DE3425098A1

DE3425098A1 - Verfahren und einrichtung zum erfassen, abstandsmessen und abbilden von objekten in umhuellenden trueben medien mit lasern

Info

Publication number: DE3425098A1
Application number: DE19843425098
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Dipl.-Phys. Halldórsson; John Dr.rer.nat. 8000 München Langerholc; Sigmund Dipl.-Phys. 8013 Haar Manhart; Ernst-August Dipl.-Ing. 8028 Taufkirchen Seiffarth
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1984-07-07
Filing date: 1984-07-07
Publication date: 1986-01-16
Also published as: SE8503295L; GB8517157D0; GB2161340A; FR2567274B1; SE457668B; US4717252A; SE8503295D0; DE3425098C2; GB2161340B; FR2567274A1

Description

Patentabteilung

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Verfahren und Einrichtung zum Erfassen, Abstandsmessen und Abbilden von Objekten in umhüllenden trüben Medien mit Lasern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen, Abstandsmessen und Abbilden von Objekten, die selbst stark absorbierend oder reflektierend in einem durch Lichtstreuung stark dämpfenden Medium verborgen sind, unter Verwendung eines gepulsten Lasers als Strahlungsquelle.

Es handelt sich also um ein Verfahren, wo die signifikanten Lichtsignale auf der Übertragungsstrecke durch Streuung stark abgeschwächt werden und von störenden Streusignalen aus dem Medium selbst begleitet sind.

Durch die DE-PS 26 34 627 sowie die DE-OS 31 03 567 und DE-OS 32 19 452 sind Entfernungsmeßsysteme bekanntgeworden, die das Zeitintervall zwischen einem kurzen Referenz-Laserimpuls und einem weitgehend identischen, aus dem Streulicht des Zielgegenstandes gebildeten, Meßimpuls bestimmen. Hierbei soll der Meßfehler bei der Abstimmung des Zeitintervalles möglichst klein gehalten werden.

Die Reichweite von Laser-Fernvermessungsverfahren in der Atmosphäre oder durch Meereswasser wie Laser-Radar, Lidar und Laser-Entfernungsmesser ist bekanntlich in viel höherem Maße von dem Trübungsgrad des übertra-

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gungsmediums abhängig als Mikrowellen- oder Millimeter-Radar bzw. akustische Echolotverfahren. Vorallem ist dieser Umstand von Nachteil im militärischen Bereich, wo gegnerische Ziele meistens unter erschwerten Sichtbedingungen mit einem Laser-Taststrahl schnell und genau erfaBt werden sollen. Hier werden nur die üblichen Systeme betrachtet, die auf dem sog. Echo- oder Pulslaufzeitprinzip beruhen, wo von einem Lasersender kurze Pulse oder Pulsfolgen in Richtung zum Ziel gesend_et werden und koaxial oder parallel zur Sendeachse eine Empfangseinrichtung angeordnet ist, die den reflektierten Puls empfängt, wobei die Rückantwort, je nach Anwendung in flächenabtastenden Systemen als Bildpunkt, oder in Systemen mit starrer Achse als Entfernung durch ein Laufzeitmeßwerk augewertet wird.

Die Detektion von Laser-Echo-Signalen nach Strahlausbreitung in trüben Medien wird durch zwei Effekte erschwert: einmal durch die starke Dämpfung oder exponentielle Abnahme des Signals auf dem Hin- und Rückweg durch das Medium, die Beherrschung einer hohen Signaldynamik erfordert, zweitens dadurch, daß entlang der Spur des Pulses zum Ziel eine starke Rückstreuung im Medium selber entsteht, die bei ihrem inhomogenen zeitliehen Verlauf Signale erzeugt, die von den Echosignalen der Zieloberfläche oft schwer zu unterscheiden sind,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Detektionswahrscheinlichkeit und Unterdrückung der Fehl-

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alarmwahrscheinlichkeit in abtastenden Laser-Radarsystemen, wie sie zur U-Bootsuche aus Flugzeugen oder zur Zielsuche in stark getrübter Atmospäre am Boden verwendet werden, wesentlich zu verbessern und hierbei nicht nur den üblicherweise schwachen Objektreflex, sondern auch die oft wesentlich stärkere Änderung der Rückstreuung des Mediums - d.h. des Wassers und/oder der Luft - selber vollständig zu erfassen.

Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 aufgezeigte Verfahren und mit der im Anspruch 3 vorgeschlagenen Einrichtung gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen aufgezeigt und in der Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert, wobei die Figuren der Zeichnung die Beschreibung ergänzen. Es zeigen

Fig. la ein Diagramm der Streusignale von Medium und

Objekt,
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Fig. Ib ein Diagramm des gesamten Streusignales als

Funktion der Zeit,

Fig. 2 ein Diagramm der normalisierten zeitlichen Ableitung des Signales,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Signalauswerteinheit zur Bildung des Quotienten von zeitverzögertem und direktem Signal,

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3 A 2 5 O 9:8

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Fig. 4a ein Diagramm des direkten und zeitverzöqerten Signales, , '■

Fig. 4b ein Diagramm des zeitlichen Verlaufes Quotienten von zeitverzögertem und direktem

Signal,

Fig. 5 ein Blockschaltbild der Signalauswerteinheit zur Subtraktion des optischen Hintergrundes vom Nutzsignal.

Um die Funktionsweise des Verfahrens und seine Vorteile gegenüber den herkömmlichen Methoden zu verdeutlichen, werden zunächst die zeitabhängigen Rückstreusignale eines Laser-Radar-Systems aus einm trüben Medium, wie sie in Abb. Ib dargestellt sind, betrachtet. Zum Zeitpuntk to, der hier als t = ο bezeichnet ist, wird der Anfang des Rückstreusignales der Anstiegsflanken des kurzen Pulses des Lasersenders von der Abgrenzung des trüben Mediums (Meeresoberfläche, Nebelbank) von dem Laserempfänger detektiert. Während der Zeit des Eindringens des Pulses in das Medium hinein, steigt das Signal aufgrund der Rückstreuung aus dem Medium kontinuierlich bis zn einem Maximum an, wo der Puls nun vollständig in das Medium hineingetaucht ist. Im weiteren Zeitablauf fällt das Signal exponentiell mit der Zeit ab, oder

S (t) ~ e ι t. t (1)

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wo Γ den Dämpfungskoeffizienten des Mediums und C die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ausdrückt. Zum Zeitpunkt (vom Empfänger gesehen) t - ^{2 D}
D " C

hat die Pulsanstiegsflanke ein Objekt in der Tiefe D erreicht, wo im weiteren Zeitverlauf zweierlei geschieht: Einmal nimmt die Rückstreuung aus dem Medium in einer Zeit, die der Pulsbreite t_A entspricht, bis Null ab (siehe Abb. la) und zum zweiten reflektiert oder streut die Objektoberfläche einen Teil der Pulsenergie zurück, wobei dieses Signal über die Zeit genau die gleiche Form hat, wie der ausgesandte Puls, wie in Abb. la gezeigt wird. Beide Signaländerungen ergeben zusammen den Verlauf in Abb. Ib.

,,Medium _πβ(π)
^e<V - _} ⁼ Τϊ> ^Ce * -^{13 (2)}

wobei β(ττ) den Rückstreukoeffizienten und ρ den Reflexionsgrad des Objektes bezeichnet.

Eine rechnerische Auswertung dieses Verhältnisses durch Einsetzen von bekannten Daten über ß(-rr) und Γ für verschiedene Arten von trüben Medien ergibt, daß die Signaländerung der Rückstreuung signifikant höher als der Objektreflex in Medien mit einer Dämpfung Γ>. 0,1 in"¹, einem Verhältnis ß(TT)/T>10~²sr~¹ und einer Pulsdauer t^ 5 ns. Hier bleibt zu vermerken,

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-B-

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daß der Reflex von einem Objekt meistens isotrop in alle Raumrichtungen gestreut wird, wo nur ein geringer Anteil in das Gesichtsfeld des Empfängers gelangt, anders als bei der Rückstreuung des Mediums, **ie meistens eine ausgeprägte Strahlkeule in Rückwärtsrichtung mit einem öffnungswinkel von nur einigen Grad aufweist, wo ein entsprechend hoher Anteil des Streulichts des Mediums in das Gesichtsfeld des Empfängers fällt.

