NL8201094A - Inrichting voor het meten van afstanden met behulp van laserstraling. - Google Patents

Description

t £ VO 3184

Titel: Inrichting voor het meten van afstanden met behulp van laser-straling.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op inrichtingen voor het meten van afstanden met behulp van laserstraling. Dergelijke een laser omvattende afstandsmeetinrichtingen omvatten een zender met een daarvan deel uitmakende laser en ketenvoorzieningen voor de besturing 5 en tempering van de door de laser teweeggebrachte uitgangspuls, en een ontvanger met een daarvan deel uitmakende detector voor het detecteren van optische pulsen, en electronische telketenvoorzieningen die zijn ingericht voor het tellen van klokpulsen gedurende het tijdsinterval dat verloopt tussen de uitzending en ontvangst van optische pulsen, 10 teneinde de afstandsmeetinrichting een afstandsmaat te doen geven betreffende een doel waardoor een uitgezonden laserpuls wordt teruggekaatst.

Gedurende vele jaren is het type van detector^' waaraande-. voor-.:· keur is gegeven,een avalanche fotodiode, wegens de daaraan inherente 15 versterkeigenschappen; voor het leveren van een optimale prestatie is het echter noodzakelijk dat een dergelijke avalanche fotodiode door een hulpspanning wordt ingesteld op een werkspanning waarbij tempera-tuuronafhankelijkheid bestaat, indien de versterking van de fotodiode constant moet worden gehouden. Bekende ontvangers van afstandsmeet-* 20 inrichtingen zijn daartoe voorzien van meetinrichtingen voor het instel len van de hulpspanning. In het algemeen bestaan twee technieken om zulks te bereikenr volgens de eerste techniek wordt gebruik gemaakt van temperatuurcompensatie teneinde de voedingspanning voor de hulpspamings-keten in · te stellen; volgens de tweede techniek wordt het ruisniveau 25 afgeleid uit het uitgangssignaal van de detector geleid door een monitor en via een servobesturing wordt de hulpspanning geregeld teneinde het ruisniveau tot een minimum terug te brengen.

De ontvanger van een afstandsmeetinrichting staat in het algemeen bloot aan ongewenste optische signalen die bijvoorbeeld ontstaan door 30 teruggekaatste verstrooiingen afkomstig van een uitgezonden puls en welke verstrooiingen kunnen worden veroorzaakt ofwel door optische elementen die deel uitmaken van de afstandsmeetinrichting ofwel door atmosferische toestanden. Teneinde aan dit probleem betreffende gereflecteerde ver- 8201094 J .+ - 2 - strooiingen tegemoet te komen zijn bekende versterkers voorzien van een poort die is opgenomen in de versterkketen tussen de detector en de telketeninrichting, waardoor de overdracht van het uitgangssignaal van de detector naar de telketeninrichting kan worden geblokkeerd of ver-5 hinderd gedurende een voorafbepaald tijdsinterval (de,minimale afstands-periode) volgend op het vuren van de laserzender. Dit tijdsinterval heeft een dusdanige lengte dat door teruggekaatste strooistraling veroorzaakte ruispulsen die de telketeninrichting bereiken worden geëlimineerd waarbij echter de tijdsintervallengte dusdanig kort is dat'een vanaf 10 een doel dat zich op een minimum afstand bevindt teruggekaatste puls,.

