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Die
vorliegende Erfindung betrifft Laser-Radareinrichtungen (Lidar-Systeme) und insbesondere
bistatische kohärente
Laser-Radareinrichtungen
(CLR-Einrichtungen).
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Lidar-Einrichtungen
sind weithin bekannt und sind seit vielen Jahren für verschiedene
Zwecke verwendet worden. Das Grundprinzip von Lidar ist es, einen
Laserstrahl auf ein entferntes Ziel zu richten und das zurückkommende
Signal zu erfassen. Die Modulation der Amplitude des gesendeten
Laserstrahls ermöglicht
es, eine einfache Entfernungsinformation zu ermitteln. Die Verwendung
des kohärenten
Laser-Radars (CLR) erlaubt ferner die Messung einer beliebigen Doppler-Verschiebung
in der Frequenz des zurückkommenden
Signals, wodurch Informationen über
die relative Geschwindigkeit des zu messenden Ziels erhalten werden
können.
Es sind ferner differentielle Absorptions-Lidar-Einrichtungen (DIAL)
bekannt, in denen das Laserlicht von zwei Wellenlängen zu
einem Ziel gesendet wird und die Absorptionsdifferenz der ersten
und der zweiten Wellenlänge
als Maß der
Molekülkonzentration
einer bestimmten Gasspezies verwendet wird.
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CLR-Einrichtungen
sind in der Geschwindigkeitsmessung sowohl für weiche als auch für harte
Ziele weit verbreitet. So wurde beispielsweise die CLR-Vibrationsmessung
verwendet, um die Schwingungskennwerte harter Ziele, beispielsweise
Maschinengehäusen,
zu messen. CLR wurde auch für
Doppler-Messungen der
Windgeschwindigkeit verwendet. Bei den Windgeschwindigkeitsmessungen
entstehen die zurückkommenden Signale
dadurch, dass der gesendete Laserstrahl von kleinen Partikeln (Aerosolen),
wie z.B. Staub und Wassertröpfchen,
zurückgestreut
wird. Doppler-Messungen der Windgeschwindigkeit haben sich in einem breiten
Anwendungsbereich, d.h. in der Meteorologie, der (Erfassung) der
wahren Eigengeschwindigkeit des Flugzeuges gegenüber der Luft und der Erfassung
der Nachlaufströmungswirbelschleppen
von Flugzeugen, als zweckmäßig erwiesen.
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Eine
sehr genaue Messung der Dopplerfrequenzverschiebung wird typischerweise
in CLR-Einrichtungen durch Auftreffen eines stabilen lokalen Oszillatorstrahls
auf das zurückkommende
Signal (Überlagern)
erreicht, der normalerweise vom gleichen Laser wie der gesendete
Strahl erhalten wird. Ein Beispiel für ein CLR-System, das auf einer
optischen Faser beruht, ist in Karlsson u.a., Applied Optics, Band
39, Nr. 21, 20. Juli 2000 beschrieben.
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Es
ist möglich,
die Lidar-Systeme grob in monostatische oder bistatische Systeme
einzuteilen. Die monostatischen Lidar-Systeme werden so genannt,
weil sie eine gemeinsame Sende- und Empfangsoptik aufweisen. Die
bistatischen Lidar-Systeme haben demgegenüber separate Sende- und Empfangsoptiken.
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In
einem monostatischen System wird die räumliche Auflösung durch
Fokussierung des kombinierten Sende- und Empfangsstrahls auf das
Ziel erreicht. In der Praxis ist festgestellt worden, dass die Strahlenbeugung
die monostatischen CLR-Systeme auf einen Betrieb innerhalb von einigen
hundert Metern beschränkt. Darüber hinaus
kann ein langsamer Abfall der Empfindlichkeit weg vom Fokus zu einem
schlecht definierten Sondenvolumen führen. Bei Windgeschwindigkeitsmessungen
können
vom Sondenvolumen entfernte Wolken, Rauch oder andere Objekte zur
Erzeugung störender
Reflexionen führen.
