SE455025B - Forfarandet for att bestemma leget av banan for ett pulsat ljusstralknippe - Google Patents

Description

455 025 H .I 2 un Detta uppnås enligt uppfinningen därigenom att med användning av en ljuskänslig detektoranordning, som har en känslighetslob med given be- . gränsad lobbredd, tidsavstándet mellan framflanken och bakflanken av den spridda strålning som detekteras av detektoranordningen till följd av ljuspulsernas passage genom känslighetsloben, d.v.s. den spridda strål- ningens pulsbredd eller pulslängd, mätes upp i minst tvá olika riktningar av känslighetsloben och att ljusbanans läge bestämmes med ledning av de uppmätta pulsbredderna i kombination med de tillhörande kända lobrikt- ningarna. , Genom att enligt uppfinningen fastställa tidsläget för bade fram- flanken och bakflanken av den spridda strålning som när detektoranord- ningen i varje känslighetslob behöver i princip mätning bara ske i tva känslighetslober för att ljusbanan skall kunna bestämmas. Redan en mät- ning 1 tre lober ger en överbestämning, som kan utnyttjas för att elimi- nera osäkerheter i mätningen.

Vid en föredragen utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen används en detektoranordning vars känslighetslob är vridbar till olika vinkellägen från mätning till mätning, varvid längden av den detekterade pulsen av spridd strålning bestämmas för minst tvá olika givna vinkel- lägen av känslighetsloben. En sådan detektoranordning med en vridbar känslighetslob är avsevärt mycket enklare än en som har fasta lober i ett antal som täcker det önskade övervakningsomrádet. Eftersom mätning härvid sker vid olika vridningslägen och således vid olika tidpunkter krävs dock i detta fall att flera ljuspulser går fram i banan som skall bestämmas.

Detta gäller t.ex. för lasermàlsökare. Genom lämpligt val av känslighets- lobens vridningshastighet relativt ljuspulsfrekvensen i banan kan härvid mätning ske i ett stort antal riktningar, t.ex. fem eller mera, vilket ökar noggrannheten vid banbestämningen.

Uppfinningen bygger på att bredden eller längden av de vid mät- stället uppmätta pulserna av spridd strålning varierar från mätning till mätning, d.v.s. fràn ett läge till ett annat av känslighetsloben, på ett sätt som beror pá ljusbanans läge relativt mätstället. Ljusbanans läge kan t.ex. uttryckas i de två variablerna: kortaste avståndet mellan ljus- = banan och mätstället samt vinkeln mellan banan och en.fast referensrikt- ning genom mätstället. Förutom dessa okända variabler beror de uppmätta pulsbredderna på känslighetslobens riktning, vilken är känd vid varje ' mätning, liksom den även kända bredden av känslighetsloben.

När man sätter upp sambanden mellan de av detektoranordningen upp- 455 qgs mätta pulsbredderna och de kända parametrarna samt okända varíablerna visar det sig att dessa samband inte kan reduceras så att de okända va- riablerna kan uttryckas explicit. Därför sker lämpligen beräkningen av banans läge från ett antal mätvärden avseende uppmätta pulsbredder och tillhörande lobriktningar genom ett iterativt beräkningsförfarande. Al- ternativt är det emellertid även möjligt att bestämma banans läge genom sökning i en tabell som gjorts upp i förväg i enlighet med nämnda sam- band.

I det föregående principiella resonemanget har längden av de pri- mära ljuspulserna, som förorsakar den detekterade spridda strålningen, antagits vara så liten att den kan försummas. Om så ej är fallet inverkar även ljuspulsernas längd på de uppmätta pulsbredderna och denna pulslängd kommer in som en tredje okänd variabel. Om man har mätvärden i minst tre lobriktningar kan i princip även pulslängden bestämmas. Med ett ytter- ligare större antal mätvärden för en och samma ljusbana kan även andra osäkerheter i mätningen elimineras, t.ex. sådana som är förorsakade av signalbrus.

Uppfinningen beskrivs med hjälp av exempel under hänvisning till bifogade ritning, där §ig_1 visar en översiktsvy av en anläggning för be- stämning av läget av en laserljusbana i enlighet med uppfinningens prin- ciper, §ig_¿ visar principiellt hur en detektoranordning för uppmätning av spritt ljus från en ljuspuls kan vara uppbyggd, och jig_1 visar ett tidsdiagram illustrerande hur den i detektoranordningen erhållna signalen kan variera med tiden.

Enligt fig 1 är en laser placerad i punkten A och avger pulser ut- efter en lob vars centrum benämnas optiska axeln 0. Genom kontakt med partiklar i luften avges spridd strålning från pulsen längs hela loben.

