EP4038417A1 - Device for a satellite laser distance measurement, and method for a satellite laser distance measurement - Google Patents

Device for a satellite laser distance measurement, and method for a satellite laser distance measurement

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EP4038417A1
EP4038417A1 EP20780168.9A EP20780168A EP4038417A1 EP 4038417 A1 EP4038417 A1 EP 4038417A1 EP 20780168 A EP20780168 A EP 20780168A EP 4038417 A1 EP4038417 A1 EP 4038417A1
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EP
European Patent Office
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telescope
laser
transmitter
optics
camera
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Application number
EP20780168.9A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Paul Wagner
Daniel Hampf
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Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Publication date
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Publication of EP4038417A1 publication Critical patent/EP4038417A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Definitions

  • the base segment carries the telescope mount and is correspondingly stable and torsion-resistant.
  • Control electronics and control computers can be protected from the weather and temperature-controlled or air-conditioned.
  • the control software can advantageously be designed to operate the device in a practically completely automated manner, in particular the control of the hardware components in the device. This allows the device, from recording the weather to the
  • Sensors laser beam direction, laser beam energy and can have a network connection for remote control.
  • the laser 100 is also mounted on the carrier plate 220, from which the laser light is guided via the laser collimator 101 and the mirrors 107, 103 into the transmitter optics 150, which are mounted on the carrier plate 124 arranged perpendicular thereto.

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Abstract

The invention relates to a device (500) for a satellite laser distance measurement, comprising a base segment (520) and an optical segment (522) which is supported by the base segment (520) and has a telescope mounting (510) with an azimuth axis (506) and an elevation axis (508), wherein a transmitter telescope (120), a receiving telescope (200), and a laser (100) coupled to the transmitter telescope (120) are arranged on the telescope mounting (510). The invention also relates to a method for operating such a device (500).

Description

Beschreibung Titel Description title
Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung und Verfahren zur Satelliten-Laserentfernungsmessung Stand der Technik Device for satellite laser distance measurement and method for satellite laser distance measurement prior art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung sowie ein Verfahren zur Satelliten- Laserentfernungsmessung. The invention relates to a device for satellite laser distance measurement and a method for satellite laser distance measurement.
Die Technik der Satelliten-Laserentfernungsmessung (SLR) hat sich von einem geodätischen Werkzeug zu einem weit verbreiteten Missions- Unterstützungsinstrument entwickelt. Derzeit sind etwa achtzig Satellitenmissionen auf kontinuierliche Laserentfernungsmessungs-Daten angewiesen, um genaue Positionsinformationen zu erhalten, darunter mehrere Erdbeobachtungssatelliten und viele Navigationssatelliten. Bei noch mehr Satelliten wurden SLR-Messungen in ihrer frühen Orbitphase verwendet, um ihre On-Board-Navigation zu kalibrieren oder zu verifizieren. In Zukunft könnte die Nachfrage nach Satelliten- Laserentfernungsmessungen weiter steigen, da immer mehr Betreiber vonSatellite laser rangefinding (SLR) technology has evolved from a geodetic tool to a widely used mission support tool. Currently, about eighty satellite missions rely on continuous laser ranging data for accurate position information, including several earth observation satellites and many navigation satellites. Even more satellites have used SLR measurements in their early orbit phase to calibrate or verify their on-board navigation. In the future, the demand for satellite laser rangefinding could continue to grow as more and more operators of
Kleinsatelliten oder sogar die vorgeschlagenen Mega-Konstellationen das Potenzial dieser Technik erkennen, zentimetergenaue Orbitinformationen während und auch nach der Mission zu erhalten. An Bord der Satelliten wird nur ein kleiner und leichter Retroreflektor benötigt. Vor Ort auf der Erde steht ein weltweites Netzwerk von rund vierzig Stationen zur Ortung zur Verfügung (International Laser Ranging Service, ILRS). Derzeit enthält die ILRS-Tracking-Liste etwa dreißig Missionen bei niedriger Umlaufbahn (LEO) und etwa fünfzig Ziele auf höheren Umlaufbahnen von 19.000 bis 24.000 km Höhe, meist GNSS-Satelliten („Global Navigation Satellite System“). Typischerweise erreicht eine gute SLR-Station heute eine Genauigkeit von ca. 1 cm in derSmall satellites or even the proposed mega-constellations recognize the potential of this technology to obtain centimeter-accurate orbit information during and also after the mission. Only a small and lightweight retroreflector is required on board the satellites. A worldwide network of around forty stations is available for localization on site (International Laser Ranging Service, ILRS). Currently, the ILRS tracking list contains about thirty missions in low orbit (LEO) and about fifty targets in higher orbits from 19,000 to 24,000 km altitude, mostly GNSS satellites ("Global Navigation Satellite System"). Typically, a good SLR station today achieves an accuracy of approx. 1 cm in the
Entfernungsmessung und ist in der Lage, Tag und Nacht zu arbeiten. Distance measurement and is able to work day and night.
Allerdings stoßen viele bestehende ILRS-Stationen in Bezug auf die Anzahl der beobachteten Satelliten an ihre Grenzen. Darüber hinaus ist die weltweite Abdeckung ziemlich inhomogen, mit vielen Stationen inHowever, many existing ILRS stations are reaching their limits in terms of the number of satellites observed. In addition, worldwide coverage is quite inhomogeneous, with many stations in
Europa und Asien, nur wenigen in Afrika und Amerika und keiner in sehr hohen nördlichen und südlichen Breitengraden. Einige neue Stationen sind im Bau, weitere sind weltweit in Planung. Diese Stationen sind in eigene Gebäude integriert, die oft eine Sternwarte und angrenzende Laborräume belegen. Sowohl die Investitionen für den Bau und dieEurope and Asia, only a few in Africa and America and none in very high northern and southern latitudes. Some new stations are under construction, others are being planned worldwide. These stations are integrated in their own buildings, which often occupy an observatory and adjoining laboratory rooms. Both the investment for the construction and the
Installationen als auch die Betriebskosten sind erheblich und stellen ein ernsthaftes Hindernis für den Ausbau des Netzwerks dar. Installations as well as operating costs are significant and represent a serious obstacle to expanding the network.
In der Veröffentlichung von F. Pierron et al. „Status and new Capabilities of the French Transportable Laser Ranging Station”, Proceedings 11 thIn the publication by F. Pierron et al. "Status and New Capabilities of the French Transportable Laser Ranging Station," Proceedings 11th
International Workshop on Laser Ranging, Deggendorf, Deutschland, 21.- 25. September 1998, ist ein transportables System mit einem Gesamtgewicht von 300 kg in 8 Containern beschrieben. International Workshop on Laser Ranging, Deggendorf, Germany, September 21-25, 1998, describes a transportable system with a total weight of 300 kg in 8 containers.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung zu schaffen. The object of the invention is to create an inexpensive device for satellite laser distance measurement.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung anzugeben. Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Another object is to specify a method for operating such a device. The tasks are achieved by the features of the independent claims. Favorable configurations and advantages of the invention emerge from the further claims, the description and the drawing.
Es wird eine Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung vorgeschlagen, mit einem Basissegment und einem von dem Basissegment gestützten Optiksegment. Das Optiksegment weist eine Teleskopmontierung mit Azimutachse und Elevationsachse auf. An der Teleskopmontierung ist ein Transmitterteleskop, ein Empfangsteleskop sowie ein mit dem Transmitterteleskop gekoppelter Laser angeordnet. A device for satellite laser distance measurement is proposed, with a base segment and an optics segment supported by the base segment. The optics segment has a telescope mount with an azimuth axis and an elevation axis. A transmitter telescope, a receiver telescope and a laser coupled to the transmitter telescope are arranged on the telescope mount.
Das Empfangsteleskop kann beispielsweise ein Newton-Teleskop mit einem Aperturdurchmesser von 20 cm sein. The receiving telescope can be, for example, a Newton telescope with an aperture diameter of 20 cm.
Durch die Anordnung des Lasers auf der Teleskopmontierung kann die Strahlführung zwischen Laser und Transmitterteleskop außerhalb der Drehachsen vorgesehen sein. Vorteilhaft kann durch diese Anordnung des Lasers an der Teleskopmontierung eine teure und aufwändige Coude- Strahlführung entfallen, bei welcher eine Strahldurchführung für den Laserstrahl durch die Drehachsen der Teleskopmontierung geführt werden muss. So kann die Teleskopmontierung als auch die Gesamtkonstruktion in ihrer Baugröße und in ihrem Gewicht erheblich verkleinert werden. Hierdurch können die Kosten für eine solche Vorrichtung deutlich gesenkt werden, da eine handelsübliche Teleskopmontierung verwendet werden kann. By arranging the laser on the telescope mount, the beam guidance between the laser and the transmitter telescope can be provided outside the axes of rotation. This arrangement of the laser on the telescope mount advantageously eliminates the need for an expensive and complex Coude beam guide, in which a beam feed-through for the laser beam has to be guided through the axes of rotation of the telescope mount. In this way, the telescope mount and the overall construction can be reduced considerably in terms of size and weight. As a result, the costs for such a device can be reduced significantly, since a commercially available telescope mount can be used.
Kleine, leistungsstarke und robuste Laser ermöglichen es, den Laser auf der Teleskopmontierung zu platzieren. Laser mit relativ niedrigen Pulsenergien und hohen Wiederholraten können verwendet werden, die bei gleicher mittlerer Leistung kleiner und kostengünstiger sind als die bei der Satelliten-Entfernungsmessung üblicherweise eingesetzten Hochenergielaser. Vorteilhaft kann die Vorrichtung transportabel ausgeführt sein. Die Abmessungen und das Gewicht erlauben es, die Vorrichtung an einem Ort zu fertigen und an einen anderen Ort zu transportieren. Daher kann vorteilhaft darauf verzichtet werden, die Teleskopmontierung, wie sonst üblich, auf einem Fundament zu betreiben. Stattdessen kann jegliche Technik der Vorrichtung in der transportablen Vorrichtung montiert sein. Etwaige daraus resultierende Ungenauigkeiten können durch ein geeignetes Verfahren, wie durch ein so genanntes Closed-Loop-Tracking und die Erstellung eines so genannten Pointing-Modells, kompensiert werden. Small, powerful and robust lasers make it possible to place the laser on the telescope mount. Lasers with relatively low pulse energies and high repetition rates can be used which, with the same average power, are smaller and more cost-effective than the high-energy lasers usually used in satellite distance measurement. The device can advantageously be designed to be transportable. The dimensions and weight allow the device to be manufactured at one location and transported to another location. It is therefore advantageously possible to dispense with operating the telescope mount on a foundation, as is otherwise customary. Instead, any technique of the device can be mounted in the transportable device. Any inaccuracies that may result from this can be compensated for using a suitable method, such as so-called closed-loop tracking and the creation of a so-called pointing model.
