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DE60219371T2 - Blockanordnung von optischen Elementen für ein Lidar-System - Google Patents

Blockanordnung von optischen Elementen für ein Lidar-System Download PDF

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DE60219371T2
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light
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optical
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James R. Savage Jamieson
Mark D. Burnsville Ray
Clinton T. Burnsville Meneely
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Rosemount Aerospace Inc
Original Assignee
Rosemount Aerospace Inc
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Blockanordnung von optischen Elementen zur Verwendung als Sender/Empfänger für ein Lichtdetektions- und -entfernungsmess-(LIDAR-)System. Eine Gefahr, die bei Tiefflugeinsätzen auftritt, besteht in den Wind- oder Luftströmungsbedingungen, denen das Flugzeug bei Erfüllung seiner Aufgaben ausgesetzt ist. In einigen Fällen kann ein Flugzeug von einer Seite zur anderen sehr unterschiedlichen Luftströmungsbedingungen ausgesetzt sein. Beispielsweise können sich beim Durchfliegen einer Schlucht auf einer Seite des Flugzeugs eine Bergwand und auf der anderen ein offener Raum befinden. Das Landen auf dem Flugdeck eines Flugzeugträgers ist mit ähnlichen Risiken behaftet. Solche ungleichförmigen Luftströmungsbedingungen können einen negativen Einfluss auf das Ansprechverhalten des Flugzeugs auf das Umgehen eines detektierten Hindernisses haben.
  • In US-A 4036557 ist ein Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmesser beschrieben. Der Geschwindigkeitsmesser weist mehrere Glasmodule auf, die insgesamt als Block ausgerichtet sind, um mehrere optische Wege zu bilden, und die aneinander befestigt sind, um diese Ausrichtung aufrechtzuerhalten. Eine kollimierte Lichtquelle ist an dem Block befestigt, um einen kohärenten Lichtstrahl über mindestens einen optischen Weg in dem Block zu erzeugen, über den der kohärente Lichtstrahl zu einem Austrittspunkt des Blocks geführt wird. Ein Lichtdetektor ist ebenfalls an dem Block befestigt.
  • ZUSAMMENFASSENDER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Blockanordnung von optischen Elementen zur Verwendung als Sender/Empfänger für ein Lichtdetektions- und -entfernungsmess-(LIDAR-)System vorgesehen, wobei die Blockanordnung aufweist: mehrere Glasmodule, die in Form eines Blocks miteinander ausgerichtet sind, um mehrere optische Wege in diesem zu bilden, und die aneinander befestigt sind, um diese Ausrichtung aufrechtzuerhalten; eine an dem Block aus Glasmodulen befestigte Lichtquelle kollimierten Lichts zum Erzeugen eines kohärenten Lichtstrahls über mindestens einen optischen Weg in dem Block aus Glasmodulen, der den kohärenten Lichtstrahl zu einer Austrittsstelle des Blocks aus Glasmodulen führt; einen an dem Block aus Glasmodulen befestigten Lichtdetektor; wobei der Block aus Glasmodulen zum Empfangen eines kohärenten Rücklichtstrahls und zum Leiten des kohärenten Rücklichtstrahls über mindestens einen anderen optischen Weg in dem Block aus Glasmodulen zu dem Lichtdetektor vorgesehen ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Weitfeld-Laserabtastsystems zur Hinderniserkennung (LOAS).
  • 2 zeigt eine grafische Darstellung eines von dem in 1 gezeigten LOAS erzeugten beispielhaften Abtastmusters.
  • 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines zur Verwendung in dem in 1 gezeigten LOAS geeigneten Lichtstrahlabtastmuster-Generators/Empfängers.
  • 4 zeigt eine Darstellung einer beispielhaften Umgebung, in der das in 1 gezeigte LOAS arbeiten kann.
  • 5A und 5B zeigen Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Signalverarbeitung durch das in 1 gezeigten LOAS.
  • 6 zeigt ein Ablaufdiagramm einer beispielhaften programmierten Betriebsweise eines zur Verwendung in dem in 1 gezeigten LOAS geeigneten Prozessors.
  • 7A und 7B zeigen Skizzen mit Darstellung einer beispielhaften Kippbewegung eines zur Verwendung in der in 1 gezeigten Anordnung geeigneten Perturbationsspiegels.
  • 8A und 8B zeigen Skizzen mit Darstellung der Auswirkungen einer in einem vorbestimmten Winkel erfolgten Neigung des Perturbationsspiegels auf ein in den Raum projiziertes Bild.
  • 9 zeigt eine Skizze zweier zur Verwendung in der in 1 gezeigten Anordnung geeigneter drehbetätigbarer optischer Elemente, die eine Vielzahl von Strahlabtastmustern erzeugen.
  • 10A bis 10C zeigen Darstellungen beispielhafter Strahlabtastmuster, die von den drehbetätigbaren optischen Elementen aus 9 erzeugt werden können.
  • 11 zeigt eine Skizze eines zur Verwendung der in 3 gezeigten Anordnung geeigneten Leuchtanzeige-Display.
  • 12 zeigt eine Skizze eines alternativ zur Verwendung in der in 3 gezeigten Anordnung geeigneten beispielhaften Bildschirms eines multifunktionalen Video-Display (MFD).
  • 13A–13E zeigen Draufsichten im zeitlichen Verlauf (Zeitintervalle) eines sich Hindernissen nähernden Flugzeugs, die sich beispielhaft nahe und in seinem Flugweg befinden.
  • 14A–14E zeigen Darstellungen beispielhafter MFD-Bildschirmanzeigen der Zeitintervalle jeweils aus 13A–13E.
  • 15 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines kombinierten LOAS- und LIDAR-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 16 zeigt eine Skizze eines zur Verwendung in dem in 15 gezeigten System geeigneten drehbetätigbaren optischen Elements zum Leiten zweier Strahlen von dem kombinierten System mit unterschiedlichen vorbestimmten Abtastmustern.
  • 17 zeigt eine Skizze einer Blockanordnung von optischen Elementen eines LIDAR-Systems.
  • 18 zeigt eine Skizze einer alternativen Blockanordnung von optischen Elementen eines LIDAR-Systems.
  • 19 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines LIDAR-Systems zum Bestimmen einer Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen.
  • 20, 20A, 20B zeigen beispielhaft die Funktionsweise bei der Verarbeitung bei Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen durch das in 19 gezeigte System.
  • 21 zeigt eine Darstellung eines an einem Flugzeug angebrachten Systems mit seinen eigenen Koordinaten.
  • 21A zeigt einen zum Transformieren einer Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen von einem Koordinatensystem zum anderen geeigneten Satz von drei Gleichungen.
  • 22 zeigt einen beispielhaften Programmaufbau zur Anwendung beim Programmieren eines Prozessors zum Bestimmen eines Strömungsgeschwindigkeits-Messwerts in 3 Achsen.
  • 23 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm eines zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Hauptprogramms.
  • 24 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Vordergrund-Funktions-Routine.
  • 25 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Takt-Funktions-Interrupt-Service-Routine (ISR).
  • 26 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Trigger-Funktions-ISR.
  • 27 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Seriell-Funktions-ISR.
  • 28 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Auswertungs-Funktions-Routine.
  • 29 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Geschwindigkeits-Funktions-Routine.
  • 30 zeigt ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm einer zur Verwendung in dem in 22 gezeigten Programmaufbau geeigneten Ausgangs-Funktions-Routine.
  • 31 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines kombinierten LOAS- und LIDAR-Systems, bei dem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die optischen Abtastelemente in einem Abtastkopf enthalten sind.
  • 32 zeigt eine Skizze einer Ausführungsform eines zur Verwendung in der in 31 gezeigten Ausführungsform geeigneten Abtastkopfs.
  • 33 zeigt eine Darstellung der Abtastelemente, die in dem der in 32 gezeigten Ausführungsform entsprechenden Abtastkopf angeordnet sind.
  • 34 zeigt eine Darstellung eines LOAS mit mehreren Abtastköpfen.
  • 35 zeigt eine Darstellung eines zur Verwendung in der in 34 gezeigten Anordnung geeigneten beispielhaften optischen Schalters.
  • 36 zeigt eine Darstellung eines kombinierten LOAS- und LIDAR-Systems mit mehreren Abtastköpfen gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Blockanordnung von optischen Elementen gemäß den Patentansprüchen. Ausführungsformen der Erfindung sind anhand von 15, 17 und 18 beschrieben. Die Ausführungsformen aus 1–14, 16 und 19–36 sind nicht Teil der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Weitfeld-Laserabtastsystems zur Hinderniserkennung (LOAS). Gemäß 1 weist eine Lichtquelle zum Erzeugen eines gepulsten Lichtstrahls eine Laseransteuerschaltung 10 und eine von der Schaltung 10 angesteuerte Laserquelle 12 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Laserquelle 12 eine Mikrochip-Laserdiode auf, die beispielsweise des Typs sein kann, der von Nanolase unter der Typennummer NP-10320-100 hergestellt wird. Die Laserquelle 12 wird von der Schaltung 10 angesteuert, um einen gepulsten Lichtstrahl mit einer Impulsbreite von ungefähr ein bis zwei Nanosekunden (1–2 ns) oder mehr und einer Impulsfrequenz in der Größenordnung von zehn Kilohertz (10 kHz) oder mehr zu emittieren. Der Lichtstrahl der vorliegenden Ausführungsform wird beispielsweise mit einem Durchmesser von ungefähr dreihundert Mikrometern (300 Mikrometern), mit einer Wellenlänge von fünfzehnhundertfünfzig Nanometern (1550 nm) oder eintausendvierundsechzig Nanometern (1064 nm) und in einem Zustand linearer Polarisierung erzeugt. Die Laserquelle 12 kann eine (nicht gezeigte) Strahlbehandlungsoptik zum Kollimieren und Vergrößern des Laserstrahldurchmessers von 300 Mikrometern auf drei Millimeter (3 mm) aufweisen.
  • Der gepulste Laserlichtstrahl wird über einen optischen Weg 14 zu einem Polarisierungs-Strahlteiler-Optikelement 16 geführt, das den größten Teil des gepulsten Strahls 14 entlang einem optischen Weg 18 zu dem Eingang eines Laserstrahlaufweiters 20 weiterleitet. Ein kleiner Teil des gepulsten Strahls 14 wird von dem Strahlteiler 16 entlang einem optischen Weg 24 zu einem Lichtdetektor 22 reflektiert, um als Transmissionszeit-Synchronisierimpuls zu fungieren, wie aus der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Lichtdetektor 22 eine Stoßentladungs-Photodiode (APD) auf, die beispielsweise des Typs sein kann, der von Analog Modules unter der Typennummer 756 hergestellt wird, und kann eine Verstärkungsschaltung zum Erhöhen der Empfindlichkeit gegenüber Impulsen mit kleiner Amplitude aufweisen. Ferner kann der Strahlteiler 16 ein Lambda-Viertel-(λ/4-)Plättchen an seinem Ausgang aufweisen, das den von dem Strahlteiler 16 weitergeleiteten linear polarisierten Strahl in einen zirkular polarisierten Strahl konvertiert, der entlang dem optischen Weg 18 zu dem Strahlaufweiter 20 geleitet wird.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Schaltung 10, die Laserquelle 12, der Lichtdetektor 22 und der Strahlteiler 16 sind in korrekter Ausrichtung an einer optischen Bank 26 angebracht, um beispielsweise die optischen Wege 14, 18 und 24 zu bilden. Die optische Bank wird dann strukturell an einer Montagestruktur 28 befestigt, die bei der vorliegenden Ausführungsform das gesamte LOAS trägt. Der Laserstrahlaufweiter 20, der beispielsweise des Typs sein kann, der von Special Optics unter der Typennummer 52-71-10X-905-1064 hergestellt wird, ist ebenfalls derart an der Struktur 28 angebracht, dass seine Eingangs- oder Eintrittsöffnung mit dem optischen Weg 18 ausgerichtet ist, um den gepulsten Strahl von dem Strahlteiler 16 zu empfangen. Der Strahlaufweiter 20 vergrößert beispielsweise den Durchmesser des gepulsten Lichtstrahls mit einer zehnfachen Vergrößerung und leitet den vergrößerten gepulsten kollimierten Lichtstrahl entlang dem optischen Weg 30 zu mindestens einem drehbetätigten optischen Element 32 zum Leiten des aufgeweiteten gepulsten Laserstrahls von dem LOAS mit einem vorbestimmten Muster, das über ein weites Feld azimutal abgetastet wird, entlang einem optischen Weg 36. Ein herkömmliches Klappspiegel-Optikelement 34 kann an der Struktur 28 angebracht sein und zum Führen des aufgeweite ten Lichtstrahls von dem Aufweiter 20 entlang dem Weg 30 zu dem mindestens einen drehbetätigten optischen Element 32 mit diesem ausgerichtet sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die Verwendung des Klappspiegels 34 bei der vorliegenden Ausführungsform nur wahlweise vorgesehen ist.
  • Von einem Hindernis oder einem Objekt 38, wie z.B. einer Leitung, entlang dem optischen Weg 40 mit dem vorbestimmten Muster reflektiertes gepulstes Licht wird von dem mindestens einen drehbetätigten optischen Element 32 empfangen und entlang einem optischen Weg 42 über den Klappspiegel 34 zu dem Strahlaufweiter 20 zurückgeleitet. Wenn sich mehr als ein Objekt in dem Weg mit dem vorbestimmten Muster befindet, empfängt das LOAS Reflexionen von gepulstem Licht von jedem der detektierten Objekte. In dem Strahlaufweiter 20 werden die Reflexionen des gepulsten Lichts nahe der Eintrittsöffnung zu einem kondensierten kollimierten Strahl kombiniert. Die Lichtreflexionen von dem Objekt 38 werden von dem durchgelassenen Lichtstrahl in zirkulare Polarisierung umgekehrt. Beispielsweise würden, wenn der durchgelassene Strahl mit einer Polarisierung im Uhrzeigersinn polarisiert würde, die Lichtreflexionen entgegen dem Uhrzeigersinn polarisiert und umgekehrt. Eine hinten angeordnete Optik in der optischen Bank 26 führt die Lichtreflexionen von dem Strahlaufweiter 20 entlang einem optischen Weg 44 zu dem λ/4-Plättchen und dem Strahlteiler 16. Das λ/4-Plättchen konvertiert das zirkular polarisierte reflektierte Licht wieder in linear polarisiertes Licht im rechten Winkel zu dem durchgelassenen Lichtstrahl, wodurch bewirkt wird, dass der polarisierende Strahlteiler die zurückgekehrten Lichtimpulse zu dem Lichtdetektor 22 reflektiert, der mit den Signalverarbeitungsschaltungen 50 gekoppelt sein kann, welche ebenfalls an der gemeinsamen Struktur 28 angebracht sind. Die Funktion des Lichtdetektors 22 und der Schaltungen 50 in Zusammenhang mit der Detektion eines Hindernisses wird nachstehend genauer beschrieben.
  • Insbesondere weist bei der vorliegenden Ausführungsform das mindestens eine drehbetätigte optische Element 32 ein erstes rotierendes optisches Element 52 zum Empfangen des aufgeweiteten gepulsten Laserstrahls von dem Aufweiter 20 und Leiten des Strahls entlang einem optischen Weg 56 mit einem vorbestimmten Muster zu einem zweiten rotierenden optischen Element 54 auf, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird. Das zweite Element 54 empfängt den gepulsten Lichtstrahl von dem ersten Element 52 und leitet den empfangenen Strahl mit dem vorbestimmten Muster azimutal über ein breites Feld, das in der Größenordnung von plus/minus neunzig Grad oder mehr relativ zu einer Referenzachse des LOAS liegen kann. Gepulste Reflexionen von Objekten entlang dem vorbestimmten Muster werden von dem zweiten Element 54 über einen optischen Weg 58 zu dem ersten Element 52 geleitet. Ein oder beide Elemente 52 und 54 kann/können als Klappspiegel konfiguriert sein.
  • Das optische Element 52 kann ein sich drehender optischer Keil, dessen eine Fläche in einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer gegenüberliegenden Fläche geneigt ist und der um eine lotrecht zu der gegenüberliegenden Fläche verlaufende Achse gedreht wird, oder beispielsweise ein in einem vorbestimmten Nutationswinkel relativ zu der lotrechten Achse um eine Achse gedrehter Wobbelspiegel (z.B. ein Palmer-Abtastspiegel) sein, wobei der aufgeweitete gepulste Laserstrahl mit einem vorbestimmten Muster von der Spiegelfläche des optischen Elements reflektiert werden kann. In beiden Fällen ist das Element 52 mit einem herkömmlichen Hochgeschwindigkeits-Zirkular-Abtastmodul 60 verbunden und wird von diesem angesteuert, welches ein Ansteuersystem 62, wie z.B. einen Elektromotor, und ein herkömmliches Lagersystem 64 aufweisen kann. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Modul 60 mit seinem Ansteuer- 62 und Lagersystem 64, bei dem es sich beispielsweise um eine Palmer-Spiegelanordnung handeln kann, ist an der gemeinsamen Struktur 28 angebracht und korrekt mit dieser ausgerichtet. Das Ansteuersystem 62 dreht das Element 52 mit einer Winkelgeschwindigkeit von beispielweise ungefähr fünfzig (50) Zyklen pro Sekunde um die vorgesehene Achse, wodurch ein zylindrisches konisches Muster des von dem LOAS über das Element 54 projizierten gepulsten Laserstrahls erzeugt wird.
  • Das Element 54 kann ferner ein verspiegeltes optisches Element sein, das von einem Azimutabtastsystem-Motor 66 angesteuert wird, bei welchem es sich beispielsweise um einen Schrittmotor handeln kann, um sich zu drehen und das konische Muster des Elements 52 in einem Bogen von ungefähr 180°, d.h. ±90° oder mehr relativ zu der Referenzachse des LOAS, über einen Zeitraum von beispielsweise 0,5 Sekunden azimutal abzutasten. Somit weist das vorbestimmte Muster eine Höhenabweichung relativ zu einer Sichtlinienachse des Systems auf. Ein beispielhaftes Abtastmuster in einer Entfernung von 500 m von dem System ist in der grafischen Darstellung aus 2 gezeigt. In 2 ist die Referenzachse des Systems durch die Vertikalachse 70 dargestellt und ist die Sichtlinienachse des Systems durch die Horizontalachse 72 dargestellt. Die schraubenförmige Linie 74 repräsentiert das Abtastmuster bei Drehung durch das erste Element 52 und azimutaler Abtastung durch das zweite Element 54. Bei diesem Beispiel ist das erste Element 52 als Spiegel in Form eines optischen Keils mit einem Keilwinkel von zehn Grad ausgebildet, und es wird mit ungefähr 115 Hz gedreht. Die grafische Darstellung aus 2 zeigt nur eine azimutale Translation von 0° bis +90°. Es sei darauf hingewiesen, dass die azimutale Translation von –90° bis 0° als Spiegelbild der Darstellung aus 2 erscheinen würde. Die Azimutabtastrate der Darstellung aus 2 beträgt ungefähr 2 Hz.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass sich bei jedem Abtastmuster-Zyklus der in 2 gezeigten Darstellung das Lichtstrahlmuster 74 relativ zu der Sichtlinien- oder Horizontalachse 72 aufwärts und relativ zu der Referenz- oder Vertikalachse 70 azimutal bewegt. Da das Muster 74 ungefähr 9 ms benötigt, um einen Zyklus zu beenden, und da das LOAS alle 0,1 ms einen Lichtstrahlimpuls erzeugt, gäbe es ferner ungefähr 90 Lichtstrahlimpulse, die gleichmäßig pro Abtastmuster-Zyklus erzeugt werden. Wie anhand der nachfolgenden Beschreibung besser verständlich wird, kann das LOAS gemäß der vorliegenden Ausführungsform einen Standort jedes detektierten Hindernisses entlang dem Weg des vorbestimmten Abtastmusters hinsichtlich Entfernung, Azimut und Höhe bestimmen.
