WO2000026612A1 - Profilmesssystem und verfahren zur durchführung - Google Patents

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WO2000026612A1
WO2000026612A1 PCT/DE1999/003252 DE9903252W WO0026612A1 WO 2000026612 A1 WO2000026612 A1 WO 2000026612A1 DE 9903252 W DE9903252 W DE 9903252W WO 0026612 A1 WO0026612 A1 WO 0026612A1
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WO
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measuring system
radar
laser radar
measuring
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Application number
PCT/DE1999/003252
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Inventor
Richard Schneider
Michael Stockmann
Rainer Puschmann
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/34—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates

Definitions

  • the invention relates to a profile measuring system for measuring the profiles of an object along its longitudinal extent.
  • the profiles are picked up one after the other and provide spatially resolved profile cuts, for example from a wire.
  • the profile measuring system moves parallel to the longitudinal extension of the object.
  • the pantograph of the locomotive grinds material from the underside of the contact wire.
  • the remaining height and the contact wire mirror width should be measured with an accuracy of a few 0.1 mm at intervals of a few months.
  • the remaining height is based on the original height of a contact wire.
  • the width of the mirror is the width on the underside of a contact wire along which the pantograph slides. The changes along the route
  • the contact wire is suspended offset by around 0.8 m.
  • the sampling time of each measurement profile should not exceed 0.5 ms.
  • Literature 1 R. Müller, H. Höfler, "Track monitoring with optical measurement technology” in Railway Engineer Calendar '97, pp. 315-332, Tetzlaff, Darmstadt (1996), ISBN 3- 87814-506-3 describes a system consisting of a laser radar for determining the position of the contact wire and two CCD cameras mounted on the pantograph on the side below the grinder for measuring the remaining height consists.
  • the laser radar works on the principle of phase measurement.
  • A.W. Benshop System for measuring the contact wire thickness (ATON) of the Dutch railways," rails of the world “pp. 20-31, April 1991, a system is shown, which consists of five CCD line cameras from the rail vehicle upwards, which the To keep the image of the wire at different heights in the depth-of-field area, another horizontally oriented CCD camera captures the pantograph above the car roof and uses image processing to provide a signal for the focusing device.
  • German patent DE 196 13 737 C2 consists of CCD cameras mounted on the side of the collector of the current collector, which look horizontally along the grinder at the contact wires and thus detect the remaining height.
  • the speed of a measuring vehicle that contains this profile measuring system is limited to 60 km / h, since the cameras protrude above the pantograph and temporarily lift contact wires that run out to the side.
  • the width of the mirror of a contact wire is used to determine the remaining height, this is limited to the cases in which the contact wire has a circular cross section. Since the residual height ultimately represents the relevant measure of wear on a contact wire, it must be possible to reliably infer from a contact wire profile to the remaining height. If the contact wire is approximately rectangular, as is the case in Austria, for example, measuring the mirror width alone is not sufficient.
  • An FMCW laser radar is used to measure the spatially resolved profile sections, which are determined by step-by-step scanning of locations along a line on an object surface and the distance determination of several surface locations on this line relative to the profile measurement system.
  • Such a system is described for example in German patent applications P 44 27352.5 (1994) and in P 196 01 875.7 (1996).
  • a particular disadvantage is the non-linearity of the frequency tuning of the laser diodes used in an interferometer, and the sensitivity of the system to object movements. Particularly in the case of object movements, the difference frequency is shifted as a result of the Doppler effect and the object distance to be determined is thus falsified.
  • both effects can be compensated for by correction interferers, which significantly increases the effort.
  • the use of correction interferometers is described in the two German patent applications mentioned above.
  • the measuring principle is based on not sampling the signal of a sample interferometer in steps that are equidistant in time, but rather representing the sampling times by times of equidistant phase difference in the signal of the correction interferometer.
  • the sampled signal is then monofrequency with regard to the sampling indices with the dimensionless frequency, which is connected in a simple manner with the distance to the object.
  • the simultaneous measurement of two interference signals is carried out with a single measurement arrangement.
  • the frequency of the emitted electromagnetic wave is reduced by one frequency swing during the measurement.
  • the frequency is increased.
  • the invention has for its object to provide a profile measurement system with high dynamics for recording profile sections of elongated objects, profiles of the object being recorded successively during the movement of the profile measurement system parallel to the longitudinal extent of the object. Furthermore, a method for operating the profile measuring system is to be described.
  • the invention is based on the knowledge that the recording of profiles of an elongated object for its geometric control can be carried out using a profile measuring system which moves parallel to the object and uses a frequency-modulated continuous-wave radar (FMCW radar).
  • FMCW radar frequency-modulated continuous-wave radar
  • Such a radar is also referred to as a chirped laser radar.
  • profile sections can be recorded in a location-resolved manner, ie in the form of measurement points placed in a row. For this purpose, distance measurements to selected points on the surface of the object are carried out using the radar system, which results in a profile cut in each case.
  • An FMCW laser radar which, as an output signal, supplies an intermediate or differential frequency correlated with the distance to a surface point, as described in the description of the prior art, has one in comparison to triangulation, transit time or phase measurement methods very high reception dynamics, which is largely independent of the scattering properties of the surface of an object.
  • the relevant parameters such as remaining height and Calculate mirror width.
  • the system is largely independent of the shape of the elongated object.
  • a measuring system can be used for each object for objects that are present simultaneously or in parallel.
  • the height and lateral position of an object are recorded relative to the measuring system.
  • the profile measuring system and the method can be used not only for measuring contact wires, but also for tracks.
  • Advantageous refinements consist in that, for example, 16, 32 or 64 laser beams are directed in parallel onto the object and a photo sensor, for example a photodiode or a photodiode line, is located in the FMCW laser radar in the form of a line with, for example, 16, 32 or 64 elements is. This enables parallel processing of a single profile section with 16, 32 or 64 support points.
