DE4427352C1

DE4427352C1 - Verfahren zur hochauflösenden Abstandsmessung mittels FMCW-Laser-Radar

Info

Publication number: DE4427352C1
Application number: DE4427352A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Phys Thuermel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-08-02
Filing date: 1994-08-02
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2014-08-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur hochauflösenden Abstandsmessung mittels FMCW-Laser-Radar (Frequency Modulated Continuous Wave).

Interferometer als optische Meßinstrumente benutzen die Interferenz des Lichtes als Grundlage für die Messung einer physikalischen Größe. Interferometer teilen einen Lichtstrahl in zwei oder mehrere Teilbündel auf, die verschiedene Lichtwege zurücklegen, dann vereinigt und daher zur Interferenz gebracht werden. Die Auswertung des Interferenzsignales wird durch die Differenz der optischen Wege bestimmt, die die einzelnen Strahlen bis zur Vereinigung zurückgelegt haben. Mit einem Interferometer können somit Differenzen optischer Wege, Längenunterschiede, Brechungsindexunterschiede und Lichtwellenlängen gemessen werden, wenn die Differenzen der optischen Wege bekannt sind. Interferometer sind daher auch geeignet, z. B. die Güte optischer Bauteile zu testen.

Für die präzise Entfernungsmessung mit einem FMCW-Laser-Radar ist die genaue Messung der Phasenänderung des Nutzsignales erforderlich. Die Messung wird durch die relativ geringe Lichtleistung der eingesetzten abstimmbaren Laserdioden und durch nichtlineare Abstimmcharakteristik erschwert. Dabei mindert eine geringe Lichtleistung die Leistung des Nutz- bzw. Ausgangssignales und somit das Signal-Rausch-Verhältnis. Dies gilt insbesondere bei Abstandsmessungen von nichtkooperativen Objekten. Weiterhin verursacht eine nichtlineare Abstimmcharakteristik eine zeitabhängige Zwischenfrequenz f_if(t) (intermediate frequency). Somit wird insgesamt die Messung der Phasenänderung erschwert.

Bisher bekannte Verfahren verringerten den Einfluß der Nichtlinearität der Abstimmcharakteristik durch eine Vorverzerrung der an sich linearen eingangsseitigen Strom-Zeit-Rampe für die Abstimmung. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Signal im Zeitbereich mit Hilfe eines Referenzinterferometers auszuwerten. Diesbezüglich ist folgende Literaturstelle zu nennen:
Kobayashi, T. and Shudong, J.: "Optical FM heterodyne interferometry for range and displacement measurements". CPEM ′88 digest Conf. on Precision Electromagnetic Measurements, 7th-10th June 1988, Tsukuba, Japan, pp. 133-134.

Bei dem erstgenannten Verfahren, der Verzerrung der Strom- Zeit-Rampe am Eingang der Diode, können Alterungserscheinungen oder Schwankungen der Leistung einer Laserdiode nur schwer berücksichtigt werden. Bei der Auswertung im Zeitbereich unter Zuhilfenahme eines Referenzinterferometers wird das Nutz- oder Ausgangssignal meist durch einen oder mehrere Ereignis- bzw. Frequenzzähler ausgewertet.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 36 08 075 A1 offenbart ein solches Verfahren zur Abstandsbestimmung. Entsprechendes gilt für die europäische Patentanmeldung EP 0 164 181 A2 und für den Artikel: T. Pfeifer und J. Thiel: "Absolutinterferometrie mit durchstimmbaren Halbleiterlasern"; Technisches Messen 60 (1993) 5, S. 185-191. In diesen drei Druckschriften wird jeweils die Auswertung der Interferenzsignale durch Frequenzzählung durchgeführt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 06 347 A1 ist ein Laserinterferometer zur interferometrischen Längenmessung bekannt, bei dem ein Referenzinterferometersignal zur Veränderung eines Meßinterferometersignales herangezogen wird, unter Verstimmung der Laserfrequenz.