Die Vorrichtung kann modular aufgebaut sein, um kundenspezifische Anforderungen zu erfüllen. Die komplette Vorrichtung kann nur einen minimalen Satz leicht austauschbarer Komponenten enthalten, so dass die Wartung vor Ort erleichtert wird. Mit Vorteil sind die verwendeten Komponenten in der Vorrichtung kommerziell erhältliche Komponenten. Die Vorrichtung kann für unterschiedliche Anforderungen praktisch ohne weiteren Entwicklungsaufwand angepasst werden. The device can have a modular structure in order to meet customer-specific requirements. The complete device can contain only a minimal set of easily replaceable components, so that on-site maintenance is facilitated. The components used in the device are advantageously commercially available components. The device can be adapted for different requirements with practically no further development effort.
Der gesamte Aufbau, einschließlich der gesamten Steuerungs- und Datenerfassungselektronik, kann in einem kleinen Behälter, beispielsweise einem Aluminiumbehälter untergebracht sein. Günstige Abmessungen sind beispielsweise 1,80m x 1,20m x 1,60m. The entire structure, including all of the control and data acquisition electronics, can be housed in a small container, for example an aluminum container. Favorable dimensions are, for example, 1.80 mx 1.20 mx 1.60 m.
Das Basissegment trägt die Teleskopmontierung und ist entsprechend stabil und verwindungssteif ausgeführt. Steuerelektronik und Steuerrechner können vor Wettereinflüssen geschützt und temperaturkontrolliert, bzw. klimatisiert sein. Vorteilhaft kann die Steuerungssoftware dazu ausgelegt sein, die Vorrichtung praktisch vollständig automatisiert zu betreiben, insbesondere die Steuerung der Hardwarekomponenten in der Vorrichtung. Dies erlaubt der Vorrichtung, von der Aufzeichnung der Wetterlage, über dieThe base segment carries the telescope mount and is correspondingly stable and torsion-resistant. Control electronics and control computers can be protected from the weather and temperature-controlled or air-conditioned. The control software can advantageously be designed to operate the device in a practically completely automated manner, in particular the control of the hardware components in the device. This allows the device, from recording the weather to the
Messplanung, Ansteuerung der Teleskopmontierung, dem Aufnehmen der Bilder, dem Ansteuern des Lasers, der Strahlausrichtung, der Aufnahme der Entfernungsdaten und der Auswertung der Entfernungsdaten und Bilder alle erforderlichen Prozessschritte selbstständig durchzuführen. Der Bedienungs- und Wartungsaufwand kann vorteilhaft verringert werden.Measurement planning, control of the telescope mount, recording of the images, controlling the laser, beam alignment, recording of the distance data and the evaluation of the distance data and images to carry out all the necessary process steps independently. The operating and maintenance effort can advantageously be reduced.
Auch Korrekturen mit dem Pointing-Modell oder dem Closed-Loop- Tracking können automatisch durchgeführt werden. Corrections with the pointing model or closed loop tracking can also be carried out automatically.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Teleskopmontierung einen Drehfuß mit der Azimutachse und eineAccording to a favorable embodiment of the device, the telescope mount can have a swivel base with the azimuth axis and a
Drehwelle mit der Elevationsachse aufweisen, um welche die Teleskope synchron miteinander und der Laser synchron mit demHave rotary shaft with the elevation axis, around which the telescopes synchronously with each other and the laser synchronously with the
Transmitterteleskop schwenkbar sind. Der Laser kann daher vorteilhaft an der Gegengewichtsachse des Empfangsteleskops, nämlich der Elevationsachse, angeordnet werden, wodurch die Teleskopmontierung gewichtsmäßig austariert werden kann. Transmitter telescope are pivotable. The laser can therefore advantageously be arranged on the counterweight axis of the receiving telescope, namely the elevation axis, as a result of which the telescope mount can be balanced in terms of weight.
Vorteilhaft können Objekte wie Satelliten und Raketenkörper mit kleinen Retroreflektoren ausgestattet sein. Solche Reflektoren sind in der Regel kleiner als 20 mm x 20 mm, wiegen nur wenige Gramm und benötigen keine Energie. Die Entfernungsmessung zu diesen Objekten kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Routineaufgabe für jede bestehende oder zukünftige SLR-Station sein. Die Entfernung zu einem Satelliten kann mit einer Genauigkeit im Zentimeterbereich bestimmt werden, und seine Trajektorie kann in der Regel mit Unsicherheiten von wenigen Metern vorhergesagt werden. Zusätzlich kann bei Verwendung mehrerer Retroreflektoren die Ausrichtung des Satelliten mit einer Auflösung von bis zu 1 Grad bestimmt werden. Während der Lebensdauer einer Mission kann dies viele positionsempfindliche Aufgaben unterstützen, die ansonsten schwere, sperrige und energieaufwändige On-Board-Positionssensoren erfordern könnten. Objects such as satellites and missile bodies can advantageously be equipped with small retroreflectors. Such reflectors are usually smaller than 20 mm x 20 mm, weigh only a few grams and do not require any energy. Using the device according to the invention, the distance measurement to these objects can be a routine task for every existing or future SLR station. The distance to a satellite can be determined with an accuracy in the centimeter range, and its trajectory can usually be predicted with uncertainties of a few meters. In addition, when using several retroreflectors, the orientation of the satellite can be determined with a resolution of up to 1 degree. During the life of a mission, this can support many position sensitive tasks that might otherwise require heavy, bulky, and energy consuming on-board position sensors.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann sich eine Trägerplatte einer Trägereinheit beabstandet zur Elevationsachse zwischen den zwei Teleskopen erstrecken. Insbesondere kann dieAccording to a favorable embodiment of the device, a carrier plate of a carrier unit can extend at a distance from the elevation axis between the two telescopes. In particular, the
Trägereinheit die Trägerplatte umfassen, die parallel zur Elevationsachse angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte, die parallel zur Azimutachse angeordnet ist. Die beiden Trägerplatten können günstigerweise starr miteinander verbunden sein, insbesondere über ein oder mehrere Winkelelemente. Das Transmitterteleskop und die weitereCarrier unit comprise the carrier plate, which is arranged parallel to the elevation axis, and at least one further carrier plate, which is arranged parallel to the azimuth axis. The two carrier plates can advantageously be rigidly connected to one another, in particular via one or more angle elements. The transmitter telescope and the other
Trägerplatte können miteinander verbunden sein. Die starre Trägereinheit stabilisiert den Aufbau auf der Teleskopmontierung und bietet eine stabile Positionierung der Komponenten. Vorteilhaft können die Trägerplatten in der Art eines Steckbretts, auch als Breadboard bekannt, ausgeführt sein. Damit sind eine flexible Anordnung und Ausrichtung der Komponenten auf der jeweiligen Trägerplatte sowie eine Modularisierung möglich. Carrier plates can be connected to one another. The rigid support unit stabilizes the structure on the telescope mount and offers stable positioning of the components. The carrier plates can advantageously be designed in the manner of a breadboard, also known as a breadboard. This enables flexible arrangement and alignment of the components on the respective carrier plate as well as modularization.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Teleskopmontierung eine an das Transmitterteleskop gekoppelte Transmitteroptik und eine an das Empfangsteleskop gekoppelteAccording to a favorable embodiment of the device, the telescope mount can have a transmitter optics coupled to the transmitter telescope and one coupled to the receiving telescope
Empfangsoptik aufweisen. Insbesondere kann die Transmitteroptik an der einen Trägerplatte befestigt sein und die Empfangsoptik an der weiteren Trägerplatte befestigt sein. Dies erleichtert den modularen Aufbau der Vorrichtung. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Transmitteroptik eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: (i) eine Laserenergie-Regeleinheit, insbesondere mit einer Strahlabschwächungseinheit; (ii) eine Laserenergie-Kontrolleinheit, insbesondere mit einem Strahlteiler und/oder einem Messkopf für Energie und/oder Leistung; (iii) eine Blende, insbesondere eine mechanische Blende; (iv) eine variable Strahlaufweitungseinheit; (v) eine Strahlrichtungsregelungseinheit; insbesondere ein beweglicher Spiegel; (vi) einen Strahlteiler; (vii) eine Transmitter-Kamera, insbesondere eineHave receiving optics. In particular, the transmitter optics can be fastened to the one carrier plate and the receiving optics can be fastened to the further carrier plate. This facilitates the modular structure of the device. According to a favorable embodiment of the device, the transmitter optics can comprise one or more of the following components: (i) a laser energy control unit, in particular with a beam attenuation unit; (ii) a laser energy control unit, in particular with a beam splitter and / or a measuring head for energy and / or power; (iii) a diaphragm, in particular a mechanical diaphragm; (iv) a variable beam expansion unit; (v) a beam direction control unit; in particular a moving mirror; (vi) a beam splitter; (vii) a transmitter camera, especially one
Transmitter-Kamera mit abbildender Optik; (viii) eine Startdiode, (ix) wenigstens einen Spiegel; (x) wenigstens einen Retroreflektor. Transmitter camera with imaging optics; (viii) a starting diode, (ix) at least one mirror; (x) at least one retroreflector.
