DE2819321B2

DE2819321B2 - Laser-Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE2819321B2
Application number: DE2819321A
Authority: DE
Inventors: Gerard Henri Orly Dubrunfaut (Frankreich)
Original assignee: Sa De Telecommunications Paris
Current assignee: Sa De Telecommunications Paris
Priority date: 1977-05-04
Filing date: 1978-05-03
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2819321A1; US4190361A; FR2389907A1; GB1602345A; FR2389907B1; DE2819321C3

Description

Frequenzauswertestufe zugeführt Will man bei dieser bekannten Vorrichtung die Geschwindigkeitsmessung mit einer Entfernungsmessung kombinieren, so werden mindestens drei Oszillatoren benötigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere mit Infrarotstrahlung arbeitenden Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser der eingangs beschriebenen Bauart zu schaffen, bei dem insgesamt lediglich ein Impulslaser und ein Dauerstrichlaser benötigt werden und mit dem bei geringem Schaltungsaufwand gleichzeitig Werte über den Abstand zum Zielobjekt, insbesondere zu einem Flugkörper und die Radialgeschwindigkeit dieses Zielobjektes gemessen werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß '⁵ mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät in Form eines Blockschaltbildes dargestellt ist

Das in der Zeichnung dargestellte Gerät ist auf ein Zielobjekt C gerichtet, das sich in dem zu messenden Abstand D von dem Entfemungsmeßgerät entfernt befindet. Das Zielobjekt C bewegt sich mit einer Radialgeschwindigkeit V, deren Größe ebenfalls von dem Entfemungsmeßgerät bestimmt werden soll. J"

Das Entfemungsmeßgerät umfaßt einen ImpuMaser 10, der Lichtsignale großer Leistung und sehr kurzer Dauer aussendet Es handelt sich beispielsweise um einen CC^-Laser vom Typ T. E. A. oder »Q-Switch«, der bei 10,6 μπι mit einer mittleren Leistung von 5 W sendet. « Die Lichtimpulse haben eine Dauer in der Ordnung von 0,1 με, und die Spitzenleistung ist sehr hoch, in der Größenordnung von 1 MW.

Die Sendef/equenz F₀ de Lasers 10 ist nicht mit größerer Genauigkeit definiert und kann von einem Impuls zum anderen um 200 bis 300MHz variieren. Diese Frequenzinstabilität hängt von dem Impulsbetrieb des Lasers 10 ab.

Die von dem Laser 10 ausgesandte Strahlung wird in einem Strahlmischer 11 mit der kontinuierlichen ^4<> Strahlung eines zweiten Lasers 20, der ein Dauerstrichlaser ist, vereinigt wobei zwischen dem zweiten Laser 20 und dem Strahlmischer U ein Strahlabzweiger 21 liegt. Der Laser 20 hat eine dem Laser 10 vergleichbare mittlere Leistung und auch eine entsprechend benachbarte Frequenz F_L. Im Gegensatz zum Laser 10 besitzt der Laser 20 eine extrem stabile Frequenz und eignet sich gut zur Messung der Geschwindigkeit. In dem beschriebenen Fall wird vorzugsweise ein CO₂- Laser verwendet. «

Das von dem Strahlmischer 11 abgegebene zusammengesetzte Signal wird von einer Sendeoptik 12 auf das Zielobjekt bzw. den Flugkörper Ckonzentriert. Die Empfangsoptik 13 empfängt nach einem Zeitraum, der im wesentlichen proportional zum Abstand D ist, einen Teil des von dem Zielobjekt C reflektierten Signales. Dieses reflektierte Signal hat infolge des Doppler-Effektes eine Frequenzverschiebung Fd erfahren, die proportional zur Radialgeschwindigkeit V des Zielobjektes ist. b^r>

Hinsichtlich der Optiken 12 und 13 ist zu bemerken, daß man sie in Form einer einzigen Optik realisieren kann, die mit einem Sender-Empfänger-Duplexteil ausgerüstet ist

Das Gerät umfaßt weiterhin einen Mischer 14 und einen Photodetektor 15, um das reflektierte zusammengesetzte Signal mit dem von dem Laser 20 durch den Strahlabzweiger 21 gelieferten Signal der Frequenz F_L zusammenzuführen und zu überlagern. Das vom Strahlabzweiger 21 kommende Signal und das von der Empfangsoptik 13 kommende Signal werden in dem Mischer 14 addiert, und ihre Summe erzeugt am Ausgang des Detektors 15 ein zusammengesetztes elektrisches Signal.

