DE3601386C1 - Method and device for calibrating optical rangefinders - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Eichen von optischen Entfernungsmessern, wobei ein Lichtstrahl von einem Sender, insbesondere einem CW-Laser auf ein reflektierendes Ziel gerichtet wird und die Phasendifferenz zwischen dem von ihm reflektierten Lichtstrahl und dem ausgesandten Lichtstrahl von einem neben dem Sender angeordneten Empfänger gemessen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei dieser Art von Entfernungsmessung wird üblicherweise ein CW-Laserstrahl mit Rechteckmodulation ausgesandt und die Phasendifferenz zwischen dem Sende- und dem Empfangsstrahl z. B. durch einen phasenempfindlichen Gleichrichter gemessen, wobei diese Phasendifferenz ein Maß für die Zielentfernung ist.

Da die Entfernungsmessung üblicherweise in Luft durchgeführt wird, werden unverfälschte Meßergebnisse nur bei optimalen atmosphärischen Bedingungen erhalten. Insbesondere bei auftretendem Nebel erfolgt eine Verfälschung der Meßergebnisse, die durch eine geeignete Eichung des Entfernungsmessers beseitigt werden muß, da der auftretende Nebel je nach seiner Dichte die Rückstreuung des Lichtstrahls heraufsetzt und gleichzeitig den Transmissionsgrad der Luft herabsetzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit der optische Entfernungsmesser mit CW-Lasern bereits bei der Herstellung, d. h. unter Laborbedingungen, zum Ausschluß von störenden Nebeneinflüssen entsprechend geeicht werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sender und dem Ziel ein Filter angeordnet wird, dessen Abstand zum Sender eine Funktion der bei einer bestimmten Nebelstärke herrschenden Sichtweite ist, daß der Transmissionsgrad und der Rückstreufaktor des Filters als Funktionen des Abstandes des Zieles vom Sender und des Filters vom Sender eingestellt werden, und daß die Divergenz des Lichtstrahls als Funktion der Sichtweite eingestellt wird.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Filter eine drehbare im wesentlichen kreisförmige Streuscheibe aufweist, deren Rückstreuvermögen in Richtung des Umfangs der Scheibe von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert zunimmt, und eine drehbare, im Abstand von der Streuscheibe angeordnete, im wesentlichen kreisförmige Abschwächscheibe aufweist, deren Transmissionsgrad in Richtung des Umfangs der Scheibe von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert zunimmt.

Vorteilhafterweise ist die Streuscheibe eine Lambert-Streuscheibe, die aus einem für die verwendete Strahlung transparenten Substrat besteht, auf dem viele kleine nichttransparente Flecken angeordnet sind, wobei die Gesamtfläche der einzelnen Flecken pro Flächeneinheit (Flächenfüllfaktor), in Richtung des Scheibenumfangs zunimmt. Eine derartige Streuscheibe wird vorzugsweise im Rasterdruckverfahren hergestellt.

Die Abschwächscheibe besteht vorzugsweise aus einem für die verwendete Strahlung transparenten Substrat, auf dem eine teildurchlässige Spiegelschicht aufgedampft ist, deren Transmissionsgrad in Umfangsrichtung von 0% auf 100% zunimmt.

Das Filter wird dabei unter einem Winkel zur Strahlenrichtung angeordnet, um Rückreflexion zum Empfänger zu vermeiden.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel besteht die Abschwächscheibe aus einer Polarisationsfolie und einer zu ihr drehbar angeordneten Analysatorfolie. Anstelle eines drehbaren Filters können auch ein oder zwei Filtersätze aus diskreten Filtern, die z. B. in der Art von Diamagazinen angeordnet sind, in den Strahlengang gebracht werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzlich zwischen dem Laser und dem Filter ein die Divergenz des Laserstrahls veränderndes Objektiv vorgesehen ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung bieten also den Vorteil, das Auftreten von Nebel unter Laborbedingungen zu simulieren und dadurch den Laserentfernungsmesser zu eichen, daß an einer bestimmten Stelle zwischen ihm und einem Ziel ein Filter mit variabler Transmission und variablem Rückstreufaktor angeordnet wird. Das vor dem Entfernungsmesser angeordnete Sendeobjektiv, das vorzugsweise ein Zoom-Objektiv ist, verändert schnell und einfach die Divergenz des ausgesandten Laserstrahls und simuliert dadurch die nebelbedingte Aufstreuung des Laserstrahls. Die Verdrehung der Streuscheibe sowie der Abschwächscheibe um ihre Achsen ermöglicht die Simulation von jeder beliebigen Nebelstärke.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Anordnung eines optischen Entfernungsmessers mit in dem Strahlgang angeordnetem Filter und

Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht einer Streuscheibe.

