DE1548838C - Method for determining the spatial angular coordinates of an object in relation to the axis of a laser beam - Google Patents
Method for determining the spatial angular coordinates of an object in relation to the axis of a laser beamInfo
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Description
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Raumwinkelkoprdinaten eines Gegenstands auf ^e- Regung des Ultraschallelernents 18, und zwar zufolge sonders einfache Weise bestimmt werden können, einer einstellbaren Verzögerungsvorrichtung (nicftt ohne daß hierzu die Laufzeit des Laserstrahls zwit gezeigt). Ein Spiegel 22 ist dabei so schräg ängeprdschen dem Laser und dem betreffenden Gegenstand, net, daß bei einer gegebenen, zur Seibstfluoreszens berücksichtigt wercjen muß. 5 des B.uhinlaser$tabes 20 ausreichenden PumgrößeSolid angle co-ordinates of an object upon the excitation of the ultrasonic element 18, namely according to An adjustable delay device (nicftt without the transit time of the laser beam shown here). A mirror 22 is so obliquely angeprdschen the laser and the object in question, net that at a given one, to self-fluorescence must be taken into account. 5 of the B.uhinlaser $ tabes 20 sufficient pump size
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der der größere Teil der ypn den} betreffenden Rubirir Erfindung wire} der Laserstrahl in Impulsen ausr laserstab abgegebenen Strahlen abgelenkt wird als; zu gesandt, die mindestens so lang sind wie die Ah- diesem zurückkehrt. Auf diese Weise ist die A.bgabe lenkdauer des Laserstrahls vom Anfangspunkt zum von Laserstrahlen verhindert. Damit ist der optische Endpunkt und zurjick. Hierdurch können, wie noph io Rückkqppjungskreis des Rubinlaserstahs gesperrt. ersichtlich werden wird, in besonders einfacher Die Verzögerungszeitspanne ist dabei so gewählt, Weise die RaumwinkelkQordinaj:en eines Gegen- daß die Zeile bzw. das Ültraschallelement ί.8 mit stands bestimmt werden. Auftreten eines hohen Spannungsimpulses betätig^According to an expedient embodiment of the rubirir concerning the greater part of the ypn the} Invention wire} the laser beam is deflected in pulses from beams emitted by the laser rod as; to sent that are at least as long as the Ah-this returns. In this way the duty is Steering time of the laser beam from the starting point to the laser beams prevented. That’s the optical one End point and back. In this way, as noph io, the return circle of the ruby laser steel can be locked. becomes apparent, in a particularly simple The delay period is chosen so that Show the solid angle coordinates of a counterpart that the line or the ultrasonic element ί.8 with to be determined. If a high voltage pulse occurs, actuate ^
Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Aus- wird und eine Ultraschaliwelle chirch das in ihr vprgestaltung der Erfindung wird überdies — wje an 15 handene Medium zu einem Zeitpunkt hincjurchläijt, s.ich bekannt — der Zeitabsfand zwischen dem Ausr zu dem die Üherentwicklung von angeregten Atomen senden der Impulse und dem Eintreffen fier reflefe innerhalb des Laserstabes bzw.. Rubinlaserstabes, ein tieren Impulse gemessen. Hierdurch kann auf relativ Maximum erreicht jiat. Die Eigenstrahlung fies einfache Weise zusätzlich die Entfernung des bet Rubinlaserslabes 2Q gelangt durch die Zeile" bzw. treffenden Gegenstands von der Aufnahmestelle cj?r ?9 das yitraschailelement Iß zu dem Spiegel 22 ijjn, und reflektierten impulse bestimmt werden. wird durch die Ultraschallwelle beeinflußt und ab-According to yet another expedient embodiment, and an ultrasonic wave chirch that in her design the invention is also extended - for every 15 available medium at a point in time, As I know - the time lag between the equilibrium to which the overdevelopment of excited atoms send the impulses and the arrival of fier reflections within the laser rod or ruby laser rod animal impulses measured. As a result, it is possible to achieve a relatively maximum jiat. The natural radiation is nasty simply remove the bet ruby laser lab 2Q through the line "resp. hitting object from the receiving point cj? r? 9 the yitraschail element Iß to the mirror 22 ijjn, and reflected impulses can be determined. is influenced by the ultrasonic wave and
