DE19516324A1 - Meßverfahren und Anordnung zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter Objekte - Google Patents
Meßverfahren und Anordnung zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter ObjekteInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von
Lage-, Form- und Bewegungsparametern, vorrangig der
Entfernung und Geschwindigkeit, entfernter Objekte mit
segmentierten Laserstrahlen sowie Laseranordnungen zur
Erzeugung der selbigen. Die erzeugten segmentierten
Strahlen können dabei untereinander in festen
Phasenbeziehungen stehen. Erfindungsgemäß wird eine
Matrix aus Einzelstrahlen von vorzugsweise Impulslasern
als räumliche Skala verwendet und zeitlich periodisch
über das zu vermessende Objekt bzw. mit dem Objekt
mitgeführt, wobei eine zeitliche Auflösung durch
Impulsbetrieb erreicht werden kann. Die Strahlmatrix
wird passiv aus einem gegebenen Laserstrahl mit Hilfe
speziell geformter Mikrolinsenarrays als
Arraygeneratoren oder aktiv mittels phasengekoppelter
segmentierter Laser erzeugt. Letztere enthalten als
Rück- und Auskoppelelemente reflektiv-refraktive
Mikrospiegel-Arrays mit lokalen und/oder globalen
Gradienten von Reflexionsvermögen und Phase, die eine
gezielte Strahlformung gestatten. Die Scan-Bewegung
wird vorzugsweise von Impuls zu Impuls mit
akustooptischen Deflektoren realisiert.
Das vorgeschlagene Verfahren mit den zugehörigen
Anordnungen dient zur Messung der Lage, Form- und
Bewegungseigenschaften entfernter bewegter Objekte. Die
spezifische Matrixgeometrie in Verbindung mit
klassischen Scan-Techniken gestattet es, wegen der
simultanen 2D-Abtastung und durch die Matrixstruktur
gegebenen Möglichkeiten zur optischen Vorfilterung ein
verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis sowie eine höhere
Meßgeschwindigkeit zu erreichen. Durch gleichzeitige
Messung mit mehreren phasen-gekoppelten Teilstrahlen
kann ein Mehrkanal-Laserradar realisiert werden. Ferner
ist der Aufbau kohärenter Mehrkanal-Interferometer
möglich. Bei separater Codierung der Teilstrahlen der
Laserstrahlmatrix ergeben sich des weiteren Anwendungen
zur Positionsbestimmung, wobei die Detektion auch vom
bewegten Objekt aus erfolgen kann (Sektorenkennung,
Laserleuchtfeuer, Leitsysteme), sowie neuartige
Anordnungen zur mehrkanaligen Freiraum-
Signalübermittlung. Für sicherheitstechnische
Anwendungen (Objektschutz, Arbeitsschutz) lassen sich
auch segmentierte Lichtschranken oder Lichtvorhänge
realisieren, die eine Lokalisierung einer
Schutzraumverletzung, eines Objektes oder einer Person
und eine Klassifizierung oder Erkennung von Objekten
nach Größe und Form erlauben (Verkehrsflußüberwachung,
Fließbandsortierung, Füllhöhenkontrolle, Vermessung von
Fischschwärmen etc.)
Aus der Literatur bekannt sind eine Vielzahl
technischer Lösungen zur Detektion der Parameter
bewegter distanter Objekte mit Laserradar.
Publiziert
wurden unterschiedlichste Verfahren und Anordnungen zur
Messung von Entfernungen, Richtung, Geschwindigkeit,
Rotation, Form, spektralen Eigenschaften und
Raumfrequenzfilterung bis hin zur Ziel- und
Szeneerkennung, die zumeist komplizierte Komponenten
zum Scannen der Richtung (G. Born, G. Sepp, D. Siemsen,
MBB, Verfahren zur Zielerkennung, DE 05 3225474 A1,
G01S 17/88, 8.7.1982 Anm., 19.1.1984 OS) oder zum
Wobbeln des Abstrahl-Öffnungswinkels, wie z. B.