Dieses zusammengesetzte Signal enthält eine erste vom Impulslaser 10 stammende Komponente mit großer Spitzenleistung und nur ungenau bekannter Frequenz. Diese Komponente dient zur Bestimmung des Abstandes D. Die Frequenz dieser Komponente ist gleich (F₀ + Fo) — Fl und ist nur mit ziemlich mäßiger Genauigkeit bekannt, und zwar aufgrund der Unbestimmtheit von F_n die in der. Ordnung von 200 bis 300 MHz liegt

Das zusammengesetzte elektrische Signal enthält weiterhin eine zweite auf den kontinuierlich sendenden Laser 20 zurückgehende Komponente mit einer geringeren Spitzenleistung. Die Frequenz dieser Komponente ist (Fi + Fd) -Fl= Fo. In dem beschriebenen Fall eines bei 10,6 μσι sendenden Lasers beträgt die auf dem Doppler-Effekt beruhende Frequenzverschiebung 1 MHz, wenn die Geschwindigkeit V des Zielobjektes C 5 m/s beträgt, und 20MHz, wenn V= 100 m/s (360 km/h) beträgt Die Unbestimmtheit hinsichtlich der Frequenz Fq dieser zweiten Komponente ist daher bei weitem niedriger als die Umbestimmtheit hinsichtlich der Frequenz der ersten Komponente.

Die beiden Komponenten sind daher in sehr einfacher Form mit zwei parallelliegenden Filtern 16, 18 voneinander zu trennen, deren Durchlaßbereiche in geeigneter Weise definiert sind. Das Filter 16 ist ein Tiefpaßfilter mit einem engen Durchlaßbereich, beispielsweise von 20MHz, und zwar entsprechend den Werten, welche die Doppler-Verschiebung Fd einnehmen kann; das Filter 18 ist ein Bandpaßfilter mit einem breiten Durchlaßbereich von beispielsweise 300 MHz, entsprechend den Werten, die die Frequenz F₀ + Fd- Fl der ersten Komponente annehmen kann.

Das vom Tiefpaßfilter 16 abgegebene Signal wird einer Geschwindigkettsauswertestufe 17 zugeführt, die die Geschwindigkeit V des Zielobjektes liefert, und das vom Bandpaßfilter 18 abgegebene Signal wird einer Entfernungsauswertestufe 19 zugeführt, die die Entfernung bzw. den Abstand D liefert.

Das Tiefpaßfilter 16 kann beispielsweise die Form eines einfachen Bandpaßfilters fester Frequenz haben, oder es kann, fails erforderlich, aus eine^r Filterbatterie oder einem Oszillator bestehen, der in Übereinstimmung mit bei sogenannten Doppler-Nachlaufempfängern verwendeten Techniken phasen- oder frequenzgesteuert sein kann.

Das dargestellte Gerät enthält, außerdem eine Verzögerungsleitung 20' und einen elektronischen Unterbrecher 21', die zwischen dem Detektor 15 und dem Tiefpaßfilter 16 liegen; der Unterbrecher 2Γ wird von der Entfernungsauswertestufe 19 gesteuert. Wenn von der Stufe 19 ein vom Laser 10 herrührendes kurzes Signal großer Amplitude erkannt wird, bewirkt diese Stufe das öffnen des Unterbrechers 2Γ, wodurch verhindert wird, daß dieses Signal zum Tiefpaßfilter 16 gelangt. Die Verzögerungsleitung 20' dient zum Synchronisierabgleich zwischen dem öffnen des Unter-

brechers 21' und der Ankunft des zu eliminierenden Signales.