Die Komponenten können kompakt auf einer der Trägerplatten der Trägereinheit montiert sein. Die Transmitteroptik dient zur Aufweitung undThe components can be mounted compactly on one of the carrier plates of the carrier unit. The transmitter optics are used for expansion and
Kollimation des Laserstrahls. Günstig ist ein Durchmesser von mindestens 30 mm, beispielsweise höchstens 100 mm. Ferner kann eine Energieregelung erfolgen und eine Kontrolle der Laserpulsenergie erfolgen. Collimation of the laser beam. A diameter of at least 30 mm, for example at most 100 mm, is favorable. Furthermore, energy regulation can take place and the laser pulse energy can be monitored.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Empfangsoptik eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen: (i) einen Strahlteiler zur Aufteilung der vom Empfangsteleskop empfangenen Strahlung in sichtbares Licht und infrarotes Licht; (ii) eine Tracking-Kamera im Fokus des Empfangsteleskops; (iii) eine Relais-According to a favorable embodiment of the device, the receiving optics can comprise one or more of the following components: (i) a beam splitter for splitting the radiation received by the receiving telescope into visible light and infrared light; (ii) a tracking camera in the focus of the receiving telescope; (iii) a relay
Optikeinheit, die als weitere Abbildungsoptik vorgesehen ist; (iv) einen Bandpassfilter; (v) einen Detektor und/oder eine optische Faser zum Zuführen der empfangenen Signale. In der Empfangsoptik kann die vom Empfangsteleskop empfangeneOptics unit, which is provided as further imaging optics; (iv) a band pass filter; (v) a detector and / or an optical fiber for feeding the received signals. In the receiving optics, the received by the receiving telescope
Strahlung in das sichtbare Spektrum und das infrarote Spektrum aufgeteilt werden. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Laser Strahlung im nahen Infrarot (NIR), insbesondere IR-B mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm aufweisen. Insbesondere kann der Laser der Laserklasse I nach DIN EN 60825-1 aus dem JahrRadiation can be divided into the visible spectrum and the infrared spectrum. According to a favorable embodiment of the device, the laser can have near infrared (NIR) radiation, in particular IR-B with a wavelength between 1500 nm to 1750 nm. In particular, the laser of laser class I according to DIN EN 60825-1 from the year
2004 zugeordnet sein, nach der die zugängliche Laserstrahlung unter vernünftigerweise vorhersehbaren Bedingungen ungefährlich ist, insbesondere ungefährlich für das Auge, solange der Querschnitt nicht durch optische Instrumente (Lupen, Linsen, Teleskope) verkleinert wird Daher kann die Vorrichtung ohne diesbezügliche Beschränkungen an beliebigen Standorten in der Öffentlichkeit aufgestellt werden. 2004, according to which the accessible laser radiation is harmless under reasonably foreseeable conditions, in particular harmless to the eye as long as the cross-section is not reduced by optical instruments (magnifying glasses, lenses, telescopes) Public.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann der Laser Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einer Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ aufweisen. Vorteilhaft sind diodengepumpte Festkörperlaser. According to a favorable embodiment of the device, the laser can have laser pulses with a pulse length in the picosecond range to nanosecond range, in particular in the range from 0.5 picoseconds to 100 nanoseconds, with a pulse energy of 1 pJ to 1 mJ. Diode-pumped solid-state lasers are advantageous.
Vorteilhaft ist eine hohe Pulswiederholfrequenz, um viele Messwerte aufnehmen zu können. Eine Pulswiederholfrequenz sehr viel größer als 10 kHz, insbesondere größer als 30 kHz ist vorteilhaft. A high pulse repetition frequency is advantageous in order to be able to record a large number of measured values. A pulse repetition frequency much greater than 10 kHz, in particular greater than 30 kHz, is advantageous.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Basissegment eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhalten: (i) einen Steuerrechner; (ii) eine Steuerelektronik, insbesondere mit einem Ereignis-Zeitmesser und einem Trigger-Generator. Vorteilhaft kann der Steuerrechner jegliche Hardware, wie etwa Laser, Teleskopmontierung, Kameras, Detektoren, Sensoren, Laserstrahlrichtung, Laserenergie steuern. Vorteilhaft besitzt der Steuerrechner eine Netzwerkverbindung zur Fernsteuerung der Vorrichtung. According to a favorable embodiment of the device, the basic segment can contain one or more of the following components: (i) a control computer; (ii) control electronics, in particular with an event timer and a trigger generator. The control computer can advantageously control any hardware, such as lasers, telescope mounts, cameras, detectors, sensors, laser beam direction, laser energy. The control computer advantageously has a network connection for remote control of the device.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Optiksegment wenigstens eine Abdeckung aufweisen. Insbesondere können das Transmitterteleskop, das Empfangsteleskop und die Trägereinheit separate Abdeckungen aufweisen. Eine separateAccording to a favorable embodiment of the device, the optics segment can have at least one cover. In particular, the transmitter telescope, the receiver telescope and the carrier unit can have separate covers. A separate
Abdeckung der Teleskope und der Trägereinheit vermindert eine Kontamination der Komponenten, falls einzelne Komponenten zu Wartungszwecken freigelegt werden müssen. Nach einer günstigen Ausgestaltung der Vorrichtung kann ein Innenraum der wenigstens einen Abdeckung des Optiksegments klimatisiert sein. Insbesondere kann eine Klimaregeleinheit in dem Basissegment angeordnet sein. Probleme mit Feuchtigkeit oder starke Temperaturschwankungen können vermieden werden. Covering the telescopes and the carrier unit reduces contamination of the components if individual components have to be exposed for maintenance purposes. According to a favorable embodiment of the device, an interior of the at least one cover of the optics segment can be air-conditioned. In particular, a climate control unit can be arranged in the base segment. Problems with humidity or strong temperature fluctuations can be avoided.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Das Verfahren kann zur Satelliten-Laserentfernungsmessung mit einer Vorrichtung dienen. Die Vorrichtung umfasst ein Basissegment und ein von dem Basissegment gestütztes Optiksegment, das eineAccording to a further aspect of the invention, a method for operating a device according to the invention is proposed. The method can be used for satellite laser range measurement with a device. The device comprises a base segment and an optics segment supported by the base segment, the one
Teleskopmontierung aufweist, mit Azimutachse und Elevationsachse, wobei ein Transmitterteleskop und ein Empfangsteleskop sowie ein mit dem Transmitterteleskop gekoppelter Laser an der Teleskopmontierung angeordnet sind. Dabei wird der Laser bei einer Bewegung des Transmitterteleskops synchron mit dem Transmitterteleskop mitbewegt. Durch das synchrone Mitbewegen des Lasers mit demHas telescope mount, with azimuth axis and elevation axis, wherein a transmitter telescope and a receiving telescope and a laser coupled to the transmitter telescope are arranged on the telescope mount. When the transmitter telescope moves, the laser is moved synchronously with the transmitter telescope. The synchronous movement of the laser with the
Transmitterteleskop kann eine stabile Übertragung des Laserpulses ohne aufwendige variable Strahlführung erfolgen. Dadurch lässt sich Gewicht und Bauraum der Vorrichtung reduzieren. Außerdem kann die Fehleranfälligkeit des Systems auf diese Weise reduziert werden. Transmitter telescope, a stable transmission of the laser pulse can take place without complex, variable beam guidance. This makes it possible to reduce the weight and installation space of the device. In addition, the system's susceptibility to errors can be reduced in this way.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Entfernungsmessung eines Objekts erfolgen mit den Schritten: (i) Kalibration einer Tracking-Kamera der Empfangsoptik; (ii) Vermessung der Position des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild derAccording to a favorable embodiment of the method, a distance measurement of an object can take place with the following steps: (i) calibration of a tracking camera of the receiving optics; (ii) Measurement of the position of the object to be measured on the camera image of the
Tracking-Kamera; (iii) Ausrichtung der Teleskopmontierung anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten; (iv) Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position aufweisen. Durch diese Prozedur kann eine sehr genaue Ausrichtung desTracking camera; (iii) Alignment of the telescope mount using coordinates converted from the measurement of the image; (iv) Repeating steps (ii) and (iii) as long as the converted coordinates have a predetermined deviation from a nominal position. This procedure enables very precise alignment of the
Empfangsteleskops auf das zu vermessende Objekt auf günstige Weise erreicht werden. Receiving telescope on the object to be measured can be achieved in a favorable manner.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt erfolgen mit den Schritten:According to a favorable embodiment of the method, a laser beam can be aligned on an object with the following steps:
(i) Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera auf den Laserstrahl und Bestimmen der Fokus-Position des durch einen Retroreflektor zurückreflektierten Laserstrahls in der Transmitter-Kamera;(i) checking the focusing of the transmitter camera on the laser beam and determining the focus position of the laser beam reflected back by a retroreflector in the transmitter camera;
(ii) Bestimmen einer Motorposition in Relation zur Fokus-Position; (iii) Beobachten einer Position wenigstens eines Objekts und Bestimmen der(ii) determining a motor position in relation to the focus position; (iii) Observing a position of at least one object and determining the
Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera nach Entfernen des Retroreflektors und temporärem Blockieren des Laserstrahls; (iv) Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition. Vorteilhaft kann so bestimmt werden, welche Motorposition mit welcher Kameraposition korreliert. Beim Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera wird wenigstens ein Retroreflektor vor der Ausgangsapertur des Transmitterteleskops platziert und wird nach der Kalibrierungsprozedur entfernt. Object position of the imaged object in the transmitter camera after removing the retroreflector and temporarily blocking the laser beam; (iv) Converting the object position into the motor position. In this way it can advantageously be determined which motor position correlates with which camera position. When checking the focusing of the transmitter camera, at least one retroreflector is placed in front of the exit aperture of the transmitter telescope and is removed after the calibration procedure.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eineAccording to a favorable embodiment of the method, a
Objektentfernung bestimmt werden mit den Schritten: (i) Bestimmen eines Zeitpunkts einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser; (ii) Bestimmen eines Zeitpunkts bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor; (iii) Übertragen der Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere einen Steuerrechner; (iv) Korrelation der Messwerte von Emission und Detektion. Auf diese Weise kann eine Objektentfernung mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Object distance can be determined with the following steps: (i) determining a point in time of an emission of a laser pulse onto an object by means of an event timer; (ii) determining a point in time upon detection of a photon, in particular the laser pulse reflected back from the object to be measured, by an assigned detector; (iii) transferring the times to an evaluation unit, in particular a control computer; (iv) Correlation of the measured values of emission and detection. In this way, an object distance can be determined with great accuracy.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eineAccording to a favorable embodiment of the method, a
Datenauswertung erfolgen mit den Schritten: (i) Kalibration der Vorrichtung mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung; (ii) Korrelation von Zeitpunkten des Aussendens vonData evaluation takes place with the following steps: (i) Calibration of the device by measuring the distance to an object with a known distance; (ii) Correlation of times when
Laserpulsen und des Empfangene von Signalen; (iii) Vergleichen einer erwarteten Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit; (iv) Extrahieren von korrelierten Daten; (v) Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt. Auf diese Weise kann eine Objektentfernung mit großer Genauigkeit bestimmt werden. Eine Steuerungssoftware kann so in der Lage sein, vollständig automatisiert Daten aufzunehmen. Dies beinhaltet jegliche Steuerung der Hardwarekomponenten im System. Dadurch kann das System von der Aufzeichnung der Wetterlage, über die Messplanung, Ansteuerung der Montierung, Aufnehmen der Bilder, Ansteuern des Lasers, Strahlausrichtung, Aufnahme der Entfernungsdaten und Auswertung der Entfernungsdaten und Bilder alle erforderlichen Prozessschritte selbständig durchführen, sodass keine zusätzliche Bedienung notwendig ist. Mögliche Korrekturen mit Pointing-Modell, oder Closed-Loop-Tracking können ebenfalls automatisch durchgeführt werden. Laser pulses and received signals; (iii) comparing an expected transit time to an object to be examined to a transit time measured thereon; (iv) extracting correlated data; (v) Averaging the distance measurements on the object to be examined. In this way, an object distance can be determined with great accuracy. Control software can thus be able to record data in a fully automated manner. This includes any control of the hardware components in the system. As a result, the system can independently carry out all the necessary process steps from recording the weather situation to measurement planning, controlling the mount, recording the images, controlling the laser, beam alignment, recording the distance data and evaluating the distance data and images, so that no additional operation is necessary. Possible corrections with a pointing model or closed-loop tracking can also be carried out automatically.
