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Die
vorliegende Erfindung betrifft Avioniksysteme zum Messen der Höhe über dem
Boden und der Bodengeschwindigkeit eines Flugzeugs im allgemeinen
und insbesondere eine kombinierte Laser-Messvorrichtung zum Messen
sowohl der Höhe über dem
Boden als auch der Bodengeschwindigkeit eines Flugzeugs.
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Bei
modernen Militär-
und Verkehrsflugzeugen sind genauere Messungen der Flugzeugposition
und Positionsinformationen erforderlich. Auf dem Boden stationierte
Radarsysteme und globale Positionsbestimmungssysteme (GPS) ermöglichen
eine genaue Positionsbestimmung eines Flugzeugs hinsichtlich der
Breiten- und Längengrade,
die für
die Luftfahrtkontrolle, Flugzeugstaffelung und Navigation erforderlich
ist. Genaue Messungen der Höhe über dem
Boden sind mit solchen Systemen jedoch häufig schwer durchzuführen, insbesondere
bei Anwendungen, bei denen eine genaue Positionierung über dem
Boden erforderlich ist. Neue Genauigkeitspegel für Höhenmessungen oder Messungen
der Höhe über dem
Boden in der Größenordnung von
beispielsweise ± 6
Inch (15 cm) sind häufig
für Flugprofile
von Schwebflug bis zum taktischen Flug und autonomes Landen erforderlich.
Derzeit verwendete Flugzeug-Höhenmesssysteme
sind generell nicht in der Lage, solche genauen Messungen durchzuführen.
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In
letzter Zeit sind laserbasierte Höhenmesser zur Verwendung an
Bord eines Flugzeugs vorgeschlagen worden. Diese Laser-Höhenmess-Technik
bedeutet einen großen
Fortschritt gegenüber
Radar-Höhenmessern,
da die auf dem Boden aufgezeichneten Daten aufgrund des schmalen
Laserstrahls einen höheren Auflösungsgrad
aufweisen. Die Laser-Höhenmesser
führen
jedoch bei Anwendung in einem Flugzeug zu bestimmten Problemen,
insbesondere hinsichtlich des Instrumenten-Umfangs, das durch die
große
Anzahl von darin enthaltenen optischen Elementen erreicht wird.
Ein weiteres Problem ist die Robustheit des Instruments in einer
Flug-Umgebung. Die optischen Elemente des Laser-Höhenmessers
sind generell an einer optischen Bank angebracht, derart eingestellt,
dass sie genau miteinander ausgerichtet sind und fest an Ort und
Stelle gesichert. Aufgrund von Vibrationen, Stößen und großen Temperaturunterschieden,
die während
eines Fluges auftreten, neigen die optischen Elemente mit der Zeit
jedoch zu einer Fehlausrichtung und machen daher eine permanente
Wartung erforderlich. Bei bistatischen Laser-Höhenmess-Konfigurationen führt die
Rückstreuung von
Laserstrahl-Transmissionen in einen teleskopischen Teil zu einem
weiteren Problem.
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Ein
Laser-Höhenmesser,
bei dem die oben beschriebenen Probleme durch einen kompakten Laser-Höhenmesser
gelöst
werden, der hinsichtlich der Größe, Robustheit
und Wartung des Instruments verbessert ist, ist in der mitanhängigen US-Patentanmeldung
Nr. 10/386,334 vom 11. März
2003 mit dem Titel "Compact
Laser Altimeter System" des
gleichen Anmelders wie dem der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
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Lasersysteme
sind ferner für
die Verwendung an Bord des Flugzeugs zum Messen der Bodengeschwindigkeit
des Flugzeugs vorgeschlagen worden. Bei diesen Laser-Bodengeschwindigkeits-Messsystemen
wird, ähnlich
wie bei Laser-Höhenmessern,
die Verwendung der Rückstreuung
der Laseremissionen vom Boden zum Messen der Bodengeschwindigkeit
vorgeschlagen. Bei solchen laserbasierten Bodengeschwindigkeits-Messsystemen
treten jedoch normalerweise größere Probleme
hinsichtlich der optischen Ausrichtung auf als bei den oben beschriebenen
Laser-Höhenmessern.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen
Probleme dadurch zu lösen,
dass die Fähigkeit
zum Messen der Bodengeschwindigkeit in ein Laser-Höhenmesssystem,
wie beispielsweise das in der mitanhängigen Patentanmeldung Nr.
10/386,334 beschriebene System, integriert wird, um ein laserbasiertes
System zum Messen von sowohl der Höhe über dem Boden als auch der
Bodengeschwindigkeit mit einem gemeinsamen Instrument zu realisieren.
Durch die Verwendung gemeinsamer Optik- und Signalverarbeitungselemente
behält
das daraus resultierende kombinierte Instrument im wesentlichen
die Merkmale hinsichtlich geringer Größe, Robustheit und Wartung
des Laser-Höhenmessers
aus der mitanhängigen
Anmeldung Nr. 10/386,334 bei.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 12
bzw. 18.
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung der Vorrichtung zur Filterkanten-Detektion von Doppler-verschobene
Wellenlängen
aufweisenden Boden-Rücklaufsignalen
zur Verwendung bei einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
grafische Darstellung einer Empfindlichkeits-Kennlinie eines optischen
Filterelements, das zur Verwendung in der in 1 gezeigten
Vorrichtung geeignet ist;
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3 eine
Darstellung einer kombinierten Laser-Höhen- und Bodengeschwindigkeits-Messvorrichtung,
bei der die Prinzipien der vorliegenden Erfindung zur Anwendung
kommen;
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4 eine
Darstellung einer Vorrichtung zum Scannen sowohl eines ausgegebenen
Laserstrahls als auch eines Sichtfelds eines Teleskops, die derart
fest miteinander ausgerichtet sind, dass sie für die Verwendung bei der in 3 gezeigten
Ausführungsform
geeignet sind;
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5 ein
Funktions-Blockschaltbild einer Verarbeitungs-Elektronik zum Berechnen
eines Bodengeschwindigkeits-Messwerts, die zur Verwendung bei der
vorliegenden Ausführungsform
geeignet ist;
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6 ein
Blockschaltbild eines Prozessors zum Berechnen der Höhe, die
zur Verwendung bei der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist;
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7 und 8 eine
Seitenansicht bzw. Draufsicht einer exemplarischen alternativen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der kein Scannen durchgeführt wird;
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9 ein
Blockschaltbild einer exemplarischen Verarbeitungs-Elektronik, die zur
Verwendung bei der alternativen Ausführungsform, bei der kein Scannen
durchgeführt
wird, geeignet ist.