Bei monostatischen CLR-Systemen ist ferner festgestellt worden,
dass interne parasitäre
Reflexionen von der gemeinsamen Sende- und Empfangsoptik die Leistung
des Systems signifikant verschlechtern und solche Systeme für einige
Anwendungen in größerer Entfernung
(z.B. die Vibrationsmessung), bei der ein zurückkommendes Signal mit niedriger Intensität erfaßt wird,
ungeeignet machen.
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Im
Gegensatz zu den monostatischen Systemen wurde festgestellt, dass
die bistatischen Systeme für Vibrationsmessungen
in größerer Entfernung
und einige Windgeschwindigkeitsmessungen gut geeignet sind. Der
nicht-parallele Sendestrahl und der Empfangsstrahl können für eine Überschneidung
in einem bestimmten Punkt angeordnet sein, wodurch ein Sondenvolumen
exakt vorgegeben wird (beispielsweise eine Fläche im Raum oder die Oberfläche eines
harten Ziels). Obwohl die Einschränkung des Sondenvolumens bei
verteilten Zielen zu einer Verringerung der Stärke des zurückkommenden Signals führen kann,
wird doch im Vergleich zu den monostatischen Systemen das durch
störende
Reflexionen erzeugte Rauschen wesentlich reduziert.
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Um
von den bistatischen Lidar-Systemen eine optimale Leistung zu erhalten,
müssen
die Fokusse des Sende- und Empfangsstrahls am Ort, wo sich die Strahlen
schneiden, zusammentreffen, denn die Sende- und Empfangsoptiken
müssen
getrennt fokussiert und ferner unter einem Winkel (d.h. "schielend", bzw. mit Winkelfehler)
eingestellt werden, damit die Überschneidung
des fokussierten Sendestrahls und des Empfangsstrahls in der erwünschten
Entfernung gewährleistet
wird. Es ist anzumerken, dass hier der Begriff Empfangsstrahl zur
Bezeichnung des Bereichs verwendet ist, von dem das zurückgestrahlte
Licht zum Detektor gerichtet wird. Mit anderen Worten, der Empfangsstrahl
ist kein Strahl von Photonen, sondern ein Pseudo- oder virtueller Strahl,
der die Fläche
vorgibt, von dem das System Licht empfängt.
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Ein
Verfahren zur Ausrichtung einer bistatischen CLR vor der Messung
ist in WO 01/35117 beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, daß, wann
immer die Entfernung der Ausrüstung
geändert
wird, es auch erforderlich ist, die Systemausrichtung unter Verwendung
des Ausrichtungsverfahrens neu zu kalibrieren. Das Erfordernis,
jedesmal, wenn die Systementfernung sich ändert, einen Kalibrierungsschritt
vorzunehmen, verringert die Flexibilität und die Benutzerfreundlichkeit
des Lidar-Systems wesentlich.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, zumindest einige
Nachteile der oben beschriebenen bistatischen Lidar-Einrichtungen abzumildern.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist eine bistatische Laser-Radareinrichtung
angegeben, wie sie in Anspruch 1 vollständig beschrieben ist.
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Die
vorliegende Erfindung gibt somit eine bistatische Lidar-Einrichtung an, in
der das Schielen in einer vorgegebenen Art und Weise eingestellt
wird, wenn sich der Fokus des Sendestrahls und des Empfangsstrahls ändert. Dadurch
ist gewährleistet,
dass sich die Fokusse des Sendestrahls und des Empfangsstrahls im
erforderlichen Abstand, in der die Einrichtung arbeitet, überschneiden.
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Mit
anderen Worten, der Ort der Fokusposition des Sendestrahls folgt über den
operativen Abstand der Einrichtung einer ersten Achse. Die Fokusposition
des Empfangsstrahls folgt einer zweiten Achse, wenn sie sich innerhalb
des operativen Abstands der Einrichtung ändert.
