ein zweiter Fotomultiplikator 42 und ein halbdurchlässiger Spiegel 41 dargestellt, der das vom TeleskopS empfangene Licht auf die Fotomultiplikat'oren4 und 42 aufteilt. Auf die beiden Eingänge eines UNÖ-Tores 43 sind die Ausgänge der beiden Fotomultiplikatoren geschaltet. Diese bekannte Anordnung hat den Zweck, soweit wie möglich Fehlersignale infolge der Eigengeräusche der Fotomultiplikatoren auszuschalten. Das Tor 43 läßt nur diejenigen Signale hindurch, die gleichzeitig miteinander auftreten, bringt jedoch wegen des Spiegels 41 einen Energieverlust mit sich und ist nur gerechtfertigt in Ermangelung eines Fotomultiplikators 4, der einen ausreichend kleinen Geräuschpegel hat.

Der Laser 1 ist ein ausgelöster Laser, von welchem zwei aufeinanderfolgende Impulse verwendet werden, deren Abstand zum Unterscheiden ihrer Echos von parasitären Signalen verwertet wird. Dieser Abstand wird mit Hilfe eines Schnellzählers 5 gemessen, der über einen Dekoder 6 die Auswahl einer Verzögerungsstrecke 81 bis 89 steuert, die eine Zeitkonstante hat, die gleich dem gemessenen Abstand ist. Ein sehr kleiner Teil ^; der Energie der ausgestrahlten Laserimpulse wird über eine durchsichtige dünne Platte oder Stab auf eine Fotozelle 12 geleitet,, die bei jedem Lichtimpuls des Lasers 1 einen elektrischem Impuls erzeugt. Die Ausgangsimpulse der Zelle 12 werden auf die Einschalt- und die Stoppeingänge des Schnellzählers 5 über einen Schaltkreis gegeben, der auf diese Eingänge entsprechend die ersten und zweiten Impulse eines jeden Impulspaares gibt und der beispielsweise durch eine Kippstufe 13 gebildet sein kann, die durch die Ausgangssignale der Zelle 12 im Untersetzungssinne beeinflußt ist und deren einer Ausgang über einen Kondensator 14 mit dem Einschalteingang des Schnellzählers 5 und deren anderer Ausgang über einen Kondensator 15 einerseits mit dem Stoppeingang des Schnellzählers 5 und andererseits, mit dem Einschalteingang eines Entfernungsmeßzähler's 10 verbunden ist, welch letzterer zum Messen der zwischen dem Aussenden des zweiten Impulses eines jeden ausgesendeten Impulspaares und dem Eintreffen des Echos dieses zweiten Impulses verstrichenen Zeit bestimmt ist. Um dieses Echo von den anderen durch das Teleskop 3 empfangenen Signalen, äußeren Störungsgeräuschen, von den ersten Impulsen der Impulspaare oder von Eigengeräuschen der Fotomultiplikatoren zu unterscheiden, ist der Ausgang des Fotomultiplikators 4 — falls dieser allein verwendet wird — oder der Ausgang des Tores 43 — wenn zwei parallel geschaltete Fotomultiplikatoren verwendet werden — mit zwei' Eingängen eine UND-Tores 9 verbunden, das den Stoppeingang des Entfernungsmeßzählers 10 einmal direkt und zum anderen über mehrere parallelgeschaltete Kreise steuert, von denen jeder in Reihe ein durch einen bestimmten Ausgang des Dekoders 6 gesteuertes UND-Tor 71 bis 79 und die Verzögerungsstrecke 81 bis 89 aufweist, welch letztere eine Zeitkonstante hat, die gleich der Anzahl von im Schnellzähler 5 registrierten Zeiteinheiten ist, für welche der entsprechende Ausgang des Dekoders 6 aktiviert ist.

Die Verwendung eines einzigen Dekoders 6 am Ausgang eines Schnellzählers S führt zur Verwendung von so viel Verzögerungsstrecken 81 bis 89, wie Zählzeiteinheiten in dem zu messenden Zwischenzeitraum auftreten können. Diese Lösung befriedigt allgemein, wenn das Impulspaar durch eine einzige Auslösung eines Feststoff-Lasers erzeugt wird.