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Die
bei der vorliegenden Ausführungsform
der laserbasierten Bodengeschwindigkeits-Messvorrichtung angewandten
Prinzipien bestehen im Ausgeben von Impulsen bei einer vorbestimmten
Wellenlänge
und Impulsfolgefrequenz von einer Laserquelle zu einer Position
auf dem Boden, und Empfangen der Laserlicht-Rückstreuung von der Boden-Position.
Die Wellenlänge
der Rückstreuung
des Laserlichts wird proportional zu dem entlang dem Richtungs-Vektor
der Scan-Position der ausgegebenen Laserimpulse verlaufenden Teil
der Bodengeschwindigkeit des Flugzeugs Doppler-verschoben. Somit
kann durch Bestimmen der Doppler-Verschiebung der emittierten Wellenlänge und
der Scan-Position des Laserstrahls die jeweilige entlang dem Richtungs-Vektor
projizierte Bodengeschwindigkeit berechnet werden. Durch Triangulieren
dieser projizierten Bodengeschwindigkeitsmessungen an drei oder
mehr Scan-Positionen oder -Winkeln kann die absolute Bodengeschwindigkeit
des Flugzeugs ohne Flugzeug-Höheninformationen
bestimmt werden. Der Ausdruck "Boden" be deutet im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung eine Fläche, über der das Flugzeug fliegen
kann, einschließlich
Land, Wasser, Gegenstände
etc. und Kombinationen daraus.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform
wird die Doppler-Verschiebung der Wellenlänge durch eine Filterkanten-Detektion
bestimmt. 1 zeigt eine Darstellung einer
Vorrichtung für
die Filterkanten-Detektion von Boden-Rücklaufsignalen mit Doppler-verschobener
Wellenlänge,
welche für
die vorliegende Ausführungsform geeignet
ist, die nachstehend anhand der Darstellung aus 3 beschrieben
wird. Gemäß 1 ist
ein optisches Filterelement 10, bei dem es sich beispielsweise
um einen dichroitischen Strahlteiler handeln kann, in einem optischen
Weg 12 der Doppler-verschobenen Boden-Rücklaufimpulse angeordnet.
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Das
optische Filterelement 10 weist eine Empfindlichkeits-Kennlinie
auf, die beispielhaft in der grafischen Darstellung aus 2 gezeigt
ist. Es sei angemerkt, dass die Empfindlichkeitskurve eine Durchlassempfindlichkeit
mit sehr steiler Flanke relativ zu der Wellenlänge zeigt. Bei der vorliegenden
Ausführungsform ist
der Filterwinkel des optischen Elements 10 derart abgestimmt,
dass sich die unverschobene Laserlinie λ0 ungefähr auf halber
Strecke der Steilflanke befindet. Auf diese Weise fällt eine
Doppler-Verschiebung der Wellenlänge Δλ auf die
Filterflanke der Empfindlichkeitskurve und bewirkt eine Differenz ΔT bei der
Filterdurchlässigkeit
hinsichtlich der Boden-Rücklaufimpulse.
Somit wird, wie in 1 gezeigt, ein erster Teil der
Boden-Rücklaufimpulse
durchgelassen, oder er durchläuft
das optische Filterelement 10 entlang einem optischen Weg 14 auf
der Basis der Doppler-Verschiebung der Wellenlänge Δλ. Ein zweiter oder restlicher
Teil der Boden-Rücklaufimpulse
wird von dem optischen Element 10 einen optischen Weg 16 entlang
reflektiert. Es kann ein gewisser Verlust des optischen Signals
in dem Filterelement 10 auftreten, dies betrifft jedoch
sowohl die durchgelassenen als auch die reflektierten Teile auf
messbare und reproduzierbare Weise and kann somit bei der Datenverarbeitung
berücksichtigt
werden.
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Obwohl
bei der vorliegenden Ausführungsform
ein dichroitischer Strahlteiler als optisches Filterelement 10 verwendet
wird, sei darauf hingewiesen, dass andere optische Filterelemente
ebenfalls verwendet werden können.
Beispiele für
andere Filterelemente, die verwendet werden können, umfassen: optische Etalons
oder durch Kippen abgestimmte Fabry-Perot-Resonatoren; Druck-, Wärmesteuerungs-
oder piezoelektrische Treiber; Bandpassfilter mit ausreichend steilen
Flanken; und atomare oder molekulare Gasabsorptionsfilter. Wenn
dieses System in einer Faseroptik-Konfiguration enthalten ist, kann
beispielsweise ferner ein abstimmbares faseroptisches Etalon verwendet
werden.
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Lichtdetektoren 18 und 20 können jeweils
in den Wegen 14 und 16 der durchgelassenen und
reflektierten Teile der Boden-Rücklaufimpulse
angeordnet sein, um die jeweiligen Lichtimpulse zu empfangen und in
proportionale elektrische Signale zu konvertieren. Entsprechend
sind die von den Signaldetektoren 18 und 20 ausgegebenen
elektrischen Signale S1 und S2 proportional
zu den durchgelassenen bzw. reflektierten Teilen der Boden-Rücklaufsignale.
Durch Verwenden des Verhältnisses
der Summe und der Differenz der elektrischen Signale [(S2 – S1)/(S1 + S2)] unter Berücksichtigung der Verluste in
dem Filterelement können
Boden-Rücklaufimpulsamplituden-Effekte
bei Bestimmen der Doppler-Verschiebung der Wellenlänge Δλ der Boden-Rücklaufimpulse
im wesentlichen eliminiert werden. Aufgrund von unterschiedlichen
Filterflanken-Formen hat
dieser Verhältnis-Ausdruck
möglicherweise
keine lineare Beziehung zu der Doppler-Verschiebung, die exakte
Beziehung kann jedoch für
das spezielle verwendete Filter bestimmt werden.
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Ein
kombiniertes Laser-Höhen-
und Bodengeschwindigkeits-Messinstrument, bei dem die Prinzipien der
vorliegenden Ausführungsform
zur Anwendung kommen, ist in 3 dargestellt.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
werden zahlreiche gleiche optische Elemente wie bei der in der oben
genannten mitanhängigen
Patentanmeldung Nr. 10/386,334 beschriebenen Ausführungsform
verwendet, und die in 3 gezeigte Ausführungsform
ist im we sentlichen auf die gleiche Weise konfiguriert wie die der
vorgenannten mitanhängigen
Patentanmeldung Nr. 10/386,334, die hiermit zum Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung gemacht ist, um eine detaillierte Beschreibung zu erhalten
und weitere geeignete Ausführungsbeispiele
eines Laser-Höhenmessinstruments,
das bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt, zu beschreiben.
Gemäß 3 ist
eine Laserquelle 30 in einer von dem gestrichelt dargestellten
Block 32 repräsentierten
Lasersender-Anordnung vorgesehen. Die Laserquelle 30 kann
beispielsweise ein Mikrolaser des Typs sein, der von Northrup Grumman
Poly-Scientific hergestellt wird und die Typennummer ML0005 trägt. Bei
der vorliegenden Ausführungsform
ist der Mikrolaser 30 ein passiv gütegeschalteter autonom arbeitender
Mikrochip-Laser, der von einer 950 Mikrometer-Diode gepumpt wird,
um gepulste Laserstrahlen mit einer Rate von ungefähr 8-10 K-Impulsen
pro Sekunde (pps) bei einer vorgegebenen Wellenlänge zu erzeugen, die beispielsweise
ungefähr 1064
Nanometer (nm) betragen kann.
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Der
Mikrolaser 30 kann in einem TO-3-Behälter oder einer TO-3-Büchse enthalten
sein, der/die fest an einer Wand eines Gehäuses des Instruments befestigt
sein kann, und zwar in der gleichen Weise wie in Zusammenhang mit
der Ausführungsform
der zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemachten mitanhängigen Anmeldung
beschrieben. Die TO-3-Büchse
weist ferner eine mit einem Fenster versehene obere Fläche 34 auf,
von der aus die gepulsten Laserstrahlen über einen ersten optischen
Weg 36 ausgesendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass
die spezifische Impulsfolgefrequenz und Wellenlänge des Mikrolasers 30 nur
beispielhaft angegeben sind und andere Frequenzen und Wellenlängen ebenfalls
verwendet werden können,
ohne dass dadurch von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
abgewichen wird. Beispielsweise kann für eine für die Augen sichere Operation
ein Laser gewählt
werden, der bei einer Wellenlänge
von ungefähr
1,5 Mikrometern abstrahlt.
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Mehrere
erste optische Elemente zum Leiten der Laserstrahlen von dem ersten
optischen Weg 36 zu einem zweiten optischen Weg 38,
der das Gehäuse
des Instruments durch eine bei 40 gezeigte Austrittsöffnung verlässt, sind
in einer kompakten Konfiguration fest in einem Emissions-Hohlraum
des Instruments gelagert. Die mehreren ersten optischen Elemente
können
ein Bandpass- oder Sperrfilter-Optikelement 42 aufweisen,
das in dem optischen Weg 36 nahe der mit einem Fenster
versehenen oberen Fläche 34 des
Mikrolasers 30 angeordnet ist. Das optische Element 42 kann
im wesentlichen die gesamte Öffnung
des Emissions-Hohlraums abdecken, um im wesentlichen zu verhindern,
dass das Laser-Pumpdiodenlicht und andere Wellenlängen des
Lichts, die außerhalb
einer vorgegebenen Bandbreite um die vorbestimmte Wellenlänge des
Laserstrahls herum liegen, in den Emissions-Hohlraum eintreten.
Zum Minimieren eines optischen Feedback, das zu Laser-Instabilitäten führen kann,
und zum Minimieren der Wärmebelastung
des Laserchips kann das optische Element 42 in einem Winkel
zu dem optischen Weg 36 angeordnet sein, so dass die Fläche des
optischen Elements das Licht nicht direkt zu der Laserquelle 30 zurück reflektiert.
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Ein
weiteres erstes optisches Element der mehreren ersten optischen
Elemente kann eine Kollimationslinse 44 sein, die zum Kollimieren
und Verhindern einer weiteren Divergenz der Laserstrahlen entlang
dem Weg 36 in dem ersten optischen Weg 36 hinter
dem Filterelement 42 angeordnet ist. Die Kollimationslinse 44 kann
derart in dem Weg 36 angeordnet sein, dass die Laserstrahl-Divergenz
zwecks Erreichung einer optimalen Effizienz einem Sichtfeld eines
Teleskopteils des Höhenmessers
angepasst ist, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser
verständlich
wird. Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform die Linse 44 und
das Filter 42 vorgesehen sind, sei darauf hingewiesen,
dass je nach ausgewähltem
Laser und Kompaktheit der gesamten Konfiguration bei einigen Anwendungen
die Linse 44 oder das Filter 42 oder beide Teile wegfallen
können.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass zum Erreichen der kompakten Konfiguration
der ersten optischen Elemente der Emissionsstrahlengang oder der
Strahlengang der Senderanordnung verschiedene Formen annehmen kann.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist der Strahlengang als vertikales "Z" ausgebildet,
wobei die Elemente 42 und 44 auf einer oberen
Ebene angeordnet sind und die Austrittsöffnung 40 auf einer
unteren Ebene angeordnet ist. Ein Vertikalkanal des Anordnungs-Hohlraums
verbindet die obere und die untere Ebene miteinander. Zwei Knick-Spiegel 46 und 48 sind
in den mehreren ersten optischen Elementen enthalten und an dem
Vertikalkanal angeordnet, um den ersten optischen Weg 36 von
der oberen Ebene zu der unteren Ebene zu leiten und den Strahl in
die Nähe
des Teleskop-Empfangsteils zu bewegen, um den Bereich zu minimieren,
in dem das Sichtfeld des Teleskops und der Laserfleck damit beginnen,
einander zu überlappen.
Der Knick-Spiegel 46 ist auf der oberen Ebene angeordnet,
und der andere Knick-Spiegel 48 ist auf der unteren Ebene
angeordnet. Entsprechend leitet die Kombination aus den Knick-Spiegeln 46 und 48 den
ersten optischen Weg 36 zu dem zweiten optischen Weg 38,
der an der Öffnung 40 aus
dem Gehäuse 10 austritt.
Einer der Knick-Spiegel 46 oder 48 weist eine
Spiegelvorrichtung auf, die zum Leiten des zweiten optischen Wegs 38 entlang
einem gewünschten
optischen Weg fest einstellbar ist, wie anhand der folgenden Beschreibung deutlich
wird. Vorzugsweise ist der obere Knick-Spiegel 46 der einstellbare
Spiegel, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass einer der beiden
Knick-Spiegel 46 oder 48 einstellbar sein kann
oder beide Spiegel entlang der unabhängigen Achsen einstellbar sein
können.
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Somit
sind sämtliche
erste optische Elemente fest gelagert und in dem Emissions-Hohlraum
des Instruments nicht bewegbar, mit Ausnahme eines der einstellbaren
Knick-Spiegel 46 oder 48, und selbst eine solche
Spiegelvorrichtung ist nach der korrekten Einstellung verriegelbar.
Die obere Ebene des Emissions-Hohlraums kann zwecks Anordnung eines
Lichtdetektors 50, bei dem es sich beispielsweise um eine
Fotodiode handeln kann, leicht über
den Vertikalkanal hinaus verlaufen. Bei dieser Ausführungsform
ist der Knick-Spie gel 46 zum Durchlassen eines kleinen
Teils der gepulsten Laserstrahlen zwecks Detektion durch den Lichtdetektor 50 vorgesehen,
welcher die detektierten Laserimpulse in elektrische Signale konvertiert,
die als Startimpulse für
Laufzeitberechnungen verwendet werden, wie anhand der nachstehenden
Beschreibung besser verständlich
wird.
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Das
Instrumentengehäuse
kann ferner einen weiteren Hohlraum aufweisen, der eine Verarbeitungselektronik
für die
Laser-Höhen-
und Bodengeschwindigkeitsmessungen enthält, und zwar im wesentlichen
auf die gleiche Weise wie in der zum Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung gemachten mitanhängigen
Anmeldung beschrieben. Eine solche Verarbeitungselektronik kann
beispielsweise in einer oder mehreren gedruckten (PC-) Schaltungen
implementiert sein. Der Lichtdetektor 50 kann mit der in
dem Hohlraum angeordneten Elektronik gekoppelt sein, um die Startimpulse
für Laufzeit-
und Entfernungsberechnungen zu erzeugen. Alternativ kann in der
TO-3-Büchse
des Mikrolasers 30 eine Lichtdetektor-Diode zum Detektieren
und Leiten von Laser-Startimpulsen über eine elektrische Kopplung
zu der Verarbeitungselektronik vorgesehen sein. Wenn ein triggerbarer
gepulster Laser verwendet wird, kann das Triggersignal auch als
Zeitmess-Startimpuls dienen. Es sei darauf hingewiesen, dass diese
Techniken zum Erzeugen von Trigger- oder Startimpulsen nur beispielhaft
beschrieben sind und die Anwendung beliebiger anderer Verfahren
von dem zur Verfügung
stehenden Platz und der besonderen Ausführung des optischen Systems
abhängen.
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Ein
Teleskopteil 52 mit mehreren zweiten optischen Elementen
ist in einem weiteren Hohlraum des Instruments, der eine unter 54 dargestellte
Eintrittsöffnung
aufweist, angeordnet, und zwar im wesentlichen auf die gleiche Weise
wie in der zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemachten
mitanhängigen
Anmeldung beschrieben. Die mehreren zweiten optischen Elemente sind
in dem Hohlraum fest angeordnet und derart konfiguriert, dass sie
ein Teleskop mit einem vorbestimmten Sichtfeld bilden, welches vorzugsweise feststehend
ist. Der Teleskopteil 52 empfängt an der Eintrittsöffnung 54 Re flexionen
der gepulsten Laserstrahlen von der Boden-Position, die innerhalb
des Sichtfelds des Teleskopteils 52 liegen, und fokussiert
die empfangenen Reflexionen im wesentlichen auf einen Brennpunkt 56.
Der Teleskopteil 52 weist ein Bandpassfilter-Optikelement 58 an
der Eintrittsöffnung 54 auf,
das ausschließlich
empfangene Wellenlängen
des Lichts innerhalb einer vorbestimmten Bandbreite um die vorbestimmte
Wellenlänge λ0 der
gepulsten Laserstrahlen herum durchlässt. Somit minimiert das Filter-Optikelement 58 Interferenzen
durch Hintergrundlicht aus der äußeren Umgebung,
indem es dieses Licht im wesentlichen daran hindert, in den Teleskop-Hohlraum
einzutreten. Ferner muss das Sichtfeld des Teleskops möglicherweise
minimiert werden, um beispielsweise Interferenzen durch Hintergrund-Sonnenstrahlung
weiter zu reduzieren. Bei einigen Anwendungen kann ein durchsichtiges
Fenster an der Öffnung 54 angeordnet
sein, um das Teleskop zu verschließen und vor Kratzern und Verschmutzung
von außen
zu schützen;
das Filter-Optikelement 58 kann jedoch derart angebracht
sein, dass es dem gleichen Zweck dient.
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Zum
Bilden des Teleskops weist der Teleskopteil 52 eine Konvex-
oder Positivlinse 60 in der Nähe der Eintrittsöffnung 54 auf.
Bei der vorliegenden Ausführungsform
weist die Teleskoplinse 60 eine vorbestimmte Brennweite
von beispielsweise ungefähr
150 Millimetern (mm) auf, um die empfangenen Reflexionen von der Eintrittsöffnung 54 zu
dem Brennpunkt 56 zu fokussieren, welcher in den Teleskop-Hohlraum
fällt.
Ein Knick-Spiegel 62 kann in dem Teleskop-Hohlraum hinter
den Brennpunkt 56 angeordnet sein, um die von den Pfeilen
dargestellten empfangenen Lichtstrahlen entlang einem anderen optischen
Weg 64 zu reflektieren. Wenn die optischen Elemente des
Teleskopteils 52 ausschließlich für Messungen der Höhe über dem
Boden verwendet würden,
wäre ein
einzelner Lichtdetektor zum Empfangen der Lichtreflexionen von dem
Boden in dem Weg 64 angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform
werden die Messungen der Höhe über dem Boden
mit Bodengeschwindigkeitsmessungen kombiniert, und zu diesem Zweck
sind bei dieser Ausführungsform
zusätzliche
optische Elemente vorgesehen.
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Eines
der zusätzlichen
optischen Elemente des Teleskopteils 52 ist eine zwischen
dem Brennpunkt 56 und dem Knick-Spiegel 62 angeordnete
Rekollimationslinse 66 zum Rekollimieren der sich von dem
Brennpunkt 56 ausbreitenden Lichtreflexionen, bevor diese
von dem Spiegel 62 reflektiert werden. Entsprechend wird
das von dem Spiegel 62 reflektierte Licht entlang dem Weg 64 im
wesentlichen kollimiert. Ein weiteres zusätzliches optisches Element
ist ein in dem optischen Weg 64 angeordnetes, durch Kippen
abgestimmtes Etalon 68. Das Etalonelement 68 fungiert
als optisches Filterelement 10, das in Zusammenhang mit
der in 1 und 2 dargestellten Ausführungsform
beschrieben worden ist, und kann derart durch Kippen abgestimmt
sein, dass die Wellenlänge λ0 auf
die halbe Strecke entlang der Filter-Steilflanke der Empfindlichkeitskurve
fällt,
wie oben beschrieben. Somit wird ein Teil des vom Boden reflektierten
Lichts von dem Etalonelement 68 durchgelassen und von einer
Linse 70 auf einen Lichtdetektor 72 fokussiert,
und zwar im wesentlichen auf die gleiche Weise wie anhand der in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform
beschrieben.
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Ähnlich wird
der restliche Teil des vom Boden reflektierten Lichts (mit Ausnahme
des Lichts, das in dem Filterelement selbst verlorengegangen ist)
von dem Etalonelement 68 entlang dem Weg 64 zu
dem Knick-Spiegel 62 zurückreflektiert. Von dem Spiegel 62 aus
wird der restliche Teil des vom Boden reflektierten Lichts von dem
Spiegel 62 zu der Linse 70 zurückgeleitet, von der es zu einem
weiteren Lichtdetektor 74 fokussiert wird, und zwar im
wesentlichen auf die gleiche Weise wie anhand der in 1 und 2 gezeigten Ausführungsform
beschrieben. Beide Lichtdetektoren 72 und 74 können Lawinen-Fotodioden
sein, die zum Konvertieren des empfangenen Lichtimpulses in ein
für den
Lichtimpuls repräsentatives
elektrisches Signal vorgesehen sind. Die Ausgänge der Lichtdetektoren 72 und 74 können mit
der in dem Elektronik-Hohlraum angeordneten Verarbeitungselektronik
gekoppelt sein, um sowohl bei Bodengeschwindigkeits- als auch Höhenberechnungen
Verwendung zu finden, wie anhand der nachstehenden Beschreibung
besser verständlich wird.
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Ferner
sind zwar bei der vorliegenden Ausführungsform die Emissions-,
Elektronik- und Teleskop-Hohlräume
in einem gemeinsamen Gehäuse
vorgesehen, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass bei einer alternativen
Ausführungsform
solche Hohlräume
in getrennten Gehäusen
ausgebildet sein können.
Bei einer weiteren Ausführungsform
können
solche Gehäuse
Abschnitte eines gemeinsamen Gehäuses
sein. In jedem Fall liegt der gemeinsame Nenner sämtlicher
Ausführungsformen
des kombinierten laserbasierten Instruments darin, die Einheit zur
Verwendung in einer Flugzeug-Umgebung kompakt und robust auszuführen. Die vorliegende
Ausführungsform
des Instruments kann exemplarische Gesamtabmessungen in Länge L, Breite B
und Tiefe T von ungefähr
7,5 Inch oder 19 cm, 3,5 Inch oder 8,75 cm bzw. 3,5 Inch oder 8,75
cm aufweisen. Ferner werden die vorgenannten zusätzlichen Elemente zwar bei
der in 3 gezeigten Ausführungsform der laserbasierten
Messung der Höhe über dem
Boden verwendet, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass sie auch
bei anderen Ausführungsformen
von laserbasierten Messungen der Höhe über dem Boden, wie beispielsweise
denen, die in der oben genannten, zum Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung gemachten mitanhängigen
Anmeldung beschrieben sind, verwendet werden können, ohne dass dadurch von
den Prinzipen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
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Die
Emissions- und Teleskop-Hohlräume
sind, unabhängig
davon, ob sie in demselben Gehäuse
oder in getrennten Gehäusen
vorgesehen sind, miteinander ausgerichtet und in dieser Ausrichtung
fest gesichert, damit der optische Ausgangsweg der gepulsten Laserstrahlen
(siehe schwarze Pfeile 80 in 4) fest
mit dem Sichtfeld des Teleskops (siehe gestrichelte Linie 82 in 4)
ausgerichtet ist. Es sei angemerkt, dass nur ein erstes optisches
Element der mehreren optischen Elemente, wie beispielsweise der
Spiegel 46, zum Ausrichten des optischen Ausgangswegs 80 mit
dem Sichtfeld 82 fest einstellbar ist. Bei der vorliegenden
Ausführungsform
können
die Emissions- und Teleskop-Hohlräume in einem gemeinsamen Gehäuse vorgesehen sein,
um jeweils die Eintritts- und Austrittsöffnungen derart miteinander
auszurichten, dass sie nahe beieinander liegen. Vorzugsweise liegen
die Öffnungen 40 und 54 so
nahe wie möglich
beieinander. Die Austrittsöffnung 40 kann
hinter der Eintrittsöffnung 54 leicht
versetzt angeordnet sein, um eine direkte Rückstreuung der durchgelassenen
Laserstrahlen in die Eintrittsöffnung 54 und
den Teleskop-Hohlraum zu verhindern. Ferner kann an der Austrittsöffnung 40 ein
flaches Fenster zum Verschließen
des Emissions-Hohlraums gegen die äußere Umgebung vorgesehen sein.
Ferner kann dieses Fenster relativ zu der Ebene der Austrittsöffnung 40 gekippt
sein, um zu verhindern, dass Reflexionen der Laserstrahlen den durchlässigen optischen
Weg zurück in
den Laser laufen und dabei möglicherweise
Laser-Instabilitäten
bewirken. Ferner kann das Laserlicht von dem gekippten Fenster zu
einer Fotodiode reflektiert werden, wobei es sich hierbei um eine
weitere Technik zum oben beschriebenen Erzeugen der Zeitmess-Startimpulse
handelt.
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4 zeigt
eine Darstellung einer zur Verwendung bei der vorliegenden Ausführungsform
geeigneten Scanner-Anordnung zum Leiten des Laserstrahls 80 und
des mit diesem ausgerichteten Sichtfelds 82 des Teleskops
auf unterschiedliche Stellen auf dem Boden unter Beibehaltung der
Ausrichtung des Laserstrahls 80 mit dem Sichtfeld 82 des
Teleskops. Gemäß 4 ist
ein Scanner-Spiegel 84 in dem Weg des ausgesendeten Laserstrahls 80 und
des mit diesem ausgerichteten Sichtfelds 82 in einem zum
Projizieren des Laserstrahls 80 und des damit ausgerichteten
Sichtfelds 82 auf eine gewünschte Position auf dem Boden
geeigneten Ruhewinkel angeordnet. Bei der vorliegenden Ausführungsform
kann der Scanner-Spiegel 84 von einer (nicht gezeigten)
Motoranordnung um eine Achse 86 in unterschiedliche Winkel,
die von den gestrichelten Linien 88 und 90 angezeigt
sind, gedreht werden. Bei den unterschiedlichen Winkeln 88 und 90 bewegt
der Scanner-Spiegel den ausgesendeten Laserstrahl 80 und
das damit ausgerichtete Sichtfeld 82 in Richtungen, die von
den Pfeilen 92 bzw. 94 angezeigt sind, auf unterschiedliche
gewünschte
Boden-Positionen. Der Spiegel-Motor kann derart gesteuert werden,
dass er den Laserstrahl 80 und das mit diesem ausgerichtete
Sichtfeld 82 mittels der Verarbeitungselektronik auf mehrere
gewünschte
Boden- Positionen
leitet, wie anhand der nachstehenden Beschreibung besser verständlich wird.
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5 zeigt
ein schematisches Funktions-Blockschaltbild einer Verarbeitungselektronik
zum Berechnen eines Messwerts der Bodengeschwindigkeit, welche zur
Verwendung bei der vorliegenden Ausführungsform geeignet ist. Die
Verarbeitungselektronik kann beispielsweise in einer oder mehreren
gedruckten (PC-) Schaltungen in dem Elektronik-Hohlraum des Instruments
angeordnet sein. In 5 sind die Lichtdetektoren 72 und 74 durch
Funktionsblöcke
mit gleichen Bezugszeichen dargestellt. Das Ausgangssignal des Lichtdetektors 72,
das ein für
den durchgelassenen Teil der vom Boden reflektierten Impulse repräsentativer
elektrischer Impuls ist, wird in einen Schwellenwert-Detektionsblock 100 eingegeben.
Wenn die Amplitude des elektrischen Impulses des durchgelassenen
Signalteils größer ist
als ein vorbestimmter Schwellenwert, leitet der Block 100 das
Impulssignal zu einem Spitzenwert-Detektionsblock 102 weiter,
der die mit S1 bezeichnete Spitzenamplitude
des weitergeleiteten Impulssignals aufnimmt und ausgibt.
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Auf
im wesentlichen gleiche Weise wird das Ausgangssignal des Lichtdetektors 74,
das ein für
den reflektierten Teil des vom Boden reflektierten Impulses repräsentativer
elektrischer Impuls ist, in einen Schwellenwert-Detektionsblock 104 eingegeben.
Wenn die Amplitude des elektrischen Impulses des reflektierten Signalteils
größer ist
als ein vorgegebener Schwellenwert, leitet der Block 104 das
Impulssignal zu einem Spitzenwert-Detektionsblock 106 weiter,
der die mit S2 bezeichnete Spitzenamplitude
des weitergeleiteten Impulssignals aufnimmt und ausgibt. Die Signale
S1 und S2 können in
einen Prozessor 110 eingegeben werden, bei dem es sich
beispielsweise um einen programmierten Mikroprozessor handeln kann.
Ferner kann die Verarbeitungselektronik einen Detektor 112 zum
Detektieren der Scan-Position (Vektor) des Laserstrahls, an der
die Berechnung der Bodengeschwindigkeit durchgeführt wird, aufweisen. Die Scan-Position
des Lasers kann beispielsweise als Motorantriebssignal oder von
einem an der Welle des Scanner-Spiegels angebrachten Sensor geliefert
werden. In dem Prozessor 110 wird ein Verhältnis R
dadurch berechnet, dass die Differenz und die Summe der Signale
S1 und S2 ermittelt
werden und die Differenz wie folgt durch die Summe dividiert wird: R = [(S2 – S1)/(S1 + S2)] (es sei angemerkt, dass S1 und
S2 hinsichtlich Filterverlusten korrigiert
werden müssen).
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Eine
Lookup-Tabelle kann zum Korrelieren der Bodengeschwindigkeit mit
dem vorstehend berechneten Verhältnis
R in dem Prozessor 110 vorgesehen sein. Somit werden – beim Empfangen
eines neuen Boden-Reflexionsimpulses – S1 und
S2 bestimmt und wird die Scan-Position des
Lasers für
diesen Impuls aufgenommen. Das Verhältnis R wird berechnet, und
wird es anhand der Lookup-Tabelle
auf der Basis des momentanen Verhältnisses R auf den entlang
dem Richtungs-Scan-Vektor der Sichtlinie verlaufenden Teil der Bodengeschwindigkeit
zugegriffen. Dieser Teil der Bodengeschwindigkeit und die dazugehörige Scan-Position
können
in dem Prozessor 110 gespeichert werden. Danach kann der
Scanner-Spiegel 84 (siehe 4) von dem Prozessor 110 beispielsweise über eine
Signalleitung 114 geführt
werden, um den Laserstrahl 80 und das mit diesem ausgerichtete
Sichtfeld 82 auf eine andere Boden-Position zu projizieren
und die Bodengeschwindigkeit für
diese neue Boden-Position auf die gleiche Weise zu berechnen. Der
Prozess wird von dem Prozessor 110 wiederholt, bis die
Bodengeschwindigkeiten bestimmt und für mindestens drei Boden-Scan-Positionen
gespeichert sind. Dann kann der Prozessor 110 beispielsweise
mittels einer Matrix-Inversions-Berechnung an den drei oder mehr
Bodengeschwindigkeiten und den dazugehörigen Scan-Positionen eine
Triangulierungs-Berechnung durchführen, um den momentanen Geschwindigkeitsvektor
des Flugzeugs relativ zum Boden, d. h. die Bodengeschwindigkeit,
zu bestimmen. Diese Berechnung kann in einem orthogonalen X-, Y-
und Z-Koordinatensystem
durch folgende Gleichung ausgedrückt
werden:
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Entsprechend
ergibt eine Inversion des X-, Y- und Z-Rotations-Matrix-Terms, multipliziert
mit einer Matrix aus drei unterschiedlichen Geschwindigkeitsvektor-Termen,
die Bodengeschwindigkeitsvektor-Matrix relativ zu der Höhe des Flugzeugs
und des Messinstruments.
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Die
Amplitude des Bodengeschwindigkeitsvektors, d. h. die Fahrzeug-Bodengeschwindigkeit,
kann über
eine Signalleitung 116 ausgegeben werden. Es sei angemerkt,
dass die Fahrzeug-Fluggeschwindigkeits- und Höheninformationen für diese
Berechnung der Bodengeschwindigkeit nicht erforderlich sind. Wenn
diese Daten jedoch für
den Prozessor 110 zugänglich
sind, können
auch die absolute Fahrzeuggeschwindigkeit, die Richtung und das
Abrutschen im Flug von dem Prozessor 110 berechnet werden.
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Derselbe
Prozessor 110 kann ferner derart programmiert sein, dass
er eine Berechnung der Höhe über dem
Boden beispielsweise unter Verwendung des Start- oder Triggersignals
von dem Lichtdetektor 50 und des Signals S1 von
dem Detektor 72 durchführt,
wie in dem Blockschaltbild aus 6 gezeigt.
Es kann eine Laufzeitmessung anhand der Zeit zwischen den Start-
und Empfangsimpulsen von den Detektoren 50 bzw. 72 durchgeführt werden,
um die Entfernung zu der momentanen Bodenposition zu bestimmen.
Der Prozessor kann zum Bestimmen der tatsächlichen Höhe über dem Boden unter Verwendung
des Signals von dem Detektor 112 die Entfernung zu der
momentanen Laser-Scan-Position kompensieren, wobei der Höhenwert über eine
Signalleitung 120 ausgegeben werden kann. Obwohl bei der
vorliegenden Ausführungsform
das Signal S1 für Laufzeitbestimmungen verwendet
wird, sei darauf hingewiesen, dass S2 oder
eine Kombination aus S1 und S2 ebenfalls
verwendet werden können.
Entsprechend können
sowohl die Höhe über dem
Boden als auch die Bodengeschwindigkeit anhand gemeinsamer elektrischer
Signale und mittels der in der kombinierten laserbasierten Vorrichtung
vorgesehenen Verarbeitungselektronik bestimmt werden.
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Bei
einer Ausführungsform,
bei der kein Scannen durchgeführt
wird und die als Alternative zu der oben anhand von 4 beschriebenen
Ausführungsform,
bei der ein Scannen durchgeführt
wird, dargestellt wird, können
mindestens drei kombinierte laserbasierte Messvorrichtungen, wie
beispielsweise die Messvorrichtungen, die in Zusammenhang mit der
in 3 gezeigten Ausführungsform beschrieben worden
sind, an unterschiedlichen Stellen an dem Flugzeug angeordnet sein.
Eine solche Ausführungsform,
bei der kein Scannen durchgeführt
wird, ist in 7 und 8 dargestellt,
in denen ein Helikopter 130 beispielhaft als Flugzeug verwendet
wird. Obwohl bei der alternativen Ausführungsform ein Helikopter verwendet
wird, sei darauf hingewiesen, dass mehrere kombinierte laserbasierte
Messvorrichtungen auch an anderen Luftfahrzeugen angebracht sein
können,
wie beispielsweise an Starrflügel-Flugzeugen,
unbemannten Flugzeugen und präzisionsgelenkten
Geschossen.
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Gemäß 7 und 8 sind
vier kombinierte laserbasierte Messvorrichtungen an unterschiedlichen Stellen
an dem Flugzeug 130 angebracht. In der Seitenansicht aus 7 sind
nur zwei solcher Vorrichtungen 132 und 134 beispielhaft
an der Seite des Flugzeugs montiert. Die anderen beiden Vorrichtungen
können
an im wesentlichen gleichen Stellen auf der anderen Seite des Flugzeugs 130 angebracht
sein, wie in der Draufsicht aus 8 gezeigt.
Die kombinierten laserbasierten Messvorrichtungen können derart
eingestellt sein, dass sie jeweils ihre miteinander ausgerichteten
Laserstrahl- und Sichtfeld-Wege
(siehe 4) 140, 142, 144, und 146 an
vorbestimmten Vektoren auf entsprechende Bodenpositionen projizieren.
Obwohl bei dem Ausführungsbeispiel
aus 7 und 8 vier Messvorrichtungen dargestellt
sind, sei darauf hingewiesen, dass bei der Ausführungsform, bei der kein Scannen
durchgeführt
wird, drei oder mehr als vier Messvorrichtungen an dem Flugzeug
angebracht sein können,
ohne dass dadurch von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung
abgewichen wird.
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Jede
der mindestens drei Messvorrichtungen kann einen Schwellenwert-Detektor
und einen Spitzenwert-Detektor (siehe 5) zum Erzeugen
der ent sprechenden Durchlass- und Reflexionssignale S1 und
S2 und einen Trigger-Lichtdetektor (z. B. 50, 3)
zum Erzeugen des Start- oder Triggersignals T aufweisen. Entsprechend
können
die Signale T, S1 und S2,
falls gewünscht,
entsprechend verstärkt
werden und von jeder Messvorrichtung an eine entfernt angeordnete
Zentralverarbeitungseinheit an Bord des Flugzeugs ausgegeben werden.
Das schematische Blockschaltbild aus 9 zeigt
beispielhaft ein verteiltes nicht-scannendes System für das Flugzeug,
bei dem drei laserbasierte Messvorrichtungen 132, 134 und 136 an
unterschiedlichen Stellen des Flugzeugs angebracht sind, wie beispielhaft
in 7 und 8 gezeigt, die ihre jeweiligen Signale
T, S1 und S2 an
eine entfernt angeordnete, an Bord befindliche Verarbeitungseinheit,
die durch die gestrichelten Linien bei 150 dargestellt
ist, ausgeben.
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Gemäß 9 kann
die Verarbeitungseinheit 150 der vorliegenden Ausführungsform
einen Signal-Multiplexer 152 und einen Analog/Digital-Konverter
(A/D) 154 sowie eine programmierte Prozessoreinheit 156 aufweisen.
Die Signale T und S1 von jeder Vorrichtung 132, 134 und 136 können über Signalleitungen
mit einem Digitaleingangsabschnitt (DI) der Prozessoreinheit 156 gekoppelt
sein. Solche Digitaleingänge
können
von dem Prozessor 156 entweder abgefragt werden oder als
Programm-Interrupts konfiguriert sein, um Start- und Empfangszeiten
für jede
der Messvorrichtungen 132, 134 und 136 zu
identifizieren. Ferner können
die Signale S1 und S2 von
jeder Vorrichtung 132, 134 und 136 über Signalleitungen
mit Eingängen
des Multiplexers 152 gekoppelt sein. Ein Ausgangssignal 158 des
Multiplexers 152 ist mit einem Eingang des A/D 154 gekoppelt, und
Ausgangsdatenleitungen 160 des A/D 154 sind mit
einem Datenbus des Prozessors 156 gekoppelt. Der Prozessor 156 kann
die Operationen des Multiplexers 152 und des A/D 154 über Steuerleitungen 162 steuern. Bei
dieser Ausführungsform
können
die Spitzenwert-Detektoren
(siehe 5) jeder Vorrichtung 132, 134 und 136 eine
Abtast- und Halteschaltung
aufweisen, die die Spitzensignale S1 und
S2 einer aktuellen Interputs-Periode halten,
bis die Spitzensignale der nächsten
Interpuls-Periode bestimmt sind.
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Bei
einer typischen Operation können
die Vorrichtungen 132, 134 und 136 autonom
arbeiten, um periodisch Laserimpulse auszugeben, die Boden-Reflexionen
während
der Interpuls-Perioden zu empfangen und die Signale T, S1 und S2 für jede Laserimpuls-Periode
zu erzeugen. Die Prozessoreinheit 156 ist zum Detektieren
des Starts jeder Impulsperiode beispielsweise durch Überwachung
der T-Signale und zum Berechnen der Laufzeit durch Überwachen
der Signale S1 und/oder S2 für jede Vorrichtung
programmiert. Dann kann der Prozessor 156 bei bekanntem
vorbestimmtem Vektor des Laserstrahlwegs für die entsprechenden Bodenpositionen
unter Verwendung der Vorrichtungen 132, 134 und 136 die
Höhe des
Flugzeugs über
dem Boden berechnen.
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Ferner
kann der Prozessor 156 zum Auslesen der Signale S1 und S2 aus den
Vorrichtungen 132, 134 und 136 während einer
Interpuls-Periode über
die Steuerung des Multiplexers 152 und der A/D 154 und
zum Berechnen eines Verhältnisses
R (siehe 5) für jede Vorrichtung 132, 134 und 136 aus
den entsprechenden Signalen S1 und S2 programmiert sein. Durch Verwendung einer
Lookup-Tabelle kann der Prozessor 156 eine Geschwindigkeit
des Flugzeugs für
jedes berechnete Verhältnis
R entsprechend den Vorrichtungen 132, 134 und 136 bestimmen.
Der Vektorweg jeder Vorrichtung 132, 134 und 136 kann
zur Verwendung beim Kombinieren mit der entsprechenden berechneten
Flugzeuggeschwindigkeit zwecks Berechnung der Bodengeschwindigkeit 164 des
Flugzeugs (siehe 8), vorzugsweise durch eine
Matrix-Inversion oder Triangulierungs-Berechnung, in den Prozessor 156 einprogrammiert
sein. Auf diese Weise kann das aus den Vorrichtungen 132, 134 und 136 gebildete
verteilte System unter Verwendung einer gemeinsamen an Bord befindlichen
Verarbeitungseinheit 150 sowohl die Höhe über dem Boden als auch die
Bodengeschwindigkeit des Flugzeugs bestimmen.