Bei diesen Verfahren im Stand der Technik kann insbesondere bei niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis oder wenn systeminhärente Störsignale vorliegen, eine Auswertung stark erschwert oder unmöglich sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochauflösenden Abstandsmessung mit eienem FMCW-Laser-Radar bereitzustellen, mittels dem präzise und schnell gemessen werden kann. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe geschieht durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach dem Anspruch 1.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß das auf dem Wechselstromanteil des Fotostromes basierende Signal des Probeninterferometers (Nutzsignal) I_p(t) in einfacher Weise auswertbar ist, wenn die Abtastzeitpunkte nicht zeitlich äquidistant sind, sondern proportional zur zeitlichen Veränderung der optischen Frequenz der Laserdiode positioniert werden. Hierzu wird auf der Basis des Wechselstromanteiles des Fotostromes entsprechend dem Signal des Referenzinterferometers I_R(t) jeweils zu gleichen Phasenlagen, d. h. mit äquidistanten Phasendifferenzen, zu dadurch bestimmten Abtastzeitpunkten das Signal I_P(t) abgetastet. Die Abtastzeitpunkte t(i) sind somit nicht zeitabhängig, sondern abhängig von der Phase des Signales I_R(t). Die Zwischenfrequenz des Probeninterferometers f_{if, P}(t) verhält sich dabei zur Zwischenfrequenz des Referenzinterferometers f_{if, R}(t) wie die Weglängendifferenz R_P des Probeninterferometers zur Weglängendifferenz R_R des Referenzinterferometers. Um für eine Phasendifferenz des Signales I_P(t) mindestens zwei Abtastungen zu erhalten, ist es notwendig, daß die Zwischenfrequenz f_{if, R}(t) des Referenzinterferometers größer ist, als die Zwischenfrequenz f_{if, P}(t) des Probeninterferometers. Die somit mit der Phasendifferenz im Referenzinterferometer gekoppelten Abtastzeitpunkte t(i) ermöglichen die Erzeugung eines monofrequenten Signales hinsichtlich der Abtastindizes i. Dieses wird am Analog-Digital-Wandler aufgezeichnet und digitalisiert. Die Frequenz F dieses Signales ist dimensionslos und direkt proportional zur zu messenden Weglängendifferenz R_P.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Verwendung der Nulldurchgänge des Signals I_R(t). Die Detektion der Nulldurchgänge stellt in der Praxis die einfachste Möglichkeit für die Triggerung dar.

Nachdem das abgetastete Signal I_P(i) in der Regel noch mit verschiedenartigen Störungen behaftet ist, empfiehlt es sich, die Frequenz mit der größten Intensität durch eine Fourier- oder durch eine Fast-Fourier-Transformation zu ermitteln. Dies ergibt das Signal I_P (F). Daraus kann die Weglängendifferenz R_P ermittelt werden. Da das Signal monofrequent ist, kann es schmalbandig gefiltert werden. Dies ergibt eine wesentliche Rauschminderung. Was bei der Auswertung des Signales im Zeitbereich nur sehr bedingt möglich wäre.

Im folgenden wird anhand der schematischen Figuren ein Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung eines FMCW-Laser-Radars,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem der nichtlineare Verlauf der Zwischenfrequenz f_if(t) verdeutlicht wird.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm mit einem beispielhaften Ausgangssignal eines Interferometers unter Zwischenschaltung einer Fotodiode.

Fig. 4 zeigt ein Intensitäts-Zeit-Diagramm mit dem Signal des Probeninterferometers.

Fig. 5 zeigt ein mit Fig. 4 korreliertes Intensitäts-Zeit-Diagramm mit dem Signal des Referenzinterferometers.

Fig. 6 zeigt ein hinsichtlich der Abtastindizes i monofrequentes Signal mit der Frequenz F.

Die Fig. 1 zeigt eine Meßanordnung, die aus einem Proben- und einem Referenzinterferometer besteht. Beide Interferometer sind prinzipiell gleich aufgebaut. Das Probeninterferometer enthält einen Strahlteeiler 6 , einen Spiegel 5, eine Optik 7, eine Blende 8, die Probe 9, eine Optik 10 und eine Fotodiode 11. Das Referenzinterferometer enthält einen Strahlteiler 14, Spiegel 12, 13, 20, eine Optik 15 und eine Fotodiode 16. Für beide Interferometer gelten die gleichen Gesetzmäßigkeiten bezüglich der Zusammenhänge zwischen Weglängendifferenz und Zwischenfrequenz.