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Die
vorliegende Erfindung gewährleistet,
dass die erste Achse und die zweite Achse innerhalb des operativen
Abstands der Einrichtung im wesentlichen übereinstimmen, d.h. die Fokusse
des Sendestrahls und des Empfangsstrahls fallen auf eine gemeinsame
Achse. Es ist anzumerken, dass die gemeinsame Achse linear von der
verwendeten exakten Geometrie abhängen kann oder auch nicht.
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Wie
oben beschrieben, wird die Leistung der Einrichtung optimiert, wenn
die Fokusse des Sendestrahls und des Empfangsstrahls sich im erwünschten
entfernten Ziel schneiden. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung über die
bistatischen Lidar-Systeme vom Stand der Technik besteht somit darin,
daß die
Notwendigkeit entfällt,
einen separaten Schiel-Einstellschritt vorzunehmen, wann immer sich
der Fokus des Sendestrahls und des Empfangsstrahls ändert.
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Der
Sendekanal umfaßt
eine erste optische Anordnung, die so konfiguriert ist, dass sie
den fokussierten Sendestrahl bildet und mindestens eine Linse aufweist.
Die erste optische Anordnung kann eine einzige Linse oder ein Teleskoplinsensystem
sein.
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Über ein
optisches Sendefaserkabel wird Laserstrahlung zur ersten optischen
Anordnung gesendet. Daher ist der Fokus des Sendestrahls durch Änderung
der relativen Position der ersten optischen Anordnung in Bezug auf
die Austrittsöffnung
des optischen Sendefaserkabels einstellbar.
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Die
Austrittsöffnung
der Faser ist linear in Bezug auf die erste optische Anordnung verstellbar.
Zum Beispiel könnte
das Faserkabelende (d.h. die Austrittsöffnung) auf einer Linearverstellung
angeordnet sein und, bezogen auf eine festgelegte erste optische
Anordnung (beispielsweise eine Linse), bewegt werden.
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Der
Empfangskanal umfaßt
eine zweite optische Anordnung, die so konfiguriert ist, dass sie
den fokussierten Empfangsstrahl bildet und mindestens eine Linse
aufweist. Die zweite optische Anordnung ist bevorzugt so konfiguriert,
dass sie die empfangene Strahlung in ein optisches Empfangsfaserkabel
einkoppelt.
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Der
Fokus des Empfangsstrahls ist durch Änderung der relativen Position
der zweiten optischen Anordnung unter Bezug auf die Eintrittsöffnung der
optischen Empfangsfaser einstellbar.
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Die
Eintrittsöffnung
der Faser ist linear in Bezug auf die zweite optische Anordnung
verstellbar. Das faseroptische Kabelende (d.h. die Eintrittsöffnung)
könnte
beispielsweise auf einer Linearverstellung angeordnet sein und,
bezogen auf eine festgelegte zweite optische Anordnung (z.B. eine
Linse), bewegt werden.
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Zweckmäßigerweise,
ist in dem Fall, wenn eine Einrichtung einen Empfangskanal, in dem
ein Faserende linear zur zweiten optischen Anordnung verstellbar
ist, und einen Sendekanal aufweist, in dem das Faserende linear
zur ersten optischen Anordnung verstellbar ist, die Austrittsöffnung der
Sendefaser linear längs der
optischen Achse der ersten optischen Anordnung verstellbar, und
die Eintrittsöffnung
der Empfangsfaser linear längs
einer Achse verstellbar ist, die unter einem vorgegeben Winkel zur
optischen Achse der zweiten optischen Anordnung verstellbar angeordnet
ist.
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Die
Möglichkeit,
die vorliegende Erfindung zu realisieren, indem ein Paar Linearversteller
(d.h. eine Stufe, in der der Sendestrahlfokus und eine zweite Stufe,
in der der Empfangsstrahlfokus mit einer Winkelfehlerkorrektur versehen
sind) verwendet werden, bietet einen Vorteil gegenüber den
typischen Vorrichtungen vom Stand der Technik.
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Vorteilhafterweise
wird der vorgegebene Winkel vom Arcustangens des Trennungsverhältnisses
von Sendekanal und Empfangskanal zur Brennweite der optischen Anordnung
berechnet. Eine genaue Beschreibung, wie der vorgegebene Winkel
berechnet wird, ist unten unter Bezug auf 3 beschrieben.