periodisches Zoomen mit Objektiv (G. Born, MBB:
Verfahren zur Störzeichen (Cluster-Unterdrückung bei
Doppler-Lidar-Geräten, DE AS 2930937 B2, G01S 17/50,
31.7.1979 Anm., 5.2.1981 OS), voraussetzen.
Bekannt ist die Ausnutzung der Laufzeit von
Lichtimpulsen für die Entfernungsbestimmung (FR-PS
1585137) sowie die Messung von Geschwindigkeiten über
die Dopplerverschiebung. Dafür sind frequenzstabile
cw-Laser als lokale Oszillatoren (LO) erforderlich,
oder man nutzt die Überlagerung eines reflektierten
Impulslasersignals mit einem LO (DE OS 2319082). Zur
Bestimmung von Entfernung und Radialgeschwindigkeit des
Objekts lassen sich vorteilhafterweise getrennte Kanäle
benutzen, wobei auch direkte Messung ohne Überlagerung
möglich ist (FR-PS 2081184).
Anordnungen zur Erzeugung von Strahlarrays mit passiven
oder aktiven optischen Systemen als solche entsprechen
ebenfalls weitgehend dem Stand der Technik. Bekannt ist
beispielsweise die Anregung matrixförmiger Supermoden
in einem Festkörperlaser mit Hilfe eines absorbierenden
Lochblenden-Arrays im Resonatorinneren (S. De
Silvestri, V. Magni, O. Svelto: "Modes of resonators
with mirror reflectivity modulated by absorbing masks",
Appl Opt. Vol. 28, 3684-3690, 1989) sowie eine
verbesserte Anordnung, bei zur Vermeidung der
Absorptionsverluste Mikro-Spiegel-Arrays anstelle der
Lochmaske verwendet werden (R. Grunwald, U. Griebner,
D. Schäfer: "Graded reflectivity micro-mirror arrays",
16th Congr. of the Int. Commission for Optics, Budapest
1993, poster WIP 1.21, in: SPIE Proc. Band 1.983, pp.
49-50, 1993; R. Grunwald, U. Griebner: Segmented
solid-state laser resonators with graded reflectance
micro-mirror arrays. - Pure Appl. Opt. 3 (1994), 435-
440). Arrays mit einhüllenden Reflexionsfunktionen
wurden in Talbot-Resonatoren zur Strahlformung benutzt
(R. Grunwald, U. Griebner, R. Koch: "Phase-coupled
multiple-beam solid-state laser with Talbot-resonator",
- CLEO ′94, Anaheim, USA, May 8-13, 1994, paper CFE2,
Technical Digest, 410). Mehrfach-selbstabbildende
Resonatoren wurden für Mehrwellenlängen-Anwendungen
entwickelt (R. Grunwald, U. Griebner, R. Ehlert:
Microlens arrays for segmented laser architectures. -
Photonics West ′95, San Jose, Feb. 2-10, 1995). Bekannt
ist weder die Kombination selbstabbildender
segmentierter Impulslaser mit steuerbaren
Strahlführungssystemen und räumlich selektiver
Detektionselektronik noch das Verfahren der kohärenten
Mehrkanal-Homodyne-Messung mit entsprechenden
phasensynchronen Matrixlasern.
Nachteilig bei bisher bekannten Anordnungen und
Verfahren ist, daß für sequentielle Abtastung
entfernter Objekte extrem schnelle Scan-Techniken
benötigt werden, insbesondere wenn sich Lage und Form
der Objekte mit großer Geschwindigkeit verändern. Dabei
können sichere Aussagen über Größe und Form der Objekte
(Erkennung) erst nach hinreichend vielen
Abtastschritten geliefert werden. Die Erzeugung von
Matrizen phasenkohärenter Laserstrahlen mit
konventionellen Techniken stellt ferner enorme
Anforderungen an die Qualität der verwendeten optischen
Komponenten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe
einer Matrix phasengekoppelter Laserstrahlen hoher
Strahlqualität eine verbesserte, räumlich und zeitlich
hochaufgelöste, möglichst rauscharme, schnelle Messung
von Lage-, Form- und Bewegungsparametern entfernter
Objekte zu erreichen und Meßverfahren und Anordnungen
anzugeben, welche es gestatten, bei möglichst kompakter
Bauweise, d. h. mit möglichst wenig externen optischen
Komponenten, matrixförmige Laserstrahlen auf einer oder
mehreren Wellenlängen mit untereinander festen
Phasenbeziehungen zu erzeugen, die sich zur simultanen
Abtastung ausgedehnter distanter Objekte eignen und
deren Teil strahlen sich mit geeigneten Mitteln
hinsichtlich ihrer Amplitude steuern oder vorprägen
lassen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale im
kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 11 gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
enthalten. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß
entweder matrixförmige kohärente Laserstrahlen mit
Hilfe selbstabbildender oder mehrfach-selbstabbildender
Laserresonatoren oder mit externen mikrooptischen
Arraykomponenten (Mikrolinsen-Arrays) generiert, mit
oder ohne zusätzliche Optiken (z. B. Teleskope) in
Richtung der zu vermessenden Objekte abgestrahlt sowie
die reflektierte oder gestreute Strahlung direkt oder
nach Mischung mit der erzeugenden Laserstrahlung oder
mit einem lokalen Oszillator detektiert und die
entstehenden Signale hinsichtlich des zeitlichen
Verlaufs von Amplitude und Frequenz analysiert werden.
