DE69019903T2

DE69019903T2 - Differential-Fluoreszenz-LIDAR und damit verbundenes Nachweisverfahren.

Info

Publication number: DE69019903T2
Application number: DE69019903T
Authority: DE
Inventors: Giovanna Cecchi; Luca Pantani
Original assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Current assignee: Consiglio Nazionale delle Richerche CNR
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1990-09-19
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: ATE123571T1; IT8909528A0; ES2072417T3; EP0419425A3; DK0419425T3; US5096293A; CA2025468A1; EP0419425A2; JPH03206944A; DE69019903D1; EP0419425B1; IT1234466B

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrkanal-Fluoreszenz-Lidargerät mit einer Quelle für die Aussendung eines Laserstrahls, einem optischen Empfangssytem zum Fokussieren der rückgestreuten Strahlung, einem optischen Kanaltrenner und Mitteln zum Verarbeiten der detektierten Signale.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Fernmessung unter Verwendung eines Mehrkanal-Fluoreszenz-Lidar mit den Schritten:
Stimulieren der Emission von Fluoreszenzstrahlung von dem Ziel; Auffangen der von dem Ziel emittierten Fluoreszenzstrahlung; Trennung der rückgestreuten Fluoreszenzstrahlung in eine Vielzahl von Kanälen, die vorgegebenen Emissionsbändern entsprechen, und Verarbeiten der erhaltenen Signale zur Gewinnung von Information über das Ziel.
EP-A-0 278 149 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen von Fluoreszenzemission aus einer Immunprobe, bei dem eine der emittierten Wellenlängen von der Analytkonzentration abhängig ist und eine andere, die dies nicht ist, als Referenz benutzt wird. Das Verhältnis der detektierten Signale bei der Meß- und Referenzwellenlänge wird verglichen mit einer Reihe von gespeicherten Verhältnissen, die an bekannten Proben gemessen wurden.
Lidar- oder Laser-Radar ist ein Fernmeßsystem bestehend aus einem ein Ziel beleuchtenden Laser, einem optischen System, das die vom Ziel rückgestreute Strahlung sammelt, und einem System zum Analysieren der rückgestreuten Strahlung. Im Falle eines Fluoreszenzlidar erfolgt die indivduelle Identifizierung des Ziels und/oder einiger seiner kennzeichnenden Eigenschaften durch die Analyse der Fluoreszenzstrahlung, die von dem Ziel emittiert wird, wenn dieses von der Laserstrahlung angeregt wird. Das Fluoreszenz-Lidar wird insbesondere bei der Fernerfassung von Wasser oder Vegetation benutzt.
Die derzeit vorhandenen Fluoreszenz-Lidars detektieren die Fluoreszenzstrahlung in bestimmen Spektralbändern, die mittels Interferenzfiltern oder eines Gitterspektrometers selektiert werden, und analysieren anschließend die extrahierten Daten, um die individuelle Identifizierung des Ziels und/oder seiner kennzeichnenden Eigenschaften vorzunehmen. Die Lidare vorn bekannten Typ haben bestimmte Nachteile, die insbesondere auf der Tatsache beruhen, daß die detektierten Signale proportional sind zu der Intensität der Strahlung, die in Übereinstimmung mit bestimmten speziellen Wellenlängen zurückreflektiert wird. Die Signale werden immer von Störfaktoren beeinflußt wie z.B. die Absorption in der Atmosphäre, die Oberflächenrauhheit des Ziels, die Verluste aufgrund des Detektorsystems, die ihre Intensität modifizieren und damit eine direkte Detektierung möglich machen. In den derzeit benutzten Systemen muß deshalb ein Bezugssignal, z.B. eine Emissionslinie bekannter Intensität, benutzt werden, um die detektierten Signale zu korrigieren und eine anschließende Verarbeitung zu ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein Lidarsystem, welches dieses Nachteile nicht aufweist und insbesondere eine schnelle Detektierung und eine Verarbeitung der detektierten Daten in Realzeit oder Quasi-Realzeit ermöglicht, ohne die Notwendigkeit, die detektierten Signale zur Berücksichtigung von möglichen Störfaktoren zu korrigieren.
