SE432486B

SE432486B - RECEIVING DEVICE FOR VARIOUS DISTANCE ZONES COMING DIFFUST REFLECTED SIGNALS

Info

Publication number: SE432486B
Application number: SE7902539A
Authority: SE
Inventors: J Harms; W Lahmann; C Weitkamp
Original assignee: Geesthacht Gkss Forschung
Priority date: 1978-03-25
Filing date: 1979-03-21
Publication date: 1984-04-02
Also published as: NL7902311A; BE875055A; GB2017449B; SE7902539L; FR2422963A1; GB2017449A; DE2813089C2; FR2422963B1; NL185960C; JPS54154353A; JPH0220933B2; DE2813089A1; NL185960B

Description

7902559-1 Ett typiskt förfarande som beror på mätningen av diffust ref- lekterade signaler är fjärrmätningen av atmosfäriska skadliga gaser enligt lidarprincipen. Vanligen utsändes härvid en kort ljusimpuls och det diffust återkastade ljusets tidsförlopp mätas. Av ljusets våglängd kan man sluta sig till den skadliga gasens art, tiden mellan utsänd och mottagen signal ger via ljushastigheten avståndet till ref- lektionsplatsen (d v s molnet av skadlig gas) och signalens storlek ger gaskoncentrationen på reflektionsstället. 7902559-1 A typical procedure based on the measurement of diffuse refraction selected signals are the remote measurement of atmospheric harmful gases according to the lidar principle. Usually a short light pulse was emitted and the time course of the diffusely reflected light is measured. Of light wavelength, one can deduce the nature of the harmful gas, the time between transmitted and received signal gives the distance to the reference via the speed of light. the lesson site (i.e. the cloud of harmful gas) and the size of the signal gives the gas concentration at the reflection point.

