DE2257445B2

DE2257445B2 - Visuell ausrichtbarer elektrooptischer laufzeit-entfernungsmesser mit intensitaetssteuerung

Info

Publication number: DE2257445B2
Application number: DE19722257445
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Täby Wiklund (Schweden)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1971-11-25
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1977-03-17
Also published as: JPS4861165A; DE2257445A1; SE358243B; US3898007A; CH547502A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrooptischen Entfernungsmesser mit einem Signalsender, der elektromagnetische Wellen mit das menschliche Auge beeinflussender Frequenz wie ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht aussendet, mit einem Empfänger, der einen für die vom Signalsender ausgesandten elektromagnetischen Wellen empfindlichen Detektor und eine Ausrichteinrichtung für seine Ausrichtung auf den fernen Punkt einer von den elektromagnetischen Wellen zu durchlaufenden Meßstrecke unter Beobachtung mit dem Auge enthält, mit einem sowohl mit dem Signalsender als auch mit dem Empfänger elektrisch gekoppelten Entfernungsanalysator zum Bestimmen der Laufzeit der elektromagnetischen Wellen auf der Meßstrecke, mit einer elektrischen Steuerschaltung zum Einstellen der Intensität der vom Signalsender ausgesandten elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Intensität der am Empfänger aufgefangenen elektromagnetischen Wellen und mit einer an den Empfänger angeschlossenen Regelschleife zum Herabsetzen der Schwankungen der Intensität der Empfängerausgangssignale.

In der DT-OS 19 63 559 ist ein insbesondere als Echolot ausgebildeter Entfernungsmesser dieser Art beschrieben, bei dem die Leistung der abgestrahlten Meßstrahlungsimpulse der jeweils angestrebten Reichweite entsprechend gewählt werden kann. Außerdem sind bei diesem bekannten Entfernungsmesser besondere Vorkehrungen getroffen, die anzeigen, ob bzw. daß die gemessene Entfernung oder auch ihre zeitliche Änderung einen bestimmten Wert erreicht bzw. erreichen wird, um gegebenenfalls eine Warnung vor einer möglichen Kollision eines mit dem bekannten Entfernungsmesser ausgestatteten Fahrzeuges mit einem Hindernis auszulösen.

Bei elektrooptischen Entfernungsmessern, wie sie den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden und in ihrem grundsätzlichen Aufbau etwa in der DT-AS 20 14 681 oder der DT-AS 16 23 515 beschrieben sind, dient als Meßstrahlung insbesondere infrarotes, ultraviolettes oder sichtbares Licht, das beispielsweise durch einen mit dem Entfernungsmesser verbundenen Laser abgestrahlt und am fernen Ende einer Meßstrecke durch einen geeigneten Reflektor zur Beobachtungsoptik des Entfernungsmessers zurückreflektiert wird.

Bei derartigen Geräten ergibt sich eine starke Abhängigkeit der einfallenden reflektierten Strahlung von der jeweils gemessenen Entfernung, da die Intensität der Meßstrahlung unter der in der Praxis stets realisierten Annahme einer im Vergleich zum Querschnitt der Meßstrahlung kleinen Reflektorfläche mit der vierten Potenz der Entfernung zwischen dem Aufstellungsort des Entfernungsmessers einerseits und dem Reflektor am fernen Ende der Meßstrecke andererseits abnimmt. Dies führt zum einen zu sehr weitgehenden Forderungen hinsichtlich der Linearität im Anzeigebereich für den zur Erfassung der reflektierten Meßstrahlung verwendeten Strahlungsdetektor, der beispielsweise ein Sekundärelektronenvervielfacher sein kann, und zum anderen auch zu sehr starken Unterschieden in der Strahlungseinwirkung auf ein Beobachterauge.

Die unterschiedliche Strahlungseinwirkung auf das Beobachterauge ist indessen insbesondere bei mit ultravioletter oder infraroter Meßstrahlung arbeitenden Geräten mit großen Gefahren für die Bedienungspersonen verbunden, da deren Augen auf diese Strahlung nicht reagieren, gleichwohl aber dadurch geschädigt werden können, wenn ihre Intensität bestimmte Grenzwerte übersteigt. Diese Gefahren werden dabei um so größer, je lichtstärker die verwendeten optischen Systeme sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Entfernungsmesser der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine schädigende Wirkung der am Empfänger des Entfernungsmessers einfallenden elektromagnetischen Wellen für die Augen der mit dem Betrieb des Entfernungsmessers beschäftigten Personen bei allen Betriebsbedingungen vermieden bleibt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerschaltung in die Regelschleife einbezogen ist, derart, daß sie anhand des mittleren Pegels der informationstragenden Frequenz des empfangenen Signals die mittlere Intensität der vom

Signalsender kontinuierlich abgestrahlten, modulierten elektromagnetischen Wellen ständig in einem für das menschliche Auge unschädlichen Größenbereich hält

Dank der erfindungsgemäßen Ausbildung des Entfernungsmessers wird das vom Sender ausgesandte Signal in seiner Wirkung der jeweils zu messenden Entfernung angepaßt Dadurch kann nicht nur mit Sicherheit jede Gefahr einer Schädigung für die Augen der mit dem Entfernungsmesser arbeitenden Personen vermieden werden, sondern es kann außerdem die verlorene Senderleistung verringert und der Dynjmikbe--eich für den Sender verkleinert werden.