Diese und weitere Vorteile, die sich für den Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung ergeben, werden im wesentlichen erzielt mit einem Lidar der eingangs genannten Art, das ferner Mittel zum Bilden des paarweisen Verhältnisses der aus dem optischen Kanaltrenner kommenden Signale, und Mittel zur Durchführung eines Vergleichs zwischen den Verhältnisse und einer Reihe von in einem Archiv gespeicherten Werten aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine Detektierung, eine Trennung des Signals in eine Vielzahl von Kanälen, und bildet dann eine Vielzahl von Verhältnissen zwischen den auf jedem Kanal erhältlichen Signalen. Die erhaltenen Werte der Verhältnisse werden direkt mit einer Reihe von Werten verglichen, die vorgegeben und in einem geeigneten Archiv gespeichert sind. Somit brauchen die Signale keiner verzögerten Verarbeitung unterworfen zu werden, sondern es können direkt ihre Verhältnisse gebildet und dann direkt verglichen werden, um, falls erforderlich, eine Realzeit-Identifizierung des Ziels zu ermöglichen. Die Verhältnisse zwischen den Signalen sind praktisch immun gegenüber Störfaktoren wie z.B. größere oder kleinere Absorption in der Atmosphäre, Rauhigkeit des Ziels, Verluste im System und dgl. Auf diese Weise kann die Detektierung ohne Verwendung eines Bezugssignals erfolgen.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Insbesondere kann die Bestimmung der Verhältnisse zwischen den von dem optischen Kanaltrenner erhaltenen Signalen mittels Hardware oder Software erfolgen, abhängig von u.a. dem Typ des verwendeten Seperators. Letzterer kann eine Reihe von getrennten Fotodetektoren benutzen oder alternativ ein Feld oder eine Matrix von Fotodetektoren, welches in CCD-Technik ausgeführt und von einer Zentraleinheit gesteuert ist, wobei es in diesem Fall möglich ist, eine sehr große Anzahl von Kanälen, die sogar mehr als Tausend betragen kann, zu erhalten. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn nicht nur Messungen an Fluoreszenzstrahlungssignalen gemacht werden sollen, sondern auch Messungen an dem passiven Signal, d.h. an der vom Ziel reflektierten Strahlung. Tatsächlich fallen die Wellenlängen der reflektierten Strahlung und die Wellenlängen der Fluoreszenzstrahlungen in einen ziemlich weiten Bereich, und die normalen Kanaltrenner haben eine begrenzte Anzahl von Kanälen, die nicht ausreicht, um die eine ausreichend großen Anzahl von Wellenlängen entsprechende Signale zu detektieren und so signifikante Daten sowohl bezüglich der Fluoreszenzemission und bezüglich der Reflexions-Emission zu liefern. Der Separator mit einem Feld von Fotodetektoren kann andererseits eine große Zahl von Kanälen liefern und somit die Analyse sowohl des Fluoreszenzsignals als auch den Reflexionssignals (passiven Signals) ermöglichen.
Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren der oben genannten Art vor, welches eine Verarbeitung der detektierten Signale in Realzeit oder Quasi-Realzeit ohne Beeinflussung durch Störfaktoren ermöglicht..
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß von den aus der Trennung der rückgestreuten Strahlung erhaltenen Signalen jeweils paarweise deren Verhältnisse gebildet werden, um eine Vielzahl von Verhältniswerten der Signale zu erhalten, die mit vorgegebenen und gespeicherten Verhältniswerten, die definierten Zielen oder Zielkategorien entsprechen, verglichen werden. Die Verarbeitung kann in Realzeit oder Quasi-Realzeit erfolgen, kann aber auch auf verzögerter Basis durchgeführt werden.
Die Erfindung ist deutlicher dargestellt in der Beschreibung und der zugehörigen Zeichnung, die eine praktische, nicht beschränkende beispielhafte Ausführungsform der Erfindung zeigt. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 1 schematisch eine Laserquelle, die einen Strahl F1 aussendet, der von einem System von Spiegeln 3, 5 zu dem (nicht dargestellten) Ziel reflektiert wird. Das von der Laserstrahlung angeregte Ziel emittiert durch Fluoreszenz eine rückgestreute Strahlung F2, die von einem optischen System 7, 9 bekannter Art aufgefangen wird. Der fokussierte Strahl F3 wird zu einem optischen Kanaltrenner 11 geleitet, der nach einer beliebigen, hierfür üblichen bekannten Technik konstruiert sein kann. Insbesondere kann der Separator 11 mittels getrennten Fotodetektoren, die einem Dispersionssystem zugeordnet sind, oder alternativ mittels eines Feldes von Fotodetektoren gemäß der CCD-Technik aufgebaut sein.
