NO156587B - Laser-avstandsmaaler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en laser-avstandsmåler omfattende en sender og en mottaker, hvilken mottaker omfatter en lavine-fotodiode hvis forspenning tilveiebringes av en kretsanordning som styres i tid fra lasersenderen for å etablere i hovedsaken null forspenning når senderen avfyres, og for å øke forspenningen under et forutbestemt tidsintervall deretter for å etablere en sluttforspenning.

Laser-avstandsmålere består av en sender som omfatter en laser med en kretsanordning for styring og tidsinnstilling av laserens utgangspuls, og en mottaker som omfatter en optisk pulsdetektor med en elektronisk tellekretsanordning som er innrettet til å telle klokke-pulser i tidsintervallet mellom utsendte og mottatte, optiske pulser, for å tilveiebringe en avstandsmåling fra avstandsmåleren for et mål som reflekterer tilbake den utsendte laserpuls.

I mange år har den foretrukne detektortype vært

en lavine-fotodiode (avalanche photodiode = APD) på grunn av dens indre forsterkningskarakteristikk, men for oppnåel-se av optimal ytelse har det vært nødvendig å forspenne APD-dioden til en driftsspenning som er kjent å være tem-peraturavhengig dersom fotodiodens forsterkning skal holdes konstant. Kjente avstandsmåler-mottakere omfatter således kretser for justering av forspenningen. Det finnes to van-lige metoder for å gjøre dette: Den ene metode er å benyt-te temperaturkompensasjon for å justere tilførselsspennin-gen til forspenningskretsen, og den andre er å overvåke støynivået fra detektorutgangssignalet og servostyre forspenningen for å minimere støynivået.

Avstandsmåler-mottakeren er vanligvis utsatt for uønskede optiske signaler som skriver seg for eksempel fra tilbakespredning fra en utsendt puls, hvilket kan forårsakes enten av optiske elementer som utgjør en del av avstandsmåleren, eller av atmosfæriske forhold. For å overvinne problemet med tilbakespredning på grunn av optiske elementer, omfatter kjente mottakere en port i forsterkerkjeden mellom detektoren og tellekretsanordningen, ved hjelp av hvilken utsendelse av detektor-utgangssignalet til tellekretsanordningen kan blokkeres eller hindres i en forutbestemt tidsperiode (perioden for minimal avstand) etter avfyring av lasersenderen. Denne tidsperiode er tilstrekkelig lang til å eliminere støypulser som på grunn av tilbakespredningsstrålingen når frem til tellekretsanordningen, men tilstrekkelig kort til å tillate en returpuls fra et mål på minimal avstand som utsendes til tellekretsanordningen. For å eliminere det atmosfæriske tilbakespredningsproblem, inneholder forsterkerkjeden også et tidsprogrammert forsterkningstrinn (TPG-trinn) som er effektivt i en forutbestemt tidsperiode umiddelbart etter perioden for minimal avstand for å opprettholde mottakerens følsomhet under dens normale nivå, slik at atmosfærisk tilbakespredning som påvirker tellekretsanordningen, hindres mens målreturpulser som utsendes til tellekretsanordningen, tillates. På grunn av at porten og TPG-trinnet vanligvis er beliggende etter et forforsterkertrinn (med lav inngangsimpedans), er fotodioden og forforsterker-trinnet fremdeles utsatt for tilbakespredningsstrålingen, og hver av disse kan bli overbelastet i en tilstrekkelig lang tid til å være i en overbelastet eller mettet tilstand etter at porten er blitt åpnet, og dermed ugunstig påvirke mottakerens drift, særlig i relasjon til signaler som reflekteres fra mål på kort avstand.

Fra US-patentskrift 3 869 207 er det kjent en laser-avstandsmåler av den type i hvilken mottaker-fotodioden energiseres kontinuerlig og støynivået av fotodiodens utgangssignal overvåkes og benyttes i en servosløyfe til å styre fotodiodens forspenningsnivå, slik at støynivået opprettholdes konstant. I denne kjente avstandsmåler etableres således et referansenivå for de overvåkede støysig-naler, og fotodiodens forspenningsnivå økes eller reduseres for å holde de overvåkede støysignaler på referansenivået uten hensyn til temperaturvariasjoner. Et slik arrangement er beheftet med problemer av den type som er omtalt ovenfor.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe

en ny og forbedret teknikk for styring av forspenningsnivået for mottaker-fotodioden i en laser-avstandsmåler.

