DE2813089C2 - Empfangsvorrichtung für aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen kommende rückgestreute Signale - Google Patents

Empfangsvorrichtung für aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen kommende rückgestreute Signale

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DE2813089C2
DE2813089C2 DE2813089A DE2813089A DE2813089C2 DE 2813089 C2 DE2813089 C2 DE 2813089C2 DE 2813089 A DE2813089 A DE 2813089A DE 2813089 A DE2813089 A DE 2813089A DE 2813089 C2 DE2813089 C2 DE 2813089C2
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Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere die in die Atmosphaere ausgesendeten und rueckgestreuten Lidar-Signale. Ein typisches Verfahren, das auf der Messung gestreuter Signale beruht, ist die Fernmessung atmosphaerischer Schadgase nach dem Lidar-Prinzip. Die Groesse des Lidar-Signals haengt ausser von der Konzentration auch noch von der Entfernung zwischen Empfaenger und Steuerort ab. Aufgabe der Erfindung ist es, die Abhaengigkeit der Signalgroesse vom Abstand zu verringern (die Signaldynamik zu komprimieren). Dazu werden mehrere Varianten einer rein geometrischen Methode angegeben. Fuer den Fall, dass sich hinter dem zu ueberwachenden Luftraum ein topographischer Reflektor (z.B. Baum, Haus, Berg) befindet, wuerde neben dem Rueckstreusignal aus der Luft ein durch direkte Reflexion am topographischen Reflektor wesentlich staerkeres Lichtsignal entstehen. Eine Signalkompression kann dadurch erreicht werden, dass ein "mehrfach zusammenhaengender" Detektor, beispielsweise ein Kreisring, in oder ausserhalb der Brennebene auf oder neben der optischen Achse verwendet wird. Diese Variante ist gestaltet bei geeigneter Dimensionierung das Signal des topographischen Reflektors vollstaendig zu unterdruecken, aus kleinerer Entfernung zurueckgestreutes Licht aber praktisch ungeschwaecht nachzuweisen. ...U.S.W

Description

entspricht, wobei
R erwün^irte Kompressionsreichweite, d.h. der Nahbereich des Empfängers, in dem die Dynamik der rückgestreuten Signale komprimiert werden soll,
D der Sendestrahldurchmesser in der Entfernung Λ und
f die Brennweite der Empfangsoptik sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch" 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Mittelpunkt der wirksamen Detektor-Empfangsfläche auf der optischen Achse (5) im Brennpunkt für die Strahlen befindet, die parallel zur optischen Achse einfüllen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame DeteJ :or-Empfangsfläche in der Brennebene außerhalb der optischen Achse (5) liegt
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Empfangsfläche außerhalb der Brennebene angeordnet ist
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch wahlweise verwendbare Scheibenblenden (8) zum Abdecken des Mittelteils der Detektor-Empfangsfläche zur Unterdrückung von unerwünschten Reflexionssignalen topographischer Reflektoren.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (8) eine sich stetig radial ändernde Durchlässigkeit haben.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnungen sternförmig so befandet sind.
