DE2850743C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Abweichung des Sendestrahls von der optischen Achse des Empfangsteleskops bei einem Lidargerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich au_L ein Verfahren zur Messung der Abweichung des Sendestrahls von der Parallelität mit der optischen Achse des Empfangsteleskops bei einem Lidargerät für atmosphärische Messungen und einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Solche Verfahren und Vorrichtungen sind unter anderem aus der schweizer Patentschrift 5 77 688, sowie aus den Zeitschriften »electronics«, 4. Oktober 1963, S. 44 und 45 und »Laser+ Elektro-Optik«, Nr. 4/1978, S. 24 bekannt Das mit »Lidar« — der allgemeinen Bezeichnung für optische Entfernungs-, Winkel·, Geschwindigkeitsmessung — bezeichnete Verfahren, dient zur Detektion von entfernten optischen Streuteilchen und beruht auf dem sogenannten Impuls-Echoprinzip. Hierbei sendet ein gepulster Laser in die freie Atmosphäre kurze intensive Lichtimpulse. Diese werden an optisch inhomogene Teilchen, wie beispielsweise Molekülen, Rauch- und Staubpartikeln. Nebeltröpfchen, meteorologischen Grenzschichten oder Mischaerosolen gestreut bzw. reflektiert Bruchteile dieser zurückreflektierten Strahlung werden von dem optischen Empfangssystem des Lidars aufgenommen und mittels eines Teleskops gesammelt, spektral gefiltert und von einem Lichtdetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt

In bekannter Weise wird dann aus der Zeitdifferenz zwischen Sende' und Empfangssignal die Entfernung des rückstreuenden Objektes bestimmt Bei Tagesmessungen stellt nun allgemein das Tageslicht, die Sonne etc. und bei Nachtmessungen das Mondlicht oder künstliche Lichtquellen eine Störquelle dar, die eine sogenannte Hintergrundstrahlung bildet diese muß nun mittels Interferenzfilter, die für die Wellenlänge des Laserlichts selektiv durchlässig sind, unterdrückt werden.

Da diese Maßnahme nun zur Detektion des Streulichtes allein nicht ausreicht, wird zusätzlich der Bildfeldwinkel des Empfangsteleskops sehr klein eingestellt, wobei diese Einstellungen in der Größenordnung von einigen 10~³ rad liegen.

Da weiterhin eine Anpassung des Sendestrahls an das Teleskop des Lidars erforderlich ist, wird der Sendestrahl parallel zur Achse dieses Teleskops koaxial oder biaxial ausgestrahlt Das heißt, im ersten Fall ist der Sendestrahl mit einem Prisma hinter den Sekundärspiegel des Teleskops ausgekoppelt und im zweiten Fall wird der Sendestrahl parallel und mit einem Achsenabis stand zur Teleskopachse, der größer ist als der Radius des Teleskops, ausgestrahlt, wobei der öffnungswinkel des Sendestrahls gleich oder etwas kleiner als die Gesichtsfeldblende gewählt wird.

Nun erfordert die Einstellung des öffnungswinkels

bei Lidarsystemen in einer Größenordnung von 10-³ rad, was etwa 0,057° entspricht, einen äußerst hohen Aufwand. Die Forderungen an die kleinste Abweichung der Sendestrahlrichtung von der Achse des Empfangsteleskops liegen ungefähr um den Faktor 10 kleiner, also etwa 10~⁴ rad. Ist die Achsenneigung jedoch größer als dieser relativ geringe Wert so gibt es in Abhängigkeit vosder Meßentfernung eine ungleiche Bedeckung der streuenden Fläche mit dem Gesichtsfeld des Teleskops, was zu einer Verfälschung der Meßsigna-

Ie und damit der gesuchten Werte führt

Zur Einstellung des Sendestrahls wurden bisher zwei Verfahren angewandt Im einen wird der Sendestrahl auf ein sehr weit entferntes und stark streuendes Ziel gerichtet und mit einem kleinen Teleskop, das an dem Empfangsteleskop achsparallel befestigt ist, erfaßt Fällt das Zentrum des beleuchteten Flecks am Ziel im Visier des Teleskops mit dem Fadenkreuzschnittpunkt zusammen, dann sind Sende- und Empfangsachse parallel. Ist jedoch eine Abweichung feststellbar, so wird der Sendestrahl mit Umlenkprisma oder Spiegeln so weit geschwenkt, bis der Fleck in dan Schnittpunkt des Fadenkreuzes fällt

Dieses Verfahren setzt also eine exakte Achsparallelität von besser als 10-* rad voraus, was rein konstruktionsmäßig sehr schwierig zu realisieren ist und außerdem ist hier sichtbares Licht grundsätzlich erforderlich. Dies aber führt zu einer ganz wesentlichen Einschränkung der Verwendungsmöglichkeiten von Lidargeräten, die bevorzugt im nicht sichtbaren Bereich arbeiten.

Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, daß die Zielfläche wegen dem Achsabstand der Teleskope und der dadurch auftretenden Parallaxen sehr weit entfernt sein muß, meistens sogar mehr als 1 km. Infoige der erforderlichen Lichtleistung der verwendeten Laser und der damit verbundenen Gefahr für das menschliche Auge ist es hier erforderlich, daß die Teststrecke absolut vor Personenverkehr gesichert sein muß, was einen sehr großen Aufwand erfordert und oft auch nicht durchführbar ist

Beim zweiten Verfahren wird das Streusignal von weit entfernt liegenden Zielflächen mit dem eigentlichen MeBsignalempflnger gemessen und der Sendestrahl so lange in seiner Winkellage verschoben, bis

6$ maximale Meßsignale empfangen werden. Dies beruht auf der Tatsache, daß die Intensität im Zentrum — bei richtiger Einstellung — am höchsten ist und zu den Seiten hin auf- und abklingt.

Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß das Suchen des Maximums des Streulichts erhebliche Schwierigkeiten bereitet Einmal ist bei Änderung des Empfangssignals während der Winkeleinstellung des Sendestrahls nicht eindeutig ersichtlich, welcher der beiden freien Winkel geändert werden muß, um ein maximales Empfangssignal zu erhalten. Es müssen daher mittels eines Testverfahrens über alle Winkelpaare die Empfangssignale gemessen werden, bis der optimale Einstellwert gefunden ist Wegen der dauernden Schwankungen in der Ausgangsleistung des Lasercenders und der Änderung der Transmissionseigenschaften der Atmosphäre ist dieses Verfahren kaum anwendbar, wenn absolute bzw. maximale Werte erreicht werden sollen.

Beide vorgenannten Verfahren sind bei Lidarmessungen aus fliegenden Plattformen — wie beispielsweise Flugzeugen oder Satelliten — mit Meßrichtung zur Erdoberfläche nicht verwendbar, da das Reflexionsvermögen der Erdoberfläche und die Transmission der unterer? Atmosphärenschichten so unterschiedlich sind. Hier versagen beide der bekannten MeßmetlK den.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur opto-elektronischen Messung der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine eindeutig störunempfindliche Messung der Sendestrahlrichtung mit einer Genauigkeit von besser als ΙΟ-⁴ und unmittelbar mit elektro-optische« Mitteln erlaubt

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen erfüllt Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Beschreibung erläutert und in den Zeichnungen dargestellt Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Meßgerätes gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel,

Fig.2 ein schematisches Blockschaltbild des Quadrantendetektors mit den nachgeschalteten Rechenverstärkern und der Anzeige.

Das nachfolgend beschriebene üdar-System setzt sich aus einem Lasersender 10 und einer zugeordneten Meßoptik zusammen, wobei der Laser 10 entweder einen geradlinigen, parallel zum Empfangsteleskop 14 (biaxial) oder einen umgelenkten und an der Hinterseite des Sekundärspiegels des Teleskops 14 (koaxial) ausgekoppelten Strahl 11 aussendet Das aus der Atmosphäre rückgestreute oder an entfernten Zielen reflektierte. Licht wird von dem Etjipfangsteleskop 14 aufgenommen und passiert eine Gesichtsfeldblende 15, deren Durchmesser mit der effektiven Brennweite des Teleskops den Gesichtsfeldwinkel definiert

Das Lichtbündel wird in der Folge durch eine Kollimatorlinse 16 »parallelisiert« und nach dem Durchgang durch ein Interferenzfilter 17 zur Unterdrükkung von Fremdstrahlung auf einen Fotodetektor 20 fokussiert wobei hier nur die Hälfte des Lichtstrahles hingeleitet wird, während die andere Hälfte durch den Strahlteiler 22 auf ein Interferenzfilter 21 mit einer Fokussierlinse 19 auf einen Quadrantendetektor 23 abgebildet wird Die Aufteilung des Lichtstrahles kann entweder durch ein 90" und 50% durchlässiges Spiegelaggregat 22 erfolgen, oder durch Ein- und Ausschieben eines 100% reflektierenden Spiegels vorgenommen werden.

Eine ständige überwachung der Sendestrahlrichtung erlaubt jedoch nur die erstgenannte Ausführungsform, während bei der zweiten dies nur bei eingeschobenem Spiegel gewährleistet ist

Die Lage des Quadrantendetektors 23 wird so gewählt daß seine empfindliche Fläche mit der Brennebene der Fokussierlinse 19 zusammenfällt und so der Aufpunkt der optischen Achse des Abbildungssystems in dieser Ebene mit dem Zentrum des Detektors 23 zusammenfällt

Dem Quadrantendetektor 23 ist eine Elektronik,

bestehend aus Rechenverstärkern 24, 25, 26,

A/D-Wandlern 27 und einer Digitalanzeige 28, nachge-

schaltet

Bei dem Quadrantendetektor bzw. dessen Diode

werden die vier lageproportionalen Ströme des abgebildeten Streustrahls auf räumlich getrennte Anschlüsse erzeugt Die Größe dieser Ströme ist in erster Näherung linear abhängig vom Abstand des Mittelpunktes Afc des Bildes zum Mittelpunkt M\ der Diode. Durch geeignete Matrizierung der vier elektrischen Signale können zwei Signale gewonnen werden, die den beiden zur optischen Achse orthogonalen Richtungen entsprechen. Diese Signale müssen durch das Summensignal aller vier Segmente dividiert werden, um Schwankungen des empfangenen Signals zu eliminieren. Nach Durchlaufen der Signale durch die A/D-Wandler kann die Anzeige in der Einrichtung 28 erfolgen.

Das Bild der Streuflächen des Sendestrahles 11 bildet

dann eine Kreisfläche, wenn der Strahl exakt koaxial mit der Achse 12 des Empfangsteleskops 14 verläuft Für größere Entfernungen — so im Bereich von 500 m — bleibt der Durchmesser dieser Kreisfläche wegen dem festen öffnungswinkel des Strahles konstant Für Streuflächen im Nahbereich des Lidars — unter 500 m — verschiebt sich durch Abbildung des Teleskops die Bildebene der Streuflächen hinter die Brennebene des Teleskops, und zwar dahin wo die Gesichtsfeldblende 15 sitzt

Bei einer Winkelabweichung des Sendestrahls von der Achse 12 des Empfangsteleskops 14 verschiebt sich das Zentrum der von den Streuflächen abgebildeten gemeinsamen Zentren in der Ebene des Quadrantendetektors 23. Diese Verschiebung beträgt

_Ad = _Αφ

JKoIl

wobei Δ Φ die Winkelabweichung, /Vw die effektive Brennweite des Teleskops 14, /*„// die Brennweite der Kollimationslinse 16 und /po die Brennweite der Abbildungslinse 19 vor dem Quadrantendetektor 23 bezeichnet Entsprechend ergibt sich der Durchmesser der abgebildeten Streuscheibe aus

Si

Kali

Mit * - 10-*, ΔΦ - 10-*, frei - 4000 mm, f_Kon 100 nun, /qd — 50 mm erhält man

d — 0,2 mm und
D - 2,0 mm

Bei einem biaxialen Aufbau des Lidars, d.h. wo Sende- und Empfangsachse getrennt sind, wird der Streustrahl bei paralleler Einstellung der beiden Achsen nicht mehr als Kreisscheibe abgebildet sondern als es mehrere Oberlagerte Kreiwcheiben die für größere Entfernungen mit dem Zentrum sehr nahe der optischen Achse 12 der Abbildungsoptik liegt aber bei kürzeren Entfernungen immer weiter von der Achse wegwandert

Eine einfache Zuordnung ist deshalb zwischen der Lage des Streubildes und der Winkellage des Sendestrahls beim biaxialen Verfahren nicht möglich. Hier kann man sich durch elektronisches Austasten des Quadrantendetektors 23 helfen. Das Signal des Detektors wird nur nach einer gewissen Zeitdauer nach der Auslösung des Sendeimpulses und innerhalb eines kurzen Zeitintervalls gemessen. Das gemessene Signal entspricht dann der Abbildung einer Streufläche aus einer festen Entfernung, dessen Lage im justierten Fall

in der Ebene des Quadrantendetektors vorher rechnerisch ermittelt werden kann.

Beim koaxialen Aufbau ist eine Austastung des Meßsignals prinzipiell nicht notwendig, kann aber in gewissen Fällen zur Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses von Vorteil sein.

Bei Messungen aus fliegenden Plattformen ist meistens die Austastung des Bodenreflexes wegen seiner hohen Intensität gegenüber der Austastung von Streusignalen aus der Atmosphäre von Vorteil.

Hierzu I Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprache:

   U Verfahren zur Messung der Abweichung des Sendestrahles von der Parallelität mit der optischen Achse des Empfangsteleskops bei einem Lidargerät für atmosphärische Messungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuspur des Sendestrahls (11) des Lasersenders (10) in der Erdatmosphäre mit dem Empfangsteleskop (14) des Lidars und einer Nachfolgeoptik (16—22) auf einen Quadrantendetektor (23) abgebildet wird und die sich zwischen den einzelnen Quadranten bildenden Differenzspannungen nach Division mit der Summe der Einzelspannungen, als Maß für die Abweichung dienen.
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfangsteleskop eine Gesichtsfeldblende (15), eine Kollimatorlinse (16) und ein Strahlteiler (22) nachgeorci.net ist, dessen einer Strahl dem Empfangsdetektor (20) und dessen zweiter Strahl über ein Interferenzfilter (21) und eine Fokussierlinse (19) dem Quadrantendetektor (23) zugeführt ist
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (22) durch einen ein- und ausschiebbaren Spiegel ersetzt ist
4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Quadrantendetektor (23) über Rechenvei stärker (24, 25, 26) eine Digitalanzeigevorrichtung (28) nachgeschaltet ist