Dadurch wird die Filterwirkung des Tiefpaßfilters 16 vervollständigt. Wenn man dieses Filter jedoch für sich allein als ausreichend ansieht, und zwar unter Berücksichtigung des jeweiligen Niveaus der beiden Komponenten, kann man das Tiefpaßfilter 16 auch direkt an den Detektor 15 anschließen.

Bei dem oben beschriebenen Gerät erfolgt die Geschwindigkeitsmessung somit mittels sehr einfacher Glieder, und zwar ausgehend von einem klassischen

Laser-Entfernungsmesser mit Überlagerungsoszillator, wobei die einzigen dieser klassischen Apparatur hinzuzufügenden Elemente der Strahlmischer 11, der Strahlabzweiger 21, das Tiefpaßfilter 16 und die Geschwindigkeitsauswertestufe 17 sind, und der für die Entfernungsmessung verwendete Dauerstrichlaser 20 ebenfalls zur Geschwindigkeitsmessung dient.

Das erfindungsgemäße Gerät läßt sich bevorzugt bei der Fernlenkung oder Fernverfolgung von terrestrisMaschinen verwenden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser mit einem Impulslaser als Sender des Entfernungsmessers, einem Dauerstrichlaser als Sender des Geschwindigkeitsmessers, einem Dauerstrichlaser als Überlagerungsoszillator des Entfernungs- und des Geschwindigkeitsmessers, wobei die Dauerstrichlaser zueinander gleichfrequent sind und eine der Frequenz des Impulslasers benachbarte Frequenz haben, ferner mit einer Sende- und einer Empfangsoptik und mit einem die vom Zielobjekt reflektierten Lichtsignale mit der vom Überlagerungsoszillator kommenden Lichtwelle mischenden Strahlmischer und mit einem Photodetektor, dem die gemischten Strahlen zugeführt werden und der ein zwischenfrequentes Signal an eine Laufzeitauswertestufe zur EntfermMigsanzeige und ein niederfrequentes Signal on eine Dopplerfrequenzauswertestufe zur Geschwindigkeitsanzeige abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß als Sender des Geschwindigkeitsmessers derselbe Dauerstrichlaser (20) dient, welcher auch als Überlagerungsoszillator dient, indem ihm ein Strahlabzweiger (21) nachgeschaltet ist und die von der Überlagerungswelle abgezweigte Lichtwelle einem zweiten Strahlmischer (11) zugeführt ist, der zwischen den Impulslaser (10) und die Sendeoptik (12) geschaltet ist

2. Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernungsauswertestufe (19) ein Bandpaßfilter (18) mit einem breiten Durchlaßbereich und die Geschwindigkeitsauswertestufe (17) ein Tiefpaßfilter (16) mit einem engen Durchfaßbereich umfaßt.

3. Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Photodetektor (15) und dem Tiefpaßfilter (16) eine Verzögerungsleitung (20') und ein Unterbrecher (21') liegen, dessen öffnung gesteuert wird, wenn ein Signal die Entfemungsauswertestufe (19) durchfließt.

4. Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulslaser (10) und der Dauerstrichlaser (20) einander ähnliche Durchschnittsleistungen haben.

Die Erfindung betrifft einen Entfernungs- und Geschwindigkeitsmesser mit einem Impulslaser als Sender des Entfernungsmessers, einem Dauerstrichlaser als Sender des Geschwindigkeitsmessers, einem Dauerstrichlaser als Überlagerungsoszillator des Entfernungsund des Geschwindigkeitsmessers, wobei die Dauerstrichlaser zueinander gleichfrequent sind und eine der Frequenz des Impulslasers benachbarte Frequenz haben, ferner mit einer Sende- und einer Empfangsoptik und mit einem die vom Zielobjekt reflektierten Lichtsignale mit der vom Überlagerungsoszillator kommenden Lichtwelle mischenden Strahlmischer und mit einem Photodetektor, dem die gemischten Strahlen zugeführt werden und der ein zwischenfrequentes Signal an eine Laufzeitauswertestufe zur Entfernungsanzeige und ein niederfrequentes Signal an eine Dopplerfrequenzauswertestufe zur Geschwindigkeitsanzeige abgibt.