An Hand von Zeiphnupgen wird die Erfindung gelenkt. JDadurch tritt ein Zustand auf, hei dem die nachstehend näher erläuterf. Laserstrahlung rechtwinklig zu dem §piegej 22 ge-The invention is guided by means of Zeiphnupgen. JBecause of this, a state occurs which is called the explained in more detail below. Laser radiation at right angles to the mirror 22
F. i g. i zeigt schematisch eine gemäß der Erfindung rightet ist. Zu diesem Zeitpunkt setzt eine stajke arbeitende Anordnung; ?5 positive Rückkpppiung auf den Rubinjas,erstrahl ein,F. i g. i shows schematically a rightet according to the invention. At this point a stajke sets in working arrangement; ? 5 positive feedback on the Rubinjas, shine,
Fig. 2 zeigt schematisch den Verlauf pines jgi zufolge derer ein sehr starker- Strahlungsentladungs-Ilaum auftretenden Laserstrahls·, * stoß auf tritt. Dirrph periodischesErregein des UltrasFig. 2 shows schematically the course of pines jgi according to which a very strong radiation discharge ileum occurring laser beam ·, * impact occurs. Dirrph periodic excitement of the ultras
p i g. 3 zeigt scherrjatisch einen spiralig abgelenk- schajjelements 18 während der normalen Laserstrahl:: ten Laserstrahl; erzeugung kann sgrnit eine entsprechpnde ^nzahlp i g. 3 shows scherrjatically a spiral deflecting element 18 during the normal laser beam: th laser beam; generation can sgrnit a corresponding number
F i g. 4 zeig); den Verlauf pines Modulationssignais 3<? relativ starker Impulse erhalten werden,
und Y°,n Impulseri>
die von pinem Gegenstand reflek- Pas der Arbeitsweise der optischen Abtastvorrich-F i g. 4 show); the course of pines modulation signals 3 <? relatively strong impulses are received,
and Y °, n I m pul ser i> the reflection of pinem object Pas the operation of the optical scanning device
tiert sind., dessen I^aumwinkeikoprdinateii zu \>a- tung 12 zugrunde liegende grundsätzliche physjka-: stimmen sind. }isShe Prinzip beruht darauf, daß pin Lichtstrahl nachwhose I ^ aumwinkeikoprdinateii to \> a- tion 12 underlying fundamental physjka-: voices are. } i s she principle is based on the fact that pin light beam after
Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung zur Bestim- Durchlaufen eines Abschnitts mit normalem Delphi?'
mung der Raumwinkeikoqrdinaten eines Gegenstands 35 gradienten in Richtung der Lic^tfo.rtp^arizung ζμΐη
weist ajs Hauptbestandteile eipe ajs, taser zu bezeighT "' Abschnitt höherer Dichte hui gebündelt wird. tXurc}}
nende, Laserstrahlen erzeugende Anordnung Ii), eine Einführen einer stehenden "pltraschallwelle in ein
zweidimensipnale Abtastvprrichtung 12 für qptisphf brechendes Medium tritt somit ein zeitliph yeränderr
Strahlen, ein Laseraustasteleirjent 18, ein Spnde- ii?her- sinusförmiger pichtegradient axii, ζμίοίρρ desr
teleskop 14 μηιΐ ein Empfangstelps|iQp 16 rnit pinem -to sen ein Lichtstrahl abwechselnd auf jeclpr Seite d^rch
Lichiempfangseiement 30 auf. ^ei der betreffenden eine prupkkriotenfjl|c|ie hinciurcrigplängt.
Anordnung erfqigt die Ablenkung unii Abtastung Der impulsweise beeinflußte Lasprstrahl wir4The in F i g. 1 illustrated arrangement for determining traversal of a section with normal Delphi? ' Calculation of the solid angle coordinates of an object 35 gradients in the direction of the light distribution ζμΐη has ajs main components eipe ajs, taser to denote "'section of higher density hui is bundled standing "ultrasonic wave in a two-dimensional scanning device 12 for qptisphf refractive medium thus occurs a temporally changing rays, a laser switch 18, a Spnde- ii? her- sinusoidal pitch gradient axii, ζμίοίρρ of the telescope 14 μηιΐ a receiving station 16 rnit Light beam alternately on each side of the light receiving element 30. ^ ei the concerned one prupkkriotenfjl | c | ie hinciurcrigpletzt.
