DE2752355A1

DE2752355A1 - Laserentfernungsmesser

Info

Publication number: DE2752355A1
Application number: DE19772752355
Authority: DE
Inventors: Jacques Roelants
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-23
Publication date: 1978-06-08
Also published as: IT1089060B; FR2372436A1; GB1537633A; CH617511A5; BE860623A; FR2372436B1; NL7713251A; US4148584A

Description

LA SEREITrFERlIUKGSME S SER

Dio Erfindung betrifft Laserentfernungamesser, imbesondero Laserentfsrnungsmesser, bei denen der Abstand eines Zielobjekts dadurch erhalten wird, daß das Zeitintervall zwischen dem Aussenden eines Laserimpulses und seinem Empfang gemessen wird.

In derartigen Entfernungsmessern wird das aktive Lasermaterial mit einer Blitzlampe angeregt, wobei eine Fluoressenzstrahlung entsteht, die sich auf demselben Wege ausbreitet wie der Laserimpuls; jedoch ist die Dauer dieser Fluoressenzstrahlung wesentlich länger als dia Dauer des Laserimpulses. Da diese Entfernungsmesser im allgemeinen optische Sende- und Empfangssysteme aufweisen, die nahe nebeneinander angeordnet sind, kann die Empfangsoptik von der Sendeoptik stammende Fluoreszenzstrahlung als Störstrahlung empfangen. Wenn auch die Leistung der Fluoreszenzstrahlung wesentlich niedriger als die des Laserimpulses ist, so kann die nur einen kurzen optischen Weg nehmende Störstrahlung auf dem Entfernungsraesserempfänger mit einer Leistung eintreffen, die in etwa gleich der Leistung des vom Zielobjekt zurückgeworfenen Laserimpulsechos ist und somit Fehler in die Entfernungsmessung einführen.

Die Erfindung gemäß Hauptanspruch soll diesen Nachteil beheben.

Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung wird auf die Unteransprüche verwiesen.

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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende einzige Zeichnung näher beschrieben. Diese Zeichnung zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Laserentfernungsmessers.

Ein Lasergenerator 1 umfaßt im wesentlichen ein aktives Material 2, beispielsweise einen mit Neodym dotierten Glasstab, innerhaln eines optischen Resonanzraums mit der Achse 3. Dieser Resonanzraum besteht aus einem halblichtdurchlässigen Spiegel 4 und einem totalreflektierenden Prisma 5, das um eine Achse 6 in Drehung versetzt werden kann. Mit Hilfe einer an einen hier nicht dargestellten elektrischen Generator angeschlossenen Entladungslampe 7 kann das aktive Material 2 angeregt werden.

Am Ausgang des Lasergenerators 1 ist auf der Achse 3 eine Zolle 0 angeordnet, die ein sättigungsfähiges absorbierendes Material enthält. Diese Zelle kann aus einem Glasbehälter bestehen, der eine flüssige Lösung dieses Materials enthält. Es kann sich auch um eine Matrix aus Kunststoff handeln, in der ein dünner Film dieses Materials untergebracht ist. Für einen Lasergenerator mit neodymdotiertem Glas, dessen Wellenlänge 1,06 Mikron beträgt, ist das sättigungsfähige absorbierende Material beispielsweise Bis-(4-Diäthylamino-Dithiobenzil)-Nickel.

Der aus der Zelle 8 austretende Lichtstrahl durchquert ein optisches Sendesystem, das ihn auf ein hier nicht dargestelltes Ziel richtet. Dieses optische System ist beispielsweise ein afokales System, das aus einer Divergenzlinse 9 und einer Konvergenzlinse 10 besteht_o

In der Nähe des optischen Sendesystems ist ein optisches Empfangssystem angeordnet, mit dem das vom Ziel zurückgeworfene

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Echo des Lichtstrahls aufgefangen wird. Im in der Figur dargestellten Beispiel umfaßt das optische Empfang3system ainen mit dem optischen 5ende3ystem gemeinsamen Teil. Zu ihm gehören nämlich einerseits die Linsen 9 und 10 und andererseits ein Lochspiegel Il sowie eine Konzentrationslinse 12. Der Spiegel 11 liegt zwischen der Zelle 8 und der Linse 9. Er ist mit einer zentralen Öffnung versehen, durch die der Sendelichtstrahl verläuft, und ist zur Achse 3 um 45° geneigt, um den Empfangsstrahl auf die Linse 12 zu lenken.

Ein Empfangskreis enthält einen Lichtempfänger 13, der so angeordnet ist, daß er die durch die Linse 12 konzentrierte Lichtenergie empfängt und in ein elektrisches Signal umwandelt. Ein dem Empfänger 13 analoger Empfänger 14 ist in der Nähe des den Lasergenerator 1 verlassenden Laserstrahls angeordnet. Die elektrischen Ausgänge der Empfänger 13 und 14 sind an einen Schwellenverstärker 15 angeschlossen, dessen Ausgang beispielsweise über einen Ausblendschaltkreis 17 ein Gatter 16 steuert. An den Eingang des Gatters 16 ist ein piezoelektrischer Oszillator 18 angeschlossen, und der Ausgang des Gatters 16 führt zu einem Impulszähler 19, der seinerseits mit einem Anzeigegerät verbunden ist.

Dieser Entfernungsmesser arbeitet folgendermaßen : Nach Erregung durch einen Lichtblitz der Entladungslampe 7 sendet das aktive Material 2 eine Fluoreszenzstrahlung aus, deren Dauer etwa 3OO Mikrosekunden betragen kann. Mit dem drehbaren Prisma 5 kann im angeregten Material 2 ein Laserimpuls wesentlich kürzerer Dauer ausgelöst werden, beispielsweise von 30 Nanosekunden Dauer. Die Fluoreszenzstrahlung ist eine nichtkohärente

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Lichtstrahlung, deren Wellenlänge von der des Laserimpulses, auf den sie zentriert ist, leicht abweicht.

Die Fluoreszenzstrahlung und der Laserimpuls verlassen den Resonanzraum durch den halbdurchlässigen Spiegel 4 und erreichen die Zelle 8.

Das in der Zelle 8 enthaltene sättigungsfähige absorbierende Material kann Licht, dessen Wellenlänge in etwa der des Laserimpulses entspricht, absorbieren, jedoch nur dann, wenn die Leistung dieses Lichts unterhalb eines Sättigungswertes liegt, der ein Kennwert dieses Materials ist. Wenn die Leistung des durch die Zelle 8 laufenden Lichts über diesen Sättigungswert hinausgeht, so ist das Material gesättigt und läßt dieses Licht ohne spürbare .Absorption durch. Der Sättigungswert des absorbierenden sättigungsfähigen Materials liegt wesentlich oberhalb der etwa ein Milliwatt ausmachenden Leistung der Fluoreszenzstrahlung und wesentlich unterhalb der etwa ein Megawatt erreichenden Leistung des Laserimpulses. Folglich absorbiert dieses Material die Fluoreszenzstrahlung, läßt jedoch den Laserimpuls passieren.

Der aus der Zelle 8 austretende Laserimpuls durchquert das afokale optische System 9-10 in einem zu diesem System axialen Teil. Mit Hilfe des afokalen Systems kann die Divergenz des Sendestrahls verringert werden. Das vom Ziel zurückgeworfene Echo des Laserimpulses trifft auf den peripheren Bereich des Afokalsystems 9-10 außerhalb der für die Sendung reservierten Zone auf und wird dann durch den Spiegel 11 zur Konzentrationslinse 12 abgelenkt.

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Mit dem Empfänger 14 kann ein geringer Teil der Leistung des vom Generator 1 abgegebenen Laserimpulses aufgefangen und'· daraufhin ein elektrisches Sendesignal geliefert werden, das, wenn es über dem Schwellenwert des Verstärkers 15 liegt, durch diesen Verstärker verstärkt wird, so daß das Gatter 16 freigegeben wird und die vom Oszillator 18 ausgesandten elektrischen Impulse in den Zähler 19 gelangen. Die durch die Linse 12 konzentrierte empfangene Lichtenergie wird durch den Empfänger 13 in ein elektrisches Empfangssignal umgewandelt, das ebenfalls den Schwellenverstärker 15 durchläuft, um das Gatter 16 wieder zu sperren.

Der Ausblendkreis 17, der beispielsweise aus einer Kippstufe besteht, gestattet ein Sperren der elektrischen Empfangssignale, die in einem vorbestimmten Zeitintervall nach Aussenden des Laserimpulses erhalten werden, so daß vermieden wird, daß diese Signale das Gatter 16 sperren.

Dieses vorbestimmve Zeitintervall oder die Ausblenddauer kann beispielsweise 3 Mikrosekunden betragen. Diese Dauer entspricht der Mindestreichweite des Entfernungsmessers (im vorliegenden Fall 450 Meter).

Die Zeit zwischen dem elektrischen Sendesignal und dem elektrischen Empfangssignal wird somit vom aus Oszillator 18 und Zähler 19 bestehenden Zeitmesser gemessen. Diese Zeit ist proportional sur Entfernung zwischen Entfernungsmesser und Ziel und wird beispielsweise in digitaler Form durch die Anzeigevorrichtung 20 angegeben.

Im hier beschriebenen Entfernungsmesser kann die Fluoreszenzstrahlung nicht durch das optische Sendesystem laufen, da aie durch das in der Zelle 8 enthaltene sättigungsfähige absorbierende Material absorbiert wird.