Es sind optische Entfernungsmesser, insbesondere mit

Infrarotstrahlung arbeitende Entfernungsmesser, bekannt, die einen Impulslaser enthalten. Die von dem Impulslaser ausgesandten Lichtimpulse bzw. Lichtsignale werden von dem Zielobjekt reflektiert und nach einer bestimmten Zeitdauer, die dem zu messenden Abstand zwischen dem Entfernungsmesser und dem Zielobjekt proportional ist, wieder von dem Entfernungsmesser empfangen. '

Es ist außerdem bekannt, die Geschwindigkeit des Zieiobjektes, beispielsweise eines Flugkörpers, mittels eines eine kontinuierliche Strahlung abgebenden Lasers zu messen, wobei die Frequenz des von dem Zielobjekt reflektierten Signales aufgrund des Doppler-Effektes gegenüber der Sendefrequenz um eine Größe versetzt ist, die der Geschwindigkeit proportional ist Die Sendefrequenz muß bei dieser Meßart sehr stabil sein, so daß es notwendig ist, einen Laser mit kontinuierlicher Strahlung zu verwenden. Impulslaser sind im Gegensatz dazu für diesen Anwendungszweck schlecht geeignet da ihre Frequenz stark von einem Impuls zum anderen Impuls variiert

Um die Empfänger- bzw. Empfangsempfindlichkeit eines Entfernungsmessers zu erhöhen, ist es andererseits bekannt (siehe DE-OS 23 19 082), das reflektierte Signal mit einem kontinuierlichen Lichtsignal zu überlagern, das von einem Überlagerungsoszillator mit einer benachbarten Frequenz geliefert ;vird, wobei es sich bei diesem Oszillator um einen Laser kontinuierlicher Strahlung handelt.

Das von einem Photodetektor erzeugte zwischenfrequente Signal wird dann der Laufzeitauswertestufe zugeführt

In der FR-PS 20 81 184 ist ein Gerät zur gleichzeitigen Messung der Entfernung und der Radialgeschwindigkeit eines Zielobjektes bzw. Flugkörpers beschrieben. Dieses bekannte Gerät arbeitet bei der Bestimmung der Entfernung auf der Basis einer direkten Messung ohne Überlagerungsoszillator. Die Kanäle für die »Entfernungsmessung« und die »Geschwindigkeitsmessung« sind streng voneinander getrennt. Bei der Geschwindigkeitsmessung ist das Strahlenbündel des Überlagerungslasers nicht auf das Zielobjekt gerichtet und dient nur zur Bestimmung der Doppler-Verschiebung.

In der FR-PS 15 85 137 ist eine andere Vorrichtung zur Messung der Entfernung und der Geschwindigkeit eines Zielobjektes beschrieben. Dieses bekannte Gerät enthält eine einzige Laserquelle, die für die Entfernungsmessung nach dem Impulsprinzip und alternativ für die Geschwindigkeitsmessung nach dem kontinuierlichen Prinzip arbeitet. Man erhält daher die Werte über die Entfernung und die Geschwindigkeit nur abwechselnd. Die Vorrichtung arbeitet nicht nach dem Überlagerungsprinzip und hat ebenfalls vollständig voneinander getrennte Kanäle für die »Entfernungsmessung« und die »Geschwindigkeitsmessung«.

Schließlich ist in der DE-OS 24 14 419 eine Vorrichtung beschrieben, mit der grundsätzlich eine Messung der Radialgeschwindigkeit eines Zielobjektes in Verbindung mit der Messung der Entfernung durchgeführt werden kann. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird ein Dauerstrichlaser als Sender des Geschwindigkeitsmessers und ein weiterer Dauerstrichlaser als Überlagerungsoszillator verwendet, und die beiden Dauerstrichlaser sind zueinander gleichfrequent. Das auf Grund der Überlagerung des reflektierten Signals mit dem Signal des Überlagerungsoszillators durch einen Detektor erzeugte niederfrequente Signal wird einer Doppler-