Bei der in Fig. 1 dargestellten schematischen Anordnung zum optischen Entfernungsmessen ist mit 1 ein CW-Laser bezeichnet, der einen Lichtstrahl auf ein bestimmtes Ziel 8 aussendet, von dem ein Teil 10 zu einem Empfänger 2 rückgestreut wird, dem eine geeignete Auswerteschaltung zugeordnet ist. Im Strahlengang wird erfindungsgemäß das Filter 4, 5 angeordnet, das z. B. aus einer um ihre Achse verdrehbaren Streuscheibe 4 und einer um ihre Achse verdrehbaren Abschwächscheibe 5 besteht.

Die Streuscheibe 4, die schematisch in Fig. 2 in Strahlrichtung dargestellt ist, besteht aus einem für die verwendete Strahlung transparenten kreisförmigen Substrat, das von den Laserstrahlen 9 und 10 in der Fläche 11 durchsetzt wird, und auf dem nichttransparente Flecken 6 angeordnet sind, wobei der Flächenfüllfaktor, d. h. die Gesamtfläche der einzelnen Flecken pro Flächeneinheit in Richtung des Scheibenumfangs zunimmt. Die Scheibe 4 ist dabei beispielsweise in Richtung des Pfeils F um ihre Achse 7 verdrehbar. Diese Scheibe läßt sich besonders einfach im Rasterdruckverfahren herstellen.

In geringem Abstand hinter der Streuscheibe 4, in Strahlrichtung gesehen, ist eine Abschwächscheibe 5 vorgesehen, die ebenfalls aus einem kreisförmigen, für die verwendete Strahlung transparenten Substrat besteht, auf dem jedoch eine teildurchlässige Spiegelschicht aufgedampft ist, deren Transmissionsgrad in Umfangsrichtung gesehen von 0% auf 100% zunimmt.

Zwischen dem CW-Laser 1 und dem Filter 4, 5 ist ein mit 3 angedeutetes Zoom-Objektiv angeordnet, mit dem die Divergenz des Laserstrahls entsprechend der vom Nebel erzeugten Aufstreuung des Strahls eingestellt werden kann.

Anstelle einer Streuscheibe 4 und einer Abschwächscheibe 5 können auch eine um ihre Achse drehbare Polarisationsfolie und eine ihr zugeordnete ebenfalls drehbare Analysatorfolie vorgesehen sein oder ein oder zwei Filtersätze aus diskreten Filtern, die z. B. in der Art von Diamagazinen angeordnet sind und in den Strahlengang eindringbar sind.

Soll nun eine Messung durchgeführt werden, die einer Entfernungsmessung ohne das Auftreten von Nebel entspricht, so wird die Streuscheibe 4 derart verdreht, daß der auftreffende Laserstrahl auf eine Stelle 11 ohne Flecken fällt, so daß er ohne Rückstreueffekt das transparente Substrat durchsetzt (Rückstreufaktor ρ = 0), während die Abschwächscheibe 5 eine derartige Stellung einnimmt, daß der Laserstrahl diese an eine Stelle durchsetzt, an der die Transmission maximal ist (Transmissionsfaktor τ = 1).

Das vom Empfänger 2 empfangene, vom Ziel 8 rückgestreute Signal berechnet sich dann zu

P = Acos k r mit A = A(r); mit:
k = 2π/λ (λ = Modulationswellenlänge, A = Empfangsintensität)

Das im Strahlengang aufgestellte Filter hat also keinerlei Einfluß auf die bei dieser Stellung erfolgende Messung des im Abstand r vom Laser 1 aufgestellten Ziels 8.