Der Trenner 11 trennt das Signal in elektrische Signale S1, S2, ... Sn, die proportional zur Intensität der detektierten Fluoreszenzstrahlung in jedem vorgegebenen speziellen Band sind. Die Anzahl der Kanäle des Kanaltrenners und damit die Anzahl der Signale S1, ... Sn, die am Ausgang des Trenners 11 erhalten werden, kann von einigen Dutzend bis einigen Hundert variieren, je nach der für den Aufbau des Trenners verwendeten Technologie. Aus den Signalen S1, ... Sn werden ihre Verhältnisse gebildet, so daß man eine Reihe von Signalen R12, ... R1n, R21, ... Rnn, erhält wobei
Rij = Si/Sj.
Die Verhältnisse Rij können erhalten werden mittels Hardware, z.B. mittels Operationsverstärkern und Schaltungselementen, und dann in Digitalsignale umgewandelt werden, oder alternativ mittels Software Analog/Digital-Umwandlung der Signale S1, ... Sn. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 15 allgemein Funktionseinheiten, die (mittels Software oder Hardware) die Verhältnisse zwischen den Signalen S1, ... Sj bilden und die Analog/Digital-Umwandlung durchführen. Die auf diese Weise erhaltenen Signale Rij werden zu einem Multiplexer 7 und von diesem zu einem Mikroprozessor 19 geleitet, dem auch in einem Speicher 21 gespeicherte Daten zugeführt werden, um die Analyse der detektierten Signale durchzuführen. Insbesondere enthält der Speicher 21 ein Archiv von Daten, die eine Reihe von Verhältniswerten Rij' bei verschiedenen Wellenlängen der stimulierenden Laseremission enthalten. Jeder Wert des Verhältnisses Rij' entspricht einem speziellen Ziel oder einer Kategorie von Zielen, die individuell identifiziert werden soll. Der Vergleich zwischen den Verhältnssen Rij, die auf der Basis der von dem Trenner 11 getrennten Signale Si, ... Sn erhalten wurden, und den gespeicherten Verhältnissen Rij' ermöglicht die individuelle Identifizierung des Typs oder der Kategorie des Ziels, für das die Detektierung erfolgt. Der Vergleich kann direkt und ohne weitere Verarbeitung der detektierten Signale Si, ... Sn durchgeführt werden, da die Effekte eventueller Störfaktoren bei der Verhältnisbildung zwischen zwei Signalen Si, Sj eleminiert werden.
Um die Anzahl und spektrale Position der den verschiedenen Kanälen 1, ... n des Trenners 11 entsprechenden Bändern zu optimieren, kann auf die folgende Weise vorgegangen werden:
- Für jeden Typ oder jede Kategorie von Zielen wird ein Archiv gebildet, welches Fluoreszenz-Emissionspektren enthält, die der für die Anregung gewählte Wellenlänge entsprechen, d.h. entsprechend der Wellenlänge der Anregungsstrahlung vom Laser;
- wenn Sk' und Sl' zwei Intensitäten des Fluoreszenzsignales sind, die den beiden speziellen Emissionswellenlängen entsprechen, und wenn "a" und "b" zwei zu unterscheidende Ziele oder Zielkategorien sind, dann ist es erwünscht, die beiden Wellenlängen zu erhalten, die die Funktion
d (a, b) = (Rkla'-Rklb'/ (Rkla' + Rklb')
optimieren, und zwar summiert über alle Elemente "a" und "b" des Satzes von Zielen, die bei der Detektion unterschieden werden sollen, und wobei
Rkl' = Sk'/Sl'
und die Indizes "a" und "b" angeben, daß sich das Verhältnis auf das Ziel oder die Zielkategorie "a" bzw. "b" bezieht;
- unter Anwendung statistischer Entscheidungskriterien wird eine Bestimmung der Werte von Rkl' durchgeführt, die die verschiedenen Ziele oder Zielkategorien trennen. Diese Werte stellen die Daten des in dem Speicher 21 enthaltenen Archivs dar und werden mit Werten Rij, die aus dem Verhältnis der detektierten Signale S1, ... Sn erhalten wurden, verglichen.
Wenn ein einzelnes Paar von Wellenlängen nicht ausreicht, um alle Ziele oder Zielkategorien, die unterschieden werden sollen, und die gleichzeitig vorhanden sein können, zuverlässig zu identifizieren, dann müssen diejenigen Ziele, für die Ungewissheit besteht, zusammengruppiert werden und unter Verwendung der oben beschriebenen Kriterien ein weiteres Paar von Wellenlängen und die zugehörigen Werte von Rkl' für jede solche Gruppe bestimmt werden.

