DE3130747C1

DE3130747C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Koordinaten des fiktiven Auftreffpunktes von ungebrochenen Lichtstrahlen

Info

Publication number: DE3130747C1
Application number: DE19813130747
Authority: DE
Inventors: Wunnibald Ing.(grad.) 7990 Friedrichshafen Kunz; August Dr.-Ing. 7777 Salem Kästner
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1981-08-04
Filing date: 1981-08-04
Publication date: 1983-02-24

Description

Erfindungsgemäß sind zur Lösung der gestellten Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 und die der ihm folgenden Unteransprüche vorgese- hen.
Der Vorteil der Erfindung bestehf insbesondere darin, daß der fiktive Strahlengang eines ungebrochenen Lichtstrahls auch in transparenten Flüssigkeiten mit Temperaturfeldern (Temperaturschlieren) und damit abgelenkten Eigenschaften zu beliebigem Zeitpunkt ermittelbar ist. Dabei dürfen die Temperaturfelder bzw.
Temperaturschlieren auch einseitige Ablenkungen verursachen und müssen sich nicht statistisch mitteln.
Vorteilhafterweise sind dazu weitgehend handelsübliche Mittel anwendbar, wobei die Bestimmungen bzw.
Messungen auch halbmanuell, z. B. durch Verwendung von Kameras und anschließender manueller Auswertung durchführbar sind.
Eine geeignete Mehrfarbenlichtquelle, z. B. ein Mehrfarbenlaser sendet gleichzeitig oder abwechselnd stark gebündelte monochromatische Lichtstrahlen mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen achsparallel aus. Die Lichtstrahlen durchlaufen dabei eine Flüssigkeit- bzw. Wasserzwischenschicht und treffen auf einen am Zielpunkt angeordneten Sensor, der beispielsweise fotoelektrisch ausgebildet sein kann (digitaler Fotodetektor). Durch in dieser Zwischenschicht vorhandene Temperaturfelder bzw. Temperaturschlieren werden die Lichtstrahlen wegen der damit gleichzeitig verbundenen Änderung des Brechungsindex entsprechend ihrem Farbton mehr oder weniger stark abgelenkt. Die Stärke der Ablenkung ist dabei um so größer, je kürzer die Wellenlänge, je kleiner die Neigung der Temperaturfeldisothermen zur Achse der Lichtstrahlen und je größer (der) die Temperaturgradient(en) der Felder bzw. Schliere(n) ist bzw. sind. Beim Auftreffen der Lichtstrahlen auf die Auftreffpunkte gibt der Sensor den Lichtstrahlen adäquate elektrische Signale ab, welche zur Dokumentation aufgezeichnet werden. Als Sensor bzw. Empfänger dient hierzu beispielsweise ein aus einer Mattscheibe, einer Videokamera und einem der Mattscheibengröße angepaßtes Objektiv bzw eine Brennweite bestehendes System. Die Aufzeichnung der elektrischen Signale erfolgt auf einem Videorekorder. Dazu parallel werden im on-line-Betrieb über ein Bildauswertegerät die Koordinaten der betrachteten Punkte aus dem Videosignal ermittelt. Ein nachgeschaltetes Positionsbestimmungsgerät ermittelt entsprechend einem eingegebenen Algorithmus, welcher die Wellenlängen der verwendeten Lichtstrahlen und den Brechungsindex der Flüssigkeit benutzt, aus der Lage der Auftreffpunkte der einzelnen Lichtstrahlen den fiktiven Auftreffpunkt bzw. Ort der nicht abgelenkten Lichtstrahlen. Die mittels eines Bildauswertegerätes ermittelten Koordinaten können im Falle einer automatischen Triangulation als Steuerdaten für die Bewegung der Lichtquelle benutzt werden.
Bedarfsweise ist anstelle der Mattscheibe auch ein Fotodetektor mit zugehörigen Komponenten einsetzbar.
Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert. Es zeigt F i g. 1 das Prinzip des Verfahrens, F i g. 2 eine mögliche Anordnung der Vorrichtung, F i g. 3a, b grundsätzliche Verhältnisse an einem Reaktordruckbehälter bei einer Ortungsmessung.
Aus F i g. 1 ist das Prinzip des Verfahrens ersichtlich.
Von einer Mehrfarbenlichtquelle, z. B. einem Mehrfarbenlaser 1 gehen zwei (oder mehrere) monochromatische (z. B. rot und blau), genau achsparallele Lichtstrahlen 2, 3 aus und durchdringen dabei eine Wasserschicht 4, welche Temperaturfelder 5 in Form von Schichtungen oder Schlieren aufweist Auf dem Weg vom Mehrfarbenlaser 1 zu einer in der Wasserschicht 4 angeordneten Mattscheibe, einem Fotodetektor 6 oder einem Umlenkspiegel 6' erfahren die Lichtstrahlen 2, 3 entsprechend ihrer Farbe eine unterschiedliche Ablenkung 2', 3'. Der Grad dieser Ablenkung hängt von den durch die Temperaturfelder bzw. Temperaturschlieren 5 verursachten Änderungen der Brechungsindizes und der Lage der brechenden Flächen ab. Diese Flächen sind in diesem Fall mit Flächen gleicher Temperatur, den Isothermen 7 gleichsetzbar. Dabei ist eine wesentliche Voraussetzung, daß beide Lichtstrahlen 2, 3 gleiche Bedingungen in bezug auf Änderung des Brechungsindizes und Lage der Isothermen 7 antreffen. Dies ist mit genügender Genauigkeit annehmbar, weil die räumliche Ausdehnung der Temperaturfelder bzw. Temperaturschlieren 5 groß gegenüber der Abweichung der Lichtstrahlen 2, 3 zwischen rot und blau ist und die Folgefrequenz der unterschiedlichen Lichtstrahlen sehr hoch ist. Demgegenüber ist die Änderungsgeschwindigkeit der Temperaturfelder bzw. -Schlieren 5 in der Flüssigkeit bzw. im Wasser vernachlässigbar.
Die durch die Temperaturfelder bzw. -Schlieren 5 entsprechend ihrer Wellenlängen mehr oder weniger stark abgelenkten monochromatischen Lichtstrahlen 2', 3' treffen auf die im fiktiven Auftreffpunkt 8 angeordnete Mattscheibe, den Fotodetektor 6 oder einen Umlenkspiegel 6' an verschiedenen Punkten 9, 10 auf. Der fiktive Auftreffpunkt 8 der ungebrochenen Lichstrahlen 2, 3 (rot, blau) liegt dabei auf der Verlängerung der Auftreffpunkte 9, 10 der gebroehenen Lichtstrahlen 2', 3' in der Nähe des Auftreffpunktes 9 des längerwelligen Lichtstrahles 2 bzw. 2'. Der Abstand a und b (rot, blau) von diesem Auftreffpunkt 9 ergibt sich aus dem Brechungsindex der Wasserschicht 4 und den Wellenlängen der verwendeten Licht- bzw. Laserstrahlen 2, 3.
Aus Fig. 2 ist eine mögliche Anordnung einer Vorrichtung 11 dargestellt; sie besteht aus einer Mehrfarbenlichtquelle, z.B. einem Mehrfarbenlaser 1, einem Empfängersystem 12, einem Bildaufzeichnungsgerät 13, Bildauswertegerät 14 und Positionsbestimmungsgerät 15. Das Empfängersystem 12 besteht aus einer Mattscheibe 6, einem Adapter 16 mit Objektiv 17 und einer Videokamera 18. Die von der Mehrfarbenlichtquelle bzw. dem Mehrfarbenlaser 1 ausgehenden monochromatischen Lichtstrahlen 2,3 durchlaufen eine Wasserschicht 4 mit darin enthaltenen Temperaturfeldern bzw. Temperaturschlieren 5. Dabei erfahren die Lichtstrahlen 2,3 entsprechend ihren Wellenlängen eine mehr oder weniger starke Ablenkung und treffen so auf die Ebene der Mattscheibe 6. Das hierauf entstehende Bild wird über das entsprechend der verwendeten Größe der Mattscheibe 6 adaptierte Objektiv 17 von der Videokamera 18 aufgenommen. Das bzw die dabei entstehenden Videosignale können im Bildaufzeichnungsgerät 13, z. B. einem Videorekorder 19 zur späteren off-line-Bearbeitung gespeichert werden. Bei einer on-line-Bearbeitung werden die Koordinaten der durch die Lichtstrahlen 2,3 entstehenden Bildpunkte auf der Mattscheibe 6 ermittelt. Die Koordinaten werden dann im Positionsbestimmungsgerät 15 entsprechend einem eingegebenen Algorithmus in die Koordinatenwerte des fiktiven Auftreffpunktes 8 (Fig. 1) der nicht abgelenkten Lichtstrahlen 2,3 umgewandelt.
Aus F i g. 3a, b sind die grundsätzlichen Verhältnisse in einem Reaktordruckb eh älter 20 bei einer Ortungsmessung dargestellt. Daraus ist die Anordnung der Mehrfarbenlichtquellen bzw. Mehrfarbenlaser 1, deren Strahlengang 2, 3, der schematische Verlauf der Isothermen 7, sowie die durch Manipulatoren 21 hervorgerufenen Temperaturfelder bzw. Temperaturschlieren 5 ersichtlich. Durch die um 120C am Rand des Reaktordruckbehälters 20 schwenkbar (s. Richtungspfeile) angeordneten Mehrfarbenlaser 1 wird der Verlauf ihrer Lichtstrahlen 2, 3 in Richtung eines im Reaktordruckbehälter 20 befindlichen und an einem Manipulator 21 angeordneten Fotodetektor 6 von den Temperaturschlieren 5 nur unwesentlich beeinfiul3t.
Hierbei muß bei der Betrachtung hauptsächlich nur das Temperaturprofil im Reaktordruckbehälter 20 berücksichtigt werden.
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Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Bestimmung der Koordinaten des fiktiven Auftreffpunkts von ungebrochenen Lichtstrahlen in mehr oder weniger transparenten Flüssigkeiten, insbesondere Wasser mittels einer Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) gleichzeitig oder abwechselnd wenigstens zwei monochromatische Lichtstrahlen (2, 3) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen achsparallel in bzw. durch die Flüssigkeit (4) und auf einen darin angeordneten Sensor (6) strahlt, und daß aus den Koordinaten der vom Sensor (6) registrierten Auftreffpunkte (9, 10) die Koordinaten des fiktiven Auftreffpunkts (8) mittels eines die Wellenlängen der Lichtstrahlen (2, 3) und den Brechungsindex der durchstrahlten Flüssigkeit (4) berücksichtigenden Algorithmus ermittelt werden, wobei die Bestimmung der Koordinaten on-line vorgenommen wird und die Koordinatensignale zur Steuerung eines die Lichtquelle (1) oder den Sensor (6) bewegenden Nachführungssystems verwendet werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfabrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) wenigstens zwei Einfarbenlaser sind, deren Lichtstrahlen (2, 3) über eine geeignete optische Anordnung zusammengefaßt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekemlzeichnet, daß die Lichtquelle (1) ein Mehrfarbenlaser ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) fotoelektrisch ausgebildet ist bzw. arbeitet.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) aus einer Abbildungsebene, z. B. Mattscheibe (6) und einer mit einer anpaßbaren Optik (17) versehenen Kamera (18) besteht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) eine Filmkamera (18) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) eine Farb-Videokamera (18) ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (6) eine Schwarz-Weiß-Kamera (18) ist.
9. Vorrichtung nach -Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Farbkennzeichnung die Helligkeitsunterschiede bzw. Graustufen der in den Lichtstrahlen (2, 3) verwendeten Farben verwendet werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen der Lichtstrahlen (2, 3) der Lichtquellen bzw. Laser (1) in schneller Folge wechselbar sind, ohne dazu ihre optische Achse zu verändern.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Fläche des Sensors (6) bei ausreichender Ortsauflösung hinreichend groß ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) konventionell ist und unterschiedliche Wellenlängen durch geeignete Mittel (z.B. Prismen) erzeugt werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Wellenlängen bei Durchstrahlung der Flüssigkeit (4) erzeugt werden.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) und der Sensor (6) örtlich zusammengefaßt sind und die Lichtstrahlen (2, 3) durch einen im Auftreffpunkt (9, 10) angeordneten Umlenkspiegel (6') achsparallel zurückgeworfen werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Koordinaten des fiktiven Auftreffpunktes von ungebrochenen Lichtstrahlen in mehr oder weniger transparenten Flüssigkeiten, insbesondere Wasser mittels einer Lichtquelle.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen werden in der Praxis z. B. zur Prüfung von Reaktordruckbehältern auf ihre Funktionssicherheit und berührungsfreien Positionsbestimmung der Auslegerarme von darin angeordneten Manipulatoren über eine Entfernung von einigen zehn Metern, z. B. mittels Triangulation eingesetzt Die Hilfsmittel zu Positionsbestimmungen sowie Vermessungen von größeren Strukturen mittels Triangulation stellen dabei Theodoliten dar, die meist mit Fernrohren und natürlichem Licht arbeiten. In neuerer Zeit finden dazu in zunehmender Weise sogenannte Lasertheodoliten Verwendung, die aktiv einen Laserstrahl aussenden, welcher am Zielpunkt mittels eines Prismenspiegels achsparallel zurückgeworfen wird. Die Auswertung des reflektierten Laserstrahles erfolgt dabei am Theodoliten.