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Es ist bekannt, daß bei herkömmlichen Entfernungsmessern, die dieses sättigungsfähige absorbierende Material nicht enthalten, die Fluoreszenzstrahlung das optische Sendesystem durchläuft. Die .irjit liehe Wirkung dieser strahlung kann sich über die reino :iendedauer des Laserimpulses hinaus über den gesamten Zeitraum erstrecken, in dsm der Empfang eines Echos möglich ist; dieser Zeitraum kann bei einer maximalen Reichweite des Entfernungsmessers von ]5 km lOO Mikrosekundon betragen. Unter diesen Bedingungen knnn ein Teil des durch das optische Sendesystem laufenden Fluoreszenzstrahlung zum Empfangsbereich des afokalen systems 9-10 beispielsweise durch ein sich im Sendebereich des afokalen Systems 9-10 befindliches Staubkorn 22 reflektiert werden. Die entlang dem Pfeil 21 zurückgeworfene Energie wird dann durch das optische Empfangssystem dem Empfänger 13 zugeleitet. Das sich daraus ergebende elektrische Signal kann eine oberhalb der Empfangsschwelle des Verstärkers 15 liegende Leistung erreichen und folglich verfrüht das Gatter 16 sperren, so daß sich eine fehlerhafte Entfernungsmessung ergibt. Durch Absorption der Fluoreszenzstrahlung wird mit Hilfe des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers diese Störrückstrahlung vermieden.

Es ist jedoch anzumerken, daß sattigungsfähige absorbierende Stoffe während einer kurzen Zeitdauer nach dem Durchgang eines Lichtimpulses einer oberhalb der Absorptionsschwelle liegenden Leistung leitfähig bleiben und ihre Absorptionsfähigkeit erst nach einer Erholungszeit wieder erreichen, die ein Kennwert für das gewählte Material ist. Im in der Figur dargestellten Entfernungsmesser wird das sättigungsfähige absorbierende Material vorzugsweise so gewählt, daß die Erholungszeit kleiner als die

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Ausblenddauer des Entfernungsmessers ist, um ^u vermeiden, daβ das Gatter 16 durch eine Störreflektion gesperrt wird, die sich während der Erholungsdauer außerhalb der Ausblendzeit ergibt.

Für den Fall einer Laserwellenlänge von 1,06 Mikron und bei Wahl eines sättigungsfähigen absorbierenden Materials entsprechend dem oben angegebenen Beispiel ist die Erholungadaaer kleiner als eine Mikrosekunde, liegt also wesentlich unterhalb der oben angegebenen Ausblend^eit von 3 Mikrosekunden.

Der erfindungsgemäße Laserentfernungsmes3er kann vor allem bei Panzern und Flugzeugen eingesetzt werden.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf sämtliche andere aktiven Lasermaterialien als Glas und für andere Wellenlängen als die genannten 1,06 Mikron angewandt werden, wobei dann das in der Zelle 8 enthaltene sättigungsfähige absorbierende Material von dem im Beispiel angegebenen verschieden sein kann.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

Laserentfernungsmesser

- mit einem Lasergenerator, su dem ein in einem optischen Resonanzraum untergebrachtes aktives Material, Erregungsmittel für dieses aktive Material, mit denen entlang der Achse des Resonanzraums eine Fluoreszenzlichtstrahlung erzeugt wird, sowie Mittel gehören, mit denen in diesem angeregten Material ein Laserimpuls ausgelöst wird,

- mit einem optischen Sendesystem, das am Ausgang des Lasergenerators angeordnet ist, um den Laserimpuls auf ein Ziel zu richten,

- mit einem optischen Empfangssystem für den Empfang eines Echos des vom Ziel zurückgeworfenen Laserimpulses, wobei dieses System in der Nähe des optischen Sendesytsems angeordnet ist,

- und mit einem Empfangskreis, der einen Zeitmesser zur Messung der Dauer zwischen den Zeitpunkten besitzt, zu denen er das elektrische Sende- und das elektrische Empfangssignal empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lasergenerator (I) und dem optischen Sendesystem (9 - 10) eine Zelle (8) angeordnet ist, die ein sattigungsfähiges absorbierendes Material enthält und die Fluoreszenzlichtstrahlung absorbiert, wenn die Leistung dieser Lichtstrahlung unter dem

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Sättigungspegel liegt, während dieses Material Licht durchläßt, wenn seine Leistung über diesem Sättigungspegel liegt.

2 - Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangskreis (13 bis 20) einen Ausblendkreis (17) enthält, der varhindert, daß ein elektrisches Empfangssignal vom Zeitmesser (18-19) während einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Aussenden des Laserimpulses empfangen wird, wobei diese vorbestimmte Zeitdauer der Mindestreichweite des Entfernungsmessers entspricht, und daß das sättigungsfähige absorbierende Material eine Erholungszeit aufweist, die kleiner als diese Zeitdauer ist, wobei diese Erholungszeit die Zeit ist, nach der das sättigungsfähige absorbierende Material seine Absorptionsfähigkeit nach dem Durchgang eines Lichtimpulses wiedererlangt, dessen Leistung oberhalb des Sättigungspegels liegt.

3 - Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Sendesystem (9-10) und das optische Empfangsaystera (9 bis 12) einen gemeinsamen Teil (9-10) besitzen.

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