Ein Vergleich mit den bekannten Daten für trübes Meereswasser und künstlichem Nebel (im militärischen Bereich) zeigt, daß bei Wellenlängen im Bereich des Sichtbaren und nahen IR, dieses Verhältnis deutlich über 1 liegt. Als Beispiel seien typische Daten für Küstenwasser in der Ostsee mit Γ = 0,25 m und ß(ir) = 10~ m~ sr~ angeführt. Bei einer Pulslänge des Lasers von t_A = 30 ns und einem Reflexionsgrad des gesuchten Objektes von ρ = 0,1 wird ^eD * ³³·

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Dieses Ergebnis verdeutlicht, daß durch den Einsatz von relativ langen Laserpulsen und einer Signalauswerteinrichtung, die dafür ausgelegt ist, die Signaländerungen über Zeiträume, die der Länge des Laserpulses entsprechen, zu erfassen, erheblich deutlichere Signalechos von Objekten gewonnen werden können als mit Kurz-Puls-Verfahren.

Es versteht sich, daß diese Verbesserung der Objektdetektion auf Kosten der Genauigkeit der Entfernungsbestimmung zwischen Objekt und Empfänger, die propor-

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tional zur Laserpulsdauer ist, geschieht. Jedoch kann die Entfernungsgenauigkeit hier wieder hergestellt werden durch die Mittelung einer Anzahl von Einzelmessungen über eine Pulsfolge.

Da die üblichen Signalauswerteinrichtungen für die Anwendung möglichst kurzer Pulse mit hoher Spitzenleistung und deren kurzzeitige Objektreflexe ausgelegt sind, wird eine Einrichtung vorgeschlagen, die der oben beschriebenen Detektion der relativ langen Streusignale optimal angepaßt ist. überraschenderweise läßt sich dies auf dem einfachen Wege bewerkstelligen durch die Bildung des Quotienten des zeitverschobenen Signales und des direkten Meßsignales, wobei die Zeitverzögerung an die Dämpfungswerte des Mediums und Pulsdauer des Lasers angepaßt werden muß.

Am einfachsten läßt sich dieses neue Verfahren an dem Vergleich mit dem üblichen Verfahren verdeutlichen.

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Wegen der hohen Signaldynamik der Empfangssignale wird üblicherweise die Signalverstärkung nach dem Abstrahlen eines Laserpulses von einem niedrigen Wert auf immer höhere Werte als Funktion der Pulslaufzeit hochgeregelt. Diese Operation wird üblicherweise mit Hilfe eines Verstärkers mit einer logarithmischen Kennlinie durchgeführt, d.h. von dem zeitabhängigen Empfangssignal S(t) wird der natürliche Logarithmus gebildet: log S(t). Durch diese Operation wird das ursprüngliche im streuenden Medium exponentiell abfallende Signal linea-

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j "^ λ\· 9568

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-Fc * t • risiert, d.h. aus dem Abfall e entsteht -Γ Ct. Um nun den Reflex oder das rasche Abklingen des Signales am Objekt zu detektieren, wird das Signal noch differenziert, wobei das Signal aus dem strebenden Medium einen linearen Verlauf annimmt, dagegen an einem Objekt einen Transienten aufweist, wie in Abb. 2 gezeigt wird.

Aus der Beziehung

d log S(O S'(t)

dt ⁼ S(t)

ist ersichtlich, daß das resultierende Signal die normalisierte zeitliche Ableitung des Empfangssignales (d.h. der momentanen Neigung der Signalkurve) darstellt. Die Signalstörung vom Objekt wird schließlich durch Registrierung des Nulldurchganges oder der Anhebung des Signales über einen festen Signaldiskriminierungslevel detektiert.

Es versteht sich, daß diese Art von Signalauswertung geeignet ist, um sehr schnelle Signaländerungen, d.h„ signalanstieg oder -abfall zu detektieren, aber fast indifferent auf relativ langsame Änderungen im Signalverlauf reagiert.

Betrachtet man nun den üblichen Signalverlauf am Objekt im stark streuenden Medium, wie in Abb. Ib dargestelt ist, dann fällt auf, daß die Änderung der Neigung der Signalkurve in dem Augenblick, wo die angsteigende

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Pulsflanke das Objekt trifft, relativ gering ist, gegenüber der Änderung während der Begegnung der abfallenden Flanke mit der Oberfläche, wo das Signal von dem Spit2enwert auf Null abfällt. Dies bedeutet, daß bei dem oben beschriebenen Signalauswertverfahren hauptsächlich die abfallende Flanke des Laserpulses zur Geltung kommt und daß es wesentlich darauf ankommt, daß dieser Abfall möglichst kurzzeitig erfolgt bzw. daß die Spitzenleistung des Pulses möglichst hoch ist.