Die Erfindung betrifft eine Empfangsvorrichtung, bei der aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen kommende rückgestreute Signale, insbesondere in die Atmosphäre ausgesendete und rückgestreute Lidar-Signale, auf eine in- ihrer Größe durch eine Blende begrenzte Detektor-Empfangsfläehe treffen. μ
Die Messung und Ausnutzung von Signalen, die durch den physikalischen Vorgang der Streuung entstehen, nimmt in der technischen Welt einen immer breiteren Raum ein. Dabei können die Art der gestreuten Signale, die streuenden Objekte und der Zweck der Messung ganz unterschiedlich sein. Als Beispiel für die Art der Signale seien hier nur Radiowellen, Licht und Schall oder Ultraschall genannt; streuende Objekte können z.B. Flugzeuge, Abgaswolken, Grenzschichten zwischen Boden und Wasser oder Materialfehler in Werkstücken sein; der Zweck der Messung ist oft in Verknüpfung mit der Kurzbeschreibung des Meßverfahrens (Radar, Lidar, Echolot, Sonar) allgemein bekannt
Gemeinsames Merkmal dieser Meßverfahren ist, daß im allgemeinen zwei Arten Information über das streuende Objekt gewonnen wird: Auf die Entfernung des streuenden Objekts kann aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Zeit, die das Signal von seiner Entstehung bis zu seinem Nachweis benötigt, geschlossen werden; über die Eigenschaften des streuenden Objekts geben vielfach die Größe des gestreuten Signals und unter Umständen ihr zeitlicher Verlauf Auskunft
Ein typisches Verfahren, das auf der Messung gestreuter Signale beruht ist die Fernmessung atmosphärischer Schadgase nach dem Lidar-Prinzip. Meist wird hierbei ein kurzer Lichtimpuls ausgesandt und der zeitliche Verlauf des rückgestreuten Lichtes gemessen. Aus dier Wellenlänge des Lichtes kann auf die Art des Schadgases geschlossen werden, die Zeitdauer zwischen ausgesandtem und empfangenem Signal ergibt über die Lichtgeschwindigkeit die Entfernung zum Streuort (d. h. zur Schadgaswolke), -und die Größe des Signals liefert die Konzentration des Gases am Streuort
Die Größe des Lidar-Signais hängt nun außer von der Konzentration auch noch von der Entfernung R zwischen Empfänger und Streuort ab. Wie aus der sogenannten Lidar-Gleichung folgt ist das Signal vom Streuort R bei sonst gleichen Bedingungen proportional zu MR2, weil die Empfangsoptik eines Lidar-Systems mit der Empfangsfläche A Streulicht aus der Entfernung R mit dem Raumwinkel A/R2 sammelt Bei Streuorten in einer Entfernung zwischen z.B. 100m und 10km bedeutet das eine Abschwächung des Lidar-Signals von 1:10 000, wobei Absorptions- und Sw e^Verluste in der Atmosphäre noch nicht berücksichtigt sind. Diese große sogenannte Dynamik des Lidar-Signals (im vorliegenden Beispiel 10 000) ist für die weitere Signalverarbeitung ungeeignet Deshalb verwendet man verschiedene Methoden, diese starke Abhängigkeit der Signalgröße vom Abstand zu verringern oder, anders ausgedrückt die Signaldynamik zu komprimieren. Diese bekannten Methoden sind folgende:
1. Logarithmische Verstärker:
Die empfangenen Signale werden einem Verstärker zugeführt, dessen Ausgangssignal nicht dem Eingangssignal, sondern nur dessen Logarithmus proportional ist.
Logarithmische Verstärker mit der erforderlichen hohen Bandbreite und dem eingangsseitig geforderten großen Dynamik-Bereich zeigen aber erhebliche Abweichungen von der idealen logarithmischen Verstärkungskennlinie, die ihre Anwendbarkeit auf die quantitiative Auswertung der Signalgrößen stark einschränken.
2. Änderung des Verstärkungsfaktors von Photomultipliern:
In Lidar-Systemen mit einem Photomultiplier als Lichtdetektor kann die Verstärkung des Photomultipliers durch Modulation der Hochspannung während des Meßvorgangs variiert werden. Photomultiplier sind aber nur für den Spektralbereich zwischen 150 und 1000 nm geeignet. Da zudem die Verstärkung von PhotomultiDliern in weiten
Bereichen exponentiell mit der Hochspannung zunimmt und nur zeitlich lineare Spahnungserhöhungen (sog. Sägezahn-Spannungen) mit einfachen § Mitteln ausreichend genau zu erzeugen sind, kann
|| mit derartigen Anordnungen die - 1//P-Abhängig-
js keit nicht kompensiert werden. Auch die aufwendi-
'§ ge Erzeugung anderer Spannungsformen als
einfacher Sägezahnspannungen führt nicht zum
II Ziel, weil Photomultplier in ihrer Verstärkung zu
'{$ sehr von unkontrollierbaren Parametern sowie von
|; der eigenen Vorgeschichte abhängen.