En lasermottagare eller laservarnare placerad i punkten F utanför den op- tiska axeln tar emot den spridda stràlningen då laserpulsen befinner sig innanför gränserna till mottagarens känslighetslob. I det i fig 1 givna exemplet skär gränserna av mottagarens känslighetslob den optiska axeln O i punkterna B och D, medan känslighetslobens mittlinje skär optiska axeln i punkten C. Längden av mottagen puls Adm som detekteras i detektnran- ordningen i punkten F är därvid: Adm=eD+nr-BP I KU) Läget av laserlobens optiska axel 0 bestäms relativt en referens- linje R som gär genom mätpunkten 2. Laserbanan bestäms närmare bestämt av tvâ variabler: dels av vinkeln 0 mellan referenslinjen R och optiska 455 025 h n! axeln 0 och dels av kortaste avståndet do mellan optiska axeln 0 och mätpunkten F. Kortaste avståndet mellan axeln O och mätpunkten ligger ut- efter normalen till axeln genom mätpunkten. vilken normal skär den optis- ka axeln i punkten E. Storheterna b' och dn är således de variabler som skall beräknas genom förfarandet enligt uppfinningen.

Kända parametrar vid beräkningarna är vinkeln a mellan mittlinjen av mottagarens kânslighetsloh och referenslinjen R samt den vinkel som känslighetsloben innesluter. Enligt fig 1 är denna vinkel betecknad med 2 A8. Med 8 betecknas i fig 1 vinkeln mellan känslighetslobens mittlinje och laserlobens optiska axel. Denna vinkel 6 är okänd och representerar en hjälpstorhet som används vid framtagningen av de matematiska sambanden för beräkning av do och.6.

I fig 2 visas den principella uppbyggnaden av en ljuskänslig detek- toranordning som är placerad vid mätstället P. Anordningen består av ett linssystem, på ritningen representerat av samlingslinsen H, en detektor- platta N samt en förstärkare P. Ut frán förstärkaren erhålles en ström I som representerar antalet fotoner som uppfángas per tidsenhet av detek- torplattan, d v s. inom känslighetsloben 2 A8. Dessutom finns en ej visad vridmekanism varigenom känslighetsloben kan bringas att inta olika vin- kellägen i ett givet plan. Denna mekanism kan innefatta ett system av rörliga speglar eller alternativt en vridanordning för hela detektorn.

Vridplanet sammanfaller i fig 1 med papperets plan och vridning av käns- lighetsloben innebär att olika kända värden på a ställes in. Vridning kan ske kontinuerligt, varvid vridningshastigheten är så låg relativt ljus- hastigheten att u kan betraktas såsom konstant under varje mätning.

Som detektoranordning i mätpunkten F kan varje känd detektoranord- ning med vridbar känslighetslob användas, vilken har tillräcklig känslig-- het.

När en ljuspuls passerar i sin bana utefter axeln 0 och mottagarens känslighetslob är riktad mot denna bana får mottagaren ta emot spridd strålning frán pulsen så länge denna befinner inom känslighete- loben. Detta ger en strömpuls i mottagaren som kan variera med tiden t på det i fig 3 visade sättet. Den mätstorhet som utnyttjas vid beräkningen av laserbanan är den mottagna pulsens längd eller bredd som betecknas med Adm. För varje mätning bestäms denna pulslängd eller pulsbredd och lag- ras tillsammans med tillhörande värde pà vinkeln u. När man har minst tva samhörande värden på Adm och u kan vinkeln ß'och avståndet do be- räknas. Ytterligare mätvärden kan utnyttjas för att förbättra noggrann- heten i beräkningarna.

Grundekvationen är det samband (1) som givits i det föregående och som gäller under förutsättning att längden av den primära laserpulsen, som förorsakar den detekterade spridda strålningen, kan försummas.

Vid den efterföljande härledningen av de samband som används vid beräkningen betraktas en punkt G pà den optiska axeln 0, vilken punkt G kan inta ett godtyckligt läge längs axeln O. Vidare definieras följande storheter: Z=EG L = AE dm=Ac+Gr-As Följande ekvationer gäller då: dm = L + z + Vdoë + z2 - L - (2) tgB.= do/z (3) Genom att bryta ut do ur högra ledet av (2) och ersätta do/z med tgfl enligt (3) fås efter vanliga trigonometriska förenklingar: 1-cosfl 2 sin28/2 sinfl 2 sinäïï cosß/2 Eftersom man ej känner B men väl vinkeln u så skriver man fam/ao = = tona/z) <4) B = u - Ef (5) där ß'är den vinkel som skall beräknas. Därvid får man ur sambandet (4) att dm/do = t9[(d - Q)/2] (6) Nu kan man bilda mottagarpulsens längd genom att ta skillnaden mellan dm för G = D och dm för G = B.