Bei eifccr gebräuchlichen Art elektrooptischer Entfernungsmesser wird mit sichtbarem Licht gearbeitet, da sich Sender und Empfänger dann ohne weiteres mit Hilfe eines Richtfernrohrs auf den fernen Punkt einer Meßstrecke ausrichten lassen. Mit solchen Entfernungsmessern lassen sich Entfernungen bis zu einigen zehn Kilometern messen. Bei bisher üblichen Entfernungsmessern wird dann die Senderleistung der größtmögli- a> chen Entfernung angepaßt, so daß si«; für Messungen über kürzere Entfernungen unnötig groß wird. Dies wirkt sich beim Ausrichten von Sender und Empfänger mittels des Richtfernrohrs in Form einer sehr starken Lichtbelastung für das Beobachterauge aus, die durch das optische System des Richtfernrohrs noch weiter erhöht wird, so daß Messungen über kürzere Entfernungen zu Augenschäden beim Beobachter führen können. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Senderleistung an die Meßentfernung wird — wie vorstehend dargelegt — eine solche Gefahr für den Beobachter zumindest sehr weitgehend vermieden.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. I ein erstes Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmesser in Form eines Blockschaltbildes;

F i g. 2 einen ähnlich gebauten Entfernungsmesser mit mehr Einzelheiten und

F i g. 3 eine Ausführungsvariante für eine Einzelheit des Entfernungsmessers nach F i g. 2.

In der nachstehenden Beschreibung sind als Ausführungsbeispiele Entfernungsmesser behandelt, die mit sichtbarem Licht arbeiten. Als Lichtquelle kommt in diesem Falle eine gewöhnliche Glühfadenlampe, eine Quecksilberdampflampe, eine Lichtdiode oder ein kontinuierlich arbeitender Laser in Betracht. Der Aufbau von Entfernungsmessern, deren Signalsender 5^r ultraviolettes oder infrarotes Licht ausstrahlen, ist weitgehend analog.

Der in F i g. 1 dargestellte Entfernungsmesser besitzt einen Signalsender 1, der ?um einen die Lichtquelle selbst und zum anderen eine Modulationssignalquelle enthält. Diese gibt ein Modulationssignal ab, das zur Modulation des von der Lichtquelle, die beispielsweise eine Glühfadenlampe, eine Quecksilberdampflampe oder ein Lager sein kann, abgegebenen Lichts dient, so daß das vom Signalsender 1 abgestrahlte Signal 2 aus modulierten elektromagnetischen Wellen besteht. Die- :-es Signal 2 wird am fernen Ende der Meßstreckc beispielsweise an einem Prisma 3 umgelenkt und so zu einem ebenfalls zum Entfernungsmesser gehörigen Empfänger 4 reflektiert. <'5

Der Empfänger 4 enthält einen Detektor, der sichtbares Licht in elektrische Signale umwandeln kann und heisDielsweise aus einem Fotovervielfacher besteht.

Vom Signalsender 1 wird das Moduiationssignal über eine entsprechende Verbindung auch zum Empfänger 4 geleitet und bewirkt dort eine Modulation am Detektor.

Das so vom Detektor abgegebene Signal wird einem Verstärker 5 zugeführt und gelangt von dort zu einem zum Entfernungsmesser gehörigen Laufzeit-Analysator 6, der ebenfalls mit dem Modulationssignal vom Signalsender 1 gespeist wird. Der Aufbau des Laufzeitbzw. Entfernungs-Analysators 6 ist in verschiedenerlei Weise möglich. Ein brauchbares Beispiel dafür ist in der US-PS 34 88 585 beschrieben.

Das Ausgangssignal des Empfängers 4 wird nicht nur dem Analysator 6 zugeführt, sondern außerdem über ein Tiefpaßfilter 7 und einen Verstärker 8 auf einen Steuereingang 9 des Signalsenders 1 rückgekoppelt Dabei dient das Tiefpaßfilter 7 dazu, die Hochfrequenz des Lichtsignals aus dem Steuersignal herauszufiltern.