Eine Laserdiode 1 wird mit einem sägezahnförmigen Abstimmstrom I_A angesteuert. Der entstehende Laserstrahl wird über eine Kollimatoroptik 2 und einen optischen Isolator 3 auf einen Strahlteiler 4 geführt. Der Strahlteiler 4 sorgt für eine Aufteilung des Laserstrahles in Teilstrahlen, die jeweils dem Probeninterferometer und dem Referenzinterferometer zugeführt werden. Die sich in jedem Interferometer ergebende Zwischenfrequenz f_if(t), die zunächst im optischen Nutzsignal jedes Interferometers auftaucht, steht in Zusammenhang mit der Weglängendifferenz R des Lichtes im Interferometer. Diesbezüglich gilt die Gleichung:

Mittels der Fotodioden 11, 16 werden die optischen Nutzsignale der Interferometer in elektrische Signale S1, S2 umgewandelt. Für diese beiden Signale gilt folgender Zusammenhang:

R: Weglängendifferenz
R_P: Weglängendifferenz im Probeninterferometer
R_R: Weglängendifferenz im Referenzinterferometer
c: Lichtgeschwindigkeit
f_{if, P}(t): Zwischenfrequenz im Probeninterferometer
f_{if, R}(t): Zwischenfrequenz im Referenzinterferometer
f: Optische Frequenz der Laserdiode 1

Betrachtet man das Probeninterferometer, so wird die Zwischenfrequenz und die Weglängendifferenz entsprechend in die Gleichung (1) eingesetzt. Die Zwischenfrequenz f_{if, P}(t) ist dabei nicht zeitlich konstant, aber zu jedem Zeitpunkt mit dem Abstand der Probe entsprechend der Gleichung (1) verknüpft. Der Abstand der Probe 9 entspricht der Weglängendifferenz R_P des Probeninterferometers.

Von den am Ausgang der Interferometer vorliegenden Signalen S1, S2 ist das Signal S1 des Probeninterferometers das Nutzsignal, da der Abstand zur Probe 9 gemessen werden soll. Das Signal S2 des Referenzinterferometers (Referenzsignal) wird zur Triggerung für die Abtastung des Signales S1 verwendet. Dabei wird das Signal S1 im Analog-Digital-Wandler 18 gleichzeitig aufgezeichnet. Das Bauteil 17 enthält einen Verstärker und einen Schwellwertentscheider. Die Abtastzeitpunkte t(i) liegen nicht mehr zeitlich äquidistant, sondern werden bestimmt durch die Nulldurchgänge des Signales S2. Somit entsteht das abgetastete Signal S4 (I_P(i)). Die Abtastung zu äquidistanten Phasendifferenzen D, in diesem Fall jeweils bei den Nulldurchgängen des Signales S2, ermöglicht die Ableitung einer monofrequenten Frequenz F aus dem Nutzsignal. Diese Frequenz F kann frühestens dem abgetasteten Signal S4 entsprechend I_P (i) entnommen werden. Da dieses Signal monofrequent ist, ist eine sehr schmalbandige Filterung möglich. Somit sind Störungen gut herauszufiltern. Das danach vorliegende Signal S5 entspricht der Intensität I_P(F). Es besteht auch die Möglichkeit, für bestimmte Konstellationen innerhalb des Meßsystemes mehrere gleichzeitig vorliegende Hauptfrequenzen zu erhalten.

Die Fig. 2 zeigt den diagrammartigen Zusammenhang zwischen der optischen Frequenz f und der Zeit t bei der Abstimmung. Der Frequenzhub während der Abstimmung ist durch Δf gekennzeichnet. Der Frequenzbereich der optischen Frequenz f der Laserdiode 1 geht somit während der Abstimmung von f₀ bis f₀ + Δf. Die Zwischenfrequenz f_if(t) ergibt sich aus der Differenz des Frequenzbetrages zwischen der Frequenz des emittierten Lichtes und des beispielsweise von der Probe 9 reflektierten Lichtes, wenn das Probeninterferometer betrachtet wird. Die Meßzeit ist mit dem Bezugszeichen T_m bezeichnet.

Entsprechend der Gleichungen (2) und (3) ergeben sich an den Fotodioden 11, 16 die intensitätsmodulierten elektrischen Signale S1, S2. Die Form eines solchen Signales ist in der Fig. 3 dargestellt. I_PD bezeichnet hierbei die Intensität am Ausgang einer Fotodiode 11, 16. Wie eingangs erwähnt, wäre die Auswertung eines derartigen Signales im Zeitbereich sehr kompliziert und zeitaufwendig. Die Vorverzerrung des Abstimmstromes I_A bei der Ansteuerung der Laserdiode 1 zur Erzielung eines monofrequenten und leicht auswertbaren Signales ist ebenfalls umständlich.

