DE102007014256A1 - SAL(Semi-Actives-Laser)-Zielerfassungsverfahren mit kohärentem Empfang - Google Patents

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Abstract

Bei einem Ziel-Erfassungsverfahren, bei dem mit einem Laserdesignator ein Zielobjekt beleuchtet und mit einem Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung zur Bestimmung von Art, Ort und/oder Bewegung erfasst und ausgewertet wird, wird vorgeschlagen, dass zur Beleuchtung mit dem Designator (DS) kohärente Strahlung (S') erzeugt und im Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung (S) in einem oder mehreren Detektoren kohärent gemischt wird und dass das im nachgeschalteten Detektor (D) gewonnene, im Frequenzbereich zwischen 0 und 10 GHz liegende Differenzsignal schmalbandig gefiltert und zur Informationsgewinnung weiterverarbeitet wird. Durch Anwendung eines Heterodynverfahrens wird es gemäß der Erfindung möglich, einen SAL-Sucher zu realisieren, welcher eine cw-Designatorstrahlung hinreichend empfindlich detektiert. Dazu werden zweckmäßig spezifische Kenntnisse der Designatoreinstellung verwendet, über welche ein herkömmlicher Laserwarner nicht verfügen kann. Die Entdeckbarkeit des erfindungsgemäßen cw-Designators ist gegenüber herkömmlichen mit gepulster Strahlung deutlich reduziert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Ziel-Erfassungsverfahren, bei dem mit einem Laserdesignator ein Zielobjekt beleuchtet und mit einem Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung zur Bestimmung von Art, Ort und oder Bewegung erfaßt und ausgewertet wird.
  • Herkömmliche Semi-Active-Laser(SAL)-Suchköpfe werden üblicherweise gemeinsam mit Laserdesignatoren mit gepulster Laserstrahlung verwendet. Diese strahlen mit sehr hoher Spitzenleistung (im Megawattbereich) mit einer Pulsdauer von typischerweise 10 ns und einer Pulswiederholrate im 10 Hz-Bereich. Die Laserwellenlänge beträgt 1,06 μm.
  • Aufgrund dieser Merkmale können schon einfache Laserwarner bei einer Zielmarkierung das Streulicht des Designators schnell erkennen und Gegenmaßnahmen, z. B. Einnebelung oder Bekämpfung, einleiten.
  • Dauerstrich (cw)-Laserstrahlung wird hingegen von gebräuchlichen Laserwarnern nicht entdeckt und ist insbesondere bei Hintergrundstrahlung nur schwer zu detektieren.
  • Es ist das Ziel der Erfindung, einen Lasersucher zu schaffen, der es ermöglicht, Dauerstrich-Designatorstrahlung zu detektieren und auszuwerten, die ihrerseits nur sehr schwierig von Gegenmaßnahmen auslösenden Laserwarnsensoren erkannt werden kann. Ferner soll gleichzeitig die Möglichkeit geschaffen werden, Informationen zwischen Designator(en) und Sucher(n) zu übertragen.
  • Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zur Beleuchtung mit dem Designator kohärente Strahlung erzeugt und im Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung in einem oder mehreren Detektoren kohärent gemischt wird und daß das im nachgeschalteten Detektor gewonnene im Frequenzbereich zwischen 0 und 10 GHz liegende Differenzsignal schmalbandig gefiltert und zur Informationsgewinnung weiterverarbeitet wird.
  • Durch Verwendung spezieller Modulationsverfahren ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung auch möglich, Information vom Designator zum Sucher zu übertragen.
  • Durch Anwendung eines Heterodynverfahrens wird es also gemäß der Erfindung möglich, einen SAL-Sucher zu realisieren, welcher eine cw-Designatorstrahlung hinreichend empfindlich detektiert. Dazu werden zweckmäßig spezifische Kenntnisse der Designatoreinstellung verwendet, über welche ein herkömmlicher Laserwarner nicht verfügen kann. Die Entdeckbarkeit des erfindungsgemäßen cw-Designators ist gegenüber herkömmlichen mit gepulster Strahlung deutlich reduziert.
  • Die physikalischen Grundlagen und die technische Ausführung eines SAL-Suchers und des zugehörigen Laser-Designators, basierend auf dem Laser-Heterodynverfahren, werden im folgenden beschrieben. Es zeigen
  • 1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Sucheinrichtung,
  • 2 eine Darstellung des Signal/Rauschverhältnisses bei Anwendung der Erfindung und
  • 3 den Aufbau einer Ausführungsform mit einem abtastenden Suchkopf.
  • 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der Suchvorrichtung. Dabei beleuchtet ein Designator DS ein Ziel Z mit kohärenter cw-Laserstrahlung S', die teilweise vom Ziel Z reflektiert und als Strahlung S von der Empfangsoptik EO kollimiert und an den Detektor D weitergeleitet wird. Dabei kann der Designator räumlich unabhängig vom Sucher, aber auch mit diesem zu einer Einheit verbunden sein.
  • Der vom Ziel Z reflektierten Designatorstrahlung S wird am Detektor D kohärent die Strahlung eines Lokaloszillator-Lasers LO überlagert, und zwar zweckmäßig mit einem Beam-Combiner B. Der Detektor D wirkt als Mischer, der ein Differenzsignal von Laserdesignatorfrequenz fD und LO-Frequenz LLO im RF-Frequenzbereich erzeugt. Dieses wird schmalbandig gefiltert und weiterverarbeitet.
  • Dabei gilt folgende Beziehung: isig = ηDq(2PsigPLO)1/2/hf mit
    • isig:
    Signal-Strom im Detektor
    ηD:
    Quantenwirkungsgrad Detektor
    q:
    Elektronenladung
    Psig:
    empfangene Signalleistung
    PLO:
    Leistung Lokal-Oszillator (LO)
    hf:
    Photonenenergie
  • Die Vorteile des Heterodynverfahrens liegen darin, daß das erreichbare Signal-Rauschverhältnis S/N im Kleinsignalbereich beim kohärenten Heterodyn-Empfang deutlich höher ist als beim direkten inkohärenten Empfang. Durch den Lokaloszillator LO wird das Hintergrundrauschen und das Empfängerrauschen wirkungsvoll unterdrückt. Dieser Zusammenhang ist in 2 dargestellt.
  • Das erzielbare S/N wird letztlich durch die Anzahl der empfangenen Photonen bestimmt: S/N = i2 sig/i2 N = ηDPsig/hfB mit
    • isig:
    Signal-Strom im Detektor
    iN:
    Rausch-Strom (shot noise)
    ηD:
    Quantenwirkungsgrad Detektor
    Psig:
    empfangene Signalleistung
    hf:
    Photonenenergieη
    B:
    Filterbandbreite
  • Um eine effektive Überlagerung der Frequenzen beim Heterodynempfang zu gewährleisten, müssen die Laserstrahlen von Designator und Lokal-Oszillator gute zeitliche und räumliche Kohärenz besitzen.
  • Die Linienbreiten von Designatorlaser (DS) und Lokaloszillator (LO) bestimmen deren Kohärenzlängen und damit die möglichen Reichweite und Filterbandbreite.
  • Kommerzielle augensichere Erbium-Faserlaser bei Lambda = 1,55 μm besitzen Bandbreiten B unter 10 kHz im Multiwattbereich und unter 1 kHz im niederen Leistungsbereich. Die mögliche Reichweite R für SAL-Anwendung ist R = c/B, wobei c = 3 × 108 m/s ist. Mit B = 10 kHz ergibt dies eine Reichweite R von 30 km.
  • Die Anforderungen an die Wellenlängenstabilität von Designator und LO lassen sich durch die gleichzeitige Verwendung zweier eng benachbarter Laserwellenlängen f1 und f2 mit definiertem Abstand Δf im Designator deutlich verringern.
  • Im SAL-Suchkopf-Detektor werden beim Überlagerungsempfang zwei um die LO-Fregenz fLO verschobene Zwischenfrequenzen fZ1 und fZ2 erzeugt mit fZ1 = f1 – fLO und fZ2 = f2 – fLO. Diese werden in einem HF-Mischer überlagert und die Differnzfrequenz fZ1 – fZ2 erzeugt. Diese beträgt genau Δf und ist unabhängig von den absoluten Werten von f1 und f2, der LO-Frequenz und der bewegungsverursachten Dopplerverschiebung von f1 und f2.
  • Die Wellenlängenstabilisierung von Δf und fLO muß lediglich innerhalb der Detektorbandbreite erfolgen (z. B. im Bereich bis 10 Ghz). Das Nutzsignal kann sehr schmalbandig mit der Linienbreite der Laserstrahlung gefiltert werden.
  • Zu beachten ist, dass bei diesem Verfahren die Amplitude der Designatorstrahlung schmalbandig mit Δf moduliert wird.
  • Mit einem Scanner tastet im Sucher das Detektor-Gesichtsfeld (IFOV) das Gesichtsfeld des Suchers (FOV) im Suchmodus ab. Das Detektor-Gesichtsfeld (FOV) beträgt z. B. 1 mrad, das Sucher-Gesichtsfeld (FOV) 10°. Das ergibt dann 3 × 104 Pixel pro Scan.
  • Bei einer Abtastdauer für das Sucher Gesichtsfeld (FOV) von 10–1 s ergibt sich eine Frequenz von 10 „Bildern" pro Sekunde.
  • Während der Abtastdauer für 1 Pixel werden hinreichend viele Signal-Photonen für die Entdeckung des Zieles empfangen.
  • Nach Entdeckung eines Zieles im Suchmodus schaltet der Sucher auf dieses und trackt es – eventuell zunächst mit Microscan. Nach Zielaufschaltung mit einer angenommenen Stabilisierungsgenauigkeit des Suchers von < 1 mrad wird dann permanent Signal vom Ziel empfangen.