The arrangement accomplishes the deflection and scanning
eines Laserstrahls, bezogen auf die Achse eines qpti- dur-Gh eine die bereits erwähnte zw,eidimensionale Ab^ sehen §endeteleskpps, mittels yitraschajl, wodurch tastvqrric3fitung 12 darsteÜeniie yitr^schall-Abtastr ein durch das Telpskopbiickfelc} gegebener Teil des 45 zelle 12 hindürchgeleitet, in der pin zweidiniensiqnat Himmels periodisch angestrahlt wird. ler sgiraliger Abtaststrahl erzeugt wird, wie dies,of a laser beam, based on the axis of a qptidur-Gh, the already mentioned two-dimensional Ab ^ see §endeteleskpps, by means of yitraschajl, whereby tastvqrric3fitung 12 display yitr ^ sound scanner a part of the cell 12 given by the telescope's viewpoint is passed through, in the pin two-line siqnat Heaven is periodically illuminated. ler sgiraliger scanning beam is generated, as this,
Der Laser· IQ wird mit Hilfe giries eindimensiona.7 E i g. '2 erkennen liißt. In diesem Zusammenhang sei len Ultraschallelements 18 gesteuert, das durpt} eine bemerkt, daß zwei AhlenkzeÜen, nämlich pipe für die in einer Modulationsschaltung 29 erzeugte Schall- horizontale Richtung und eine für. dip vertikale Riplir welle geeigneter Frequenz erregt wird. Auf diese 50 tung, verwendet wprden kennen, daß es aber ^μρΐι Weise werden von dem Laser 10 in geeigneter Zeit- mgglich ist, nur eine einzige Zelle zu yerwenden, die folge und Dauer Impulse abgegeben. Das Ultra- einen zweidimensionalen Äb-tastsfra,hi liefen^. Werden schallelement bzw. yitraschallstpuerelement 18 .pe- füf die^ Abtastzelle 12 zwei Uitraschallzpllen Yprwpnfindet sich, in einem LaserrRückkqpplungshghjra^m det, so wird dure^ jede Zelle ein sinusförmig sich zwischen einem Laserstab 20, der beispielsweise ein 55 bewegender Lich.tfleck etzeugt. ^erden bieide Ζρίΐρη Rubiniaserstab sein kann, und einem eine Total- ' mit Signalen gleicher Frequenz, jedqch mit einer Ptiar reflexion bewirkenden Endspiegel 22. Obwohl vor- senverschiebung vqn 9,Q° zueinander angesteuert, so zugsweise ein Ultraschallelement verwendet wird, ergibt sich ein kreisförmig Yerlaufendpr Abtaststralil. können auch andere Vorrichtungen, wie pin Dreh- pieser Abtaststrahl kann durch entsprecheriäe Mq.dur spiegel pdpr eine KerrzeUe, in dem Lasp^r-Rück- 69 latipn ^uf einer spiräiigpn Βει^η gefi^hr^ werden; die kopplnngshqlilraum zur entsprechenden Steuerung Modulation erfolgf dabei in den Zellen $\ίϊφ die oder eine (^Schaltung ein.ges,efzt werden. Ein partiell SchaHwenen. In den betreffenden Zellpn erfolgt ein? reflektierender Hohiräurri-Endspiegei 24 schließt den Mpdulatiqri des Radms φ5 Ab.tasikreises mit piner Laserhohlraum ab. Ferner ist' noch" in bekannter Frequenz, die'niedrigeT ist als die Ültrasehallfreq^enz. Weise pine Purnplichtqpelle 26 mit zugehöriger §5 p^durct( erhält man eine zweidimensipnale Hüll-Speispqueiie 27 vorgesehen. "" kurvet Der Block 29 stellt in diesem Zus.anunpnhangThe Laser · IQ is one-dimensional with the help of giries. 7 E i g. '2 shows. In this context, let the ultrasonic element 18 be controlled, one remarked that two AhlenkzeÜen, namely pipe for the sound horizontal direction generated in a modulation circuit 29 and one for. dip vertical ripple wave of suitable frequency is excited. In this 50 direction, we would know that it is possible in a suitable time to use only a single cell, the sequence and duration of which pulses are emitted by the laser 10. The ultra-a two-dimensional Ab-tastsfra, hi ran ^. If the sonic element or sonic control element 18 is used for the scanning cell 12, two ultrasonic cells are found in a laser feedback frame, so each cell becomes a sinusoidal shape between a laser rod 20 which, for example, generates a moving light spot. ^ earth both Ζρίΐρη can be ruby rod, and a total 'with signals of the same frequency, but with a Ptiar reflection causing end mirror 22 circular Yerlaufendpr scanning stralil. Other devices can also be used, such as pin rotary pieser scanning beam can be guided by a corresponding Mq.dur mirror pdpr a KerrzeUe, in the laser back latipn ^ on a spiral; The coupling space for the corresponding control modulation takes place in the cells $ \ ίϊφ which or a (^ circuit is included. A partial switch .tasikreises with a pin laser cavity. Furthermore, "is still" in a known frequency, the "lower" is than the ultrasound hall frequency. kurvet Block 29 is an annex in this connection
Das Pumpen des Rubinlaserstabes 20 erfolgt mit- eine entsprephende Modulatipnsschaltung dar, und tels der Pumplictjtquelle 26/ zunächst vor der Er- der Blp.ck: 31 steUt einp Speisequelle dar.The pumping of the ruby laser rod 20 takes place with a corresponding modulation circuit, and by means of the pumping power source 26 / initially in front of the earth the block: 31 represents a supply source.