Lidarsignalens storlek beror nu utom på koncentrationen även på avståndet R mellan mottagare och reflektionsplats. Enligt den s k lidarekvationen är signalen från diffusionsplatsen R vid i övrigt li- ka betingelser proportionell mot 1/H2 enär ett lidarsystems mottag- ningsoptik med mottagningsytan A samlar diffust reflekterat ljus från avståndet R med rymdvinkeln A/R2. Vid diffusionsplatser på ett av- stånd mellan t ex 100 m och 10 km betyder det en försvagning av li- darsignalen med 1 2 10 000 varvid man inte tagit hänsyn till absorp- tíons- och diffusionsförluster i atmosfären. Denna stora s k dynamik hes iiaereigneien (i föreliggande exempel 1o ooo) är olämplig den vidare signalbearbetningen. Därför använder man olika metoder för att minska signalstorlekarnas stora beroende av avståndet eller med andra ord komprimera signaldynamiken. Dessa kända metoder är följande: 1. Logaritmiska förstärkareä De mottagna signalerna ledes till en förstärkare vars utsignal är proportionell inte mot insignalen utan mot dess logaritm. Logarit- miska förstärkare med den erforderliga stora bandbredden och det på ingångssidan erforderliga stora dynamikområdet uppvisar emellertid av- sevärda avvikelser från den ideala logaritmíska förstärkningskurvan vilka starkt inskränker deras användbarhet för kvantitativ utvärde- ring av signalstorlekarna. 2. Ändring av förstärkningsfaktorn vid fotomultiplikatorer= I lidarsystem med en fotomultiplikator som ljusdetektor kan fotomultiplikatorns förstärkning varieras genom modulation av högspän- ningen under mätförloppet. Fotomultiplikatorer är emellertid endast lämpliga för spektralområdet 150 - 1000 nm. Enär dessutom förstärk- ningen vid fotomultiplikatorer inom vida gränser tilltar exponenti- ellt med högspänningen och endast tidslinjära spänningsökningar (s k sågtandsspänningar) kan alstras tillräckligt noggrant med enkla medel kan med sådana anordningar 1/R2-beroendet inte kompenseras. Ej heller leder dyrbar alstring av andra spänningsformer än enkla sågtandsspän- 7902539-1 ningar till målet eftersom fotomultiplikatorer i sin förstärkning är alltför mycket beroende av okontrollerbara parametrar ävensom av den egna förhistorien. 3. Ändring av linjarförstarkares förstarlfningsfaktor; Vid detta förfarande erhåller man en signalkompression genom flerfaldig snabb omkoppling av förstärkningen under mätningen. Därvid uppstår emellertid under kopplingen av förstärkningen och övergångar- na efter de egentliga kopplingsförloppen tidavsnitt som inte lämnar några användbara informationer. Denna informationsförlust inskränker förfarandets användbarhet. 4. Icke-kollinear anordning av sändare och mottagare: Genom att ställa sändare och mottagsoptik bredvid varandra upp- når man att det av sändarstrålen omfattade området och mottagarens synfält helt överlappar varandra först på något avstånd. Detta leder icke endast för den nära omgivningen utan även för större avstånd till en förlust av känslighet och inskränker därmed onödigtvis det använd- bara mätområdet.The size of the leader signal now depends not only on the concentration but also at the distance R between receiver and reflection spot. According to the so-called the lidar equation is the signal from the diffusion site R at otherwise li- conditions proportional to 1 / H2 since the reception of a lidar system optics with the reception surface A collects diffused reflected light the distance R with the space angle A / R2. At diffusion sites on a between 100 m and 10 km, for example, this means a weakening of signal with 1 2 10 000 without taking into account the absorption losses and diffusion losses in the atmosphere. This great so-called dynamic hes iiaereigneien (in the present example 1o ooo) is unsuitable it further signal processing. Therefore, different methods are used to reduce the large signal sizes depending on the distance or with others words compress the signal dynamics. These known methods are as follows: 1. Logarithmic amplifiers The received signals are routed to an amplifier whose output signal is proportional not to the input signal but to its logarithm. Logarit- amplifiers with the required bandwidth and that on however, the large dynamic range required on the input side exhibits noticeable deviations from the ideal logarithmic gain curve which severely restrict their usefulness for quantitative evaluation ring of the signal sizes. 2. Change the gain of photomultipliers = In lidar systems with a photomultiplier as a light detector can the gain of the photomultiplier is varied by modulating the high voltage during the measurement process. However, photomultipliers are only suitable for the spectral range 150 - 1000 nm. In addition, the use of photomultipliers within wide limits increases the exponential with high voltage and only time-linear voltage increases (so-called sawtooth tensions) can be generated accurately enough by simple means with such devices the 1 / R2 dependence cannot be compensated. Nor leads to expensive generation of voltage forms other than simple sawtooth voltages. 7902539-1 to the target because photomultipliers in their amplification are too much dependent on uncontrollable parameters as well as on it own prehistory. 3. Modification of the line amplification factor of line amplifiers; In this method, a signal compression is obtained by multiple rapid switching of the gain during the measurement. Thereby occurs during the coupling of the reinforcement and transitions na after the actual coupling processes time sections that do not leave some useful information. This loss of information is limited usefulness of the procedure. 4. Non-collinear device of transmitter and receiver: By placing transmitters and receiving optics next to each other reaching the area of the transmitter beam and that of the receiver fields of view completely overlap first at some distance. This leads not only for the immediate surroundings but also for greater distances to a loss of sensitivity and thus unnecessarily restricts the use of only the measuring range.

Anordningen enligt uppfinningen undviker ovanstående nackdelar genom de i kravet 1 angivna särdragen.The device according to the invention avoids the above disadvantages by the features specified in claim 1.

Uppfinningen beror på en kompression av signaldynamiken med rent geometriska metoder. Genom följande exempel ur optiken kan upp- finningens princip lättast förklaras.The invention depends on a compression of the signal dynamics with purely geometric methods. Through the following examples from the optics, the principle of finding is most easily explained.