Ovennevnte formål oppnås med en laser-avstandsmåler av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at slutt-forspenningen er i hovedsaken lik en fast prosent under den lavinespenning for fotodioden som er fremherskende umiddelbart før avfyring av lasersenderen, idet kretsanordningen omfatter en anordning for bestemmelse av den nevnte lavinespenning ved den driftstempe-ratur som er fremherskende umiddelbart før avfyring av lasersenderen.

Man har funnet at med de for tiden tilgjengelige lavine-fotodioder som har et kvanteutbytte som øker med temperaturen (f.eks. basert på silisium), har den fabrikant-anbefalte driftsspenning og lavinespenningen (som er spesi-elle for hver fotodiode) alltid den forbindelse at driftsspenningen ligger en fast prosent under lavinespenningen ved en omgivelsestemperatur på 22° C. Når det dreier seg om fotodioder av typen RCA C30895, er denne prosentverdi lik 10 %. Man har også oppdaget at ved å opprettholde denne forbindelse for alle driftstemperaturer når det dreier seg om RCA C30895 fotodioder, holdes haglstøyen som produseres av fotodioden, innenfor akseptable grenser, selv ved høye temperaturer, mens fotodiodens kvanteutbytte øker med temperaturen stort sett i samme grad som den indre forsterkning avtar, slik at fotodioden arbeider med i hovedsaken konstant responsivitet (proporsjonal med kvanteutbytte X indre forsterkning) . Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset i sin anvendelse til de fotodioder som har et kvanteutbytte som øker med temperaturen, da den frembringer forbedrede resul-tater sammenliknet med de kjente arrangementer når den an-vendes på fotodioder med et kvanteutbytte som avtar med temperaturen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en forsterknings-forspennings-karakteristikk for en typisk lavine-fotodiode, fig. 2 viser i blokkskjemaform en laser-avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, fig. 3 viser et koplingsskjerna av en APD-forspenningskrets som utgjør en del av avstandsmåleren på fig. 2, og fig. 4 viser et bølgeformdiagram som angår utførelsen på fig. 3.

Slik som vist på fig. 1, har en typisk lavinefoto-diode-karakteristikk jevnt økende forsterkning med økende forspenning opp til ca. 350 volt, innenfor forspenningsom-rådet fra ca. 350 til 390 volt stiger forsterkningen raskt fra ca. 80 til ca. 150, og for forspenninger som er noe over 390 volt, stiger forsterkningen raskt til over 400. Fotodiodens gjennomslags- eller lavinespenning bestemmes

av hver fabrikant som den spenning ved hvilken det flyter en strøm på ca. 5 juA, og som et eksempel ligger denne spenning i området 355 - 460 volt ved 22° C for en diode av typen RCA C30895 og endrer seg med en hastighet på +2,2 V/°C. Driftsspenningen (for en RCA C30895) er av fabrikanten gitt som den spenning ved hvilken forsterkningen er 120 ved 22° C<~

Den avstandsmåler som er vist i blokkskjemaform på fig. 2, utnytter en lavine-fotodetektor 10 av denne type hvis forspenning bestemmes av en styrekretsanordning 11, og detektorens 10 utgangssignal tilføres til forsterker- og telletrinn 12 som driver en avstandsindikator 13. Slik det skal beskrives nærmere, styres styrekretsanordningen 11 av utgangssignaler 14 og 15 fra en tidsinnstillingsanordning 16 som virksomgjøres eller åpnes av en bryter 17 under på-virkning av en operatør.

Når tidsinnstillingsanordningen 16 energiseres, utmater denne på utgangen 14 et letde-åpningssignal som hen-siktsmessig har en varighet på 50 ms og som overføres til en høyspennings- eller HV-oppladningskrets 18. På en utgang 14A frembringer tidsinnstillingsanordningen 16 deretter en

250 fjs styrepuls for å utløse laserens blitzrør som deretter utmater en 100 fis puls som eksiterer laserens 19 lasermedium. Etter styrepulsen på 250 us tilveiebringer tidsinnstillingsanordningen 16 på utgangen 15 et åpningssignal (engelsk: enable signal) som har en varighet på 100 p. s og som forsin-kes med 100 ns ved hjelp av en forsinkelse 20 hvis utgangssignal påvirker en Q-bryter i laseren 19 og resulterer i en laserutgangspuls 21 etter Q-bryterens driftsforsinkelse som vanligvis er av størrelsesorden 300 ns. Etter refleksjon fra målet 22 blir laserpulsen 21 eller i det minste den reflekterte del 2 3 av pulsen mottatt av detektoren 10.