Die Matrixstrahlen bilden dabei infolge ihrer regelmä
ßigen Anordnung (z. B. Büschel mit hexagonalem Quer
schnitt) eine Winkelskala im Raum. Informationen über
Objekteigenschaften ergeben sich aus der Laufzeit
(Entfernungen), Frequenzverschiebungen
(Geschwindigkeiten) Vorzeichen der Frequenzverschie
bungen (Richtungen der Geschwindigkeitsvektoren). Diese
Informationen können zusätzlich mit dem jeweiligen Ka
nal gekoppelt sein, wenn einzelne Teilstrahlen bezüg
lich Phase und Amplitude unterschiedlich codiert wer
den, was z. B. mit Hilfe von räumlichen Lichtmodulatoren
erreicht wird.
Mittels akustooptischer oder anderweitiger Ablenkein
heiten kann der Matrixstrahl über das Objekt geführt
werden, wenn die Objektbewegung langsam erfolgt oder
sich das Objekt in Ruhe befindet. Somit ist es möglich,
simultan eine Matrix von Meßpunkten abzutasten und
gegenüber herkömmlichen Verfahren in gleichen
Zeitintervallen wesentlich mehr Informationen über
entfernte Objekte aufzunehmen bzw. mehrkanalig zu
übermitteln.
Die Eigenschaften der Laserstrahlmatrix von Lasern mit
selbstabbildenden oder mehrfach-selbstabbildenden
Resonatoren lassen sich mit Hilfe spezieller
mikrooptischer Arraykomponenten beeinflussen. Solche
Komponenten weisen lokale oder globale Phasen- und/oder
Reflexionsverläufe, vorrangig in Form von Gauß- oder
Super-Gauß-Profilen, auf. Aufgrund der regelmäßigen
Strahlmatrix kann das Signal-Rausch-Verhältnis durch
angepaßte optische Vorfilterung (z. B. mit
holografischen Filtern) zusätzlich verbessert werden.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer
Anordnung zur Messung der Entfernung eines
Objektes bekannter Größe.
Fig. 2 die schematische Darstellung einer
Anordnung zur Realisierung eines
Lichtvorhanges
Fig. 3 die schematische Darstellung einer Laser-
Radar-Anordnung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäß
ausgebildete einfache Anordnung zur Messung der
Entfernung eines Objektes bekannter Größe. Als Quelle
dient hierbei ein blitzlampengepumpter Impuls-
Festkörperlaser mit einem Nd:Glas-Stab (NG) von 9 cm
Länge und 3 mm Durchmesser als aktivem Medium, einem
hochreflektieren Spiegel (M) und einem Mikro-
Gradientenspiegel-Array (GM). M und GM befinden sich in
einer Entfernung, die dem Vielfachen einer Talbot-
Distanz entspricht, und bilden somit einen
selbstabbildenden Resonator. Emittiert wird ein
matrixförmiger Strahl (MB), der aus etwa 200
Teilstrahlen mit nahezu beugungsbegrenzter Divergenz
zusammengesetzt ist. Die Divergenz der Teilstrahlen ist
etwa um einen Faktor 10 geringer als die Divergenz der
Einhüllenden der Matrix.