wordt overgedragen naar de telketeninrichting. Teneinde het probleem betreffende atmosferische reflectieverstrooiing te elimineren omvat de versterkketen tevens een naar de tijd geprogrammeerde versterktrap die gedurende een voorafbepaald tijdsinterval direct volgend op de minimale-15 afstandsperiode werkzaam is cm da gevoeligheid van de versterker onder zijn normale niveau te houden, waardoor wordt verhinderd dat atmosferische strooistraling de telketeninrichting beïnvloedt terwijl door een doel teruggezonden pulsen de gelegenheid hebben om de telketeninrichting te bereiken·.· Aangezien de poortketen en de naar de tijd geprogrammeerde 20 versterktrap in de regel zijn aangebracht achter een voorversterktrap (met geringe ingangsimpedantie) staan de fotodiode en de voorversterk-trap nog steeds bloot aan de door terugkaatsing veroorzaakte strooistraling en elk van deze componenten kan voor een dusdanig lang tijdsinterval worden overbelast dat de desbetreffende component in een over-25 belastingstoestand of verzadigde toestand verkeert nadat de poortketen doorlatend is geworden, zodat de werking van de ontvanger daardoor nadelig wordt beïnvloed, in het bijzonder ten aanzien van signalen die worden gereflecteerd vanaf doelen die zich op korte afstand bevinden.

Met de uitvinding is beoogd om in een ontvanger van een laser-30 omvattende afstandsmeetinrichting een verbeterde uitvoering beschikbaar te stellen van besturingsketenvoorzieningen voor de detector.

Volgens de onderhavige uitvinding wordt een een laser omvattende afstandsmeetinrichting beschikbaar gesteld waarbij de ontvanger een avalanche fotodiode omvat en de voor de fotodiode bestemde hulpspanning 35 teweeg wordt gebracht door ketenvoorzieningen die vanaf de laserzender 8201094 #> * - 3 - worden bestuurd, en wel zodanig dat de hulpspanning in hoofdzaak nul.;is, wanneer de laserzender is gevuurd,, waarbij deze hulpspanning gedurende een voorafbepaald tijdsinterval daarna wordt vergroot teneinde een definitieve hulpspanning te verkrijgen waarvan de·; grootte een vast percentage 5 lager is dan de grootte van de doorslagspanning van de fotodiode, van welke ketenvoorzieningen, deel_uitmaken; iaiddelen voor het vaststellen van genoemde doorslagspanning bij de bedrijfstemperatuur:.zoals geldend is direct voorafgaande aan het vuren van de laserzender. Aanr. het licht is gekomen dat voor de momenteel beschikbare -avalanche fotodiodes die een 10 kwantum rendement hebben dat met de temperatuur toeneemt (bijvoorbeeld op basis van silicium), ten aanzien van de door de fabrikant aanbevolen bedrijfsspanning en doorslagspanning(die voor elke fotodiode uniek zijn) steeds de relatie bestaat dat de grootte van de bedrijfsspanning-;een vast percentage lager is dan de grootte van de doorslagspanning bij een 15 omgevingstemperatuur van 22°C. Wanneer gebruik wordt gemaakt van de fotodiodes van RCA en van het type C30895, is dit vaste percentage 10%. Tevens is aan het licht gekomen dat wanneer deze relatie voor· .al de bedrijfstemperaturen wordt aangehouden, bij toepassing van fotodiodes van het type RCA C30895, de door de diode teweeggebrachte "Shotfruis 20 binnen aanvaardbare grenzen' blijft, zelfs bij hogere temperaturen, terwijl het kwantum rendement van de fotodiode met de temperatuur toeneemt tot in hoofdzaak dezelfde mate als waarin de interne versterking afneemt, zodat de fotodiode met een in hoofdzaak constante gevoeligheid (evenredig met het kwantum rendement vermenigvuldigd met de interne 25 versterking) werkt. De uitvinding is echter niet beperkt tot toepassingen voor die fotodiodes waarvan het kwantum .rendement toeneemt met de temperatuur, aangezien met toepassing van de uitvinding resultaten die beter zijn dan die met bekende inrichtingen worden verkregen, wanneer de uitvinding wordt toegepast op fotodiodes met een kwantum rendement dat met de tem-30 peratuur afneemt.