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Die
Einrichtung kann ferner mindestens einen zusätzlichen Empfangskanal enthalten.
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Unter
bestimmten Umständen
ist es wünschenswert,
ein Lidar-System
anzugeben, welches zwei oder mehrere Empfangskanäle aufweist. So kann zum Beispiel
bei von einer harten Reflexionsfläche oder einer lichtstreuenden
Oberfläche
(z.B. einem Fenster oder einer Wand) durchgeführten Vibrationsmessungen das Laserfleckmuster
Reflexionen hervorbringen, welche eine Intensität haben, die sich signifikant
mit dem Beobachtungswinkel ändern.
Ein einzelner Empfangskanal könnte
demnach in einem Nullbereich angeordnet sein und nur ein kleines
zurückkommendes
Signal erhalten. Durch das Vorsehen zusätzlicher Empfangskanäle wird dieses
Problem abgeschwächt,
da ein zurückkommendes
Signal durch jeden der zwei oder mehreren räumlich getrennten Empfangskanäle erfaßt wird.
Die zwei oder mehreren zurückkommenden
Signale können
kombiniert (d.h. in gewisser Weise gemittelt) werden oder das Signal
mit der höheren
Intensität
könnte
verwendet werden, um die erforderliche Information anzugeben.
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Vorteilhafterweise
gibt der mindestens eine zusätzliche
Empfangskanal mindestens einen zusätzlichen Empfangsstrahl an
und der Fokus des mindestens einen zusätzlichen Empfangsstrahls ist
so angeordnet, dass er den Fokus des Sendestrahls innerhalb des
operativen Entfernungsbereichs der Einrichtung schneidet.
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Die
Einrichtung ist bevorzugt so konfiguriert, dass sie mit einem verteilten
(weichen) Ziel zusammenwirkt. Das Ziel könnte beispielsweise ein Luftvolumen
sein, und von der Einrichtung könnten
Windgeschwindigkeitsmessungen erhalten werden.
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Alternativ
dazu könnte
die Einrichtung vorteilhafterweise so konfiguriert sein, dass sie
mit einem harten Ziel zusammenwirkt. Sie könnte beispielsweise in der
Vibrationsmessung verwendet werden. So könnten beispielsweise Vibrationen
von Maschinenanlagen überwacht
werden, um den Beginn eines Versagens zu erkennen.
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Der
Sendestrahl wird bevorzugt aus Strahlung gebildet, die eine Wellenlänge im Bereich
von 1,55 Mikrometern hat. Die Einrichtung kann aber natürlich auch
unter Verwendung von Strahlung einer beliebigen anderen Wellenlänge betrieben
werden (z.B. Infrarotstrahlung, sichtbarer Strahlung, Ultraviolettstrahlung
etc.).
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Die
Erfindung wird im Folgenden lediglich beispielhaft unter Bezug auf
die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:
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1 den Fokus und die Schieleigenschaften
eines bistatischen Lidar-Systems,
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2 eine Technik zur Fokussierung und Schieleinstellung
eines nur aus Fasern aufgebauten Lidar-Systems,
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3 die
Geometrie eines bistatischen Lidar-Systems und
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4 ein bistatisches Lidar-System gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In 1a sind
Sender 2 und Empfänger 4 einer
bistatischen Lidar-Einrichtung
gezeigt. Der Sender ist so konfiguriert, dass er einen Laserstrahl 6 sendet,
der auf ein Sondenvolumen 8 fokussiert ist. In der gleichen Weise
ist der Empfänger 4 so
konfiguriert, dass er auf dasselbe Sondenvolumen 8 fokussiert
ist. Mit anderen Worten, der sogenannte Empfangsstrahl 10 des
Empfängers
ist ebenfalls auf das Sondenvolumen 8 fokussiert. Der Empfänger 4 ist
ferner von der Z-Richtung
um einen Winkel θ weggeneigt,
so dass der Fokus des Empfangsstrahls 10 den Fokus des
Laserstrahls 6 am Sondenvolumen 8 schneidet.