Die Steuerungssoftware kann so modular aufgebaut sein und weitestgehend Open Source Software verwenden. Dadurch kann es jedem Nutzer ermöglicht werden, das System nach seinen Bedürfnissen selbstständig zu erweitern. The control software can thus have a modular structure and use open source software as far as possible. This enables every user to independently expand the system according to their needs.
Zeichnung drawing
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Further advantages emerge from the following description of the drawings. Exemplary embodiments of the invention are shown in the figures. The figures, the description and the claims contain numerous features in combination. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into meaningful further combinations.
Es zeigen beispielhaft: It shows by way of example:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Transmitteroptik einer Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 2 einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Empfangsoptik einer Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 shows a schematic structure of essential components of a transmitter optics of a device for satellite laser distance measurement according to an embodiment of the invention; 2 shows a schematic structure of essential components of a receiving optics of a device for satellite laser distance measurement according to an embodiment of the invention;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem3 shows a schematic side view of a device for satellite laser range measurement according to a
Ausführungsbeispiel der Erfindung; Embodiment of the invention;
Fig. 4 eine Draufsicht auf die Transmitteroptik der Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3; FIG. 4 shows a plan view of the transmitter optics of the device for satellite laser range measurement according to FIG. 3;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Empfangsoptik sowie den Laser der Vorrichtung zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3; FIG. 5 shows a plan view of the receiving optics and the laser of the device for satellite laser distance measurement according to FIG. 3;
Fig. 6 eine isometrische Darstellung der Empfangsoptik mit Teleskopmontierung; 6 shows an isometric representation of the receiving optics with telescope mounting;
Fig. 7 eine isometrische Darstellung der Vorrichtung zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3 mit Abdeckung; 7 shows an isometric representation of the device for satellite laser range measurement according to FIG. 3 with a cover;
Fig. 8 eine isometrische Darstellung von Transmitteroptik und Empfangsoptik mit Teleskopmontierung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; 8 shows an isometric representation of transmitter optics and receiving optics with telescope mounting according to a further exemplary embodiment of the invention;
Fig. 9 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 10 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Objektentfernung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 9 shows a flow diagram of a method for measuring the distance of an object according to an exemplary embodiment of the invention; 10 shows a flow diagram of a method for aligning a laser beam onto an object according to an exemplary embodiment of the invention; 11 shows a flow chart of a method for determining an object distance according to an exemplary embodiment of the invention; and
Fig. 12 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Datenauswertung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 12 shows a flow diagram of a method for data evaluation according to an exemplary embodiment of the invention.
Ausführungsformen der Erfindung In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. EMBODIMENTS OF THE INVENTION In the figures, components of the same type or having the same effect are numbered with the same reference symbols. The figures show only examples and are not to be understood as restrictive.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden. Directional terminology used in the following with terms such as “left”, “right”, “up”, “down”, “in front of” “behind”, “after” and the like serves only for a better understanding of the figures and is in no way intended to restrict the Representing the general public. The components and elements shown, their design and use can vary according to the considerations of a person skilled in the art and can be adapted to the respective applications.
Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Transmitteroptik 150 einer Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vorrichtung kann vorteilhaft mobil sein und für einen Transport auf der Straße geeignet sein. Die Transmitteroptik 150 besteht aus dem Laser 100 als eigentlicher Laserstrahlungsquelle, der Transmittereinheit mit verschiedenen Komponenten zur Strahlaufbereitung sowie dem Transmitterteleskop 120 als finaler Strahlaufweitungseinheit. Im Laser 100 wird ein gepulster Laserstrahl erzeugt, der über einen optionalen Laserkollimator kollimiert werden kann. Figure 1 shows a schematic structure of essential components of a transmitter optics 150 of a device 500 for satellite laser range measurement according to an embodiment of the invention. The device can advantageously be mobile and suitable for road transport. The transmitter optics 150 consists of the laser 100 as the actual laser radiation source, the transmitter unit with various components for beam conditioning and the transmitter telescope 120 as the final beam expansion unit. A pulsed laser beam is generated in the laser 100 and can be collimated using an optional laser collimator.
Günstige Laser 100 weisen Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich auf, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einerFavorable lasers 100 have laser pulses with a pulse length in the picosecond range to nanosecond range, in particular in the range from 0.5 picoseconds to 100 nanoseconds, with a
Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ und mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm. Vorteilhaft ist eine hohe Pulswiederholfrequenz, um viele Messwerte aufnehmen zu können. Eine Pulswiederholfrequenz sehr viel größer als 10 kHz, insbesondere größer als 30 kHz ist vorteilhaft. Pulse energy from 1 pJ to 1 mJ and with a wavelength between 1500 nm and 1750 nm. A high pulse repetition frequency is advantageous in order to be able to record a large number of measured values. A pulse repetition frequency much greater than 10 kHz, in particular greater than 30 kHz, is advantageous.
Geeignete, kommerziell erhältliche Laser sind z.B. gepulste Erbium-Faser- Laser mit einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm und Pulsenergien bis zu 50 mJ, die beispielsweise von der Firma IPG Photonics Corporation, Oxford, USA, unter der Bezeichnung ELPN 1550 erhältlich sind, mit Pulslängen von 1 bis 100 ns und Pulswiederholraten im Bereich 10 kHz bis 100 MHz. Weiter wird ein gepulster Erbium-Laser im gleichen Wellenlängenbereich unter der Bezeichnung ELPF-10-500-10-R mit einer Pulsenergie bis zu 10 m J, Pulslängen von 500 fs und Pulswiederholraten im Bereich 100 kHz bis 2 MHz angeboten. Suitable, commercially available lasers are, for example, pulsed erbium fiber lasers with a central wavelength of 1550 nm and pulse energies up to 50 mJ, which are available for example from IPG Photonics Corporation, Oxford, USA, under the name ELPN 1550, with pulse lengths from 1 to 100 ns and pulse repetition rates in the range 10 kHz to 100 MHz. A pulsed erbium laser in the same wavelength range is also available under the designation ELPF-10-500-10-R with a pulse energy of up to 10 mJ, pulse lengths of 500 fs and pulse repetition rates in the range from 100 kHz to 2 MHz.
Die Transmitteroptik 150 dient zur Aufweitung und Kollimation des Laserstahls, vorzugsweise auf kleiner 100 mm Durchmesser. Weiter dient die Transmitteroptik 150 zur Energieregelung und Kontrolle der Laserpulsenergie, sowie zur Strahlrichtungsregelung und Kontrolle der Laserstrahlrichtung. Die optische Achse des Transmitterteleskops 120 sollte dabei möglichst parallel zu der optischen Achse des Empfangsteleskopes 200 angeordnet sein. Benachbart zum Laser 100 ist eine Startdiode 102 angeordnet, welche eine aufsteigende Flanke des Laserpulses erkennt und an einen Ereignis- Zeitmesser einer Steuerelektronik 514 der Vorrichtung 500 weiterleitet. Durch Vergleich der Flanken von ausgehenden Laserpulsen und derThe transmitter optics 150 are used to expand and collimate the laser beam, preferably to a diameter of less than 100 mm. Furthermore, the transmitter optics 150 are used for energy regulation and control of the laser pulse energy, as well as for beam direction regulation and control of the laser beam direction. The optical axis of the transmitter telescope 120 should be arranged as parallel as possible to the optical axis of the receiving telescope 200. A starting diode 102 is arranged adjacent to the laser 100 and detects a rising edge of the laser pulse and forwards it to an event timer of control electronics 514 of the device 500. By comparing the edges of outgoing laser pulses and the
Flanken von an einem zu verfolgenden Objekt, beispielsweise einem Satelliten, zurückgestrahlten Laserpulsen kann die Entfernung zu dem Objekt bestimmt werden. Die Startdiode 102 muss nur einen sehr geringen Anteil des Laserlichtes zur Pulserkennung empfangen, deshalb reicht Streulicht oder Transmission durch einen imperfekten Spiegel aus.The distance to the object can be determined on flanks of laser pulses reflected back from an object to be tracked, for example a satellite. The starting diode 102 only needs to receive a very small portion of the laser light for pulse detection, so scattered light or transmission through an imperfect mirror is sufficient.
Zweckmäßigerweise sollte die Diode immer die gleiche Pulsenergie empfangen. Appropriately, the diode should always receive the same pulse energy.
Geeignete, kommerziell erhältliche Ereignis-Zeitmesser sind beispielsweise von der Firma PicoQuant GmbH, Berlin, Deutschland, erhältlich. Mit einem HydraHarp 400 bezeichneten Gerät können Triggerpulsbreiten von 0,5 bis 30 ns mit einer Anstiegsflanke von 2 ns maximal verarbeitet werden. Die erreichte zeitliche Genauigkeit ist dabei kleiner als 12 ps rms. Die maximale Zählrate liegt bei 12,5 x 106 Ereignisse/s. Suitable, commercially available event timers are available, for example, from PicoQuant GmbH, Berlin, Germany. A device called the HydraHarp 400 can process trigger pulse widths of 0.5 to 30 ns with a rising edge of 2 ns. The time accuracy achieved is less than 12 ps rms. The maximum count rate is 12.5 x 10 6 events / s.
Anschließend durchläuft der Laserstrahl eine Laserenergie-Regeleinheit 104, in welcher eine Regelung der Laserstrahlenergie über einen Strahlabschwächer, der vorzugsweise reflektiv ausgebildet sein kann, stattfindet. Vorteilhaft kann dafür ein Notchfilter in einem über einenThe laser beam then passes through a laser energy control unit 104, in which the laser beam energy is controlled via a beam attenuator, which can preferably be reflective. A notch filter in one over one can be advantageous for this
Elektromotor angetriebenen Filterrad eingesetzt werden. Electric motor driven filter wheel can be used.
Danach wird die Energie des Laserstrahls in einer Laserenergie- Kontrolleinheit 106 gemessen, welche einen Energie- oder Leistungsmesskopf aufweist. Über einen Strahlteiler 105, beispielsweise als 90:10 oder 99:01 Strahlteiler ausgebildet, wird der Laserpuls in die Laserenergie-Kontrolleinheit 106 ausgekoppelt. Über einen Spiegel 108 wird der Laserstrahl in eine Blende 110, beispielsweise eine mechanische Blende 110, geleitet, mittels welcher der Laserstrahl unterbrochen werden kann. The energy of the laser beam is then measured in a laser energy control unit 106 which has an energy or power measuring head. The laser pulse is decoupled into the laser energy control unit 106 via a beam splitter 105, for example in the form of a 90:10 or 99:01 beam splitter. The laser beam is guided via a mirror 108 into a diaphragm 110, for example a mechanical diaphragm 110, by means of which the laser beam can be interrupted.