Ter nadere toelichting van de uitvinding zal in het onderstaande een uitvoeringsvoorbeeld daarvan worden beschreven met verwijzing naar de tekening waarin: fig. 1 een grafiek weergeeft ter illustratie van de versterking-35 hulpspanningkarakteristiek die typerend is voor een avalanche fotodiode; 8201094

• . V

- 4 - fig. 2 een blokschema weergeeft van een uitvoeringsvorm van een een laser omvattende afstandsmeetinrichting volgens de uitvinding; fig. 3 een schema weergeeft van een voor een avalanche fotodiode dienende hulspanningsketen die deel uitmaakt van de in fig. 2 weergege-5 ven uitvoeringsvorm; en fig. 4 verschillende golfvormen weergeeft die voor de meetinrich-ting volgens fig. 3 van belang zijn.

Zoals uit fig. 1 blijkt, geldt voor een avalanche fotodiode typerende karakteristiek dat de versterking voor een gebied waarin de 10 hulpspanning toeneemt tot ongeveer 350 volt, geleidelijk toeneemt, terwij1 deze versterking voor het huLpspanningsgebied van ongeveer . 350-390 volt snelt toeneemt vanaf een waarde van ongeveer 80 tot een waarde van ongeveer 150, terwijl voor huLpspanningen die enigszins groter zijn dan 390 volt, de versterking snel aangroeit tot een waarde groter 15 dan 400. De doorslagspanning van de fotodiode wordt door elke fabrikant opgegeven als die waarde waarbij stroom van ongeveer 5 ^iA vloeit en bij wijze van voorbeeld geldt voor een RCA C30895 dat deze doorslagspanning ligt in het gebied van 355-460 volt bij 22°C waarbij deze doorslagspanning verandert met een bedrag van +2,2 volt/°C. De bedrijfsspanning 20 (voor een RCA C30895) wordt door de fabrikant opgegeven als die waarde waarbij de versterking bij 22°C 120 bedraagt.

De in blokschemavorm in fig. 2 weergegeven uitvoeringsvorm van een afstandsmeetinrichting omvat een avalanche fotodetector van dit type in het blok 10, en waarvan de hulpspanning wordt bepaald door de 25 besturingsketen 11; het uitgangssignaal van de detector wordt toegevoerd aan versterk- en teltrappen 12 die een afstandsmaatweergever 13 aandrijven. Zoals nader zal worden uiteengezet wordt de besturingsketen 11 bestuurd door uitgangssignalen 14 en 15 van een tempeerketen 16 die via een door personeel te bedienen schakelaar 17 in werking kan worden ge-30 steld.

Na te zijn bekrachtigd, levert de tempeerketen 16 aan zijn uitgang 14 een lading-voorbereidingssignaal met een duur van gemakshalve 50 msec, en welk signaal wordt overgedragen naar een hoogspannings-ladingketen 18. Vervolgens produceert de tempeerketen 16 aan zijn uit-35 gang 14A een 250 ^isec durende besturingspuls teneinde de laserflitsbuis 82OJ094 - 5 - r* £' te vuren; waarbij vervolgens een 100 ^jisec durende uitgangspuls teweeg wordt gebracht die het medium van de laser 19 exciteert. Volgend op de 250 ^isec durende besturingspuls,. produceert de tempeerketen 16 aan zijn uitgang 15 een 100 ^isec durend voorbereidingssignaal dat over een tijd van 100 ns 5 wordt vertraagd door de vertragingsketen 20,waarvan het uitgangssignaal een zich binnen de laser 19 bevindende Q-schakelaar bedient, hetgeen na de werkvertraging van de Q-schakelaar, welke in de regel een grootte-orde heeft van 300 ns, resulteert in een laseruitgangspuls 21. Na te zijn gereflecteerd door een doel 22, wordt de laserpuls 21 of ten minste 10 het gereflecteerde gedeelte daarvan 23,ontvangen door een detector 10.