  • Eine einfache Realisierungsmöglichkeit für einen abtastenden Suchkopf ist nach 3 ein Rosettenscanner mit zwei rotierenden Keilplatten. Die Übertragung des Signals und die Einkopplung der LO-Laserstrahlung kann dabei justage-unkritisch mittels Lichtleiterkomponenten erfolgen, beispielsweise durch eine Photonic Crystal-Faser mit großer NA und großem Kerndurchmesser und einen X-Faserkoppler.
  • Als vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird die Ausführung des Lichtleiters als Erbium-dotierter Faserlaser-Verstärker (EDFA) vorgeschlagen. Dabei ist die Einkoppelfaser als optischer Verstärker ausgeführt. Erbium-dotierte Faserlaser (EDFA) werden z. B. als Verstärkerstufen in Glasfaserübertragungsstrecken verwendet.
  • Durch die Verwendung eines EDFA als optischer Vorverstärker wird die Leistungsanforderung an den Lokaloszillator deutlich verringert, und zwar entsprechend dem Verstärkungsfaktor des EDFA.
  • Gleiches gilt für die Verwendung von Avalanche-Dioden als Detektor.

Claims (14)

  1. Ziel-Erfassungsverfahren, bei dem mit einem Laserdesignator ein Zielobjekt beleuchtet und mit einem Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung zur Bestimmung von Art, Ort und oder Bewegung erfaßt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung mit dem Designator (DS) kohärente Strahlung (S') erzeugt und im Sucher die vom Ziel reflektierte Strahlung (S) in einem oder mehreren Detektoren kohärent gemischt wird und daß das im nachgeschalteten Detektor (D) gewonnene im Frequenzbereich zwischen 0 und 10 GHz liegende Differenzsignal schmalbandig gefiltert und zur Informationsgewinnung weiterverarbeitet wird.
  2. Ziel-Suchverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum kohärenten Mischen der Strahlung im Sucher ein dort angeordneter lokaler Oszillator (Lokaloszillator LO) verwendet wird.
  3. Ziel-Suchverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Designator erzeugte kohärente Strahlung sogenannte continious wave (CW)- oder modulierte CW-Strahlung ist.
  4. Ziel-Suchverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Designator-Strahlung zum Zweck der Übermittlung von Informationen an den Sucher moduliert wird.
  5. Ziel-Suchverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Designator (DS) gleichzeitig zwei eng benachbarte Laserwellenlängen f1 und f2 mit definiertem Abstand Δf und im Sucher-Detektor D durch einen kohärenten Mischprozess zwei um die LO-Freqenz fLO verschobene Zwischenfrequenzen fZ1 und fZ2 mit fZ1 = f1 – fLO und fZ2 = f2 – fLO erzeugt und in einem HF-Mischer überlagert werden und die genau Δf betragende und von den absoluten Werten von f1 und f2, der LO-Frequenz und der bewegungsverursachten Dopplerverschiebung von f1 und f2 unabhängige Differenzfrequenz fZ1 – fZ2 erzeugen.
  6. Ziel-Suchverfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass im Sucher eine optische Abtastvorrichtung verwendet wird, mit welcher das Gesichtsfeld einer Detektoreinheit das Gesichtsfeld des Suchers abtastet.
  7. Ziel-Suchverfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass als optische Abtastvorrichtung ein Rosettenscanner mit zwei rotierenden Keilplatten verwendet wird.
  8. Zielsuchverfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet daß die Übertragung des Signals im Sucher von der Optik bis zum Detektor dabei justage-unkritisch mittels Lichtleiterkomponenten, beispielsweise durch eine Photonic Crystal-Faser mit großer NA und großem Kerndurchmesser und einen X-Faserkoppler erfolgt.
  9. Ziel-Suchverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur optischen Signalverstärkung Faserverstärker verwendet werden.
  10. Ziel-Suchverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektoren Avalanche-Dioden verwendet werden.
  11. Ziel-Suchverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Detektoren PIN-Dioden verwendet werden.
  12. Ziel-Suchverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen des Designators (DS) durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel der Verwendung von Referenz-Etalons (wavelength-locker) absolut stabilisiert wird.
  13. Ziel-Suchverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des Lokaloszillators (LO) durch geeignete Maßnahmen, zum Beispiel der Verwendung von Referenz-Etalons (wavelength-locker) absolut stabilisiert wird.
  14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Designator (DS) zum Beaufschlagen eines Ziels mit kohärenter Strahlung (S'), einen Empfänger für die vom Ziel reflektierte Strahlung (S), einen lokalen Oszillator zum Erzeugen einer räumlich und zeitlich kohärenten Strahlung (LO), einer Mischeinrichtung zum Zusammenführen der beiden Strahlungen (S, LO) und Gewinnen eines niederfrequenten Differenzsignals und eine elektronische Signalverarbeitungseinrichtung aufweist.
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