DE19850118A1 - Profilmeßsystem und Verfahren zur Durchführung - Google Patents

Abstract

Der Einsatz eines FMCW-Laser-Radars in Zusammenhang mit einem aufgefächerten Strahlengang mittels eines Drehspiegels (10), der ein Meßfenster am Objekt positioniert und einen geringen Schärfentiefenbereich einbringt, ermöglicht ortsaufgelöste Profilschnitte von langgestreckten Objekten. Aus diesen Daten lassen sich relevante Größen wie Resthöhe (h) und Spiegelbreite (a) eines Fahrdrahtes (1) berechnen. Das System weist eine hohe Empfangsdynamik und eine hohe Datenrate auf, ist unabhängig von der Form eines Fahrdrahtes (1), und erlaubt eine automatische Erfassung der Höhe und Seitenlage des Fahrdrahtes (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Profilmeßsystem zur Messung der Profile eines Objektes entlang seiner Längserstreckung. Die Aufnahme der Profile geschieht hintereinander und liefert ortsaufgelöste Profilschnitte, beispielsweise von einem Draht. Das Profilmeßsystem bewegt sich parallel zur Längser­ streckung des Objektes.

Bei elektrischen Bahnen schleift der Stromabnehmer der Loko­ motive Material von der Unterseite des Fahrdrahtes ab. Um Be­ triebsstörungen zu vermeiden, sollte in zeitlichen Abständen von einigen Monaten die verbleibende Resthöhe und die Fahr­ drahtspiegelbreite mit einer Genauigkeit von einigen 0,1 mm gemessen werden. Die Resthöhe ist bezogen auf die ursprüngli­ che Höhe eines Fahrdrahtes und die Spiegelbreite die Breite der Unterseite eines Fahrdrahtes, an dem der Stromabnehmer entlang schleift. Entlang der Fahrstrecke ändert sich die Seitenlage des Fahrdrahtes laufend relativ zum Stromabnehmer, damit der Fahrdraht nicht lokale tief in die Schleifleisten des Stromabnehmers eingeschnittene Kerben erzeugen kann. Durch die gleichmäßige seitliche Hin- und Herbewegung des Fahrdrahtes wird eine gleich verteilte relativ geringere Ab­ nützung erzeugt. Auf einen Mastabstand von etwa 60 m bezogen wird der Fahrdraht um ca. 0,8 m versetzt aufgehängt. Das ent­ spricht bei einer Geschwindigkeit eines Stromabnehmers bzw. Schienenmeßfahrzeuges von ca. 80 km/h einer seitwärts gerich­ teten Geschwindigkeit des Drahtes von 0,3 mm/msec. Um die oben erwähnte Meßgenauigkeit zu erreichen, sollte die Ab­ tastdauer eines jeden Meßprofiles 0,5 ms nicht überschreiten.

Die Betrachtung bisher bekannter Systeme zur Profilmessung von Fahrdrähten an Eisenbahneinrichtungen hat folgendes er­ bracht:
Die Literaturstelle 1) R. Müller, H. Höfler, "Fahrwegüberwa­ chung mit optischer Meßtechnik" in Eisenbahn-Ingenieur Kalen­ der '97, pp. 315-332, Tetzlaff, Darmstadt (1996), ISBN 3- 87814-506-3 beschreibt ein System, das aus einem Laser-Radar zur Positionsbestimmung des Fahrdrahtes und aus zwei seitlich unterhalb des Schleifers am Stromabnehmer montierten CCD-Ka­ meras zur Messung der Resthöhe besteht. Das Laser-Radar ar­ beitet nach dem Prinzip der Phasenmessung.

In Literaturstelle 2) J. M. Van Gigch, C. Smorenburg, A. W. Benshop "System zur Messung der Fahrdrahtdicke (ATON) der niederländischen Eisenbahnen, "Schienen der Welt" pp. 20-31, April 1991 wird ein System dargestellt, das aus fünf vom Schienenfahrzeug aus nach oben gerichteten CCD-Zei­ lenkameras besteht, welche die Spiegelbreite messen. Um das Bild des in unterschiedlichen Höhen befindlichen Drahtes im Schärfen-Tiefe-Bereich zu halten, erfaßt eine weitere hori­ zontal orientierte CCD-Kamera den Stromabnehmer über dem Wa­ gendach und liefert mittels Bildverarbeitung ein Signal für die Fokussiereinrichtung.

Ein weiteres System entsprechend der Literaturstelle 3), der deutschen Patentschrift DE 196 13 737 C2, besteht aus seit­ lich am Schleifer des Stromabnehmers montierten CCD-Kameras, die waagerecht entlang des Schleifers auf die Fahrdrähte blicken und somit die Resthöhe erfassen. Die Geschwindigkeit eines Meßfahrzeuges, das dieses Profilmeßsystem enthält, ist dabei auf 60 km/h beschränkt, da die Kameras über den Strom­ abnehmer nach oben hinausragen und seitlich auslaufende Fahr­ drähte vorübergehend anheben.

Literaturstelle 4) P. Pohl "Das Streckendiagnosesystem Dr. Tokai" El-Eisenbahn-Ingenieur (49) 5/98 pp. 45-52 befaßt sich mit dem gleichen Problem und beschreibt ein nach oben gerich­ tetes, quer zur Fahrtrichtung scannendes Laserstrahlsystem, dessen an der Spiegelfläche des Drahtes erzeugte Reflexe de­ tektiert werden. Da die Laserleistung 500 mW beträgt, kann das System in vielen Ländern wegen Verletzung der Laserstrah­ lenschutzbestimmungen nicht verwendet werden. Bei Rückstän­ den, die ein aus Kohle bestehender Schleifer, beispielsweise von der Deutschen Bahn, an den Seiten des Fahrdrahtes hinter­ läßt, sind keine zuverlässigen Messungen möglich. In Japan würde dies andererseits nicht stören, da hier Schleifer aus Sintermetall eingesetzt werden.

Wird die Breite des Spiegels eines Fahrdrahtes zur Bestimmung der Resthöhe herangezogen, so ist dies auf die Fälle be­ schränkt, in denen der Fahrdraht kreisförmigen Querschnitt aufweist. Da letztendlich die Resthöhe das relevante Maß für den Verschleiß an einem Fahrdraht darstellt, muß zuverlässig von einem Fahrdrahtprofil auf die Resthöhe geschlossen werden können. Ist der Fahrdraht näherungsweise rechteckförmig, wie es beispielsweise in Österreich der Fall ist, so ist eine Messung der Spiegelbreite allein nicht ausreichend.

Zur Messung der ortsaufgelösten Profilschnitte, die durch ein schrittweises Abtasten von Orten entlang einer Linie auf einer Objektoberfläche und der Abstandsbestimmung mehrerer Oberflächenorte auf dieser Linie relativ zum Profilmeßsystem ermittelt werden, wird ein FMCW-Laser-Radar eingesetzt. Ein derartiges System wird beispielsweise in den deutschen Pa­ tentanmeldungen P 44 27 352.5 (1994) und in P 195 01 875.7 (1996) beschrieben.

Nachteilig ist insbesondere eine Nichtlinearität der Fre­ quenzabstimmung der verwendeten Laserdioden in einem Inter­ ferometer, sowie die Empfindlichkeit des Systemes gegen Ob­ jektbewegungen. Insbesondere bei Objektbewegungen wird als Folge des Dopplereffektes die Differenzfrequenz verschoben und damit wird der zu ermittelnde Objektabstand verfälscht. Beide Effekte können jedoch durch Korrekturinterferometer ausgeglichen werden, was den Aufwand deutlich erhöht. Der Einsatz von Korrekturinterferometern wird in den beiden oben­ genannten deutschen Patentanmeldungen beschrieben.

In der erstgenannten Patentanmeldung beruht das Meßprinzip darauf, die Abtastung des Signales eines Probeninterferome­ ters nicht in zeitlich äquidistanten Schritten vorzunehmen, sondern die Abtastzeitpunkte durch Zeitpunkte äquidistanter Phasendifferenz im Signal des Korrekturinterferometers darzu­ stellen. Das abgetastete Signal ist dann monofrequent hin­ sichtlich der Abtastindices mit der dimensionslosen Frequenz, die in einfacher Weise mit dem Abstand zum Objekt in Verbin­ dung steht.

In der zweitgenannten Patentanmeldung wird die simultane Mes­ sung zweier Interferenzsignale mit einer einzigen Meßanord­ nung vorgenommen. Darin wird bei der einen Messung die Fre­ quenz der ausgesandten elektromagnetischen Welle während der Messung um einen Frequenzhub verringert. Bei der zweiten si­ multanen mit derselben Meßanordnung durchgeführten Messung wird dagegen die Frequenz erhöht. Durch Multiplikation der beiden vom Objekt reflektierten und erhaltenen Empfangs­ signale entsteht ein Signal, das mit der doppelten ursprüng­ lichen Zwischenfrequenz oszilliert und die Abstandsinforma­ tion enthält, wohingegen ein anderes Frequenz verschobenes Signal herausfilterbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Profilmeßsystem mit hoher Dynamik zur Aufnahme von Profilschnitten längs ge­ streckter Objekte bereitzustellen, wobei Profile des Objektes sukzessive bei der Bewegung des Profilmeßsystemes parallel zur Längserstreckung des Objektes aufgenommen werden. Weiter­ hin ist ein Verfahren zum Betrieb des Profilmeßsystemes zu beschreiben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmalskombina­ tion von Anspruch 1 bzw. Anspruch 10.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die Aufnahme von Profilen eines langgestreckten Objektes zu des­ sen geometrischer Kontrolle mit einem parallel zum Objekt be­ wegten Profilmeßsystem durchführen läßt, das ein Frequenz-Mo­ duliertes-Dauer-Radar (FMCW-Radar) verwendet. Ein derartiges Radar wird auch als Chirped-Laser-Radar bezeichnet. Durch ein FMCW-Laser-Radar können Profilschnitte ortsaufgelöst, d. h. in Form von aneinandergereihten Meßpunkten, aufgenommen wer­ den. Hierzu werden mittels des Radar-Systems Abstandsmessun­ gen zu ausgewählten Punkten auf der Oberfläche des Objektes vorgenommen, woraus sich jeweils ein Profilschnitt ergibt. Ein FMCW-Laser-Radar, das als Ausgangssignal eine mit dem Ab­ stand zu einem Oberflächenpunkt korrelierte Zwischen- oder Differenzfrequenz liefert, wie es in der Darlegung des Stan­ des der Technik beschrieben ist, weist eine im Vergleich zu Triangulations-, Laufzeit- oder Phasenmeßverfahren sehr hohe Empfangsdynamik auf, womit eine weitgehende Unabhängigkeit von den Streueigenschaften der Oberfläche eines Objektes ein­ hergeht. Statt wie bisher wird somit nicht nur die Spiegel­ breite eines Fahrdrahtes in Reflexion oder die Resthöhe des Fahrdrahtes als Schattenwurf gemessen, sondern aus den orts­ aufgelösten Profilschnitten oder Teilprofilschnitten eines längs gestreckten Objektes wie beispielsweise einem Fahrdraht in einer Oberleitung lassen sich die relevanten Größen wie Resthöhe und Spiegelbreite berechnen. Das System ist weitge­ hend unabhängig von der Form des längs gestreckten Objektes. Für gleichzeitig bzw. parallel vorhandene Objekte kann je Ob­ jekt ein Meßsystem eingesetzt werden. Neben der Profilmessung erfolgt die Erfassung der Höhen- und der Seitenlage eines Ob­ jektes relativ zum Meßsystem. Das Profilmeßsystem und das Verfahren können nicht nur zur Vermessung von Fahrdrähten, sondern auch von Gleisen eingesetzt werden.

Da der Tiefenschärfenbereich wegen der numerischen Apertur der Sende-/Empfangsoptik auf ca. 0,002 bis etwa 0,16 m be­ grenzt ist und der Fahrdraht sich in einer Höhe von etwa 1 m über dem Dach des Meßfahrzeuges um ca. 0,8 m seitlich hin und her bewegt, wird eine optische Anordnung bereitgestellt, die die Abstandsänderung Objekt-Meßsystem soweit reduziert, daß sie kleiner als der Schärfentiefenbereich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bestehen darin, daß beispiels­ weise 32 oder 64 Laserstrahlen parallel auf das Objekt ge­ richtet werden und ein im FMCW-Laser-Radar befindlicher Foto­ sensor, beispielsweise eine Fotodiode oder eine Fotodioden­ zeile, in Form einer Zeile mit beispielsweise 32 oder 64 Ele­ menten ausgebildet ist. Hierdurch wird eine parallele Abar­ beitung eines einzigen Profilschnittes mit entsprechend 32 oder 64 Stützpunkten ermöglicht.

Nachdem das Profilmeßsystem sich parallel zu dem langge­ streckten Objekt bewegt und das Objekt zusätzlich seitwärts auswandern oder oszillieren kann, ist eine grobe Voreinstel­ lung des Meßsystemes sehr vorteilhaft. Hierzu wird mittels eines zusätzlichen Laufzeitradars die grobe Position des Ob­ jektes relativ zum Meßsystem gesucht bzw. eingestellt. Das Objekt wird somit in ein Meßfenster gelegt oder in diesem er­ faßt. Die entsprechenden Daten werden dem FMCW-Laser-Radar bzw. dessen Steuerung zur Verfügung gestellt, so daß die Auf­ nahme eines Objektprofiles innerhalb dieses Meßfensters mit hoher Genauigkeit ermöglicht wird. Ohne die Anforderung an das FMCW-Laser-Radar, die ungefähre Lage des Objektes vor der eigentlichen Profilmessung zu erkennen, kann dessen Meßgenau­ igkeit optimal genutzt werden. Durch das zusätzliche Lauf­ zeitradar können Höhen- und Seitenlage eines Objektes be­ stimmt werden.

Das seitliche Auswandern bzw. Oszillieren eines Objektes ist in der Regel mit einer Abstandsänderung des Objektes zum Meß­ system verbunden. Eine regelmäßige Nachfokussierung kann da­ durch entfallen, daß der von einem Drehspiegel geführte La­ serstrahl eines FMCW-Laser-Radars mittels einer Faltung des Strahlenganges derart gelenkt wird, daß über den gesamten Be­ reich der seitlichen Abweichung des Objektes relativ zum Meß­ system ein ungefähr gleicher Abstand zwischen Objekt und Meß­ system eingehalten wird.

Nach dem Prinzip des FMCW-Laser-Radars (Chirped-Laser-Radar) wird das Objekt mit frequenzmoduliertem Laserlicht konstanter Intensität beleuchtet. Die vom Objekt zurückgestreute Licht­ welle wird mit der ausgesandten kohärent überlagert. Dabei entsteht ein Interferenzsignal, das mit der Differenzfrequenz der beiden Lichtwellen, die ein Maß für den Abstand dar­ stellt, oszilliert. Mit Hilfe einer Fast Fourier Transforma­ tion wird die gesuchte Frequenz ermittelt. Wegen des kohären­ ten Überlagerungsempfanges wird bereits im optischen Bereich das Nutzsignal erheblich verstärkt, womit gegenüber Verfahren mit direktem Empfang wesentlich größere Dynamikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können.

Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren weitere Ausführungsbeispiele beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt eines verschlissenen Fahr­ drahtes 1 einer Oberleitung mit einer Resthöhe h und einer Spiegelbreite a, wobei Laserstrahlen 4 von rechts unten kommend auf den Fahrdraht 1 auf­ treffen.

Fig. 2 zeigt das Prinzip des Profilmeßsystemes auf einem Wagendach 2 eines Meßfahrzeuges,

Fig. 3 zeigt einzelne Verfahrensschritte bei der Profil­ aufnahme,

Fig. 4 zeigt eine Ansicht in Fahrtrichtung, wobei der Fahrdraht 1 im Querschnitt sichtbar ist und seit­ lich hin und her wandert und der Strahlengang ent­ lang der Winkelhalbierenden 11 senkrecht zum Plan­ spiegel 9 dargestellt ist, d. h. nicht in der Zei­ chenebene liegt,

Fig. 5 zeigt eine zur Fig. 4 korrespondierende Drauf­ sicht, wobei der Strahlengang relativ zu einer Mit­ telsenkrechten dargestellt ist,

Fig. 6 zeigt das Prinzip des FMCW-Laser-Radars,

Fig. 7 zeigt Verfahrensschritte nach dem Prinzip des FMCW- Laser-Radars.

Die Fig. 2 und 3 zeigen Prinzipskizzen des vorgeschlagenen Meßsystemes. Auf dem Dach 2 eines Meßfahrzeuges befindet sich in einem klimatisierten Gehäuse 12 ein FMCW-Radar. Ein Dreh­ spiegel 10 lenkt den Laserstrahl 4 durch ein Fenster 5 auf den Fahrdraht 1. Da der Laserstrahl 4 einen annähernd ellip­ tischen Querschnitt mit mehr als 20 mm maximaler Breite auf­ weist oder aus mehreren Einzelstrahlen besteht, kann der Fahrdraht 1 vollständig beleuchtet werden. Das zurück ge­ streute Licht gelangt in einen Fotodetektor, der in Fig. 6 als Fotodiode innerhalb des FMCW-Laser-Radars 3 dargestellt ist. Dieser Fotodetektor kann in vorteilhafter Weise in Form einer Zeile mit 32 Elementen dargestellt sein. Dabei ist an jedes Element eine Hardware angeschlossen, die in Echtzeit den Abstand des zugehörigen Ortes auf dem Fahrdraht 1 ermit­ telt. Dies kann somit parallel für 32 gleichzeitige Messungen geschehen. Nach der in Fig. 3 vermerkten Transformation von Polarkoordinaten in kartesische Koordinaten erhält man das dargestellte Profil 7, 7'. Aus diesem Profil kann die Spiegel­ breite a und die Resthöhe h berechnet werden. Zusätzlich wird eine Stellgröße für den Drehspiegel 10 zur automatischen Drahtverfolgung erzeugt. Zur Erhöhung der Empfangsleistung ist es äußerst vorteilhaft, statt eines großen aufgeweiteten Strahles 32 parallele Einzelstrahlen auf den Fahrdraht 1 zu lenken. Die Darstellung von 32 Einzelstrahlen kann beispiels­ weise durch ein Beugungsgitter erfolgen.

Die beschriebene Verfolgung des Fahrdrahtes 1 setzt voraus, daß sich ein Fahrdraht im Gesichtsfeld eines FMCW-Laser-Ra­ dars befindet. Da die Länge eines einzelnen Fahrdrahtes auf etwa 2 km begrenzt ist, treten an seinen Enden Überlappungen mit dem vorhergehenden bzw. nachfolgenden Draht auf. In den Überlappungsbereichen verlaufen zwei Fahrdrähte 1 über eine Strecke von bis zu 60 m Länge in fast gleicher Höhe bei einem horizontalen Abstand von einigen Zentimetern nebeneinander her. Die Höhendifferenz zwischen auf- und absteigendem Draht beträgt 0 bis ca. 15 cm. Außerhalb des beschriebenen Berei­ ches werden die Drähte seitwärts nach oben zu ihrer jeweili­ gen Endverankerung fortgeführt. Da sich an den Überlappungs­ bereichen die Steifigkeit des Fahrleitungssystemes im Ver­ gleich zur übrigen Strecke ändert, kann sich der Verschleiß der Fahrdrähte 1 hier erhöhen. Um sicher zu stellen, daß diese kritischen Strecken vollständig erfaßt werden, wird für je einen Fahrdraht je ein Radarsystem bereitgestellt.

Um ein schnelles Auffinden des von oben und seitwärts neu hinzukommenden Fahrdrahtes 1 zu ermöglichen, wird ein schnel­ les Laufzeit-Radar installiert. Dessen nach oben gerichteter Laserstrahl schwingt fortwährend quer zur Fahrtrichtung bzw. zur Längserstreckung des Objektes und erfaßt somit die Höhen- und Seitenlage aller Fahrdrähte. Diese Erfassung ist bei­ spielsweise mit einer Meßunsicherheit von etwa 1 cm verbun­ den.

Fig. 6 stellt das Prinzip des FMCW-Laser-Radars (Chirped-La­ ser-Radar) dar. Das Objekt wird mit frequenzmoduliertem La­ serlicht konstanter Intensität beleuchtet. Die vom Objekt zu­ rück gestreute Lichtwelle wird mit der ausgesandten kohärent überlagert. Dabei entsteht ein Interferenzsignal, das mit der Zwischenfrequenz der beiden Lichtwellen, die ein Maß für den Abstand darstellt, oszilliert. Mit Hilfe einer Fast Fourier Transformation wird die gesuchte Frequenz ermittelt. Wegen des kohärenten Überlagerungsempfanges wird bereits im opti­ schen Bereich das Nutzsignal erheblich verstärkt, womit ge­ genüber Verfahren mit direktem Empfang wesentlich größere Dy­ namikbereiche und Empfindlichkeiten erreicht werden können.

Nachteilige Nichtlinearitäten bei der Frequenzabstimmung von verwendeten Laserdioden in Radarsystemen, sowie die Empfind­ lichkeit gegen Objektbewegungen spielen bei einem in Zusam­ menhang mit der Erfindung eingesetzten FMCW-Laser-Radar keine Rolle. Dabei kann auch die Verschiebung der Zwischenfrequenz als Folge des Dopplereffektes die Ermittlung des Abstandes nicht verfälschen. Beide Effekte können beispielsweise durch Korrekturinterferometer ausgeglichen werden.

Ein verwendetes FMCW-Laser-Radar basiert darauf, daß auf dem Wechselstromanteil des Fotostromes basierende Signale des Re­ ferenzinterferometers in einfacher Weise auswertbar sind, wenn die Abtastzeitpunkte nicht zeitlich äquidistant sind, sondern proportional zur zeitlichen Veränderung der optischen Frequenz der Laserdiode positioniert werden. Hierzu wird auf der Basis des Wechselstromanteiles des Fotostromes entspre­ chend dem Signal des Referenzinterferometers jeweils zu glei­ chen Phasenlagen, d. h. mit äquidistanten Phasendifferenzen, zu dadurch bestimmten Abtastzeitpunkten das Signal abgeta­ stet. Die Abtastzeitpunkte sind somit nicht zeitabhängig, sondern phasenabhängig. Die Zwischenfrequenz des Probeninter­ ferometers verhält sich dabei zur Zwischenfrequenz des Refe­ renzinterferometers wie die Weglängendifferenz des Probenin­ terferometers zur Weglängendifferenz des Referenzinterferome­ ters. Die mit der Phasendifferenz im Referenzinterferometer gekoppelten Abtastzeitpunkte ermöglichen die Erzeugung eines monofrequenten Signales, das in einem analog/digitalen-Wand­ ler digitalisiert und aufgezeichnet wird. Die Frequenz dieses Signales ist dimensionslos und direkt proportional zur zu messenden Weglängendifferenz.

Mit einer simultanen Messung zweier Interferenzsignale mit derselben bzw. einer identischen Meßanordnung können Störsi­ gnale im Nutzsignal beseitigt werden. Bei der Messung für das eine Signal wird die Frequenz der ausgesandten elektromagne­ tischen Welle während der Messung um einen bestimmten Fre­ quenzhub verändert. Bei der Messung bezüglich des zweiten Si­ gnales mit derselben Meßanordnung unterscheidet sich die Steigung der Frequenzveränderung bzw. des Frequenzhubes we­ sentlich von der beim ersten Signal. Durch Mischen, d. h. Multiplikation, der beiden so erhaltenen Signale (Empfangs­ signale) entsteht ein Signal, das sich in der mathematischen Beschreibung aus zwei Amplituden modulierten Signalen zusam­ mensetzt. Eines dieser beiden Amplituden modulierten Signale oszilliert mit der Summe der Zwischenfrequenzen und enthält die Abstandsinformation. Das andere enthält die durch die Ob­ jektbewegung hervorgerufene Störung und kann, da es Frequenz verschoben ist, durch geeignete Filter leicht eliminiert werden. Variationen in der Oberflächenreflektivität des Ob­ jektes sind ebenso beherrschbar. Besteht die Möglichkeit, die Ausgangssignale zweier Sender gleichzeitig in eine Meßanord­ nung einzuspeisen, die zur Überlagerung eines Ausgangssigna­ les und eines von einem Objekt rückreflektierten Signales dient, so werden über zwei Detektoren zwei Empfangssignale aufgenommen. Diese werden multipliziert und ergeben ein mit der Zwischenfrequenz oszillierendes elektrisches Empfangs­ signal. Die somit umrissene Funktionsweise eines FMCW-Laser­ radars ist verbunden mit der schaltungstechnischen Darstel­ lung in Fig. 6. In dem auch als Chirped-Laser-Radar be­ zeichneten System wird eine Laserdiode mit einer Rampe fre­ quenzmoduliert angesteuert. Die Interferometeranordnung weist einen Arm mit einem Referenzspiegel auf, der zu einem Refe­ renzinterferometer gehört und einen Arm mit einer Fotodiode, der zum Proben- bzw. Meßinterferometer gehört. Die Überlage­ rungen der ausgesendeten und empfangenen Strahlen geschieht in der oben beschriebenen Weise. Gemessen wird der Abstand des Meßsystemes zu einer Objektoberfläche.

Fig. 7 stellt korrespondierend zu der Anordnung in Fig. 6 das Prinzip des Chirped-Laser-Radars dar. Auf einer Zeitachse ist im oberen Diagramm die Frequenzveränderung an der Laser­ diode dargestellt. Der Referenzstrahl (reference beam) ist zeitversetzt zu einem vom Objekt eingehenden Objektstrahl (object beam). Dazwischenliegend tritt die Zwischenfre­ quenz/Differenzfrequenz (intermediate frequency) auf, die hier beispielsweise 1 MHz beträgt.

Im unteren Diagramm der Fig. 8 ist über eine Zeitachse die Intensität an der Fotodiode dargestellt. Eine Periode der dargestellten Schwingung entspricht dem Kehrwert der Zwi­ schenfrequenz.

Die seitliche Bewegung des Fahrdrahtes 1 würde einen Meßbe­ reich von 1 m erfordern. Wegen der begrenzten Schärfentiefe muß der Meßbereich auf einige 10 cm reduziert werden. Hierzu dient der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Strahlengang der abtastenden Laserstrahlen. Der Abstand vom Drehspiegel 10 zum Fahrdraht 1 beträgt ca. 2,5 m. Somit beschreibt der Fokus des Abtaststrahles einen Kreisbogen, der nur um höchstens +5 bzw. -5 cm von der Geraden, deren Endpunkte bzw. Meßorte 13 und 13' sich an den Orten maximaler und minimaler Entfernung des Objektes vom FMCW-Laser-Radar befinden, abweicht. Daher bleibt bei der dargestellten Anordnung (Fig. 5) auch bei einer Verschiebung des Fahrdrahtes 1 in seitlicher Richtung von 1 m der Meßabstand zwischen Profilmeßsystem und Objekt bis auf 10 cm nahezu konstant.

Die spezielle optische Anordnung der Strahlengänge entspre­ chend der Fig. 5, die den Meßbereich auf 0,16 m begrenzt, ermöglicht eine numerische Apertur des Objektives von 0,002. Bei einem z. B. zweifach größeren Meßbereich müßte die Aper­ tur um den Faktor 2^1/2 = 1,4 kleiner sein, was zu einer um den Faktor 1,4² = 2 geringeren empfangenen Signalleistung führt, da die Sendeleistung jedes einzelnen der z. B. 32 Laserstrahlen nur ca. 0,1 mW beträgt. Ferner ermöglicht die Begrenzung des Meßbereiches eine Begrenzung der Bandbreite der Zwischenfre­ quenz auf etwa 1-2 MHz. Somit kann die Frequenzmessung durch Berechnung mittels einer FFT(Fast Fourier Transformation) mit nur noch 1024 Stützstellen geschehen und die Meßzeit von 0,5 ms eingehalten werden. Beim schrittweisen Abtasten des Objektprofiles mit einem einzelnen Strahl würden zur Aufnahme eines Profilschnittes mit 32 Meßpunkten etwa 32 × 0,5 ms = 16 ms benötigt. Dies begrenzt die relative Bewegung zwischen längs gestrecktem Objekt (Fahrdraht 1) und dem auf einem Meß­ wagen befindlichen in Längsrichtung des Objektes bewegten Profilmeßsystem. Durch Parallelisierung der Abtastung kann die erforderliche Meßgeschwindigkeit von 0,5 ms erreicht wer­ den.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des Fahrdrahtes 1 mit Profil 7, von Laserstrahlen beleuchtet.

In Fig. 3 sind die Abb. 7' und 8' des Profiles 7 und des Fahrdrahtspiegels 8 in Draufsicht dargestellt.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht in Fahrtrichtung mit Darstellung der ungefähren Positionierung des Daches 2 eines Wagens, des Radars 3, des Drehspiegels 10, der Winkelhalbierenden 11, des/der Laserstrahlen 4 und des Fahrdrahtes 1 mit seiner seitlichen Bewegungsrichtung 6.

In Fig. 5 ist zusätzlich der Planspiegel 9 zur Faltung des Strahlenganges eingezeichnet. In diesem Fall beträgt der Win­ kel 14 zwischen Objektoberfläche und Laserstrahl 4 +/-45°. Mit den Meßorten 13 und 13' sind Extrempositionen bei jeweils maximal seitlich versetztem Fahrdraht 1 bezeichnet.

Claims (17)

1. Profilmeßsystem zur Messung von Profilen langgestreckter Objekte, wobei sich das Meßsystem in Richtung der Längser­ streckung des Objektes bewegt, und folgendes aufweist:

• 1. mindestens ein FMCW-Laser-Radar (3) zur Abtastung des zu vermessenden Profiles der Objektoberfläche mit mindestens einem Laserstrahl (4),
• 2. einen Drehspiegel (10), der ein Meßfenster am Objekt posi­ tioniert,
• 3. mindestens einen eindimensional auflösenden Photodetektor und
• 4. eine Auswerteeinheit zur Berechnung von ortsaufgelösten Profilschnitten des Objektes.

2. Profilmeßsystem nach Anspruch 1, wobei der Strahlengang von Laserstrahlen (4), die von einem FMCW-Laser-Radar (3) ausgehen, durch den Drehspiegel (10) im zeitlichen Mittel un­ ter etwa 45° auf das Objekt geführt wird, um einen geringen Schärfentiefenbereich und eine möglichst hohe numerische Apertur zu erhalten.

3. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand vom Drehspiegel (10) zum Objekt so gewählt ist, daß das vom Brennfleck der Laserstrahlen (4) beschrie­ bene Kreissegment von einer Geraden, deren Endpunkte (13, 13') sich an den Orten maximaler und minimaler Entfernung des Ob­ jektes vom FMCW-Laser-Radar befinden, um höchstens den halben Schärfentiefebereich der Brennflecken der Laserstrahlen (4) abweicht.

4. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Strahlengang der Laserstrahlen (4) mittels minde­ stens eines Planspiegels (9) gefaltet wird, um die Baugröße des Meßsystemes zu verringern.

5. Profilmeßsystem, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Photodetektor eine Photodiodenzeile mit mindestens 10 Elementen aufweist.

6. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei gleichzeitig mit mehr als einem Laserstrahl (4) gemes­ sen wird, wobei die Anzahl der Laserstrahlen (4) der Zahl der Elemente des Photodetektors entspricht.

7. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für mehrere gleichzeitig zu vermessende Objekte jeweils ein FMCW-Laser-Radar (3) vorhanden ist.

8. Profilmeßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu dem mindestens einen FMCW-Laser-Radar ein Laufzeitradar zur groben Positionsbestimmung eines oder meh­ rerer Objekte vorhanden ist.

9. Profilmeßsystem nach Anspruch 6, wobei mittels des Lauf­ zeitradars die Höhen und die Seitenlage eines Objektes be­ stimmbar ist.

10. Verfahren zur Durchführung einer Profilmessung mit einem Profilmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei

• 1. mit einem FMCW-Laser-Radar ein aufzunehmendes Profil (7, 7') eines längsgestreckten Objektes mit Laserstrahlen (4) be­ leuchtet wird,
• 2. das vom Objekt zurückgestreute Licht zur Ermittlung des Ab­ standes des zugehörigen Ortes auf der Objektoberfläche von dem FMCW-Laser-Radar von einem darin enthaltenen Photode­ tektor empfangen wird,
• 3. mittels eines Drehspiegels (10) eine Profilabtastung vorge­ nommen wird, und
• 4. ortsaufgelöst Profilschnitte eines langsgestreckten Objek­ tes berechnet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei zur Beleuchtung des Ob­ jektes 32 parallele Einzelstrahlen vorgesehen sind, durch die ein Profil des Objektes gleichzeitig beleuchtet wird und emp­ fangsseitig durch einen aus einer Zeile mit 32 Einzelelemen­ ten bestehenden Photodetektor eine parallele Auswertung ge­ schieht.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die ungefähre Höhen- und Seitenlage eines langgestreckten Objek­ tes relativ zum bewegten Profilmeßsystem ermittelt wird, in­ dem ein Laufzeitradar fortwährend quer zur Bewegungsrichtung schwingt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei eine Stellgröße zur Nachführung eines Meßfensters mittels des Drehspiegels (10) auf das Objekt entweder von dem Laufzeitra­ dar oder von dem FMCW-Laser-Radar (3) generiert wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Meßfenster ellip­ tisch ausgebildet und ungefähr 20 mm lang ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei vor­ gegebene wesentliche Teilprofile eines Objektes vermessen werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14 wobei das Profil von Fahrdrähten elektrischer Bahnen vermessen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Profil von Gleisen vermessen wird.