Een besturingsketen 11 is zodanig ingericht dat deze bij ontvangst van het 50 msec durende voorbereidingssignaal aan de uitgang 14 een tijdelijke voedingsspanning afleidt, die aanzienlijk groter is dan de door-slagspanning van de detector 10, bijvoorbeeld 600 volt, waarbij deze 15 voedingsspanning wordt aangeboden aan de detector 10 en aan een inrichting 24 voor het bepalen van de doorslagspanning van de detector 10, en dit zijnde de hulpspanning die over de detector 10 door de inrich-:-.. ting 24 teweeg wordt gebracht. Bij een volgende ontvangst van de 100 ^isec durende voorbereidingspuls op de uitgang 15, bewerkstelligt de 20 keten 11 dat de hulpspanning die door de inrichting 24 aan de detector 10 wordt aangelegd, na ongeveer 200 ns, dat wil zeggen onmiddellijk voorafgaande aan het vuren van de laser 19, wordt verminderd en daarna met een beheerste snelheid toeneemt tot slechts 90% van de hulpspannings-waarde die voordien door de inrichting 24 was veroorzaakt.Als gevolg 25 van een dergelijke geregelde snelheid wordt bereikt dat tussen 2 ^isec en X ^isec, nadat de laser in ingeschakeld, de gevoeligheid van de ontvanger geleidelijk toeneemt. Aldus wordt bereikt, dat de versterking van de fotodiode niet noemenswaardig is gedurende het tijdsinterval van 2 ^isec gedurende welke door een optisch element veroorzaakte gereflec-30 teerde strooistraling zou kunnen worden verwacht vanaf de uitgang van de laser 19, terwijl de versterking een verminderde grootte heeft gedurende het interval tussen 2 ^isec en X^isec, waarin atmosferische gereflecteerde strooistraling zou kunnen worden verwacht. Na een voorafbepaald tijdsinterval, gerekend vanaf de ontvangst van het signaal op de uitgang 35 15, is de keteninrichting 11 werkzaam om de aan de fotodiode 10 aange- 8201094 m . τ» - 6 - gelegde hulpspanning vanaf het bedrijfsspanningsniveau te verhogen in de richting van het doorslagspanningsniveau en uiteindelijk bereikt dit niveau de waarde nul, wanneer de voedingsspanning voorafgaande aan de ontvangst van een volgend 50 msec durend ladingvoorbereidingssignaal 5 tot nul is verminderd.

Aangezien op het moment waarop de laser wordt ingeschakeld een hulpspanning nul aan de detector wordt toegevoerd, is de mogelijkheid dat de detector door gereflecteerde strooistraling wordt beschadigd, in sterke mate vermindert, en er bestaat geen gevaar dat bij het begin van 10 de afstandsmeetperiode de versterkers worden verzadigd. Verder geldt dat bij het einde van de X.^isec periode de hulpspanning die aan de detector wordt toegevoerd een waarde heeft die zich in de buurt zal bevinden van de bedrijfsspanning die door de fabrikant is aanbevolen ter verkrijging van de maximale gevoeligheid.