  • Gemäß 1 ist bei der vorliegenden Ausführungsform das optische Azimutabtast-Spiegelelement 54 mit dem Azimutabtastsystem-Motor 66 in einer Abtast-Montageanordnung 68 gekoppelt, die beispielsweise über das Abtastmodul 60 ebenfalls an der gemeinsamen Struktur 28 angebracht ist. Entsprechend können sämtliche Elemente der vorliegenden Ausführungsform an der gemeinsamen Montagestruktur 28 angebracht und fest ausgerichtet sein. Bei einigen Systemen kann ein Element des LOAS von Zeit zu Zeit in seiner Montageposition einstellbar neuausgerichtet werden, falls dies erforderlich ist. Ferner ist diese Ausführungsform zwar mit zwei drehbetätigten optischen Elementen 52 und 54 beschrieben worden, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es möglich ist, das Abtastmuster und die Azimutdrehungen in einem optischen Element zu kombinieren, das von zwei Motoren angesteuert wird, von denen einer für das zylindrische Abtastmuster und der andere für die Azimutabtastung vorgesehen sind. Ferner können mehr als zwei Spiegel verwendet werden, wie nachstehend anhand einer alternativen Ausführungsform beschrieben wird. Ferner kann ein einzelner Spiegel zur Höhenabtastung beispielsweise unter Anwendung einer Resonanz-Oszillationsbewegung des Spiegels in der Vertikalebene verwendet werden, während er gleichzeitig azimutal von einem Motor angesteuert wird, wodurch ein Raster-Abtastmuster erzeugt wird.
  • Ein schematisches Blockschaltbild eines Weitfeld-Lichtstrahlabtastmuster-Generators/Empfängers, der für die Verwendung bei der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist, ist in 3 gezeigt. Es werden gleiche Bezugszeichen für diejenigen Elemente verwendet, die bereits in 1 beschrieben worden sind. Gemäß 3 sind elektrische Signale, die von der Photodiode 22 über eine Signalleitung 78 erzeugt werden, für die empfangenen Lichtstrahlreflexionen von Objekten entlang dem vorbestimmten Muster des durchgelassenen gepulsten Lichtstrahls repräsentativ. 4 zeigt eine beispielhafte Umgebung, in die LOAS-Ausführungsform arbeiten kann. Gemäß 4 kann der von dem LOAS entlang beispielsweise dem Weg 36 projizierte gepulste Lichtstrahl von Hindernissen, wie z.B. einem Kabel 80, Kabeltragtürmen oder -strukturen 82 und einem Hintergrund, beispielsweise in Form von Bäumen und Büschen 84, reflektiert werden. Die Lichtreflexionen von den Hindernissen werden von dem LOAS empfangen und zu dem Lichtdetektor 22 geleitet, wie anhand der in 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben worden ist, wobei die Lichtreflexionen in für diese repräsentative elektrische Signale konvertiert werden.
  • Das Zeitdiagramm aus 5A zeigt solche elektrischen Signale, die während einer zwischen Impulsen liegenden Dauer der durchgelassenen gepulsten Lichtstrahlen von dem Lichtdetektor 22 aus den Reflexionen des gepulsten Lichtstrahls erzeugt worden sind. 5A zeigt nur die ersten ungefähr 10 Mikrosekunden beispielsweise eines zwischen Impulsen liegenden Zeitraums von einhundert Mikrosekunden. In 5A kann der erste Impuls 90 zur Zeitsynchronisierung für den durchgelassenen Strahl repräsentativ sein; der zweite Impuls 92, der in geringer Entfernung liegt, ist möglicherweise nur der Impuls eines elektrischen Rauschens; der dritte Impuls 94 kann für eine Reflexion von einem ersten Hindernis, wie beispielsweise dem Kabel 80 oder der Struktur 82 aus 4, repräsentativ sein; und der vierte Impuls 96 kann für eine Reflexion von einem zweiten, weiter entfernten Hindernis, wie beispielsweise einem der Bäume 84, repräsentativ sein.
  • Gemäß 3 können die elektrischen Signale, die über die Signalleitung 78 von der Photodiode 22 kommen, mit einem Eingang einer Schaltung 86 gekoppelt sein, die als Komparatorschaltung ausgeführt ist. Ein für einen Schwellenwert repräsentatives elektrisches Signal kann zwecks Vergleichs mit den elektrischen Signalen von der Photodiode 22 mit einem weiteren Eingang des Komparators 86 gekoppelt sein. Der Schwellenwert ist von der gestrichelten Linie 98 aus 5A dargestellt. 5B zeigt ein Zeitdiagramm, das beispielhaft die Funktion des Komparators 86 in Reaktion auf von der Photodiode 22 kommende elektrische Signale zeigt. Beispielsweise bewirkt das Überschreiten des Impulses 90, des Synchronisierimpulses, des Schwellenwerts 98, dass der Ausgang des Komparator 86 seinen Zustand von einem hohen Potential (+5 V) auf ein niedriges Potential (+2 V) verändert. Es sei darauf hingewiesen, dass bei der in 3 gezeigten Ausführungsform der Ausgang des Komparators 86 mit einem Signalprozessor 88 gekoppelt ist, der Teil der Signalverarbeitungselektronik 50 sein kann. Der Prozessor 88 kann beispielsweise ein digitaler Signalprozessor des Typs sein, der von Texas Instruments unter der Typennummer TMS-320C6711, hergestellt wird. Entsprechend kann der Prozessor 88 derart programmiert sein, dass er die in dem Zeitdiagramm aus 5B bei 100 gezeigte Zustandsänderung, die von dem Synchronisierimpuls 90 bewirkt worden ist, detektiert und die Zeit sämtlicher nachfolgenden detektierten Impulse mit Bezug auf den Synchronisierimpuls oder die bei 100 gezeigte erste Zustandsänderung des Komparators 86 misst. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann der Komparator 86 eine vorbestimmte Ansprechzeit haben, bevor sein Ausgang zu einem hohen Level zurückkehren kann, um den nächsten Impuls oder das nächste detektierte Hindernis zu detektieren. Danach verändert bei dem in 5B gezeigten Beispiel der Komparator seinen Zustand bei 102 in Reaktion auf den Impuls 94, der für die Detektion eines Hindernisses repräsentativ ist, und erneut bei 104 in Reaktion auf den Impuls 96, der für ein weiteres Hindernis repräsentativ ist. Es sei darauf hingewiesen, dass keine Zustandsänderung in Reaktion auf den Impuls 92 erfolgt, der den Schwellenwert 98 unterschreitet und somit als elektrisches Rauschen angesehen wird. Bei vorprogrammierten Lichtgeschwindigkeitsdaten kann der Prozessor 88 ferner derart programmiert sein, dass er die Entfernung eines detektierten Hindernisses aus der Differenz zwischen dem Synchronisierimpuls und dem für das Hindernis repräsentativen Impuls ermittelt. Der Prozessor kann ferner den Azimut sowie die Höhe des Hindernisses ermitteln, wie nachstehend beschrieben wird.
  • Gemäß 3 kann das Abtastmustermodul 60 über eine Welle 110 mit dem drehbetätigten optischen Element 52 gekoppelt sein und dieses ansteuern, wobei die Welle 110 eine Anzeige ihrer Winkelposition relativ zu einem Referenzwinkel aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform zum Erfassen der Winkelposition des optischen Elements 52 kann die Welle mit Zeichen markiert sein, die für ihren relativen Winkel repräsentativ sind, oder ein Rad aufweisen, das an ihr angebracht ist und solche Winkelmarkierungen aufweist. In beiden Fällen können die Zeichen mit einem herkömmlichen Lesegerät ab gelesen werden und dem Prozessor 88 digital als Maß des Drehwinkels des optischen Abtastmusterelements zugeführt werden. Somit hat der Prozessor jederzeit den gemessenen Winkel des Abtastmusters in seinem Speicher, wobei er den Winkel zum Berechnen des Azimuts und der Höhe eines detektierten Hindernisses verwenden kann. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Welle 110 Markierungen, wie beispielsweise eingekerbte Zähne, aufweisen oder mit einem Rad mit eingekerbten Zähnen versehen sein. Eine herkömmliche Näherungsvorrichtung 112 kann jeden eingekerbten Zahn detektieren und in Reaktion darauf einen elektrischen Impuls erzeugen. Diese elektrischen Impulse können in einem Zähler 114 gezählt werden, wobei der Zählstand ein Maß des aktuellen Abtastmusterwinkels des optischen Elements 52 sein kann. Das Element 52 kann einen mechanischen, Näherungs- oder optischen Schalter aufweisen, der immer dann einen Referenzimpuls 116 erzeugt, wenn das Element 52 über den Referenzwinkel hinaus gedreht wird. Der Referenzimpuls 116 kann mit dem Zähler 114 gekoppelt sein, um diesen auf Null zurückzusetzen, so dass er das Zählen mit Bezug auf den Referenzwinkel bei jedem Drehzyklus beginnen kann. Entsprechend kann, wenn der Prozessor 88 ein Hindernis rechtzeitig detektiert, der Prozessor 88 den Inhalt des Zählers 114 auslesen, welcher ein Maß der aktuellen Winkelposition des optischen Elements 52 ist und anhand dessen der Prozessor die Höhe des detektierten Hindernisses ermitteln kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform zum Erfassen der Winkelposition des Abtastmusters kann der Prozessor 88 einen Takt mit einer vorbestimmten Rate zum Hochzählen eines Zählstandes in einem dafür vorgesehenen Register des Prozessors aufweisen, wobei der Zählstand ein zeitbasiertes Maß der Winkelposition ist. Der Referenzimpuls 116 kann dem Prozessor zum Zurücksetzen des Zählstandes in dem dafür vorgesehenen Register zugeführt werden. Bei jedem Empfang des Referenzimpulses 116 sichert der Prozessor 88 den Gesamtzählstand in dem Zählregister und setzt das Register zurück, um das Hochzählen bei einem Zählstand von Null zu beginnen. Bei dieser Ausführungsform liest der Prozessor 88 bei Detektion eines Hindernisses nur den aktuellen Zählstand in dem Zählregister aus und vergleicht ihn mit dem gesi cherten Gesamtzählstand, um ein Verhältnis zu erhalten, anhand dessen er die Winkelposition des Abtastmusters ermitteln kann. Die Höhe des Hindernisses relativ zu der Sichtlinie des LOAS kann beispielsweise durch Bestimmen des Sinus des erfassten Abtastmusterwinkels des detektierten Hindernisses und Multiplizieren des Sinus mit der maximalen Höhenamplitude bei der gemessenen Entfernung des detektierten Hindernisses ermittelt werden. Das heißt, dass eine Hälfte des Durchmessers der Schnittebene des konischen Abtastmusters in der Entfernung des detektierten Hindernisses die maximale Höhenamplitude ist. Dies ist in dem beispielhaften Abtastmuster aus 2 bei einer Entfernung von 500 Metern dargestellt.
  • Die in 3 gezeigte Anordnung zeigt ferner beispielhaft eine Art und Weise, auf die die Azimutposition des gerichteten gepulsten Laserstrahls zum Bestimmen des Standorts eines detektierten Objekts zumindest hinsichtlich Entfernung und Azimut im Wesentlichen ermittelt werden kann. Gemäß 3 erzeugt eine herkömmliche digitale Taktschaltung 120 ein Taktsignal 122 mit einer vorbestimmten Rate. Das Signal 122 ist mit einer Auswähl-Logikschaltung 124 und einer Ratendividierschaltung 126, die die Rate des Taktsignals 122 durch einen Faktor N dividiert, gekoppelt. Das aus der dividierten Rate erhaltene Signal 128 von der Schaltung 126 ist mit der Auswähl-Logikschaltung 124 und mit einem Azimutpositionszähler 130 gekoppelt, der seinen Zählstand mit jedem empfangenen Impuls erhöht. Die Auswähl-Logikschaltung 124 erzeugt ein rechtsläufiges Signal (CW) und ein linksläufiges Signal (CCW) zur Verwendung beim Steuern des Elektromotors 66, bei dem es sich beispielsweise um einen Schrittmotor handeln kann. Der Motor 66 ist zum Drehen des verspiegelten Elements 54 um 180° über eine Welle 132 mit der Azimutabtast-Spiegelanordnung 54 gekoppelt. Die Azimut-Spiegelanordnung 54 kann beispielsweise einen ersten Schalter zum Aktivieren und Erzeugen eines START-Signals im Wesentlichen in der 0°-Azimutposition und einen zweiten Schalter zum Aktivieren und Erzeugen eines STOPP-Signals im Wesentlichen bei der 180°-Azimutposition aufweisen. Die START- und STOPP-Signale werden der Auswähl-Logikschaltung 124 zugeführt. Bei einigen Anwendungen kann der Signalprozessor 88 zum Einstellen der Zahl N, durch die die Rate des Signals 122 geteilt wird, über eine Signalleitung 134 mit der Dividierschaltung 126 gekoppelt sein. Der Signalprozessor 88 ist ferner zum Ablesen des Azimutpositions-Zählstands des Zählers 130 über eine Signalleitung 136 mit dem Zähler 130 gekoppelt.
  • Im Betrieb kann der Signalprozessor 88 die Zahl N der Dividiereinrichtung 126 einstellen, welche schließlich die Rate einstellt, mit der das Laserstrahlabtastmuster azimutal gedreht wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zahl N auch in der Ratendividierschaltung 126 vorprogrammiert sein kann. Somit empfängt die Auswähllogik 124 sowohl ein Signal 122 mit schneller Rate als auch ein Signal 128 mit langsamerer Rate und wählt eines dieser Signale zum Steuern oder Antreiben des Motors 66 im Schrittbetrieb zu Drehzwecken aus. Beispielsweise wählt sie, wenn die Auswähllogik 124 das START-Signal von der Abtast-Spiegelanordnung 54 empfängt, das Signal 128 mit der langsamen Rate zum Steuern des Motors 66 über die CW-Steuerleitung zum Ausführen einer Drehung um 180° im Uhrzeigersinn in einer vorbestimmten Zeit, wie beispielsweise 0,5 Sekunden, aus. Bei Erzeugung des STOPP-Signals spricht die Auswähllogik 124 durch Auswählen des Signals 122 mit der schnellen Rate zum Steuern des Motors 66 über das CCW-Signal zum Ausführen einer Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn zurück in seine Ausgangsposition an, woraufhin der Prozess wiederholt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Azimutabtastung zum Drehen bei der langsameren Rate auch entgegen dem Uhrzeigersinn gesteuert und mit einer viel schnelleren Rate in ihre Ausgangs-Winkelposition zurückgesetzt werden kann, ohne dass dadurch von den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Jedes Mal, wenn die Auswähllogik das START-Signal empfängt, erzeugt sie ein NULL-Signal für den Zähler 130 zum Rücksetzen des Zählers auf Null. Das STOPP-Signal kann ebenfalls mit dem Signalprozessor 88 gekoppelt sein, der durch Auslesen und Speichern des Gesamtzählstands in dem Zähler 130 auf das Signal anspricht, wobei der Gesamtzählstand für eine Azimutwinkelposition von beispielsweise 180° repräsentativ ist. Somit kann jedes Mal, wenn ein Hindernis von dem Signalprozessor 88 detektiert wird, dieser den aktuellen Zählstand in dem Azimutpositionszähler 130 auslesen und den ausgelesenen Zählstand zusammen mit dem Gesamtzählstand zum Ermitteln der Azimutposition des detektierten Hindernisses nutzen. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Schaltungen 120, 124, 126 und 130 Teil der Signalverarbeitungs-Schaltungsanordnung 50 sein. Es sei darauf hingewiesen, dass die Funktionen dieser Schaltungen auch in dem Signalprozessor 88 programmiert sein können.
  • Bei einigen Anwendungen kann die Azimutabtastung derart gesteuert werden, dass eine Drehung mit programmierter Rate sowohl in als auch entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt, und in diesem Fall zählt der Zähler 130 von der Start-Position aus in einer Richtung hoch und von der Stopp-Position aus in der entgegengesetzten Richtung herunter. Bei diesen Anwendungen kann der Zähler immer noch von der Auswähllogik 124 in Reaktion auf das START-Signal auf Null zurückgesetzt werden und kann der Prozessor 88 den Gesamtzählstand des Zählers 130 in Reaktion auf das STOPP-Signal auslesen. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann der Signalprozessor 88 jedes Mal, wenn er ein Hindernis detektiert, den aktuellen Zählstand in dem Azimutpositionszähler 130 auslesen und den ausgelesenen Zählstand zusammen mit dem Gesamtzählstand zum Ermitteln der Azimutposition des detektierten Hindernisses nutzen.
  • Das Ablaufdiagramm aus 6 zeigt beispielhaft eine programmierte Betriebsweise des Signalprozessors 88. Gemäß 6 kann die Dioden-Laserquelle 12 derart von der Ansteuerschaltung 10 autonom gesteuert werden, dass sie periodisch mit einer Rate von beispielsweise 10 kHz oder 10.000 Impulsen pro Sekunde mit einem zwischen den Impulsen liegenden Zeitraum von 100 μs feuert, oder von dem programmierten Prozessor 88 zwecks Feuerung gesteuert werden, wie in Block 140 gezeigt. In beiden Fällen detektiert der Prozessor den Synchronisierimpuls, wie oben beschrieben, und startet einen Prozessor-Entfernungs-Timer in Block 142. Danach beginnt der Prozessor in Block 144 mit der Suche nach Rücklaufimpulsen von Reflexionen von den Targets oder Hindernissen entlang dem vorbestimmten Abtastmuster. Wenn in Block 146 ein Rücklaufimpuls empfangen wird, der für ein detektiertes Hindernis repräsentativ ist, speichert der Prozessor in Block 148 das Rücklaufsignal entsprechend seiner Laufzeit. Das heißt, der Rücklaufimpuls wird indiziert und zusammen mit der von dem Prozessor aufgezeichneten Entfernungs-Zeit in einer vorgesehenen Speicherstelle des Prozessors gespeichert, wobei es sich bei der Entfernungs-Zeit um den Zählstand in dem Timer, der mit der Detektionszeit zusammenfällt, handelt. Dieser Zählstand ist für die Entfernung des detektierten Hindernisses repräsentativ. Gleichzeitig mit der Detektion des Hindernisses werden in Block 150 die momentanen Positionen des Palmer-Abtastmusters und der Azimutspiegel aufgezeichnet, wie oben beschrieben, und zwar vorzugsweise in der vorgesehenen Speicherstelle für das indizierte detektierte Hindernis. Jedes Mal, wenn der Prozessor ein Hindernis in dem bei der Laserfeuerung zwischen den Impulsen liegenden Zeitraum detektiert, werden die Vorgänge aus den Blöcken 146, 148 und 150 wiederholt und die Indizierung des Hindernisses und die für seine Entfernung und seinen Standort repräsentativen Daten hinsichtlich Azimut und Höhe in einer vorgesehenen Speicherstelle oder einem Speicher aufgezeichnet.