Wegen der bekannten Objektgröße genügt es, die Zahl der
vom entfernten Objekt (DO) reflektierten Teilstrahlen
zu bestimmen. Zu diesem Zweck wird das Objekt DO
mittels eines Objektivs (O) über ein Spektralfilter (F)
auf eine Kamera (CCD) abgebildet. Mit einem
Bildverarbeitungssystem (PRS) wird die Zahl der
spektral relevanten Reflexionen in ausgezeichneten
Richtungen (vertikal, horizontal) bestimmt und per
Computer (COM) die Objektentfernung ermittelt. Die
räumliche Auflösung des Verfahrens ist durch den
Winkelabstand benachbarter Teilstrahlen gegeben und
verhält sich umgekehrt proportional zur Entfernung. Die
Selektion der Meßpunkte gegenüber Hintergrundstreuung
wird durch Größenanalyse der Reflexe erreicht. Die
beschriebene Anordnung kann zur u. a. auch Überwachung
der Position von Maschinen und Anlagen, zur
Füllstandsmessung, zur Beladungskontrolle und zur
Flughöhenmessung von Flugkörpern eingesetzt werden.
Das zweite Ausführungsbeispiel beschreibt als eine
weitere erfindungsgemäße Meßanordnung einen in Fig. 2
dargestellten einfachen Lichtvorhang. Hierbei werden
zwei matrixförmige Laserstrahlen mit Anordnungen wie in
Ausführungsbeispiel 1 beschrieben erzeugt (MB1, MB2).
Die Meßstrecke ist hierbei als mehrkanalige
Lichtschranke ausgeführt, wobei jedem Kanal ein
Detektor zugeordnet ist (D1. . .D4). Die Auswertung
erfolgt mit Mikrocontrollern (MC). Die
Datenübermittelung zwischen einzelnen Parts der
Anordnung erfolgt mittels optischer oder
kabelgebundener Datenübertragungsstrecken (DT). Durch
Bestimmung der Zahl und Lage der unterbrochenen Kanäle
kann zwischen verschiedenen Objektklassen unterschieden
werden (Menschen, Maschinen, Tiere, Nebel). Damit kann
ein Sicherheitssystem aufgebaut werden, daß
beispielsweise die Abschaltung von Anlagen in
gefährlichen Bereichen (Hochspannung, Gleisanlagen)
steuert oder bei unbefugtem Betreten von Arealen Alarm
auslöst.
Das dritte, in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel
beinhaltet eine Laser-Radar-Anordnung zur Bestimmung
von Entfernung, Form, Richtung und Geschwindigkeit
bewegter Objekte.
Hierbei wird ein matrixförmiger kohärenter Laserstrahl
(MB) mit einer Anordnung analog der in
Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen erzeugt und die vom
Meßobjekt (DO) der Ausdehnung G reflektierten
Lichtsignale elektronisch detektiert (CCD). Die
Entfernung d wird aus der Laufzeit der Impulsflanken
ermittelt. Informationen über die Form ergeben sich aus
der reflektierten Matrix, sofern genügend viele
Teilstrahlen auf das Objekt treffen. Richtung und
Geschwindigkeit werden aus der vorzeichenbehafteten
Dopplerverschiebung der Laserfrequenz bestimmt.
Zunächst werden mit einem Strahlteiler das vom Objekt
in den relevanten Raumwinkel reflektierte Lichtsignal
auf einen schnellen Detektor (D1) sowie das Sender-
Signal auf einen Referenzdetektor (RD) gelenkt und in
einer elektronischen Auswerteschaltung (AE1)
miteinander verglichen sowie aus der Zeitdifferenz der
Flanken die Impulslaufzeit bestimmt. Der reflektierte
Laserstrahl wird mit einem Teleskop (T) erfaßt, nach
Teilung an einem zweiten Strahlteiler (BS) mit sich
selbst (wie im Bild dargestellt) oder einem lokalen
Oszillator (LO) stabiler Frequenz überlagert und die
entstehende Schwebung mit einem schnellen Detektor (D2)
gemessen und mit einer zweiten Auswerteschaltung (AE2)
analysiert. Mit einer Scan-Vorrichtung (SCAN) kann der
Strahl von Impuls zu Impuls dem Objekt nachgeführt
werden und/oder während des Impulses über das Objekt
bewegt werden. Die Verarbeitung und Kalibrierung
sämtlicher Signale sowie Datenformatierung und -ausgabe
erfolgt in einem Zentralcomputer (CCOM).