  • a photo sensor for example a photodiode or a photodiode line
  • a rough presetting of the measuring system is very advantageous.
  • the rough position of the object relative to the measuring system is searched for or set by means of an additional time-of-flight radar.
  • the object is thus placed in a measurement window or detected in it.
  • the corresponding data are made available to the FMCW laser radar or its control, so that the recording of an object profile within this measurement window is made possible with high accuracy.
  • the additional runtime radar can determine the height and side position of an object.
  • the lateral migration or oscillation of an object is usually associated with a change in the distance of the object from the measuring system. If this change in distance is greater than the depth of field, the object must be refocused continuously.
  • the manipulated variable required for this is derived from the distance signal of the FMCW laser radar.
  • the plane in which the laser beam follows the contact wire lies in within less than 5 ° perpendicular to the longitudinal extent of the measuring vehicle in order to minimize influences that disturb the measuring signals and occur as a result of Doppler effects due to the high speed of the vehicle.
  • the object is illuminated with frequency-modulated laser light of constant intensity.
  • the light wave scattered back by the object is coherently overlaid with the emitted one.
  • This creates an interference signal that oscillates with the difference frequency of the two light waves, which is a measure of the distance.
  • the searched frequency is determined using a Fast Fourier Transformation. Because of the coherent overlay reception, the useful signal is already amplified considerably in the optical range, which means that significantly larger dynamic ranges and sensitivities can be achieved compared to methods with direct reception.
  • FIG. 1 shows the cross section of a worn contact wire 1 of an overhead line with a residual height h and a mirror width a, laser beams 4 coming onto the contact wire 1 from the bottom right.
  • FIG. 2 shows the principle of the profile measuring system on a car roof 2 of a measuring vehicle
  • FIG. 3 shows individual process steps in the profile recording
  • FIG. 4 shows the angular relationships between the scanning direction and the contact wire
  • FIG. 5 shows the principle of the FMCW laser radar
  • FIG. 6 shows process steps based on the principle of the FMCW laser radar
  • FIG. 7 shows the course of an intensity on a receiving photodiode.
  • FIGs 2 and 3 show schematic diagrams of the proposed measuring system.
  • An FMCW radar is located in an air-conditioned housing 12 on the roof 2 of a measuring vehicle.
  • a rotating mirror 10 directs the laser beam 4 through a window 5 onto the contact wire 1. Since the laser beam 4 has an approximately elliptical cross section with a maximum width of more than 20 mm or consists of several individual beams, the contact wire 1 can be fully illuminated.
  • the backscattered light reaches a photodetector, which is shown in FIG. 6 as a photodiode within the FMCW laser radar 3. This photodetector can advantageously be shown in the form of a line with, for example, 16 or 32 elements.
  • Hardware is connected to each element, which determines the distance of the associated location on the contact wire 1 in real time. This can be done in parallel for 32 simultaneous measurements. After the transformation of polar coordinates into Cartesian coordinates noted in FIG. 3, the profile shown 7.7 'is obtained. The mirror width a and the residual height h can be calculated from this profile. In addition, a manipulated variable for the rotating mirror 10 for automatic wire tracking is generated. To increase the reception power, it is extremely advantageous to direct 32 parallel individual beams onto the contact wire 1 instead of a large expanded beam. 32 individual beams can be represented by a diffraction grating, for example.
  • the described tracing of the contact wire 1 assumes that a contact wire is in the field of view of an FMCW laser radar. Because the length of a single contact wire on is limited about 1 km, overlaps occur at the ends with the preceding or following wire. In the overlapping areas, two contact wires 1 run side by side over a distance of up to 60 m in length at almost the same height with a horizontal distance of a few centimeters. The height difference between ascending and descending wire is 0 to approx. 15 cm. Outside the area described, the wires are carried sideways upwards to their respective end anchors. Since the stiffness of the contact line system changes in the overlap areas compared to the rest of the route, the wear of the contact wires 1 can increase here. In order to ensure that these critical distances are completely covered, a radar system is provided for each contact wire.
  • a fast transit time radar or a triangulation system is installed in order to enable the contact wire 1, which is newly added from above and to the side, to be found quickly. Its laser beam, which is directed upwards, continuously oscillates transversely to the direction of travel or the longitudinal extent of the object and thus detects the height and lateral position of all contact wires. This detection is associated, for example, with a measurement uncertainty of approximately 1 cm.
  • FIG. 5 shows the principle of the FMCW laser radar (chirped laser radar).
  • the object is illuminated with frequency-modulated laser light of constant intensity.
  • the light wave scattered back from the object is coherently overlaid with the emitted one.
  • This creates an interference signal that oscillates at the intermediate frequency of the two light waves, which is a measure of the distance.
  • the searched frequency is determined using a Fast Fourier Transformation. Because of the coherent superimposition reception, the useful signal is already considerably amplified in the optical range, which means that significantly larger dynamic ranges and sensitivities can be achieved compared to methods with direct reception.
  • Disadvantageous non-linearities in the frequency tuning of laser diodes used in radar systems and the sensitivity to object movements play no role in an FMCW laser radar used in connection with the invention.
  • the shift in the intermediate frequency as a result of the Doppler effect cannot falsify the determination of the distance. Both effects can be compensated for by correction interferometers, for example.
  • An FMCW laser radar used is based on the fact that signals of the reference interferometer based on the alternating current component of the photocurrent can be evaluated in a simple manner if the sampling times are not equidistant in time but are positioned in proportion to the temporal change in the optical frequency of the laser diode.
  • the signal is sampled at certain sampling times. The sampling times are therefore not time-dependent, but phase-dependent.
  • the intermediate frequency of the sample interferometer relates to the intermediate frequency of the reference interferometer like the path length difference of the sample interferometer to the path length difference of the reference interferometer.