  • Nach Ablauf der anfänglichen ungefähr 6 μs des bei den Laserfeuerungen zwischen den Impulsen liegenden Zeitraums oder eines anderen geeigneten Anfangszeitraums stoppt der Prozessor in Block 152 die Suche nach detektierten Hindernissen. Danach kann der Prozessor die verbleibende Zeit vor einer weiteren Laserfeuerung zum Berechnen des Zeitraums und des Standorts für jedes detektierte und in dem aktuellen, zwischen den Impulsen liegenden Zeitraum indizierten Hindernisses hinsichtlich Azimut und/oder Höhe anhand der aufgezeichneten Daten berechnen. In Block 158 können diese Entfernungs- und Positionsinformationen für das (die) detektierte(n) Hindernisse) zum Anzeigen vorgesehen sein und zu einem Display 154 transferiert werden, wie beispielsweise in dem Blockschaltbild aus 3 gezeigt. Diese Informationen können auch von dem Prozessor 88 über eine Signalleitung 156 anderen Systemen zur Verwendung in diesen Systemen zugeführt werden. Am Ende des zwischen den Impulsen liegenden Zeitraums kann die Laserquelle 12 derart gesteuert werden, dass sie in Block 140 wieder feuert und der soeben beschriebene Prozess wiederholt wird. Auf diese Weise kann jedes Hindernis entlang dem vorbestimmten Abtastmuster detektiert werden, kann sein Standort bestimmt werden und können die detektierten Hindernisse und ihre jeweiligen Standorte dem Operator zur Hinderniserkennung angezeigt werden, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird.
  • Mit dem anhand von 1–6 beschriebenen Weitfeld-Abtast-LOAS werden Hindernisse entlang einem vorbestimmten Abtastweg unter Verwendung der Fleckgröße eines gepulsten Laserstrahls beispielsweise in der Größenordnung von einem Meter im Durchmesser in einer Entfernung von ungefähr einem Kilometer detektiert. Wie anhand des beispielhaften Musters aus 2 gezeigt, werden Hindernisse in den Umkehrpunktbereichen zwischen den Abtastwegen des Musters 74 nicht detektiert. Zum Verbessern der Effektivität der Weitfeld-LOAS-Ausführungsform bei der Hindernisdetektion kann ein Strahl-Perturbations- oder Kippspiegel in dem optischen Weg 18 zwischen dem Strahlteiler 16 und der Eingangs- oder Eintrittsöffnung des Aufweiters 20, vorzugsweise zum Beispiel in der hinten angeordneten Optik der optischen Bank 26, angeordnet sein. Der in 7A und 7B gezeigte Perturbationsspiegel 160, der als Klappspiegel ausgeführt ist, kann von einem Gelenkzapfen gehalten und um eine Mittelachse des optischen Wegs 18 hin- und hergedreht werden. Dabei wird der Strahlnäherungswinkel zu der Eintrittsöffnung des Strahlaufweiters 20 verändert. Beispielsweise wird bei der vorliegenden Ausführungsform ein Schwenken oder Kippen des Perturbationsspiegels 160 relativ zu der Mittelachse des optischen Wegs 18 von ±1° erwartet, um den Laserstrahlfleck ±5 Meter in einem Entfernungs-Kilometer zu bewegen. Wenn der Spiegel auf diese Weise mit einer hohen Rate, wie beispielsweise in der Größenordnung von einem bis zehn Kilohertz (1–10 kHz), geschwenkt wird, verwischt die 1 Meter-Fleckgröße des Laserstrahls und wird effektiv zu 5 Metern bei 1 Kilometer. Entsprechend würde ein größerer Prozentsatz der Szene von einer breiteren Fleckgröße eines Laserstrahls beobachtet werden. Das heißt, die Wegbreite des Abtastmusters würde sich effektiv um das Fünffache vergrößern.
  • 7A und 7B zeigen beispielhaft den Schwenkvorgang des Perturbationsspiegels 160. 7A zeigt den Spiegel 160 als Klappspiegel, der bei Betrachtung der Zeichnung um eine Achse 163 geschwenkt wird. 7A zeigt den Spiegel 160 bei einem Neigungswinkel von Null. Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Position des Spiegels 160 die Strahlen des über den optischen Weg 18 geführten Strahlenbündels auf einer Mittelachse 162 der Eintrittsöffnung 164 des Strahlaufweiters 20 zentriert sind. In 7B ist der Spiegel 160 um ungefähr 1° aus der in 7A gezeigten Null-Grad-Winkelposition nach unten geneigt oder geschwenkt, wodurch bewirkt wird, dass sich die Strahlen des Strahlenbündels von der Mittelachse 162 weg nach unten in einem Näherungswinkel von ungefähr minus einem Grad zu der Eintrittsöffnung bewegen. Auf im Wesentlichen gleiche Weise bewegen sich die Strahlen des Strahlenbündels von der Mittelachse 162 weg nach oben in einem Näherungswinkel von plus einem Grad zu der Eintrittsöffnung, wenn der Spiegel 160 um 1° aus der Null-Grad-Winkelposition nach oben geneigt wird. Ein schnelles Bewegen des zwischen den ±1°-Neigungspositionen geschwenkten Spiegels 160 führt zu einem effektiven Ausdehnen des Laserstrahlflecks entlang dem Abtastmuster.
  • 8A und 8B zeigen die Auswirkung der 1°-Neigung des Spiegels 160 auf ein in den Raum projiziertes Bild. In 8A befindet sich der Spiegel 160 in der Null-Grad-Neigungsposition. Es sei darauf hingewiesen, dass der entlang dem Weg 18 reflektierte Laserstrahl von dem Strahlaufweiter 20 aufgeweitet wird, wie von den austretenden Strahlen dargestellt. Wenn das Strahlbündel aus dem Aufweiter 20 austritt, wird er im Weg 30 mit parallelen Strahlen kollimiert. Das aufgeweitete kollimierte Strahlbündel wird von dem Spiegel 52 entlang dem Weg 56 zu dem Spiegel 54 reflektiert, von dem es wieder entlang dem Weg 36 reflektiert und von dem System entlang dem vorbestimmten Abtastweg geleitet wird. Zur besseren Darstellung der Auswirkungen des Schwenkens des Perturbationsspiegels 160 auf ein projiziertes Bild, wie beispielsweise die Fleckgröße, ist eine konvergierende Linse 168 zum Fokussieren des Strahlbündels auf einen Brennpunkt oder Fleck 170 im Raum in einer vorbestimmten Entfernung von dem System am Ausgang des Systems angeordnet. Diese konvergierende Linse 168 wird bei diesem Beispiel nur zu Bildanalysezwecken verwendet. In 8B ist der Spiegel 160 um 1° nach unten geneigt, wodurch bewirkt wird, dass das aus dem Aufweiter 20 austretende kollimierte Strahlbündel nach unten bewegt wird, was zu einem Ablenken des Brennpunkts zu einer neuen Position 172 führt, die nur in geringem Maße von dem ursprünglichen, in 8A gezeigten Brennpunkt 170 entfernt ist. Bei diesem Beispiel führte eine Neigung von 1° zu einer Ablenkung von nur 1,6 Metern relativ zu dem Brennpunkt bei einer Entfernung von einem Kilometer. Somit führt eine geringfügige Perturbation des Spiegels 160 zu keiner substantiellen Defokussierung oder Verzerrung des Bilds eines Hindernisses, das in beträchtlichen Abständen zu dem System detektiert wird.
  • Ein zur Verwendung bei der in 1 gezeigten Anordnung geeigneter Perturbationsspiegel 160 kann ein Spiegel aus einer Vielzahl von handelsüblichen Spiegeln sein, wie beispielsweise eine Palmer- oder Wobbel-Spiegelanordnung oder ein Abtastspiegel. Um jedoch die bei dieser Ausführungsform gewünschten Schwenk- oder Hin- und Herbewegungs-Geschwindigkeiten zu realisieren, die beispielsweise in der Größenordnung von 200–600 Hz liegen können, wird eine Spiegelanordnung bevorzugt, die eine geringe Trägheit aufweist, wie z.B. eine Spiegelanordnung, die unter Verwendung der "micro electro-mechanical systems-"(MEMS-)Technik, hergestellt wird. Für diese Arten von Spiegelanordnungen mit geringer Trägheit kann eine kleine piezoelektrische Energieversorgungseinrichtung verwendet werden. Der Bereich der verspiegelten Fläche des Perturbationsspiegels 160 kann recht klein ausgeführt sein, z.B. mit der Breite des Laserstrahls, den er reflektiert. Mehrere handelsübliche "schnelle" Kippspiegel, die zur Stabilisierung des optischen Bilds von piezoelektrischen Ansteuereinrichtungen betätigt werden, sind für diesen Zweck geeignet.
  • Alternativ kann das optische drehbetätigte Abtastelement 52 zwei drehbetätigte Abtastspiegel 174 und 176 aufweisen, die als Klappspiegel relativ zu einander ausgeführt sind, wie in der Darstellung aus 9 gezeigt, um mehrere unterschiedliche Ausgangs-Abtastmuster des Laserstrahls entlang dem optischen Weg 56 zu dem Azimutabtast-Spiegel 54 zu projizieren, wobei das Abtastmuster azimutal durch ein Weitfeld gelenkt wird, wie oben anhand der Ausführungsform aus 1–6 beschrieben. Ein einzelner Abtastspiegel 52 erzeugt bei Lenkung über das weite Azimutfeld das schraubenförmige Muster 74, wie in 2 gezeigt. Dieses Muster ist jedoch möglicherweise kein ideales oder bevorzugtes Abtastmuster für die vorliegende Anwendung. Daher wäre es wünschenswert, dass die Option der Maßschneiderung eines geeigneten Abtastmusters für eine spezielle Anwendung oder die Möglichkeit besteht, das Muster aufgrund sich verändernder Bedingungen zu ändern. Die Zweifach-Klappspiegelanordnung ermöglicht die Maßschneiderung eines Abtastmusters durch Einstellen und/oder Variieren der Phase, Richtung und Drehgeschwindigkeit eines Spiegels 174 relativ zu dem anderen Spiegel 176. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Spiegel 174 und 176 Palmer- oder Wobbel-Spiegelanordnungen aufweisen, von denen jede bei einem vorbestimmte Nutationswinkel, wie beispielsweise in einer Größenordnung von 5°, drehbetätigbar ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass optische Keilspiegel derart ausgeführt sein können, dass sie genauso gut funktionieren, ohne dass dadurch von den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Bei der in 9 gezeigten Darstellung ist der drehbetätigte Spiegel 174 zum Leiten des Laserstrahls, der beispielsweise entlang dem optischen Weg 30 auf eine Fläche 178 des Spiegels auftrifft, entlang einem optischen Weg 180 mit einem dazwischenliegenden Abtastmuster zu dem anderen drehbetätigten Spiegel 176 vorgesehen. Der andere drehbetätigte Spiegel 176 ist zum Leiten des Laserstrahls, der entlang dem Weg 180 auf eine Fläche 182 des Spiegels auftrifft, über den Weg 56 mit dem gewünschten Abtastmuster zu dem Azimutabtast-Spiegel 54 vorgesehen. Die Spiegel 174 und 176 sind um jeweilige Drehachsen 184 und 186 bezüglich Geschwindigkeit, Richtung und Phasenwinkel relativ zueinander einstellbar drehbetätigbar, um das gewünschte Ausgangs-Abtastmuster der mehreren Ausgangs-Abtastmuster des Laserstrahls zu realisieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann ein elektrischer Abtastsystem-Motor mit jedem Spiegel gekoppelt sein und zum Drehen jedes Spiegels in einem vorbestimmten Nutationswinkel (Winkel 188 für Spiegel 174 und Winkel 190 für Spiegel 176) mit der gewünschten Geschwindigkeit, in der gewünschten Richtung und in dem gewünschten Phasenwinkel relativ zu dem anderen Spiegel vorgesehen sein, um das gewünschte Ausgangs-Abtastmuster zu realisieren. 10A, 10B und 10C zeigen beispielhafte Abtastmuster, die von den drehbetätigten Spiegeln 174 und 176 realisierbar sind. Andere Abtastmuster sind mit unterschiedlichen Kombinationen von Drehungen und Geschwindigkeiten ebenfalls herstellbar.
  • 10A zeigt ein sägezahnförmiges Abtastmuster, das von der in 9 gezeigten Ausführungsform mit der Zweifach-Spiegelanordnung durch Betätigen des Spiegels 174 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz im Uhrzeigersinn bei einem Nutationswinkel von 5° und Betätigen des Spiegels 176 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zu dem Spiegel 174 bei einem Nutationswinkel von 5° erzeugt worden ist. Bei diesem Beispiel beträgt die Azimut-Lenkrate ungefähr 360° pro Minute. Dieses Abtastmuster kann zum Detektieren vertikaler oder horizontaler Hindernisse besser geeignet sein. 10B zeigt ein großes kreisförmiges Abtastmuster, das von der in 9 gezeigten Ausführungsform mit der Zweifach-Spiegelanordnung durch Betätigen des Spiegels 174 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz im Uhrzeigersinn bei einem Nutationswinkel von 5° und Betätigen des Spiegels 176 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz ebenfalls im Uhrzeigersinn, jedoch um 180° außer Phase zu dem Spiegel 174 bei einem Nutationswinkel von 5° erzeugt worden ist. Bei diesem Beispiel beträgt die Azimut-Lenkrate ungefähr 360° pro Minute. Schließlich zeigt 10C ein kleines kreisförmiges Abtastmuster, das von der in 9 gezeigten Ausführungsform mit der Zweifach-Spiegelanordnung durch Betätigen des Spiegels 174 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz im Uhrzeigersinn bei einem Nutationswinkel von 5° und Betätigen des Spiegels 176 mit einer Drehgeschwindigkeit von 50 Hz ebenfalls im Uhrzeigersinn, jedoch mit einer 22°-Phasendifferenz zu dem Spiegel 174 bei einem Nutationswinkel von 5° erzeugt worden ist. Bei diesem Beispiel beträgt die Azimut-Lenkrate ebenfalls ungefähr 360° pro Minute. Entsprechend kann die Größe des in 10B und 10C gezeigten Musters durch Verändern des Phasenwinkels eines der Spiegel relativ zu dem anderen variiert werden, wobei die Drehgeschwindigkeit im Wesentlichen unverändert bleibt. Es ist ferner möglich, die Dichte des Musters bei der Azimutabtastung durch Verändern der Geschwindigkeit des Azimutabtast-Spiegels zu ändern. Es sei darauf hingewiesen, dass die Seitenränder der in 10A–10C gezeigten Muster etwas komprimiert erscheinen, da das Muster auf eine ebene Fläche projiziert ist, die direkt vor dem System angeordnet ist. Die in den Figuren gezeigten horizontalen und vertikalen Einheiten sind auf eine ±90°-Azimutabtastung bzw. eine vorbestimmte Target-Entfernung normalisiert.
  • Das oben anhand von 1–6 beschriebene Weitfeld-Abtast-LOAS kann an Bord eines Flugzeugs, wie beispielsweise eines Helikopters, zur Verwendung beim Alarmieren eines Bedieners oder Piloten eines Flugzeugs bei Auftreten von Hindernissen, bei denen die Gefahr einer Kollision mit dem Flugzeug besteht, vorgesehen sein. Der oben in Zusammenhang mit der Ausführungsform aus 3 beschriebene Prozessor 88 ermittelt den Standort eines oder mehrerer detektierter Hindernisse hinsichtlich Entfernung, Höhe und Azimut relativ zu dem Flugweg des Flugzeugs und steuert das Display 154 an, das beispielsweise in dem Cockpit des Flugzeugs angeordnet sein kann, um dem Piloten oder Bediener eine Anzeige zu liefern, die ein oder mehrere Hindernisse oder Objekte hinsichtlich Entfernung, Azimut und Höhe repräsentiert. Es sei darauf hingewiesen, dass der Prozessor 88 zuerst den Standort eines detektierten Hindernisses relativ zu den Referenzachsen des LOAS ermitteln kann und dann den Standort in die Referenzachsen des Flugzeugs konvertiert. Dieses Konvertieren von einem Set Referenzachsen in ein anderes wird nachstehend genauer erläutert.