Optional folgt danach eine variable Strahlaufweitungs- und Fokussierungseinheit 112. Die Strahlaufweitungseinheit 112 ist beispielsweise ein afokales optisches System, welches ein kollimiertes Strahlenbündel als Eingang und Ausgang hat. Dadurch kann Durchmesser und Winkelübersetzung des Laserstrahls geändert werden und wird dabei bestimmt von der Vergrößerung des optischen Systems. This is optionally followed by a variable beam expansion and focusing unit 112. The beam expansion unit 112 is, for example, an afocal optical system which has a collimated beam as input and output. This allows the diameter and angular translation of the laser beam to be changed and is determined by the magnification of the optical system.
Mittels eines darauf folgenden beweglichen Spiegels 114, welcher über zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen motorisch verstellbar ist, kann die Laserstrahlrichtung elektronisch eingestellt werden. The direction of the laser beam can be set electronically by means of a movable mirror 114 that follows, which can be adjusted by a motor via two mutually perpendicular axes.
Der darauf folgende IRA/IS Strahlteiler 118 kann Strahlung in infraroten Spektrum, welches zur Entfernungsbestimmung genutzt wird, und Strahlung im sichtbaren Spektrum trennen. Das ausgehende infrarote Laserlicht wird über den Strahlteiler 118 in das Transmitterteleskop 120 zur finalen Strahlaufweitung geleitet. Das Transmitterteleskop 120 bildet unendlich nach unendlich ab. The subsequent IRA / IS beam splitter 118 can separate radiation in the infrared spectrum, which is used to determine the distance, and radiation in the visible spectrum. The outgoing infrared laser light is directed via the beam splitter 118 into the transmitter telescope 120 for the final beam expansion. The transmitter telescope 120 images from infinity to infinity.
Einfallendes sichtbares Licht kann aus dem Transmitterteleskop 120 über den Strahlteiler 118 in die Transmitter-Kamera 116 geleitet werden. Die Transmitter-Kamera 116 mit ihrer abbildenden Optik ist auf die Laserwellenlänge fokussiert. Der Bildsensor ist im Brennpunkt der Optik angeordnet. Incident visible light can be guided from the transmitter telescope 120 via the beam splitter 118 into the transmitter camera 116. The transmitter camera 116 with its imaging optics is focused on the laser wavelength. The image sensor is arranged in the focal point of the optics.
Retroreflektoren 122 können temporär vor der Austrittsapertur des Transmitterteleskops 120 angeordnet sein. Das Laserlicht wird in die gleiche Richtung zurück reflektiert. Durch den imperfekten IRA/IS Strahlteiler 118 gelangt genügend Licht auf die Transmitter-Kamera 116, auf welche der Laserstrahl fokussiert wird. Durch mehrere Retroreflektoren 122 oder Bewegen des Retroreflektors 122 senkrecht zur optischen Achse, lässt sich überprüfen, ob die Transmitter-Kamera 116 für das Laserlicht fokussiert ist. Der Strahl wird immer als Punkt auf derselbenRetroreflectors 122 can be arranged temporarily in front of the exit aperture of the transmitter telescope 120. The laser light is reflected back in the same direction. Through the imperfect IRA / IS Beam splitter 118 reaches the transmitter camera 116, on which the laser beam is focused, enough light. A plurality of retroreflectors 122 or movement of the retroreflector 122 perpendicular to the optical axis can be used to check whether the transmitter camera 116 is focused for the laser light. The ray is always seen as a point on the same
Position auf der Transmitter-Kamera 116 fokussiert und darf sich nicht bewegen. Bei einer Änderung der Strahlrichtung durch den beweglichen Spiegel 114 kann nun ermittelt werden, welche Strahlrichtung welcher Fokusposition auf der Transmitter-Kamera 116 entspricht. Position focused on the transmitter camera 116 and must not move. When the direction of the beam is changed by the movable mirror 114, it can now be determined which beam direction corresponds to which focus position on the transmitter camera 116.
Figur 2 zeigt einen schematischen Aufbau von wesentlichen Komponenten einer Empfangsoptik 250 einer insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. FIG. 2 shows a schematic structure of essential components of a receiving optics 250 of a particularly mobile device 500 for satellite laser range measurement according to an exemplary embodiment of the invention.
Einfallendes Licht 230, welches sowohl den rückgestreuten Laserstrahl als auch sichtbares Licht vom Objekt, das von der Sonne angestrahlt wird, umfasst, wird mittels des Empfangsteleskops 200 über die abbildende Empfangsoptik, beispielsweise den konkav gekrümmten Primärspiegel 202, der insbesondere sphärisch oder parabolisch gekrümmt ausgeführt sein kann, und den Auskoppelspiegel 204 auf einen IRA/IS Strahlteiler 206 geleitet, welcher das sichtbare Spektrum durchlässt. Das Empfangsteleskop 200 ist als abbildendes System ausgebildet. Das sichtbare Licht wird auf eine Trackingkamera 210 geleitet, welche imIncident light 230, which includes both the backscattered laser beam and visible light from the object that is irradiated by the sun, is implemented by means of the receiving telescope 200 via the imaging receiving optics, for example the concavely curved primary mirror 202, which in particular is spherically or parabolically curved can, and the output mirror 204 is directed to an IRA / IS beam splitter 206, which transmits the visible spectrum. The receiving telescope 200 is designed as an imaging system. The visible light is directed to a tracking camera 210, which in the
Fokus des Empfangsteleskopes 200 angeordnet ist. Die Trackingkamera 210 zeichnet dabei das zu vermessende Objekt auf und vermisst dessen Position relativ zur optischen Achse des Empfangsteleskops 200. Eine geeignete, kommerziell erhältliche Tracking-Kamera wird beispielsweise von der Firma Andor aus der Oxford Instruments Gruppe unter der Bezeichnung ZYLA 5.5 angeboten. Die Kamera weist einen 2560x2160 (5,5 Megapixel) CMOS-Sensor auf und arbeitet mit Ausleseraten von bis zu 560 MHz. Focus of the receiving telescope 200 is arranged. The tracking camera 210 records the object to be measured and measures its position relative to the optical axis of the receiving telescope 200. A suitable, commercially available tracking camera is offered, for example, by Andor from the Oxford Instruments Group under the name ZYLA 5.5. The camera tells you 2560x2160 (5.5 megapixel) CMOS sensor and works with readout rates of up to 560 MHz.
Der infrarote Anteil des einfallenden Lichts wird über den Strahlteiler 206 in eine Relais-Optikeinheit 212 geleitet, welche eine zweite optischeThe infrared portion of the incident light is directed via the beam splitter 206 into a relay optical unit 212, which has a second optical
Abbildung vornimmt, um das Gesichtsfeld vor dem folgenden Detektor 218 möglichst groß auszubilden. Die Relais-Optikeinheit 212 kann dabei das einfallende Licht direkt auf den Detektor 218 fokussieren, wenn dieser unmittelbar angeschlossen ist. Alternativ kann die Relais-Optikeinheit 212 das einfallende Licht in eine optische Faser 216 einleiten, welche wiederum das Licht in den Detektor 218 leitet. Imaging to make the field of view in front of the following detector 218 as large as possible. The relay optical unit 212 can focus the incident light directly on the detector 218 if this is directly connected. Alternatively, the relay optics unit 212 can route the incident light into an optical fiber 216, which in turn directs the light into the detector 218.
In der Relais-Optikeinheit 212 kann zweckmäßigerweise ein Bandpassfilter 214 angeordnet sein. Zum Filtern ungewollter Strahlung kann der Bandpassfilter 214 so ausgebildet sein, dass er nur denA bandpass filter 214 can expediently be arranged in the relay optics unit 212. To filter unwanted radiation, the bandpass filter 214 can be designed so that it only
Spektralbereich, den der Laser emittiert, durchlässt und andere Bereiche möglichst gut blockiert. Diese Filterung kann beispielsweise auch in mehreren Schritten vorgenommen werden. Der Detektor 218 kann vorteilhaft als Einzelphotonendetektor ausgebildet sein und dient zum Detektieren der empfangenen Laserpulse. Spectral range that the laser emits, lets through and blocks other areas as well as possible. This filtering can also be carried out in several steps, for example. The detector 218 can advantageously be designed as a single photon detector and is used to detect the received laser pulses.
Geeignete, kommerziell erhältliche Detektoren sind NIR Einzelphoton- Detektoren für den Wellenlängenbereich 900 bis 1700 nm, die beispielsweise unter der Bezeichnung SPD_A_NIR von der Firma AureaSuitable, commercially available detectors are NIR single photon detectors for the wavelength range from 900 to 1700 nm, which are available, for example, under the name SPD_A_NIR from Aurea
Technology SAS, Besangon, Frankreich, angeboten werden.. Technology SAS, Besangon, France.
Weitere geeignete, kommerziell erhältliche Detektoren sind Nanowire- Detektoren, die beispielsweise von der Firma ID Quantique SA, Genf, Schweiz, unter der Bezeichnung ID281 erhältlich sind und welche im Wellenlängenbereich von 780 bis 1625 nm arbeiten und Detektionsraten bis zu 50 MHz aufweisen. In Figur 3 ist eine schematische Seitenansicht einer insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Further suitable, commercially available detectors are nanowire detectors, which are available, for example, from ID Quantique SA, Geneva, Switzerland, under the designation ID281 and which operate in the wavelength range from 780 to 1625 nm and have detection rates of up to 50 MHz. FIG. 3 shows a schematic side view of a particularly mobile device 500 for satellite laser range measurement according to an exemplary embodiment of the invention.
