DE2142531A1 - Laser Meßeinrichtung zur Bestimmung von Entfernungen, insbesondere zur Tiefen bestimmung, in Gewässern und Filterbau teil, insbesondere fur derartige Meßein richtungen - Google Patents

Description

— ^ PATENTANWÄLTE "

DR.-PHIL. G. NICKEL· DR.-ING. J. DORNER

■ 8 MÜNCHEN IS tANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

₅557,9 München, den 18.August 1971

Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 1,1

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Ma.02173 Vereinigte Staaten von Amerika

Laser-Messeinrichtung zur Bestimmung von Entfernungen, insbesondere zur Tiefenbestimmung, in Gewässern und Filterbauteil, insbesondere für derartige Messeinrichtungen

Die Erfindung betrifft allgemein Laser-Tiefenmeßeinrichtungen und insbesondere Optische Filter, welche in den Empfängern von Meßeinrichtungen dieser Art verwendet werden können.

Bei Laser-Tiefenmeßeinrichtungen werden bekanntermaßen Lichtimpulse verwendet, mit denen eine rasche und genaue Auslotung der Tiefe eines Gewässers, beispielsweise des Meeres und eine Auffindung untergetauchter oder versenkter Gegenstände erfolgen kann. Die Meerestiefe oder die Tiefenlage des untergetauchten Gegenstandes wird im allgemeinen durch Messung des Zeitraumes zwischen dem Empfang der von der Gewässeroberfläche reflektierten Energie und dem Empfang der Energie bestimmt, welche von dem Boden des Gewässers oder von dem untergetauchten oder versenkten Gegenstand zurückgeworfen wird. Hat eine solche Einrichtung größeren Abstand von der Gewässeroberfläche, beispielsweise wenn sie an Bord eines Hubschraubers verwendet wird, so. bestimmt man die Höhe des Hubschraubers durch Messung des Zeitraumes zwischen dem Zeitpunkt der Aussendung jedes Laserimpulses und dem Zeitpunkt des Eintreffens der von der Gewässeroberfläche reflektierten Energie, Die Leistung der

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reflektierten, rückkehrenden Signale ändert sich in starkem Masse, wenn zuerst die von der Gewässeroberfläche reflek-, tierten Impulse und dann die von dem Wasser unterhalb der Oberfläche und von irgendeinem untergetauchten Zielobjekt reflektierten Impulse und schließlich die vom Gewässerboden reflektierten Impulse eintreffen. Während äich die absolute Größe der Impulsleistung mit der Plughöhe des betreffenden Flugzeuges, ferner abhängig von dem Seegang und von der Gewässertiefe ändert, herrscht bei einer gegebenen Bedingung ein außerordentlich großer relativer Amplitudenunterschied bei den reflektierten Energien. Beispielsweise werden durch die vorherrschende, spiegelartige Reflexion an der Gewässeroberfläche Signale erzeugt, welche etwa 70 db größer sein können, als diejenigen Signale, die auf Reflexionen an Punkten unmittelbar unterhalb der Gewässeroberfläche beruhen und können schließlich 90 db größer sein als Signale, die von Reflexionen am Gewässerboden herrühren. Diese Eigenschaften der Echosignale stellen für den dynamischen Bereich des Empfängers ein außerordentlich schwieriges Problem dar. Wird im Empfänger insbesondere ein Fotovervielfacher als Fotodetektor verwendet, so können die Reflexionssignale von der Gewässeroberfläche den Fotovervielfacher sättigen, so daß eine Echolotung getauchter Zielobjekte unmöglich gemacht wird. Eine entsprechende Sättigungserscheinung tritt auch auf, wenn im Empfänger als Fotodetektor eine Kombination aus Fotodiode und Verstärker verwendet wird.