5 65 6
Der spiralig verlaufende Laserstrahl wird über ein halb reicht eine mechanische Teleskopbewegung aus,The spiral laser beam is more than half a mechanical telescopic movement,
durch eine Linse 17 verkörpertes optisches Ubertra- um das betreffende Zielobjekt bzw. Ziel innerhalb desOptical transmission embodied by a lens 17 shows the relevant target object or target within the
gungssystem durch das Sendeteleskop 14 abgestrahlt. Teleskopblickfeldes zu halten. Der die Teleskopbewe-transmission system emitted through the transmission telescope 14. To keep the telescopic field of view. The telescopic movement
Hierdurch wird ein durch das Fernrohrblickfeld ge- gung ausführende Mechanismus ist als Block 36 dar-As a result, a mechanism executing movement through the telescope field of view is shown as block 36.
gebener Teil des Himmels angestrahlt. Von einem 5 gestellt; er bewegt beide Teleskope synchron in Ab-a given part of the sky illuminated. Asked by a 5; he moves both telescopes synchronously
innerhalb des Fernrohrblickfeldes befindlichen, nach- hängigkeit von Nachlaufsteuersignalen, um dadurchlocated within the telescope field of view, dependence on tracking control signals in order to thereby
stehend auch als Ziel bzw. Objekt bzw. Zielobjekt be- die betreffenden Teleskope jeweils auf das in Fragestanding also as a target or object or target object, the telescopes in question are each related to the one in question
zeichneten Gegenstand, wie einem Satelliten, wird ein kommende Ziel auszurichten.drawn object, such as a satellite, will aim an upcoming target.
Lichtsignal reflektiert, das mit Hilfe des Empfangs- In F i g. 2 ist das im Raum unter einem festen Winteleskops 16 aufgenommen und dem durch einen io kel auftretende Laserabtastmuster dargestellt; der be-Photodetektor gebildeten Lichtempfangselement 30 treffende Winkel ist durch die Punkte 1 bis 4 bezugeführt wird. Die von dem Photodetektor 30 abge- stimmt, welche die Größe des Teleskopblickfeldes angebenen Ausgangsimpulse können dann einer Katho- geben. In F i g. 3 ist der Verlauf einer Laserstrahldenstrahlröhre 32 zur Sichtanzeige zugeführt werden, Abtastspur gezeigt, wobei zur Vereinfachung der Dar- und außerdem können sie einer elektrischen Zeit- 15 stellung der Abstand zwischen den Abtastlinien überschaltung 35 und einer Rechenanlage 34 zugeführt trieben weit gewählt ist und der Laserstrahl als eine werden. In diesen Vorrichtungen wird dann die Zeit- einzige Linie an Stelle einer solchen mit bestimmter spanne zwischen den betreffenden Impulsen gemes- Breite dargestellt ist, wie dies in einem tatsächlich sen, und ferner wird die Größe des Raumwinkels des ausgeführten System zur Erzielung einer vollständigen betreffenden Gegenstands bzw. Ziels, bezogen auf die 20 Blickfeldbeleuchtung während einer Abtastzeitspanne Achse des Sendeteleskops und damit bezogen auf die der Fall ist. Die in F i g. 3 dargestellte Laserstrahl-Achse des ausgesendeten Laserstrahls, berechnet, wie Abtastspur läuft darüber hinaus nur von innen nach dies nachstehend näher beschrieben werden wird. außen, nicht aber auch von außen nach innen, wie Nach Auslösen des Lasers durch die Triggerschaltung dies beim tatsächlichen Betrieb der Fall ist. Eine Ab-33 nimmt die Rechenanlage 34 einen Impuls von der 25 tastspur mit kreisförmigem Verlauf wird dadurch er-Modulationsschaltung 29 auf und erhält damit eine zeugt, daß der Laserstrahl durch die zweidimensionale den Zeitpunkt Null festlegende Bezeichnung sowie Abtastvorrichtung 12 oder durch zwei eindimensioeine Bezugsgröße zur Zeitmessung durch Empfang nale Ultraschall-Abtastvorrichtungen hindurchgeleitet von von dem entsprechenden Ziel bzw. Gegenstand wird. In jedem Falle werden zwei Ultraschall-Stehreflektierten Impulsen. 