Styrekretsanordningen 11 er anordnet slik at den ved mottagning av åpningssignalet på 50 ms på utgangen 14 avleder én midlertidig tilførselsspenning som ligger vesentlig over detektorens 10 lavinespenning, f.eks. 600 volt, og gjør denne tilførselsspenning tilgjengelig for detektoren og for en anordning 24 for bestemmelse av detektorens 10 lavinespenning, idet dette er den forspenning som etableres over detektoren 10 ved hjelp av anordningen 24. Ved senere mottagning av åpningspulsen på 100 ^us på utgangen 15 forårsaker kretsanordningen 11 at den forspenning som tilføres til detektoren 10 av anordningen 24, reduseres til null etter ca. 200 ns, dvs. umiddelbart før avfyring av laseren 19, og deretter øker med en styrt hastighet til bare 90 % av den forspenning som tidligere ble etablert av anordningen 24. Denne styrte hastighet resulterer i en jevn økning av mottakerens følsomhet mellom 2 jus og X us etter at laseren er avfyrt. Fotodioden har således ingen vesentlig forsterkning under tidsintervallet på 2 ^is da tilbakespredningsstrå-ling på grunn av optiske elementer kunne forventes fra laserens 19 utgang, og redusert forsterkning under tidsintervallet fra 2 ps til X jas da atmosfærisk tilbakespredning-stråling kunne forventes. Etter et forutbestemt tidsintervall fra mottagning av signalet på utgangen 15 forårsaker kretsanordningen 11 at forspenningen på fotodioden 10 økes fra driftsspenningsnivået mot lavinespenningsnivået, og til slutt reduseres dette nivå til null når tilførselsspenningen reduseres til null forut for mottagning av et etterfølgende lade-åpningssignal på 50 ms.

På grunn av at det er null forspenning på detektoren i det øyeblikk da laseren avfyres, blir muligheten for at detektoren skal bli skadet på grunn av tilbakespredning vesentlig redusert, og det er ingen fare for at forsterkerne er mettet ved begynnelsen av avstandsbestemmelsesperioden. Ved slutten av perioden på X yas vil videre forspenningen på detektoren ligge nær fabrikantens anbefalte driftsspenning for maksimal følsomhet.

En spesiell kretsanordning for utførelse av de foregående operasjoner er skjematisk vist på fig. 3, idet relevante bølgeformer er vist på fig. 4. Slik som vist på fig. 3, opplades en kondensator Cl til ca. 600 V via en diode Dl fra en ledning 30 som er utgangen fra en spennings-doserer (engelsk: voltage dropper) hvis inngang tilkoples til utgangen fra laderkretsen 18 (se fig. 2) når en lade-åpningspuls på 50 ms genereres av tidsinnstillingsanordningen 16. Kondensatoren Cl virker som et forråd for forspenning av fotodioden 10, og forspenningen slik den sees i punktet A på fig. 3, øker 'fra null til lavinespenningsnivået med en tidskonstant T, = R2«C6. Dette er et resultat av tilstede-værelsen av en diode D3 som forbikopler en kondensator C5,

en kondensator C4 som forbikopler en motstand R3, og at motstanden R4 er mye mindre i verdi enn motstanden R2. Motstanden R3 er anordnet for å begrense fotodiodestrømmen til mindre enn 10 0 yuA ved lavinespenningsnivået, og må for en RCA C30895 fotodiode være lik 22 Mfl... Dette begrenser imidlertid veksthastigheten av forspenningen i punktet A, og av denne grunn er kondensatoren C4 anordnet og har en verdi som er ca. ti ganger større enn kondensatoren C6. Kondensatoren C6 er følgelig begrenset til å opplades til ca. 90 % av til-førselsspenningen på kondensatoren Cl, dvs. til ca. 540 volt, hvilket er mer enn fotodiodens 10 lavinespenning, men når fotodioden oppnår lavinenivået, begrenses spenningen på kondensatoren C6 og opprettholdes på lavinenivået.