  • the sampling times coupled with the phase difference in the reference interferometer enable the generation of a monofrequency signal which is digitized and recorded in an analog / digital converter.
  • the frequency of this signal is dimensionless and directly proportional to the path length difference to be measured.
  • interference signals in the useful signal can be eliminated.
  • the frequency of the emitted electromagnetic wave is changed during the measurement by a certain frequency swing.
  • the slope of the frequency change or the frequency deviation differs significantly from that of the first signal.
  • Mixing, ie multiplication, of the two signals (receive signals) thus obtained results in a signal which, in the mathematical description, is composed of two amplitude-modulated signals.
  • One of these two amplitude-modulated signals oscillates with the sum of the intermediate frequencies and contains the distance information.
  • the other contains the interference caused by the movement of the object and, since it is frequency-shifted, can easily be eliminated by suitable filters. Variations in the surface reflectivity of the object are also manageable. If there is the possibility of simultaneously feeding the output signals of two transmitters into a measuring arrangement which serves to superimpose an output signal and a signal which is reflected back by an object, then two received signals are recorded via two detectors. These are multiplied and result in an electrical received signal oscillating at the intermediate frequency.
  • the function of an FMCW laser radar thus outlined is connected to the circuitry representation in FIG.
  • the interferometer arrangement has an arm with a reference mirror which belongs to a reference interferometer and an arm with a photodiode which belongs to the sample or measuring interferometer. The emitted and received beams are superimposed in the manner described above. The distance between the measuring system and an object surface is measured.
  • FIG. 6 represents the principle of the chirped laser radar corresponding to the arrangement in FIG. 5.
  • the frequency change at the laser diode is shown on a time axis in the upper diagram.
  • the reference beam is delayed in relation to an object beam arriving from the object.
  • the intermediate frequency quenz / difference frequency (intermediate frequency), which here is for example 1 MHz.
  • the intensity at the photodiode is shown over a time axis.
  • One period of the oscillation shown corresponds to the reciprocal of the intermediate frequency.
  • the numerical aperture of the objective of 0.002 limits the measuring range to 0.16 m. Continuous refocusing is therefore necessary in order to compensate for the lateral movement of the contact wire 1.
  • the limitation of the measuring range and the orientation of the laser beam perpendicular to the contact wire 1 allows the bandwidth of the intermediate frequency to be limited to approximately 1-2 MHz. The frequency measurement can thus be calculated by means of a
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • Figure 1 shows a cross section of the contact wire 1 with profile 7, illuminated by laser beams.
  • FIG. 4 shows the angular relationships between a scanning beam, the longitudinal extent of the measuring vehicle and the contact wire 1.
  • the beam path of laser beams 4 which originate from an FMCW laser radar, strike the contact wire at an angle of almost 90 °. This minimizes influences on the measurement signals at high vehicle speeds due to Doppler effects. Such interference effects could be compensated for, but with a very high level of electronic effort.

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Abstract

Der Einsatz eines FMCW-Laser-Radars in Zusammenhang mit einem aufgefächerten Strahlengang mittels eines Drehspiegels (10), eines Fokussierobjektives (14), die ein Messfenster am Objekt positionieren, ermöglicht ortsaufgelöste Profilschnitte von langgestreckten Objekten. Aus diesen Daten lassen sich relevante Grössen wie Resthöhe (h) und Spiegelbreite (a) eines Fahrdrahtes (1) berechnen. Das System weist eine hohe Empfangsdynamik und eine hohe Datenrate auf, ist unabhängig von der Form eines Fahrdrahtes (1), und erlaubt eine automatische Erfassung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes (1).

Description

Beschreibung
Profilmeßsyste und Verfahren zur Durchführung
Die Erfindung betrifft ein Profilmeßsystem zur Messung der Profile eines Objektes entlang seiner Längserstreckung. Die Aufnahme der Profile geschieht hintereinander und liefert ortsaufgelöste Profilschnitte, beispielsweise von einem Draht. Das Profilmeßsystem bewegt sich parallel zur Längser- Streckung des Objektes.
Bei elektrischen Bahnen schleift der Stromabnehmer der Lokomotive Material von der Unterseite des Fahrdrahtes ab. Um Betriebsstörungen zu vermeiden, sollte in zeitlichen Abständen von einigen Monaten die verbleibende Resthöhe und die Fahrdrahtspiegelbreite mit einer Genauigkeit von einigen 0,1 mm gemessen werden. Die Resthöhe ist bezogen auf die ursprüngliche Höhe eines Fahrdrahtes. Die Spiegelbreite ist die Breite an der Unterseite eines Fahrdrahtes, an der der Stromabnehmer entlang schleift. Entlang der Fahrstrecke ändert sich die
Seitenlage des Fahrdrahtes laufend relativ zum Stromabnehmer, damit der Fahrdraht nicht lokale tief in die Schleifleisten des Stromabnehmers eingeschnittene Kerben erzeugen kann. Durch die gleichmäßige seitliche Hin- und Herbewegung des Fahrdrahtes wird eine gleich verteilte relativ geringere Abnützung erzeugt. Auf einen Mastabstand von etwa 60 m bezogen wird der Fahrdraht um ca. 0,8 m versetzt aufgehängt. Das entspricht bei einer Geschwindigkeit eines Stromabnehmers bzw. Schienenmeßfahrzeuges von ca. 80 km/h einer seitwärts gerich- teten Geschwindigkeit des Drahtes von 0,3 mm/msec. Um die oben erwähnte Meßgenauigkeit zu erreichen, sollte die Abtastdauer eines jeden Meßprofiles 0,5 ms nicht überschreiten.