Der grundlegende Aufbau der Vorrichtung 500 weist ein Basissegment 520 auf, welches ein Optiksegment 522 mit der Teleskopmontierung 510 trägt und deshalb hinreichend stabil und verwindungssteif ausgebildet ist. Weiter sind in dem Basissegment 520 die Steuerelektronik 514 sowie der Steuerrechner 512 angeordnet, welche in dem Basissegment 520 vorThe basic structure of the device 500 has a base segment 520 which carries an optics segment 522 with the telescope mount 510 and is therefore designed to be sufficiently stable and torsion-resistant. Furthermore, the control electronics 514 and the control computer 512 are arranged in the base segment 520, which are located in the base segment 520
Wettereinflüssen geschützt sind. Optional kann das Innere des Basissegments 520 temperaturkontrolliert ausgebildet und/oder klimatisiert sein. Die Teleskopmontierung 510 weist zwei motorisierte, senkrecht aufeinander stehende Achsen, nämlich einen Drehfuß 507 für die Azimutachse 506 und eine Drehwelle 509 für die Elevationsachse 508 auf und ermöglicht es dadurch, die Ausrichtung von Transmitterteleskop 120 und Empfangsteleskop 200 über den vollständigen Halbraum des Himmels elektronisch gesteuert durchzuführen. Die TeleskopmontierungAre protected from the elements. Optionally, the interior of the base segment 520 can be designed in a temperature-controlled manner and / or air-conditioned. The telescope mount 510 has two motorized, mutually perpendicular axes, namely a swivel base 507 for the azimuth axis 506 and a rotary shaft 509 for the elevation axis 508 and thereby enables the alignment of the transmitter telescope 120 and receiver telescope 200 to be electronically controlled over the entire half-space of the sky perform. The telescope mount
510 trägt die Empfangsoptik 250, den Laser 100, das Empfangsteleskop 200, die Transmitteroptik 150 und das Transmitterteleskop 120. Die Komponenten sind auf Trägerplatten 124, 220 einer Trägereinheit 518 montiert, welche an der die Elevationsachse 508 darstellenden Drehwelle 509 montiert ist. Die Trägerplatten 124, 220 sind in den Figuren 4 und 5 mit den entsprechenden Komponenten dargestellt. 510 carries the receiving optics 250, the laser 100, the receiving telescope 200, the transmitter optics 150 and the transmitter telescope 120. The components are mounted on support plates 124, 220 of a support unit 518, which is mounted on the rotary shaft 509 representing the elevation axis 508. The carrier plates 124, 220 are shown in FIGS. 4 and 5 with the corresponding components.
Die Trägereinheit 518 umfasst die Trägerplatte 124, die parallel zur Elevationsachse 508 angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte 220, die parallel zur Azimutachse 506 angeordnet ist, wobei die beiden Trägerplatten 124, 220 starr miteinander verbunden sind. Insbesondere sind dabei das Transmitterteleskop 120 und die weitere Trägerplatte 220 miteinander verbunden. The carrier unit 518 comprises the carrier plate 124, which is arranged parallel to the elevation axis 508, and at least one further carrier plate 220, which is arranged parallel to the azimuth axis 506, the two carrier plates 124, 220 being rigidly connected to one another. In particular, the transmitter telescope 120 and the further carrier plate 220 are connected to one another.
Das Basissegment 520 weist weiter einen Antennenträger 516 auf, an welchem Sensoren und Antennen angeordnet sind. Beispielsweise kann eine Wetterstation mit Sensoren für Wolken, Druck, Luftfeuchtigkeit, Temperatur vorgesehen sein. Weiter können eine GPS-Antenne (GPS = Global Positioning System), und optional eine ADSB-Antenne (ADSB = Automatic Dependent Surveillance) und/oder eine Mobilfunk- Antenne, beispielsweise nach dem LTE-Standard (LTE = Long TermThe base segment 520 furthermore has an antenna carrier 516 on which sensors and antennas are arranged. For example, a weather station with sensors for clouds, pressure, humidity, temperature can be provided. A GPS antenna (GPS = Global Positioning System), and optionally an ADSB antenna (ADSB = Automatic Dependent Surveillance) and / or a cellular antenna, for example according to the LTE standard (LTE = Long Term
Evolution), zur Remotesteuerung der Vorrichtung 500 vorgesehen sein. Evolution), be provided for remote control of the device 500.
Das Optiksegment 522 ist vorgesehen, die Komponenten auf der Teleskopmontierung vor Umwelteinflüssen zu schützen sowie optional eine Klimatisierung bereitzustellen. Das Optiksegment 522 kann beispielsweise Sichtfenster aufweisen, damit Licht in dasThe optics segment 522 is provided to protect the components on the telescope mount from environmental influences and optionally to provide air conditioning. The optics segment 522 can have viewing windows, for example, so that light can enter the
Empfangsteleskop 200 gelangen sowie Licht vom Transmitterteleskop 120 abgestrahlt und empfangen werden kann. Das Optiksegment 522 kann als ein Teil ausgeführt sein, das alle Komponenten schützen kann oder in mehreren Teilen ausgeführt sein, sodass Empfangsteleskop 200,Receiving telescope 200 arrive and light can be emitted and received by the transmitter telescope 120. The optics segment 522 can be designed as one part that can protect all components or can be designed in several parts so that the receiving telescope 200,
Transmitteroptik 150, und Empfangsoptik 250 separat eingehaust und klimatisiert werden können. Transmitter optics 150 and receiving optics 250 can be housed and air-conditioned separately.
Der Steuerrechner 512 steuert Hardwarekomponenten wie Laser 100, Teleskopmontierung 510, Tracking-Kamera 210, Detektoren 218,The control computer 512 controls hardware components such as laser 100, telescope mount 510, tracking camera 210, detectors 218,
Sensoren, Laserstrahl-Richtung, Laserstrahl-Energie und kann eine Netzwerkverbindung zur Fernsteuerung aufweisen. Sensors, laser beam direction, laser beam energy and can have a network connection for remote control.
Die Steuerelektronik 514 weist beispielsweise GPS synchronisierte Zeitserver auf. Die Steuerelektronik 514 umfasst den Ereignis-Zeitmesser, der über hochgenaue GPS-Signale, welche über die PPS (Precise Positioning Service) - Klasse zur Verfügung stehen, mit einer Taktrate von 10MHz synchronisiert wird, und die Zeit bei einem Ereignis aufzeichnet, ausgelöst von der Startdiode 102 und dem Einzelphotonendetektor 218. Die Steuerelektronik 514 kann weiter optional einen LTE-Router zur Fernsteuerung, einen Trigger-Generator zur Steuerung der Laserpulsemission und des Einzelphotonendetektors umfassen. The control electronics 514 have, for example, GPS-synchronized time servers. The control electronics 514 include the event timer, which is available via high-precision GPS signals, which are available via the PPS (Precise Positioning Service) class, with a clock rate of 10MHz is synchronized, and records the time at an event, triggered by the start diode 102 and the single photon detector 218. The control electronics 514 can further optionally include an LTE router for remote control, a trigger generator for controlling the laser pulse emission and the single photon detector.
Geeignete, kommerziell erhältliche Referenzeinheiten für Zeit- und Frequenzsynchronisation auf der Basis von GPS-Signalen bietet beispielsweise die Firma Meinberg Funkuhren, Bad Pyrmont, Deutschland, unter der Bezeichnung RD/GPS an. Suitable, commercially available reference units for time and frequency synchronization based on GPS signals are offered, for example, by Meinberg Funkuhren, Bad Pyrmont, Germany, under the name RD / GPS.
Figur 4 zeigt eine Draufsicht auf die Transmitteroptik 150 der insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3. FIG. 4 shows a plan view of the transmitter optics 150 of the particularly mobile device 500 for satellite laser range measurement according to FIG. 3.
Auf der Trägerplatte 124 der Transmitteroptik 150 sind die in der Figur 1 dargestellten Komponenten in modularer und platzsparender Weise angeordnet. Der Laserstrahl wird über den Spiegel 103 eingekoppelt und über die Laserenergie-Regeleinheit 104, den Strahlteiler 105, die Laserenergie-Kontrolleinheit 106 zum Spiegel 108 weitergeleitet. Von dort verläuft der Laserstrahl über die Blende 110 zu den Spiegeln 109, 111 und wird über eine optionale variable Strahlaufweitungseinheit 112 zu dem beweglichen Spiegel 114 geleitet. Von dort gelangt der Laserstrahl über den Strahlteiler 118, bzw. die Transmitter-Kamera 116 in das Transmitterteleskop 120. The components shown in FIG. 1 are arranged in a modular and space-saving manner on the carrier plate 124 of the transmitter optics 150. The laser beam is coupled in via the mirror 103 and passed on via the laser energy control unit 104, the beam splitter 105, the laser energy control unit 106 to the mirror 108. From there, the laser beam runs via the diaphragm 110 to the mirrors 109, 111 and is guided to the movable mirror 114 via an optional variable beam expansion unit 112. From there, the laser beam reaches the transmitter telescope 120 via the beam splitter 118 or the transmitter camera 116.
Figur 5 zeigt eine Draufsicht auf die Empfangsoptik 250 sowie den Laser 100 der insbesondere mobilen Vorrichtung 500 zur Satelliten- Laserentfernungsmessung nach Figur 3. FIG. 5 shows a top view of the receiving optics 250 as well as the laser 100 of the particularly mobile device 500 for satellite laser range measurement according to FIG. 3.
An der in Betrachtungsrichtung rechten Stirnseite der Trägerplatte 220 ist das Empfangsteleskop 200 mit abgedeckter Apertur montiert. Das empfangene Licht gelangt von dem Empfangsteleskop 200 in den Strahlteiler 206, von dem das sichtbare Spektrum in die Trackingkamera 210 geleitet wird, während das infrarote Spektrum über die Relais- Optikeinheit 212 mit einem optionalen Bandpassfilter 214 in den Detektor 218 geleitet wird. The receiving telescope 200 with a covered aperture is mounted on the right end face of the carrier plate 220 in the viewing direction. The Received light passes from the receiving telescope 200 into the beam splitter 206, from which the visible spectrum is passed into the tracking camera 210, while the infrared spectrum is passed into the detector 218 via the relay optical unit 212 with an optional bandpass filter 214.
Auf der Trägerplatte 220 ist weiter der Laser 100 montiert, von welchem das Laserlicht über den Laserkollimator 101 und die Spiegel 107, 103 in die Transmitteroptik 150 geleitet wird, welche auf der senkrecht dazu angeordneten Trägerplatte 124 montiert sind. The laser 100 is also mounted on the carrier plate 220, from which the laser light is guided via the laser collimator 101 and the mirrors 107, 103 into the transmitter optics 150, which are mounted on the carrier plate 124 arranged perpendicular thereto.
In Figur 6 ist eine isometrische Darstellung der Empfangsoptik 250 mit Teleskopmontierung 510 separat dargestellt. Die Anordnung der Trägerplatte 220 mit dem an der Seite montierten Empfangsteleskop 200 auf der Drehwelle 509 der Teleskopmontierung 510 ist deutlich zu erkennen. In FIG. 6, an isometric illustration of the receiving optics 250 with telescope mount 510 is shown separately. The arrangement of the carrier plate 220 with the receiving telescope 200 mounted on the side on the rotating shaft 509 of the telescope mount 510 can be clearly seen.