% 3. Änderung des Verstärkungsfaktors von Linearvers| stärkern:
|] Bei diesem Verfahren wird eine Signalkompression
% durch mehrfaches schnelles Umschalten der Ver-
;| Stärkung während der Messung erreicht Dabei
g| ergeben sich aber während des Schaltens der
f| Verstärkung und der Transienten nach den
|| eigentlichen Schaltvorgängen Zeitbereiche, die
ff keine verwertbaren Informationen liefern. Dieser
Ψ§ Informationsveriust schränkt die Brauchbarkeit des
(■% Verfahrens ein.
SlJ 4. Nicht-kollineare Anordnung von Sender und P Empfänger:
fc Durch Nebeneinanderstellen von Sende- und
iß Empfangsoptik wird erreicht, daß sich der vom
Sendestrahl erfaßte Bereich und das Blickfeld des Empfängers erst in einiger Entfernung voll überlappen. Dies führt nicht nur für den Nahbereich, sondern auch für größere Entfernungen zu einem Verlust an Empfindlichkeit und schränkt damit den nutzbaren Meßbereich unnötig ein.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kompression der Signaldynamik vermeidet die vorstehenden Nachteile durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.
Die Erfindung beruht auf einer Kompression der Signaldynamik mit rein geometrischen Methoden. An dem folgenden Beispiel aus der Optik läßt sich das Prinzip der Erfindung am leichtesten anschaulich verständlich machen:
Ein streng paralleles Lichtbündel wird durch eine ideale Sammeloptik (Linse, Spiegel) in einem Punkt zusammengeführt, dem sog. Brennpunkt Die Linie parallel aim einfallenden Licht und durch den Brennpunkt nennen wir die optische Achse, die Ebene senkrecht zur optischen Achse und durch den Brennpunkt die Brennebene. Das parallel einfallende Lichtbündel läßt sich als Licht von einem unendlich weit entfernten Objekt auffassen. Im Gegensatz dazu ist Licht von einem in endlicher Entfernung befindlichen Gegenstand nicht genau parallel und wird in der Brennebene nicht als Punkt abgebildet; vielmehr entsteht dort eine flächenhafte Verteilung der Lichtintensität, die desto ausgedehnter ist, je mehr sich die Lichtquelle dem optischen System nähert. Bringt man in die Brennebene einen kleinen Detektor, so registriert dieser nur solches Licht vollständig, das von sehr weit entfernten Quellen ausgeht, Licht von näheren Quellen dagegen nur zum Teil.
Das angeführte Beispiel, das eine einfache Anwendung an sich bekannter Prinzipien der Physik darstellt, ist von direkter Bedeutung für die Nutzung der vorliegenden Erfindung beim sog. Lidar, bei dem die interessierende Strahlung aus verschiedenen Entfernungen zurückgestreutes LL.ht ist (das aber nicht notwendig im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen muß). Zur
Verdeutlichung des oben Gesagten sei am Beispiel des Lidar noch einmal1 ausgeführt, daß bei geeigneter Wahl von optischem System und Detektor erreicht werdea kann, daß
1. Rückstreulicht aus geringer Entfernung (sog. Nahbereich) nur zu einem kleinen, sich mit der Entfernung in der Weise ändernden Brüchteil auf den Detektor fällt, so daß das" vom Detektor aus diesem Bereich registrierte Signal praktisch konstant (d. h. von der Entfernung unabhängig) ist;
Rückstreulicht aus mittlerer Entfernung (sog. Obergangsbereich) mit gezielt reduziertem Anteil auf den Detektor fällt, so daß das registrierte Signal schwächer als proportional l/R2 abfällt;
3. Rückstreulicht aus großer Entfernung (sog. Fernbereich) praktisch vollständig auf den Detektor fällt, so daß das registrierte Signal hier proportional 1/Ä2 abfällt
Eine bevorzugte Ausführungsfon« der Erfindung für ihre Anwendung auf das oben zitierte Beispiel des Lidar ist die folgende:
1. Der Lichtdetektor wird in der bildseitigen Brennebene der Empfangsoptik angeordnet, und zwar so, daß sich der Mittelpunkt der Detektor-Empfangsfläche auf der optischen Achse im Brennpunkt für die Strahlen befindet, die parallel zur optischen Achse einfallen.