Ett noggrant parallellt ljusknippe sammanföres genom en ideal samlingsoptik (lins, spegel) i en punkt, s k brännpunkt. En linje pa- rallell med det infallande ljuset och genom brännpunkten kallas den optiska axeln och planet vinkelrätt mot den optiska axeln och genom brännpunkten brännplanet. Det parallellt infallande ljusknippet kan uppfattas som ljus från ett oändligt långt bort beläget föremål. I motsats nertill är ljus från ett på. andligt avstånd befintligt :tre- mål inte noggrant parallellt och avbildas inte som en punkt i bränn- planet; i stället uppstår där en ytfördelning av ljusintensiteten som är desto mera utsträckt ju mer ljuskällan närmar sig det optiska sys- temet. Inför man i brännplanet en liten detektor så registrerar denna endast sådant ljus fullständigt som utgår från mycket avlägset beläg- na källor men endast delvis ljus från närmre källor. ' Det anförda exemplet som visar en enkel användning av i och för sig kända principer i fysiken, är av direkt betydelse för användning av föreliggande uppfinning vid s k lider vid vilken den intressanta 7902539-1 strålningen från olika avstånd är diffust reflekterat ljus (som inte nödvändigtvis måste ligga i spektrums synliga del). Till förtydligan- de av ovanstående må beträffande lidarexemplet än en gång framhållas att man vid lämpligt val av optiskt system och detektor kan uppnå att: 1. Diffust reflekterat ljus från ringa avstånd (s k närhåll) faller på detektorn endast med en liten bråkdel som ändrar sig med av- ståndet så att den av detektorn från detta område registrerade signa- len är praktiskt taget konstant, d v s oberoende av avståndet; 2. Diffust reflekterat ljus från medelstort avstånd (s k över- gångshåll) med riktat reducerad andel faller på detektorn så att den registrerade signalen avtar svagare än proportionellt mot 1/R2; 3. Diffust reflekterat ljus från stort avstånd (s k fjärrhåll) "aller praktiskt taget fullständigt på detektorn så att den registre- rade signalen här avtar proportionellt mot 1/R2.An accurately parallel beam of light is brought together by an ideal collection optics (lens, mirror) at a point, so-called focal point. A line pa- rallell with the incident light and through the focal point it is called the optical axis and the plane perpendicular to the optical axis and through the focal point of the focal plane. The parallel incident light beam can perceived as light from an infinitely distant object. IN opposite at the bottom is light from one on. spiritual distance existing: three- targets are not exactly parallel and are not depicted as a point in the planet; instead, a surface distribution of the light intensity occurs where is the more extended the closer the light source approaches the optical system. temet. If you insert a small detector in the burner plane, it registers it only such light completely emanating from very distant sources but only partial light from closer sources. ' The cited example showing a simple use of in and for known principles in physics, are of direct importance for use of the present invention at the so-called sufferer in which it is of interest 7902539-1 the radiation from different distances is diffusely reflected light (which is not must necessarily be in the visible part of the spectrum). For clarification those of the above may once again be emphasized with regard to the example of suffering that with the appropriate choice of optical system and detector one can achieve that: 1. Diffuse reflected light from small distances (so-called close-up) falls on the detector only with a small fraction that changes with the so that the signal registered by the detector from this area len is practically constant, i.e. independent of the distance; 2. Diffuse reflected light from a medium distance (so-called over- gait) with a directed reduced proportion falls on the detector so that it the registered signal decreases weaker than proportionally to 1 / R2; 3. Diffuse reflected light from a large distance (so-called distance) "practically completely on the detector so that it detects the signal here decreases proportionally to 1 / R2.

En föredragen utföringsform av uppfinningen för användning på det ovan anförda exemplet med lidar är följande: 1. Ljusdetektorn anordnas på bildsidan av mottagsoptikens brännplan, närmare bestämt så att detektor-mottagningsytans mittpunkt befinner sig på den optiska axeln i brännpunkten för de strålar som infaller parallellt med den optiska axeln. 2. Ljusdetektorns verksamma mottagningsyta reduceras med en företrädesvis cirkelformad bländare direkt framför det ljuekänsliga skiktet till signalkompressionsytan Ak. Om detektoryta och signalkom- pressionsyta är lika stora kan bländaren bortfalla. _ 3. Signalkompressionsytan Ak framgår av den minst avlägsna spridningsplatsen Rmin för vilken hela det av mottagningsoptiken sam- lade diffust reflekterade ljuset bör falla på ljusdetektorns verksam- ma mottagningsyta.A preferred embodiment of the invention for use on the above example of suffering is as follows: 1. The light detector is arranged on the image side of the receiving optics fire plane, more specifically so as to be the center of the detector receiving surface is on the optical axis at the focal point of the rays that coincides with the optical axis. 2. The effective reception area of the light detector is reduced by one preferably circular aperture directly in front of the photosensitive the layer to the signal compression surface Ak. If the detector surface and signal pressure area is the same size, the aperture can be dropped. _ 3. The signal compression surface Ak appears from the least distant the scattering site Rmin for which the whole of the receiving optics diffused reflected light should fall on the operation of the light detector ma reception area.