Figur 7 zeigt eine isometrische Darstellung der Vorrichtung 500 zur Satelliten-Laserentfernungsmessung nach Figur 3 mit einer Abdeckung 536. Die auf dem Optiksegment 522 angeordnete Abdeckung 536 weist ein Sichtfenster 538 auf, durch welches das Laserlicht ausgestrahlt und empfangen werden kann. FIG. 7 shows an isometric view of the device 500 for satellite laser distance measurement according to FIG. 3 with a cover 536. The cover 536 arranged on the optics segment 522 has a viewing window 538 through which the laser light can be emitted and received.
In Figur 8 ist eine isometrische Darstellung von Transmitteroptik 150 und Empfangsoptik 250 mit Teleskopmontierung 510 nach einem weiterenFIG. 8 shows an isometric illustration of transmitter optics 150 and receiving optics 250 with telescope mounting 510 according to another
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Anordnung der einzelnen auf den Trägerplatten 124 und 220 angeordneten Komponenten, Transmitterteleskop 120, Transmitteroptik 150, Empfangsoptik 250, sowie Empfangsteleskop 200 entspricht der bisher dargestellten Anordnung auf der Teleskopmontierung 510. Zusätzlich weist diese Ausführungsform Abdeckungen 530, 532, 534 auf, welche die einzelnen Komponenten vor mechanischer Beschädigung, Wettereinflüssen und vor Streulicht der Laserstrahlung schützen und außerdem bei Bedarf temperieren können. Die Abdeckung 534 der Transmitteroptik 150 ist an der der Trägerplatte 124 gegenüber liegenden Seite offen dargestellt, kann aber ebenso geschlossen ausgebildet sein. Embodiment of the invention shown. The arrangement of the individual components arranged on the carrier plates 124 and 220, the transmitter telescope 120, the transmitter optics 150, the receiver optics 250 and the receiver telescope 200 corresponds to the arrangement on the telescope mount 510 shown so far Components from mechanical damage, Protect from the effects of weather and from scattered light from laser radiation and also be able to control the temperature if necessary. The cover 534 of the transmitter optics 150 is shown open on the side opposite the carrier plate 124, but can also be designed to be closed.
In Figur 9 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Entfernungsmessung eines Objekts nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S100 wird die Tracking-Kamera 210 der Empfangsoptik 250 kalibriert, gefolgt von Schritt S102, in dem eine Vermessung eines Bildes des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild der Tracking-Kamera 210 erfolgt. Darauf wird in Schritt S104 die Teleskopmontierung 510 anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten ausgerichtet. Anschließend werden die Schritte S102 und S104 wiederholt, solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position nicht unterschreiten. FIG. 9 shows a flow diagram of a method for measuring the distance of an object according to an exemplary embodiment of the invention. In step S100, the tracking camera 210 of the receiving optics 250 is calibrated, followed by step S102, in which an image of the object to be measured is measured on the camera image of the tracking camera 210. The telescope mount 510 is aligned thereupon in step S104 on the basis of coordinates converted from the measurement of the image. Steps S102 and S104 are then repeated as long as the converted coordinates do not fall below a predefined deviation from a target position.
In Figur 10 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein Objekt nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S200 wird die Fokussierung der Transmitter-Kamera 116 auf den Laserstrahl 130 überprüft und die Fokus-Position des durch einen Retroreflektor 122 zurückreflektierten Laserstrahls 130 in der Transmitter-Kamera 116 bestimmt. Anschließend wird in Schritt S202 eine Motorposition in Relation zur Fokus-Position bestimmt. Danach wird in Schritt S204 eine Position wenigstens eines Objekts beobachtet und die Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera 116 nach Entfernen des Retroreflektors 122 und temporärem Blockieren des Laserstrahls 130 bestimmt, gefolgt vom Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition in Schritt S206. FIG. 10 shows a flow diagram of a method for aligning a laser beam on an object according to an exemplary embodiment of the invention. In step S200, the focusing of the transmitter camera 116 on the laser beam 130 is checked and the focus position of the laser beam 130 reflected back by a retroreflector 122 is determined in the transmitter camera 116. A motor position in relation to the focus position is then determined in step S202. A position of at least one object is then observed in step S204 and the object position of the imaged object is determined in the transmitter camera 116 after removing the retroreflector 122 and temporarily blocking the laser beam 130, followed by converting the object position into the motor position in step S206.
In Figur 11 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung einer Objektentfernung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S300 wird ein Zeitpunkt einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser bestimmt. Danach wird in Schritt S302 ein Zeitpunkt bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor 218 bestimmt.FIG. 11 shows a flow diagram of a method for determining an object distance according to an exemplary embodiment of the invention shown. In step S300, a point in time of emission of a laser pulse onto an object is determined by an event timer. Thereafter, in step S302, a point in time when a photon is detected, in particular the laser pulse reflected back from the object to be measured, is determined by an assigned detector 218.
Anschließend werden die Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere einen Steuerrechner 512 übertragen, Schritt S304. Schließlich werden die Messwerte von Emission und Detektion korreliert. In Figur 12 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Datenauswertung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In Schritt S400 wird die Vorrichtung 500 mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung kalibriert. In Schritt S402 werden Zeitpunkte des Aussendens von Laserpulsen und des Empfangene von Signalen korreliert. Danach wird in Schritt S404 eine erwartete Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit verglichen, gefolgt vom Extrahieren von korrelierten Daten in Schritt S406. Schließlich wird in Schritt S408 eine Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt durchgeführt. The times are then transmitted to an evaluation unit, in particular a control computer 512, step S304. Finally, the measured values of emission and detection are correlated. FIG. 12 shows a flow diagram of a method for data evaluation according to an exemplary embodiment of the invention. In step S400, the device 500 is calibrated by means of distance measurement to an object with a known distance. In step S402, times when laser pulses are emitted and signals are received are correlated. Thereafter, in step S404, an expected transit time to an object to be examined is compared to a transit time measured thereon, followed by the extraction of correlated data in step S406. Finally, in step S408, the distance measurements on the object to be examined are averaged.
Laser laser
Laserkollimator Laser collimator
Startdiode Start diode
Spiegel mirror
Energieregeleinheit Energy control unit
StrahlteilerBeam splitter
Energiekontrolleinheit Energy control unit
Spiegel mirror
Spiegel mirror
Spiegel mirror
Blende cover
Spiegelmirror
Strahlaufweitungseinheit Beweglicher Spiegel T ransm itterkam era Strahlteiler Beam expansion unit Movable mirror T ransmitter camera beam splitter
T ransm itterteleskop/StrahlaufweiterTransmitter telescope / beam expander
Retroreflektor Retroreflector
Trägerplatte Carrier plate
Breitseite Broadside
Laserstrahl laser beam
TransmitteroptikTransmitter optics
Empfangsteleskop Receiving telescope
PrimärspiegelPrimary mirror
Auskoppelspiegel Outcoupling mirror
Strahlteiler Beam splitter
Spiegel mirror
Trackingkamera Tracking camera
Relais-OptikeinheitRelay optical unit
Bandpassfilter optische Faser Band pass filter optical fiber
Detektor detector
Trägerplatte einfallender LichtstrahlCarrier plate incident light beam
Empfangsoptik Receiving optics
Vorrichtung contraption
Azimutachse Azimuth axis
Drehfuß Swivel base
Elevationsachse Elevation axis
Drehwelle Rotating shaft
TeleskopmontierungTelescope mount
Steuerrechner Tax calculator
Steuerelektronik Antennenträger Trägereinheit (mit Breadboards) Basissegment Optiksegment Abdeckung Abdeckung Abdeckung Abdeckung Sichtfenster Control electronics Antenna carrier carrier unit (with breadboards) basic segment optics segment cover cover cover cover viewing window

Claims

Ansprüche Expectations
1. Vorrichtung (500) zur Satelliten-Laserentfernungsmessung, mit einem Basissegment (520) und einem von dem Basissegment (520) gestützten Optiksegment (522), das eine Teleskopmontierung (510) mit Azimutachse (506) und Elevationsachse (508) aufweist, wobei ein Transmitterteleskop (120) und ein Empfangsteleskop (200) sowie ein mit dem Transmitterteleskop (120) gekoppelter Laser (100) an der Teleskopmontierung (510) angeordnet sind. 1. Device (500) for satellite laser distance measurement, with a base segment (520) and an optics segment (522) supported by the base segment (520) and having a telescope mount (510) with an azimuth axis (506) and an elevation axis (508), wherein a transmitter telescope (120) and a receiver telescope (200) as well as a laser (100) coupled to the transmitter telescope (120) are arranged on the telescope mount (510).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teleskopmontierung (510) einen Drehfuß (507) mit der Azimutachse (506) und eine Drehwelle (509) mit der Elevationsachse (508) aufweist, um welche die Teleskope (120, 200) synchron miteinander und der Laser (100) synchron mit dem Transmitterteleskop (120) schwenkbar sind. 2. Device according to claim 1, wherein the telescope mount (510) has a swivel base (507) with the azimuth axis (506) and a rotary shaft (509) with the elevation axis (508) around which the telescopes (120, 200) synchronously with each other and the laser (100) can be pivoted synchronously with the transmitter telescope (120).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich eine Trägerplatte (124) einer Trägereinheit (518) beabstandet zur Elevationsachse (508) zwischen den zwei Teleskopen (120, 200) erstreckt. 3. Device according to claim 1 or 2, wherein a carrier plate (124) of a carrier unit (518) extends at a distance from the elevation axis (508) between the two telescopes (120, 200).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Trägereinheit (518) die Trägerplatte (124) umfasst, die parallel zur Elevationsachse (508) angeordnet ist, sowie zumindest eine weitere Trägerplatte (220), die parallel zur Azimutachse (506) angeordnet ist, wobei die beiden Trägerplatten (124, 220) starr miteinander verbunden sind, insbesondere wobei das Transmitterteleskop (120) und die weitere Trägerplatte (220) miteinander verbunden sind. 4. The device according to claim 3, wherein the carrier unit (518) comprises the carrier plate (124) which is arranged parallel to the elevation axis (508), and at least one further carrier plate (220) which is arranged parallel to the azimuth axis (506), wherein the two carrier plates (124, 220) are rigidly connected to one another, in particular wherein the transmitter telescope (120) and the further carrier plate (220) are connected to one another.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teleskopmontierung (510) eine an das Transmitterteleskop (120) gekoppelte Transmitteroptik (150) und eine an das Empfangsteleskop (200) gekoppelte Empfangsoptik (250) aufweist, insbesondere wobei die Transmitteroptik (150) an der einen Trägerplatte (124) befestigt ist und die Empfangsoptik (250) an der weiteren Trägerplatte (220) befestigt ist. 5. Device according to one of the preceding claims, wherein the telescope mount (510) has a transmitter optics (150) coupled to the transmitter telescope (120) and a receiver optics (250) coupled to the receiver telescope (200), in particular wherein the transmitter optics (150) are connected the one support plate (124) is attached and the receiving optics (250) is attached to the further support plate (220).