Die Betrachtung bisher bekannter Systeme zur Profilmessung von Fahrdrähten an Eisenbahneinrichtungen hat folgendes erbracht : Die Literaturstelle 1) R. Müller, H. Höfler, "Fahrwegüber-wa- chung mit optischer Meßtechnik" in Eisenbahn-Ingenieur Kalender '97, pp. 315-332, Tetzlaff, Darmstadt (1996), ISBN 3- 87814-506-3 beschreibt ein System, das aus einem Laser-Radar zur Positionsbestimmung des Fahrdrahtes und aus zwei seitlich unterhalb des Schleifers am Stromabnehmer montierten CCD-Kameras zur Messung der Resthöhe besteht. Das Laser-Radar arbeitet nach dem Prinzip der Phasenmessung.
In Literaturstelle 2) J.M. Van Gigch, C. Smorenburg,
A.W. Benshop "System zur Messung der Fahrdrahtdicke (ATON) der niederländischen Eisenbahnen, "Schienen der Welt" pp. 20-31, April 1991 wird ein System dargestellt, das aus fünf vom Schienenfahrzeug aus nach oben gerichteten CCD-Zei- lenkameras besteht, welche die Spiegelbreite messen. Um das Bild des in unterschiedlichen Höhen befindlichen Drahtes im Schärfen-Tiefe-Bereich zu halten, erfaßt eine weitere horizontal orientierte CCD-Kamera den Stromabnehmer über dem Wagendach und liefert mittels Bildverarbeitung ein Signal für die Fokussiereinrichtung.
Ein weiteres System entsprechend der Literaturstelle 3) , der deutschen Patentschrift DE 196 13 737 C2, besteht aus seitlich am Schleifer des Stromabnehmers montierten CCD-Kameras, die waagerecht entlang des Schleifers auf die Fahrdrähte blicken und somit die Resthöhe erfassen. Die Geschwindigkeit eines Meßfahrzeuges, das dieses Profilmeßsystem enthält, ist dabei auf 60 km/h beschränkt, da die Kameras über den Stromabnehmer nach oben hinausragen und seitlich auslaufende Fahr- drahte vorübergehend anheben.
Literaturstelle 4) P. Pohl "Das Streckendiagnosesystem Dr. Tokai" El-Eisenbahn-Ingenieur (49) 5/98 pp. 45-52 befaßt sich mit dem gleichen Problem und beschreibt ein nach oben gerich- tetes, quer zur Fahrtrichtung scannendes Laserstrahlsystem, dessen an der Spiegelfläche des Drahtes erzeugte Reflexe de- tektiert werden. Da die Laserleistung 500 mW beträgt, kann das System in vielen Ländern wegen Verletzung der Laserstrah- lenschutzbestimmungen nicht verwendet werden. Bei Rückständen, die ein aus Kohle bestehender Schleifer, beispielsweise von der Deutschen Bahn, an den Seiten des Fahrdrahtes hinter- läßt, sind keine zuverlässigen Messungen möglich. In Japan würde dies andererseits nicht stören, da hier Schleifer aus Sintermetall eingesetzt werden.
Wird die Breite des Spiegels eines Fahrdrahtes zur Bestimmung der Resthöhe herangezogen, so ist dies auf die Fälle beschränkt, in denen der Fahrdraht einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Da letztendlich die Resthöhe das relevante Maß für den Verschleiß an einem Fahrdraht darstellt, muß zuverlässig von einem Fahrdrahtprofil auf die Resthöhe ge- schlössen werden können. Ist der Fahrdraht näherungsweise rechteckförmig, wie es beispielsweise in Österreich der Fall ist, so ist eine Messung der Spiegelbreite allein nicht ausreichend.
Zur Messung der ortsaufgelösten Profilschnitte, die durch ein schrittweises Abtasten von Orten entlang einer Linie auf einer Objektoberfläche und der Abstandsbestimmung mehrerer Oberflächenorte auf dieser Linie relativ zum Profilmeßsystem ermittelt werden, wird ein FMCW-Laser-Radar eingesetzt. Ein derartiges System wird beispielsweise in den deutschen Patentanmeldungen P 44 27352.5 (1994) und in P 196 01 875.7 (1996) beschrieben.
Nachteilig ist insbesondere eine Nichtlinearität der Fre- quenzabstimmung der verwendeten Laserdioden in einem Inter- ferometer, sowie die Empfindlichkeit des Systemes gegen Objektbewegungen. Insbesondere bei Objektbewegungen wird als Folge des Dopplereffektes die Differenzfrequenz verschoben und damit wird der zu ermittelnde Objektabstand verfälscht. Beide Effekte können jedoch durch Korrekturinterfero eter ausgeglichen werden, was den Aufwand deutlich erhöht. Der Einsatz von Korrekturinterferometern wird in den beiden obengenannten deutschen Patentanmeldungen beschrieben.
In der erstgenannten Patentanmeldung beruht das Meßprinzip darauf, die Abtastung des Signales eines Probeninterferome- ters nicht in zeitlich äquidistanten Schritten vorzunehmen, sondern die Abtastzeitpunkte durch Zeitpunkte äquidistanter Phasendifferenz im Signal des Korrekturinterferometers darzustellen. Das abgetastete Signal ist dann monofrequent hin- sichtlich der Abtastindices mit der dimensionslosen Frequenz, die in einfacher Weise mit dem Abstand zum Objekt in Verbindung steht.