30 wellen erzeugt, die bei gleicher Frequenz fs um 90°Light signal is reflected, which with the help of the receiving In F i g. 2 is taken in space under a fixed winter telescope 16 and shown the laser scanning pattern occurring through an io kel; the be-photodetector formed light receiving element 30 meeting angle is referred to by points 1 to 4. The output pulses, which are matched by the photodetector 30 and which indicate the size of the telescope field of view, can then give a cathode. In Fig. 3 the course of a laser beam tube 32 is fed to the visual display, the scanning track is shown, whereby to simplify the display and in addition, the distance between the scanning line switching 35 and a computer system 34 can be fed to an electrical time setting, the distance between the scanning lines 35 and a computer system 34 is selected wide and the laser beam be as one. In these devices the time line is then shown instead of a line with a specific span between the relevant pulses measured width, as in an actual sensor, and furthermore the size of the solid angle of the implemented system to achieve a complete relevant object or target, based on the 20 field of view illumination during a scanning period of the axis of the transmitting telescope and thus based on which is the case. The in F i g. 3 illustrated laser beam axis of the emitted laser beam, calculated how the scanning track also runs only from the inside to this will be described in more detail below. outside, but not from the outside to the inside, as is the case with actual operation after the laser has been triggered by the trigger circuit. An Ab-33, the computer system 34 receives a pulse from the circular trajectory, through which it is modulation circuit 29 and thus receives a testimony to the fact that the laser beam is represented by the two-dimensional designation defining the time zero as well as the scanning device 12 or by two one-dimensional reference values Time measurement by receiving nale ultrasonic scanning devices is passed by from the corresponding target or object. In each case there are two ultrasound non-reflecting pulses. 30 waves generated at the same frequency f s by 90 °
Die Ultraschall-Abtastvorrichtung 12, in der eine zueinander phasenverschoben sind. Wie vorstehend
Modulation in zwei Richtungen erfolgt, muß mit Si- ausgeführt, erfolgt die betreffende Abtastung aufeingnalen
hinreichend hoher Amplitude angesteuert anderfolgend, wodurch eine nach innen und eine nach
werden, damit innerhalb der Begrenzungen des TeIe- außen verlaufende Spirale durch Amplitudenmoduskopblickfeldes
erforderliche Feldabdeckungen erzielt 35 lation des Schalldruckes in beiden Wellen mit einer
werden. Der Verlauf des spiraligen Abtaststrahls er- niedrigeren Frequenz fm erzeugt wird. Demgemäß
folgt dabei vom Mittelpunkt aus nach außen hin und kann jeder Punkt in der Spirale eindeutig ausgedrückt
dann umgekehrt zum Mittelpunkt zurück. Der Laser werden, und zwar 1. durch die Zeitspanne vom Zeit-10
wird dann gepumpt und gesteuert, um einen ein- punkt Null der Amplitude in dem Modulationszyklus,
zigen Impuls konstanter Intensität von solcher Dauer 40 2. durch die beiden Frequenzen, nämlich durch die
abzugeben, die gleich oder ein wenig langer ist als Abtastfrequenz und durch die Modulationsfrequenz,
die Dauer eines Zyklus der Strahlabtast-Modulations- und 3. durch den maximalen Ablenkwinkel,
frequenz. Die Synchronisierung der Impulsauslösung Dies erfolgt zweckmäßigerweise dadurch, daß jeder
bei der Nullablenkposition des Strahlabtast-Modula- Punkt auf der nach außen laufenden Spirale durch R
tionszyklus erfolgt durch eine in der Modulations- 45 (Teleskop-Achsenentfernungswinkel) und Θ (Azimutschaltung
29 enthaltene Synchronisierschaltung, und Position) bestimmt wird, wie dies in F i g. 3 dargezwar
derart, daß der Laserstrahl spiralig nach außen stellt ist und wie dies nachstehend mathematisch ausverläuft
und während der Abtastzeitspanne wieder gedrückt ist:
nach innen zurückkehrt. Befindet sich das Ziel bzw. R = 2f tR
der Gegenstand innerhalb des Blickfeldes des Sende- 50 UQ(j m °
teleskops, so trifft der ausgesandte Laserstrahl auf das Θ = 2 π f
betreffende Ziel zweimal auf, nämlich einmal wäh- si'
rend des spiraligen Nachaußenlaufens und einmal Die in den vorstehenden Gleichungen enthaltenen
während des spiraligen Nachinnenlaufens. Durch einzelnen Zeichen besitzen folgende Bedeutung:
Empfang der beiden reflektierten Signale bzw. Im- 55 „ , , .,, , . , , , ,
pulse und Messung der Zeitspanne zwischen diesen Ro = dem maximalen Ablenkwinkel entsprechender
beiden Signalen bzw. Impulsen ist die Azimut- und Radialwinkel,
Radial-Position des betreffenden Zieles, das sind die fm = Modulationsfrequenz
Raumwinkelkoordinaten, bezogen auf die Achse des (typischer Wert 1000 Hz),
Teleskops und damit bezogen auf die Achse des aus- 60 /s = Abtastfrequenz (typischer Wert 100 kHz),
gesandten Laserstrahls, unabhängig von der Entfer- t = Zeitspanne von R = 0 (Null-Amplitudennung
eindeutig bestimmt. Durch Messung der Zeit- position im Modulationszyklus) zur Radialspanne
vom Zeitpunkt Null bis zum Empfang der bei- position des Zieles,
den Signale bzw. Impulse läßt sich ein die EntfernungThe ultrasonic scanning device 12 in which one are out of phase with each other. As above, modulation takes place in two directions, must be carried out with Si, the scanning in question takes place on inputs of sufficiently high amplitude controlled in succession, whereby one inward and one inward are achieved so that the required field coverages are achieved within the boundaries of the part by means of the amplitude mode head field of view 35 lation of the sound pressure in both waves with one. The course of the spiral scanning beam is generated at a lower frequency f m. Accordingly, it follows from the center outwards and each point in the spiral can then, unambiguously expressed, reverse back to the center. The laser is, namely 1. through the period of time-10 is then pumped and controlled to a one-point zero of the amplitude in the modulation cycle, umpteen pulse of constant intensity of such duration 40 2. through the two frequencies, namely through to emit that which is equal to or a little longer than the scanning frequency and by the modulation frequency, the duration of one cycle of the beam scanning modulation and 3. by the maximum deflection angle,
frequency. The synchronization of the firing This is expediently carried out in that each at Nullablenkposition the beam scanning modulation point on the current outward spiral by R tion cycle is performed by one in the modulation (telescopic axle distance angle) and synchronizing contained Θ (azimuth circuit 29 45, and position) is determined as shown in FIG. 3 is shown in such a way that the laser beam is spiraling outwards and as this works out mathematically below and is pressed again during the scanning period:
returns inside. Is the target or R = 2f tR
the object within the field of view of the transmitting 50 UQ ( j m °
telescope, the emitted laser beam hits the Θ = 2 π f
objective in question on two occasions, once currency si '
rend of spiraling outward and once those contained in the equations above during spiraling inward. Individual characters have the following meaning:
Reception of the two reflected signals or Im- 55 ",,. ,,,. ,,,,
pulse and measurement of the time between these R o = the maximum deflection angle of the two signals or pulses corresponding to the azimuth and radial angle,
Radial position of the target in question, these are the fm = modulation frequency
Solid angle coordinates, based on the axis of the (typical value 1000 Hz),
Telescope and thus related to the axis of the out- 60 / s = sampling frequency (typical value 100 kHz),
transmitted laser beam, regardless of the distance t = time span from R = 0 (zero amplitude clearly determined. By measuring the time position in the modulation cycle) to the radial span from time zero to receipt of the target's position,
the signals or impulses indicate the distance
des Zieles von der beschriebenen Meßanordnung an- 65 Diese Beziehungen sind in F i g. 4 dargestellt, in der65 These relationships are shown in FIG. 4 shown in the
gebendes Signal gewinnen. der Verlauf des Modulationsfrequenzsignals und vonwin the signal. the course of the modulation frequency signal and of
Die Information kann dabei so oft korrigiert wer- Impulsen gezeigt ist, die von einem unter der inThe information can be corrected as often as the impulses shown by one of the in
den, wie der Laser impulsweise betrieben wird. Des- Fig. 3 angegebenen Position befindlichen Ziel emp-how the laser is operated in pulses. The target located in the position indicated in FIG.