Aus Gründen der Leistungsbilanz ist dieser Tatbestand aber unbefriedigend, denn nur die Hälfte des Laserpulses kommt im nutzbaren Empfangssignal zum Tragen. Weiterer Nachteil des Verfahrens ist, daß es auf alle kurzzeitigen Signaländerungen reagiert und damit bei geringsten Inhomogenitäten der Streuung auf dem Weg zum Objekt zusätzliche Störsignale detektiert werden, die vom Objektsignal nur schlecht diskriminiert werden können.

Um diesen Nachteilen aus dem Wege zu gehen, mit anderen Worten, möglichst den vollen Anteil des Signales auswertbar zu machen, bei gleichzeitig geringer Störungswahrscheinlichkeit, wird in der Erfindung eine Signal- auswerteinrichtung vorgeschlagen, wie sie in Abb. 3 dargestellt ist. Das Signal des Detektors 11 wird zuerst wie üblich durch einen Log-Amplifier 12 geleitet. Danach wird es in zwei Signalzweige geleitet, wo es in dem einen Zweig durch eine Signalverzögerungseinrichtung 13 läuft, damit es eine feste Verzögerung ät gegenüber dem direkten signal im zweiten Zweig erfährt.

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Beide Signale log S(t+At) und log S(t) werden nun mit einem Differenzverstärker 14 voneinander abgezogen. Durch diese Operation entsteht der Logarithmus des Quotientens der beiden Signale und durch die nachfolgende Umkehrfunktion eines Analogverstärkers 15 der Quotient:

*t*\ -l,·.,-,-¹-!«,-* S(t +At) S(t+At) e(t) = log log s(t) ⁼ S(t)

Das direkte und zeitverzögerte Signal sind gleichzeitig in Abb. 4a und deren Verhältnis ε (t) in Abb. 4b dargestellt. Wie aus Abb. 4b zu entnehmen ist, wächst e(t) von Null durch 1 (wo sich die beiden Signale kreuzen) bis zu einem konstanten Wert e vor der Begegnung des Laserpulses mit der Objektoberfläche.

In dem Zeitraum der Begegnung des Laserpulses mit der Objektoberfläche entsteht im allgemeinen zunächst eine leichte Erhöhung des direkten Signales aufgrund des zusätzlichen Anteiles der Objektstreuung. In der gleichen Zeit ist aber das zeitverzögerte Signal noch beim Abnehmen, d.h. das Verhältnis wächst bis zu einem Maximum an. Im weiteren Verlauf nehmen beide Signale auf Null und das Verhältnis auf 1 ab.

Wird nun die Zeitverzögerung Δ t so gewählt, daß sie in etwa gleich der Pulslänge t^ ist, versteht sich, daß die gesamte Änderung des Signales am Objekt in dem Transienten des Quotienten sich auswirkt. Zur Festle-

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gung eines Bezugszeitpunktes, wo der Puls das Objekt trifft, können alle üblichen Verfahren verwendet werden, sowie Signal Maximum Detektion, Pulshöhen, Diskriminierung, Puls-Schwerpunkts-Bestimmung etc..

Ein echter Vergleich dieses Verfahrens mit der Methode von oben entsteht, wenn von dem Verhältnis e (t) JL abgezogen wird, was den Signalkurvenverlauf nicht stört:

, _ SCt₊At) _ Sft+At) -sm , . ι - _s(t) - ι - _s(t) (5)

Aus diesem Ausdruck ist ersichtlich, daß der Kurvenverlauf die normalisierte Signaldifferenz des zeitverzögerten und direkten Signales darstellt, wobei die normalisierte Ableitung von oben durch:

^lim FeU)-II S' (t)
At-»O At ⁼ S(t)

abgeleitet werden kann.Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens gegenüber den üblichen Methoden besteht nun darin, daß es mit einer richtigen Einstellung der Zeitverzögerung sowohl für kurze wie auch lange Pulse einsetzbar ist, wobei die gesamte Signaländerung durch Objektreflex und Aussetzen der Rückstreuung im Medium ausgenutzt wird. Ein weiterer Vorteil ist, daß Signal-Störungen durch Inhomogenitäten im streuenden Medium durch eine richtige Anpassung der Zeitverzögerung At gemittelt werden können.