Om sändarstrålen på avståndet Rmin har diametern D(Rmin) så har signalkompressionsytan Ak diametern dk = Dæmin) ' f/Rmin där f är mottagningsoptikens brännvidd.If the transmitter beam at the distance Rmin has the diameter D (Rmin) then has the signal compression surface Ak diameter dk = Example) 'f / Rmin where f is the focal length of the receiving optics.

Denna utföringsform tillåter också genom val av en detektor av samma storlek d v s med en diameterrr dk, t ex genom att man öppnar eller sluter en irisbländare. anpassning av gränserna mellan när-, övergângs- och fjärrhåll till växlande krav. Sålunda väljes vid en lidarmätning vid disigt väder varvid räckvidden är inskränkt genom sikten, Emin relativt kort och alltså bländaröppningen relativt stor.This embodiment also allows by selecting a detector of the same size, ie with a diameter tube dk, for example by opening or close an iris diaphragm. adjustment of the boundaries between transition and distance to changing requirements. Thus selected at one lidar measurement in hazy weather where the range is limited by the sight, Emin relatively short and thus the aperture relatively large.

Härvid får man för närhållet en större signal med motsvarande bättre 79025394 mätnoggrannhet resp kortare mättid. Omvänt eftersträvar man vid klart väder den maximala med mätsystemet uppnåbara räokvidden och väljer alltså Rmin stort och dk litet.In this case, you get a larger signal for the proximity with a correspondingly better one 79025394 measurement accuracy or shorter measurement time. Conversely, the goal is clear weather the maximum range achievable with the measuring system and select so Rmin large and dk small.

Varianter av signalkompressionen är möjliga med något ändrade anordningar av vilka en t ex ger följande= 1. För små och medelstora avstånd till reflektionsplatsen fram- går en signalkompression analogt med vad ovan anförts. 2. För större avstånd avtar lidarsignalen ännu starkare än med En sådan signalkompression är önskvärd om bakom det luftrum som skall övervakas en topografisk reflektor (t ex träd, hus, berg) befinner sig så att jämte den diffusa reflektionssignalen från luften en genom direkt reflektion vid den topografieka reflektorn väsentligt starkare ljussignal skulle uppstå. Denna variant av signalkompression- en kan erhållas på flera sätt exempelvis genom att: 1. Den oirkelformade, rätvinkliga eller på annat sätt "enkelt sammanhängande" ljusdetektorn förskjutes till den optiska axeln fram- för eller bakom brännplanet, 2. den ("enkelt sammanhängande") detektorn lokaliseras utanför den optiska axeln i eller bakom brännplanet eller 3. en "flerfaldigt sammanhängande" detektor exempelvis en cir- kelring används i eller utanför brännplanet på eller bredvid den op- tiska axeln.Variants of the signal compression are possible with slightly changed devices of which, for example, one gives the following = 1. For small and medium distances to the reflection site a signal compression is analogous to what has been stated above. 2. For larger distances, the lidar signal decreases even stronger than with Such signal compression is desirable if behind that airspace to be monitored by a topographic reflector (eg trees, houses, mountains) is located so that along with the diffuse reflection signal from the air one by direct reflection at the topographic reflector substantially stronger light signal would occur. This variant of signal compression one can be obtained in several ways for example by: 1. The non-circular, rectangular or otherwise "simple coherent "light detector is shifted to the optical axis forward in front of or behind the burner plane, 2. the ("coherent") detector is located outside the optical axis in or behind the focal plane or A "multiple coherent" detector, for example a circular is used in or outside the burner plane on or next to the the shaft.

I synnerhet sistnämnda variant tillåter vid lämplig dimension- ering att man fullständigt undertryoker den topografiska reflektorns signal men praktiskt taget utan försvagning påvisar från kortare håll diffust reflekterat ljus.In particular, the latter variant allows at the appropriate dimensional that the topographical reflector is completely suppressed signal but practically without weakening shows from shorter distances diffused reflected light.