Claims

1. Mehrkanal-Fluoreszenz-Lidargerät mit einer Quelle für die Aussendung eines Laserstrahls, einem optischen Empfangssystem zum Fokussieren der rückgestreuten Strahlung, einem optischen Kanaltrenner und Mitteln zum Verarbeiten der detektierten Signale, wobei das Gerät ferner aufweist Mittel (15) zum Bilden einer Vielzahl von Verhältnissen, jeweils paarweise, der von dem optischen Kanaltrenner (11) kommenden Signale, und Mittel (17, 19) zur Durchführung eines Vergleichs zwischen den Werten der Verhältnisse und einer Reihe von in einem Archiv (21) gespeicherten Werten.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Bilden der Verhältnisse zwischen den von dem optischen Kanaltrenner kommenden Signalen elektronische Datenverarbeitungsmittel aufweisen, die mittels Software zur Verhältnisbildung programmiert sind.

3. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Mittel zum Bilden der Verhältnisse zwischen den von dem optischen Kanaltrenner stammenden Signalen Schaltungskomponenten zur Verhältnisbildung mittels Hardware aufweisen.

4. Gerät nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mittel zur Bildung eines Vergleichs zwischen den Verhältniswerten und einer Serie von gespeicherten Werten einen programmierten elektrischen Datenprozessor und einen Multiplexer zum Weiterleiten der von der Detektierung erhaltenen Daten umfassen.

5. Gerät nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, wobei der optische Kanaltrenner eine Matrix von CCD- Fotodetektoren umfaßt, die von einer Zentraleinheit gesteuert wird.

6. Verfahren zur Fernmessung unter Verwendung eines Mehrkanal-Fluoreszenz-Lidar mit den Schritten:

Stimulieren der Emission von Fluoreszenzstrahlung von dem Ziel; Auffangen der von dem Ziel emittierten Fluoreszenzstrahlung; Trennung der rückgestreuten Fluoreszenzstrahlung in eine Vielzahl von Kanälen, die vorgegebenen Emissionsbändern entsprechen, und Verarbeiten der erhaltenen Signale zur Gewinnung von Information über das Ziel; wobei von den aus der Trennung der rückgestreuten Strahlung erhaltenen Signalen ihre Verhältnisse gebildet werden, um eine Vielzahl von Verhältniswerten der Signale zu erhalten, die mit vorgegebenen und gespeicherten Verhältniswerten, die definierten Zielen oder Zielkategorien entsprechen, verglichen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Vergleich zwischen den aus den detektierten Signalen erhaltenen Verhältniswerten und den gespeicherten Werten in Realzeit durchgeführt wird.