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Wie bei allen Laser-Fernmeß-Verfahren für den Tageseinsatz in der Atmosphäre wird dieses Verfahren auch durch diesen Hintergrund gestört. Die Erfindung sieht deshalb eine effektive optische Unterdrückung des Hintergrundes durch Interferenzfilter mit einem Sperrbereich außerhalb der Laserwellenlänge vor. Darüberhinaus ist eine elektronische Eliminierung des Hintergrundpegels durch eine Signalsubtraktionseinrichtung, wie sie in Abb. 5 dargestellt ist, vorgesehen.
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Mit dieser Schaltung werden die Zwischenzeiträume zwischen den Meßperioden der Hintergrundstrahlung eingelegt und der Signalstrom des Hintergrundes über eine Verzögerungsleitung 17 von dem Meßsignal der nächsten Meßperiode 16, 18 vorgesehen sind, um alternativ die eine Meßleitung oder die andere einzuschalten, wird zwischen dem Fotoempfänger 11 und dem Log-Verstärker 12 - in Abb. 3 dargestellt mit A und B - zwischengeschaltet. Die zeitliche Ansteuerung des Lasers und der Analog-Schalter 16, 18 wird über einen gemeinsamen Taktgeber laufen. Mit t ist die Verzögerung zwischen Hintergrund- und Nutzsignalmessung bezeichnet und mit 19 der Differenzverstärker 10, der die Signale von Puls und Hintergrund voneinander abzieht.

Claims

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2.07.1984

Kre/th

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Verfahren und Einrichtung zum Erfassen, Abstandsmessen und Abbilden von Objekten in umhüllenden trüben Medien mit Lasern

Patentansprüche:

L. Verfahren zum Erfassen, Abstandsmessen und Abbilden von Objekten, die sowohl absorbierend, als auch reflektierend sein können und in einem durch Lichtstreuung stark dämpfenden Medium verborgen sind, unter Verwendung eines gepulsten Lasers als Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet , daß das Rückstreusignal aus dem, mit einem gebündelten, gepulsten Laserstrahl abgetasteten Medium so aufgezeichnet wird, daß der gesamte zeitliche Verlauf der Rückstreuung zur Detektion eines im Medium befindlichen Objektes herangezogen wird und das Detektionssystem nur auf eine für das Objekt signifikante Signalunstetigkeit anspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das empfangene Rückstreusignal aufgespaltet, der eine Teil zeitlich verzögert und der Quotient aus dem verzögerten und dem nicht verzögerten Meßsignal gebildet wird, wobei die Länge der Zeitverzögerung variabel und an die Dämpfungswerte des Mediums und an die Pulsdauer des Lasers angepaßt werden kann.

Patentabteilung

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3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das zeitaufgelöste Signal des Fotoempfängers (11) durch einen elektronischen Signal-Log-Verstärker (12) geleitet wird und anschließend in zwei Zweige aufgespalten wird, wo es in dem ersten Zweig eine definierte Zeitverzögerung in einer Verzögerungsleitung (13) gegenüber dem unverzögerten Signal in dem zweiten Zweig erfährt, wonach beide Signale einem Differenzverstärker (14) zugeführt werden, der die Differenz der beiden logarithmierten Signale bildet um anschließend mit Hilfe eines Analog-Verstärkers (15) den Quotienten der beiden Signale zu erzeugen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Fotoempfänger (11) und dem Log-Verstärker (12) eine Signalsubtraktionseinrichtung (5) zwischengeschaltet ist, womit durch die alternative Ansteuerung von zwei Analogschaltern in zwei signalzweigen mit dem Schalter (16) der Signalstrom des optischen Hintergrundes in einem definierten Zeitabstand vor dem Aussenden des Laser-Tastpulses durch eine Signalverzögerungsleitung (17) weitergeleitet wird, die so ausgelegt ist, daß in Zeitdauer der Pulsmessung die durch Ansteuerung des zweiten Analogschalters (18) eingeleitet wird, beide Signale, Pulssignal und Hintergrund, mit Hilfe eines Differenzverstärkers (19) voneinander abgezogen werden können.

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5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Hintergrundsignal mittels eines Interferenzfilters mit einem Sperrbereich auSerhalb der Laserwellenlänge unterdrücke wird.