15 Meer in het bijzonder is een keteninrichting voor het uitvoeren van de in het voorafgaande beschreven operaties, schematisch weergegeven in fig. 3, en de bijbehorende golf vormen zijn weergegeven in fig.4. Zoals is weergegeven in fig.3, wordt de. condensator Cl via de diode Dl en vanaf de leiding 30 opgeladen tot ongeveer 600 volt, dat is de span-20 ning aan de uitgang van een spanningsverlagende keten waarvan de ingang is verbonden met de uitgang van de laadketen 18 (zie fig. 2), wanneer door de tempeerketen 16 een 50 msec durende „ladingvoorbereidingspuls teweeg is gebracht. De condensator Cl fungeert als een voedingsbron van waaruit de fotodiode 10 een hulpspanning ontvangt en de in het punt 25 A in fig. 3 aanwezige hulpspanning neemt vanaf de waarde nul met een tijdconstante T, = R0C. toe tot de doorslagspanningswaarde. Zulks is te wijten aan de aanwezigheid van de diode D^ die de condensator C,. overbrugt, de condensator C^ die de weerstand R^ overbrugt en doordat de weerstand R4 een aanzienlijk kleinere waarde heeft dan die van de weer-30 stand R^. De weerstand R^ doet dienst om de fotodiodestroom te begrenzen tot een waarde kleiner dan 100 yK bij het doorslagspanningsniveau en voor een fotodiode van het type RCA C30895 is voor deze weerstand een waarde van 22M ohm vereist. Hierdoor wordt echter de groeisnelheid van de in het punt A ontwikkelde hulpspanning beperkt en het is wegens deze 35 reden dat de condensator C^ een capaciteitswaarde heeft die ongeveer 8201094 - 7 - 10 malen groter is dan.die van de condensator Cg. Aldus wordt bereikt dat de laadspanning van de condensator Cg is beperkt tot ongeveer 90% van de voedingsspanning die over de condensator staat, dat wil zeggen tot ongeveer 540 volt, welke waarde groter is dan de doorslagspannings-5 waarde van de fotodiode 10, waarbij echter wanneer de fotodiode het doorslagniveau bereikt, de over de condensator Cg ontwikkelde spanning is begrensd en op dit doorslagniveau wordt gehouden.

Gedurende deze operatie heeft een geïntegreerde keten IC1, die is uitgevoerd als een monostabiele multivibrator van hetD-type, een uit-10 gangssignaal nul en is werkzaam om de transistor TRI in zijn niet- geleidende toestand te houden. ICl wordt door het voorberëidingssignaal aan de uitgang 15 (zie fig. 2) geschakeld en produceert een 100 ^isec durende poortpuls waardoor de transistor TRI geleidend wordt. De weerstand R^ fungeert als een stroombegrenzer en de condensator is een 15 versnellingscondensator. Wanneer de transistor TRI is ingeschakeld worden de in de punten A en B aanwezige potentialen snel tot nul teruggebracht waarbij door de diode T£ echter wordt verhinderd dat deze potentialen negatief worden wanneer wordt getracht de condensator Cg met een tijdconstante = C5'R4 °P te laden tot de spanningswaarde overeenkomende 20' met de spanningswaarde zoals opgeslagen in de condensator Cg. De condensator C- is echter in serie verbonden met de condensator C wat betreft 6 5 de laadstroom en aangezien CgiCg = 10:1, wordt de spanning die uiteindelijk is ontwikkeld over de condensator Cg beperkt tot 90% van de door-slagspanning welke de gekozen bedrijfsspanning voor de fotodiode is.

25 Aan het einde van de poortpuls zoals af gegeven door ICl., wordt de transistor TRI niet-geleidend, zodat de voedingsspanning van de condensator opnieuw wordt aangelegd aan het punt A, hetgeen resulteert in een vergroting van de waarde van de hulpspanning, die wanneer de in de condensator C1 opgeslagen lading via de fotodiode wordt verbruikt, gelei-30 delijk tot nul afneemt.

Het video-uitgangssignaal van de fotodiode 10 wordt van de anode afgenomen via de condensator (10 pF) die in combinatie met de onder ling tegengesteld gepoolde diodes en Dg verhindert dat sterke transient pulsen met de ene dan wel de andere polariteit worden toege-35 voerd aan de versterker en de teller 12 (fig. 2). Door de diode D^ wordt 8201094 - a - verhinderd dat de condensator zich via de uitgang 14 kan ontladen.

