DE3142438C1 - Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit Überlagerungsempfang - Google Patents

Description

• Bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich während einer Durchstimmperiode mindestens für einen Impuls eine Misch- oder Zwischenftequenz (Differenzfrequenz zwischen Lokaloszillator und Leitungssender), die in die ZF-Bandbreite des Empfängers, d. h. in den Durchlaßbereich des ZF-Filters fällt. Damit stellt sich mindestens für einen Impuls pro Übertragungsvorgang der für den Kohärentempfang erforderliche Frequenzausgleichlauf von Leistungssender und Lokaloszillator ein. Die erfindungsgemäße Einrichtung hat zudem den Vorteil, daß dieser Frequenzgleichlauf in einfacher Weise ohne großen Aufwand erreicht wird.
• Gegenüber Einrichtungen, bei denen zur Erzielung eines Frequenzgleichlaufes sogenannte Frequenzregelschleifen verwendet werden, entfällt bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein aufwendiger und kostspieliger Regelkreis. Die erfindungsgemäße Einrichtung wird deshalb auch einfacher und kleiner. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß die Dopplerverschiebung an bewegten Zielen oder Meßobjekten bei der Bandbreite des Empfängers nicht berücksichtigt zu werden braucht, da für die Dauer des Meßvorganges von z. B. 0,05 s von konstanter Zielgeschwindigkeit ausgegangen werden kann und eine evtl.
• Frequenzverschiebung infolge des Dopplereffektes durch die Frequenzverschiebung zum nächsten Impuls wieder aufgefangen wird. Schließlich kann bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung die ZF-Lage des Empfängers in einem weiten Bereich frei gewählt werden. Dadurch kann man das störende niederfrequente AM-Rauschen des Trägers (Lokaloszillator) unterdrücken.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einrichtung ist das Stellglied dem aus einem Impulslaser bestehenden Leistungssender zugeordnet. Damit ist das Stellglied dem leistungsstärkeren der beiden beteiligten Laser zugeordnet. Dieser wird aufgrund seiner höheren Ausgangsleistung mit höherem Gasdruck betrieben, was wiederum zur Folge hat, daß sich seine Frequenz aufgrund der Dopplerverbreiterung innerhalb einer Anregungslinie stark verschieben kann.
• In vorteilhafter Weise besteht bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung das Stellglied aus einem Piezoelement. Mit einem Piezoelement, das elektrisch ansteuerbar ist und elektrische Leistung in mechanische Leistung umsetzt, läßt sich die Resonatorlänge des betreffenden Lasers und damit dessen Ausgangsfrequenz in einfacher Weise verändern.
• Zweckmäßigerweise ist bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur einfachen Ansteuerung des Stellgliedes ein Sägezahngenerator vorgesehen.
• Ferner ist es bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung vorteilhaft, wenn der Lokaloszillator so dimensioniert ist, daß seine Linienbreite geringer als die Linienbreite des Leistungssenders ist, damit der Lokaloszillator nicht aus dem Abstimmbereich des Leistungssenders hinausläuft.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung ist im folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
• Die F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung. In den Fig.2, 3 und 4 ist eine Impulsfolge und das Frequenzverhalten eines bei der erfindungsgemäßen Einrichtung vorgesehenen Leistungssenders sowie die Durchlaßcharakteristik eines ZF-Filters dargestellt.
• Das Blockschaltbild nach F i g. 1 zeigt den Aufbau eines Laserentfernungsmessers mit Überlagerungsempfang als optische Sende- und Empfangseinrichtung. Der Laserentfernungsmesser besteht im wesentlichen aus einem optischen Leistungssender 1 in Form eines Impulsfolgen emittierenden CO2-Lasers, einem weiteren COrLaser als Lokaloszillator 4 zur Bildung des Überlagerungssignals und einem optoelektrischen Empfänger 8 mit Entfernungsmeßauswertung 11. Einem der beiden Laser, hier dem leistungsstärkeren aus einem Impulslaser bestehenden Leitungssender 1, ist ein steuerbares Stellglied 3 zugeordnet, welches aus einem Piezoelement, d. h. aus einem keramischen piezoelektrischen