Wenn der Zeitraum zwischen den Impulsen eines jeden Impulspaares in wesentlich größeren Grenzen variiert werden können soll, insbesondere wenn man jeden der Impulse gesondert auslösen will, wird vorteilhafterweise eine Anordnung gemäß Fig. 2 gewählt, die als Schnellzähler 5 einen Dekadenzähler zeigt und bei welcher jede Dekade beispielsweise mit Hilfe von drei Dekodern 61, 62 und 63 mit zehn Ausgängen gesondert entschlüsselt wird, wobei die

Ausgänge die Mikrosekunden, die Hunderterstellen der Nanosekunden und die Zehnerstellen der Nanosekundcn jeweils von 0 bis 9 bezeichnen. Der Ausgang des Fotomultiplikators 4 ist mit den Eingängen der Tore 710 bis 719 verbunden, die durch die zehn Ausgänge des Dekoders 61 der Dekade mit einer höheren Ordnung gesteuert sind. Die Ausgänge des durch den Nullausgang des Dekoders 61 gesteuerten Tores 710 und der Verzögerungsstrecken 811 bis 819 mit Verzögerungen von 1 bis 9 Mikro-Sekunden sind parallel zueinander auf einen Eingang eines jeden der Tore 720 bis 729 geschaltet, die durch den Dekoder 62 gesteuert sind, und die Ausgänge des Tores 720 und der Verzögerungsstrecken 821 bis 829 mit Verzögerungen von 100 bis 900 Nanosekunden sind parallel zueinander auf Tore 730 bis 739 geschaltet, die durch den Dekoder 63 für die Zehnerstellen der Nanosekunden gesteuert sind.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Entfernungsmessung mittels Laser-Impulsen, mit einem Laser-Sender und einem zugeordneten, ein Teleskop enthaltenden Empfänger, mit mindestens einem Fotomultiplikator und einem Entfernungszählgerät, welches das Zeitintervall zwischen der Aussendung eines Laser-Impulses und dem Empfang seines von einem Ziel kommenden Echos mißt, und mit Organen zum paarweisen Aussenden von Laser-Impulsen, zum Messen des Zeitabstandes zwisehen den beiden Impulsen eines jeden ausgesandten Impulspaares und zum Verwenden nur des zweiten der beiden Impulse, die durch den letzten gemessenen Zeitabstand voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Schnellzähler (5), Organe (12 bis 15) zur Inbetriebnahme dieses Zählers bei jedem ersten Impuls eines ausgesandten Laser-Impulspaares, Organe zum Stoppen des Schnellzählers (5)' und zur Inbetriebnahme eines Entfernungsmeßzählers (10) beim zweiten Impuls des ausgesandten Impulspaares und einen dem Schnellzähler (5) zugeordneten Dekoder (6) aufweist, bei welchem jeder seiner Ausgänge ein UND-Eingangstor (71 bis 79) zu einer Verzögerungsstrecke (81 bis 89) steuert, die eine Zeitkonstante aufweist, die gleich der Anzahl von Zeiteinheiten ist, deren Registrierung im Schnellzähler (5) jenen Ausgang ■ aktiviert; und daß der Ausgang des Fotomultiplikators (4) parallel zu einem Eingang eines jeden der UND-Tore und zum Stopp-Eingang des Entfernungsmeßzählers (10) über ein UND-Tor (9) geschaltet ist, dessen zweiter Eingang mit den Ausgängen aller Verzögerungsstrecken (81 bis 89) verbunden ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schnellzähler (5) vorzugsweise ein Dekadenzähler verwendet ist, bei welchem jeder Dekade ein Dekoder (61 bis 63) zugeordnet ist, der eine Gruppe von zehn Verzögerungsstrecken (z. B. 810 bis 819) steuert, und die Gruppen von Verzögerungsstrecken der aufeinanderfolgenden Dekaden in Serie miteinander geschaltet sind (F i g. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen