DE3633681A1 - Vorrichtung zur bestimmung der entfernung zwischen zwei koerpern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Be­ stimmung der Entfernung zwischen zwei Körpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Vorrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 basieren auf der Erkenntnis, daß durch Interpolation der Schwerpunkt eines auf einem Detektorarray auftreffenden Lichtflecks mit einer Genauigkeit bestimmt werden kann, die wesentlich kleiner als der Durchmesser eines Sensor­ elements ist, sofern der Durchmesser des Lichtflecks größer als der Durchmesser eines Sensorelements ist. Typischerweise kann der Schwerpunkt mit einer Auflösung von 10% bis 2% des Durchmessers eines Sensorelements bestimmt werden. Eine entsprechende "Verschmierung des Lichtflecks über mehrere Sensorelemente" kann beispiels­ weise durch eine entsprechende Abbildung, durch Defokus­ sieren und/oder gezieltes Einführen von Aberrationen erreicht werden.

Bei der Bestimmung des Schwerpunkts von mehreren Licht­ flecken ist es natürlich erforderlich, daß sich die ein­ zelnen Lichtflecke nicht überlagern: Bei Überlagerung mehrerer Lichtflecke würden nämlich nicht die Einzel­ schwerpunkte der Lichtflecke, sondern der gemeinsame Schwerpunkt der sich überlagernden Lichtflecke bestimmt.

Damit begrenzt bei Vorrichtungen zur Bestimmung der Ent­ fernung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die Forderung, daß sich die einzelnen Bilder der Retroreflek­ toren nicht überlagern, bei einem gegebenen Gesichtsfeld des Detektorarrays und einem gegebenen Abstand der einzel­ nen Retroreflektoren die maximal zu bestimmende Entfer­ nung. Beispielsweise kann mit einem Detektorarray mit 385 ×288 Sensorelementen mit einer Abmessung von jeweils 22 µm×22 µm und einem Gesichtsfeld von 0,67°×0,5° bei einem Retroreflektorabstand von 0,8 m die Entfernung von Körpern bis maximal 4400 m bestimmt werden. Größere Entfernungen lassen sich nicht mehr auflösen, da sich die Bilder der Retroreflektoren dann überlagern würden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Körpern anzu­ geben, die die Bestimmung größerer Entfernungen als bei den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Vorrichtungen möglich macht.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, Bilder von Retroreflektoren, die winkelmäßig bei gegebener Detektor­ array-Konfiguration nicht mehr auflösbar sind, durch eine optische Kodierung unterscheidbar zu machen.

Diese optische Kodierung kann bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch erfolgen, daß die Beleuchtungseinrichtung die Retroreflektoreinheit nacheinander mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge beleuchtet und jeder der Retroreflektoren nur Licht einer Wellenlänge reflektiert. Hierdurch treffen die Bilder der einzelnen Retroreflektoren nacheinander auf dem Detektor­ array auf. Da sich somit keine Bilder überlagern können, kann der Schwerpunkt eines jeden Bildes mit der maximal möglichen Auflösung auch bei großen Objektentfernungen problemlos bestimmt werden. Der maximal meßbare Abstand ist damit nur noch durch das Auflösungsvermögen des Detek­ torarrays für den Schwerpunkt eines Lichtflecks begrenzt, oder anders ausgedrückt dadurch, daß die Lageunterschiede der Bilder der einzelnen Retroreflektoren noch aufgelöst werden können. Beispielsweise erhält man mit dem einlei­ tend als Beispiel angegebenen Detektorarray und den glei­ chen Gesichtsfeld-und Retroreflektorabstands-Daten mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Grenzentfernung von 132 km. Die maximal noch bestimmbare Entfernung ist damit um den Faktor 30 größer als bei Vorrichtungen, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zugrundegelegt sind.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beispielsweise ist es gemäß Anspruch 2 möglich, durch Verwendung von mindestens drei Retroreflektoren, die so ausgestaltet sind, daß sie eindeutig identifizierbar sind, nicht nur die Entfernung zwischen den beiden Körpern, sondern auch deren Relativlage zu bestimmen. Die Identifi­ zierung der einzelnen Retroreflektoren kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß sie unterschiedlichen Abstand und/ oder Reflektionsvermögen für das auftreffende Licht haben.

Die erfindungsgemäß verwendete optische Kodierung kann nicht nur dazu verwendet werden, die einzelnen Retrore­ flektoren der Retroreflektoreinheit zu unterscheiden, sondern auch unterschiedliche Körper zu identifizieren. Eine Möglichkeit hierfür ist im Anspruch 3 gekennzeichnet.

Selbstverständlich kann basierend auf den erfindungsge­ mäßen Grundgedanken, die eine höchstgenaue Bestimmung der Bild-Schwerpunkte der einzelnen Retroreflektoren erlauben, auch andere Möglichkeiten zur Identifizierung verwendet werden. Beispielsweise können bestimme Konfigurationen von Retroreflektoren zur Identifizierung eingesetzt werden.

In Anspruch 4 ist eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung gekennzeichnet, die in einfacher Weise eine optische Kodierung ermöglicht.

Der erfindungsgemäße Grundgedanke der optischen Kodierung kann durch die Verwendung einer Optik mit variabler Brenn­ weite, beispielsweise einer Vario- oder Schaltoptik in vorteilhafter Weise weitergebildet werden; mit einer derartigen Optik kann das Gesichtfeld des Sensors der zu messenden Entfernung angepaßt werden, so daß in einem bestimmten Entfernungsbereich mit besonders hoher Auflö­ sung gemessen werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung ist im Anspruch 6 gekennzeichnet: Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nicht nur die Bestim­ mung des Abstandes zwischen zwei Satelliten, sondern auch die Ermittlung deren Relativlage sowie die Unterscheidung mehrerer unterschiedlicher Körper.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebil­ dete Beleuchtungseinrichtung und einen Sensor,

Fig. 2a die Anordnung der Retroreflektoren,

Fig. 2b die Wellenlängencharakteristik der Beleuchtungs­ einrichtung,

Fig. 2c die Wellenlängencharakteristik der Retroreflek­ toren, und

Fig. 3 verschiedene Bilder der Retroreflektoren auf dem Detektorarray.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Beleuchtungseinrichtung für in Fig. 1 nicht dargestellte Retroreflektoren sowie einen Sensor für das von den Retroreflektoren reflektierte Licht.

Die Beleuchtungseinrichtung weist vier Lichtquellen 11, 12, 13 und 14 auf, deren Licht über eine Prismenanordnung 2 und ein Projektionsobjektiv 3 in einen gemeinsamen Strahlengang 4 eingekoppelt wird. Der Strahlengang 4 ist auf eine Retroreflektoreinheit gerichtet, die an einem anderen Körper angebracht ist. Das von der Retroreflektor­ einheit reflektierte Licht 5 wird über ein in Fig. 1 lediglich schematisch dargestelltes Objektiv 6 auf ein Detektorarray 7 abgebildet.

Das Detektorarray 7 und die verschiedenen Lichtquellen 11 bis 14 sind über Leitungen 81, 82, 83, 84 und 85 mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden.

Fig. 2a zeigt die Anordnung von drei Retroreflektoren 91, 92 und 93. Die Retroreflektoren sind mit unterschied­ lichen Abständen x ₁ bzw. x ₂ an den Spitzen eines recht­ winkligen Dreiecks angeordnet. Vor den Retroreflektoren befinden sich nicht näher dargestellte Filter mit einer Transmissionscharakteristik, die den jeweiligen Retrore­ flektor/Filter-Einheiten die in Fig. 2c wiedergegebene Reflexionscharakteristik τ _i(g) geben.

Die Arbeitsweise der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung soll im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben werden.

Die nicht dargestellte Steuereinheit steuert über die Leitungen 81 bis 84 die Lichtquellen 11 bis 14 derart an, daß die Lichtquellen zeitlich nacheinander Licht emittie­ ren. Da - wie in Fig. 2b gezeigt - die Lichtströme I der einzelnen Lichtquellen unterschiedliche Wellenlängen haben, wird das Licht der Lichtquelle 11 nur von dem Retroreflektor 91, das der Lichtquelle 12 nur von dem Retroreflektor 92 und das der Lichtquelle 13 nur von dem Retroreflektor 93 reflektiert. Das Licht der Lichtquelle 14 wird überhaupt nicht reflektiert.

Je nach Abstand der in Fig. 1 dargestellten Beleuchtungs/ Sensoreinheit von der in Fig. 2a dargestellten Retrore­ flektoreinheit ergeben sich die in Fig. 3a bzw. 3b darge­ stellten Bilder der Retroreflektoren auf dem Detektorarray 7. Dabei treten die Bilder 91′, 92′ und 93′ der Retrore­ flektoren 91, 92 und 93 zeitlich nacheinander entsprechend dem Aufleuchten der Lichtquellen 11 bis 13 auf. Hierdurch ist es auch bei großen Entfernungen, bei denen sich die einzelnen Bilder - wie in Fig. 3b dargestellt - überlagern und nicht nur bei kleinen Entfernungen, bei denen die einzelnen Bilder getrennt sind (Fig. 3a) möglich, die durch "x" symbolisierten Schwerpunkte der Lichtflecke auf dem Detektorarray 7 mittels der nichtdargestellten Steuer­ einheit zu erfassen.

Die Ermittlung des Schwerpunkts der einzelnen Lichtflecke erfolgt dabei nach den bekannten Interpolationsformeln, die ähnlich den in der Mechanik für die Ermittlung des Massenschwerpunkts verwendeten Formeln sind, so daß hier­ auf nicht näher eingegangen werden muß.

Aus den ermittelten Schwerpunktlagen der Bilder der Retro­ reflektoren kann die nicht näher dargestellte Steuerein­ heit - beispielsweise ein Mikrocomputer oder eine festver­ drahtete Rechenschaltung - bei gegebenem Retroreflektorab­ stand und Brennweite des Abbildungsobjektivs nach den Gesetzen der Geometrie den Abstand zwischen Sensor und Retroreflektoreinheit berechnen: Beispielsweise ist es mit einem Detektorarray mit 385×288 Sensorelementen mit einer Abmessung von jeweils 22 µm×22 µm und einem Ge­ sichtsfeld von 0,67°×0,5° bei einem Retroreflektorab­ stand von 0,8 m ohne weiteres möglich, die Entfernung von Körpern bis maximal 132 km zu bestimmen.

Darüberhinaus ist es durch Auswertung der geometrischen Form der Anordnung der Retroreflektoren bei Verwendung von mehr als zwei Reflektoren und/oder der Reflexionscharakte­ ristik der Reflektoren möglich, den Körper zu identifi­ zieren, dessen Abstand gemessen wird:

Die einzelnen Retroreflektoren 91 bis 93 lassen sich aufgrund der optischen Kodierung, anders ausgedrückt durch den Zeitpunkt ihres Ansprechens auf einen auftreffenden Lichtstrahl, zweifelsfrei identifizieren.

Damit ist es beispielsweise bereits bei Verwendung von vier Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge und drei Retroreflektoren an jedem Körper, dessen Abstand und Identität bestimmt werden soll, möglich, vier unterschied­ liche Körper, beispielsweise Dockingpartner für einen Satelliten zu identifizieren.

Durch zusätzliche Bewertung des Reflexionsgrades und/oder der geometrischen Anordnung können noch wesentlich mehr Körper identifiziert werden: In Fig. 2c ist schematisch das unterschiedliche Reflexionsvermögen der einzelnen Retroreflektoren dargestellt.

Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels dargestellt worden: Bei einer tatsächlichen Realisierung sind selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen möglich:

Beispielsweise kann das Objektiv 6 ein Objektiv variabler Brennweite, beispielsweise ein Varioobjektiv oder ein Objektiv mit einschaltbaren Linsengliedern sein, um inner­ halb eines bestimmten Entfernungs-Meßbereichs eine höhere Auflösung zu erzielen.

Als Lichtquellen können die verschiedensten Lichtquellen, beispielsweise Laser verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, eine Lichtquelle zu verwenden, der unterschied­ liche Filter vorgeschaltet werden.

Auch ist die Zahl der Lichtquellen und die der Retrore­ flektoren nicht auf die des Ausführungsbeispiels be­ schränkt.

Als Detektorarray können beispielsweise die unterschied­ lichsten Halbleiterbauelemente verwendet werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Entfernung zwischen zwei Körpern, von denen einer eine Retroreflektoreinheit mit mindestens zwei voneinander beabstandeten Reflektoren (91, 92, 93) und der andere eine Beleuchtungseinrichtung (11, 12, 13, 14, 2, 3) für die Retroreflektoreinheit, ein Detektorarray (7), auf das die einzelnen Reflektoren der Retroreflektoreinheit mittels eines Objektivs (6) derart abbildbar sind, daß der Durchmesser ihrer Bilder größer als der Durchmesser eines Sensorelements ist, und eine Steuereinheit aufweist, die den Schwerpunkt der Bilder der Reflektoren ermittelt und aus dem Abstand der Bild-Schwer­ punkte die Entfernung bestimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Retroreflektoren (91, 92, 93) Licht unterschiedlicher Wellenlänge reflek­ tieren,
daß die Beleuchtungseinrichtung zeitlich nacheinander Licht unterschiedlicher Wellenlänge aussendet, das von jeweils einem Retroreflektor reflektiert wird, und
daß die Steuereinheit aus den zeitlich getrennt auftref­ fenden Bildern der Retroreflektoren den Abstand bestimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur zusätzlichen Ermittlung der Relativlage der beiden Körper der eine Körper minde­ stens drei voneinander beabstandete Retroreflektoren (91, 92, 93) aufweist, deren Abstand und/oder Reflexions­ vermögen unterschiedlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Identifizierung unter­ schiedlicher Körper jeder Körper weniger Retroreflektoren aufweist als die Beleuchtungseinrichtung Licht unter­ schiedlicher Wellenlänge emittiert.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Retroreflektor ein Filter angebracht ist, dessen spektrale Durchlässigkeit nur die Reflexion von Licht eines bestimmten Wellenlängen­ bereichs erlaubt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung des Sensor- Gesichtsfelds an unterschiedliche zu messende Entfernungen die Brennweite des Linsensystem änderbar ist.

6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung des Abstandes und der Relativlage von Körpern im Weltraum.