Eine Möglichkeit zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist die sogenannte Bereichsschaltung, d.h. es wird eine Vielzahl von Fotodetektoren verwendet, welche jeweils eine unterschiedliche Empfindlichkeit besitzen und welche mit einer logischen Torschaltung zusammenwirken, derart, daß der Fotodetektor mit der richtigen Empfindlichkeit jeweils zur richtigen Zeit eingeschaltet wird und die verschiedenen Echosignale aufnimmt. Eine solche Meßeinrichtung ist aber außerordentlich kompliziert und kostspielig.

Eine andere Möglichkeit zur Lösung des zuvor geschil-

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derten Problemes besteht darin, in die Brennebene des Empfängers einen.optischen Filter einzuschalten, dessen Mittelbereich optisch so dicht ausgebildet ist, daß die verhältnismäßig starken Signale aufgrund von Reflexion an der Gewässeroberfläche sehr stark geschwächt werden. Wegen der großen, im Mittelbereich des Filters erforderlichen optischen Dichte können aber Messungen bei geringer Gewässertiefe unmöglich gemacht werden.

DurcI^ die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Laser-Meßeinrichtung zur Bestimmung von Entfernungen, insbesondere zur Tiefenbestimmung in Gewässern so auszubilden, daß Echosignale auf Grund spiegelartiger Reflexion an der Gewässeroberfläche selektiv gedämpft werden können.

Die Erfindung umfasst auch die Schaffung eines Filterbauteiles, mit welchem Rückstreuungen von Punkten nahe der Oberfläche des Gewässers bedeutend stärker gedämpft werden als Rückstreuungen von Punkten in größerer Tiefe oder nahe dem Gewässerboden.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, im Empfänger der Meßeinrichtung vom Wasserspiegel reflektierte, im wesentlichen polarisierte elektromagnetische Energie auswertbar ist und daß der Empfänger eine aus einem Polarisatorwerkstoff bestehende Filterscheibe enthält, welche die vom Wasserspiegel reflektierte, polarisierte elektromagnetische Energie vor dem Auftreffen auf einen Fotodetektor schwächt. ■ ,-.

Eine Messeinrichtung nach der Erfindung arbeitet also mit einem Laserstrahl, welcher auf die zu untersuchende Umgebung ein Strahlenbündel kohärenten, polarisierten Lichtes richtet und es sind Empfangseinrichtungen vorgesehen, welche einen Polarisationsfilter enthalten, der bezüglich seiner Polarisationsrichtung quer zu der Polarisationsrichtung der im wesentlichen polarisierten Energie liegt, die von spiegel-

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artiger Reflexion an der Gewässeroberfläche herrührt, so daß eine selektive Dämpfung dieser Reflexion stattfindet, bevor die entsprechenden Signale auf den empfängerseitigen Fotodetektor auftreffen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann zusätzlich ein optischer Keil in dem Strahlengang der reflektierten Energie angeordnet werden, wobei die optische Dichte und der entsprechende Dämpfungsfaktor dieses optischen Keiles von dem Mittelbereich zum Rand hin abnimmt, wodurch Reflexionen von Punkten in geringerer Entfernung unter der Gewässeroberfläche stärker abgedämpft werden als Reflexionen von Punkten nahe dem Gewässerboden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

Figur 1 eine schematische Abbildung einer an einem Flugzeug angeordneten Laser-Meßeinrichtung zur Tiefenbestimmung in Gewässern in stark vereinfachter Darstellung zur Beschreibung der Grundzüge der erfindungsgemäßen Einrichtung und

Figur 2 eine perspektivische Abbildung eines Filterbauteiles als/Polarisator und optischer Keil, teilweise geschnitten und teilweise etwas verzerrt, um den Aufbau besser aufzeigen zu können.