fangen worden sind. In der Zielposition B trifft der ausgesandte Laserstrahl auf das in Frage kommende Ziel bzw. Objekt zweimal auf, da er spiralig nach außen und nach innen verläuft. Dadurch wird eine Empfangs-Signalspur erzeugt, wie sie in F i g. 4 dargestellt ist.have been caught. In the target position B , the emitted laser beam strikes the target or object in question twice, since it spirals outwards and inwards. As a result, a received signal trace is generated as shown in FIG. 4 is shown.
Sind die Modulationsfrequenz fm und die Zeitspanne Δ t (Zeitspanne zwischen den empfangenen Impulsen) bei dem empfangenen Signal bekannt, so kann der Wert für t aus der nachstehenden Beziehung berechnet werden:If the modulation frequency f m and the time span Δ t (time span between the received pulses) are known for the received signal, the value for t can be calculated from the following relationship:
und dementsprechend können R und Θ wie folgt ausgedrückt werden:and accordingly, R and Θ can be expressed as follows:
= R0(I-fmAt)= R 0 (If m At)
Zur Bestimmung von R und Θ ist es somit lediglich erforderlich, Δ t zu messen; diese Größe ist von der Entfernung des Zieles bzw. Objekts von der betrachteten Meßanordnung unabhängig.To determine R and Θ it is only necessary to measure Δ t; this variable is independent of the distance of the target or object from the measuring arrangement under consideration.
Da es nur eine Zeitdifferenzmessung zwischen den empfangenen Impulsen ist, ist darüber hinaus eine hohe Bildgüte besitzende Optik nicht erforderlich. Dadurch ist die Anwendung eines Sammelsystems mit großer Blendenöffnung möglich, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Erkennung eines Zieles bzw. Objekts erhöht ist und/oder die einen Betrieb der betrachteten Anordnung noch zulassende Entfernung vergrößert ist. Die Ultraschall-Abtastvorrichtung 12Furthermore, since it is only a time difference measurement between the received pulses, it is one Optics with high image quality are not required. This allows the use of a collection system with large aperture possible, increasing the likelihood of recognizing a target or object is increased and / or the distance still permitting operation of the arrangement under consideration is enlarged. The ultrasonic scanning device 12
ίο kann während des Betriebs kontinuierlich arbeiten, wobei der im Impulsbetrieb arbeitende Laser 10 zur Winkelmessung synchron mit der Nullpunkt-Amplitude auf der Modulationshüllkurve arbeitet. Wie oben ausgeführt, kann zusätzlich zur Messung der Zeitspanne zwischen Abgabe eines Laserstrahls und Empfang der beiden Impulse von dem in Frage kommenden Ziel bzw. Gegenstand eine Entfernungsmessung erfolgen. Bei einer solchen Verfahrensweise ist es dann erforderlich, die Gesamtzeit zwischen Aus-ίο can work continuously during operation, the laser 10 operating in pulse mode for angle measurement synchronously with the zero point amplitude works on the modulation envelope. As stated above, in addition to measurement the length of time between emission of a laser beam and reception of the two pulses from the one in question A distance measurement is carried out on the coming target or object. In such a procedure it is then necessary to calculate the total time between
ao lösung des Laserimpulses und Empfang des ersten reflektierten Impulses in dem Photodetektor 30 zu messen und von dieser Größe die Zeitspanne t abzuziehen, die die Zeitspanne von der Nullpunkt-Amplitude der spiraiigen Abtastbahn aus darstellt. Diese Beziehung kann wie folgt geschrieben werden:To measure ao solution of the laser pulse and reception of the first reflected pulse in the photodetector 30 and subtract the time period t from this size, which represents the time period from the zero point amplitude of the spiral scanning path. This relationship can be written as follows:
_ „ Geschwindigkeit des Lichtes .__ "Speed of light ._
Entfernung = Ξ (Gesamtzeit — /).Distance = Ξ (total time - /).