  • Ein Ausführungsbeispiel des Display 154 weist eine Platte 200 mit Leuchtanzeigen 202 auf, wie in der Darstellung aus 11 gezeigt. Die Leuchtanzeigen 202 der Platte 200 können beispielweise Leuchtdioden (LEDs) sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Platte 200 mindestens eine Reihe 204 und mindestens eine Spalte 206 von Anzeigen 202 auf. Die Reihe 204 kann eine Horizontalachse des Flugwegs des Flugzeugs repräsentieren, und die Spalte 206 kann eine Höhenachse des Flugwegs repräsentieren. Entsprechend repräsentiert die Anzeige 208 an der Schnittstelle der Reihe 204 mit der Spalte 206 die Sichtlinie oder den momentanen Richtungsweg des Flugzeugs. Die Leuchtanzeigen 202 können zum Emittieren von Licht mit unterschiedlichen Farben vorgesehen sein, um den Standort des einen oder der mehreren Objekte hinsichtlich Höhe und Azimut relativ zu dem Flugweg des Flugzeugs anzuzeigen. Eine Farbveränderung beispielsweise von Grün zu Gelb zu Rot kann die Entfernung eines detektierten Objekts zu dem Flugzeug anzeigen. Bei der Darstellung aus 11 sind die Farben von einer Grauskala repräsentiert. Beispielsweise zeigt eine geschwärzte Anzeige 210 Rot an, und sie zeigt an, dass das durch diese Farbe repräsentierte Objekt dem Flugzeug nahe ist, sich jedoch unter dem Flugzeug befindet. Eine Grau-Anzeige 212 kann beispielsweise ein detektiertes Objekt repräsentieren, dass sich in mittlerer Entfernung zu dem Flugzeug, jedoch im Wesentlichen zu dessen Linken befindet. Diejenigen Anzeigen 202, die nicht beleuchtet sind oder nur leicht grau (grün) sind, zeigen an, dass keine detektierten Objekte bzw. detektierte Objekte in großer Entfernung von dem Flugzeug vorhanden sind. Eine Farbveränderung einer Anzeige auf der Platte 200 kann dem Bediener ferner das Risiko einer Kollision eines oder mehrerer detektierter Hindernisse mit dem Flugzeug anzeigen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Display 154 weist ein multifunktionales Video-Display (MFD) auf, wobei ein beispielhafter Bildschirm in 12 dargestellt ist. Der Bildschirm des MFD kann eine nach vorn gerichtete Sicht, wie beispielsweise die in 12 gezeigte Sicht, anzeigen, die von einem (nicht gezeigten) Video oder einer (nicht gezeigten) nach vorn gerichteten Infrarot-(FLIR-)Kamera oder einer (nicht gezeigten) Radareinheit, die im vorderen Teil des Flugzeugs angebracht sind, erhalten wird. Generell haben Radar und Video- oder FLIR-Kameras ein relativ enges Sichtfeld in der Größenordnung von beispielsweise ± dreißig Grad (±30°) im Azimut vom Flugweg des Flugzeugs aus betrachtet. Entsprechend kann der Bediener nur die im Sichtfeld der Kamera befindlichen Hindernisse sehen, um von in dem Weg des Flugzeugs befindlichen Hindernissen ausgehende Risiken zu bewerten. Es sei darauf hingewiesen, dass auf dem in 12 gezeigten Bildschirm die MFD eine horizontal über den Weg des Flugzeugs verlaufende Leitung anzeigt, die von der gestrichelten Linie 216 dargestellt ist, welche sich gemäß der detektierten Entfernung der Leitung in der Farbe verändern kann. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Informationen, die von den am Flugzeug angeordneten Sensoren kommen oder aus aufwärts verlaufenden Übertragungen an das Flugzeug empfangen werden, durch Anwendung der Overlay- oder Bildintegrationstechnik, die Fachleuten bekannt ist, auf dem in 12 gezeigten Bildschirm angezeigt werden. Eine beispielhafte MFD zur Anwendung bei dieser Ausführungsform wird von Goodrich Avionics Systems, Inc. unter der Typenbezeichnung SmartDeckTM-Display hergestellt. Dieser Typ von MFDs zeigt Informationen, wie z.B. Flugzeuggeschwindigkeit, d.h. Drehzahl und Flugrichtung, Flughöhe, Anzeigen der Höhe über Bodenniveau (AGL), Flugzeugleistungspegel u.dgl. an.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird die Erkennung der Situation durch den Piloten oder Bediener des Flugzeugs durch Anzeigen der Standorte detektierter Hindernisse, die sich außerhalb des Azimut-Sichtfelds des Anzeigebildschirms der MFD befinden, relativ zu dem Flugzeug verbessert. Dies erfolgt durch Legen eines Bilds in Form von mindestens einem vertikalen Balken 218 auf den Schirmbild des MFD zum Darstellen eines oder mehrerer detektierter Hindernisse und deren Standorte. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden eine vertikale Balkenabbildung 218 auf die ganz linke Seite des Schirmbilds gelegt und eine weitere vertikale Balkenabbildung 220 auf die ganz rechte Seite des Schirmbilds gelegt. Jeder Balken 218 und 220 ist in zwei Bereiche unterteilt, von denen ein Bereich 222 über der Mittellinie des Anzeigebildschirms liegt und für die aktuelle Flughöhe des Flugzeugs repräsentativ ist, und der andere Bereich 224 unter der Mittellinie liegt. Jeder Balken 218 und 220 ist zum Leuchten bei Detektion eines azimutal außerhalb des Sichtfelds des MFD liegenden Objekts vorgesehen, wobei das Leuchten im unteren Bereich 222 mit einer Farbe beginnt, die die Entfernung zu dem detektierten Ob jekt anzeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann das LOAS beispielsweise ein Sichtfeld von 50 Metern bis 1 Kilometer Entfernung, ±90° Azimut und ±10° Höhe aufweisen.
  • Beispielsweise leuchtet, wenn ein Objekt zuerst in großer Entfernung von dem Flugzeug, jedoch azimutal außerhalb des Sichtfelds des MFD detektiert wird, der untere Teil des entsprechenden Balkens 218 oder 220 mit grüner Farbe auf, wodurch angezeigt wird, dass die Höhe des Objekts als optisch unter der Flughöhe des Flugzeugs und das Objekt in großer Entfernung zu diesem liegend festgestellt worden ist. Wenn sich das Flugzeug dem detektierten Hindernis nähert, verändert die Balkenabbildung ihre Farbe, wie beispielsweise von Grün zu Gelb, um eine Änderung der Entfernung zu dem Hindernis anzuzeigen, und sie kann ferner in vertikaler Richtung größer werden, wenn festgestellt wird, dass die Höhe des Hindernisses der Flughöhe des Flugzeugs optisch näher gekommen ist. Wenn das detektierte Hindernis dem Flugzeug sehr nahe kommt, ändert sich die Farbe der entsprechenden Balkenabbildung beispielsweise von Gelb zu Rot, und wenn festgestellt wird, dass das Hindernis über der Flughöhe des Flugzeugs liegt, verläuft der eingefärbte Teil der Balkenabbildung über der Mittellinie des Anzeigebildschirms in dem Teil 224. Auf diese Weise wird der Pilot oder Bediener auf detektierte, außerhalb des Azimut-Sichtfelds des MFD liegende Hindernisse und deren Standorte hinsichtlich Entfernung (Farbe) und Höhe (Höhe des Balkens) relativ zu dem Flugzeug aufmerksam gemacht.
  • 13A–13E sind Draufsichten im zeitlichen Verlauf (Zeitintervalle) eines Helikopters 228, der mit einem Weitfeld-Abtast-LOAS ausgestattet ist, das dem oben beschriebenen im Wesentlichen gleich ist und ein MFD aufweist, wie beispielsweise ein MFD des anhand von 12 beschriebenen Typs, und der sich einer von Masten 232 getragenen elektrischen Energieleitung 230 und einem 200 Meter Funkturm 234 und verbindenden Unterstützungsleitungen 236 nähert. Kreislinien 238, 240 und 242 stellen Entfernungen von 200 Metern, 400 Metern bzw. 600 Metern von dem Flugzeug 228 dar, das Kurs in Richtung des Pfeils 244 nimmt. Das Sichtfeld des MFD ist von dem keilförmi gen Bereich 246 dargestellt und kann in der Größenordnung von ±15° relativ zu dem Kurs 244 des Flugzeugs liegen. Beispielhafte MFD-Bildschirmanzeigen des zeitlichen Verlaufs aus 13A–13E sind jeweils in 14A–14E dargestellt.
  • 13A, bei der es sich zeitlich um die erste Darstellung handelt, zeigt das Flugzeug 228 in einer größeren Entfernung als 600 Meter sowohl von der Energieleitung als von dem Turn 230 bzw. 234. Da die Energieleitung 230 teilweise innerhalb des Sichtfelds (FOV) des MFD liegt, wird sie entsprechend auf dem in 14A gezeigten Bildschirm als aufgebrachte gestrichelte Linie angezeigt. Da jedoch die Hindernisse 230 und 234 außerhalb des 600 Meter-Bereichs liegen, sind die vertikalen Balkenabbildungen 218 und 220 nicht beleuchtet. Der 600 Meter-Bereich ist bei diesem Beispiel aufgrund der konstruktiven Auslegung gewählt, und es sei darauf hingewiesen, dass dieser Bereich entsprechend der spezifischen Anwendung variiert werden kann. In dem nächsten Zeitintervall, das in 13B gezeigt ist, hat sich der Helikopter näher an die Energieleitung 230, die Masten 232 und den Turm 234 heranbewegt, und ein Teil 248 der Energieleitung 230 und der Masten 232 liegt innerhalb des 600 Meter-Bereichs des LOAS, jedoch außerhalb des Azimut-FOV 246 des MFD. Die Hindernisse 248 sind innerhalb eines Azimutsektors 250 des Weitfeld-Abtast-LOAS des Flugzeugs 228 detektierbar und werden somit durch den vertikalen Balken 220 von beispielsweise grüner Farbe und mit einer Höhe 252 angezeigt, die die festgestellte Höhe der Hindernisse angibt, die in der beispielhaften Bildschirmanzeige aus 14B dargestellt ist. Bei diesem Beispiel zeigt die durch Hellgrau dargestellte Farbe Grün eine Entfernung eines detektierten Hindernisses von 400 bis 600 Metern dar. Es sei darauf hingewiesen, dass die Höhe 252 des beleuchteten vertikalen Balkens 220 unter der Mittellinie des Bildschirms liegt, was den Bediener darauf hinweist, dass das Hindernis unter der Flughöhe des Flugzeugs 228 liegt.
  • In dem in 13C gezeigten Zeitintervall hat sich das Flugzeug 228 näher an die Hindernisse bis zu einer Stelle heranbewegt, an der ein Teil 254 der Energieleitung und Masten in einer Entfernung von 200 bis 400 Metern in den Azimutsektoren 250 und 256 liegen. Bei Detektion durch das LOAS des Flugzeugs 228 zeigt die vertikale Balkenabbildung 220 in 14C einen grünen Teil (Weiß oder Hellgrau) 252 an, der den Teil 248 der Energieleitung und Masten darstellt, der in den Entfernungsbereich zwischen 400 und 600 Metern fällt, und einen gelben Teil (dunkleres Grau) 258 an, der den Teil 254 der Energieleitung und Masten darstellt, der in den Entfernungsbereich zwischen 200 und 400 Metern fällt. Die Höhe 260 der vertikalen Balkenabbildung 220 auf dem in 14C gezeigten Bildschirm gibt die Höhe der detektierten Hindernisse relativ zu der Flughöhe des Flugzeugs, d.h. der Mittellinie des Bildschirms, wieder. Es sei darauf hingewiesen, dass der Hindernisteil 254 außerhalb des Azimut-FOV 246 des MFD liegt und ohne Hilfe des LOAS und seines vertikalen Balkenabbildungs-Overlay 220 auf dem Schirmbild des MFD von dem Piloten nicht bemerkt werden würde. Es sei ferner darauf hingewiesen, dass das LOAS des Flugzeugs 228 den Turm 234 in dem Azimutsektor 262 außerhalb des FOV 246, jedoch außerhalb des 600 Meter-Entfernungsbereichs detektiert, und die vertikale Balkenabbildung 218 zum Anzeigen dieser Situation beleuchtet.
  • In dem in 13D gezeigten Zeitintervall hat sich das Flugzeug näher an die Energieleitung 230 und den Turm 234 heranbewegt und zeigt dies dem Bediener durch die vertikalen Balkenabbildungs-Overlays 218 und 220 an, wie auf dem Bildschirm aus 14D dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die vertikale Balkenabbildung 218 auf die Höhe 264 angestiegen ist, wodurch angezeigt wird, dass sich das Hindernis in einer Höhe befindet, die der Flughöhe des Flugzeugs 228 nahe ist, obwohl es mehr als 600 Meter entfernt ist. Ferner hat sich die vertikale Balkenabbildung 220 auf eine Höhe 266 vergrößert, die über die Mittellinie des Display hinausgeht, wodurch angezeigt wird, dass sich die detektierten Hindernisse in den Azimutsektoren 256 und 250 in einer Höhe über der Flughöhe des Flugzeugs befinden und sich das Risiko einer Kollision mit diesen Hindernissen vergrößert hat. In dem in 13E gezeigten Zeitintervall hat sich das Flugzeug 228 noch näher an die Energieleitung 230 heranbewegt, wobei ein Teil 268 der Energieleitung jetzt von dem LOAS des Flugzeugs als innerhalb des 200 Meter-Entfernungsbereichs befind lich detektiert wird. In Reaktion darauf beleuchtet das LOAS die vertikale Balkenabbildung 220 mit roter Farbe (durch Dunkelgrau dargestellt) bei einer Höhe 272, die ein gutes Stück über die Mittellinie des Bildschirms hinaus verläuft. Dies zeigt dem Piloten an, dass die Energieleitung innerhalb eines Bereichs von 200 Metern und in der Flughöhe des Flugzeugs liegt. Mit anderen Worten: eine Kollision des Flugzeugs 228 mit dem Teil 268 der Energieleitung steht kurz bevor, wenn nicht unverzüglich ein Ausweichmanöver durchgeführt wird. Andererseits detektiert das LOAS des Flugzeugs auch den Turm 234 in einem Azimutsektor 270 innerhalb des 600 Meter-Entfernungsbereichs des Flugzeugs und zeigt durch Beleuchten der vertikalen Balkenabbildung 218 die Entfernung durch die Farbe und die Höhe durch die Balkenhöhe an. Es sei darauf hingewiesen, dass die vertikale Balkenabbildung 218 die detektierte Höhe des Turms 234 ungefähr bei der Flughöhe des Flugzeugs anzeigt, die durch die Mittellinie des Bildschirms dargestellt ist. Somit erkennt der Pilot auch den Turm 234 und seine Entfernung und Höhe und kann ihn durch das Ausweichmanöver umgehen, das durchgeführt wird, um eine Kollision mit dem Energieleitungsteil 268 zu vermeiden.
  • Daher erläutert die vorstehende Beschreibung von 13A–13E und 14A–14E beispielhaft den Betrieb des Weitfeld-Abtast-LOAS an Bord eines Flugzeugs und das durch dieses ermöglichte verbesserte Erkennen der Situation durch den Piloten und/oder Bediener anhand einer sich dynamisch verändernden Anzeige, die über das Blickfeld oder das Sichtfeld einer MFD des Flugzeugs hinausgeht. Ohne die Hilfe des LOAS an Bord des Flugzeugs und die angezeigten aufgelegten Bilder von detektierten Hindernissen und deren Standorte relativ zu dem Flugweg und der Flughöhe des Flugzeugs erkennt der Pilot und/oder Bediener möglicherweise nicht das Risiko einer bevorstehenden Kollision des Flugzeugs mit solchen Hindernissen und wird die Kollision möglicherweise nicht verhindert.
  • Obwohl das oben beschriebene Weitfeld-Abtast-LOAS ein verbessertes Erkennen durch den Bediener ermöglicht, kann die Fähigkeit zum Umgehen eines in dem Flugweg des Flugzeug detektierten Hindernisses weiter verbes sert werden, wenn auch die Windbedingungen im Bereich des Flugzeugs bekannt sind. Somit ist ein Kombinieren eines Weitfeld-Abtast-LOAS zum Detektieren von in der Nähe des Flugzeugs befindlichen Hindernissen mit einem Laser-Luftdatensystem, wie beispielsweise einem Lichtdetektions- und -entfernungsmess-(LIDAR-)System, zum Messen der Windgeschwindigkeit im Bereich des Flugzeugs und insbesondere an dem detektierten Hindernis oder einer Waffenabschussstelle für eine militärische Plattform wünschenswert. Eine geeignete Ausführungsform eines solchen kombinierten Systems ist in dem Blockschaltbild aus 15 gezeigt.
  • 15 zeigt in dem durch eine gestrichelte Linie gebildeten Block 280 die optischen Sende- und Empfangselemente für gepulste Laserstrahlen eines LOAS, in dem durch eine gestrichelte Line gebildeten Block 282 die optischen Sende- und Empfangselemente für Dauerstrich-(CW-)Laserstrahlen eines LIDAR-Systems und in dem durch eine gestrichelte Linie gebildeten Block 284 den LOAS- und LIDAR-Systemen 280 und 282 gemeinsame optische Elemente. Es werden die gleichen Bezugszeichen für die oben bereits in Zusammenhang mit dem in 1–6 beschriebenen LOAS erläuterten Elemente verwendet. In Block 280 kann beispielsweise eine gepulste Laserquelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Elemente der Laseransteuerschaltung 10 und die Laserdiode 12 aufweisen. Eine Strahlaufbereitungsoptik zum Kollimieren und Aufweiten der Breite des erzeugten gepulsten Laserstrahls entlang dem Weg 14 ist in Block 11 gezeigt. Der Strahlteiler 16 und das Lambda-Viertel-Plättchen 17 leiten den zirkular polarisierten gepulsten Laserstrahl entlang dem Weg 18 weiter. Ein Teil des erzeugten gepulsten Laserstrahls wird von dem Teiler 16 über den Weg 24 zu dem Lichtdetektor 22, der beispielsweise eine APD sein kann, reflektiert. Die von dem Lichtdetektor 22 erzeugten elektrischen Signale werden dem Schwellenwertdetektor oder der Komparatorschaltung 86 zugeführt, die mit dem Prozessor 88 gekoppelt ist. Azimutpositionsdaten können dem Prozessor 88 auf im Wesentlichen gleiche Weise wie beispielsweise anhand der in 3 gezeigten Ausführungsform beschrieben zugeführt werden.
  • In dem LIDAR-Block oder -Modul der Elemente 282 ist eine Laserquelle 286 zum Erzeugen eines linear polarisierten CW-Laserstrahls mit einer Wellenlänge, die sich wesentlich von der Wellenlänge des gepulsten Laserstrahls der LOAS-Elemente 280 unterscheidet, vorgesehen. Der von dem LIDAR-System erzeugte Laserstrahl kann beispielsweise bei einer Wellenlänge im Bereich von 850 bis 1550 Nanometern liegen, und der LOAS-Laserstrahl kann beispielsweise bei einer anderen Wellenlänge im Bereich von 850–1550 Nanometern liegen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass andere Wellenlängenbereiche ebenfalls möglich sind und das System nicht auf eine spezifische Wellenlänge oder einen spezifischen Wellenlängenbereich beschränkt ist. Der CW-Laserstrahl wird entlang einem zu einer Strahlaufbereitungsoptik 290 führenden optischen Weg 288 erzeugt, wobei die Strahlaufbereitungsoptik 290 den CW-Strahl kollimiert und aufweitet, bevor sie ihn entlang einem optischen Weg zu einem Polarisierungs-Strahlteiler 294 weiterleitet. Der größte Teil des linear polarisierten Lichts wird von dem Strahlteiler 294 entlang einem Weg 296 zu einem Lambda-Viertel-(λ/4-)Plättchen 298 geleitet, das den linear polarisierten Strahl in einen zirkular polarisierten Strahl konvertiert, bevor es den Strahl entlang einem optischen Weg zu einer Strahlkonvergieroptik 300 weiterleitet. An dem Polarisierungs-Strahlteiler 294 wird ein kleiner Teil, z.B. in der Größenordnung von ungefähr 2%, des erzeugten CW-Strahls entlang einem optischen Weg 302 zu einem akustooptischen Modulator (AOM) 304 reflektiert, der die Frequenz des reflektierten Strahls um eine vorbestimmte Frequenz, die beispielsweise in der Größenordnung von 80 MHz liegt, verschiebt. Der Grund für diese Frequenzverschiebung liegt in der Vermeidung einer Uneindeutigkeit bei der Richtungsmessung infolge der Überlagerungsoperation, die anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird. Der einer Frequenzverschiebung unterzogene Strahl, der aus dem AOM 304 austritt, wird optisch von einem oder mehreren optischen Elementen entlang einem optischen Weg 306 zu einem weiteren Polarisierungs-Strahlteiler 308 geführt.