In der zweitgenannten Patentanmeldung wird die simultane Mes- sung zweier Interferenzsignale mit einer einzigen Meßanordnung vorgenommen. Darin wird bei der einen Messung die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während der Messung um einen Frequenzhub verringert. Bei der zweiten simultanen mit derselben Meßanordnung durchgeführten Messung wird dagegen die Frequenz erhöht. Durch Multiplikation der beiden vom Objekt reflektierten und erhaltenen Empfangssignale entsteht ein Signal, das mit der doppelten ursprünglichen Zwischenfrequenz oszilliert und die Abstandsinformation enthält, wohingegen ein anderes Frequenz verschobenes Signal herausfilterbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Profilmeßsystem mit hoher Dynamik zur Aufnahme von Profilschnitten längs gestreckter Objekte bereitzustellen, wobei Profile des Objektes sukzessive bei der Bewegung des Profilmeßsystemes parallel zur Längserstreckung des Objektes aufgenommen werden. Weiterhin ist ein Verfahren zum Betrieb des Profilmeßsystemes zu beschreiben.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmalskombination von Anspruch 1 bzw. Anspruch 10. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Aufnahme von Profilen eines langgestreckten Objektes zu dessen geometrischer Kontrolle mit einem parallel zum Objekt bewegten Profilmeßsystem durchführen läßt, das ein Frequenz-Mo- duliertes-Dauer-Radar (FMCW-Radar) verwendet. Ein derartiges Radar wird auch als Chirped-Laser-Radar bezeichnet. Durch ein FMCW-Laser-Radar können Profilschnitte ortsaufgelöst, d. h. in Form von aneinandergereihten Meßpunkten, aufgenommen werden. Hierzu werden mittels des Radar-Systems Abstandsmessun- gen zu ausgewählten Punkten auf der Oberfläche des Objektes vorgenommen, woraus sich jeweils ein Profilschnitt ergibt. Ein FMCW-Laser-Radar, das als Ausgangssignal eine mit dem Abstand zu einem Oberflächenpunkt korrelierte Zwischen- oder Differenzfrequenz liefert, wie es in der Darlegung des Stan- des der Technik beschrieben ist, weist eine im Vergleich zu Triangulations-, Laufzeit- oder Phasenmeßverfahren sehr hohe Empfangsdynamik auf, womit eine weitgehende Unabhängigkeit von den Streueigenschaften der Oberfläche eines Objektes einhergeht. Statt wie bisher wird somit nicht nur die Spiegel- breite eines Fahrdrahtes in Reflexion oder die Resthöhe des Fahrdrahtes als Schattenwurf gemessen, sondern aus den ortsaufgelösten Profilschnitten oder Teilprofilschnitten eines längs gestreckten Objektes wie beispielsweise einem Fahrdraht in einer Oberleitung lassen sich die relevanten Größen wie Resthöhe und Spiegelbreite berechnen. Das System ist weitgehend unabhängig von der Form des längs gestreckten Objektes. Für gleichzeitig bzw. parallel vorhandene Objekte kann je Objekt ein Meßsystem eingesetzt werden. Neben der Profilmessung erfolgt die Erfassung der Höhen- und der Seitenlage eines Ob- jektes relativ zum Meßsystem. Das Profilmeßsystem und das Verfahren können nicht nur zur Vermessung von Fahrdrähten, sondern auch von Gleisen eingesetzt werden.
Da der Tiefenschärfenbereich aufgrund der numerischen Apertur der Sende-/Empfangsoptik, die ca. 0,002 beträgt, auf etwa
0,16 m begrenzt ist und der Fahrdraht sich in einer Höhe von etwa Im über dem Dach des Meßfahrzeuges um ca. 0,8m seitlich hin und her bewegt, wird eine optische Anordnung bereitgestellt, die die Abstandsänderung Objekt-Meßsystem soweit reduziert, daß sie kleiner als der Schärfentiefenbereich ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, daß beispielsweise 16, 32 oder 64 Laserstrahlen parallel auf das Objekt gerichtet werden und ein im FMCW-Laser-Radar befindlicher Fotosensor, beispielsweise eine Fotodiode oder eine Fotodiodenzeile, in Form einer Zeile mit beispielsweise 16, 32 oder 64 Elementen ausgebildet ist. Hierdurch wird eine parallele Abarbeitung eines einzigen Profilschnittes mit entsprechend 16, 32 oder 64 Stützpunkten ermöglicht.
Nachdem das Profilmeßsystem sich parallel zu dem langge- streckten Objekt bewegt und das Objekt zusätzlich seitwärts auswandern oder oszillieren kann, ist eine grobe Voreinstellung des Meßsystemes sehr vorteilhaft. Hierzu wird mittels eines zusätzlichen Laufzeitradars die grobe Position des Objektes relativ zum Meßsystem gesucht bzw. eingestellt. Das Objekt wird somit in ein Meßfenster gelegt oder in diesem erfaßt. Die entsprechenden Daten werden dem FMCW-Laser-Radar bzw. dessen Steuerung zur Verfügung gestellt, so daß die Aufnahme eines Objektprofiles innerhalb dieses Meßfensters mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird. Ohne die Anforderung an das FMCW-Laser-Radar, die ungefähre Lage des Objektes vor der eigentlichen Profilmessung zu erkennen, kann dessen Meßgenauigkeit optimal genutzt werden. Durch das zusätzliche Lauf- zeitradar können Höhen- und Seitenlage eines Objektes bestimmt werden.
Das seitliche Auswandern bzw. Oszillieren eines Objektes ist in der Regel mit einer Abstandsänderung des Objektes zum Meßsystem verbunden. Falls diese Abstandsänderung größer als der Schärfentiefenbereich ist, muß das Objekt fortwährend nachfo- kussiert werden. Die hierzu erforderliche Stellgröße wird von dem Abstandssignal des FMCW-Laser-Radars abgeleitet. Die Ebene, in welcher der Laserstrahl dem Fahrdraht folgt, liegt in- nerhalb von weniger als 5° senkrecht zur Längserstreckung des Meßfahrzeuges, um Einflüsse zu minimieren, die die Meßsignale stören und als Folge von Dopplereffekterscheinungen wegen der hohen Geschwindigkeit des Fahrzeuges auftreten.