Figur 1 zeigt also eine Laser-Meßeinrichtung zur Tiefenbestimmung in Gewässern, welche auf einem Flugzeug 11, im vorliegenden Falle einem Hubschrauber, angeordnet ist und zur Ozeanographie verwendet werden kann. Die Einrichtung enthält einen Laser-Sender 12, einen Laser-Empfänger 13 und ein Auswertungsgerät 14. Der Laser-Sender 12 enthält einen Yttrium-Aluminium-Granat-Laser mit Güteschaltung und Frequenzverdopplung sowie mit einer* bei Berücksichtigung der jewei-

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ligen Meerestiefe ausreichenden Leistung. Der laser erzeugt einen nicht näher bezeichneten Laserstrahl linear polarisierten, kohärenten Lichtes mit einer Sendewellenlänge von 0,53 u> wobei diese Wellenlänge nahe dem Maximum des sogenannten Meeres-Übertragungsfensters liegt. Der Laserstrahl wird an einem Senderspiegel 15 so reflektiert, daß er auf einen im wesentlichen senkrecht zur Meeresoberfläche verlaufenden Weg gelenkt wird. Dieser senkrechte Verlauf des Laserstrahles wird dadurch aufrecht erhalten, daß der Laser-Sender 12, der Senderspiegel 15 und der Laser-Empfänger 13 auf einer gemeinsamen, nicht dargestellten Plattform oder Halterung befestigt sind, welche ihrerseits gegenüber dem Plugzeug oder Hubschrauber 11 mittels einer kardanischen Aufhängung 16 abgestützt ist* Der Senderspiegel 15 ist gegenüber der Einfallslinie 17 des Empfängers so ausgerichtet, daß der Laserstrahl nach Reflexion an dem Senderspiegel 15 und die Einfallslinie 17 des Empfängers im wesentlichen koaxial zueinander verlaufen. Der Senderspiegel 15 ist im Vergleich zu der Empfangsöffnung des Empfängers klein. Die Energie des Sendestrahles wird zunächst teilweise von der Gewässeroberfläche, hierauf von dem Wasserkörper einshließlich etwa vorhandener, versenkter Zielobjekte, welche nicht dargestellt sind und schließlich von dem Gewässerboden reflektiert. Das maximale Gesichtsfeld oder der Öffnungswinkel des Empfängers 13 ist durch die Linien 18 angedeutet. Damit Rückstreuungen, welche unter der Gewässeroberfläche in der Tiefe D₁ und in größeren Tiefen D₂ entstehen, vom Empfänger 13 aufgenommen werden könnnen, müssen diese unter der Oberfläche auftretenden RückStreuungen sich in Richtung auf den Empfänger ausbreiten und von den Wellenflächen an der Wasseroberfläche so gebrochen werden, daß die Echosignale im Öffnungswinkel oder Gesichtsfeld des Empfängers liegen. Während die¹ Rückstreuungen sich in vielerlei Richtungen ausbreiten, sind in der Zeichnung diejenigen, in den Tiefen D₁ und D₂ hervorgerufenen Reflexionen eingezeichnet, welche noch innerhalb des maximalen Gesichtsfeldes des Empfängers liegen und durch die Linien 19 bzw.20 näher bezeichnet sind.

Eb sei bemerkt, daß der Grad der Brechung an der

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ORIGINAL INSPECTED

Wasseroberfläche, welche für Rückstreuuojen aus der Tiefe D₁ notwendig ist, um diese in das maximale Gesichtsfeld oder den maximalen Öffnungswinkel des Empfängers zu bringen, größer als der Grad der Brechung an der Wasseroberfläche ist, der für Rückstreuungen aus größeren Tiefen S₂ notwendig ist. Da große Brechungen an der Wasseroberfläche bei großen Steigungen der Wellenflächen auftreten und da die Wahrscheinlichkeit für geringere Steigungen der Welsnflächen größer ist, wird die größte Menge von reflektierter Energie auf Grund von Zielobjekten nahe unter der Wasseroberfläche am Empfänger nahe der Einfallslinie 17 des Empfängers aufgenommen, während ein entsprechend größerer Prozentsatz reflektierter Energie aus größeren Tiefen in größerem Abstand von der Einfallslinie I7 des Empfängers aufgenommen werden kann. Das bedeutet, daß das Gesichtsfeld in der Brennebene des Empfängers für Echosignale auf Grund von Rückstreuungen unmittelbar unter der Wasseroberfläche kleiner als für Reflexionen nahe dem Gewässerboden ist.