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Das
System von 1 zeigt somit ein genau
ausgerichtetes bistatisches Lidar. Die Fokusse der Strahlen von
Sender und Empfänger
fallen am Sondenvolumen 8 zusammen.
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1b zeigt
den Effekt, wenn nur die Fokusse von Sender und Empfänger des
Lidar-Systems von 1a geändert werden. Es ist zu sehen,
dass das Empfangssignal nur aus dem Bereich der Überschneidung 12 erhalten
werden kann, obwohl die Entfernung zum Fokus R von Sender und Empfänger gekürzt ist.
Das reduziert die Empfindlichkeit des Systems.
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In 1c ist
der Effekt gezeigt, wenn nur der relative Winkel zwischen Sender
und Empfänger
des Systems von 1a geändert wird. Es ist zu erkennen,
dass das zurückkommende
Signal tatsächlich
aus der Region der Überschneidung 14 erhalten
wird, die sich in einer kürzeren
Entfernung als der Brennpunkt von Sender und Empfänger befindet.
Auch hierdurch wird die Empfindlichkeit des Systems reduziert.
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1 zeigt, warum sowohl der Fokus als auch
das Schielen eines bistatischen Systems sorgfältig eingestellt werden müssen, damit
sie das erforderliche Sondenvolumen vorgeben können. WO 01/35117 beschreibt
eine Technik, die entwickelt wurde, um eine präzise Ausrichtung des Sendestrahls
und des Empfangsstrahls auf ein erwünschtes Sondenvolumen zu ermöglichen.
Im Verfahren von WO 01/35117 wird das Abziehen eines Teils der Empfangsoptik
und das Richten eines Laserstrahls am Empfänger hinab verwendet, so dass
ein "reeller" Empfangsstrahl gebildet
wird, der genau zum räumlichen
Lichtmodus paßt,
in dem das Licht gestreut werden muß, damit es vom Empfänger erfaßt werden
kann. Der Empfänger
und der Sender können dann
fokussiert und ein Schielwinkel eingestellt werden, so dass sich
der "reelle" Empfangsstrahl und
der Sendestrahl schneiden und auf das erwünsche Sondenvolumen eingestellt
werden.
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In 2 ist ein typisches Verfahren vom Stand
der Technik zur Änderung
von Fokus und Schielen einer auf Fasern beruhenden bistatischen
Lidar-Einrichtung gezeigt.
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2a zeigt,
wie ein Laserlichtstrahl 20, der von einem Faserende 22 emittiert
wird, durch eine Linse 26 auf einen Punkt 24 fokussiert
werden kann. 2b zeigt, wie eine axiale Bewegung
(d.h. entlang der Z-Achse in 2) der
Faser auf die Linse zu die Entfernung, in der der Laserstrahl fokussiert
wird, erhöhen kann. 2c zeigt,
wie eine laterale Bewegung des Faserendes in Bezug auf die Linse
ebenfalls eine laterale Bewegung des Brennpunkts ergibt. Die Steuerung
einer derartigen lateralen Bewegung ermöglicht die Einführung der
erforderlichen Schielgröße. Die
erforderlichen lateralen und axialen Verstellungen können durch
getrennte manuelle (z.B. Mikrometer) oder automatisierte (z.B. motorisierte
Verstell-) Einrichtungen erfolgen.
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Wie
oben beschrieben führt
das Erfordernis, Fokus und Schielen des Systems getrennt einzustellen, um
die optimale Überlappung
des Sendestrahls und des Empfangsstrahls auf dem Ziel zu gewährleisten,
zu einem komplexeren System.
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In 3 ist
gezeigt, wie die vorliegende Erfindung, die für ein Lidar-System auf der Basis von Fasern realisiert
wurde, eine kombinierte Winkelverstellung und Fokuseinstellung in
einer einzigen Linearverstellung ermöglicht, wodurch auch eine präzise Schielkompensation
bei der Einstellung des Fokus gewährleistet wird.
