DE1301865B - Mehrfachreflexionsanordnung zur Kompression von Frequenzmodulierten Impulsen - Google Patents

Mehrfachreflexionsanordnung zur Kompression von Frequenzmodulierten Impulsen

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DE1301865B
DE1301865B DEC36038A DEC0036038A DE1301865B DE 1301865 B DE1301865 B DE 1301865B DE C36038 A DEC36038 A DE C36038A DE C0036038 A DEC0036038 A DE C0036038A DE 1301865 B DE1301865 B DE 1301865B
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Description

sind nicht für die Kompression frequenzmodulierter 20 Dies ergibt den Vorteil, daß die Zahl der Reflexionen Impulse geeignet. Diese Aufgabe stellt sich insbeson- und die Laufzeitunterschiede vervielfacht werden, dere bei Radargeräten, bei welchen zur Erhöhung der Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin-
ausgestrahlten Energiemenge unter Einhaltung einer dung besteht darin, daß das Ausbreitungsmedium Spitzenleistung in annehmbaren Grenzen die Dauer mehrere jeweils mit einer Schicht versehene Flächen des Wellenzugs größer als die Hin- und Rücklaufzeit 25 aufweist, welche mit der Eintrittsfläche und der Ausdes Wellenzugs zu einem zu ortenden Ziel gemacht trittsfläche einen polygonalen Umriß bilden, und daß wird. In diesem Fall wird jeder ausgesendete Wellen- dem Energiebündel durch die mit der Schicht verzug, gewöhnlich linear, frequenzmoduliert, und die sehenen Flächen mehrere schräge Reflexionen erteilt Kompressionsanordnung muß in der Lage sein, beim werden. Durch diese Ausgestaltung kann die Verviel-Empfang den in der gleichen Weise frequenzmodu- 30 fachung der Reflexionen und der Laufzeitunterschiede lierten Echoimpulszug durch frequenzabhängige Ver- mit einem besonders kompakten Aufbau erreicht zögerung seiner Frequenzkomponenten in einen Impuls mit sehr viel kürzerer Dauer und erhöhter
Amplitude umzuformen.
Zu diesem Zweck sind bisher gewöhnlich elektrische 35
Verzögerungsleitungen mit frequenzabhängiger Laufzeit verwendet worden, die entweder aus einer Kette
von Gliedern mit konzentrierten Schaltungselementen
oder aus Wellenleitern mit verteilten Konstanten bestanden. In beiden Fällen war aber die Frequenz- 40
abhängigkeit der Laufzeit nur gering, so daß die zu
komprimierenden Impulse zur Erzielung eines ausreichenden Kompressionsgrades eine große Zahl von
Kettengliedern oder einen langen Wellenleiter durchlaufen mußten. Die Kompressionsanordnung war 45 spiels von F i g. 5, entsprechend schwer und umfangreich. F i g. 7 eine schematische Darstellung eines zweiten
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Mehrfachreflexionsanordnung der eingangs angegebenen Art, die bei kleinem Raumbedarf eine stark frequenzabhängige Laufzeit in einem breiten Frequenzband aufweist.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß
an der weiteren Fläche des Ausbreitungsmediums eine
Schicht mit parallelen Flächen angeordnet ist, daß der
Brechungsindex der Schicht von dem Brechungsindex 55 parallelen Flächen ist auf der einen Seite von einem des Ausbreitungsmediums verschieden ist, daß die vollkommen reflektierenden Spiegel 1 und auf der eine Fläche der Schicht mit der weiteren Fläche des anderen Seite von einer durch die Schicht 3a teil-Ausbreitungsmediums gekoppelt ist und daß die weise reflektierenden Oberfläche 3 begrenzt. Das andere Fläche der Schicht totalreflektierend ist. Material der Platte 2 hat den Brechungsindex n,
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ist f>o und die sich darin ausbreitende Welle hat die Gesowohl bei elektromagnetischen Wellen, insbesondere schwindigkeit <·, während in dem Medium 4 rechts Lichtwellen, als auch bei Schallwellen anwendbar.
Der zu komprimierende Impuls wird in Form einer
Lichtwelle oder einer Schallwelle in das Ausbreitungsmedium eingeführt, und er verläßt das Ausbreitungs- f>5 ein Strahl ausbreitet, der einer ebenen Wellenfläche Σ medium in komprimierter Form nach wenigstens entspricht und mit einem Einfallswinkel (~) auftritt, einer Teilreflexion an der mit der weiteren Fläche des
Ausbreitungsmedrums gekoppelten einen Fläche der
werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Darin zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung des die erfindungsgemäße Anordnung bildenden Organs,
F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,
F i g.„3 ein Schema zur Erläuterung der Wirkungsweise,
F i g. 4 ein Kennliniendiagramm,
F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
F i g. 6 ein Ersatzschaltbild des Ausführungsbei-
Ausführungsbeispiels,
F i g. 8 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels,
F i g. 9 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels und
Fig. 10 ein Kennliniend.iagramm.
Die Darstellung von F i g. 1 beschränkt sich auf den stationären Betriebszustand. Eine Schicht 2 mii
von der Schicht 3a der Brechungsindex«' und die Ausbreitungsgeschwindigkeit c' der Welle bestehen. Es sei angenommen, daß sich in dem Medium 4
ober die Art der Welle braucht nichts ausgesagt zu werden, da die Überlegungen für jede Art von Wellen
gültig sind. Es sei A0 der Auftreffpunkt dieses Strahls und e""! der komplexe Ausdruck der Welle am Punkt A0. Ein Teil der Welle geht am Punkt A0 aus dein Medium 4 in das Medium 2 über, und der komplexe Ausdruck für den am Punkt A0 reflektierten Anteil lautet —Rcio", wenn R der Reflexionskoeffizient für die Amplitude an der Schicht 3a ist.
Der gebrochene Anteil wird bei B1 von der Wand 1, auf welche er mit dem Einfallswinkel Θ' auftrifft, vollkommen reflektiert. Beim Eintreffen am Punkt A1 wird ein Teil der Energie gebrochen in das Medium 4 übertragen. Ein weiterer Teil wird an der Schicht 3a reflektiert und zur Fläche 1 zurückgeworfen.
Der komplexe Ausdruck der gebrochenen Welle am Punkt A1 kann folgendermaßen geschrieben werden:
wenn </ die auf Jem WCgZl0B1Zl1 hervorgerufene Phasenverschiebung ist und T der Ubertragungskoefiizient für die Amplitude an der Schicht 3a ist, wobei T und R durch die folgende Beziehung verknüpft sind:
T2 + R2 =
erhält folgenden komplexen Ausdruck für die resultierende Welle:
Σ = I-R - Ύ1 e""" -RT1 6~24φ
R" 7 2 e~(M+1>Jc')~| e'™'
was nach einer einfachen Umrechnung folgendermafkn geschrieben werden kann:
mit
und
ο e'* eJWI
(D
Zur Berechnung von »/■ ist zu bemerken, daß die durch den Punkt A0 gehende phasengleiche Wellenfläche die vom Punkt A0 auf die Strecke B1Zl1 gezogene strichpunktierte Senkrechte A0 α ist. Die Phasendifferenz if auf dem Weg A0B1 α hat, wenn E die Dicke der von den beiden Flächen begrenzten Schicht ist, folgenden Wert:
30
τ τ / /** /** cos iy' \
/ι A V cos« cos <·> J y
daraus erhält man:
40
2 ω η — E COS θ ,
(2)
was folgendermaßen geschrieben werden kann:
7 = ">t0 (3)
2 £ cosf/ Diese Gleichungen drücken die Phase der resultierenden Welle in bezug auf die Phase der am Punkt A0 ankommenden Welle aus. Die resultierende Welle hat die gleiche Amplitude wie die einfallende Welle.
Aus vorstehenden Erläuterungen folgt, daß die von ij abhängige Phasenverschiebung Φ auch von der Frequenz der einfallenden Welle abhängt (Gleichungen 3 und 4).
Demzufolge erzeugt die beschriebene Anordnung eine Verzögerung, die von der Wellenlänge der einfallenden Weile abhängt.
Wenn die einfallende Welle ein impulsförmiger, frequenzmodulierter Wellenzug ist, ruft eine Anordnung der beschriebenen Art an ihrem Ausgang einen impuisförmigen Wellenzug von kürzerer Dauer hervor, wie an sich bekannt ist und wie durch eine einfache Überlegung mit einigen vereinfachenden Voraussetzungen gezeigt werden kann.
Es seien beispielsweise gemäß F i g. 2 zwei impulsförmige Wellenzüge O1 und O2 von gleicher Dauer und mit den Kreisfrequenzen «> bzw. ω + .Ιω angenommen. Wenn das aus diesen beiden Wellenzügen O1 und O2 bestehende Signal A (£) dem Eingang eines Verzögerungsglieds C (Fig. 3) mit frequenzabhängiger Laufzeit zugerührt wird, gibt dieses am Ausgang ein Signal B(t) ab, das aus zwei Wellenzügen P1 und P2 besteht. Da das Verzögerungsglied eine frequenzabhängige Laufzeit hat, wird der erste Wellenzug P1 um die Zeit tR (ω) und der zweite
Darin ist t0 die Laufzeit der Welle für einen Hinweg und einen Rückweg.
Durch gleichartige Überlegungen erhält man die folgenden Gleichungen für die an den Punkten A0, A1 ... /I4 reflektierten bzw. gebrochenen Wellen: Wellenzug P2 um die Zeit tR {ω + A ω) gegenüber dem ursprünglichen Wellenzug O1 bzw. O2 verzögert. Während die gegenseitige Verzögerung der beiden Wellen-(4) 50 züge O1 und O2 den Wert T hat, hat die gegenseitige Verzögerung der Wellenzüge P1 und P2 die gegenseitige Verzögerung T — .IT. Wenn eine bestimmte Anzahl von Verzögerungsgliedern mit frequenzabhängiger Laufzeit dieser Art in Kaskade angeordnet werden, fallen schließlich die beiden Wellenzüge P1
A0 = -Rei
A — _ y2 e
A2 = -RT
A3 = -R2
3φ),
Die von den Punkten /I0 ... /I4 ausgehenden Strahlen sind parallel und bilden eine ebene Welle; man und P2 zusammen.
Der Gütefaktoreines Glieds mit frequenzabhängiger Laufzeit ergibt sich durch die Messung der Intervalle 11R und 11», welche auf einer Kurve von tR als Funktion von ω einen im wesentlichen linearen Änderungsbereich begrenzen. Aus dem Produkt Am· AtR bzw., was auf das gleiche herauskommt, aus dem Produkt I/· \tR erhält man dann den Gütefaktor. Diese dimensionslose Zahl kennzeichnet die Gesamtheit der frequenzabhängigen Eigenschaften, weil sie sowohl der Bandbreite des Glieds als auch der dem Glied zugeordneten zeitlichen Verschiebung proportional ist. Fig. 10 zeigt die Kennlinienschar des Glieds von
Fi g. 1. Der aus diesen Kennlinien ermittelte Gütefaktor erreicht den Wert 0,6, während er bei den herkömmlichen Verzögerungsgliedern nur 0.04 beträgt. Dies bedeutet, daß man dort, wo bisher fünfzehn Glieder erforderlich waren, bei Anwendung der Erfindung nur noch ein einziges Glied benötigt.
F i g. 4 zeigt die Änderungen von
tR I -R
für mehrere Werte von 0,5 < R < 1 als Funktion des Ausdrucks
wobei die für wachsende Werte von R erhaltenen Kurven den angegebenen Verlauf haben.
Es ist zu erkennen, daß die erhaltenen Kurven die Periode 1 haben und daß sich der Ausdruck
-R tR
1 +R ίο
folgendermaßen schreiben läßt:
1
1 -R tf
1 +
4R
sin2
ί +R ίο
1 -R2
25
30
+R2 ~2R
Die gestrichelte Kurve würde mit einem herkömmlichen Verzögerungsglied erhalten werden.
Der Gütefaktor ist in einem großen Änderungsbereich von R zwischen 0,5 und 1 maximal. Für R = O und R = 1 gibt es keine Mehrfachreflexionen.
Die Erfindung eignet sich für verschiedene interessante Anwendungsfälle:
45
Erste Anwendung
Kompression eines frequenzmodulierten kohärenten
Lichtimpulses
Es ist bekannt, daß solche Impulse mit Hilfe von Lichtquellen mit angeregter Emission erhalten werden können, wie sie in der Technik unter der Bezeichnung Impuls-Laser bekannt sind.
Eine Anordnung dieser Art ist in der französischen Patentschrift 1 309 362 beschrieben.
F i g. 5 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung, das im übrigen unabhängig von der Art des zu komprimierenden Impulses gültig ist.
Die aufeinanderfolgenden Verzögerungsglieder werden mit Hilfe von zwei Schichten L1 und L2 mit der gleichen Dicke E erhalten, die parallel zueinander im Abstand/ angeordnet sind. Die kohärente Welle wird nacheinander an den beiden Schichten L1 und L2 reflektiert. Fig. 6 zeigt das Ersatzschaltbild. Die kohärente Welle wird bei S eingeführt, und die Verzögerungsglieder C1 bis C5 sind diejenigen Abschnitte der Schichten L1 und L2, welche die aufeinanderfolgenden Reflexionen hervorrufen. Schließlich tritt die Welle bei R aus. Um zu verhindern, daß sich die
35 Lichtbündel gegenseitig stören, muß die folgende Ungleichung erfüllt sein:
worin k die Zahl der aufeinanderfolgenden Reflexionen ist, die erforderlich sind, damit » im wesentlichen den Wert 1 hat.
F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Lichtquelle ein Laser 8 ist, der so ausgelöst wird, wie in der zuvor genannten französischen Patentschrift beschrieben ist.
Auf einem Glasblock 7 liegen mit der Eintrittsfläche la und der Austrittsfläche Ib mit Hilfe von Keilen 6 die Spiegel 5 auf, welche die Totalreflexionen verursachen. Die Schichten L1 und L2 sind zwei Luftschichten, wobei die Teilreflexion an der Trennfläche Glas—Luft stattfindet. Bekanntlich sendet der Laser ein kohärentes Licht aus, so daß die Phase der Welle am Eingang der Anordnung vollkommen definiert ist. Man kann somit eine Impulskompression am Ausgang erhalten, im Gegensatz zu einem inkohärenten Licht, wie es mit allen anderen Lichtquellen außer Laser erhalten wird. Ferner ist die Frequenz der abgegebenen impulsförmigen Welle, wie Erfahrungen der jüngsten Zeit zeigen, entweder von Natur aus oder nach einem vorgegebenen Gesetz veränderlich. Dies hat zur Folge, daß in einer An-Ordnung der beschriebenen Art die Erscheinung der Kompression eines impulsförmigen Wellenzugs auftritt.
Zweite Anwendung
Kompression einer impulsförmigen Schallwelle
Die in F i g. 8 dargestellte Anordnung enthält einen Körper 10 mit einer Eintrittsfläche 10a und einer Austrittsfläche IQb. Er besteht aus einem Metall mit der spezifischen Masse O1, in welchem eine Schallwelle die Geschwindigkeit C1 hat. Dieser Körper hat die Form eines Quaders: An den beiden Stirnflächen sind zwei Schichten 9 mit den Kenngrößen o2 und c2 angebracht.
Ein Eingangswandler 11 ist an die Eintrittsfläche 10a des Körpers 10 angelegt, und ein Ausgangswandler 12 an der Austrittsfläche 10b empfängt die aus dem Körper 10 austretenden Wellen. Die ganze Anordnung liegt in Luft.
Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Die vom Wandler 11 ausgesendete Welle wird an den Trennflächen zwischen dem Körper 10 und den beiden Schichten 9 teilweise und an den Trennflächen zwischen den Schichten 9 und der Umgebungsluft vollkommen reflektiert. Die Anordnung arbeitet für Schallwellen in gleicher Weise wie die zuvor beschriebenen Anordnungen für Lichtwellen. Es genügt, über den Wandler 11 eine Schwingung mit einer sich zeitlich ändernden Frequenz zuzuführen, damit eine Impulskompression stattfindet.
F i g. 9 zeigt eine andere 'Ausführungsform der Anordnung von F i g. 8. Der Körper 20 hat die Form eines geraden Prismas und besteht aus einem Metall mit den Kenngrößen H1 und C1. Seine Seitenflächen sind mit Platten 13 bis 19 bedeckt, die aus einem Metall mit den Kenngrößen »2 und c2 hergestellt sind. Die Wandler 11 und 12 sind direkt an den Körper 20 angelegt.
Der Weg der Schallwellen (für welchen die Mehrfachreflexionen der Klarheit wegen nicht dargestellt sind) ist in vollen Linien gezeichnet. Die Anordnung ist offensichtlich derjenigen von F i g. 8 äquivalent.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Mehrfachreflexionsanordnung zur Kompression von frequenzmodulierten Impulsen mit einem ι ο Ausbreitungsmedium, das durch eine Eintrittsfläche, eine Austrittsfläche und wenigstens eine weitere Fläche begrenzt ist, wobei sich die Impulse zwischen diesen Flächen in Form eines wellenförmigen Energiebündels ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, daß an der weiteren Fläche des Ausbreitungsmediums (4) eine Schicht (2) mit parallelen Flächen (1, 3) angeordnet ist, daß der Brechungsindex («) der Schicht (2) von dem Brechungsindex («') des Ausbreitungsmediums (4) verschieden ist, daß die eine Fläche (3) der Schicht (2) mit der weiteren Fläche des Ausbreitungsmediums (4) gekoppelt ist und daß die andere Fläche (1) der Schicht (2) totalreflektierend ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Erregerbündel (Σ) ein elektromagnetisches Wellenbündel ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Energiebündel (Σ) ein Schallwellenbündel oder Ultraschallwellenbündel ist und daß an der Eintrittsfläche (10a) und an der Austrittsfläche (10b) des Ausbreitungsmediums (10) elektromechanische Wandler (11, 12) für die Erregung bzw. Abnahme der Wellen angeordnet sind (Fig. 8).
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine teilreflektierende Schicht (3a) zwischen der Schicht (2) und dem Ausbreitungsmedium (4) vorgesehen ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium (4) zwei parallele Flächen aufweist, an denen jeweils eine Schicht (2) angeordnet ist, so daß dem Bündel (Σ) mehrere schräge Reflexionen erteilt werden.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium (20) mehrere reflektierende Flächen aufweist, welche mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche einen polygonalen Umriß bilden, daß an jeder dieser reflektierenden Flächen eine Platte (17, 18, 19, 13, 14, 15, 16) angeordnet ist und daß dem Energiebündel zwischen diesen Flächen mehrere schräge Reflexionen erteilt werden (F i g. 9).
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsfläche (la; 10a) und die Austrittsfläche (7b; 10/)) des Ausbreitungsmediums (7; 10) senkrecht zu dem Energiebündel stehen (F i g. 7, 8).
8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsfläche (7 a) ein von einem Impuls-Laser (1) erzeugter Lichtimpuls zugeführt wird, welcher von der Platte (L1, L2) mit verringerter Dauer und vergrößerter Amplitude reflektiert wird (F i g. 7).
9. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem mit der Eintrittsfläche (10a) gekoppelten Wandler (11) die elektrischen Empfangssignale eines Radars oder Sonars großer Reichweite zugeführt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 909 535/125
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