  • Licht, das beispielsweise in einer vorbestimmten Entfernung von dem kombinierten System von einem Aerosolpartikel reflektiert wird, wird über die Optik 300, das λ/4-Plättchen 298 und entlang dem optischen Weg 296 zu dem Strahlteiler 294 zurückgeführt, wo er entlang einem optischen Weg 310 zu dem Strahlteiler 308 reflektiert wird. Der zurückgeführte Strahl wird mit dem durchgelassen (frequenzverschobenen) Strahlteil in dem Strahlteiler 308 kombiniert, d.h. von diesem überlagert, um einen Lichtstrahl mit einem Doppler-Frequenzgehalt zu erzeugen, der durch die Reflexion von dem Partikel im Raum hervorgerufen worden ist. Bei dieser Ausführungsform führt, wenn der zurückgeführte Strahl keiner Doppler-Frequenzverschiebung unterzogen worden ist, das Überlagern zu einem kombinierten Lichtstrahlsignal bei der Mittenfrequenz für die Überlagerungs-Verarbeitung, die beispielsweise bei 80 MHz liegen kann. Somit führt, wenn der zurückgeführte Strahl einer Doppler-Verschiebung unterzogen wird, der Überlagerungsprozess zu einem kombinierten Strahl, wobei der Doppler-Frequenzgehalt entweder größer oder kleiner als 80 MHz ist. Auf diese Weise wird der Prozess nicht mit von zurückweichenden Targets hervorgerufenen negativen Doppler-Frequenzverschiebungen verwechselt, die von durch sich nähernden Targets hervorgerufenen positiven Doppler-Frequenzverschiebungen nicht zu unterscheiden sind, wenn der überlagerte Lichtstrahl keiner Frequenzverschiebung unterzogen wird. Der kombinierte Strahl mit dem Doppler-Frequenzgehalt wird entlang einem optischen Weg 312 zu einem Lichtdetektor 314, bei dem es sich beispielsweise um eine Photodiode handeln kann, geführt. Die Photodiode 314 konvertiert den kombinierten Lichtstrahl in ein zeitabhängiges analoges elektrisches Signal 316, das über eine Signalaufbereitungsschaltung 318 zu dem Prozessor 88 weitergeleitet wird. Wenn der Prozessor 88 ein Digitalsignalprozessor ist, kann das zeitabhängige analoge Signal 316 von der Signalaufbereitungsschaltung 318 entsprechend einer vorbestimmten Abtastdatenrate zum Verarbeiten durch den Prozessor 88 digitalisiert werden.
  • Die Strahlkonvergieroptik 300 kann ein Modul für eine variable Laser-Luftdaten-Entfernung sein, das eine Gruppe von Fokussierelementen aufweist, die ein einstellbares Setzen des Brennpunkts für den von dem LIDAR-System erzeugten Strahl an einem Fleck im Raum, der hinsichtlich der Entfernung von dem System von beispielsweise 5 Meter bis 20 Meter variieren kann, ermög licht. Dieser Brennfleck befindet sich an der Stelle, an der die Strahlreflexionen von einem oder mehreren sich im Raum bewegenden Partikeln konzentriert sind. Bei einer Ausführungsform umfasst die Optik 300 das Auswählen einer speziellen Fokussierlinse zum Realisieren des gewünschten Abstands zu dem Brennfleck im Raum. Jede unterschiedliche Linse bewirkt ein Fokussieren auf einen Fleck im Raum in einem diskreten vorbestimmten Abstand oder einer diskreten vorbestimmten Entfernung von dem System. Dieser Linsenauswahlprozess kann manuell durch Einstecken der gewünschten Fokussierlinse oder elektromechanisch mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die beispielsweise ein mechanisches Karussell mit unterschiedlichen Linsen aufweist, welches derart gesteuert wird, dass es sich zu der ausgewählten Fokussierlinse dreht. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Optik 300 eine Linse aufweisen, die elektronisch gesteuert wird, um ihre Fokussiercharakteristiken derart zu verändern, dass die gewünschte Entfernung zu dem Brennfleck im Raum erreicht wird.
  • In dem gemeinsamen optischen Elementblock oder -modul 284 wird der aus der Optik 300 austretende kohärente CW-Lichtstrahl entlang einem optischen Weg 319 zu einem dichroitischen optischen Filterelement 320 geführt. Der den optischen Weg 18 entlanglaufende gepulste kohärente Lichtstrahl wird ebenfalls zu dem dichroitischen Filter 320 geführt. Bei korrekter Ausrichtung können die beiden kohärenten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen derart zu dem dichroitischen Filter 320 geführt werden, dass der eine reflektiert und der andere entlang einem gemeinsamen optischen Weg 322 in Richtung der Eintrittsöffnung des Strahlaufweiters oder Teleskops 20 weitergeleitet wird, welcher/welches zum Aufnehmen und Aufweiten der beiden kohärenten Strahlen und Austretenlassen der aufgeweiteten kohärenten Strahlen entlang einem weiteren gemeinsamen optischen Weg 324 an einem Ausgang des Strahlaufweiters oder Teleskops vorgesehen ist. Die aufgeweiteten kohärenten Strahlen werden entlang dem gemeinsamen Weg 324 geführt, um auf das mindestens eine optische Element 32 aufzutreffen, wie anhand von 1 beschrieben. Das mindestens eine optische Element 32 leitet wiederum die beiden Strahlen von dem System fort in den Raum. Sämtliche Re flexionen des kohärenten CW-Strahls von Partikeln an dem Brennfleck und sämtliche Reflexionen des gepulsten kohärenten Strahls von Hindernissen werden zu dem mindestens einen optischen Element 32 zurückgeführt, das diese Reflexionen empfängt und entlang dem Weg 324 zu dem Strahlaufweiter 20 zurückleitet, wobei sie entlang dem Weg 322 auf einen Brennpunkt des Strahlaufweiters 20 fokussiert werden. Das dichroitische Filter 320 kann auf dem Weg 322 in der Nähe des Brennpunkts des Strahlaufweiters 20 angeordnet sein, um die fokussierten Reflexionen zu empfangen und die fokussierten Lichtreflexionen aufzuteilen, die dem gepulsten kohärenten Strahl von den fokussierten Lichtreflexionen entsprechen, welche dem auf den unterschiedlichen Wellenlängen basierenden kohärenten CW-Strahl entsprechen.
  • Die aufgeteilten Lichtreflexionen, die dem gepulsten kohärenten Strahl entsprechen, werden entlang dem Weg 18 zu dem LOAS-Modul 280 zurückgeleitet, um bei der Detektion eines oder mehrerer Objekte verwendet zu werden, wie beispielsweise anhand von 1–6 beschrieben. Ferner werden zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit die aufgeteilten Lichtreflexionen, die dem kohärenten CW-Lichtstrahl entsprechen, entlang dem Weg 319 zu dem LIDAR-Modul 282 zurückgeleitet, wie nachstehend genauer beschrieben. Wie oben beschrieben, weist das mindestens eine optische Element 32 mindestens ein gemeinsames drehbetätigtes optisches Element auf, das sowohl den kohärenten CW- als auch den kohärenten gepulsten Strahl, die von dem System kommend auf das Element auftreffen, leiten kann, wobei der CW-Strahl in einem ersten vorbestimmten Muster von dem System fortgeleitet wird und der gepulste Strahl in einem zweiten vorbestimmten Muster von dem System fortgeleitet wird. Bei der oben anhand von 1–6 beschriebenen Ausführungsform weist das mindestens eine drehbetätigte Element 32 die optischen Elemente 52 und 54 auf, die gemeinsam zum im Wesentlichen kolinearen Leiten sowohl des kohärenten CW- als auch des kohärenten gepulsten Strahls entlang dem Weg 36 von dem System fort in dem in 2 gezeigten azimutal gelenkten konischen Strahlmuster konfiguriert und drehbetätigbar sein können. Auf diese Weise sind die ersten und zweiten Muster im Wesentlichen gleich und werden bei der Azimutabtastung im Wesentlichen zu gemein samen Azimutpositionen geleitet. Eine Ausführungsform zum Leiten der beiden kohärenten Strahlen von dem System fort in unterschiedlichen ersten und zweiten Mustern wird nachstehend beschrieben.
  • Die aufgeteilten Lichtreflexionen, die entlang dem Weg 319 zu dem LIDAR-Module 282 zurückgeführt werden, laufen durch die Strahlkonvergieroptik 300 zu dem λ/4-Plättchen 298, wo das zirkular polarisierte Licht zu linear polarisiertem Licht zurückkonvertiert und über den Weg 296 zu dem Strahlteiler 294 geleitet wird. Da jedoch die Richtung der zirkularen Polarisierung des durchgelassenen Strahls bei Reflexion von einem Partikel umgekehrt wird, verläuft der Zustand der konvertierten linearen Polarisierung des reflektierten Lichts im rechten Winkel zu dem Zustand der linearen Polarisierung des durchgelassenen Strahls. Entsprechend werden die zurückgeführten Lichtreflexionen nicht von dem Strahlteiler 294 durchgelassen, sondern entlang dem Weg 310 reflektiert und in dem Teiler 308 von dem durchgelassenen (frequenzverschobenen) Strahl überlagert, wie oben beschrieben. Der Prozessor 88 kann die Strömungsgeschwindigkeit in der Nähe des Flugzeugs bei verschiedenen Azimutpositionen aus den zeitabhängigen elektrischen Burst-Signalen berechnen, die von dem Lichtdetektor 314 unter Anwendung der Doppler-Signalverarbeitung, wie beispielsweise der schnellen Fourier-Transformations-(FFT-)Verarbeitung, die Fachleuten bekannt ist, konvertiert werden. Die Strömungsgeschwindigkeit kann in einer oder mehreren Achsen berechnet werden, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird. Die Azimutposition kann ebenfalls von dem Prozessor 88 anhand der Eingangssignale einer den Azimut ermittelnden Vorrichtung festgestellt werden, wie beispielsweise in Zusammenhang mit der in 3 gezeigten Ausführungsform beschrieben. Entsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit mit der Azimutposition in dem Prozessor 88 korreliert werden. Da sich die Lichtreflexionen des CW-Strahls und des gepulsten Strahls bei dieser Ausführungsform an gemeinsamen Azimutpositionen befinden, kann die Strömungsgeschwindigkeit an der Azimutposition eines detektierten Hindernisses sowie an anderen Azimutpositionen berechnet werden.
  • Bei einigen Anwendungen ist es nicht wünschenswert, dass der CW-Strahl und der gepulste Strahl mit im Wesentlichem dem gleichen vorbestimmten Muster kolinear von dem System fortgeleitet werden, insbesondere dann nicht, wenn eine eindimensionale Strömungsgeschwindigkeit ausreicht. Ein Ausführungsbeispiel bezüglich des Leitens zweier Strahlen in unterschiedlichen Mustern von dem System fort ist in 16 und 16A gezeigt. Bei dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das drehbetätigte optische Element 52 ein dichroitisches optisches Keilelement mit einer keilförmigen Fläche 330 und einer ebene Fläche 332 auf. Das optische Element 52 kann um eine lotrecht zu der ebenen Fläche 332 verlaufende Achse, die durch die gestrichelte Linie 333 dargestellt ist, gedreht werden. Die keilförmige Fläche 330 kann mit einer dichroitischen Beschichtung versehen sein, die beispielsweise Licht im Wesentlichen mit der Wellenlänge des CW-Strahls durchlässt und Licht im Wesentlichen mit der Wellenlänge des gepulsten Strahls reflektiert. Die ebene Fläche 332 kann mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein, wie beispielsweise Gold oder Silber, die Licht im Wesentlichen mit der Wellenlänge des CW-Strahls durchlässt. Gemäß 16 wird das aus dem Strahlaufweiter 20 entlang dem Weg 324 austretende gepulste Strahlenbündel, das von den Strahlen 334 dargestellt ist, von der keilförmigen Fläche 330 des optischen Elements 52 mit einem konischen Muster in Richtung des verspiegelten optischen Elements 54 reflektiert, welches das konische Muster des gepulsten Strahl azimutal lenkt, um ein schraubenförmiges Muster, wie das in 16A gezeigte Muster 336, zu realisieren. Ferner durchläuft das aus dem Strahlaufweiter 20 entlang dem Weg 324 austretende CW-Strahlenbündel, das von den Strahlen 338 dargestellt ist, die keilförmige Fläche 330 des optischen Elements 52 zu der ebenen Fläche 332, wo es in Richtung des Elements 54 reflektiert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass dem CW-Strahl kein Muster verliehen wird, da die reflektierende Fläche eben ist und das optische Element 52 um eine lotrecht zu der ebenen Fläche 332 verlaufende Achse gedreht wird. Daher reflektiert und lenkt das optische Element 54 durch eine Azimutabtastung den CW-Strahl in einem Linienmuster, wie beispielsweise dem in 16A gezeigte Muster 340. Auf diese Weise können der CW-Strahl und der gepulste Strahl mit zwei azimutal gelenkten unterschiedlichen Mustern von dem kombinierten System fortgeleitet werden.
  • Obwohl bei der oben beschriebenen Ausführungsform aus 16 das optische Element 52 mit einem optischen Keilelement dargestellt worden ist, sei darauf hingewiesen, dass andere optische Elemente verwendet werden können, die im Wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen. Beispielsweise kann ein dichroitischer Wobbel-Spiegel als optisches Element 52 zum Reflektieren von Licht mit einer Wellenlänge von einer Fläche des Spiegels und zum Leiten von Licht mit einer anderen Wellenlänge von einer anderen Fläche des Spiegels verwendet werden. Entsprechend gibt es eine Vielzahl von im Wesentlichen gleichen optischen Elementen oder Kombinationen von optischen Elementen, die ebenso als optisches Element 52 verwendet werden können wie die beschriebenen, um den CW- und gepulsten Strahlen unterschiedliche vorbestimmte Muster zu verleihen. (*) Es sei ferner darauf hingewiesen, dass selbst ein einzelnes drehbetätigtes optisches Element, das entweder keilförmig oder anderweitig ausgebildet ist, azimutal gedreht und gelenkt werden kann, um den CW- und gepulsten Strahlen die unterschiedlichen vorbestimmten Muster zu verleihen, ohne dass dadurch von den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Erfindungsgemäß können die optischen Elemente des LIDAR-Moduls 282 als Blockanordnung 350 konfiguriert sein, wie beispielsweise in 17 gezeigt. Gemäß der in 17 gezeigten Ausführungsform weist der Block 350 mehrere Glasmodule auf, die durch gestrichelte Linien dargestellt sind und die derart miteinander ausgerichtet sind, dass sie mehrere optische Wege in dem Block bilden, und derart mit einander verbunden sind, dass die Ausrichtung aufrechterhalten bleibt. Die kollimierte Lichtquelle 286, die beispielsweise die Laserdiode 286 und die Strahlaufbereitungsoptik 290 aufweisen kann (siehe 15), kann zum Erzeugen eines kohärenten Strahls über mindestens einen optischen Weg 354 in dem Block 350 mit dem Block 350 verbunden sein, wobei der kohärente Lichtstrahl in dem Block 350 zu einer Austrittsstelle 356 des Blocks 350 geführt wird. Der Lichtdetektor 314 ist ebenfalls mit dem Block 350 verbunden, der den zurückgeführten kohärenten Lichtstrahl über einen optischen Weg 360 empfängt und den zurückgeführten kohärenten Lichtstrahl über mindestens einen weiteren in dem Block 350 ausgebildeten optischen Weg zu dem Lichtdetektor 314 leitet. Entsprechend kann der Block 350 als Ganzes in einem an Bord des Flugzeugs befindlichen LIDAR-System angeordnet sein und einer Stoß- und Vibrationsumgebung des Flugzeugs standhalten, wobei die Ausrichtung im Wesentlichen nicht verändert wird oder zumindest die Anzahl an Neuausrichtvorgängen über seine Lebensdauer reduziert wird. Somit sollte, wenn die optischen Elemente an Ort und Stelle angeordnet sind, die Ausrichtung zwischen den optischen Elementen des Blocks 350 aufrechterhalten bleiben.
  • Gemäß 17 sind zwei 362 und 364 der mehreren Glasmodule vorzugsweise durch Verkleben miteinander verbunden, um den Strahlteiler 294 zu bilden (siehe 15), der in dem optischen Weg 354 angeordnet ist, um Licht in einem ersten Polarisierungszustand entlang einem optischen Weg 366 zwecks Austretens aus dem Block an der Stelle 356 durchzulassen und Licht in einem zweiten Polarisierungszustand entlang einem optischen Weg 368 zu reflektieren. Das Lambda-Viertel-Plättchen 298 kann zum Konvertieren der Polarisierung des über den optischen Weg 360 austretenden Strahls vorzugsweise durch Verkleben an der Austrittsstelle 356 mit dem Block 350 verbunden sein. Der Strahlteiler 294 ist ebenfalls in dem Weg 366 des zurückgeführten kohärenten Lichtstrahls ausgebildet. Ein weiteres Paar von Glasmodulen 370 und 372 der mehreren Glasmodule ist vorzugsweise durch Verkleben miteinander verbunden, um den Strahlteiler 308 zu bilden, der in einem optischen Weg 374 des zurückgeführten Strahls ausgebildet ist. Das AOM 304 ist in einem Hohlraum 376 angeordnet und vorzugsweise durch Verkleben befestigt. Ein weiteres 378 der mehreren Module weist ein Dove-Prisma auf, das mit mindestens einem weiteren 380 der mehreren Module verklebt ist, um den optischen Weg 368 zu bilden, der das von dem Strahlteiler 294 zu dem AOM reflektierte Licht führt. Das Dove-Prisma 378 weist polierte Flächen 382 und 384 auf, die durch interne Lichteflexionen den optischen Weg 368 bilden. Das aus dem AOM austretende Licht tritt in ein weiteres Glasmodul 386 ein, das eine polierte Fläche 388 zum Reflektieren von entlang einem optischen Weg 390 aus dem AOM austretenden und zu dem Strahlteiler 308 laufenden Licht aufweist.
  • Eine alternative Ausführungsform der Blockanordnung 400 der optischen LIDAR-Elemente 282 ist in 18 gezeigt. Gemäß 18 sind die Laserquelle 286 und die Optik 290 auf einer Seite eines Glasmoduls 404 mit dem Block 400 verbunden, um einen kohärenten Lichtstrahl zu erzeugen, der entlang einem optischen Weg 402 durch das Modul 404 geführt wird. Eine Fläche 406 des Moduls 404 ist mit einer Fläche eines weiteren Glasmoduls 408 verklebt, um den Strahlteiler 294 in dem Weg 402 des kohärenten Laserstrahls zu bilden. Licht mit einem Polarisierungszustand des kohärenten Strahls wird durch den Strahlteiler 294 durchgelassen und tritt an einer Stelle 410, an der das λ/4-Plättchen 298 angeordnet ist, aus dem Block 400 aus. Licht mit einem anderen Polarisierungszustand des kohärenten Strahls wird von dem Strahlteiler 294 in ein Glasmodul 412 mit einem Dove-Prisma, das mit dem Glasmodul 404 verklebt ist, reflektiert. Das Dove-Prisma 412 weist zwei polierte Flächen 416 und 418 auf, die das von dem Strahlteiler 294 reflektierte Licht entlang einem optischen Weg 414 reflektieren. Das AOM 304 ist in einer Öffnung oder einem Hohlraum 420 angeordnet und befestigt, welche/welcher von den Seiten der Glasblöcke 404,408 und einem dritten Glasblock 422 gebildet ist. Von der polierten Fläche 418 reflektiertes Licht läuft durch das Glasmodul 404 in den AOM 304. Ein optisches Strahlkorrigierelement 424 kann am Austrittsende des AOM 304 angeordnet sein, um die Position und den Winkel des aus dem AOM 304 austretendem Lichtstrahls auszugleichen oder neu einzustellen. Eine Fläche 426 des Glasmoduls 422 ist mit einer ähnlichen Fläche des Glasmoduls 408 verklebt, um den Strahlteiler 308 zu bilden. Eine Seite 428 des Moduls 422 ist poliert, um den entlang einem optischen Weg 430 aus dem Strahlkorrigierelement 424 austretenden Strahl zu dem Strahlteiler 308 zu reflektieren. Der entlang dem Weg 432 zurückgeführte Strahl wird von dem Plättchen 298 in einen linearen Polarisierungszustand konvertiert und zu dem Strahlteiler 294 weitergeleitet, wo er entlang einem optischen Weg 434 durch das Modul 408 zu dem Strahlteiler 308 re flektiert wird, um mit dem von dem Weg 430 kommenden Strahl kombiniert zu werden. Der kombinierte Strahl wird entlang einem optischen Weg 436 durch das Modul 422 zu dem Lichtdetektor 314, der mit dem Modul 422 verbunden ist, geleitet.
  • Einige oder sämtliche Glasmodule des Blocks 350 oder des Blocks 400 können durch Verkleben unter Verwendung eines Klebers, vorzugsweise z.B. eines UV-gehärteten optischen Klebers, miteinander verbunden sein. Es sei darauf hingewiesen, dass bei beiden Glasblock-Ausführungsformen 350 und 400 die kollimierte Lichtquelle 286 an einer Seite des Blocks angebracht ist und die Austrittstelle des durchgelassenen kollimierten Lichtstrahls an der anderen Seite des Blocks vorgesehen ist. Ferner wird durch die Ausrichtung der Glasmodule jedes Blocks 350 und 400 ein gerader optischer Weg zwischen der kollimierten Lichtquelle 286 und der Austrittsstelle des Blocks gebildet. Außerdem ist der Lichtdetektor 314 jeder Block-Ausführungsform 350 und 400 auf einer anderen Seite des Blocks angebracht als der Seite, auf der die Laserquelle angeordnet ist. Ferner sind die optischen Wege des durchgelassenen und des zurückgeführten Lichtstrahls in dem Block kolinear.
  • Die Darstellungen aus 17 und 18 zeigen ferner durch Symbole die unterschiedlichen Polarisierungszustände der Lichtstrahlen, während diese entlang ihren jeweiligen optischen Wegen geführt werden. Beispielsweise repräsentiert das Symbol eines eingekreisten X Licht in einem Zustand oder einer Ebene der linearen Polarisierung, das in den parallel zu dem optischen Weg, entlang dem das Licht geführt wird, verlaufenden Weg übergeht, und repräsentiert das Symbol des Richtungspfeils Licht in einem Zustand oder einer Ebene der linearen Polarisierung, das in den senkrecht zu dem optischen Weg, entlang dem das Licht geführt wird, verlaufenden Weg übergeht, das heißt rechtwinklig zu dem durch das eingekreiste X dargestellten Polarisierungszustand verläuft. Ferner ist Licht in einem zirkular polarisierten Zustand durch das Symbol eines runden Pfeils dargestellt, wobei die Drehrichtung von dem Pfeil anzeigt ist. Wenn diese Polarisierungs-Symbole bekannt sind, wird die Betriebsweise der optischen Elemente der Block-Anordnungen 350 und 400 besser verständlich, wobei die Betriebsweise bereits oben in Zusammenhang mit dem in 15 gezeigten Blockdiagramm beschrieben worden ist.
  • Ein LIDAR-System, das beispielsweise dem in Zusammenhang mit 15 beschriebenen im Wesentlichen gleich ist, ist zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit in drei Achsen eines vorbestimmten Koordinatensystems vorgesehen, wie anhand der folgenden Beschreibung besser verständlich wird. Eine geeignete Ausführungsform der Elemente zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen ist in dem in 19 gezeigten schematischen Blockschaltbild dargestellt. Die Bezugszeichen von Elementen, die oben hinsichtlich der Azimutermittlung, der Abtastpositionsermittlung, der Anzeige und der Verarbeitung für die in dem Blockschaltbild aus 3 dargestellte Ausführungsform beschrieben worden sind, bleiben bei der in 19 gezeigten Ausführungsform dieselben. Entsprechend haben diese Elemente die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche strukturelle und funktionale Betriebsweise wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass sie bei der in 19 dargestellten Ausführungsform zur Strömungsgeschwindigkeitsmessung und Anzeige verwendet werden. Diejenigen Elemente aus dem in 19 gezeigten Blockschaltbild, die noch nicht beschrieben worden sind, werden an dieser Stelle beschrieben.
  • Gemäß 19 werden, wie oben in Zusammenhang mit der Ausführungsform des LIDAR-Systems aus 15 beschrieben, elektrische Rücklaufsignale, die von dem Lichtdetektor 314 in Reaktion auf Lichtreflexionen von einem Partikel entlang dem vorbestimmten Abtastmuster des durchgelassenen CW-Laserstrahls über die Signalleitung 316 zu der Signalaufbereitungsschaltung 318 weitergeleitet, die für die Aufbereitung von elektrischen Signalen geeignete herkömmliche Verstärkungs- und Filterschaltungen aufweisen kann. Diese elektrischen Signale sind Burst-Signale mit einem Doppler-Frequenzgehalt, der solange bestehen bleibt, solange sich ein Partikel innerhalb der Breite durch durchgelassenen Laserstrahls befindet, was nachfolgend als "Treffer" bezeichnet wird. Nach der Signalaufbereitung durch die Schaltungsanordnung 318 wird jeder Burst jeder elektrischen Signalgebung abgetastet und in einem Analog-Digital-(A/D-)Konverter 440 gemäß einer vorbestimmten Abtastdatenrate digitalisiert, die beispielsweise in der Größenordnung von einhundertfünfundsiebzig Millionen Abtastvorgängen pro Sekunde (175 MSPS) liegen kann. Die daraus resultierenden Datenabtastwerte jedes Treffers werden einem Digitalsignalprozessor (DSP) 442 zur Verarbeitung zwecks Ermittlung der diesem zugeordneten Doppler-Frequenz zugeführt, die in einem Speicher 444 des Prozessors in Form eines Datenworts zum Abfragen durch den Prozessor 88 gespeichert ist, wie nachstehend genauer beschrieben ist. Das Verarbeiten der digitalisierten Datenabtastwerte eines Burst oder Treffers kann beispielsweise mittels eines Algorithmus der schnellen Fourier Transformation (FFT) oder eines Autokorrelator-Algorithmus erfolgen, die in dem DSP 444 gespeichert sind. Zwischen dem Prozessor 88 und dem DSP 442 verlaufende Signalleitungen 446 sind für Quittierung und Datenwort-Transfers vorgesehen, wie aus der nachfolgenden Beschreibung hervorgeht. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Prozessoren 88 und 442 beispielsweise DSPs des Typs sein, der von Texas Instruments unter den Typennummer TMS320-C33 bzw. TMS320-C6201 hergestellt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Ausführungsform das Separieren und Durchführen der Systemfunktionen in zwei digitalen Prozessoren eine Benutzerfreundlichkeit und Vereinfachung bieten und dass bei einer alternativen Ausführungsform die Funktionen des DSP 442 in einem einzelnen DSP, wie beispielsweise dem Prozessor 88, programmiert sein können, der die Funktionen sowohl des Prozessors 88 als auch 442 selbst durchführen kann. Es ist ferner möglich, dass mehr als zwei Prozessoren für die gesamten Verarbeitungsfunktionen verwendet werden. Entsprechend ist dieser Aspekt der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Anzahl von Prozessoren beschränkt, die für die spezielle Anwendung ermittelt wird.
  • 20 und 20A zeigen funktionsbezogen die Verarbeitung zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit in den 3 Achsen des vorbestimmten Koordinatensystems. Wie oben beschrieben, projiziert bei einer Ausführungsform das LIDAR-System einen Laserstrahl 450 mit vorbestimmter Breite in einem konischen Muster, wie in 20 dargestellt. 20 zeigt eine Ebene 452 mit kreisförmigem Querschnitt (siehe 20A) des konischen Musters in einer Entfernung R von dem LIDAR-System, bei der ein Treffer 454 erfolgt. Diese Ebene oder dieser Schnitt 452 wird hier als Abtastkreis bezeichnet, der beispielsweise durch Drehen des optischen Elements 52 erzeugt wird. Wie oben anhand der in 3 gezeigten Ausführungsform beschrieben, wird jedes Mal, wenn das optische Element 52 an einem Referenzpunkt der zyklischen Drehung vorbei gedreht wird, ein Triggersignal erzeugt. Dieser Referenzpunkt wird als Triggerposition 456 des Abtastkreises bezeichnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform befinden sich Y- und Z-Quadraturachsen des vorbestimmten Koordinatensystems in der Ebene des Abtastkreises. Insbesondere verlaufen die Y-Achse entlang einer Linie 458 von der Mitte 460 des Abtastkreises zu der Triggerposition 456 und die Z-Achse entlang einer Linie 462 von der Mitte 460 des Kreises 452, die entgegen dem Uhrzeigersinn 90° von der Y-Achse versetzt ist. Die X-Achse des Koordinatensystems verläuft entlang einer Linie 464, die senkrecht zu der Abtastkreisebene 452 durch die Mitte 460 des Abtastkreises gezogen ist. Entsprechend wird die X-Achse von dem Scheitelpunkt des konischen Musters bei dessen Austritt aus dem LIDAR-System durch die Mitte 460 der Ebene 452 projiziert. Da jetzt die Grundlagen geschaffen sind, kann das Konzept zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit in drei Achsen Vsx, Vsy und Vsz beschrieben werden.
  • Jedes Mal, wenn ein Treffer wie beispielsweise an dem Punkt 454 anhand des daraus resultierenden Signal-Burst detektiert wird, wird eine Doppler-Frequenz aus den Abtastdaten des entsprechenden Burst ermittelt. Wenn die Wellenlänge des Laserstrahls bekannt ist, kann eine Strömungsgeschwindigkeit V1 in einer Achse für den Treffer anhand der entsprechenden Doppler-Frequenz ermittelt werden. Ferner kann ein Winkel a1 auf dem Abtastkreis, der dem Trefferpunkt 454 entspricht, in Bezug auf die X-Achse anhand der seit dem letzten Triggersignal vergangenen Zeit und der Abtastkreisperiode, d.h. der Gesamtzeit bis zum Beenden einer Abtastung des Kreismusters, ermittelt werden, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird. Der Winkel t, den der Treffer mit der X-Achse bildet, bleibt bei dem kreisförmigen Abtastmuster im Wesentlichen fest. Entsprechend kann ein Satz von drei Gleichungen für drei Treffer H1, H2 und H3 um den Abtastkreis auf der Basis der Geschwindigkeiten V1, V2 und V3 in einer Achse und der Abtastkreiswinkel a1, a2 und a3 (wobei der Winkel t bei der vorliegenden Ausführungsform fest ist) unter Anwendung trigonometrischer Identitäten erstellt werden, wie beispielhaft in 20B gezeigt ist. Gemäß 20B können die oberen, mittleren und unteren Gleichungen jeweils für die Strömungsgeschwindigkeiten Vsx, Vsy und Vsz entlang der X-Achse, Y-Achse bzw. Z-Achse aufgelöst werden. Ferner kann bei Kenntnis der Azimutposition des Abtastkreismusters, bei dem die drei Treffer erfolgen, ein Azimut-Referenzpunkt der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen gebildet werden.
  • Wenn nicht bekannt ist, wann ein Treffer erfolgt, ergibt sich eine Schwierigkeit, d.h. das Auftreten eines Treffers kann nicht erzwungen werden. Jeder Treffer erfolgt vielmehr auf natürliche Weise, wenn ein Partikel, wie beispielsweise Staub oder Gas- oder Dampfkondensation, die Breite des Laserstrahls durchquert, wenn dieser sein vorbestimmtes Muster entlang geführt wird. Eine weitere Schwierigkeit tritt bei einer großen Anzahl von wahrscheinlich erfolgenden Treffern und der Belastung des Prozessors auf, sollte dieser sämtliche detektierten Treffer verarbeiten müssen. Somit ist ein Auswahlkriterium wünschenswert, mit dem festgelegt wird, welche der entlang dem Weg des Abtastmusters detektierten Treffer verarbeitet werden sollen und welche der verarbeiteten Treffer zum Bestimmen der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen verwendet werden sollen. Dieses Auswahlkriterium wird in den folgenden Absätzen näher beschrieben.
  • Ferner ist das oben beschriebene vorbestimmte Koordinatensystem zum Ermitteln der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen auf das LIDAR-System bezogen und ist möglicherweise nicht das gleiche wie das Flug-Koordinatensystem des Flugzeugs, das das LIDAR-System an Bord hat. 21 zeigt beispielhaft ein an Bord eines Flugzeugs 472, das bei diesem Beispiel ein Helikopter ist, befindliches LIDAR-System 470, wobei die Koordinatensysteme des LIDAR-Systems und des Flugzeugs nicht dieselben sind. Das heißt, dass die LIDAR-Abtasteinrichtung 470 ein X-, Y- und Z-Koordinatensystem aufweist, wie es oben beschrieben ist, und das Flugzeug 472 sein eigenes X-, Y- und Z-Koordinatensystem aufweist. Da es wichtig sein kann, dass der Pilot oder Bediener die auf dem Koordinatensystem des Flugzeug basierende Strömungsgeschwindigkeit kennt, kann die Strömungsgeschwindigkeit des LIDAR-Systems Vsx, Vsy und Vsz unter Anwendung eines Satzes von drei Gleichungen, wie beispielhaft in 21A dargestellt, in eine auf das Koordinatensystem des Flugzeugs Vax, Vay und Vaz bezogene Strömungsgeschwindigkeit konvertiert werden. Transformationskonstante aij können in eine 3×3-Matrix umgewandelt werden, wobei i die Spalte der Matrix repräsentiert und j die Reihe der Matrix repräsentiert. Diese 3×3-Konversionsmatrix kann auf dem LIDAR-Geschwindigkeitsvektor arbeiten, der als Einspalten-Matrix mit den Geschwindigkeitskomponenten des LIDAR-Koordinatensystems ausgedrückt ist, um den Geschwindigkeitsvektor des Flugzeugs zu erhalten, der ebenfalls als Einspalten-Matrix mit den Geschwindigkeitskomponenten des Koordinatensystems des Flugzeugs ausgedrückt ist.
  • Ein beispielhafter Programmaufbau zum Programmieren des Prozessors 88 zwecks Ermittelns von Strömungsgeschwindigkeits-Messwerten in 3 Achsen ist in dem Blockschaltbild aus 22 dargestellt. Gemäß 22 läuft bei Einschalten des Prozessors 88 in Block 474 ein Hauptprogramm, das anhand des Ablaufdiagramms aus 23 näher erläutert wird, zum Initialisieren des Prozessors. Als nächstes tritt der Prozessor in Block 476 in ein Vordergrundprogramm ein, das in Zusammenhang mit dem Ablaufdiagramm aus 24 näher beschrieben wird. Das Vordergrundprogramm 476 wird kontinuierlich ausgeführt, um verschiedene andere Programme, wie z.B. ein Auswertungs-Funktionsprogramm 478 (siehe 28), ein Geschwindigkeits-Funktionsprogramm 480 (siehe 29) und ein Ausgangs-Funktionsprogramm 482 (siehe 30), anhand mehrerer Interrupt-Service-Routinen (ISRs), wie z.B. eine Takt-Funktion ISR 484 (siehe 25), eine Trigger-Funktion ISR 486 (siehe 26) und eine Seriell-Funktion 488 (siehe 27), aufzurufen. Bei diesem beispielhaften Programmaufbau wird die Takt-Funktion ISR 484 von einem Timer 0 getriggert, bei dem es sich um ein bezeichnetes Register des Prozessors 88 handeln kann, das zum Durchzählen eines Gesamtzähl stands vorgesehen ist, der eine vorbestimmte Zeitspanne repräsentiert. Jedes Mal, wenn der Timer 0 seine vorbestimmte Zeitspanne durchzählt, die beispielsweise 100 Mikrosekunden betragen kann, wird die Takt-Funktion ISR 484 ausgeführt. Ein weiteres Register des Prozessors 88 kann als Timer 1 bezeichnet sein und zum Beginnen der Zählung von Null jedes Mal dann vorgesehen sein, wenn der Prozessor 88 das in Zusammenhang mit der in 19 gezeigten Ausführungsform beschriebene Triggersignal 116 über einen Interrupt-Port INT 0 empfängt. Das Triggersignal 116 bewirkt die Ausführung der Trigger-Funktion ISR 486. Ferner wird, wenn ein Datenwort von dem DSP 442 über einen seriellen Port 0 empfangen wird, dieses in einem Register des Prozessors 88 gespeichert, das als Datenempfangsregister 490 bezeichnet ist, wie nachstehend genauer erläutert. Bei Beendigung des Transfer des Datenworts in den Prozessor 88 wird die Seriell-Funktion ISR 488 ausgeführt.
  • In 23, die ein beispielhaftes Software-Ablaufdiagramm des Hauptprogramms 474 zeigt, ist in Block 492 der serielle Port 0 derjenige Port, durch den in Reaktion auf das Erzeugen eines Frame Sync-Signals 494 durch die Vordergrund-Funktions-Routine 476 (siehe 22) Anforderungen nach Datenwörtern an den DSP 442 gestellt werden. Der Port 0 ist in Block 492 ferner zum Empfangen des Datenworts von dem DSP 442 und zum Speichern des Datenworts in dem Register 490 und zum Aufrufen der Seriell-Funktion ISR 488 nach Beendigung des Datenwort-Transfer vorgesehen. In Block 496 ist der Timer 0 zum Aufrufen der Takt-Funktion ISR 484 jedes Mal dann vorgesehen, wenn er einen Zählstand durchzählt, der beispielsweise für 100 Mikrosekunden repräsentativ ist. In Block 498 ist der Timer 1 zum freien Zählen vorgesehen, bis er von der Trigger-Funktion ISR 486 zurückgesetzt wird. In Block 500 ist der INT 0-Port zum Aufrufen der Trigger-Funktion ISR 486 jedes Mal dann vorgesehen, wenn ein Triggersignal 116 über eine von der Abtastmuster-Abtasteinrichtung 52 zu dem Port verlaufende Leitung empfangen wird (siehe 19). In Block 502 wird eine Display-Schreib-Funktion des Prozessors 88 mit bestimmten, Fachleuten bekannten Befehlen initialisiert, um Textmitteilungen zu erzeugen und den Bildschirm des Display 154 zu steuern. Nach Beendigung der Initialisierungsaufgaben des Hauptprogramms 474 wird in Block 504 die Vordergrund-Funktions-Routine 476 aufgerufen.
  • Gemäß 24 wird in Block 506 festgestellt, ob ein "Get Data Flag" 508 als Richtig gesetzt ist, was alle 100 Mikrosekunden von der Takt-Funktion ISR 484 durchgeführt wird. Wenn das Flag als Richtig gesetzt ist, wird in Block 510 das Frame Sync-Signal 494 für den Port 0 erzeugt, um die Anforderung nach einem Datenwort von dem DSP 442 zu initiieren, wird das Get Data Flag 508 als Falsch gesetzt und wird der Entscheidungsblock 512 ausgeführt. Wenn das Get Data Flag 508 in Block 506 als falsch ermittelt wird, wird die Ausführung von Block 510 umgangen und wird der Entscheidungsblock 512 ausgeführt. In Block 512 wird festgestellt, ob ein Data Ready Flag 514 von der Seriell-Funktion ISR in Reaktion auf die Beendigung des Transfer des Datenworts in das Register 490 als Richtig gesetzt ist. Wenn das Flag als Richtig gesetzt ist, wird in Block 516 die Auswertungs-Funktions-Routine 478 zur Ausführung aufgerufen. Nach Beendigung der Aufgaben der Auswertungs-Funktion 478 kehrt die Programmausführung zu 516 zurück, woraufhin das Data Ready Flag 514 als Falsch gesetzt wird und Block 518 ausgeführt wird. Wenn in Block 512 festgestellt wird, dass das Data Ready Flag 514 falsch ist, wird der Block 516 umgangen und wird der Entscheidungsblock 518 ausgeführt. In Block 518 wird festgestellt, ob ein Display Flag 520 von der Takt-Funktion ISR 484 als Richtig gesetzt ist. Wenn das Flag als Richtig gesetzt ist, wird in Block 522 die Geschwindigkeits-Funktions-Routine 480 zur Ausführung aufgerufen, und wenn deren Aufgaben beendet sind, kehrt die Programmausführung zu Block 522 zurück. In Block 522 wird als nächstes die Ausgangs-Funktions-Routine 482 zur Ausführung aufgerufen, und wenn deren Aufgaben beendet sind, kehrt die Programmausführung zu Block 522 zurück, in dem als nächstes das Display-Flag 520 als Falsch gesetzt wird. Nach Beendigung der Ausführung von Block 522 oder wenn in Block 518 festgestellt wird, dass das Display Flag 520 falsch ist, kehrt die Programmausführung zu dem Entscheidungsblock 506 zurück und wird der Programmablauf wiederholt. Auf diese Weise wird die Vordergrund-Funktion 476 kontinuierlich ausgeführt.
  • Gemäß dem Ablaufdiagramm aus 25 wird jedes Mal, wenn der Timer 0 seinen vorbestimmten Zählstand durchzählt, d.h. alle 100 Mikrosekunden, die Programmausführung unterbrochen und wird die Takt-Funktion ISR 484 zur Ausführung aufgerufen. In Block 526 wird das Get Data Flag als Richtig gesetzt und wird ein Display-Zähler, bei dem es sich um ein bezeichnetes Register des Prozessors 88 handeln kann, um einen Zähler inkrementiert. Als nächstes wird in Block 528 festgestellt, ob der Zählstand des Display-Zählers einen gewünschten Zählstand erreicht hat, der eine Zeitinkrementierung anzeigt. Beispielsweise wäre, wenn der Display-Zähler alle 100 Mikrosekunden um einen Zähler inkrementiert wird und die gewünschte Zeitinkrementierung 250 Millisekunden beträgt, der gewünschte Zählstand 2500. Entsprechend ist der Display-Zähler bei dieser Ausführungsform ein Mittel zum Bilden von Zeitinkrementierungen von 250 Millisekunden. Somit wird in Block 530, wie in Block 528 festgelegt, alle 250 Millisekunden das Display Flag als Richtig gesetzt und wird der Display-Zähler auf Null gesetzt. Danach kehrt die Programmausführung an die Stelle zurück, an der sie unterbrochen worden ist, und liegt die Takt-Funktion ISR 484 still und wartet auf den nächsten internen Interrupt von dem Timer 0.
  • Gemäß dem Ablaufdiagramm aus 26 wird jedes Mal, wenn das Triggersignal 116 von dem Interrupt-Port INT 0 empfangen wird, die Programmausführung unterbrochen und wird die Trigger-Funktion ISR 486 zur Ausführung aufgerufen. In Block 532 wird der Zählstand in dem Timer 1, der für eine Zeitspanne von einem Abtastzyklus repräsentativ ist, ausgelesen und in einem bezeichneten Register des Prozessors 88 gespeichert und wird der Timer 1 auf einen Zählstand von Null zurückgesetzt. Danach wird die Programmausführung von dem Unterbrechungspunkt aus fortgesetzt und liegt die Trigger-Funktion ISR still und wartet auf das nächste externe Interrupt-Signal 116. Gemäß dem Ablaufdiagramm aus 27 wird jedes Mal nach Beendigung des Datenwort-Transfer die Seriell-Funktion ISR 488 zur Ausführung aufgerufen. In Block 534 werden das Datenwort des Registers 490, das die Doppler-Frequenz des Treffers anzeigt, und der Zählstand des Timer 1, der den entsprechenden Abtastkreiswinkel a1 des Treffers anzeigt, ausgelesen und in bezeichneten Registern des Prozessors 88 gespeichert und wird das Data Ready Flag als Richtig gesetzt. Danach wird die Programmausführung von dem Unterbrechungspunkt aus fortgesetzt und liegt die Seriell-Funktion ISR still und wartet auf den Empfang des nächsten internen Interrupt-Signals.
  • Entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform fordert der Prozessor 88 alle 100 Mikrosekunden ein Datenwort von dem DSP 442 an und gibt dieses ein. Da nicht bekannt ist, ob in dem letzten 100 Mikrosekunden-Intervall ein Treffer erfolgt ist, ist nicht bekannt, ob das empfangene Datenwort von dem DSP 442 des aktuellen 100 Mikrosekunden-Intervalls das gleiche Datenwort ist, wie das in dem vorhergehenden 100 Mikrosekunden-Intervall empfangene, d.h. kein Treffer in dem aktuellen Intervall erfolgt ist. Somit sollte dem Prozessor 88 angezeigt werden, dass in dem aktuellen Intervall mindestens ein Treffer erfolgt ist. Bei dieser Ausführungsform ist diese Anzeige in Form eines der Bits des Datenworts vorgesehen, das als "New Bit" bezeichnet ist und auf "1" gesetzt ist, um anzuzeigen, dass das Datenwort für die Doppler-Frequenz eines Treffers in dem aktuellen Intervall repräsentativ ist. Entsprechend wird bei jedem von dem DSP 442 kommenden Datenwort von der Auswertungs-Funktion 478 eine Auswertung des Datenworts durchgeführt, wobei ein entsprechendes Ablaufdiagramm in 28 gezeigt ist.
  • Gemäß dem Ablaufdiagramm aus 28 wird in Block 540 festgestellt, ob ein New Bit in dem empfangenen Datenwort auf "1" gesetzt ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird die Programmausführung der Auswertungs-Funktions-Routine 478 abgebrochen und kehrt die Ausführung zu Block 516 der vorhergehenden Routine 476 zurück. Andernfalls wird als nächstes in Block 542 festgestellt, ob das neue Datenwort der erste Treffer oder Datenpunkt für die aktuelle Auswertungsperiode ist. Wenn dies der Fall ist, werden in Block 544 das Datenwort (Doppler-Frequenz) und die Winkelposition des ersten Treffers oder Datenpunkts gespeichert und als zu dem ersten Datenwort gehörig bezeichnet. Ferner werden in Block 544 Target-Positionen für die 2. und 3. Treffer zusammen mit Akzeptanzregionen für diese gebildet. Bei dieser Ausführungsform können die Target-Positionen für die 2. und 3. Treffer ungefähr 120° bzw. 240° relativ zu der Position des ersten Datenpunkts vorgesehen sein und können die Akzeptanzregionen jedes Datenpunkts beispielsweise in der Größenordnung von ±60° liegen. Dann wird in Block 546 ein Datenpunktzähler des Prozessors 88 mit einem Zählstand, der die Anzahl von für die aktuelle Auswertungsperiode empfangenen Datenpunkten anzeigt, um Eins inkrementiert. Die Programmausführung kehrt dann zu Block 516 zurück.
  • Wenn in Block 542 festgestellt wird, dass der jüngste Datenpunkt nicht der erste ist, dann wird in Block 548 dessen Winkelposition aus einem Verhältnis des Zählstands des Timer 1, der dem jüngsten Treffer entspricht, und dem Zählstand, der für die Periode des Abtastzyklus repräsentativ ist, ermittelt. Die Winkelposition eines Datenpunkts, der dem ersten Datenpunkt folgt, wird von der Winkelposition des ersten Datenpunkts subtrahiert. Als nächstes wird in Block 550 festgestellt, ob die Differenz der Winkelposition innerhalb des Target und der Akzeptanzregion für den 2. Datenpunkt oder bei beispielsweise 120°±60° liegt. Wenn dies der Fall ist, werden in Block 552 das Datenwort (Doppler-Frequenz) und seine entsprechende Winkelposition gespeichert und als zu dem 2. Datenpunkt gehörig bezeichnet. Ferner wird in Block 552 nach Ermittlung jedes 2. Datenpunkts mit einem akzeptablen Target und einer akzeptablen Akzeptanzregion die Akzeptanzregion verengt. Beispielsweise kann hinter dem ersten 2. Datenpunkt die Akzeptanzregion auf ±50° eingestellt sein und kann hinter dem zweiten 2. Datenpunkt die Akzeptanzregion auf ±40° eingestellt sein, und so weiter, bis keine weiteren 2. Datenpunkte in die Region fallen. Durch diesen Auswertungsprozess wird sichergestellt, dass nur der dem Target von beispielsweise ±120° am nächsten gelegene 2. Datenpunkt bei der Ermittlung der Strömungsgeschwindigkeit in 3 Achsen verwendet wird. Ferner wird in Block 552 ein "Point 2 Valid Flag" als Richtig gesetzt, um anzuzeigen, dass sich ein 2. Datenpunkt als zur Verarbeitung gültig erwiesen hat. Wenn festgestellt worden ist, dass ein dem ersten Datenpunkt folgender Datenpunkt nicht innerhalb des Target und der für den 2. Datenpunkt eingestellten Akzeptanzregionen liegt, wird in Blöcken 554 und 556 die gleiche Verarbeitung wie in Blöcken 550 und 552 für die 3. Datenpunkte wiederholt, um einen 3. Datenpunkt in der am nächsten gelegenen Akzeptanzregion mit dem eingestellten Target-Winkel oder beispielsweise 240° relativ zu dem ersten Datenpunkt zu bilden. Nach jeder Ausführung von entweder Block 552 oder Block 556 wird der Datenpunktzähler in Block 546 um Eins inkrementiert, so dass sein Gesamtzählstand für die Gesamtanzahl von Datenpunkten repräsentativ ist, die für die aktuelle Auswertungsperiode ausgewertet worden sind, welche beispielsweise in der Größenordnung von 250 ms liegen kann. Auf diese Weise werden drei Datenpunkte aus sämtlichen Datenpunkten, die in jeder 250 ms-Periode verarbeitet worden sind, ausgewählt, und ihre jeweiligen Winkelpositionen kommen einer 120°-Beabstandung auf dem Abtastkreismuster am nächsten.
  • Ein beispielhaftes Ablaufdiagramm der Geschwindigkeits-Funktions-Routine 480, die bei dieser Ausführungsform alle 250 ms abläuft, ist in 29 gezeigt. Gemäß 29 wird in Block 560 der Datenpunktzähler ausgelesen, um festzustellen, ob in der vorhergehenden Auswertungsperiode mindestens drei Datenpunkte verarbeitet worden sind. Wenn dies der Fall ist, wird in Block 562 festgestellt, ob die Valid Flags für die 2. und 3. Datenpunkte als Richtig gesetzt sind, wodurch angezeigt wird, dass es drei Datenpunkte gibt, die unter die vorbestimmten Akzeptanzkriterien relativer Winkelpositionen um den Abtastkreis fallen, d.h. die ausgewählten Datenpunkte. Wenn dies der Fall ist, werden in Block 564 drei Geschwindigkeiten V1, V2 und V3 in einer Achse aus den Doppler-Frequenzen (Datenwörtern) der ausgewählten drei Datenpunkte ermittelt. Danach wird in Block 566 ein Strömungsgeschwindigkeits-Messwert in 3 Achsen aus den drei Geschwindigkeiten V1, V2 und V3, die in drei Achsen bestimmt worden sind, und deren jeweiligen Winkelpositionen a1, a2 und a3 (wobei t für alle 3 Datenpunkte fest ist) beispielsweise entsprechend den beispielhaften Gleichungen aus 20B ermittelt. Die auf dem vorbestimmten Koordinatensystem des LIDAR-Systems basierenden Geschwindigkeitskomponenten Vsx, Vsy und Vsz können in Block 568 in Geschwindigkeitskomponenten Vax, Vay und Vaz des Flugzeugs konvertiert werden, das das LIDAR-System an Bord hat. In Block 570 können die bei den oben beschriebenen Berechnungen verwendeten Daten auf die selbe Weise charakterisiert werden. Beispielsweise kann ein Daten-Gültigkeits-Flag auf Gute Daten gesetzt werden, wenn die Datenpunktverteilung in den Akzeptanzregionen als gut angesehen wird, und kann eine Datenrate berechnet werden. Schließlich werden vor der Rückkehr der Ausführung der Vordergrund-Funktions-Routine zu Block 522 sämtliche Flags, die von der Auswertungs-Funktions-Routine 478 in der vorhergehenden Auswertungsperiode gesetzt worden sind, in Block 572 für die nächste Auswertungsperiode zurückgesetzt.
  • Wenn in Block 560 festgestellt wird, dass in der vorhergehenden Auswertungsperiode weniger als drei Datenpunkte verarbeitet worden sind, wird die Datenqualität beispielsweise durch Setzen der Datengültigkeit auf eine niedrige Datenrate und Berechnen der Datenrate in Block 574 charakterisiert. Wenn ferner in Block 562 anhand der aktuellen Akzeptanzkriterien für die Datenpunktverteilung festgestellt wird, dass keine drei gültigen Datenpunkte zum Verarbeiten vorhanden sind, können in Block 576 die Daten beispielsweise durch Setzen der Datengültigkeit auf unzureichende Datenverteilung und Berechnen der Datenrate charakterisiert werden. Nach Ausführung von entweder Block 574 oder 576 wird die Programmausführung zum Zurücksetzen der Flags, wie oben beschrieben, an Block 572 weitergeleitet.
  • Ein beispielhaftes Ablaufdiagramm einer Ausgangs-Funktions-Routine 482, die zur Verwendung beim Beschreiben der programmierten Verarbeitung durch den Prozessor 88 geeignet ist, ist in 30 gezeigt. Diese Routine 482 wird ebenfalls beispielsweise alle 250 ms nach Ausführung der Geschwindigkeits-Funktions-Routine 480 aufgerufen. Gemäß 30 wird in Block 480 festgestellt, ob die Datengültigkeit auf eine niedrige Datenrate gesetzt worden ist, und wenn dies der Fall ist, wird in Block 582 ein bestimmter Mitteilungstext zum Anzeigen auf dem Bildschirm des Display 154 ausgewählt. Beispielsweise kann in Blöcken 582 und 588 ein Mitteilungstext, der eine Low Data Rate anzeigt, erzeugt und an das Display gesendet werden. Ferner kann in Blöcken 582 und 588 ein Signal, das zum Anzeigen einer niedrigen Daten rate formatiert ist, erzeugt und zu einem Interface mit anderen Flugzeug-Avioniksystemen geliefert werden. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann, wenn in Block 584 festgestellt wird, dass die Datengültigkeit auf unzureichende Datenverteilung gesetzt ist, eine entsprechende Textmitteilung erzeugt und an das Display gesendet und zur Verteilung an andere Flugzeug-Avioniksysteme formatiert werden, um diese Bedingung durch Blöcke 586 und 588 anzuzeigen. Wenn weder in Block 580 noch in Block 584 eine Richtig- oder Bestätigungs-Bedingung festgestellt wird, wird in Blöcken 587 und 588 eine Textausgabe oder -mitteilung, die den in 3 Achsen ermittelten Strömungsgeschwindigkeits-Messwert anzeigt, erzeugt und an den Anzeigebildschirm gesendet und wird ferner der Geschwindigkeitsmesswert formatiert und beispielsweise über (eine) mit dem Prozessor 88 verbundene Signalleitungen) an andere Flugzeug-Avioniksysteme gesendet. Wenn die Aufgaben aus Block 588 beendet sind, kehrt die Programmausführung zu Block 522 der Vordergrund-Funktions-Routine 476 zurück.
  • Obwohl oben eine Ausführungsform eines kombinierten LOAS- und LIDAR-Systems anhand des Blockschaltbilds aus 15 beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass von einem praktischen Standpunkt aus betrachtet bei Verwendung eines beweglichen Fahrzeugs, wie beispielsweise eines Helikopters oder UAV, die gemeinsamen optischen Elemente 284 in einem von den optischen Elementen eines einzelnen LOAS 280 oder des kombinierten Systems aus LOAS 280 und LIDAR 282 entfernt angeordneten Abtastkopf 600 vorgesehen sein können, wie in dem beispielhaften schematischen Blockschaltbild aus 31 gezeigt. Gemeinsame Elemente der Ausführungsformen aus 15 und 31 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der in 31 gezeigten Ausführungsform können die optischen Elemente von 280 und 282 in dem Fahrzeug angeordnet und von der Umgebung des Fahrzeugs gestützt und gegen diese geschützt sein. Eine herkömmliche Faseroptikverkablung kann für die optischen Wege 18 und 319 verwendet werden, die zu dem dichroitischen optischen Filterelement 320 führen und mit diesem ausgerichtet sind, wie oben anhand der in 15 gezeigten Ausführungsform beschrieben worden ist. Ein weiteres Faseroptikkabel dient als optischer Weg 322 von dem dichroitischen Filter 320 zu dem Abtastkopf 600, der die gemeinsamen optischen Elemente 284 enthält. Die Faseroptikverkabelung für den optischen Weg 322 kann innerhalb des Fahrzeugs einen Umweg machen, um den Abtastkopf 600 zu erreichen, der an einer Außenfläche des Fahrzeugs angebracht sein kann, damit die Strahlabtastmuster von dem Fahrzeug nach außen projiziert werden können. Bei dieser Ausführungsform können mehr als ein Abtastkopf verwendet werden, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird.