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Es
wird ein bistatisches System betrachtet, in dem eine Sendelinse 40 lateral
von einer Empfangslinse 42 um einen Abstand S getrennt
ist. Die optischen Achsen der Sende- und Empfangslinsen werden beide
entlang der Z-Achse ausgerichtet. Jede Linse hat eine Brennweite
F, und ein entferntes Ziel T ist in einem Abstand R von den Linsen
angegeben.
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Ein
erstes Faserende 44 befindet sich in einem Abstand F +
Z von der Sendelinse 40 und ein zweites Faserende 46 befindet
sich in einem Abstand F + Z von der Empfangslinse 42. Um
das Schielen einzustellen, wird das zweite Faserende 46 in
einem Abstand X von der optischen Achse der Empfangslinse 42 weg
angeordnet.
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Somit
läßt sich
die Fokusbedingung des Systems unter Verwendung des Ausdrucks
beschreiben.
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Dieser
Ausdruck kann wie folgt umgeschrieben werden:
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In
der Annäherung
ist zu erkennen:
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Bei
einer axialen Bewegung von Z = 15 mm und unter der Annahme einer
Brennweite von 15 cm beträgt
die minimale Entfernung des Systems 1,5 m.
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Die
erforderliche Schielgröße als Funktion
der Entfernung ist durch den Ausdruck gegeben:
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Es
kann also gesehen werden, dass
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Für eine Entfernung
von 1,5 m (d.h., der minimalen Entfernung des Systems, wie aus Gleichung
3 oben erhalten), ist eine laterale Bewegung (X) von 8 mm erforderlich.
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Die
vorliegende Erfindung liegt daher in der Realisierung, dass sowohl
X als auch Z mit der Umkehr der Entfernung R variieren. Mit anderen
Worten ist also festgestellt worden, dass es möglich ist, Fokus und Schielen
mit einer einzigen Linearverstellung des Faserendes der Empfangsoptik
zu erzielen. Der Winkel θ, unter
dem eine Linearverstellung des Faserendes sowohl zum erwünschten
Fokus als auch zum Schielen führt,
kann wie folgt berechnet werden:
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So
wäre beispielsweise
bei S = 8 cm und F = 15 cm ein Winkel θ von etwa 28° erforderlich.
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Es
ist anzumerken, dass beim Winkel θ, der unter Verwendung der
Gleichung (6) berechnet ist, die Annahme gilt, dass die Entfernung
R wesentlich größer als
die Brennweite F der Linse ist. Die Gleichung (6) beginnt somit
zu versagen (break down), wenn die Entfernung, auf die die Strahlen
fokussiert sind, mit der Brennweite vergleichbar wird.
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Bei
Licht mit einer Wellenlänge λ und einem
Radius r an der Austrittsöffnung
wird der laterale Abstandsfehler (ΔL), der zur Einführung eines
Verlustes von 3 dB erforderlich ist, gegeben durch:
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Somit
ist die minimale Operationsentfernung des Systems (d.h., die Entfernung,
bei der der Verlust größer als
3 dB ist, angegeben durch:
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Ein
Strahl mit dem Radius 1,8 cm an der Austrittsöffnung, der eine Wellenlänge von
1,55 Mikrometern hat, würde
somit einen Winkelfehler von unter 3 dB für alle Entfernungen angeben,
die größer als
zehn Meter sind.
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Es
zeigt sich somit, dass die Ausrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
auch bei Anwendungen, wie z.B. Vibrationsmessungen, mit größeren Entfernungen
(d.h. über
etwa 20 m) nahe am Optimum bleibt. Eine gewisse Verschlechterung
der Empfindlichkeit ergibt sich jedoch bei einer kurzen Entfernung
(d.h. weniger als etwa 10 m) infolge der gesteigerten Bedeutung
höherer
Bedingungen bei der Fokusberechnung.
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Das
System wird normalerweise mit Null-Schielen am Sendestrahl realisiert,
wobei die Empfangsfaser auf einer Verstellung angeordnet ist, die
diagonal zur optischen Achse der Empfangslinse ausgerichtet ist.