Die Fig. 4 und 5 stellen den Verlauf der Signale S1 und S2 dar. Zumindest für das Signal S2 ist die Herausfilterung eines eventuellen Gleichanteiles notwendig, um die Nulldurchgänge feststellen zu können. Die Abtastung des Signales S1 im A/D-Wandler 18 erfolgt jeweils zu äquidistanten Phasendifferenzen D des Signales S2. Dabei ist es zweckmäßig, die Nulldurchgänge des Signales S2 heranzuziehen. Das Signal S1 wird, nachdem die Frequenz von S2 größer ist, als die von S1, in einer Phasendifferenz mindestens zweimal abgetastet.

Die Fig. 6 zeigt das abgetastete Signal S4, das auf Abtastzeitpunkte t(i) mit dem Laufindex i=1, 2, 3 . . . bezogen ist. Diese entsprechen wiederum den Nulldurchgängen des Signales S2 entsprechend Fig. 5. Der mathematische Zusammenhang wird durch die folgende Gleichung wiedergegeben:

Das abgetastete Signal S4 ist somit monofrequent hinsichtlich der Abtastindizes i mit der Frequenz F entsprechend Fig. 6. F ist somit eine dimensionslose Größe. Die zu messende Weglängendifferenz des Probeninterferometers R_P ist verknüpft mit F und der Weglängendifferenz des Referenzinterferometers R_R über:

R_P = 2 · F · R_R (5)

Somit wird insgesamt ein Verfahren beschrieben, das eine hochauflösende Abstandsmessung mittels eines FMCW-Laser-Radars, insbesondere bei nicht kooperativen Objekten und bei nichtlinearer Frequenz-Zeit-Rampe ermöglicht. Dieses Verfahren bietet weiterhin die Möglichkeit der quantitativen Ermittlung der Phasenrauschdifferenz der Laserdiode in kurzen Zeitintervallen, was für die Charakterisierung dieser Laserdioden von Bedeutung ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, durch Subtraktion des Frequenzspektrums von einem vorher ermittelten Frequenzspektrum, welches nur die systeminhärenten Störsignale enthält (z. B. durch Reflektionen an optischen Bauelementen), diese zu eliminieren.

Der Frequenzhub Δf während der Abstimmung kann im Gigahertz-Bereich liegen, während die Zwischenfrequenz f_if beispielsweise nur wenige Hertz betragen kann.

Claims

1. Verfahren zur hochauflösenden Abstandsmessung mittels FMCW-Laser-Radar, bei dem

- der Laser zu seiner Frequenzmodulation mit einer linearen Strom-Zeit-Rampe angesteuert wird,
- der kolimierte Laserstrahl durch einen Strahlteiler (4) einem Proben- und einem Referenzinterferometer gleichzeitig zugeführt wird, die jeweils ein zeitlich veränderliches Interferenzsignal liefern, dessen zeitabhängige Frequenz zusätzlich von der Weglängendifferenz der Lichtwege im jeweiligen Interferometer abhängt,
- diese Interferometersignale über jeweils eine Fotodiode (11, 16) in entsprechend modulierte elektrische Signale (S1, S2) umgewandelt werden,
- das Signal (S1) des Probeninterferometers über einen Analog- Digital-Wandler (18) zu solchen Abtastzeitpunkten abgetastet und aufgezeichnet wird, bei denen die zugehörigen Phasen im Signal (S2) des Referenzinterferometers jeweils um einen gleichen Betrag differieren,
- die derart abgetasteten Signalwerte durch Bezug auf die fortlaufenden Abtastindizes der Abtastzeitpunkte zu einem Ausgangssignal (S4) zusammengesetzt werden, das monofrequent ist und dessen Frequenz (F) direkt proportional zu der im Probeninterferometer zu messenden Weglängendifferenz (R) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte (S3) jeweils Nulldurchgängen des Signales (S2) des Referenzinterferometers entsprechen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (F) durch eine Fouriertransformation oder eine Fast-Fouriertransformation des Ausgangssignales (S4) ermittelt wird.