Under denne operasjon har en kretsenhet ICI, som

er en monostabil multivibrator av D-typen, null utgangsspen-ning og holder en transistor TRI i dennes ikke-ledende tilstand. Enheten ICI trigges av åpningssignalet på utgangen 15 (fig. 2) og frembringer en 100 jus portstyrepuls for å

skru på transistoren TRI. Motstanden RI er anordnet for strømbegrensning og kondensatoren C3 er en fremskyndelses-kondensator (speed-up capacitor). Når transistoren TRI koples på, bringes punktene A og B raskt til null volt, men hindres fra å gå negativt ved hjelp av dioden D2 når kondensatoren C5 forsøker å lade seg opp til det av kondensatoren C6 lagrede spenningsnivå med en tidskonstant T2 = C5-R4. Kondensatoren C6 ligger imidlertid i serie med C5 med hensyn til ladestrømmen, og på grunn av at C6 : C5 = 10 : 1 er den spenning som til slutt lagres over C5 begrenset til 90 % av lavinespenningen, hvilket er den valgte driftsspenning for fotodioden. Ved slutten av portstyrepulsen som tilveiebringes av ICI, gjøres transistoren TRI ikke-ledende, slik at kondensatorens Cl tilførselsspenning igjen tilføres til

punktet A, hvilket resulterer i et øket forspenningsnivå som gradvis reduseres til null etter hvert som den i kondensatoren Cl lagrede ladning tapes via fotodioden.

Video"Utgangssignalet fra fotodioden 10 tas fra anoden via en kondensator C7 (10 pF) som i kombinasjon med omvendt polede dioder D4, D5 hindrer at store transient-pulser av den ene eller den andre polaritet tilføres til forsterker- og tellertrinnene 12 (fig. 2). Dioden Dl hindrer at kondensatoren Cl utlades tilbake gjennom utgangen 14.

Det vil nå innses at kondensatoren C6 i kretsen på fig. 3 tjener til å måle fotodiodens lavinespenningsnivå uansett hvilken temperatur anordningen arbeider på, og ICI og TRI virker sammen for å styre forspenningen slik at det er null forspenning når laseren avfyres, og således beskyt-ter mot tilbakespredning på grunn av optiske elementer og deretter virker på en måte som likner på prinsippene med tidsprogrammert forsterkning, slik at fotodioden gjøres operativ med redusert følsomhet når atmosfærisk tilbakespredning forventes, og deretter holder forspenningen på driftsspenningsnivået i en varighet som er tilstrekkelig til å overvåke returpulser fra fjerntliggende mål før den igjen blir inoperativ. Nettoresultatet er at fotodioden fungerer med nesten lineær forsterknings/tids-karakteristikk og oppnår maksimal forsterkning (120) i et tidsintervall på

3,5 T£, med mottakersystemforsterkningen redusert med mer enn 40 dB ved begynnelsen av avstandsbestemmelsesperioden.

Claims (4)

1. Laser-avstandsmåler omfattende en sender og en mottaker, hvilken mottaker omfatter en lavine-fotodiode hvis forspenning tilveiebringes av en kretsanordning som styres i tid fra lasersenderen for å etablere i hovedsaken null forspenning når senderen avfyres, og for å øke forspenningen under et forutbestemt tidsintervall deretter for å etablere en sluttforspenning, karakterisert ved at slutt-forspenningen er i hovedsaken lik en fast prosent under den lavinespenning (Vg) for fotodioden (10) som er fremherskende umiddelbart før avfyring av lasersenderen (19), idet kretsanordningen (11, 14) omfatter en anordning (C6) for bestemmelse av den nevnte lavinespenning (v ) ved den driftstearperatur som er fremherskende umiddelbart før avfyring av lasersenderen (19).

2. Laser-avstandsmåler ifølge krav 1, karakterisert ved at kretsanordningen (11, 24) omfatter en første spenningskilde (Cl) med et nivå som ligger vesentlig over lavinespenningen (Vg) og kan tilføres til fotodioden (10) umiddelbart før avfyring av lasersenderen (19) for å etablere den lavinespenning (VB) som da er fremherskende.

3. Laser-avstandsmåler ifølge krav 2, karakterisert ved at den nevnte bestemmende anordning (C6) er innrettet til å fungere som en andre spenningskilde for fotodioden (10) under det nevnte, forutbestemte tidsintervall.

4. Laser-avstandsmåler ifølge krav 2, karakterisert ved at den nevnte bestemmende anordning omfatter en første kondensator (C6) som er koplet i parallell med fotodioden (10) når den første spenningskilde (Cl) tilkoples til denne for å bestemme lavinespenningen (Vg), og at kretsanordningen (11, 24) omfatter en koplingsanordning (TRI) som styres i tid av lasersenderen (19) og som når den er påvirket forårsaker at den første kondensator (C6) fungerer som en andre spenningskilde, idet en andre kondensator (C5) er koplet i parallell med fotodioden (10) ved hjelp av koplingsanordningen (TRI), slik at de relative kapasitetsver-dier av de første og andre kondensatorer (C5,C6) bestemmer den nevnte prosent.