Het zal duidelijk zijn dat in de meetinrichting volgens fig. 3 de condensator C, werkzaam is om de grootte van de doorslagspanning van de

O

fotodiode te meten, ongeacht de temperatuur waarbij de inrichting werkt, 5 waarbij ICl en TRI samen werkzaam zijn om de hulpspanning zodanig te besturen dat deze hulpspanning nul is wanneer de laser wordt ingescha= keld, waarmee aldus beveiliging wordt gegeven tegen vanaf een optisch element gereflecteerde strooistraling,wasamadeze componenten een functie vervullen die vergelijkbaar is met de werking volgens het principe van 10 naar de tijd geprogrammeerde versterking, zodat de fotodiode werkt met een verlaagde gevoeligheid, wanneer atmosferische door ^reflecties veroorzaakte strooistraling zou kunnen worden verwacht, en waarna de hulpspanning op het bedrijfsspanningsniveau wordt gehouden voor een duur die voldoende is om vanaf zich op afstand bevindende doelen terugkerende 15 pulsen te beschouwen voordat de inrichting opnieuw onwerkzaam wordt.

Het netto resultaat is dat de fotodiode werkt met een vrijwel lineaire versterking/tijdkarakteristiek waarbij maximale versterking (120) wordt bereikt in een tijdsinterval van 3,5 en waarbij de versterking van het ontvangsysteem bij het begin van de meetperiode met meer dan 20 40dB wordt verminderd.

3201094

Claims (4)

1. Laseromvattende afstandsmeetinrichting waarin de ontvanger een avalanche fotodiode omvat waarvan de hulpspanning teweeg wordt gebracht door ketenvoorzieningen die vanaf de laserzender naar de tijd worden bestuurd teneinde wanneer de zender is ingeschakeld een hulpspanning met 5 een waarde in hoofdzaak nul te geven terwijl de hulpspanning gedurende een voorafbepaald interval daarna toeneemt teneinde een eindhulpspanning te geven, 'met het kenmerk, dat genoemde eindhulpspanning in hoofdzaak gelijk is aan een waarde gegeven door een vast percentage lager dan de doorslagspanning (V ) van de fotodiode (10) geldend direkt voorafgaande B 10 aan het moment waarop de laserzender (19) is ingeschakeld, van welke ketenvoorzieningen (11, 24) deel uitmaken, middelen (C6) dienende om genoemde doorslagspanning (V ) te bepalen bij de^bedrijfstemperatuur zoals gelden direct voorafgaande aan het moment waarop de laserzender (19) is ingeschakeld.

2. Laseromvattende afstandsmeetinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat genoemde ketenvoorzieningen (11, 24) een eerste span-i:. ningsbron (Cl) omvatten waarvan het spanningsniveau in hoofdzaak groter is dan dat van genoemde doorslagspanning (V^) welke spanning aan genoemde fotodiode (10) kan worden toegevoerd direct voorafgaande aan het 20 moment waarop de laserzender (19) is ingeschakeld, teneinde de dan geldende doorslagspanning (V_) vormen. O

3. Laseromvattende afstandsmeetinrichting volgens de conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat genoemde voor het bepalen van de doorslagspanning dienende middelen (Cc) zijn ingericht om gedurende genoemde naar de tijd O 25 bestuurde variatie van de hulpspanning werkzaam te zijn als een tweede spanningsbron voor genoemde fotodiode (10).

4. Laseromvattende afstandsmeetinrichting volgens een van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat genoemde voor het bepalen van de doorslagspanning dienende middelen (C6) een eerste condensator (CS) om- 30 vatten die parallel is verbonden met genoemde fotodiode (10) wanneer genoemde eerste spanningsbron (Cl) daaraan wordt aangelegd om genoemde doorslagspanning (V ) te bepalen? en van genoemde ketenvoorzieningen (11, 24. deel uitmaken een schakelinrichting (TRI) die naar de tijd wordt 8201094 - 10 - wordt bestuurd door genoemde laserzender (19) die, wanneer deze in werking is gezet, bewerkstelligt dat genoemde eerste condensator (C6) werkzaam is als tweede spanningsbron, een tweede condensator (CS) die door genoemde schakelinrichting (TRI) parallel wordt verbonden met genoemde 5 fotodiode (10), waardoor de relatieve capaciteitswaarden van genoemde eerste en genoemde tweede condensatoren (C5, C6) bepalend zijn voor het genoemde percentage. 8201094