2. Die wirksame Empfangsfläche des Lichtdetektors wird mit einer vorzugsweise kreisförmigen Blende direkt vor der lichtempfindlichen Schicht auf die Signalkompressionsfläche At reduziert Wenn Detektorfläche und Signalkompressionsfläche gleich groß sind, kann die Blende entfallen.
3. Die Signalkompressionsfläche At ergibt sich aus dem minimal entfernten Streuort Rm„ für den das gesamte von der Empfangsoptik gesammelte Rückstreulicht auf die wirksame Empfangsfläche des Lichtdetektors fallen soll.
Wenn der Sendestrahl in der Entfernung Rm-,„ den Durchmesser D(Rmi„) hat, so hat die Signa)kompressionsfläche Ak den Durchmesser
dt = D(Rmi„) ■ f/Rmm,
wobei /die Brennweite der Empfangsoptik ist
Diese Ausführungsform gestattet auch, durch Wahl eines Detektors derselben Größe, d.h. mit einem Durchmesser ^d*, also etwa durch Offnen oder Schließen einer Irisblende, die Grenzen zwischen Nah-, Übergangs- und Fernbereich wechselnden Erfordernissen anzupassen. So wird im Falle einer Lidar-Messung bei diesigem Wetter, bei dem die Reichweite durch die Sichtweite beschränkt ist, R,mn vergleichsweise kurz, die Blendenöffnung dt also relativ groß gewählt werden; hierdurch erhält man für den Nahbereich ein größeres Signal mit entsprechend verbesserter Meßgenauigkeit
ω bzw. verkürzter Meßzeit. Umgekehrt wird man bei klarem Wetter die maximale durch das Meßsystem erreichbare Reichweite anstreben, Äm/n a'so groß und dt klein wählen.
Varianten der Signalkompression sind mit etwas veränderten Anordnungen möglich, von denen eine z. B. folgendes leistet:
1. Für kleine und mittlere Entfernungen des Rück-
streuorts ergibt sich eine Signalkompression analog zur oben angeführten.
2. Für größere Entfernungen nimmt das Lidar-Signal noch stärker als mit 1IR2 ab.
Eine solche Signalkompression ist erwünscht, wenn sich hinter dem zu überwachenden Luftraum ein topographischer Reflektor (z. B. Baum, Haus, Berg) befindet, so daß neben dem Rückstreusignal aus der Luft ein durch direkte Reflexion am topographischen Reflektor wesentlich stärkeres Lichtsignal entstehen würde. Diese Variante der Signalkompression kann auf mehrere Arten erreicht werden, etwa dadurch, daß
1. der (kreisförmige, rechteckige oder sonstwie »einfach zusammenhängende«) Lichtdetektor auf die optische Achse vor oder hinter die Brennebene verschoben wird,
2. der (»einfach zusammenhängende«) Detektor außerhalb der optischen Achse vor, in oder hinter der Brennebene positioniert wird, oder
3. ein »mehrfach zusammenhängender« Detektor, beispielsweise ein Kreisring, in oder außerhalb der Brennebene auf oder neben der optischen Achse verwendet wird.
Besonders diese letzte Variante gestattet bei geeigneter Dimensionierung, das Signal des topographischen Refektors vollständig zu unterdrücken, aus kleinerer Entfernung zurückgestreutes Licht aber praktisch ungeschwächt nachzuweisen.