Alternativ dazu können
die T- und R-Moden in entgegengesetzten Richtungen dieselbe Schielgröße haben,
die Hälfte
der vorhergehenden Version. In jedem dieser Verfahren ist die Anzahl
der Verstellungen von drei (zwei Fokusse und ein Schielwinkel) auf
zwei reduziert (ein Fokus und ein Fokus/Schielwinkel oder zwei Fokusse/Schielwinkel).
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Der
Nutzen der vorliegenden Erfindung wird gesteigert, wenn mehr als
eine Eintrittsöffnung
eingesetzt wird, zum Beispiel in einem Dual-Empfangs- oder Mehrfach-Empfangssystem.
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In 4 ist ein auf Fasern beruhendes Lidar-System
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das bistatische Lidar-System
umfaßt
einen Sendekanal 60 und einen Empfangskanal 62.
Der Sendekanal 60 hat ein erstes Faserende 64,
das auf einer ersten Linearverstellung 66 angeordnet ist.
Eine erste Linse 68 ist vorgesehen, um das aus dem Faserende 64 austretende
Licht auf ein entferntes Ziel 70 zu fokussieren. Der Empfangskanal 62 hat
ein zweites Faserende 72, das auf einer zweiten Linearverstellung 74 angeordnet
ist. Die Achse der zweiten Linearverstellung 74 ist unter
einem Winkel θ zur
optischen Achse einer zweiten Linse 76 orientiert, die
zur Sammlung des vom entfernten Ziel 70 gestreuten Lichtes
vorgesehen ist.
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4a zeigt
das Lidar-System, das konfiguriert ist, ein erstes Zielvolumen 78 abzufragen,
und 4b zeigt das Lidar-System, das konfiguriert ist,
ein zweites Zielvolumen 80 abzufragen. Der Winkel θ ist so
gewählt,
dass er die Kriterien verwendet, die in 3 oben verwendet
wurden, und zwar dergestalt, dass die Linearverstellung, die verwendet
wird, um den Fokus des Sendekanals und des Empfangskanals inhärent zu ändern, eine Änderung
des Schielens des Systems verursacht. Dadurch wird gewährleistet,
dass für
einen vorgegebenen Bereich von Zielabständen sowohl der Sendestrahl,
als auch der Empfangsstrahl fokussiert und so angeordnet werden,
dass sie sich am erforderlichen entfernten Ziel schneiden.
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Wie
oben beschrieben ist die Befähigung,
eine einzige Einstellung jedes Empfangs- und Sendekanals vorzunehmen,
um sowohl den Fokus als auch das Schielen des Systems zu ändern, sehr
vorteilhaft. Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die Reichweite
des Systems zu ändern
und die weitere Überschneidung
von Empfangsstrahl und Sendestrahl zu gewährleisten. Somit wird das Erfordernis
der Vorrichtungen vom Stand der Technik zur Kalibrierung der Fokusse
der Strahlen und der Überschneidung
bei jeder Entfernung, in der das Lidar-System verwendet werden soll, überflüssig.
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Bei
Lidar-Systemen, die nicht mit Fasern arbeiten, kann der Fokussiereffekt
durch die Bewegung einer Linse entlang der optischen Achse des Sendeteleskops
und Empfangsteleskops erzielt werden. Die Verstellung einer Linse
weg von der optischen Achse des Teleskops kann auch für die Einstellung
des Schielens des von diesem Teleskop erzeugten Strahls verwendet
werden. Ein Fachmann wird erkennen, dass die vorliegende Erfindung
auch bei Systemen verwendet werden könnte, die auf Optiken beruhen,
die im freien Raum (also nicht mit Fasern) arbeiten. Mit anderen
Worten, eine Linearverstellung einer Teleskoplinse entlang einer
Bahn um einen vorgegebenen Winkel zur optischen Achse des Teleskops
könnte
eine integrierte Schiel- und Fokuskorrektur in einer ähnlichen
Art und Weise angeben, wie sie oben für Einrichtungen beschrieben
ist, bei denen Fasern verwendet sind.