Nach dem Prinzip des FMCW-Laser-Radars (Chirped-Laser-Radar) wird das Objekt mit frequenzmoduliertem Laserlicht konstanter Intensität beleuchtet. Die vom Objekt zurückgestreute Lichtwelle wird mit der ausgesandten kohärent überlagert. Dabei entsteht ein Interferenzsignal, das mit der Differenzfrequenz der beiden Lichtwellen, die ein Maß für den Abstand darstellt, oszilliert. Mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation wird die gesuchte Frequenz ermittelt. Wegen des kohärenten Überlagerungsempfanges wird bereits im optischen Bereich das Nutzsignal erheblich verstärkt, womit gegenüber Verfahren mit direktem Empfang wesentlich größere Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können.
Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.
Figur 1 zeigt den Querschnitt eines verschlissenen Fahrdrahtes 1 einer Oberleitung mit einer Resthöhe h und einer Spiegelbreite a, wobei Laserstrahlen 4 von rechts unten kommend auf den Fahrdraht 1 auf- treffen.
Figur 2 zeigt das Prinzip des Profilmeßsystemes auf einem Wagendach 2 eines Meßfahrzeuges,
Figur 3 zeigt einzelne Verfahrensschritte bei der Profilaufnahme,
Figur 4 zeigt die Winkelverhältnisse zwischen Abtastrich- tung und Fahrdraht,
Figur 5 zeigt das Prinzip des FMCW-Laser-Radars, Figur 6 zeigt Verfahrensschritte nach dem Prinzip des FMCW- Laser-Radars,
Figur 7 zeigt den Verlauf einer Intensität an einer Empfangs-Fotodiode .
Die Figuren 2 und 3 zeigen Prinzipskizzen des vorgeschlagenen Meßsystemes. Auf dem Dach 2 eines Meßfahrzeuges befindet sich in einem klimatisierten Gehäuse 12 ein FMCW-Radar. Ein Drehspiegel 10 lenkt den Laserstrahl 4 durch ein Fenster 5 auf den Fahrdraht 1. Da der Laserstrahl 4 einen annähernd elliptischen Querschnitt mit mehr als 20 mm maximaler Breite aufweist oder aus mehreren Einzelstrahlen besteht, kann der Fahrdraht 1 vollständig beleuchtet werden. Das zurück gestreute Licht gelangt in einen Fotodetektor, der in Figur 6 als Fotodiode innerhalb des FMCW-Laser-Radars 3 dargestellt ist. Dieser Fotodetektor kann in vorteilhafter Weise in Form einer Zeile mit beispielsweise 16 oder 32 Elementen darge- stellt sein. Dabei ist an jedes Element eine Hardware angeschlossen, die in Echtzeit den Abstand des zugehörigen Ortes auf dem Fahrdraht 1 ermittelt. Dies kann somit parallel für 32 gleichzeitige Messungen geschehen. Nach der in Figur 3 vermerkten Transformation von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten erhält man das dargestellte Profil 7,7'. Aus diesem Profil kann die Spiegelbreite a und die Resthöhe h berechnet werden. Zusätzlich wird eine Stellgröße für den Drehspiegel 10 zur automatischen Drahtverfolgung erzeugt. Zur Erhöhung der Empfangsleistung ist es äußerst vorteilhaft, statt eines großen aufgeweiteten Strahles 32 parallele Einzelstrahlen auf den Fahrdraht 1 zu lenken. Die Darstellung von 32 Einzelstrahlen kann beispielsweise durch ein Beugungsgitter erfolgen.
Die beschriebene Verfolgung des Fahrdrahtes 1 setzt voraus, daß sich ein Fahrdraht im Gesichtsfeld eines FMCW-Laser-Radars befindet. Da die Länge eines einzelnen Fahrdrahtes auf etwa 1 km begrenzt ist, treten an seinen Enden Überlappungen mit dem vorhergehenden bzw. nachfolgenden Draht auf. In den Uberlappungsbereichen verlaufen zwei Fahrdrähte 1 über eine Strecke von bis zu 60 m Länge in fast gleicher Höhe bei einem horizontalen Abstand von einigen Zentimetern nebeneinander her. Die Höhendifferenz zwischen auf- und absteigendem Draht beträgt 0 bis ca. 15 cm. Außerhalb des beschriebenen Bereiches werden die Drähte seitwärts nach oben zu ihrer jeweiligen Endverankerung fortgeführt. Da sich an den Überlappungs- bereichen die Steifigkeit des Fahrleitungssystemes im Vergleich zur übrigen Strecke ändert, kann sich der Verschleiß der Fahrdrähte 1 hier erhöhen. Um sicher zu stellen, daß diese kritischen Strecken vollständig erfaßt werden, wird für je einen Fahrdraht je ein Radarsystem bereitgestellt.
Um ein schnelles Auffinden des von oben und seitwärts neu hinzukommenden Fahrdrahtes 1 zu ermöglichen, wird ein schnelles Laufzeit-Radar oder ein Triangulationssystem installiert. Dessen nach oben gerichteter Laserstrahl schwingt fortwährend quer zur Fahrtrichtung bzw. zur Längserstreckung des Objektes und erfaßt somit die Höhen- und Seitenlage aller Fahrdrähte. Diese Erfassung ist beispielsweise mit einer Meßunsicherheit von etwa 1 cm verbunden.
Figur 5 stellt das Prinzip des FMCW-Laser-Radars (Chirped-La- ser-Radar) dar. Das Objekt wird mit frequenzmoduliertem Laserlicht konstanter Intensität beleuchtet. Die vom Objekt zurück gestreute Lichtwelle wird mit der ausgesandten kohärent überlagert. Dabei entsteht ein Interferenzsignal, das mit der Zwischenfrequenz der beiden Lichtwellen, die ein Maß für den Abstand darstellt, oszilliert. Mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation wird die gesuchte Frequenz ermittelt. Wegen des kohärenten Uberlagerungsempfanges wird bereits im optischen Bereich das Nutzsignal erheblich verstärkt, womit ge- genüber Verfahren mit direktem Empfang wesentlich größere Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können. Nachteilige Nichtlinearitäten bei der Frequenzabstimmung von verwendeten Laserdioden in Radarsystemen, sowie die Empfindlichkeit gegen Objektbewegungen spielen bei einem in Zusammenhang mit der Erfindung eingesetzten FMCW-Laser-Radar keine Rolle. Dabei kann auch die Verschiebung der Zwischenfrequenz als Folge des Dopplereffektes die Ermittlung des Abstandes nicht verfälschen. Beide Effekte können beispielsweise durch Korrekturinterferometer ausgeglichen werden.