Som ett sista exempel skall nämnas en variant av uppfinningen som utom 1/É2-beroendet även tillåter att kompensera den diffust ref- lekterade signalens genom utsläckning betingade ytterligare beroende av avståndet som (vid homogen atmosfär) är proportionellt mot e'2°¿R varvid M-är utsläckningskoeffioienten och R som förut avståndet. En sådan kompensation uppnås genom att enligt uppfinningen detektorus känslighet blir mindre inifrån utåt. Detta kan ske genom "grå" blän- dare vilkas transparens avtar inifrån utåt eller genom ogenomsläppli- ga bländare som i mitten lämnar en stjärnformad öppning fri.As a final example, a variant of the invention should be mentioned which, in addition to the 1 / É2 dependence, also allows to compensate for the diffuse the additional dependence of the selected signal by quenching of the distance which (in a homogeneous atmosphere) is proportional to e'2 ° ¿R where M-is the extinction coefficient and R as before the distance. One such compensation is achieved by detectorus according to the invention sensitivity becomes less from the inside out. This can be done by "gray" glare whose transparency decreases from the inside out or through impermeable give aperture that in the middle leaves a star-shaped opening free.

I det följande beskrivas ett utföringsexempel av uppfinningen med vilket det lyckas att komprimera en lidarsignals signaldynamik varvid som sändare en deuteriumfluoridlaser används. AnordningensIn the following, an embodiment of the invention is described with which it succeeds in compressing the signal dynamics of a lidar signal a deuterium fluoride laser being used as the transmitter. The device's

Claims

7902539-1 principle is shown in Fig. 1. The radiation S emitted from the laser 1, suitably widened with the optics 2 and if necessary by two mirrors 3, 4 wrapped in the optical axis 5 of the receiving mirror, to the diffusion site, for example into an assumed volume of harmful gas . The radiation E returning from the diffusion site is collected by the main mirror 6 and is guided after refraction through the mirror 7 to the detector 9 suitably blinded by the aperture 8. In Fig. 2 the irradiance in the focal plane is shown for scattering at distances of 100 m, 1 km and 10 km. These results are based on the following dataß output 50 kW at a wavelength of 3.5 - 4.1 μm and a pulse duration of 500 ns, transmitter beam diameter 38 mm with a beam divergence (full angle at 50% of power) of 1 mrad which is extended to 150 mm, a main mirror diameter of 500 mm and a focal length of 3000 mm. It can be seen from Fig. 2 that, for example, the light from 100 m diffusely reflected at an effective detector radius of 0.5 mm predominantly does not hit the effective detector surface, while diffusely reflected light from a distance of 10 km almost completely falls on the detector. Fig. 3 shows the geometric compression for different effective detector surfaces. It appears that at a detector radius of 0.8 mm the transition area extends from approx. 1 - 2 km, at 0.4 mm detector radius from approx. 2 - 4 km. For smaller distances the signal no longer depends on the distance, for larger distances the 1 / R2 dependence of the reservation is maintained. For comparison, the lidar signal is also plotted which would be obtained without signal compression according to the lidar equation. P a t e n t k r a v:

Receiving device, in which diffusely reflected signals coming from different distance zones, in particular transmitted and diffusely reflected lidar signals in the atmosphere, fall against a detector receiving surface limited in size, characterized in that the size of the active detector surface is adjustable depending on a desired receiving zone with substantially constant signal strength in such a way that the diameter of the detector receiving surface substantially corresponds to the formula dk = D x å, where R is the desired compression range, i.e. the radius of the near zone of the receiver within which the reflected signals are to be compressed, D is the diameter of the emitted beam at the distance R, and f the focal length of the receiver optics. 7902539-1 -4

2. Device according to claim 1, characterized in that the center of the active detector receiving surface is arranged on the optical axis in the focal point of the beams incident parallel to the optical axis. IN

Device according to claim 1, characterized in that the operative detector receiving surface lies in the focal plane outside the optical axis.

Device according to claim 1, characterized in that the detector receiving surface is arranged outside the firing plane.

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the effective size of the detector receiving surface is determined by means of a mixer.

Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises alternatively usable disc mixers for covering the middle part of the detector receiving surface and suppressing undesired reflection signals from topographical reflectors.

Device according to claim 6, characterized in that the apertures have a transmittance which continuously changes with the radius.

Device according to Claim 7, characterized in that the apertures are star-shaped.