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen
Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es
möglich, durch Kombination der Merkmale weitere
Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
Claims (13)
1. Verfahren zur Messung der Lage-, Form- und
Bewegungsparameter entfernter Objekte,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein matrixförmiger Laserstrahl einer
Wellenlänge oder mehrere matrixförmige Laserstrahlen
mehrerer Wellenlängen als räumliche Skala oder
Skalen dienen, wobei die räumliche und zeitliche
Struktur der von den Objekten reflektierten bzw.
gestreuten Strahlung oder deren Interferenz mit der
vom Meßobjekt unbeeinflußten Strahlung oder mit
einem lokalen Laseroszillator analysiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilstrahlen des matrixförmigen
Laserstrahls bzw. der Laserstrahlen hochgradig
phasengekoppelt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserquelle der das Objekt abtastenden
Strahlmatrix bzw. -matrizen und der lokale
Laseroszillator identisch sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß empfängerseitig eine der Matrixgeometrie des
Strahls angepaßte Raumfrequenzfilterung mit
vorzugsweise holografischen Filtern erfolgt.
5. Laseranordnung zur Realisierung des Verfahrens nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Matrixstrahl mittels eines außerhalb eines
Laserresonators plazierten Mikrolinsenarrays
erzeugt wird.
6. Laseranordnung zur Realisierung des Verfahrens nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Matrixstrahl mittels eines
selbstabbildenden oder mehrfach selbstabbildenden
Laserresonators erzeugt wird und die Teilstrahlen
untereinander feste Phasenbeziehungen aufweisen.
7. Laseranordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gesamte Matrixstrahl oder mehrere
Matrixstrahlen zugleich oder voneinander unabhängig
mit Hilfe von Scan-Einrichtungen, vorzugsweise
optoakustischen Deflektoren, periodisch ausgelenkt
oder dem Objekt nachgeführt werden.
8. Laseranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Komponenten der selbstabbildenden oder
mehrfach selbstabbildenden Resonatoren refraktiv
reflektive mikrooptische Komponenten mit oder ohne
lokale und globale Gradienten von Phase und/oder
Reflexionsvermögen verwendet werden.
9. Laseranordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Laser ein Impulslaser verwendet wird,
wodurch eine stroboskopische Messung erfolgt.
10. Laseranordnung nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß mit einem mehrfach selbstabbildenden Resonator
in sich phasenkohärente Matrixstrahlen simultan auf
mehreren unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt
werden.
11. Vorrichtung zur Erzeugung eines steuerbaren
matrixförmigen Lichtstrahls,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laser, vorzugsweise ein diodengepumpter
Festkörperlaser, mit selbstabbildender oder
mehrfach- selbstabbildender Resonatorstruktur eine
oder mehrere matrixförmige Schaltelemente im
Resonator oder außerhalb des Resonators enthält,
welche zur Modulation von Amplitudenverteilung,
Phasenverteilung, Polarisation und/oder
Spektralverteilung der Teilstrahlen oder der
gesamten Strahlmatrix dienen.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Schaltelemente räumliche Lichtmodulatoren
(Spatial light modulators) in Transmission oder in
Reflexion verwendet werden.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spektralverteilung der Teilstrahlen mittels
spektral selektiver Filter, vorzugsweise
steuerbarer holografischer Elemente oder
durchstimmbarer Mikro-Fabry-Perot-Etalons, separat
codierbar sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19516324A DE19516324A1 (de) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Meßverfahren und Anordnung zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter Objekte |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19516324A DE19516324A1 (de) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Meßverfahren und Anordnung zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter Objekte |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19516324A1 true DE19516324A1 (de) | 1996-10-31 |
Family
ID=7761033
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19516324A Withdrawn DE19516324A1 (de) | 1995-04-24 | 1995-04-24 | Meßverfahren und Anordnung zur Messung der Lage-, Form- und Bewegungsparameter entfernter Objekte |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19516324A1 (de) |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |