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Hintergrund der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft eine Messung
spektraler Eigenschaften durch ein Senden eines kohärenten Strahls
einer Strahlung, wie beispielsweise einer Infrarotstrahlung, durch
die Atmosphäre
durch Verwenden eines Signals mit mehreren Spektrallinien, die bezüglich der
Frequenz um einen ausreichenden Abstand beabstandet sind, um gleichzeitige
unabhängige
Messungen zu ermöglichen. Über die
unabhängigen
Messungen kann dann ein Durchschnitt gebildet werden, um eine Signalschwankung
zu reduzieren, die aus einem Flecken entsteht, um dadurch für eine erhöhte Präzision der
Messung der spektralen Eigenschaften bzw. Kennlinien bzw. Charakteristiken
zu sorgen. Mehrere Empfangsaperturen, die auf die Größe einer
Strahlsendeapertur begrenzt sind, können auch zur weiteren Reduzierung der
Fleckenschwankungen durch Einführen
weiterer unabhängiger
Messungen verwendet werden, für welche
ein Durchschnitt gebildet werden kann, um für eine präzise Messung der spektralen Übertragungskennlinien
zu sorgen.
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Laser sind ideal zum Durchführen einer
Klasse von Weitbereichsmessungen geeignet, einschließlich der Übertragung
eines optischen Strahls von einer Quelle zu einem entfernten Ziel,
der Streuung der Belichtungsstrahlung von Ziel und der Erfassung
der gestreuten Energie durch einen Empfänger (oder durch mehrere Empfänger), in Übereinstimmung
mit oder in der Nähe
des Senders. Information wird durch Messen der Rückkehrsignalstärke und
anderer Parameter, wie beispielsweise der Rundlaufzeit, der Dopplerverschiebung
der zurückgebrachten Strahlung
und von Polarisationsänderungen,
erhalten. Die Information enthält
Zieleigenschaften (Größe, Abstand,
Geschwindigkeit und Bereichsauflösungs-Drehgeschwindigkeit)
sowie Eigenschaften des Mediums, über welche der optische Strahl
zu und von dem Ziel läuft.
Information, die zum Ziel gehört, kann
unter der allgemeinen Kategorie eines Laserradars (Ladar) gruppiert
werden, während
die Messungen, die zum optischen Medium gehören, allgemein unter einer
entfernten Erfassung (Lidar) gruppiert werden.
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Beispielsweise ergibt mit einer erdbasierenden
Quelle und einem luftgestützten
Ziel eine Messung einer Signalstärkeinformation über physikalische
Zieleigenschaften, liefert eine Messung einer Rundlaufzeit zu und
von dem Ziel die Zielbereichsmessung und liefert die Bestimmung
der Frequenzverschiebung der Rückkehrstrahlung
ein direktes Maß für die Zielgeschwindigkeit
relativ zur Quelle. Dies ist die Basis für ein optisches Radarsystem.
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Wenn die Belichtungsquelle luftgestützt ist und
das Ziel auf der Erde ist, kann man das Vorhandensein absorbierender
atmosphärischer
Arten entlang dem optischen Pfad bei der Übertragungswellenlänge durch
Messen der Stärke
des rückgestreuten
Signals ableiten. Dies ist die wesentliche Technik für ein entferntes
Erfassen chemischer Arten in der Umgebung. Ein entferntes Erfassen
von Luftverschmutzungen kann durch standardmäßige pfadintegrierte oder bereichsaufgelöste differentielle
Absorptionsmessungen unter Verwendung gepulster Laserquellen erreicht
werden. Pfadintegrierte Systeme beruhen auf topografischen Rückkehrungen
eines Echosignals, während
Bereichsauflösungssensoren eine
Aerosol-Rückstreuung
verwenden. Eine Verschmutzung wird aus ihrer spektral aufgelösten Absorptionssignatur
identifiziert. Die Absorptionsmessungen werden allgemein in atmosphärischen
Infrarotfenstern (3–5
Mikron und 8–12
Mikron Wellenlänge)
durchgeführt,
obwohl die nachfolgend beschriebenen Techniken einen äquivalenten
Vorteil im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (0,4–2,0 Mikron Wellenlänge) liefern
werden. Die Messungen können unter
Verwendung einer standardmäßigen direkten Erfassung
durchgeführt
werden, oder einer, im Infrarotbereich, sehr viel empfindlicheren
kohärenten
(heterodynen) Erfassung.
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Die Verwendung von sowohl lidaren
als auch ladaren Messungen hängt
von der Fähigkeit
zum Arbeiten bei einem langen Bereich ab. Bei einem gegebenen Bereich
bestimmt das Signal-zu-Rausch-Verhältnis Gesamtsystemparameter,
wie beispielsweise eine Zielgröße, ein
Reflexionsvermögen
und eine Oberflächenqualität und die
System-Übertragungsenergie,
Sender- und Empfänger-Aperturgrößen und eine
Erfassungsempfindlichkeit.
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Man bemüht sich, eine Einzelphotonen-Erfassungsempfindlichkeit
zu erreichen, um eine Systemleistung zu optimieren. Im sichtbaren
und im nahen Infrarotbereich, in welchen thermische Rauschquellen
wenig konkurrierendes Signal erzeugen, bietet eine direkte Erfassung,
die von der Rückkehrsignalenergie
oder -leistung abhängt
und proportional zum Quadrat der Rückkehramplitude des elektrischen
Felds ist, eine Einzelphotonen-Erfassungsfähigkeit.
Bei den längeren
Wellenlängen,
nämlich
im Infrarotbereich, in welchem thermisches strahlungsinduziertes
Rauschen die Rückkehrsignalstärke maskieren
kann, liefert eine kohärente
Erfassung, welche von der Amplitude des elektrischen Feldes des
Rückkehrsignals
abhängt
und eine zusätzliche optische
Quelle zum Dienen als Lokaloszillator erfordert, eine Einzelphotonen-Erfassungsfähigkeit.
Obwohl ein spektraler Betriebsbereich, eine Hardwarekomplexität und eine
erwünschte
Empfindlichkeit den Erfassungsmode diktieren, ziehen beide Verfahren einen
Vorteil aus der hohen Helligkeit eines Laserstrahls und der Richtfähigkeit,
was ein Ergebnis der räumlichen
Kohärenz
eines Laserstrahls ist.
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Eine temporale Kohärenz verursacht
ein Problem für
beide Erfassungsmoden durch Erzeugen eines gefleckten Musters in
der Empfängerebene
als das Ergebnis einer Interferenz zwischen elektrischen Feldzuteilungen,
die von einer groben (diffusen) Zieloberfläche gestreut werden. Die Oberfläche kann eine
Spiegelreflexion oder eine diffuse Reflexion der Belichtungsstrahlung
in Abhängigkeit
von der Ausmaßgröße der Oberflächenrauhigkeit
zur Verfügung stellen.
Wenn die Ausmaßgröße für Oberflächenunregelmäßigkeiten
im Vergleich mit der Belichtungswellenlänge klein ist, ist die Rückkehr spiegelmäßig. Für Ausmaßgrößen einer
Oberflächenrauhigkeit,
die vergleichbar mit der Belichtungswellenlänge oder größer als diese sind, ist die
Streuung diffus und wird ein Fleck erzeugt.
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Ein Flecken verschlechtert eine Systemleistung
durch Hinzufügen
einer zufälligen Puls-zu-Puls-Schwankung
zum elektrischen Feld des Rückkehrsignals.
Die Schwankung ist ein Ergebnis von kleinen Änderungen bezüglich der
optischen Pfadlänge
(im Vergleich mit der Wellenlänge
der Belichtungsstrahlung). Solche Änderungen bezüglich der
optischen Pfadlänge
können
durch eine Ziel- oder Quellenbewegung erzeugt werden, oder durch atmosphärische Schwankungen,
die innerhalb des optischen Übertragungspfads
erscheinen, zwischen aufeinander folgenden Impulsen der Laserstrahlung. Die
durch einen Flecken erzeugten Puls-zu-Puls-Schwankungen erhöhen die
Varianz bezüglich
der Rückkehrsignalmessung,
welche zum Erniedrigen des effektiven Signal-zu-Rausch-Verhältnisses
dient, und dadurch zum Erniedrigen der Messgenauigkeit.
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Für
direkte Erfassungssysteme, die das Quadrat des elektrischen Feldes
eines Rückkehrsignals
messen und die unempfindlich gegenüber seiner Phase sind, kann
ein Flecken durch Erhöhen
der Empfängerapertur
untergebracht werden (und die resultierende Varianz reduziert werden),
um eine Anzahl von Flecken gleichzeitig zu sammeln. Die resultierende
Detektorausgabe stellt einen Durchschnitt über die individuellen Fleckenintensitäten dar
und stellt genauer gesagt die mittlere Leistung dar, die vom Ziel
gestreut wird. Diese Technik ist jedoch nicht auf eine kohärente Erfassung
anwendbar, da das Ausgangssignal von der elektrischen Amplitude
und der Phase abhängt.
Wohlbekannte Analysen haben gezeigt, dass die Varianz bei dem kohärent erfassten Signal
sich nicht vermindert, wenn die Aperturgröße kleiner wird. In der Vergangenheit
hat der Mangel an effektiven Mitteln zur Reduzierung einer Varianz,
die durch Flecken induziert ist, die Verwendung einer kohärenten Erfassung
entmutigt und hat seine signifikant größere Empfindlichkeit im Infrarotbereich
im Vergleich mit einer direkten Erfassung nicht verfügbar gemacht.
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Systeme, die ein kohärente Belichtung
verwenden, und entweder direkte oder kohärente Erfassungsverfahren,
können
die Möglichkeit
eines Erreichens der langen Bereiche, die bei vielen Funktionen vom Überwachungstyp
wünschenswert
sind, und zwar unter der Voraussetzung, dass die vorgenannte Interferenz
aufgrund eines Fleckens überwunden werden
kann. Die nachfolgende Erfindung stellt ein Verfahren zum Reduzieren
der fleckeninduzierten Schwankungen für beide Erfassungsmoden zur
Verfügung.
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Laser and Electro-optics Society
Annual Meeting Conference Proceedings; Vol 1, Conf 2, Seiten 53,
130–133;
17–20
Okt. 1989 (USA) mit dem Titel "Laboratory
Measurements of Strategic Target Signatures" von Dezenberg G J et al beschreibt
die Verwendung eines modenverriegelten CO2-Lasers als Sender,
der einen Strahl von Laserlicht zu einem entfernten Ziel richtet
bzw. führt
und auf die erzeugten Flecken Bezug nimmt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das vorangehende Problem wird gemäß der Erfindung
gemäß den Ansprüchen 1,
4 überwunden, um
eine reduzierte Varianz in empfangenen Lasersignalen in beiden der
vorangehenden Ladar- und Lidar-Situationen durch Durchführen spektraler
Messungen von Luftsubstanzen, wie beispielsweise Verschmutzungen,
durch Verwenden einer Laserbelichtung eines Ziels entweder in einem
Ladar- oder einem Lidar-System zur Verfügung zu stellen. Eine Abschwächung einer
Fleckeninterferenz wird durch gleichzeitige unabhängige Messungen
von spektralen Kennlinien mit einem Bilden eines Durchschnitts der
unabhängigen
Messungen zum Reduzieren der zufallsfleckeninduzierten Störungen von
Rückkehrsignalamplituden,
die in kohärenten
Erfassungssystemen gefunden werden, erhalten. Die gleichzeitigen unabhängigen Messungen
werden durch Verwenden von mehreren Empfangsaperturen und/oder durch eine Übertragung
eines Laserlichts mit mehreren Träger-Spektrallinien, die soweit
beabstandet sind, dass jede Trägerkomponente
des Laserstrahls eine Leistung einer Messung unabhängig von
Messungen zulässt,
die durch Lasersignale bei anderen Trägerfrequenzen durchgeführt werden,
erhalten.
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In Bezug auf die Verwendung von mehreren Empfangsaperturen
muss das Fleckenmuster in einer Ebene der Empfangsaperturen resultierend
aus einer Ausleuchtung des Ziels mit einer kohärenten Strahlung berücksichtigt
werden. Der Effekt des Fleckens besteht im Einführen von Variationen in eine Amplitude
des empfangenen Signals, wenn man über die Empfangsebene fortschreitet.
Die Variationen können
derart beschrieben werden, dass sie quasi periodisch sind, und zwar
mit Spitzen und annähernd
Nullen im Empfangsmuster aufgrund konstruktiver und destruktiver
Interferenz im gefleckten Rückkehrsignal.
Die Beabstandung zwischen den Spitzen kann in Bezug auf eine charakteristische
Dimension eines empfangenen Signals beschrieben werden, welches
im Fall eines monostatischen Radars gleich einem Durchmesser einer
zirkularen Sende- bzw. Übertragungsapertur
ist, die für
eine Übertragung
des Laserstrahls verwendet wird. Somit wird durch Beschränken eines
Durchmessers einer Empfangsapertur auf die charakteristische Dimension
das durch die Apertur empfangene Signal derart begrenzt, dass es
ein Bereich einer konstruktiven Interferenz für eine maximale Signalantwort
ist. Weiterhin sind zum Sicherstellen einer Unabhängigkeit
einer Messung die Empfangsaperturen weit beabstandet, und zwar an
Zentren der Empfangsaperturen durch Beabstandungen gleich einer
ganzzahligen bzw. integralen Anzahl der charakteristischen Dimension. Dadurch
kann ein Feld von Empfangsaperturen gebildet werden, wobei die jeweiligen
Empfangsaperturen in der Leitung bzw. Durchführung von unabhängigen Messungen
der spektralen Charakteristiken der Umgebung arbeiten, durch welche
sich der Laserstrahl ausbreitet.
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In Bezug auf die gleichzeitigen unabhängigen Messungen,
die mit einem Impulszug des gesendeten Laserstrahls durchgeführt werden,
wird angemerkt, dass es ein Charakteristikum der Länge eines Resonators
eines modenverriegelten Lasers ist, ein Kammspektrum zu erzeugen,
bei welchem die Bandbreite der spektralen Komponenten des übertragenen
Impulses und die Beabstandung von einzelnen Komponenten des Spektrums
bezogen ist auf die Wiederholfrequenz des Impulszugs. Dieses Spektrum
ist bei einem nominalen Wert einer Trägerfrequenz einer Strahlung
(typischerweise einer Infrarotstrahlung) zentriert, die durch den
Laser gestrahlt wird. Dies liefert für den Impulszug eine Gruppe
von sinusförmigen
Komponenten bei Linienfrequenzen, wobei die sinusförmigen Komponenten
synchronisiert sind, was unterschiedlich von einem zufälligen Auftreten
ist, und die Beabstandung der Spektrallinien ist groß genug,
um für
eine Dekorrelation der gefleckten Muster zu sorgen, die durch jede
der sinusförmigen
Komponenten erzeugt werden.
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Die Anzahl von Wellenlängen von
jeder der jeweiligen spektralen Komponenten ist eine ganzzahlige
Anzahl von Wellenlängen
in dem Rundlauf-Ausbreitungspfad
innerhalb der Resonanzkammer des Lasers. Dadurch erhöht sich
durch Erniedrigen der Länge
der Resonanzkammer das Bruchteilinkrement einer Frequenzdifferenz
zwischen spektralen Komponenten, während einer Erhöhung bezüglich des
Rundlaufpfads der Resonanzkammer in einer Erniedrigung des Bruchteilinkrements
bezüglich
einer Frequenzdifferenz zwischen den aufeinander folgenden Frequenzlinien
des übertragenen Spektrums
resultiert. Eine Unabhängigkeit
von Messungen wird durch Liefern einer ausreichend großen Frequenzdifferenz
zwischen den verschiedenen Spektrallinien erhalten, so dass gleichzeitige
Komponenten des gesendeten bzw. übertragenen
Signals bei den verschiedenen Teilen des Spektrums Komponenten-Rückkehrsignale
erzeugen, die voneinander dekorreliert sind. Die Größe der Frequenzdifferenz
zwischen benachbarten Spektrallinien zum Erreichen einer Dekorrelation
hängt von
der Zielgeometrie ab, wie es nachfolgend diskutiert ist.
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Im Fall eines Laserstrahls, der in
Richtung nach unten zur Erde bzw. zum Boden bei einem Höhenwinkel
im Bereich von 5–10
Grad, typischerweise 7–8
Grad, gerichtet ist, wird der Zug von Impulsen einer Strahlung derart
gesehen, dass er entlang dem Zielbereich fortschreitet. Im Fall
eines Strahls eines zirkularen Querschnitts erzeugt der kleine Höhenwinkel
eine elliptische Form zu einer Aufstandsfläche des Strahls auf der Erde,
und die Impulse einer Strahlung breiten sich entlang dieser Aufstandsfläche aus.
Hier gibt es auch ein Interferenzmuster mit sowohl konstruktiver
als auch destruktiver Interferenz, was in einer Reihe von Maxima
und Minima bezüglich
der Amplitude des Rückkehrsignals
resultiert. Die Dimension der elliptischen Aufstandsfläche (größere Achse)
bestimmt die erforderliche Frequenzdifferenz. Ein ausreichender
Sprung bezüglich
einer Frequenz von einer sinusförmigen
Komponente zu einer zweiten sinusförmigen Komponente liefert eine Differenz
bezüglich
einer Phasenakkumulation über dem
belichteten Bereich zwischen den sinusförmigen Komponenten, was ermöglicht,
dass die Rückkehrsignale
der verschiedenen sinusförmigen
Komponenten dekorreliert werden. Die erforderliche Frequenzverschiebung
wird die Korrelations-Frequenzverschiebung genannt.
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Die Resonanzkammer des Lasers wird
ausgewählt,
um für
die erforderliche Differenzfrequenz zwischen den Laserkomponenten
des ausgegebenen Lasersignals zum Erreichen einer Dekorrelation zu
sorgen. Dadurch liefert das Rückkehrsignal
die Gruppe von gleichzeitigen unabhängigen Messungen bei jeweiligen
Werten der Frequenzkomponenten. Dies liefert die erforderliche Vielfalt
von unabhängigen
Messungen der spektralen Charakteristiken der Umgebung, durch welche
sich der Laserstrahl ausbreitet. Um die unabhängigen Messungen aus dem Rückkehrsignal
zu extrahieren, ist eine Fouriertransformation des Signals zu der
Zeit der Übertragung
des Signals vorgesehen, und auch zu der Zeit eines Empfangs des
Rückkehrsignals.
Die erste Fouriertransformation wird als Referenzspektrum verwendet,
und die zweite Fouriertransformation wird zum Korrelieren des Spektrums
des empfangenen Signals gegenüber
dem Spektrum des gesendeten Signals verwendet. Das Ergebnis der
Fouriertransformation und der Korrelation besteht im Liefern eines
Vergleichs der gesendeten und der empfangenen Leistung bei verschiedenen
Spektrallinien des Rückkehrsignals.
Dies liefert die erwünschten
Daten der Umgebung, durch welche sich der Laserstrahl ausbreitet.
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Die vorangehende Datenverarbeitungsprozedur
kann für
jede der Empfangsaperturen wiederholt werden, und zwar in dem Fall,
in welchem ein Feld von Empfangsaperturen verwendet wird, um für ein Bilden
eines Durchschnitts der unabhängigen Messungen
zu sorgen. Somit gibt es zwei Moden zum Erreichen eines Durchschnittsbildungseffekts,
d. h. die zusammengesetzten Messungen von dem Kammspektrum und die
Durchschnittsbildung der Messungen von den verschiedenen Empfangsaperturen.
Das Ergebnis ist eine hochgenaue Messung der spektralen Eigenschaften
der Umgebung, was mit einer sehr größeren Schnelligkeit erreicht
wird, als es bislang möglich
gewesen ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Die vorangehenden Aspekte und andere Merkmale
der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung erklärt, und
zwar genommen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungsfiguren, wobei:
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1 eine
stilisierte Ansicht eines Lasersystems zeigt, das auf der Erde angeordnet
ist und einen Strahl einer Strahlung nach oben zu einem Ziel in
der Form eines Luftfahrzeugs sendet;
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2 eine
stilisierte Ansicht eines Lasersystems zeigt, das an einem Flugzeug
angeordnet ist und einen Strahl bzw. ein Bündel einer Strahlung nach unten
zu einem Ziel sendet, das als Teil der Erdoberfläche dargestellt ist;
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3 eine
Kurve ist, die Variationen bezüglich
einer Intensität
eines Signals zeigt, das vom Ziel der 2 reflektiert
und in einem gefleckten Muster beim Lasersystem empfangen wird;
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4 ein
alternatives Ausführungsbeispiel des
Lasersystems zeigt, wobei zusätzliche
Teleskope zum Beobachten eines empfangenen Signals verwendet werden;
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5 eine
diagrammmäßige Darstellung von
gesendeten und empfangenen Signalen ist, die sich zwischen dem Lasersystem
der 2 und einem Ziel
ausbreiten, das als eine Aufstandsfläche auf der Erdoberfläche gezeigt
ist;
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6 eine
Draufsicht auf die Aufstandsfläche
der 5 ist;
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7 ein
Linienspektrum eines modenverriegelten Lasers zeigt;
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8 eine
diagrammmäßige Darstellung des
Lasersystems von entweder der 1 oder
der 2 ist;
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9 eine
Kurve ist, die eine stilisierte Darstellung eines durch einen Laser
ausgegebenen Impulszugs zeigt; und
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10A und 10B zusammengenommen ein Ablaufdiagramm
des Verfahrens der Erfindung bilden.
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Identisch bezeichnete Elemente, die
in unterschiedlichen Figuren erscheinen, beziehen sich auf dieselben
Elemente in den unterschiedlichen Figuren. Es kann aber sein, dass
in der Beschreibung auf sie nicht für alle Figuren Bezug genommen
ist.
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Detaillierte
Beschreibung
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1 zeigt
ein Lasersystem 20, das auf der Erde 22 angeordnet
ist, zur Übertragung
eines optischen Signals zu einem Flugzeug 24, wobei das
System 20 einen Sender 26 zum Erzeugen eines abgehenden
optischen Signals enthält,
einen Empfänger 28 zum
Erfassen eines vom Flugzeug 24 reflektierten optischen
Signals und ein Teleskop 30. Das optische Signal ist eine
Sequenz von Impulsen einer Strahlung. Das Teleskop 30 wird
mit dem Sender 26 zum Fokussieren des abgehenden Signals
verwendet, um einen Strahl 32 zur Verfügung zu stellen, der sich durch
die Atmosphäre
zum Flugzeug 24 ausbreitet, und dient auch zum Sammeln
von Strahlungsenergie des reflektierten Signals zum Betreiben des
Empfängers 28.
Das empfangene Signal hat die Charakteristiken des gesendeten Signals,
ist aber gegenüber dem
Sendersignal durch die physikalischen Eigenschaften des Flugzeugs
und seine Bewegung 24 und durch Verschmutzungen 34,
die in der Atmosphäre gefunden
werden, modifiziert. Eine solche Modifikation beim empfangenen Signal
kann eine Dopplerfrequenzverschiebung und eine selektive Dämpfung von
verschiedenen spektralen Komponenten enthalten. Eine Erfassung und
eine Analyse von solchen Modifikationen wird durch einen Signalprozessor 36 zur
Verfügung
gestellt, der an den Empfänger 28 angeschlossen
ist.
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2 zeigt
einen Aufbau für
eine Messung mittels gesendeter und reflektierter optischer Energie,
wobei der Aufbau das Gegenstück
von demjenigen ist, der in 1 gezeigt
ist. In 2 wird das Lasersystem 20 durch
das Flugzeug 24 getragen und es richtet den Strahl 32 einer
Strahlung in Richtung nach unten zur Erde 22. Das abgehende
Signal wird durch den Sender 26 und über das Teleskop 30,
das den Strahl 32 bildet, gesendet. Der Strahl 32 belichtet einen
Teil der Erde 22, welcher als Aufstandsfläche 38 bezeichnet
ist. Die Erde 22 hat eine ausreichende Rauhigkeit zum Reflektieren
der Strahlung über
einen großen
Bereich eines Raums, der eine Reflexion von Strahlen zurück zum Teleskop 30 enthält. Die Rauhigkeit
der Oberfläche
der Erde 22 ist durch Störungen oder Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche der
Erde 22 gebildet, wobei die Größe einer einzelnen der Störungen in
der Größenordnung
einer Wellenlänge
der Belichtungsstrahlung ist. Die durch das Lasersystem 20 gesendete
Strahlung ist eine kohärente
Strahlung, die durch eine Modenverriegelung eines Lasers erzeugt
wird, wie es hierin nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Als Ergebnis der Kohärenz
der Strahlung gibt es eine Interferenz zwischen den Wellen, die
von den zahlreichen Störungen über der
gesamten Aufstandsfläche 38 reflektiert
werden, wobei diese Interferenz Anlass zu dem als Flecken bekannten
Phänomen
gibt.
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3 ist
eine Kurve, die den Effekt eines Fleckens zeigt, wobei es eine konstruktive
und eine destruktive Interferenz gibt, die in einer Bildebene 40 bei
dem vorangehenden Empfänger 38 beobachtet wird. 3 ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die
das Fleckenmuster einer empfangenen Strahlungsintensität beherrscht.
Die Bildebene 40 ist durch eine vertikale Linie dargestellt.
Eine Achse 42 des vorangehenden Teleskops 30 ist
durch eine horizontale Linie dargestellt, die die Bildebene 40 schneidet.
Die vertikale Linie der Bildebene 40 dient auch zum Messen
eines Abstands von einer Bohrung des Teleskops 30, und
die horizontale Linie, nämlich
die Achse 42, dient auch als Maß einer Intensität einer
Strahlung, die bei der Bildebene 40 empfangen wird. Eine Spur
bzw. Kurve 44 zeigt die Intensität der empfangenen Strahlung
in der Bildebene 40 als Funktion eines Abstands von der
Achse 42. Die Kurve zeigt einen Spitzenwert 46 einer
Intensität,
die bei der Achse 42 empfangen wird. Die Intensität fällt mit
einem Erhöhen
eines Abstands auf beiden Seiten der Achse 42 ab. Weitere
Spitzen, die nicht gezeigt sind, sind noch weiter entfernt von der
Achse 42 vorhanden. Die drei Spitzen 46, 52 und 54 haben
nahezu dieselbe Breite entlang der Bildebene 40.
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Es ist bequem, das resultierende
Fleckenmuster auf der Bildebene 40 in Bezug auf eine charakteristische
Dimension r zu beschreiben, die proportional zu dem Bereich R (in 5 gezeigt) des Ziels oder
der Aufstandsfläche 38 von
der Bildebene 40 (ebenso in 5 gezeigt)
ist. Die charakteristische Dimension r ist weiterhin proportional
zu dem Verhältnis
der Wellenlänge λ der Strahlung,
geteilt durch die Breite D (in 5 gezeigt)
der Aufstandsfläche 38.
Es ist herausgefunden worden, dass die charakteristische Dimension
r im Wesentlichen gleich zu der Beabstandung zwischen jeder der
Spitzen 46, 52 und 54 ist, wobei dies
in der Kurve der 3 gezeigt
ist. das Fleckenmuster kann als Ergebnis von kleinen Änderungen
im Vergleich mit der Wellenlänge
der Strahlung in der optischen Pfadlänge bezüglich der Zeit variieren. Die
kleinen Änderungen
bezüglich
einer optischen Pfadlänge
resultieren aus irgendeiner relativen Bewegung zwischen der Quelle einer
Strahlung, dargestellt durch das System 20, und dem Ziel,
dargestellt durch die Aufstandsfläche 38, sowie aus
atmosphärischen
Schwankungen zwischen aufeinander folgenden Impulsen einer Strahlung,
die durch das System 20 gesendet wird.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Systems 20, das als System 20A gezeigt ist, wobei
zusätzliche
Teleskope in Verbindung mit dem Teleskop 30 in einem Feld
bzw. einer Anordnung 60 verwendet werden, um den Vorteil
einer kohärenten Erfassung
zu realisieren. Zwei solche Teleskope 56 und 58 sind
anhand eines Beispiels gezeigt. Die Teleskopanordnung 60 ist
gebildet durch Versehen jedes der Teleskope 30, 56 und 58 mit
einer optischen Apertur mit einem Durchmesser gleich der charakteristischen
Dimension r. Glücklicherweise
lässt ein
solcher Durchmesser für
die Teleskopaperturen ein Anordnen der Teleskope 30, 56 und 58 Seite
an Seite in einer Anordnung zu, wie beispielsweise der Anordnung 60,
wie sie in 4 gezeigt
ist. Dies ermöglicht, dass
zusätzliche
Empfänger 62 und 64 jeweils
an die Teleskope 56 und 58 angeschlossen werden,
um auf eine gemeinsame Weise mit dem an das Teleskop 30 angeschlossenen
Empfänger 28 zu
arbeiten, um einen einzelnen Flecken zu beobachten. Jede Schwankung
in einem empfangenen Signal zwischen aufeinander folgenden Impulsen
einer Belichtung bzw. Ausleuchtung des Ziels hat dieselben Charakteristiken,
wie sie durch jedes oder die Teleskope 30, 56 und 58 empfangen
werden. Dies lässt
zu, dass die jeweiligen Empfänger 28, 62 und 64 auf
die vorgenannte gemeinsame Weise arbeiten, um eine signifikante
Erniedrigung bezüglich
einer Signalvarianz für
eine verbesserte Messung von spektralen Charakteristiken des empfangenen
Signals zu liefern.
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Ebenso in Bezug auf 3, in welcher die Spur bzw. Kurve 44 eindimensional
gezeigt ist, ist zu verstehen, dass die Spur 44 der 3 um die Achse 42 in
zwei orthogonalen Dimensionen der Bildebene symmetrisch ist. Demgemäß kann,
während
die Anordnung 60 als lineare Anordnung in nur einer Dimension
in 4 gezeigt ist, die
Anordnung 60 als eine zweidimensionale Anordnung (nicht
gezeigt) von Teleskopen vorgesehen sein, die symmetrisch um das
Teleskop 30 positioniert sind, und zwar für eine weitere
Verbesserung bezüglich
der spektralen Messung.
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Zum Durchführen der Messung der Rückkehrsignal-Intensität für eine genaue
Darstellung des Mittelwerts der Rückkehrsignalenergie ist es
nötig, einen
Durchschnitt über
eine Anzahl von Impulsen des empfangenen Signals zu bilden, um die
Variabilität
der Signalintensität
des empfangenen Signals auf einen erwünschten Pegel bzw. auf ein
erwünschtes
Maß zu
reduzieren. Die Unsicherheit bezüglich
einer gegebenen Rückkehrsignal-Intensitätsmessung erniedrig
sich gemäß dem Reziproken
des Quadrats der Anzahl von unabhängigen Messungen.
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Gemäß der Erfindung kann die Durchschnittsbildung
durch gleichzeitiges Anschauen bzw. Betrachten eines einzelnen Echoimpulses
von dem Ziel gleichzeitig bei einer Vielzahl von Stellen erreicht werden,
wobei die Stellen um die vorgenannte charakteristische Dimension
r beabstandet sind, um eine Unabhängigkeit einer Messung sicherzustellen.
Dies kann auch durch Anschauen einer Aufeinanderfolge von empfangenen
Signalimpulsen erreicht werden, wobei das Signal von einem Impuls
im Sinne dessen unabhängig
ist, dass das Signal von einem Impuls unabhängig ist, und zwar im Sinne
dessen, dass es dekorreliert ist, von jedem anderen Impuls. Eine
solche Unabhängigkeit
kann auch in dem Fall eines gleichzeitigen Anschauens von mehreren
Spektrallinien erreicht werden, die gleichzeitig innerhalb jedes Impulses
eines Impulszugs erzeugt werden, wobei sich das Ausmaß einer
Frequenzdifferenz zwischen den Spektrallinien auf eine Dekorrelationsfrequenz bezieht.
Ein Erreichen der Dekorrelationsfrequenz wird unter Bezugnahme auf
die 5 und 6 beschrieben.
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5 ist ähnlich der 2 und zeigt den Strahl 32,
der durch das Teleskop 30 des Systems 20 in Richtung
nach unten zur Erde 22 unter einem kleinen Höhenwinkel θ mit einem
Wert typischerweise im Bereich von 5–10 Grad, typischerweise 7–8 Grad
gerichtet ist. Der Strahl leuchtet eine Aufstandsfläche 38 mit
einer Länge
x und einer Breite D aus, wie es in 6 gezeigt
ist. Der Durchmesser des Strahls nahe der Erde ist im Bereich von
typischerweise 10–15 Metern.
Die Länge
x und die Breite D sind mathematisch durch die Gleichung x = D/sin(θ) bezeichnet. Gesendete
Strahlen sind bei 66 gezeigt und reflektierte Strahlen
sind bei 68 gezeigt. Impulse 70 der gesendeten
Strahlung haben eine Dauer von nahezu einer Nanosekunde, was einem
Abstand von nahezu einem Fuß entlang
der Aufstandsfläche 38 entspricht,
wenn sich die Strahlung entlang der Aufstandsfläche 38 ausbreitet.
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Wie es oben angegeben ist, kann eine Durchschnittsbildung über eine
Aufeinanderfolge von Impulsen für
eine verbesserte Messung verwendet werden. Jedoch ist dies zeitaufwändig und
somit nachteilig. Dieser Nachteil wird durch die Erfindung dadurch überwunden,
dass vorausgesetzt wird, dass jeder der Impulse 70 eine
Zusammensetzung aus zahlreichen Spektrallinien von Licht oder Strahlung ist,
wobei jede der zahlreichen gleichzeitigen Spektrallinien unterschiedlich
bezüglich
einer Frequenz gegenüber
den Frequenzen der anderen Linien ist. Die Frequenzen unterscheiden
sich ausreichend, und zwar um einen Betrag, der Dekorrelationsfrequenz
Fd genannt wird, so dass eine durch Verwenden von irgendeiner der
gleichzeitigen Spektrallinien durchgeführte Messung unabhängig von
einer durch irgendeine andere der gleichzeitigen Spektrallinien durchgeführten Messung
ist. Dadurch können
mehrere unabhängige
Messungen durch Verwenden eines einzigen der Impulse 70 erreicht
werden. Dies resultiert in einer signifikanten Reduzierung bezüglich der
Zeit, die zum Durchführen
der Messung erforderlich ist.
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Zum Erreichen der vorangehenden Unabhängigkeit
einer Messung zwischen den gleichzeitigen Impulsen bei unterschiedlichen
Trägerfrequenzen
muss die Dekorrelationsfrequenz Fd größer als das Verhältnis c/(2x)
oder gleich diesem sein, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist und
x die vorgenannte Länge
der Aufstandsfläche 38 ist.
Diese Beziehung kann durch Berücksichtigen
des unterschiedlichen Aufbaus einer Phase zwischen zwei sinusförmigen Komponenten
eines Impulses verstanden werden, wenn sich die Impulse entlang
der Aufstandsfläche 38 ausbreiten.
Die Rundlauf-Phasenverschiebung θ zwischen
den Signalen bei 66 und 68 (5) ist gegeben durch 2(π/λ)cos(θ), wobei
cos(θ)
näherungsweise
Eins bei dem niedrigen bzw. kleinen Höhenwinkel θ ist. Ein unterschiedliches
Maß der
Rundlauf-Phasenverschiebung θ zwischen
zwei Signalen von unterschiedlichen Trägerfrequenzen ist zu berücksichtigen.
Ein Maß von Δθ, bezüglich der Amplitude
bzw. Größe gleich π/2, sorgt
für einen
maximalen oder minimalen Wert eines Fleckens in der Bildebene 40 (3 und 5). Ein Verwenden dieses Kriteriums für eine Dekorrelation
zum Bestimmen eines minimalen Werts für Fd erzeugt die Beziehung,
dass die Größe von Δθ gleich
2(π/λ) (2x) (1/8x)
ist. [Unter der Annahme, dass die gesendete Strahlung eine Infrarotstrahlung
mit einer Wellenlänge λ = 105 Metern ist und dass die Länge x der
Aufstandsfläche 38 25 Meter
ist, muss Fd gleich oder größer als
1,5 MHz (Megahertz) sein.] Während
die vorangehenden Werte einer Wellenlänge und einer Aufstandsflächenlänge anhand
eines Beispiels zur Verfügung
gestellt sind, werden diese Werte beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet.
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Bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel
der Erfindung und unter der Annahme, dass es N solche Spektrallinien
innerhalb eines einzelnen der Impulse 70 gibt, gibt es
dann N unabhängige
Messungen oder Flecken-Realisierungen,
welche die Varianz des reflektierten Signals für einen einzelnen Impuls 70 um
die Quadratwurzel von N reduzieren. Anhand von alternativen Ausführungsbeispielen
kann in der Praxis der Erfindung anstelle eines Vorsehens von N
gleichzeitigen Impulsen mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen ein einziger
Impuls vorgesehen sein, wobei die Trägerfrequenz über einen
Frequenzbereich gleich N (Fd) gewobbelt wird. Dies ermöglicht auch
die N unabhängigen
Messungen oder Flecken-Realisierungen,
welche die Varianz des reflektierten Signals für einen Einzelimpuls 70 um
die Quadratwurzel von N reduzieren.
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Durch Verwenden eines modenverriegelten Lasers
im Lasersystem 20, wie es in 8 beschrieben
wird, kann der Laser gleichzeitig eine Vielzahl von Trägerfrequenzen
in der Art eines Linienspektrums mit einer gleichen Beabstandung
bezüglich
der Frequenz oder einer Modenbeabstandung zwischen den Endspiegeln
durch eine derartige Beziehung erzeugen, dass die Modenbeabstandung
gleich c/(2L) ist. Hier ist c die Lichtgeschwindigkeit im Laser.
Innerhalb des Betriebsbereichs des Lasers, bei welchem es eine ausreichende
Verstärkung
zum Erzeugen einer Oszillation gibt, gibt es eine ausreichende Bandbreite
zum Erzeugen zahlreicher Spektrallinien mit der vorangehenden Modenbeabstandung.
Eine solche Beabstandung von gleichzeitig erzeugten Spektrallinien
für einen
modenverriegelten Laser ist auf eine vereinfachte Weise in 7 gezeigt.
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Ein Modulator innerhalb des Laserresonators,
der detaillierter unter Bezugnahme auf 8 zu beschreiben ist, wird betrieben,
um Modenverriegelungsimpulse mit der Impulsdauer von einer Nanosekunde
zu erzeugen, wobei dies in der Erzeugung der Impulse 70 mit
den mehreren Spektrallinien resultiert, die oben unter Bezugnahme
auf 5 beschrieben sind.
Während
andere Dauern der Impulse 70 verwendet werden können, wird
die Dauer von einer Nanosekunde beim bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet. Die Bandbreite des Frequenzspektrums des
Impulses mit einer Nanosekunde ist in dem Fall eines Einzelimpulses
1000 MHz, wobei das Spektrum kontinuierlich ist. Jedoch wird beim
Erzeugen eines sich wiederholenden Zuges der Impulse das Spektrum
eine Linienbeabstandung proportional zum Reziproken des Zeitintervalls zwischen
Impulsen. Somit resultiert eine höhere Wiederholfrequenz der
Impulse des Impulszuges in einer größeren Frequenzdifferenz zwischen
den Linien oder dem Spektrum. Die Länge L des Resonators wird ausgewählt, um
eine Modenbeabstandung von 25 MHz zu erzeugen. Durch Betreiben des
Modulators bei einer Frequenz gemäß der Modenbeabstandung wird
eine Modulatorfrequenz von 12,5 MHz aus derartigen Gründen verwendet,
die hierin nachfolgend erklärt
werden. Der Modulator lässt
ein Durchgehen einer reflektierten Strahlungsenergie für jeden Rundlauf
einer Reflexion zwischen Endspiegeln des Lasers für die Modenverriegelung
zu. Impulse werden mit einer Rate von 25 MHz ausgegeben. Somit erzeugt
der Laser ein Linienspektrum von 40 Linien, die voneinander um 25
MHz beabstandet sind. Dadurch ermöglicht der Laser die gleichzeitige
Messung von N unabhängigen
Messungen mit N = 40.
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8 zeigt
Details bezüglich
des Aufbaus des Lasersystems 20, das zuvor unter Bezugnahme auf
die 1 und 2 diskutiert ist, einschließlich des Teleskops 30 und
des Signalprozessors 36 und ihrer Verbindungen mit dem
Sender 26 und dem Empfänger 28.
Der Empfänger 28 ist
ein Empfänger
vom Heterodyntyp und weist einen Lokaloszillator 72, einen semireflektierenden
Spiegel 74, einen Heterodyndetektor 76 und eine
Empfangsschaltung 78 auf. Der Sender 26 weist
einen Laser 80 mit einem Lasermedium 82 auf, das
zwischen zwei Endspiegeln 84 und 86 angeordnet
ist. Ein Strahl 88 einer Infrarotstrahlung wird innerhalb
des Mediums 82 in Reaktion auf eine Anregung des Mediums 82 durch
eine Quelle 90 einer Eingangsleistung entwickelt und wird
zwischen den Spiegeln 84 und 86 reflektiert, um
eine Intensität aufzubauen.
Der Spiegel 86 ist teilweise transparent, um zuzulassen,
dass ein Teil der Strahlenergie aus dem Laser 80 austritt
und sich über
einen Sende/Empfangs-Schalter 92 zum Teleskop 30 ausbreitet,
um aus dem System 20 als der Strahl 32 auszutreten.
Der Strahl 32 leuchtet ein Ziel in der Form des Flugzeugs 24 (1) oder der Erde 22 (2) aus. Zum Liefern des
Linienspektrums der 7 enthält der Laser 80 einen Modulator 94,
der durch einen Treiber 96 zur Modenverriegelung des Lasers 80 angetrieben
wird.
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Wie es hierin zuvor beschrieben ist,
resultiert das Modenverriegeln in dem Ausgeben eines Zugs von Impulsen 70 aus
dem Laser 80, wie es in 9 gezeigt
ist, wobei jeder der Impulse 70 eine Zusammensetzung aus
zahlreichen modenverriegelten Spektrallinien innerhalb jedes der
Impulse 70 ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung haben die Impulse 70 jeweils eine Breite
von einer Nanosekunde innerhalb einer Zwischenimpulsbeabstandung
von 40 Nanosekunden, wie es hierin zuvor beschrieben ist. Ebenso
verwendet der Laser 80 ein Kohlenstoffdioxid-Lasermedium 82,
das eine Wellenlänge
von nahezu 11 Mikron zur Verfügung
stellt. Der Impulszug erstreckt sich über ein Intervall einer Zeit von
etwa 3–5
Mikrosekunden.
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Der Modulator 94 kann als
Bragg-Zelle aus piezoelektrischem Material aufgebaut sein, wobei
der Treiber 96 eine akustische Welle innerhalb des piezoelektrischen
Materials anregt. Die Welle ergibt das Erscheinen eines Gitters
für die
Zelle, wobei Spitzenwerte, gleichgültig ob positiv oder negativ,
zum Komprimieren des piezoelektrischen Materials zum Bilden des
Gitters dienen. Somit ist die räumliche
Frequenz des Gitters das Doppelte der Anregungsfrequenz des Treibers 96.
Demgemäß gibt der
Treiber 96 zum Erzeugen der Modenbeabstandung von 25 MHz ein Treibersignal
mit der Hälfte
der vorangehenden Frequenz, nämlich
12,5 MHz, aus. Das Gitter der Bragg-Zelle neigt dazu, den Laserstrahl weg
von der Längsachse
des Lasers abzulenken, wobei dies in einer Beendigung eines Laserimpulses
resultiert und zum Steuern der Länge
und der Zeit eines Auftretens eines jeweiligen Impulses von Licht,
der durch den Laser 80 ausgegeben wird, dient.
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Wenn es erwünscht ist, kann der Laser 80 gemäß einem
alternativen Ausführungsbeispiel
der Erfindung betrieben werden, wobei anstelle eines Erzeugens des
Linienspektrums der Laser 80 durch Ersetzen des Spiegels 84 mit
einem Gitter modifiziert ist, so dass durch Neigen des Gitters die
Frequenz einer Strahlung, die durch den Laser 80 ausgegeben wird,
bezüglich
der Frequenz über
ein Zeitintervall gewobbelt wird. Beispielsweise kann das Neigen durch
eine Steuerung 98 erreicht werden, die in einer Phantomansicht
angezeigt ist, welche das Gitter um eine Achse senkrecht zu einer
Längsachse
des Lasers 80 mit einer festen Drehgeschwindigkeit während eines
Zeitintervalls, wie beispielsweise der Dauer eines Impulses 70,
der durch den Laser 80 ausgegeben wird, dreht. Dies wobbelt
die Trägerfrequenz des
Strahls 98 während
der Dauer eines Impulses 70 linear.
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Bei einem Betrieb wird während eines
Empfangs eines vom Ziel reflektierten Echos der Schalter 92 betrieben,
um empfangenes Licht durch den Spiegel 74 zum Detektor 76 zu
führen.
Der Lokaloszillator 72, der auch ein Laser sein kann, der
kontinuierlich bzw. im Dauerstrich zum Ausgeben einer Einzelfrequenz
arbeitet, führt
ein Referenzsignal über
den Spiegel 74 zum Detektor 76. Die Frequenz des
Lokaloszillators 72 wird gegenüber der Trägerfrequenz des Lasers 80 versetzt,
um vom Detektor 76 ein Basisbandsignal zur Schaltung 78 auszugeben.
Das Basisbandsignal wird gefiltert, verstärkt und von einem analogen
zu einem digitalen Format in der Schaltung 78 umgewandelt,
und wird dann als digitales Signal zum Signalprozessor 36 ausgegeben.
Der Signalprozessor 36 enthält einen Fouriertransformator 100,
einen Speicher 102 und einen Korrelierer 104.
Vor einer Durchführung
der spektralen Messungen wird eine Abtastung bzw. Probe des Lasersignals über den
Schalter 72 gezogen und an den Detektor 76 angelegt.
Das erfasste Abtastsignal wird an den Fouriertransformator 100 angelegt,
um ein Referenzspektrum zu liefern, das im Speicher 102 gespeichert wird.
Die Fouriertransformation wird digital mit Abtaststellen bei jeder
Frequenz des Linienspektrums des gesendeten Signals durchgeführt. Im
Fall des alternativen Ausführungsbeispiels
der Erfindung unter Verwendung der Wobbelfrequenz erstreckt sich
das Wobbeln der Frequenz über
dasselbe spektrale Band, wie es in dem Fall des Ausführungsbeispiels unter
Verwendung des Impulszugs ohne das Wobbeln der Frequenz vorhanden
ist. ebenso enthalten bei dem Beispiel mit gewobbelter Frequenz
die digital abgetasteten Stellen im Frequenzspektrum für die Fouriertransformation
wenigstens Abtaststellen, die im Frequenzspektrum um die Dekorrelationsfrequenz
Fd beabstandet sind. Darauf folgend werden während einer Durchführung der
spektralen Messungen die Fouriertransformationen der empfangenen Signale
gegenüber
dem im Speicher 102 gespeicherten Referenzspektrum korreliert.
Die Ergebnisse der Korrelation werden zu einer Datenausgabeeinheit 106 zugeführt, die
ein Drucker oder eine Anzeige oder ein Speicher sein kann, und zwar
anhand eines Beispiels, was zum Präsentieren der Ausgangsdaten zu
Personen dient, die das System 20 verwenden.
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Die vorangehende Verarbeitung des
empfangenen Signals kann auch für
das System 20A der 4 erreicht
werden, in welchem Fall Daten durch die Korrelationseinheit 102 für jedes
der Teleskope 30, 56 und 58 ausgegeben
werden und dann für
sie durch eine Durchschnittsbildungseinheit 108 ein Durchschnitt
gebildet wird, und zwar vor einem Ausgeben zur Datenausgabeeinheit.
In dem Fall des Ausführungsbeispiels
mit gewobbelter Frequenz der Erfindung findet ein Abtasten von Frequenzen
durch den Fouriertransformator über
dasselbe spektrale Band wie in dem Fall der Verarbeitung des Kammspektrums
statt. Daher können
die spektralen Daten in beiden Ausführungsbeispielen der Erfindung
durch den Signalprozessor 36 erhalten werden. Dies gilt unabhängig davon,
ob es ein einzelnes Teleskop 30 gibt, wie in 2, oder mehrere Teleskope 30, 56 und 58,
wie in 4.
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Die Methode in der Praxis der Erfindung
ist im Ablaufdiagramm der 10A–10B aufgezeigt. Das Verfahren
beginnt bei einem Block 110, wobei eine Auswahl bezüglich des
Typs eines Ziels durchgeführt
wird, das durch den Laser auszuleuchten bzw. zu bestrahlen ist.
Somit kann das Ziel unter Bezugnahme auf Block 112 ein
Flugzeugziel sein, wobei das Ziel durch das auf der Erde positionierte
Lasersystem auszuleuchten ist, wie es in 1 gezeigt ist. Alternativ kann, wie es
in einem Block 114 aufgezeigt ist, das Ziel auf der Erde
sein, wie es in 2 gezeigt ist,
wobei das Lasersystem in einer höheren
Höhe getragen
wird, wie durch ein Flugzeug. Nach der Auswahl eines Ziels im Block 110 fährt das
Verfahren mit einem Block 116 fort, wobei es eine Einrichtung der
Querschnittsdimension D der Aufstandsfläche des Ausleuchtbereichs bzw.
der Ausleuchtzone bei einem diffus streuenden Ziel gibt. Dann gibt
es bei einem Block 118 eine Auswahl einer Wellenlänge des bei
einer Ausleuchtung des Ziels zu verwendenden Laserlichts. Das Verfahren
fährt bei
einem Block 120 fort, wobei der Zielbetrachtungsabstand
R zwischen dem Ziel und dem Empfänger
des Lasersystems eingerichtet wird.
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Die vorangehende Information wird
bei einem Block 122 verwendet, um eine charakteristische Dimension
r des Fleckens in der Bildebene des Empfängers für Konfigurationen der Erfindung
unter Verwendung eines monostatischen oder eines bistatischen Radars
für das
Anschauen einer vom Ziel reflektierten Strahlung zu bestimmen. Die
charakteristische Dimension r ist in Bezug auf die Wellenlänge des
belichtenden Lichts gegeben, die Querschnittsdimension der Belichtungs-Aufstandsfläche und
des Bereichs zwischen dem Ziel und der Bildebene der Empfangsvorrichtung,
gleichgültig
ob der Radar in einer monostatischen Konfiguration ist, wie es in
den 1 und 2 gezeigt ist, oder in einer
bistatischen Konfiguration (nicht gezeigt). Die charakteristische Dimension
r, die im Block 122 eingerichtet wird, wird zum Bilden
einer Querschnittsdimension eines Betrachtungsteleskops verwendet,
um den Signalempfang eines Fleckens zu maximieren. Im Fall der monostatischen
Radarkonfiguration, die bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
offenbart ist, ist die optimale Teleskop-Empfangsapertur, gleich der
Sendeapertur des Teleskops. Bei einem Block 126 ist angemerkt,
dass die Ziel-Aufstandsfläche
x gleich dem Verhältnis
der charakteristischen Dimension und dem Sinus des Höhlenwinkels
des Strahls vom Ziel zum Sender ist. Das Verfahren geht dann vom
Block 126 über
einen Anschluss A weiter zu einem Block 128 in 10B.
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Im Block 128 der 10B gibt es eine Berechnung
einer Dekorrelationsfrequenzverschiebung Fd des Ausleucht-Laserlichts
in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit c und die Länge L des
Laserresonators. Fd dient zum Werden der Beabstandung der Spektrallinien
eines gepulsten modenverriegelten Lasers, der einen Zug von Lichtimpulsen
erzeugt. Das Verfahren geht weiter zu einem Block 130,
wobei es eine Auswahl eines Bereichs von Frequenzen von Licht innerhalb
jedes Lichtimpulses gibt, wobei der Bereich ein Frequenzband mit
einer Anzahl N von Intervallen entlang der Frequenzachse von Fd
umfasst. Diese Intervalle sind die Modenbeabstandung zwischen den
Spektrallinien, wie es in 7 gezeigt
ist. Da die Modenbeabstandung gleich der Dekorrelationsfrequenz
ist, lässt
das Frequenzband zu, dass ein Senden einer Gesamtheit von N spektralen
Komponenten innerhalb des Impulszuges für ein gleichzeitiges Erhalten
von N unabhängigen
Messungen der spektralen Charakteristiken währen jedes Lichtimpulses durchgeführt wird,
der bei der Empfangsvorrichtung empfangen wird.
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Darauf folgend wird bei einem Block 132 das Ziel
mit dem Impulszug des Laserlichtes ausgeleuchtet. Es gibt eine Synchronisierung
der einzelnen Spektrallinien der Impulse des Impulszuges, der durch
Betreiben des Lasers auf eine modenverriegelte Weise erhalten wird.
In der Abwesenheit einer solchen Modenverriegelung können die
einzelnen sinusförmigen
Komponenten der Wellenform bei den verschiedenen Spektrallinien
relativ zueinander driften bzw. sich verschieben, was die Genauigkeit
der Messungen stört.
Anhand eines optionalen Ausführungsbeispiels
bei der Ausführung
der Erfindung können
bei einem Block 134 zusätzliche
Empfangsaperturen eingerichtet werden, um eine Gesamtheit von M
Empfangsaperturen zum Anschauen von rückgestreutem Laserlicht vom
Ziel zu ergeben, wie es in 4 gezeigt
ist. Ebenso kann anhand eines alternativen Ausführungsbeispiels bei der Ausführung der Erfindung
die Trägerfrequenz
während
eines Impulses einer gesendeten Strahlung linear gewobbelt werden,
wobei die Bandbreite der Signalübertragung dieselbe
wie die Bandbreite ist, die oben im Block
130 aufgezeigt
ist. Ein Verwenden der mehreren Empfangsaperturen, wie es im Block 136 offenbart ist,
sorgt für
eine Beobachtung des rückgestreuten Lichts
zum Erzeugen zusätzlicher
unabhängiger Messungen,
was durch das Produkt von NM gegeben ist. Die unabhängigen spektralen
Messungen werden bei einem Block 138 durch ein Betreiben
eines Signalprozessors unter Verwendung der Transformation, der
Speicherung eines Referenzspektrums und einer Korrelation (in 8 gezeigt) von Signalen
erreicht, die durch jede der Empfangsaperturen empfangen werden.
Daraufhin gibt es bei einem Block 140 eine Durchschnittsbildung
der von jeder der Empfangsaperturen erzeugten Messungen, wobei die
Durchschnittsbildung in 8 offenbart
ist.
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Es ist zu verstehen, dass die oben
beschriebenen Ausführungsbeispiele
der Erfindung nur illustrativ sind und dass Modifikationen dafür Fachleuten auf
dem Gebiet einfallen können.
Demgemäß ist diese
Erfindung nicht als auf die hierin offenbarten Ausführungsbeispiele
beschränkt
zu betrachten, sondern soll nur derart beschränkt sein, wie es durch die
beigefügten
Ansprüche
definiert ist.