Material besteht und mit dem Laser 1 eine Baueinheit bildet, indem es dem Laserresonator zugeordnet ist Das piezoelektrische Stellglied 3 hat die Eigenschaft, elektrische Leistung in mechanische Leistung umzusetzen, d. h. es ergibt sich, abhängig von der angelegten Spannung, eine Längenänderung des piezoelektrischen Stellgliedes, was zu einer Längenänderung des Laserresonators und damit zu einer Veränderung der Ausgangsfrequenz des Lasers führt Zur elektrischen Ansteuerung des piezoelektrischen Stellgliedes ist dem Leistungssender 1 ein Sägezahngenerator 12 vorgeschaltet, der seinerseits von einem zentralen Steuergerät 13 angesteuert wird. Dieses zentrale Steuergerät dient gleichzeitig zur Ansteuerung eines Impulsgenerators 14, der einen auf den Leistungssender 1 einwirkenden elektronischen Schalter 15, z. B. eine Funkenstrecke, steuert.
• Zur Betriebsaufnahme des optischen Leistungssenders 1 lädt ein Netzgerät 16 einen Kondensator 17 auf, der sich über den bereits erwähnten, von dem Impulsgenerator 14 angesteuerten elektronischen Schalter 15 auf die Laserröhre entlädt Außerdem aktiviert das den Impulsgenerator 14 ansteuernde zentrale Steuergerät 13 den Sägezahngenerator 12, dessen Sägezahnspannung auf das piezoelektrische Stellglied 3 des Laserresonators wirkt Mit Hilfe des Stellgliedes ist die Resonatorfrequenz des Lasers 1 in einem gewissen Bereich abstimmbar Der Laser 1 wird nun mittels des Stellgliedes 3 während eines Meßvorganges durch seinen ganzen Abstimmbereich kontinuierlich abgestimmt, so daß er eine Impulsfolge abgibt, deren Impulse je nach der momentanen Stellung des piezoelektrischen Stellgliedes in ihrer Ausgangsfrequenz voneinander verschieden sind. Eine derartige Impulsfolge ist in F i g. 2 aufgezeigt, wobei der zeitliche Impulsabstand dt z. B. mit 1 ms angenommen werden kann. Über der Darstellung der Impulsfolge ist in F i g. 3 das Frequenzverhalten des Impulslasers 1 aufgetragen, welches dieser aufgrund der Modulationsspannung des Sägezahngenerators hat Dabei ist zu erkennen, daß die Ausgangsfrequenz des Impulslasers 1 von Impuls zu Impuls ansteigt. Wie sich ferner aus der Darstellung in F i g. 4, in der die Durchlaßcharakteristik des ZF-Filters 10 aufgetragen ist, in Verbindung mit dem Frequenzverhalten in F i g. 3 und der Impulsfolge in F i g. 2 ergibt, sind der zeitliche Abstand A t zwischen zwei Impulsen und die Durchstimmgeschwindigkeit so aufeinander abgestimmt, daß die Frequenzveränderung oder Frequenzverschiebung von Impuls zu Impuls etwas kleiner, jedenfalls nicht größer ist als die ZF-Bandbreite des Empfängers.
• Der die Impulsfolge emittierende Laser 1 wird zur Entfernungsmessung gegen ein Ziel- oder Meßobjekt gerichtet Ein Teil der aus der aus der Sendeoptik 2 austretenden Laserstahlung wird von einem Strahlteiler 18 auf einen Startimpulsdetektor 19 gerichtet, der mit der Entfernungsmeßauswertung 11 in Verbindung steht und diese in Gang setzt Ein Teil der vom Ziel- oder Meßobjekt reflektierten Strahlung des Lasers 1 gelangt nun über die Empfangsoptik 6 auf den Detektor 7 des Empfängers 8. Für einen Uberlagerungsempfang wird dem yom Meßobjekt reflektierten Wellenfeld ein räumlich und zeitlich kohärentes Wellenfeld des Lokaloszillators 4 auf dem Empfangsdetektor 7 überlagert Der Lokaloszillator 4 besteht aus einem freischwingenden CW-Wellenleiterlasser mit einigen mW Leistung und ist so dimensioniert, daß seine Linienbreite geringer ist als die Linienbreite des Leistungssenders 1. Das Überlagerungssignal des Lokaloszillators 4 gelangt über einen Strahlteiler 5 auf den Empfangsdetektor 7 und wird mit dem Empfangssignal gemischt. Die beim Überlagern entstehenden Zwischen- oder Mischfrequenzen (Differenzfrequenz zwischen Lokaloszillator und Leistungssender), d. h. das Zwischenfrequenzsignal wird dann in einem Verstärker 9 verstärkt und dem ZF-Filter 10 zugeführt. Diejenigen Mischfrequenzen oder Zwischenfrequenzsignale, die im Durchlaßbereich des ZE-Filters 10 liegen, werden herausgefiltert und der Entfernungsmeßauswertung 11 zugeführt, welche die Impulslaufzeit in eine Entfernungsangabe umwandelt.

Claims (7)

1. Patentansprüche: 1. Optische Sende- und Empfangseinrichtung mit Überlagerungsempfang, insbesondere Laserentfernungsmesser, mit einem optoelektrischen Empfänger, einem optischen Leistungssender, der aus einem Impuisfolgen emittierenden COrLaser besteht und einem weiteren CO2-Laser als Lokaloszillator zur Bildung des Überlagerungssignals, d a d u r c h g e -kennzeichnet, daß einem der beiden Laser (1, 4) ein steuerbares Stellglied (3) zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die Resonatorfrequenz des Lasers in einem gewissen Bereich abstimmbar ist, daß dieser Laser mit Hilfe des Stellgliedes (3) während eines Übertragungsvorganges durch seinen ganzen Abstimmbereich kontinuierlich durchstimmbar ist, so daß sich von Impuls zu Impuls eine andere Zwischenfrequenz (Differenzfrequenz zwischen Lokaloszillator und Leistungssender) ergibt und daß der zeitliche Impulsabstand und die Durchstimmgeschwindigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Frequenzverschiebung von Impuls zu Impuls etwas kleiner ist als die ZF-Bandbreite des Empfängers (8).
2. 2. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (3) dem aus einem Impulslaser bestehenden Leistungssender (1) zugeordnet ist
3. 3. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (3) aus einem Piezoelement besteht.
4. 4. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (3) und der Laser, dem das Stellglied zugeordnet ist, eine Baueinheit bilden.
5. 5. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des Stellgliedes (3) ein Sägezahngenerator (12) vorgesehen ist.
6. 6. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lokaloszillator (4) so dimensioniert ist, daß seine Linienbreite geringer als die Linienbreite des Leistungssenders (1) ist.
7. 7. Optische Sende- und Empfangseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lokaloszillator (4) aus einem frei schwingenden CW-Wellenleiterlaser besteht.

   Die Erfindung betrifft eine optische Sende- und Empfangseinrichtung mit Überlagerungsempfang, insbesondere Laserentfernungsmesser, mit einem optoelektrischen Empfänger, einem optischen Leistungssender, der aus einem Impulsfolgen emittierenden CO2-Laser besteht und einem weiteren CO2-Laser als Lokaloszillator zur Bildung des Überlagerungssignals.

   Beim Heterodyn- oder Überlagerungsempfang wird in einer Mischstufe des Empfängers die Empfangsfrequenz mit einer beispielsweise im Empfänger erzeugten Hilfs- oder Oszillatorfrequenz gemischt. Auf diese Weise wird eine Zwischenfrequenz gebildet, welche meist die Differenzfrequenz zwischen der Empfangsfrequenz und der Oszillatorfrequenz ist und anschließend wie sonst die Empfangsfrequenz weiter verarbeitet wird. Für einen optischen Überlagerungsempfang benötigt man zwei zueinander räumlich und zeitlich kohärente Wellenfelder, wobei einem von einem Meß-oder Zielobjekt reflektierten Wellenfeld ein räumlich und zeitlich kohärentes Wellenfeld eines Lokal- oder Überlagerungsoszillators auf dem Detektor eines Empfängers überlagert wird.

   Aus der DE-AS 28 28 912 ist eine z. B. als Laserentfernungsmesser verwendbare optische Sende- und Empfangseinrichtung für Überlagerungsempfang mit einem optoelektrischen Empfänger und einem optischen Sender bekannt, der aus einem CO2-Laser besteht, welcher ein zeitlich kontinuierliches Überlagerungssignal und einen Sendeimpuls emittiert. Der CO2-Laser besteht hierbei aus einem Wellenleiter-Pulslaser und ist in einen das Überlagerungssignal bildenden Lokaloszillator und einen das Dauerstrich-Signal des Lokaloszillators zum Sendepuls verstärkenden Verstärker aufgeteilt, wobei das Überlagerungssignal und der Sendepuls getrennt aus dem Laserresonator ausgekoppelt sind.

   Die Empfindlichkeit von optischen Empfängern für optische Sende- und Empfangseinrichtungen, z. B. für Laserentfernungsmesser, läßt sich bei Anwendung des Überlagerungsempfangs um einige Größenordnungen gegenüber dem Direktempfang steigern. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die Bandbreite des Empfängers gegenüber dem Direktempfang nicht wesentlich vergrößert wird. Dies bedeutet, daß die beteiligten Laser, nämlich der das Überlagerungssignal bildende Lokaloszillator und der Impulsfolgen emittierende Leistungssender, in ihrer Frequenz eng beineinander liegen, so daß die Differenzfrequenz zwischen Lokaloszillator und Leistungssender in die Bandbreite, d. h. in den Zwischenfrequenz-Bereich des Empfängers fällt Es ist allgemein bekannt, daß ein Frequenzgleichlauf mit Hilfe von Frequenzregelschleifen erreicht werden kann. Diese sind jedoch aufwendig und kostspielig.

   Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung zu finden, mit der bei einer optischen Sende- und Empfangseinrichtung der eingangs genannten Art auf einfache Weise ein Frequenzgleichlauf der beteiligten Laser erzielt werden kann.

   Diese Aufgabe wird bei einer optischen Sende- und Empfangseinrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß einem der beiden Laser ein steuerbares Stellglied zugeordnet ist, mit dessen Hilfe die Resonatorfrequenz des Lasers in einem gewissen Bereich abstimmbar ist, daß dieser Laser mit Hilfe des Stellgliedes während eines Übertragungsvorganges durch seinen ganzen Abstimmbereich kontinuierlich durchstimmbar ist, so daß sich von Impuls zu Impuls eine andere Zwischenfrequenz (Differenzfrequenz zwischen Lokaloszillator und Leistungssender) ergibt und - daß der zeitliche Impulsabstand und die Durchstimmgeschwindigkeit derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Frequenzverschiebung von Impuls zu Impuls etwas kleiner ist als die ZF-Bandbreite des Empfängers.