DE2813089A1

DE2813089A1 - Verfahren und vorrichtung zur kompression der dynamik von empfangenen rueckgestreuten signalen

Info

Publication number: DE2813089A1
Application number: DE19782813089
Authority: DE
Inventors: Juergen Harms; Wilhelm Dr Rer Nat Lahmann; Claus Dr Rer Nat Weitkamp
Original assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Current assignee: KERNENERGIEVERWERT GES fur
Priority date: 1978-03-25
Filing date: 1978-03-25
Publication date: 1979-10-11
Also published as: GB2017449A; BE875055A; SE432486B; NL7902311A; JPH0220933B2; NL185960B; FR2422963B1; JPS54154353A; FR2422963A1; NL185960C; GB2017449B; SE7902539L; DE2813089C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kompression der Dynamik von empfangenen rückgestreuten Signalen, insbesondere in die Atmosphäre ausgesendeten und rückgestreuten Lidar-Signalen.

Die Messung und Ausnutzung von Signalen, die durch den physikalischen Vorgang der Streuung entstehen, nimmt in der technischen Welt einen immer breiteren Raum ein. Dabei können die Art der gestreuten Signale, die streuenden Objekte und der Zweck der Messung ganz unterschiedlich sein. Als Beispiel für die Art der Signale seien hier nur Radio-

909841/0035

26130Θ9

-y-5

wellen, Licht und Schall oder Ultraschall genannt; streuende Objekte können z.B. Flugzeuge, Abgaswolken, Grenzschichten zwischen Boden und Wasser oder Materialfehler in Werkstücken sein; der Zweck der Messung ist oft in Verknüpfung mit der Kurzbeschreibung des Meßverfahrens (Radar, Lidar, Echolot, Sonar) allgemein bekannt.

Gemeinsames Merkmal dieser Meßverfahren ist, daß im allgemeinen zwei Arten Information über das streuende Objekt gewonnen wird: Auf die Entfernung des streuenden Objekts kann aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Zeitj die das Signal von seiner Entstehung bis zu seinem Nachweis benötigt, geschlossen werden; über die Eigenschaften des streuenden Objekts geben vielfach die Größe des gestreuten Signals und unter Umständen ihr zeitlicher Verlauf Auskunft.

Ein typisches Verfahren, das auf der Messung gestreuter Signale beruht, ist die Fernmessung atmosphärischer Schadgase nach dem Lidar-Prinzip. Meist wird hierbei ein kurzer Lichtimpuls ausgesandt und der zeitliche Verlauf des rückgestreuten Lichtes gemessen. Aus der Wellenlänge des Lichtes kann auf die Art des Schadgases geschlossen werden, die Zeitdauer zwischen ausgesandtem und empfangenem Signal ergibt über die Lichtgeschwindigkeit die Entfernung zum Streuort (d.h. zur Schadgaswolke), und die Größe des Signals liefert die Konzentration des Gases am Streuort.

909841/0035

28130Θ9

Die Größe des Lidar-Signals hängt nun außer von der Konzentration auch noch von der Entfernung R zwischen Empfänger und Streuort ab. Wie aus der sogenannten Lidar-Gleichung folgt, ist das Signal vom Streuort R bei sonst

gleichen Bedingungen proportional zu 1/R , weil die Empfangsoptik eines Lidar-Systems mit der Empfangsfläche A

Streulicht aus der Entfernung R mit dem Raumwinkel A/R sammelt. Bei Streuorten in einer Entfernung zwischen z.B. 10Om und 10 km bedeutet das eine Abschwächung des Lidar^signales von 1 : 10 000, wobei Absorptions- und Streuverluste in der Atmosphäre noch nicht berücksichtigt sind. Diese große sogenannte Dynamik des Lidar-Signales (im vorliegenden Beispiel 10 000) ist für die weitere Signalverarbeitung ungeeignet. Deshalb verwendet man verschiedene Methoden, diese starke Abhängigkeit der Signalgröße vom Abstand zu verringern oder, anders ausgedrückt, die Signaldynamik zu komprimieren. Diese bekannten Methoden sind folgende:

1. Logarithmische Verstärker:

Die empfangenen Signale werden einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal nicht dem Eingangssignal, sondern nur dessen Logarithmus proportional ist. Logarithmische Verstärker mit der rrforderlichen hohen Bandbreite und dem eingangsseitig geforderten großen Dynamik-Bereich zeigen aber erhebliche Abweichungen von

909841/0035

der idealen logarithmischen Verstärkungskennlinie, die ihre Anwendbarkeit auf die quantitative Auswertung der Signalgrößen stark einschränken.

2. Änderung des Verstärkungsfaktors von Photomultipliern: In Lidar-Systemen mit einem Photomultiplier als Lichtdetektor kann die Verstärkung des Photomultipliers durch Modulation der Hochspannung während des Meßvorgangs variiert werden. Photomultiplier sind aber nur für den Spektralbereich .zwischen 150 und 1000 nm geeignet. Da zudem die Verstärkung von Photomultipliern in weiten Bereichen exponentiell mit der Hochspannung zunimmt und nur zeitlich lineare Spannungserhöhungen (sog. Sägezahn-Spannungen) mit einfachen Mitteln ausreichend genau zu erzeugen sind, kann mit derartigen Anordnungen die 1/R -Abhängigkeit nicht kompensiert werden. Auch die aufwendige Erzeugung anderer Spannungsformen als einfacher Sägezahnspannungen führt nicht zum Ziel, weil Photomultiplier in ihrer Verstärkung zu sehr von unkontrollierbaren Parametern sowie von der eigenen Vorgeschichte abhängen.

909841/0035

30Θ9

3. Änderung des Verstärkungsfaktors von Linearverstärkern: Bei diesem Verfahren wird eine Signalkompression durch mehrfaches schnelles Umschalten der Verstärkung während der Messung erreicht. Dabei ergeben sich aber während desSchaltens der Verstärkung und der Transienten nach den eigentlichen .Schaltvorgängen Zeitbereiche, die keine verwertbaren Informationen liefern. Dieser Informationsverlust schränkt die Brauchbarkeit des Verfahrens ein.

4. Nicht-kollineare Anordnung von Sender und Empfänger: Durch Nebeneinanderstellen von Sende- und Empfangsoptik wird erreicht, daß sich der vom Sendestrahl erfaßte Bereich und das Blickfeld des Empfängers erst in einiger Entfernung voll überlappen. Dies führt nicht nur für den Nahbereich, sondern auch für größere Entfernungen zu einem Verlust an Empfindlichkeit und schränkt damit den nutzbaren Meßbereich unnötig ein.

Die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen zur Kompression der Signaldynamik vermeiden die vorstehenden Nachteile durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen.

Die Erfindung beruht auf einer Kompression der Signaldynamik mit rein geometrischen Methoden. An dem folgenden Beispiel aus der Optik läßt sich das Prinzip der Erfindung am leichtesten anschaulich verständlich machen:

909841/0035

28130Θ9

Ein streng paralleles Lichtbündel wird durch eine ideale Sammeloptik (Linse, Spiegel) in einem Punkt zusammengeführt, dem sog. Brennpunkt. Die Linie parallel zum einfallenden Licht und durch den Brennpunkt nennen wir die optische Achse, die Ebene senkrecht zur optischen Achse und durch den Brennpunkt die Brennebene. Das parallel einfallende Lichtbündel läßt sich als Licht von einem unendlich weit entfernten Objekt auffassen. Im Gegensatz dazu ist Licht von einem in endlicher Entfernung befindlichen Gegenstand nicht genau parallel und wird in der Brennebene nicht als Punkt abgebildet; vielmehr entsteht dort eine flächenhafte Verteilung der Lichtintensität, die desto ausgedehnter ist, je mehr sich die Lichtquelle dem optischen System nähert. Bringt man in die Brennebene einen kleinen Detektor, so registriert dieser nur solches Licht vollständig, das von sehr weit entfernten Quellen ausgeht, Licht von näheren Quellen dagegen nur zum Teil.

Das angeführte Beispiel , das eine einfache Anwendung an sich bekannter Prinzipien der Physik darstellt, ist von direkter Bedeutung für die Nutzung der vorliegenden Erfindung beim sog. Lidar, bei dem die interessierende Strahlung aus verschiedenen Entfernungen zurückgestreutes Licht ist (das aber nicht notwendig im sichtbaren Bereich des Spektrum liegen muß) Zur Verdeutlichung des oben Gesagten sei am Beispiel des Lidar

909841/0035

2*13089

noch einmal ausgeführt, daß bei geeigneter Wahl von optischem System und Detektor erreicht werden kann, daß

1. Rückstreulicht aus geringer Entfernung (sog. Nahbereich) nur zu einem kleinen , sich mit der Entfernung in der Weise ändernden Bruchteil auf den Detektor fällt, so daß vom Detektor aus diesem Bereich registrierte Signal praktisch konstant (d. ii. von der Entfernung unabhängig) ist;

2. Rückstreulicht aus mittlerer Entfernung (sog. Übergangsbereich) mit gezielt reduziertem Anteil auf den Detektor fällt, so daß das registrierte Signal schwächer als proportional 1/R abfällt;

3. Rückstreulicht aus großer Entfernung (sog. Fernbereich) praktisch vollständig auf den Detektor fällt, so daß das registrierte Signal hier proportional 1/R abfällt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung für ihre Anwendung auf das oben zitierte Beispiel des Lidar ist die folgende:

1. Der Lichtdetektor wird in der bildseitigen Brennebene der Empfangsoptik angeordnet, und zwar so, daß sich der Mittel-

909841/0035

2 β t 3 O θ

punkt der Detektor-Empfangsfläche auf der optischen Achse im Brennpunkt für die Strahlen befindet, die parallel zur optischen Achse einfallen.

2. Die wirksame Empfangsfläche des Lichtdetektor s wird mit einer vorzugsweise kreisförmigen Blende direkt vor der lichtempfindlichen Schicht auf die Signalkompressionsfläche Ak reduziert. Wenn Detektorfläche und Signalkompressionsfläche gleich groß sind, kann die Blende entfallen.

3. Die ,Signalkompressionsfläche A^ ergibt sich aus dem minimal entfernten Streuort R₁₁Ji_n* für den das gesamte von der Empfangsoptik gesammelte Rückstreulicht auf die wirksame Empfangsfläche des Lichtdetektors fallen soll.

Wenn der Sendestrahl in der Entfernung R_1n-^_n den Durchmesser D(R_1n. ) hat, so hat die Signalkompressionsfläche A^ den Durchmesser

wobei f die Brennweite der Empfangsoptik ist.

909841/0035

2 β i 3 O θ

/KI

Diese Ausführungsform gestattet auch, durch Wahl eines Detektors derselben Größe, d. h. mit einem Durchmesser * d_k , also etwa durch Öffnen oder Schließen einer Irisblende, die Grenzen zwischen Nah-, Übergangs- und Fernbereich wechselnden Erfordernissen anzupassen. So wird im Falle einer Lidar-Messung bei diesigem Wetter, bei dem die Reichweite durch die Sichtweite beschränkt ist, Rmin vergleichsweise kurz, die Blendenöffnung d& also relativ groß gewählt werden; hierdurch erhält man für den Nahbereich ein größeres Signal mit entsprechend verbesserter Meßgenauigkeit bzw. verkürzter Meßzeit. Umgekehrt wird man bei klarem Wetter die maximale durch das Meßsystem erreichbare Reichweite anstreben, R_nJi_n also groß und dj^ klein wählen.

Varianten der Signalkompression sind mit etwas veränderten Anordnungen möglich, von denen eine z.B. folgendes leistet:

1. Für kleine und mittlere Entfernungen des Rückstreuorts ergibt sich eine Signalkompression analog zur oben angeführten.

2. Für größere Entfernungen nimmt das Lidar-Signal noch stärker als mit 1/R² ab.

909841/0035

2 Ο ι 3 O θ

Eine solche Signalkompression ist erwünscht, wenn sich hinter dem zu überwachenden Luftraum ein topographischer Reflektor (z.B.Baum, Haus, Berg) befindet, so daß neben dem Rückstreusignal aus der Luft ein durch direkte Reflexion am topographischen Reflektor wesentlich stärkeres Lichtsignal entstehen würde. Diese Variante der Signalkompression kann auf mehrere Arten erreicht werden, etwa dadurch, daß

1. der (kreisfömrige, rechteckige oder sonstwie "einfach zusammenhängende") Lichtdetektor auf die optische Achse vor oder hinter die Brennebene verschoben wird,

2. der ("einfach zusammenhängende") Detektor außerhalb der optischen Achse vor, in oder hinter der Brennebene positioniert wird, oder

3. ein "mehrfach zusammenhängender" Detektor, beispielsweise ein Kreisring, in oder außerhalb der Brennebene auf oder neben der optischen Achse verwendet wird.

Besonders diese letzte Variante gestattet bei geeigneter Dimensionierung, das Signal des topographischen Reflektors vollständig zu unterdrücken, aus kleinerer Entfernung zurückgestreutes Licht aber praktisch ungeschwächt nachzuweisen.

909841/0035

28130Θ9

Schließlich soll als letztes Beispiel eine Variante der Erfindung genannt werden, die außer der 1/R -Abhängigkeit auch die durch Extinktion bedingte zusätzliche Abhängigkeit des Rückstreusignals von der Entfernung zu kompensieren gestattet, die (bei homogener Atmosphäre) proportional zu _e-2ciR j__s-fc. hierbei ist ei der Extinktionskoeffizient und R wieder der Abstand. Eine solche Kompensation wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Empfindlichkeit des Detektors von innen nach außen geringer wird. Dies kann durch "graue" Blenden, deren Transparenz von innen nach außen abnimmt, oder durch undurchlässige Blenden, die in der Mitte eine sternförmige Öffnung freilassen, geschehen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, mit dem es gelingt, die Signaldynamik eines Lidarsignals zu komprimieren, wobei als Sender ein Deuteriumfluoridlaser verwendet wird. Das Prinzip der Anordnung zeigt Fig. 1.

Die Strahlung S aus dem Laser 1 wird, erforderlichenfalls mit der Optik 2 geeignet aufgeweitet und durch zwei Spiegel 3, in die optische Achse 5 des Empfangsspiegels umgelenkt und zum Streuort, beispielsweise in ein vermutetes Schadgas-Volumen ausgesendet. Die vom Streuort zurückkehrende Strahlung E wird

909841/0035

vom Hauptspiegel 6 gesammelt und nach Umlenkung durch den Spiegel 7 dem von der Blende 8 geeignet abgeschatteten Detektor 9 zugeführt.

In Fig. 2 ist die Bestrahlungsstärke in der Brennebene für Streuung in der Entfernung 100 m, 1 km und 10 km wiedergegeben. Die diesen Ergebnissen zugrundeliegenden Daten sind eine Ausgangsleistung von 50 kW bei einer Wellenlänge von 3,5 bis 4,1 μΐη und eine Pulsdauer von 500 ns, ein Sendestrahl-Durchmesser von 38 mm mit einer Strahldivergenz (voller Winkel bei 50% der Leistung) von 1 mrad, der auf 150 mm aufgeweitet wird, ein Hauptspiegeldurchmesser von 600 mm und eine Brennweite von 3000 mm. Man erkennt aus Fig. 2 , daß z.B. das aus 100 m zurückgestreute Licht bei einem wirksamen Detektorradius von 0,5 mm zum überwiegenden Teil nicht auf die wirksame Detektorfläche trifft, während Rückstreulicht aus 10 km Entfernung fast vollständig auf den Detektor fällt.

In Fig. 3 ist die geometrische Kompression für verschiedene wirksame Detektorflächen dargestellt. Man erkennt, daß sich bei einem Detektorradius von 0,8 mm der Übergangsbereich von etwa 1 km bis 2 km, bei 0,4 mm Detektorradius von etwa 2 km bis 4 km erstreckt. Für geringere Entfernungen hängt das Signal nicht mehr vom Abstand ab, für größere Entfernungen bleibt die 1/R -Abhängigkeit der Lidargleichung erhalten. Zum Vergleich ist auch das Lidar-Signal gezeichnet, das sich ohne Signalkompression gemäß der Lidar-Gleichung ergeben würde.

909841/0035

-Ab-

Leerseite

Claims

DIPL-ING. HANS W. SCHÖNiNG PATENTANWALT

Gesellschaft für Kernenergieverwertung in Schiffbau und Schiffahrt mbH Reaktorstraße 1 2054 Geesthacht-Tesperhude

2000 HAMBURG 1 23.3.1978

Mönckebergstraße 31 (am Rathausmarkt) Telefon (040) 33 80 85

Anwaltsakte: 4012

Verfahren und Vorrichtung zur Kompression der Dynamik von empfangenen rückgestreuten Signalen

Patentansprüche

( 1 ο/Verfahren zur Kompression der Dynamik von empfangenen rückgestreuten Signalen, insbesondere in die Atmosphäre ausgesendeten und rückgestreuten Lidar-Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Detektor-Empfangsfläche in Abhängigkeit von der Brennweite der Empfangsoptik und dem Sendestrahldurchmesser so gewählt wird, daß der Durchmesser der Detektor-Empfangsfläche im wesentlichen der Formel

^dk - ^D · i~

entspricht, wobei

R erwünschte Kompressionsreichweite, d.h. der Nahbereich des Empfängers, in dem die Dynamik der rückgestreuten Signale komprimiert werden soll,

909841/0035

ORIGINAL INSPECTED

D der Sendestrahldurchmesser in der Entfernung R und

f die Brennweite der Empfangsoptik sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Mittelpunkt der wirksamen Detektor-Empfangsfläche auf der optischen Achse im Brennpunkt für die Strahlen befindet, die parallel zur optischen Achse einfallen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Detektor-Empfangsfläche in der Brennebene außerhalb der optischen Achse liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Empfangsfläche außerhalb der Brennebene angeordnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Größe der Detektor-Empfangsfläche durch Blenden bestimmt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Detektor-Empfangsfläche eine veränderbare Blendenanordnung vorgesehen ist.

909841/003 5

ORlGSWAL INSPECTED
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch wahlweise verwendbare Scheibenblenden zum Abdecken des Mittelteils der Detektor-Empfangsfläche zur Unterdrückung von unerwünschten Reflexionssignalen topographischer Reflektoren.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden eine sich stetig radial ändernde Durchlässigkeit haben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen sternförmig berandet sind.

909841/0035