Ferner sei bemerkt, daß der ausgesendete, polarisierte Impuls bei der Reflexion an der Wasseroberfläche im wesentlichen polarisiert bleibt. Hit anderen Worten, die spiegelartige Reflexion an der Wasseroberfläche bewirkt eine im wesentlichen linear polarisierte Reflexionsenergie. Demgegenüber ist die rückkehrende Energie auf Grund von Streuungen unmittelbar unter der Wasseroberfläche la wesentlichen nicht polarisiert.

Die verschiedenen reflektierten Echosignale, welche vorstehend genauer beschrieben wurden, werden mittels einer hier als Linse angegebenen Empfänger-Sanrasloptik 21 gesammelt, so daß eine Fokussierung in der Brennebene des Empfängers erfolgt. Ein optischer Filter 22, welcher nachfolgend noch genauer beschrieben wird, ist in der dargestellten Weise in der genannten Brennebene angeordnet. Sie Filterfläche dee optischen Filters 22 liegt Im wesentlichen senkrecht zur Einfallelinie 17 des Empfängers, welche durch die Mitte der Filterflache geht. Die Wirkungsweise des optischen

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Filters"22 besteht darin, den dynamischen Bereich der verschiedenen Echosignale zusammenzudrücken. Der mittlere Bereich des optischen Filters dient dazu, die Reflexionen auf Grund spiegelartiger Reflexion an der Wasseroberfläche und die Reflexionen auf Grund Rückstreuung unmittelbar unterhalb der Wasseroberfläche stark abzudämpfen, da solche Rückkehr-"signale im Mittelbereich des Filters vorherrschen. Reflexionen auf G-rund von Rückstreuungen in größerer Tiefe unter der Oberfläche nahe dem Gewässerboden werden von dem optischen Filter 22 bedeutend weniger als solche auf Grund von Rückstreuungen nahe der Gewässeroberfläche abgeschwächt.

Die Feldlinse 23 fokussiert die durch den optischen Filter 22 gefilterten, reflektierten Signale auf den Fotovervielfacher 24. Ein Bandfilter 25 mit schmalem Durchlaß-

I...!band an sich bekannter Bauart läßt nur elektromagnetische Energie einer schmalen Strektrumslinie durch, welche auf die Wellenlänge des Laser-Senders ausgerichtet ist, im vorliegenden Falle also 0,53 <λΐ· Das von dem Fotovervielfacher erzeugte elektrische Signal wird über eine Leitung 26 zu dem Auswertgerät 14 übertragen. Das Auswertgerät 14, im Vorliegenden Falle ein Zeitzähler, kann beispielsweise ein Zeit-Entfernungsmeßgerät an sich bekannter Bauart sein. Durch Bestimmung des Zeitraumes zwischen dem Eintreffen des ersten Empfangssignales am Fotovervielfacher 24 entsprechend einer Reflexion an der Wasseroberfläche und der Beendigung des Signales am Fotovervielfacher kann die Gewässertiefe bestimmt werden, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Laser-Energie im Wasser oder im Meer etwa 2,72 ns/ft bei einer Betriebswellenlänge von 0,53 at beträgt. Das Auswertgerät 14 empfängt

außerdem über eine Leitung 27 vom Laser-Sender 12 ein Signal, welches bei Beginn des Sendeimpulses auftritt. Der Zeitraum zwischen dem Eintreffen dieses Signales des Laser-Senders an dem Auswertgerät 14 und dem Einsetzen der Reflexionssignale wird zur Bestimmung der Flughöhe des Flugzeuges 11 ausgewertet.

Figur 2 zeigt den Aufbau des optischen Filters 22.