Eftersom tg 1/2 (8 É AB) = (sinfi É sinA8)/(cosfl + cosA8) (7) så blir därvid 455 025 h |I 6 sinfl + sin A8 sinfi-sinA8 Adm/d = _ 0 cosfl + cosAH cosß + cosAB Efter förenkling fås Adm/do = 2 sin AB/(cosß + cos AB) (8) Efter insättning av ekvation (5) erhålles Adm/do = 2 sin A8/(cos(u-ø) + cos AB) (9) Om mätning n betecknas med index n erhålles efter omskrivning av ekvation (9): Admln/do = 2 sin AH/(cos(un - ßd + cos A8) (10) Om B'är känd så kan do bestämmas ur ekvation (10). variabeln do kan bestämmas ur ekvation (10) på följande sätt: Adm,1 C0S(u2 - ëfi + cos A8) (11) Adm,2 cos(u1 - ed + cos A8) där variablen ß'är implicit.

Roten till den icke linjära ekvationen (11) kan alltså ej uttryckas i sluten form. Vi är därför hänvisade till approximativa metoder. Under rubriken 'Icke linjära ekvationer" i boken av Å. Björk. C. Dahlquist 'Numeriska metoder' ges flera användbara metoder, t.ex. Newton-Raphsons iterationsmetod.

Ovanstående beräkningar har förutsatt att laserpulsens längd är mycket mindre än mottagarpulsens längd. Detta är emellertid ej alltid fallet. Speciellt för.smâ värden på B dominerar laserpulsens längd över mottagarpulsens. Man kan därför i praktiken ofta anse att den kortaste mottagarpulsen representerar laserpulsen filtrerad i mottagaren.

Om man inte kan avgöra spridningsvinkelns B värde kan man falta laserpulsen med mottagarloben och mottagarfiltret och därefter lösa ut laserpulsens längd och övriga storheter med approximativa metoder. Detta innebär ett omfattande räknearbete. I de fall da hög precision icke 1. n 455 o_2_s efterfrågas kan man ersätta faltningarna med ett approximativt uttryck.

En praktisk form har följande uttryck: - am- = faLz + amz' (12) där dm' är den uppmätta mottagarpulsens längd och dL är laserpulsens längd. Detta medíör att man mäste utveckla exempelvis Newton-Raphsons me- tod för två variabler.

Hittills har det förutsatts att mätningarna är exakta. Sá är givet- vis ej fallet. Det förekommer fel av olika slag. Ett grundläggande fel är mottagarens brus ty det är oundvikligt. Därtill kommer fel som har med metoden att mäta pulslängden att göra.

Man kan minska felet genom att göra fler än tva mätningar och sedan genom beräkning sammanjämka svaren. Det enklaste är att enligt Newton- Raphsons metod beräkna flera svar ur ett större mätmaterial än två. Där- efter bildar man det slutliga svaret som medelvärdet av delsvaren. Därvid förkastar man värden som är klart orimliga. Denna metod är dock ej opti- mal. En optimal metod kan uppställas för ett linjärt system. vid användning av en detektoranordning med en vridbar känslighets- lob måste som nämnts minst två mätningar ske i olika riktningar av käns- lighetsloben och minst tva pulser mäste passera banan som skall bestäm- mas. Med en liten modifikation av detektoranordningen, bestående i att den har två inbördes fasta känslighetslober, kan banan emellertid i prin- cip bestämmas redan för en enda puls. Med olika inriktningar av dessa känslighetslober kan sedan en överbestämning erhållas, vilken utnyttjas för att förbättra noggrannheten i banbestämningen.

Claims (2)

455 025 h :I Batentkrav.

1. Förfarande för att bestämma läget av banan för ett pulsat ljus- strálknippe, som går genom ett luftrum, genom att från ett mätställe vid sidan om ljusbanan medelst en ljuskänslig detektoranordning ta emot spridd strålning från ljuspulserna vid olika ställen av banan, k ä n n e t e c k n a t av att en ljuskänslig detektoranordning användes, vilken har en känslighetslob med given begränsad lobbredd, och att tidsavstándet mellan framflanken och bakflanken av den spridda strålning som detekteras av detektoranordningen till följd av ljuspulsernas passage genom känslig- hetsloben, d.v.s. den spridda strálníngens pulsbredd eller pulslängd, mä- tes upp i minst tvâ olika riktningar av känslighetsloben och ljusbanans läge bestämmes med ledning av de uppmätta pulsbredderna i kombination med de tillhörande kända lobriktningarna.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, i det fall då upprepade pulser sänds i stràlbanan som skall bestämmas, k ä n n e t e c k n a t av att känslighetsloben under mätningen bringas att inta olika riktningar eller vinkellägen och att bredden av den spridda strålning som detekteras i de- tektoranordningen bestämmes för minst tvâ olika givna vinkellägen av känslighetsloben. (Ä u