Nachteilig ist hierbei, daß diese Verfahren und Vorrichtungen in transparenten Flüssigkeiten, insbesondere in Wasser bisher nicht anwendbar sind, weil die verwendeten Lichtstrahlen infolge möglicher und unbekannter Temperaturverteilungen abgelenkt werden. Eine Bestimmung der Position bzw. der fiktiven Geraden zwischen Zielpunkt und Theodoliten ist damit nicht möglich.

Auch ist es bei Unterwasserarbeiten oft erforderlich, die Position von Strukturpunkten in bezug auf eine festgelegte Basis zu ermitteln. Triangulationsverfahren sind bei solchen Messungen in ihrer Genauigkeit stark beeinträchtigt, wenn sich in der Flüssigkeit bzw. im Wasser der Strahlbahn Temperaturfelder bzw. Temperaturschlieren mit variierenden Temperaturgradienten befinden. Solche Temperaturfelder bzw. Schlieren können z. B. durch Strömungen in natürlichen Gewässern oder Konvektionsströmungen beim Arbeiten von Unterwassermaschinen oder beim Abkühlen von Behältern entstehen.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels derer in einer transparenten Flüssigkeit, insbesondere im Wasser ein fiktiver gerader Strahlengang eines ungebrochenen Lichtstrahles erzeugbar ist, mit dessen Hilfe eine Triangulation in der vorherbeschriebenen Form ermöglicht wird oder der als Basis für Vermessungen von Unterwasserstollen, Rohren oder Bauwerken dient.