  • Ein geeignetes Ausführungsbeispiel des Abtastkopfs 600 ist schematisch in 32 gezeigt. Der Abtastkopf steuert die Bewegung der optischen Strahlabtastmuster entlang den drei Achsen 602, 604 und 606. Ein oberer Teil 608 des Abtastkopfs 600 kann an einer Fläche des Fahrzeugs angebracht sein, wie beispielsweise am vorderen Unterteil eines Helikopters oder UAV, wie schematisch in 21 gezeigt. Ein Fensterbereich 610 des Abtastkopfs 600, durch das die Abtaststrahlen emittiert werden, zeigt in die Bewegungsrichtung des Fahrzeugs oder den Flugweg, wenn das Fahrzeug ein Flugzeug ist. Das Faseroptikkabel des optischen Wegs 322 kann durch ein Loch in der Haut des Fahrzeugs und durch eine Öffnung 612 im oberen Teil 608 des Abtastkopfs in den Abtastkopf 600 führen. Die optischen Elemente in dem Abtastkopf 600, die nachstehend genauer beschrieben werden, bewirken, dass die den Weg 322 entlang laufenden Strahlen um 360° um die Achse 606 abgetastet werden. Eine (nicht gezeigte) herkömmliche Motoranordnung in dem Abtastkopf 600 steuert die Bewegung eines unteren Teils 614 des Abtastkopfs 600 um ±90° um die Achse 602 azimutal relativ zu dem Flugweg des Fahrzeugs. Diese Bewegung erfolgt entlang einer Fuge 616 zwischen den oberen und unteren Teilen 608 bzw. 614, und es erfolgt auf effektive Weise eine Bewegung des unteren Teils 614 um die Achse 606, wodurch das Strahlabtastmuster in einem schraubenförmigen Muster projiziert wird, bei dem es sich im Wesentlichen um das gleiche handelt wie bei dem, das anhand des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist.
  • Ein weiterer Teil 618 des Abtastkopfs 600, der den Fensterbereich 610 aufweist und sich in dem Teil 614 befindet, bewegt sich azimutal mit dem Teil 614. Ein (nicht gezeigter) weiterer Motor in dem Abtastkopf 600 steuert die Bewegung des Teils 618 um die Achse 604 um beispielsweise +30° bis –90° in die Höhe relativ zu dem Flugweg oder der Richtung des Fahrzeugs. Diese Bewegung bewirkt, dass sich die Achse 606 und die Abtastmuster mit dem Teil 618 in die Höhe bewegen. Bei dieser Ausführungsform kann der Fensterbereich 610 des Teils 618 derart gesteuert werden, dass er sich aufwärts und in den Teil 614 hinein bewegt, damit er bei Nichtbenutzung gegen die Umgebung geschützt ist. Die gewellte Haut oder Fläche im Bereich 620 im oberen Teil 608 dient bei Betrieb des Abtastkopfs als Wärmesenke zum Verbessern der Wärmeübertragung von dem Abtastkopf 600 weg.
  • Eine Skizze, die beispielhaft die gemeinsamen optischen Elemente in dem Abtastkopf 600 zeigt, ist in 33 dargestellt. Gemäß 33 ist die Faseroptikverkabelung des optischen Wegs 322 mit der Achse der Eingangsöffnung des Strahlaufweiters 20 ausgerichtet. Der aus dem Aufweiter 20 austretende Strahl kann von einem Klappspiegel 325 über einen optischen Weg 324 reflektiert und in das sich drehende optische Element 32 geleitet werden. Bei dieser Ausführungsform weist das sich drehende optische Element 32 ein sich drehendes optisches Keilelement 622, das um die Achse 606 zentriert ist und sich um diese dreht, eine ebene Fläche 624 auf seiner Eingangsseite und eine in einem vorbestimmten Winkel geneigte Fläche an seiner Ausgangsseite auf. Es sei darauf hingewiesen, dass andere Elemente als sich drehendes optisches Element 32 verwendet werden können, wie beispielsweise eine transparente Flüssigkristall-Abtasteinrichtung, ohne dass dadurch von den weitreichenden Prinzipien der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Der über den Weg 324 geleitete Strahl ist mit der Achse 606 ausgerichtet und wird von der Eingangsseite zu der Ausgangsseite des Keilelements 622 geführt. Der Lichtstrahl wird auf seinem Weg durch das Keilelement 622 gebrochen und tritt senkrecht zu der geneigten Ausgangsfläche 626 des Keilelements aus. Diese Brechung des Lichtstrahls bewirkt, dass dieser als Strahl 36 in einem Winkel 628 zu der Achse 606 durch den Fensterbereich 610 aus dem Abtastkopf 600 austritt. Entsprechend wird, wenn das optische Keilelement 622 um 360° um die Achse 606 gedreht wird, der Strahl 36 konisch von dem Abtastkopf 600 projiziert, um das Abtastmuster 630 zu bilden. Rückstrahlen folgen denselben optischen Wegen wie die emittierten Strahlen, wie oben beschrieben. Der Fensterbereich 610 kann ein durchsichtiges, ebenes, Nullleistungs-Element aus einem Material, wie beispielsweise Glas, aufweisen, um im Wesentlichen nicht mit dem Abtastmuster des austretenden Strahls 36 zu interferieren. Bei dieser Ausführungsform sind das optische Keilelement 622 und das Fenster 610 strukturell miteinander gekoppelt, um sich gemeinsam entlang dem Azimutalweg 632 und dem in die Höhe führenden Weg 634 zu bewegen, damit sich die optische Achse 606 gemeinsam mit diesen bewegt. Auf diese Weise wird das Abtastmuster 630 gezwungen, sich zusammen mit den Teilen 614 und 618 des Abtastkopfs 600 azimutal und in die Höhe zu bewegen.
  • Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung mehr als einen Abtastkopf an unterschiedlichen Stellen des Fahrzeugs aufweisen. Je nach Anwendung können bei einigen der Abtastköpfe weniger optische Elemente und weniger Abtastwinkel verwendet werden, als bei der in 32 und 33 gezeigten Ausführungsform beschrieben. Bei einer Anwendung kann der Abtastkopf 600 im vorderen unteren Teil eines Helikopters oder UAV angebracht sein, wie oben beschrieben, um beispielsweise Objekte und Windbedingungen vor dem und an den Seiten des Flugzeugs zu detektieren, und kann ein zweiter Abtastkopf 640 beispielsweise am Rumpfende des Helikopters angebracht sein, um Objekte hinter dem und an den Seiten des Flugzeugs zu detektieren. Ein für diese Anwendung geeignetes System ist in dem schematischen Blockschaltbild aus 34 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein optischer Schalter 642 in dem optischen Ausgangsweg 644 des LOAS 280 angeordnet. Der Weg 644 kann von einem Faseroptikkabel gebildet sein. Der optische Schalter 642 kann von einem Signal 646 gesteuert werden, um den Strahl des Wegs 644 zu einem von mehreren optische Wegen zu leiten. Beispielsweise kann der optische Schalter 642 derart gesteuert werden, dass der LOAS- Strahl über das Faseroptikkabel des Wegs 18 zu dem dichroitischen Filter 320 und weiter zu dem Abtastkopf 600 geleitet wird, wie oben anhand von 31 beschrieben, oder dass der Strahl über einen optischen Weg 648, der von einem Faseroptikkabel gebildet sein kann, zu dem hinteren Abtastkopf 640 geleitet wird, oder dass der Strahl über andere optische Wege 650 zu (nicht gezeigten) anderen Abtastköpfen, die an anderer Stelle an dem Fahrzeug angebracht sind, geleitet wird. Die Rückstrahlen folgen im Wesentlichen demselben optische Weg wie der geleitete Strahl.
  • Eine geeignete Ausführungsform des optischen Hochgeschwindigkeitsschalters 642 ist in der Skizze aus 35 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein Kippspiegelelement 652 mit vertikalen Gelenken 654 und 656 befestigt, um derart gesteuert zu werden, dass es sich in einer horizontal verlaufenden Drehung um die Gelenke bewegt, und es ist mit horizontalen Gelenken 658 und 660 befestigt, um derart gesteuert zu werden, dass es sich in einer vertikal verlaufenden Drehung um die Gelenke bewegt. Der optische Schalter kann unter Anwendung von micro-electromechanical system-(MEMS-)Techniken auf einem Substrat ausgebildet werden, wobei Miniaturmotore zum Steuern der Bewegung der verspiegelten Elemente 652 mit den angelenkten Halterungen gekoppelt sind, um den Strahl 644 zu einer beliebigen Zeit zu einem der optische Wege 18, 648 oder 650 zu leiten. Entsprechend können der Strahl 644 und seine Rückstrahlen durch Steuern des optischen Schalters mittels des Steuersignals 646, das die Motore des Schalters positioniert, auf die genannten Wege gemultiplext werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 35 gezeigte Ausführungsform nur ein Ausführungsbeispiel des optischen Schalters 642 ist und dass andere Ausführungsformen ebenfalls verwendet werden können. Beispielsweise kann eine sich drehende Scheibe mit einem im Wesentlichen durchsichtigen Teil, der den Strahl und seine Rückstrahlen entlang den Wegen 18, 648 und 650 durchlässt, und einem Teil, der eine reflektierende Beschichtung aufweist, die bewirkt, dass der Strahl und seine Rückstrahlen entlang einem anderen dieser Wege reflektiert werden, von einem durch das Steuersignal 646 gesteuerten Motor positioniert werden, um den Strahl 644 und seine Rückstrahlen durch Weiterleitung oder Reflexion zu einem bezeichneten optischen Weg zu leiten.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform, die in dem schematischen Blockschaltbild aus 36 dargestellt ist, können mehrere Abtastköpfe an verschiedenen Stellen an dem Fahrzeug angebracht sein, um Objekte zu detektieren und Windbedingungen in vorbestimmten Regionen um die Abtastkopfpositionen herum zu ermitteln. Beispielsweise kann ein Abtastkopf 662 an einem Flügel eines Flugzeugs oder einer Seite eines Fahrzeugs und kann ein weiterer Abtastkopf 664 an dem anderen Flügel oder der anderen Seite angeordnet sein. Der Abtastkopf 662, der an dem rechten Flügel oder der rechten Seite relativ zu dem Richtungsvektor des Flugzeugs angebracht ist, kann derart eingestellt sein, dass er eine Azimutabtastung von 0° bis +90° (wobei 0° der Richtungsvektor des Fahrzeugs ist) durchführt, um die vordere rechte Seitenregion des Fahrzeugs abzudecken. Auf im Wesentlichen gleiche Weise kann der Abtastkopf 664, der an dem linken Flügel oder der linken Seite relativ zu dem Richtungsvektor des Fahrzeugs angebracht sein kann, derart eingestellt sein, dass er eine Azimutabtastung von 0° bis –90° durchführt, um die vordere linke Seitenregion des Fahrzeugs abzudecken. Weitere Abtastköpfe können an anderen Stellen, wie beispielsweise dem Rumpfende des Flugzeugs oder dem hinteren Teil des Fahrzeugs, angebracht sein. Alle diese Abtastköpfe werden von einem einzelnen LOAS oder einem kombinierten System aus LOAS 280 und LIDAR 282 verarbeitet. Aus diesem Grund wird ein optischer Hochgeschwindigkeits-Schalter 666 zum Multiplexen der emittierten Strahlen des einzelnen oder kombinierten Systems und deren Rückstrahlen zu optischen Wegen 668, 670 und 672 zu und von den Abtastköpfen 662, 664 bzw. anderen verwendet und gesteuert. Bei dieser Ausführungsform kann der Schalter 666 mit dem optischen Weg der LOAS- und/oder LIDAR-Strahlen, die aus dem dichroitischen Filter 320 austreten, in Reihe angeordnet sein, und es kann sich dabei um den gleichen oder einen im Wesentlichen gleichen Typ eines optischen Schalters handeln, wie dem, der bei der in 35 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird.
  • Obwohl die Aspekte der vorliegenden Erfindung oben in Zusammenhang mit einer Vielzahl von Ausführungsformen beschrieben worden sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsformen nur beispielhaft dargestellt sind und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung angesehen werden dürfen. Vielmehr sind die vorliegende Erfindung und sämtliche erfindungsgemäßen Aspekte gemäß den beiliegenden Patentansprüchen auszulegen.

Claims (21)

  1. Blockanordnung von optischen Elementen zur Verwendung als Sender/Empfänger für ein Lichtdetektions- und -entfernungsmess-(LIDAR-)System, wobei die Blockanordnung aufweist: mehrere Glasmodule (362, 364, 370, 372, 378, 380, 386, 404, 412, 408, 422), die in Form eines Blocks (350, 400) miteinander ausgerichtet sind, um mehrere optische Wege in diesem zu bilden, und die aneinander befestigt sind, um diese Ausrichtung aufrechtzuerhalten; eine an dem Block (350, 400) aus Glasmodulen befestigte Lichtquelle (286, 290) kollimierten Lichts zum Erzeugen eines kohärenten Lichtstrahls über mindestens einen optischen Weg (354, 366, 402) in dem Block aus Glasmodulen, der den kohärenten Lichtstrahl zu einer Austrittsstelle (356, 410) des Blocks aus Glasmodulen führt; einen an dem Block (350, 400) aus Glasmodulen befestigten Lichtdetektor (314); wobei der Block (350, 400) aus Glasmodulen zum Empfangen eines kohärenten Rücklichtstrahls (360, 432) und zum Leiten des kohärenten Rücklichtstrahls über mindestens einen anderen optischen Weg (374, 366, 434, 436) in dem Block (350, 400) aus Glasmodulen zu dem Lichtdetektor (314) vorgesehen ist.
  2. Blockanordnung nach Anspruch 1, mit einem an der Austrittsstelle (356, 410) des Blocks (350, 400) aus Glasmodulen befestigten Lambda- Viertel-Plättchen (298); wobei der erzeugte Lichtstrahl durch das Lambda-Viertel-Plättchen (298) aus dem Block (350, 400) aus Glasmodulen austritt; und wobei der Rücklichtstrahl über das Lambda-Viertel-Plättchen (298) von dem Block (350, 400) aus Glasmodulen empfangen wird.
  3. Blockanordnung nach Anspruch 2, bei der das Lambda-Viertel-Plättchen (298) an der Austrittsstelle (356, 410) mit dem Block (350, 400) aus Glasmodulen verklebt ist.
  4. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der zwei der Glasmodule (362, 364, 404, 408) der mehreren Glasmodule miteinander verklebt sind, um einen ersten Strahlteiler (294) zu bilden, der zum Durchlassen von Licht in einem ersten Polarisierungszustand und zum Reflektieren von Licht in einem zweiten Polarisierungszustand in dem optischen Weg (354, 402) des erzeugten kohärenten Lichtstrahls angeordnet ist.
  5. Blockanordnung nach Anspruch 4, bei der der erste Strahlteiler (294) ferner in dem Weg (366, 374, 434) des kohärenten Rücklichtstrahls angeordnet ist.
  6. Blockanordnung nach Anspruch 5, bei der der Block (350, 400) aus Glasmodulen eine Öffnung (376, 420) zum Befestigen eines akustooptischen Modulators (AOM) (304) aufweist.
  7. Blockanordnung nach Anspruch 6, bei der der AOM (304) in dem optischen Weg (368, 414) des von dem ersten Strahlteiler (294) reflektierten Lichts angeordnet ist.
  8. Blockanordnung nach Anspruch 7, bei der zwei weitere Glasmodule (370, 372, 408, 422) der mehreren Glasmodule miteinander verklebt sind, um einen zweiten Strahlteiler (308) zu bilden, der in den optischen Wegen (374, 390, 434, 430) des kohärenten Rücklichtstrahls und des aus dem AOM (304) austretenden Lichts angeordnet ist, wobei der zweite Strahlteiler (308) zum Führen von Teilen sowohl des kohärenten Rücklichtstrahls als auch des aus dem AOM (304) austretenden Lichts zu dem Lichtdetektor (314) vorgesehen ist.
  9. Blockanordnung nach Anspruch 7, bei der eines der Glasmodule (378, 412) der mehreren Glasmodule ein Dove-Prisma aufweist, das mit mindestens einem anderen Glasmodul (380, 404) verklebt ist, um einen optischen Weg (368, 414) zum Führen des von dem ersten Strahlteiler (294) reflektierten Lichts zu dem AOM (304) zu bilden.
  10. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der die mehreren Glasmodule (362, 364, 370, 372, 378, 380, 386, 404, 412, 408, 422) durch Kleben mittels eines Klebers aneinander befestigt sind.
  11. Blockanordnung nach Anspruch 10, bei der der Kleber einen ultraviolettgehärteten optischen Kleber aufweist.
  12. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der mindestens eines der Glasmodule (378, 386, 412, 422) der mehreren Glasmodule mindestens eine polierte Fläche (382, 384, 388, 416, 418, 428) zum Bilden eines optischen Wegs des Bocks (350, 400) aus Glasmodulen durch interne Lichtreflexion aufweist.
  13. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (286, 290) kollimierten Lichts eine Laserdiode (286) aufweist.
  14. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der der Lichtdetektor (314) eine Fotodiode aufweist.
  15. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (286, 290) kollimierten Lichts an einer Seite des Blocks (350, 400) aus Glasmodulen befestigt ist und sich die Austrittsstelle (356, 410) an einer anderen Seite des Blocks (350, 400) aus Glasmodulen befindet.
  16. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (286, 290) kollimierten Lichts an einer Seite des Blocks (350, 400) aus Glasmodulen befestigt ist und der Lichtdetektor (314) an einer anderen Seite des Blocks (350, 400) aus Glasmodulen befestigt ist.
  17. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der der Block (350, 400) aus Glasmodulen eine Öffnung (376, 420) zum Befestigen eines akustooptischen Modulators (AOM) (304) aufweist.
  18. Blockanordnung nach Anspruch 17, mit einem Strahlkorrektur-Optikelement (424) in dem optischen Weg des aus dem AOM (304) austretenden Lichts.
  19. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der zwei Glasmodule (370, 372, 408, 412) der mehreren Glasmodule miteinander verklebt sind, um einen Strahlteiler (308) zu bilden, der zum Führen eines Teils des kohärenten Rücklichtstrahls zu dem Lichtdetektor (314) in dem optischen Weg des kohärenten Rücklichtstrahls angeordnet ist.
  20. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der durch die Ausrichtung der Glasmodule ein geradliniger optischer Weg (354, 366, 402) für den kohärenten Lichtstrahl zwischen der Lichtquelle (286, 290) kollimierten Lichts und der Austrittstelle (356, 410) des Blocks (350, 400) von Glasmodulen gebildet ist.
  21. Blockanordnung nach Anspruch 1, bei der die optischen Wege (366) der erzeugten und zurückkehrenden Lichtstrahlen innerhalb des Blocks (350, 400) von Glasmodulen kolinear sind.
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