Ein verwendetes FMCW-Laser-Radar basiert darauf, daß auf dem Wechselstromanteil des Fotostromes basierende Signale des Re- ferenzinterferometers in einfacher Weise auswertbar sind, wenn die Abtastzeitpunkte nicht zeitlich äquidistant sind, sondern proportional zur zeitlichen Veränderung der optischen Frequenz der Laserdiode positioniert werden. Hierzu wird auf der Basis des Wechselstromanteiles des Fotostromes entsprechend dem Signal des Referenzinterferometers jeweils zu gleichen Phasenlagen, d. h. mit äquidistanten Phasendifferenzen, zu dadurch bestimmten Abtastzeitpunkten das Signal abgeta- stet. Die Abtastzeitpunkte sind somit nicht zeitabhängig, sondern phasenabhängig. Die Zwischenfrequenz des Probeninter- ferometers verhält sich dabei zur Zwischenfrequenz des Referenzinterferometers wie die Weglängendifferenz des Probenin- terferometers zur Weglängendifferenz des Referenzinterferome- ters . Die mit der Phasendifferenz im Referenzinterferometer gekoppelten Abtastzeitpunkte ermöglichen die Erzeugung eines monofrequenten Signales, das in einem analog/digitalen-Wand- ler digitalisiert und aufgezeichnet wird. Die Frequenz dieses Signales ist dimensionslos und direkt proportional zur zu messenden Weglängendifferenz.
Mit einer simultanen Messung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer identischen Meßanordnung können Störsignale im Nutzsignal beseitigt werden. Bei der Messung für das eine Signal wird die Frequenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während der Messung um einen bestimmten Frequenzhub verändert. Bei der Messung bezüglich des zweiten Si- gnales mit derselben Meßanordnung unterscheidet sich die Steigung der Frequenzveränderung bzw. des Frequenzhubes wesentlich von der beim ersten Signal. Durch Mischen, d. h. Multiplikation, der beiden so erhaltenen Signale (Empfangs- Signale) entsteht ein Signal, das sich in der mathematischen Beschreibung aus zwei Amplituden modulierten Signalen zusammensetzt. Eines dieser beiden Amplituden modulierten Signale oszilliert mit der Summe der Zwischenfrequenzen und enthält die Abstandsinformation. Das andere enthält die durch die Ob- jektbewegung hervorgerufene Störung und kann, da es Frequenz verschoben ist, durch geeignete Filter leicht eliminiert werden. Variationen in der Oberflächenreflektivität des Objektes sind ebenso beherrschbar. Besteht die Möglichkeit, die Ausgangssignale zweier Sender gleichzeitig in eine Meßanordnung einzuspeisen, die zur Überlagerung eines Ausgangssignales und eines von einem Objekt rückreflektierten Signales dient, so werden über zwei Detektoren zwei Empfangssignale aufgenommen. Diese werden multipliziert und ergeben ein mit der Zwischenfrequenz oszillierendes elektrisches Empfangssignal . Die so- mit umrissene Funktionsweise eines FMCW-Laserradars ist verbunden mit der schaltungstechnischen Darstellung in Figur 5. In dem auch als Chirped-Laser-Radar bezeichneten System wird eine Laserdiode mit einer Rampe frequenzmoduliert angesteuert. Die Interferometeranordnung weist einen Arm mit einem Referenzspiegel auf, der zu einem Referenzinterferometer gehört und einen Arm mit einer Fotodiode, der zum Proben- bzw. Meßinterferometer gehört. Die Überlagerungen der ausgesendeten und empfangenen Strahlen geschieht in der oben beschriebenen Weise. Gemessen wird der Abstand des Meßsystemes zu ei- ner Objektoberfläche.
Figur 6 stellt korrespondierend zu der Anordnung in Figur 5 das Prinzip des Chirped-Laser-Radars dar. Auf einer Zeitachse ist im oberen Diagramm die Frequenzveränderung an der Laser- diode dargestellt. Der Referenzstrahl (reference beam) ist zeitversetzt zu einem vom Objekt eingehenden Objektstrahl (object beam) . Dazwischenliegend tritt die Zwischenfre- quenz/Differenzfrequenz (intermediate frequency) auf, die hier beispielsweise 1 MHz beträgt.
Im unteren Diagramm der Figur 7 ist über eine Zeitachse die Intensität an der Fotodiode dargestellt. Eine Periode der dargestellten Schwingung entspricht dem Kehrwert der Zwischenfrequenz .
Die numerische Apertur des Objektives von 0,002 begrenzt den Meßbereich auf 0,16 m. Daher ist ein fortwährendes Nachfokus- sieren erforderlich, um die seitliche Bewegung des Fahrdrahtes 1 auszugleichen. Bei einem z. B. zweifach größeren Meßbereich müßte die Apertur um den Faktor 212 = 1,4 kleiner sein, was zu einer um den Faktor 1,42 = 2 geringeren empfangenen Signalleistung führt, da die Sendeleistung jedes einzelnen der z. B. 32 Laserstrahlen nur ca. 0,1 mW beträgt. Ferner ermöglicht die Begrenzung des Meßbereiches und die Orientierung des Laserstrahls senkrecht zum Fahrdraht 1 eine Begrenzung der Bandbreite der Zwischenfrequenz auf etwa 1-2 MHz. Somit kann die Frequenzmessung durch Berechnung mittels einer
FFT(Fast Fourier Transformation) mit nur noch 1024 Stützstellen geschehen und die Meßzeit von 0,5 ms eingehalten werden. Beim schrittweisen Abtasten des Objektprofiles mit einem einzelnen Strahl würden zur Aufnahme eines Profilschnittes mit 32 Meßpunkten etwa 32 x 0,5 ms = 16 ms benötigt. Dies begrenzt die relative Bewegung zwischen längs gestrecktem Objekt (Fahrdraht 1) und dem auf einem Meßwagen befindlichen in Längsrichtung des Objektes bewegten Profilmeßsystem. Durch Parallelisierung der Abtastung kann die erforderliche Meßge- schwindigkeit von 0,5 ms erreicht werden.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt des Fahrdrahtes 1 mit Profil 7, von Laserstrahlen beleuchtet.
In Figur 3 sind die Abbildungen 7' und 8' des Profiles 7 und des Fahrdrahtspiegels 8 in Draufsicht dargestellt. Figur 4 zeigt die Winkelverhältnisse zwischen einem Abtaststrahl, der Längserstreckung des Meßfahrzeuges und dem Fahrdraht 1. Der Strahlengang von Laserstrahlen 4, die von einem FMCW-Laser-Radar ausgehen, treffen unter einem Winkel von nahezu 90° auf den Fahrdraht auf. Dadurch werden Einflüsse auf die Meßsignale bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit, aufgrund von Dopplereffekten, minimiert. Derartige Störeffekte wären zwar ausgleichbar, jedoch mit einem sehr hohen elektronischen Aufwand.

Claims

Patentansprüche
1. Profilmeßsystem zur Messung von Profilen langgestreckter Objekte, wobei sich das Meßsystem in Richtung der Längser- Streckung des Objektes bewegt, und folgendes aufweist:
- mindestens ein FMCW-Laser-Radar (3) zur Abtastung des zu vermessenden Profiles der Objektoberfläche mit mindestens einem Laserstrahl (4),
- einen Drehspiegel (10) , der ein Meßfenster am Objekt posi- tioniert,
- mindestens einen eindimensional auflösenden Photodetektor und
- eine Auswerteeinheit zur Berechnung von ortsaufgelösten Profilschnitten des Objektes.
2. Profilmeßsystem nach Anspruch 1, wobei der Strahlengang von Laserstrahlen (4), die von einem FMCW-Laser-Radar (3) ausgehen, unter einem Winkel von nahezu 90° auf den Fahrdraht trifft, um Einflüsse des Dopplereffektes auf die Meßsignale bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit zu minimieren.
3. Profilmeßsystem nach Anspruch 2, wobei der Strahlengang von Laserstrahlen (4) unter einem Winkel von 90°+ < 5° auf den Fahrdraht (1) auftritt.
4. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Objektiv (14) zur Nachfokussierung eines Brennflek- kes auf dem Objekt vorhanden ist, um die durch die seitliche Bewegung des Fahrdrahtes hervorgerufene Abstandsänderung aus- zugleichen.
5. Profilmeßsystem, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Photodetektor eine Photodiodenzeile mit mindestens 10 Elementen aufweist.
6. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gleichzeitig mit mehr als einem Laserstrahl (4) gemes- sen wird, wobei die Anzahl der Laserstrahlen (4) der Zahl der Elemente des Photodetektors entspricht.
7. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für mehrere gleichzeitig zu vermessende Objekte jeweils ein FMCW-Laser-Radar (3) vorhanden ist.
8. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu dem mindestens einen FMCW-Laser-Radar ein Laufzeitradar oder ein Triangulationssystem zur groben Positionsbestimmung eines oder mehrerer Objekte vorhanden ist.
9. Verfahren zur Durchführung einer Profilmessung mit einem Profilmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei - mit einem FMCW-Laser-Radar ein aufzunehmendes Profil (7,7') eines längsgestreckten Objektes mit Laserstrahlen (4) beleuchtet wird,
- das vom Objekt zurückgestreute Licht zur Ermittlung des Ab- standes des zugehörigen Ortes auf der Objektoberfläche von dem FMCW-Laser-Radar von einem darin enthaltenen Photodetektor empfangen wird,
- mittels eines Drehspiegels (10) eine Profilabtastung vorgenommen wird, und
- ortsaufgelöst Profilschnitte eines längsgestreckten Objek- tes berechnet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zur Beleuchtung des Objektes 32 parallele Einzelstrahlen vorgesehen sind, durch die ein Profil des Objektes gleichzeitig beleuchtet wird und emp- fangsseitig durch einen aus einer Zeile mit 32 Einzelelementen bestehenden Photodetektor eine parallele Auswertung geschieht.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die ungefähre Höhen- und Seitenlage eines langgestreckten Objektes relativ zum bewegten Profilmeßsystem ermittelt wird, in- dem ein Laufzeitradar oder Triangulationssystem fortwährend zur Bewegungsrichtung mißt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Stellgröße zur Nachführung eines Meßfensters mittels des
Drehspiegels (10) auf das Objekt entweder von dem Laufzeitradar oder von dem FMCW-Laser-Radar (3) oder von dem Triangulationssystem generiert wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Meßfenster elliptisch ausgebildet und ungefähr 20 mm lang ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei eine Stellgröße zum Nachführen des Brennfleckes der Laserstrahlen mittels des Fokussiersystems (14) auf das Objekt entweder von dem Laufzeitradar oder von dem FMCW-Laser-Radar generiert wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei vor- gegebene wesentliche Teilprofile eines Objektes vermessen werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14 wobei das Profil von Fahrdrähten elektrischer Bahnen vermessen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei das Profil von Gleisen vermessen wird.
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