Das Steuersignal stellt eine Funktion des mittleren Pegels der am Empfänger 4 ankommenden elektromagnetischen Wellen dar und eignet sich zur Beeinflussung der mittleren Intensität der vom Signalsender 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. In dem hier behandelten Falle bestehen diese elektromagnetischen Wellen aus sichtbarem Licht, und das Steuersignal ist daher eine Funktion der mittleren Intensität des am Empfänger 4 einfallenden Lichts.

Das erfindungsgemäß gewonnene Steuersignal eignet sich zur Steuerung des abgestrahlten Lichts und wird so in Anwendung gebracht, daß die Intensität des einfallenden Lichts innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wird. Wird der dargestellte Entfernungsmesser zum Messen einer großen Entfernung benutzt, so befindet sich das Prisma 3 entsprechend in einem großen Abstand vom Signalsender 1 und vom Empfänger 4. Der Signalsender 1 wird so gefeuert, daß die mittlere Intensität des abgestrahlten Lichts groß genug ist, damit das am Empfänger 4 einfallende Licht eine so große Intensität aufweist, daß eine optimale Einstellung des Arbeitsbereichs erhalten wird, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis so groß wird wie möglich. Soll nun eine erheblich kürzere Entfernung gemessen werden, so liegt es auf der Hand, daß die abgestrahlte Lichtintensität unnötig groß werden würde. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmesser ist daher vorgesehen, diese Lichtintensität auf einen Wert zu reduzieren, der völlig ausreicht, um den Detektor im Empfänger 4 bei der Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale befriedigend arbeiten zu lassen.

Wenn die Lichtquelle eine Lichtdiode ist, so bedarf es keiner besonderen Modulationseinrichtung im Signalsender 1, sondern es kann dann mit Hilfe des Modulationssignals unmittelbar der Betriebsstrom für die Lichtdiode variiert werden.

In Fig. 2 ist veranschaulicht, wie die obenerwähnte Steuerung in dem Falle vorgenommen wird, daß die lichtquelle aus einer Lampe oder einem Laser besteht. Dabei strahlt die eigentliche Lichtquelle 10 ihr Licht über emc Sammellinse 11 zu einem Modulator 12, der beispielsweise eine Kerr-Zelle oder ein Pockels-Modulator sein kann. Nach dem Durchgang durch den Modulator 12 wird das dann divergente Lichtbündel durch eine Linse 13 gesammelt und als das Signal 2 bildender Parallelstrahl auf den Reflektor am fernen Ende der Meßstrecke gerichtet. Dort wird der Lichtstrahl reflektiert und gelangt nach Durchgang durch eine Sammellinse 14 zu einem Detektor 15 im Empfänger. Dieser Detektor 15 kann beispielsweise ein Fotovervielfacher, eine Avalanche-Diode oder eine

Fotodiode sein. Das einfallende Licht wird im Detektor

15 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zum einen dem Entfernungs-Analysator 6 und zum anderen über das Tiefpaßfilter 7 und den Verstärker 8 dem Signalsender zugeleitet wird. Dabei ist die Arbeitsweise dieser letztgenannten Bauelemente wieder die gleiche wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I. Die Verbindungen zwischen dem Entfernungs-Analysator 6 einerseits und Signalsender und Empfänger andererseits sind in F i g. 2 nicht weiter dargestellt.

Unter der Annahme, daß der Modulator 12 eine Kerr-Zelle ist, so erfolgt die Modulation als das Ergebnis eines dieser Kerr-Zelle zugeführten Modulationssignals, das zum einen aus einer Modulationsspannung und zum anderen aus einer Vorspannung besteht. Die Modulationsspannung wird durch einen Oszillator

16 erzeugt und dem Modulator 12 über einen Verstärker

17 zugeführt, der einen Steuereingang 18 besitzt. Durch Anlegen eines Steuersignals an diesen Steuereingang 18 läßt sich die Amplitude der Modulationsspannung steuern. Die Vorspannung im Modulationssignal wird durch eine variable Gleichspannungsquelle 19 erzeugt, die einen Steuereingang 20 aufweist.

Die mittlere Intensität des vom Modulator 12 ausgehenden Lichtsignals läßt sich mit Hilfe der Vorspannung aus der Gleichspannungsquelle 19 steuern. Auf diese Weise kann der Gleichspannungspegel, um den herum die Modulation erfolgt, in Abhängigkeit von der Intensität des empfangenen Signals eingestellt werden. Außerdem wird die Auswahl für den Modulationsgrad passend so getroffen, daß sich eine optimale Relation für die jeweilige Entfernung ergibt, die das schlechteste Signal/Rausch-Verhältnis im Empfänger liefert Wird außerdem die Begrenzung eingeführt, daß die Modulation stets das gleiche Vorzeichen haben soll, so lassen sich alle unerwünschten Harmonischen in einfacher Weise unterdrücken. Durch Steuerung nicht nur des Gleichspannungspegels im Modulationssignal, sondern auch der Modulationsspannung in Abhängigkeit von der mittleren Intensität des empfangenen Signals läßt sich ein größerer Dynamikbereich erhalten.