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Transmitteroptik (150) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst 6. The device of claim 5, wherein the transmitter optics (150) comprises one or more of the following components
(i) eine Laserenergie-Regeleinheit (104), insbesondere mit einer Strahlabschwächungseinheit; (i) a laser energy control unit (104), in particular with a beam attenuation unit;
(ii) eine Laserenergie-Kontrolleinheit (106), insbesondere mit einem Strahlteiler (105) und/oder einem Messkopf für Energie und/oder Leistung; (ii) a laser energy control unit (106), in particular with a beam splitter (105) and / or a measuring head for energy and / or power;
(iii) eine Blende (110), insbesondere mechanische Blende (110);(iii) a screen (110), in particular a mechanical screen (110);
(iv) eine variable Strahlaufweitungseinheit (112); (iv) a variable beam expansion unit (112);
(v) eine Strahlrichtungsregelungseinheit (114); insbesondere ein beweglicher Spiegel (114); (v) a beam direction control unit (114); in particular a movable mirror (114);
(vi) einen Strahlteiler (105); (vi) a beam splitter (105);
(vii) eine Transmitter-Kamera (116), insbesondere eine Transmitter- Kamera (116) mit abbildender Optik; (vii) a transmitter camera (116), in particular a transmitter camera (116) with imaging optics;
(viii) eine Startdiode (102) (viii) a starting diode (102)
(ix) wenigstens einen Spiegel (107, 108, 111 ); (ix) at least one mirror (107, 108, 111);
(x) wenigstens einen Retroreflektor (122). (x) at least one retroreflector (122).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Empfangsoptik (250) eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfasst 7. Apparatus according to claim 5 or 6, wherein the receiving optics (250) comprises one or more of the following components
(i) einen Strahlteiler (206) zur Aufteilung der vom Empfangsteleskop (200) empfangenen Strahlung in sichtbares Licht und infrarotes Licht; (i) a beam splitter (206) for splitting the radiation received by the receiving telescope (200) into visible light and infrared light;
(ii) eine Tracking-Kamera (210) im Fokus des Empfangsteleskops(ii) a tracking camera (210) in the focus of the receiving telescope
(200); (200);
(iii) eine Relais-Optikeinheit (212) , die als weitere Abbildungsoptik vorgesehen ist; (iii) a relay optics unit (212) which is provided as further imaging optics;
(iv) einen Bandpassfilter (214); (iv) a band pass filter (214);
(v) einen Detektor (218) und/oder eine optische Faser (218) zum Zuführen der empfangenen Signale. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der(v) a detector (218) and / or an optical fiber (218) for feeding the received signals. 8. Device according to one of the preceding claims, wherein the
Laser (100) Strahlung im nahen Infrarot, insbesondere IR-B mit einer Wellenlänge zwischen 1500 nm bis 1750 nm aufweist. Laser (100) has radiation in the near infrared, in particular IR-B with a wavelength between 1500 nm to 1750 nm.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche wobei der Laser (100) Laserpulse mit einer Pulslänge im Pikosekundenbereich bis Nanosekundenbereich, insbesondere im Bereich von 0,5 Pikosekunden bis 100 Nanosekunden, mit einer Pulsenergie von 1 pJ bis 1 mJ aufweist. 10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das9. Device according to one of the preceding claims, wherein the laser (100) has laser pulses with a pulse length in the picosecond range to nanosecond range, in particular in the range from 0.5 picoseconds to 100 nanoseconds, with a pulse energy of 1 pJ to 1 mJ. 10. Device according to one of the preceding claims, wherein the
Basissegment (520) eine oder mehrere der folgenden Komponenten beinhaltet Base segment (520) includes one or more of the following components
(i) einen Steuerrechner (512); (i) a control computer (512);
(ii) Steuerelektronik (514), insbesondere mit einem Ereignis- Zeitmesser und einem Trigger-Generator. (ii) Control electronics (514), in particular with an event timer and a trigger generator.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Optiksegment (522) wenigstens eine Abdeckung (530, 532, 534, 536) aufweist; insbesondere wobei das Transmitterteleskop (120), das Empfangsteleskop (200) und die Trägerplatte (124) separate11. Device according to one of the preceding claims, wherein the optics segment (522) has at least one cover (530, 532, 534, 536); in particular wherein the transmitter telescope (120), the receiving telescope (200) and the carrier plate (124) are separate
Abdeckungen (530, 532, 534) aufweisen. Have covers (530, 532, 534).
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei ein Innenraum der wenigstens einen Abdeckung (530, 532, 534, 536) des Optiksegments (522) klimatisiert ist, insbesondere wobei eine Klimaregeleinheit in dem12. The device according to claim 11, wherein an interior of the at least one cover (530, 532, 534, 536) of the optics segment (522) is air-conditioned, in particular with a climate control unit in the
Basissegment (520) angeordnet ist. Base segment (520) is arranged.
13. Verfahren zur Satelliten-Laserentfernungsmessung mit einer Vorrichtung (500), die ein Basissegment (520) und ein von dem Basissegment (520) gestütztes Optiksegment (522) umfasst, das eine13. A method for satellite laser range measurement with a device (500), which comprises a base segment (520) and an optical segment (522) supported by the base segment (520), which has a
Teleskopmontierung (510) aufweist, mit Azimutachse (506) und Elevationsachse (508), wobei ein Transmitterteleskop (120) und ein Empfangsteleskop (200) sowie ein mit dem Transmitterteleskop (120) gekoppelter Laser (100) an der Teleskopmontierung (510) angeordnet sind, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (100) bei einer Bewegung des Transmitterteleskops (120) synchron mit dem Transmitterteleskop (120) mitbewegt wird. Telescope mount (510), with azimuth axis (506) and elevation axis (508), a transmitter telescope (120) and a receiver telescope (200) as well as a laser (100) coupled to the transmitter telescope (120) being arranged on the telescope mount (510) , in particular according to one of the preceding claims, wherein the laser (100) is moved synchronously with the transmitter telescope (120) when the transmitter telescope (120) moves.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei eine Entfernungsmessung eines14. The method of claim 13, wherein a distance measurement one
Objekts erfolgt mit den Schritten Object is done with the steps
(i) Kalibration einer Tracking-Kamera (210) der Empfangsoptik (250); (i) calibration of a tracking camera (210) of the receiving optics (250);
(ii) Vermessung eines Bildes des zu vermessenden Objekts auf dem Kamerabild der Tracking-Kamera (210); (ii) measuring an image of the object to be measured on the camera image of the tracking camera (210);
(iii) Ausrichtung der Teleskopmontierung (510) anhand von aus der Vermessung des Bildes umgerechneten Koordinaten;(iii) Alignment of the telescope mount (510) on the basis of coordinates converted from the measurement of the image;
(iv) Wiederholen der Schritte (ii) und (iii) solange die umgerechneten Koordinaten eine vorgegebene Abweichung von einer Soll-Position aufweisen. (iv) Repeating steps (ii) and (iii) as long as the converted coordinates have a predetermined deviation from a nominal position.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei eine Ausrichtung eines15. The method of claim 13 or 14, wherein an orientation of a
Laserstrahls (130) auf ein Objekt erfolgt mit den Schritten Laser beam (130) on an object takes place with the steps
(i) Überprüfen der Fokussierung der Transmitter-Kamera (116) auf den Laserstrahl (130) und Bestimmen der Fokus-Position des durch einen Retroreflektor (122) zurückreflektierten Laserstrahls (130) in der Transmitter-Kamera (116); (i) checking the focusing of the transmitter camera (116) on the laser beam (130) and determining the focus position of the laser beam (130) reflected back by a retroreflector (122) in the transmitter camera (116);
(ii) Bestimmen einer Motorposition in Relation zur Fokus-Position;(ii) determining a motor position in relation to the focus position;
(iii) Beobachten einer Position wenigstens eines Objekts und Bestimmen der Objektposition des abgebildeten Objekts in der Transmitter-Kamera (116) nach Entfernen des Retroreflektors (122) und temporärem Blockieren des Laserstrahls (130); (iii) observing a position of at least one object and determining the object position of the imaged object in the transmitter camera (116) after removing the retroreflector (122) and temporarily blocking the laser beam (130);
(iv) Umrechnen der Objektposition in die Motorenposition. (iv) Converting the object position into the motor position.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine16. The method according to any one of claims 13 to 15, wherein a
Objektentfernung bestimmt wird mit den Schritten Object distance is determined with the steps
(i) Bestimmen eines Zeitpunkts einer Emission eines Laserpulses auf ein Objekt durch einen Ereignis-Zeitmesser; (i) determining a point in time of emission of a laser pulse onto an object by means of an event timer;
(ii) Bestimmen eines Zeitpunkts bei Detektion eines Photons, insbesondere des vom zu vermessenden Objekt zurückreflektierten Laserpulses durch einen zugeordneten Detektor (218); (ii) determining a point in time upon detection of a photon, in particular the laser pulse reflected back from the object to be measured, by an assigned detector (218);
(iii) Übertragen der Zeitpunkte auf eine Auswerteeinheit, insbesondere Steuerrechner (512); (iii) transferring the times to an evaluation unit, in particular a control computer (512);
(iv) Korrelation der Messwerte von Emission und Detektion. (iv) Correlation of the measured values of emission and detection.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei eine17. The method according to any one of claims 13 to 16, wherein a
Datenauswertung erfolgt mit den Schritten Data evaluation takes place with the steps
(i) Kalibration der Vorrichtung (500) mittels Entfernungsmessung zu einem Objekt mit bekannter Entfernung; (i) calibration of the device (500) by means of distance measurement to an object of known distance;
(ii) Korrelation von Zeitpunkten des Aussendens von Laserpulsen und des Empfangene von Signalen; (ii) Correlation of times when laser pulses are emitted and when signals are received;
(iii) Vergleichen einer erwarteten Laufzeit zu einem zu untersuchenden Objekt zu einer daran gemessenen Laufzeit;(iii) comparing an expected transit time to an object to be examined to a transit time measured thereon;
(iv) Extrahieren von korrelierten Daten; (iv) extracting correlated data;
(v) Mittelung der Entfernungsmessungen an dem zu untersuchenden Objekt. (v) Averaging the distance measurements on the object to be examined.
EP20780168.9A 2019-09-30 2020-09-23 Device for a satellite laser distance measurement, and method for a satellite laser distance measurement Pending EP4038417A1 (en)

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