Wird hingegen eine Messung mittels Simulierung von Nebel mit einer angenommenen meteorologischen Sichtweite V durchgeführt, so wird das Filter 4, 5 in einem aus dieser Sichtweite V abgeleiteten Abstand s vom Laser 1 im Strahlengang angeordnet. Der Rückstreufaktor ρ der Streuscheibe 4 wird durch Verdrehen dieser Scheibe als Funktion des Abstands r des Targets und der angenommenen Sichtweite V eingestellt und ebenfalls der Transmissionsgrad der Abschwächscheibe 5 durch Verdrehen dieser Scheibe um ihre Achse gemäß diesen Bedingungen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Streuscheibe 4 ebenfalls den Transmissionsgrad des Filters 4, 5 beeinflußt, was bei der Verdrehung der Abschwächscheibe 5 kompensiert wird.

Die Divergenz des vom Laser 1 ausgesandten Laserstrahls wird mittels des Zoom-Objektivs 3 derart eingestellt, daß sie der Aufstreuung des Laserstrahls 9 durch den Nebel bei der angenommenen Sichtweite V entspricht. Nun kann die Eichmessung des Laserentfernungsmessers durchgeführt werden, wobei das Filter 4, 5 unter einem kleinen Winkel in Strahlrichtung 9 gesehen derart angeordnet wird, daß unerwünschte reflektierte Laserstrahlung zum Empfänger 2 vermieden wird.

Das bei diesem angenommenen Nebel und der dazu gehörigen Sichtweite V auf den Empfänger 2 treffende Signal bestimmt sich wie folgt

P =τ′² A cos kr + B cos ks
mit τ′ = τ + τ(ρ) = τ′ (r, V) B =B (s, V) und s =s (V).

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es also möglich, beliebige Nebelstärken, d. h. beliebige Sichtweiten innerhalb der vorgegebenen Strecke r zwischen Laserentfernungsmesser und Ziel einzustellen und so den Einfluß von Nebel auf die Genauigkeit der Entfernungsmessung durch entsprechende Eichung des Lasers bzw. des Empfängers auszuschalten.

Claims (8)

1. Verfahren zur Eichung von optischen Entfernungsmessern, wobei ein Lichtstrahl von einem Sender, insbesondere einem CW-Laser, auf ein reflektierendes Ziel gerichtet wird und die Phasendifferenz zwischen dem von ihm reflektierten Lichtstrahl und dem ausgesandten Lichtstrahl von einem neben dem Sender angeordneten Empfänger gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Sender und dem Ziel ein Filter angeordnet wird, dessen Abstand vom Sender eine Funktion der bei einer bestimmten Nebeldichte herrschenden Sichtweite ist, daß der Transmissionsgrad und der Rückstreufaktor des Filters als Funktionen des Abstandes des Zieles vom Sender und des Filters vom Sender eingestellt werden und daß durch ein Objektiv die Divergenz des Lichtstrahles als Funktion der Sichtweite eingestellt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (45) eine drehbare im wesentlichen kreisförmige Streuscheibe (4) aufweist, deren Rückstreuvermögen in Richtung des Umfangs der Scheibe von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert zunimmt und eine drehbare, im Abstand von der Streuscheibe (4) angeordnete, im wesentlichen kreisförmige Abschwächscheibe (5) aufweist, deren Transmissionsgrad in Richtung des Umfangs der Scheibe von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert zunimmt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuscheibe (4) eine Lambert-Streuscheibe ist, die aus einem für die verwendete Strahlung transparenten Substrat besteht, auf dem viele kleine nichttransparente Flecken (6) angeordnet sind, wobei die Gesamtfläche der einzelnen Flecken pro Flächeneinheit (Flächenfüllfaktor) in Richtung des Scheibenumfangs zunimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschwächscheibe (5) aus einem für die verwendete Strahlung transparenten Substrat besteht, auf dem eine teildurchlässige Spiegelschicht aufgedampft ist, deren Transmissionsgrad in Umfangsrichtung von 0% auf 100% zunimmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (4, 5) unter einem Winkel zur Strahlrichtung angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschwächscheibe (5) aus einer drehbaren Polarisationsfolie und einer zu ihr drehbar angeordneten Analysatorfolie besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (4, 5) aus einem oder zwei Filtersätzen aus diskreten Einzelfiltern besteht, die in einem Magazin angeordnet und in den Strahlengang einbringbar sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zwischen dem Laser (1) und dem Filter (4, 5) ein die Divergenz des Laserstrahls veränderndes Objekt (3) vorgesehen ist.