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DE3144805C2 - Process for measuring relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle - Google Patents

Process for measuring relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle

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Publication number
DE3144805C2
DE3144805C2 DE19813144805 DE3144805A DE3144805C2 DE 3144805 C2 DE3144805 C2 DE 3144805C2 DE 19813144805 DE19813144805 DE 19813144805 DE 3144805 A DE3144805 A DE 3144805A DE 3144805 C2 DE3144805 C2 DE 3144805C2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
laser
frequency
radiation
relative movements
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
DE19813144805
Other languages
German (de)
Other versions
DE3144805A1 (en
Inventor
Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann
Ernst Dipl.-Phys. Dr. 8175 Greiling Lill
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Messerschmitt Bolkow Blohm AG filed Critical Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Priority to DE19813144805 priority Critical patent/DE3144805C2/en
Publication of DE3144805A1 publication Critical patent/DE3144805A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE3144805C2 publication Critical patent/DE3144805C2/en
Expired legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

Beim sogenannten Heterodynverfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip werden zwei Laserstrahlen mit konstanter Frequenzdifferenz benötigt. Unter Ausnutzung der Wechselwirkung transversaler Lasermoden werden in Teilbereichen eines einzigen Lasers Laserstrahlen mit konstanter Frequenzdifferenz erzeugt und ausgekoppelt.In the so-called heterodyne method for measuring relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle, two laser beams with a constant frequency difference are required. Using the interaction of transverse laser modes, laser beams with a constant frequency difference are generated and decoupled in partial areas of a single laser.

Description

1. Verkippen und/oder dreidimensionales Verformen der Resonatorspiegel,1. Tilting and / or three-dimensional deformation of the resonator mirror,

2. Änderung der Resonatorlänge,2. change in resonator length,

3. sämtliche Möglichkeiten der mechanischen Verformung der Resonatorgeometrie, z. B. Querschnittsveränderungen und Durchbiegen des Plasmarohrs, 3. all possibilities of mechanical deformation the resonator geometry, e.g. B. Changes in cross-section and bending of the plasma tube,

4. Verformung des aktiven Lasermediums,4. Deformation of the active laser medium,

5. Änderung der Resonatorsymmetric. z. B. des Reflexionsvermögens des Plasmarohres,5. Change of the resonator symmetric. z. B. reflectivity of the plasma tube,

so 6. Kombination dieser Maßnahmen.so 6. Combination of these measures.

f" (fs+ Vo) —f "(fs + Vo) -

Da vzf gemessen werden kann und /Sv. bekannt ist, kann aus (1) und (2) die Relativgeschwindigkeit bestimmt werden:Since vzf can be measured and / Sv. is known, the relative speed can be determined from (1) and (2):

c{vZF -Av)
2 · v.
c {v ZF -Av)
2 · v.

Je nach dem Wert der Differenz Av=*vs—vlo unter scheidet man zwei Verfahren:Depending on the value of the difference Av = * vs — vlo, a distinction is made between two methods:

Av = 0
Av ψ 0
Av = 0
Av ψ 0

Darüber hinaus besitzt die Strahlung der einzelnen Teilbereiche des Modenbildes unterschiedliche optische — vlo) + vd=Av+vd (2) Trägerfrequenzen, wobei die entsprechenden Diffe-55 renzfrequenzen durch die obengenannten Maßnahmen in weiten Bereichen einstellbar sind.In addition, the radiation of the individual partial areas of the mode image has different optical - vlo) + vd = Av + vd (2) carrier frequencies, whereby the corresponding difference frequencies can be set over a wide range by the above measures.

Mit Hilfe einfacher Verfahren, vgl. die Patentschrift DE-PS 3143 056, ,>Laser mit Intensitätsmodulation« können die Differenzfrequenzen bis auf einige Hz Banclbreite Iangzeit-stabilisiert werden. Die Kurzzeitschwankungen des Lasers wirken sich auf beide Laserstrahlen annähernd in gleicher Weise aus, so daß auch in dieser Hinsicht das neue Verfahren den bisherigen Verfahren klar überlegen ist. Aufgrund der einfachen Stabilisier rungsmaßnahmen mittels Regelkreisen kann die Meßgenauigkeit der Apparatur ohne wesentlichen Mehraufwand um mehrere Größenordnungen erhöht werden.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber den bisherigen
With the help of simple methods, see the patent specification DE-PS 3143 056, "Laser with intensity modulation", the difference frequencies can be stabilized in the long term to a range of a few Hz. The short-term fluctuations of the laser have almost the same effect on both laser beams, so that in this respect too the new method is clearly superior to the previous method. Due to the simple stabilization measures by means of control loops, the measuring accuracy of the apparatus can be increased by several orders of magnitude without significant additional effort.
The advantages of the invention over the previous

Homodynverfahren
Heterodynverfahren
Homodyne method
Heterodyne method

Verfahren liegen in der Tatsache, daß mit einem Bruchteil des bislang notwendigen technischen Aufwandes eine erheblich höhere Meßgenauigkeit bei der Bestimmung von Relativgeschwindigkeiten erreicht werden kann.Procedure lie in the fact that with a fraction the previously necessary technical effort a significantly higher measurement accuracy in the determination can be achieved by relative speeds.

1010

1515th

2020th

2525th

3030th

3535

4040

5050

5555

6060

Claims (2)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Verfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip, unter Verwendung eines Laseroszillators zur Abstrahlung eines Sendesignals (ys) und Abgabe eines Oszillatorsignals (yLo) mit konstanter Frequenzdifferenz (Av) (=sogenanntes Heterodynverfahren), gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wellenleiter- oder TEA-Lasers mit Einrichtungen zur gezielten Einflußnahme auf die Parameter des Laserresonators, wobei durch Ausnutzung der Wechselwirkung transversaler Lasermoden in Teilbereichen des Laseroszillators Laserstrahlen mit abstimmbarer, konstanter Frequenzdifferenz (Av) erzeugt und ausgekoppelt werden.1. Method for measuring relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle, using a laser oscillator to emit a transmission signal (ys) and output an oscillator signal (yLo) with a constant frequency difference (Av) (= so-called heterodyne method), characterized by the use of a waveguide or TEA lasers with devices for targeted influencing of the parameters of the laser resonator, whereby laser beams with a tunable, constant frequency difference (Av) are generated and decoupled by utilizing the interaction of transverse laser modes in partial areas of the laser oscillator. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz (Av) der ausgekoppelten Strahlung durch Regelkreise iangzeiisiabilisiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the frequency difference (Av) of the coupled-out radiation is iangzeiisiabilisiert by control loops. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for measuring Relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle, according to the preamble of the claim 1. Die Anwendung von Laserstrahlung für die Messung von Relativgcschwindigkeiten ist bekannt, A. Javan, E. A. BaIHk, W. L. Bond, J. Opt. Soc. Am, Vol. 52, No. 1, S. 96—98 (1962). Die Messung beruht auf dem Prinzip des optischen Überlagerungsempfang. Ein Laserstrahl (Sendestrah!) der Frequenz vs trifft auf ein bewegtes Objekt. Dieses streut einen Bruchteil der gesendeten Intensität auf die Empfangsoptik. Entsprechend der Relativgeschwindigkeit vr des Objekts zur Sende-/Empfangsapparatur ist die Frequenz ve der rückgestreuten Strahlung (Empfangssignal) um den Betrag «O»dopplerverschoben«. Es gilt:The use of laser radiation for the measurement of relative speeds is known, A. Javan, EA BaIHk, WL Bond, J. Opt. Soc. Am, vol. 52, no. 1, pp. 96-98 (1962). The measurement is based on the principle of optical superimposition reception. A laser beam (transmission beam!) With frequency vs hits a moving object. This scatters a fraction of the transmitted intensity onto the receiving optics. In accordance with the relative speed vr of the object to the transmitting / receiving apparatus, the frequency ve of the backscattered radiation (received signal) is Doppler shifted by the amount "O". The following applies: vn v n 2v„2v " c = Lichtgeschwindigkeit c = speed of light Wird das optische Empfangssignal Ve=Vs+Vd mit dem Strahl der Frequenz vlo eines Lokaloszillators, der vom Sendestrahl einen Frequenzabstand Av hat, auf einem optischen Detektor überlagert, so ergibt sich ein elektrisches Signal der Zwischenfrequenz vzp: If the optical received signal Ve = Vs + Vd is superimposed on an optical detector with the beam of frequency vlo of a local oscillator, which has a frequency spacing Av from the transmitted beam, an electrical signal of the intermediate frequency vzp results: Gegenüber dem Homodynverfahren bietet das Heterodynverfahren erhebliche Vorteile wie geringeres Rauschen. Allerdings ist es technisch aufwendig. Entweder man verwendet zwei verschiedene Laser, die durch umfangreiche Maßnahmen so stabilisiert werden, daß Av konstant bleibt, oder die Laserintensität eines Lasers wird in zwei Teilstrahlen (Sendestrahl und LO-Strahl) aufgespaltet Durch geeignete resonatorexterne Modulation (elektro-optisch oder akusto-optisch) eines Teil-Strahls erzielt man den notwendigen Frequenzversatz Av. In der Regel sind diese Modulationsverfahren sehr aufwendig und reduzieren sie die verwertbaren Strahlungsleistungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung von Relativbewegungen nach dem Heterodynverfahren mit geringerem technischem Aufw?rrd zu bewerkstelligen.
Compared to the homodyne process, the heterodyne process offers considerable advantages such as lower noise. However, it is technically complex. Either two different lasers are used, which are stabilized by extensive measures in such a way that Av remains constant, or the laser intensity of a laser is split into two partial beams (transmit beam and LO beam) by suitable modulation external to the resonator (electro-optical or acousto-optical) of a partial beam the necessary frequency offset Av is achieved. As a rule, these modulation methods are very complex and they reduce the usable radiation power.
The invention is based on the object of realizing the measurement of relative movements according to the heterodyne method with less technical effort.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, wie es durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, this object is achieved with a method solved as it is characterized by claim 1. Developments of the invention are in the Described subclaims. Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung der Wechselwirkung bzw. spontanen Kopplung transversaler Lasermoden, wie sie in den Patentschriften DE-PS 31 25 544 und DE-PS 31 43 057, die »Wellenleiter- und TEA-Laser« behandeln, beschrieben ist Basierend auf dieser Wechselwirkung transversaler Lasermoden können durch eine gezielte Einflußnahme (z. B. Ausblenden der Teilstrahlen, Verwendung von Auskoppelspiegeln örtlich unterschiedlicher Reflexion) aus einem einzigen Laserresonator Laserstrahlen mit geeigneten Differenzfrequenzen für das Heterodynverfahren erhalten werden.
Wie in der Patentschrift DE-PS 31 43 057 für den Spezialfall von Wellenleiter- und TEA-Laser beschrieben, kann die Laserstrahlung durch gezielte Veränderung der Parameter des Laserresonators hinsichtlich ihrer Amplitude, Frequenz und Polarisation verändert werden. Solche Maßnahmen sind
The invention is based on the utilization of the interaction or spontaneous coupling of transverse laser modes, as described in the patents DE-PS 31 25 544 and DE-PS 31 43 057, which deal with "waveguide and TEA lasers". Based on this Interaction of transversal laser modes can be obtained from a single laser resonator by a targeted influence (e.g. fading out the partial beams, using decoupling mirrors with different reflections) with suitable difference frequencies for the heterodyne method.
As described in patent specification DE-PS 31 43 057 for the special case of waveguide and TEA lasers, the laser radiation can be changed in terms of amplitude, frequency and polarization by deliberately changing the parameters of the laser resonator. Such measures are
DE19813144805 1981-11-11 1981-11-11 Process for measuring relative movements by means of laser radiation according to the Doppler radar principle Expired DE3144805C2 (en)

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