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Der Filter 22 ist ein scheibenförmiges Bauteil, welches einen fotographischen Film 33 enthält, der zwischen Glasplatten 34 und 35 eingelagert ist. An der Außenseite der Glasplatte 35 ist eine Scheibe 32 aus einem linear polarisierenden Werkstoff festgekittet. Auf dem fotographischen Film 33 ist eine Vielzahl konzentrischer Ringe 28, 29, 30 und 31 gebildet, welche jeweils abnehmende optische Dichte besitzen, so daß "der Film in seiner Mitte die größte optische Dichte besitzt.

Betrachtet man nochmals Figur 1, so ist festzustellen, daß die linear polarisierende Scheibe 32 mit gekreuzter Polarisationsrichtung in Bezug auf die lineare Polarisation der reflektierten Energie ausgerichtet ist, die auf spiegelartiger Reflexion an der Wasseroberfläche beruht.

Man erkennt, daß die abgestufte optische Dichte des fotographischen Films nicht notwendigerweise aus einer Vielzahl konzentrischer Ringe gebildet sein muß, sondern auch kontinuierlich abnehmen kann. Auch kann ein polarisierender Werkstoff in seinem Mittelbereich mit größerer optischer Dichte ausgebildet werden als in den Randzonen, so daß der optische Filter 22 von einem einzigen Körper gebildet sein kann.

Andererseits ist es aber auch möglich, den Polarisator von dem Filter abgestufter öder veränderlicher optischer Dichte zu trennen. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel kann eine Reihe von Polarisator-Filtereinheiten der beschriebenen Art vorgesehen sein, welche an Bord eines Flugzeuges verwendet werden und jeweils für eine bestimmte Kombination möglicher Wind-, Höhen- und Wasserverhältnisse besonders geeignet sind. '

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Claims (2)

1. ■ <ϊ 2U2531

   Patentansprüche

   Laser-Meßeinrichtung zur Bestimmung von Entfernungen, insbesondere zur Tiefenbestimmung in Gewässern, mit einem die reflektierte, elektromagnetische Energie auswertenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet/ daß im Empfänger (13, 14) vom Wasserspiegel reflektierte, im wesentlichen polarisierte elektromagnetische Energie auswertbar ist, und daß der Empfänger eine aus einem Polarisatörwerkstoff bestehende Filterscheibe (22) enthält, weiche die vom Wasserspiegel reflektierte, polarisierte elektromagnetische Energie vor dem Auftreffen auf einen Fotodetektor (24) schwächt«
2. 2. Laser-Meßeinrichtung naGh Anspruch 1, bei welcher im Gesichtsfeld des Empfänger von dem Gewässer reflektierte elektromagnetische Energie eintrifft» welche sowohl im wesentlichen polarisierte elektromagnetische Energie, die von Reflexionen an der Wasseroberfläche herrührt und sich im Mittenbereich des Gesichtsfeldes dös Empfängers konzentriert, als auch im wesentlichen nicht polarisierte elektromagnetische Energie enthält, welche von Ruckstreüüngen unter der Oberfläche des Gewässers herrührt und wölche lii ihrer Intensität von der Mitte zum Rand des Gesichtsfeldes des Empfängers abnimmt, dadurch gekennzeichnet> daß ein optischer Filterkeil (22) vorgesehen ist» welcher im seinem mittlöreti. Bereich größere optische Dichte als in den Randbereichen besitzt und dessen Mitte auf die Mitte des Gesichtsfeldes des Empfängers ausgerichtet ist> woböi dieser Filterköil zur Schwächung der Intensität de* nicht polärisiorten Energie dient> während die FilterSöhäibeäUö Polarisatörwerkstoff zur Schwächung der polarisierten Energie dieritp Und daß der Fotodetektor (24) sowohl auf die selektiv gefilterte_f nicht polarisierte elektromagnetische Energie* als auch auf die gedämpfte polarisierte elektromagnetische Energie änsprlöht* >

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   insbesondere für eine iaiser-Meßeiär'iöhtüng nööh Anspruch: 1 oder 2y

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