Zur Erhöhung der Detektorempfindlichkeit für den informationstragenden Lichtstrahl kann vor dem Detektor ein optisches Bandpaßfilter angeordnet werden, so daß die Strahlung aus der Umgebung weggefiltert wird.
In Fig.3 ist eine Alternativausführung für das in F i g. 2 dargestellte Tiefpaßfilter 7 veranschaulicht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 5 wird in F i g. 3 einem Bandpaßfilter 21 und sodann einem Tiefpaßfilter 22 mit einem Gleichrichter und schließlich den Steuereingängen der Modulationssignalquelle zugeführt. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 22 wird als Ergebnis eine Hüllkurve für das informationstragende Signal vom Empfänger erhalten.

Mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmessers läßt sich durch Bestimmung der mittleren

■5 Intensität des einfallenden Lichts und deren Rückkopplung auf den Modulator eine Arbeitsweise mit automatischer Anpassung an einen notwendigen und hinreichenden Signalpegel realisieren.
Entfernungsmesser der oben beschriebenen Art

»o arbeiten häufig mit einem sehr schmalen LichtbUndel, das einem Reflektor zugestrahlt wird. Dabei kann jedoch insbesondere bei Messungen über große Entfernungen Turbulenz in der Luft zu kleinen Änderungen in der Richtung des Lichtbündels führen.

Ij Bei Verwendung sehr kleiner Reflektoren werden dann nur die Randstrahlen des Lichtbündels auf den Reflektor auftreffen, und die Intensität des empfangenen reflektierten Lichts wird zu klein, als daß sie eine genaue Entfernungsmessung zuließe. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmesser wird in einem solchen Falle die Intensität des abgestrahlten Lichtbündels automatisch gesteigert, wenn nur die Randstrahlen den Reflektor treffen, da der Empfänger über das Steuersignal nach einer Zunahme der Lichtintensität verlangt Wenn dann das Lichtbündel infolge Abnahme der Lufturbulenz wieder unmittelbar auf den Reflektor gerichtet ist nimmt die Intensität des empfangenen Lichtes entsprechend zu, und der Empfänger steuert den Signalsender über das Steuersignal dann so, daß die abgestrahlte Lichtintensität wieder herabgesetzt wird. Auf diese Weise schafft ein erfindungsgemäß ausgebildeter Entfernungsmesser sogar eine gewisse Kompensation für Luftturbulenz auf der Meßstrecke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrooptisch^ Entfernungsmesser mit einem Signalsender, der elektromagnetische Wellen mit das menschliche Auge beeinflussender Frequenz wie ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht aussendet, mit einem Empfänger, der einen für die vom Signalsender ausgesandten elektromagnetischen Wellen empfindlichen Detektor und eine Ausrichteinrichtung für seine Ausrichtung auf den fernen Punkt einer von den elektromagnetischen Wellen zu durchlaufenden Meßstrecke unter Beobachtung mit dem Auge enthält, mit einem sowohl mit dem Signalsender als auch mit dem Empfänger elektrisch gekoppelten Entfernungsanalysator zum Bestimmen der Laufzeit der elektromagnetischen Wellen auf der Meßstrecke, mit einer elektrischen Steuerschaltung zum Einstellen der Intensität der vom Signalsender ausgesandten elektromagnetischen Wellen in Abhängigkeit von der Intensität der am Empfänger aufgefangenen elektromagnetischen Wellen und mit einer an den Empfänger angeschlossenen Regelschleife zum Herabsetzen der Schwankungen der Intensität der Empfängerausgangssigna-Ie. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (7,8) in die Regelschleife (4,5, 7,8) einbezogen ist, derart, daß sie anhand des mittleren Pegels der informationstragenden Frequenz des empfangenen Signals die mittlere Intensität der vom Signalsender (1) kontinuierlich abgestrahlten, modulierten elektromagnetischen Wellen (2) ständig in einem für das menschliche Auge unschädlichen Größenbereich hält.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1 mit Modulation des ausgesandten Signals mit Hilfe einer Modulationsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Intensität des ausgesandten Signals durch den seinerseits durch das empfangene Signal beeinflußten Pegel des Gleichspamiungsanteils der Modulationsspannung gesteuert wird.

3. Entfernungsmesser nach Anspruch 1,-dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Signal auch die Amplitude der Modulationsspannung beeinflußt.

4. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüehe 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4) ein optisches Filter aufweist, das die Empfindlichkeit des Detektors für andere Signale als das informationstragende Signal herabsetzt.

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