Schließlich soll als letztes Beispiel eine Variante der Erfindung genannt werden, die außer der MR1-Abhängigkeit auch die durch Extinktion bedingte zusätzliche Abhängigkeit des Rückstreusignals von der Entfernung zu kompensieren gestattet, die (bei homogener Atmosphäre) proportional zu e —2«/c ist; hierbei ist σ. der Extinktionskoeffizient und R wieder der Abstand. Eine solche Kompensation wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Empfindlichkeit des Detektors von innen nach außen geringer wird. Dies kann durch »graue«) Blenden, deren Transparenz von innen nach außen abnimmt, oder durch undurchlässige Blenden, die in der Mitte eine sternförmige öffnung freilassen, geschehen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, mit dem es gelingt, die Signaldynamik eines Lidarsignals zu komprimieren, wobei als Sender ein Deuteriumfluoridlaser verwendet wird. Das Prinzip der Anordnung zeigt Fig. 1.
Die Strahlung Saus dem Laser 1 wird, erforderlichenfalls mit der Optik 2 geeignet aufgeweitet und durch zwei Spiegel 3, 4 in die optische Achse 5 des Hauptspiegels 6 umgelenkt und zum Streuort, beispielsweise in ein vermutetes Schadgas-Volumen ausgesendet. Die vom Streuort zurückkehrende Strahlung Ewird vom Hauptspiegel 6 gesammelt und nach Umlenkung durch den Spiegel 7 dem von der Blende 8 geeignet abgeschatteten Detektor 9 zugeführt.
In F i g. 2 ist die Bestrahlungsstärke in der Brennebene für Streuung in der Entfernung 100 m, 1 km und iOkm wiedergegeben. Die diesen Ergebnissen zugrundeliegenden Daten sind eine Ausgangsleistung von 50 kW bei einer Wellenlänge von 3,5 bis 4,1 μιη und eine Pulsdauer von 500 ns, ein Sendestrahl-Durchmesser von 38 mm mit einer Strahldivergenz (voller Winkel bei 50% der Leistung) von 1 mrad, der auf 150 mm aufgeweitet wird, ein Hauptspiegeldurchmesser von 600 mm und eine Brennweite von 3000 mm. Man erkennt aus Fig.2, daß z.B. das aus 100m zurückgestreute Licht bei einem wirksamen Detektorradius von 0,5 mm zum überwiegenden Teil nicht auf die wirksame Detektorfläche trifft, während Rückstreulicht aus 10 km Entfernung fast vollständig auf den Detektor fällt.
In Fig.3 ist die geometrische Kompression für verschiedene wirksame Detektorflächen dargestellt. Man erkennt, daß sich bei einem Detektorradius von 0,8 mm der Übergangsbereich von etwa t km bis 2 km, bei 0,4 mm Detektorradius von etwa 2 km bis 4 km erstreckt Für geringere Entfernungen hängt das Signal nicht mehr vom Abstand ab, für größere Entfernungen bleibt die 1 /Ä2-Abhängigkeit der Lidargleichung erhalten. Zum Vergleich ist auch das Lidar-Signal gezeichnet, das sich ohne Signalkompression gemäß der Lidar-Gleichung ergeben würde.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Empfangsvorrichtung, bei der aus unterschiedlichen Entfernungsbereichen kommende rückgestreute Signale, insbesondere in die Atmosphäre ausge- s sendete und rückgestreute LJdar-Signale, auf eine in ihrer Größe durch eine Blende (8) begrenzte Detektor-Empfangsfläche treffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der wirksamen Detektor-Empfangsfläche in Abhängigkeit von einem erwünschten Empfangsbereich mit im wesentlichen konstanter Signalstärke so einstellbar ist, daß der Durchmesser der Detektor-Empfangsfläche im wesentlichen der Formel:
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