Bei der Berechnung der Zeitspanne t in den oben angegebenen mathematischen Ausdrücken ist angenommen, daß das Ziel feststeht. Eine Zielbewegung innerhalb des Zeitintervalls zwischen dem Nachaußenlaüfen und dem Nachinnenlaufen der Laserstrahl-Spirale muß im Hinblick auf die Genauigkeit der Messung berücksichtigt werden. Die Änderung der Zeitspanne Δ t, die bei der Beobachtung eines sich bewegenden Zielobjekts im Vergleich zu einem feststehenden Zielobjekt erwartet wird, hängt von der Geschwindigkeit des betreffenden Zielobjekts, von der Entfernung und von der Systemmodulätiörisfrequenz ab.In calculating the time t in the above mathematical expressions, it is assumed that the destination is fixed. A target movement within the time interval between the outward run and the inward run of the laser beam spiral must be taken into account with regard to the accuracy of the measurement. The change in the period of time Δt which is expected when observing a moving target object in comparison with a stationary target object depends on the speed of the target object in question, on the distance and on the system modulus frequency.
Da eine vollständige Teleskopfeldbeleuchtung gefordert wird, hängt die Systemmodulationsfrequenz von der gewählten Abtastfrequenz, von der Laserstrahlstreuung und von der Anzahl der innerhalb des Teleskopblickfeldes geforderten auflösbaren Elemente ab. Unter der Annahme, daß eine Laserstrahlstreuung von beispielsweise 90 Sekunden auftritt, eine 5: 1-Verkleinerungsoptik und ein 30-Minuten-Teleskopblickfeld verwendet werden, ließe sich eine vollständige Beleuchtungsabdeckung mit 50 kreisförmigen Abtastungen erzielen (30 Minuten/18 Sekunden = Einheiten = 50 Kreise); daher braucht die Modulationsfrequenz nicht höher als V100 der Abtastfrequenz zu sein, wenn eine vollständige Feldbeleuchtung ohne Überlappung erfolgen soll. Dies heißt, daß bei einer Abtastfrequenz von 50OkHz die Modulationsfrequenz 5 kHz oder weniger betragen sollte.Since a complete telescope field illumination is required, the system modulation frequency depends on the selected scanning frequency, on the laser beam scattering and on the number of resolvable elements required within the telescope field of view. Assuming that laser beam scattering occurs for, say, 90 seconds, 5: 1 reduction optics and a 30 minute telescopic field of view are used, complete illumination coverage could be achieved with 50 circular scans (30 minutes / 18 seconds = units = 50 circles ); therefore the modulation frequency does not need to be higher than V 100 of the sampling frequency if complete field illumination is to take place without overlap. That is, if the sampling frequency is 50OkHz, the modulation frequency should be 5kHz or less.
Es ist möglich, die zufolge einer Bewegung eines Zielobjekts sich ergebenden Auswirkungen auf die Systemgenauigkeit durch Annahme einer Geschwindigkeit und einer Entfernung zu berechnen. Unter der Annahme, daß sich ein Zielobjekt mit einer Geschwindigkeit von 24 150 km/Std. bei einer Entfernung von 1500 km bewegt, läßt sich zeigen, daß die Dauer einer Zeitsekunde einem Kreisbogenwinkel von etwa 0,264° entspricht. Unter der Annahme, daß sich das betreffende Objekt auf einer Achse befindet, die, bezogen auf ein feststehendes Zielobjekt, den größten Fehler in At zur Folge hätte, würde bei einem Ausgangsimpuls mit einer Modulationsfrequenz von 5 kHz das Zielobjekt sich etwa 0,2 Bogensekunden vor Rückkehr der Modulationsabtastspur in die Axialposition bewegt haben. Daher würde der zweite von dem betreffenden Zielobjekt reflektierte empfangene Impuls zu einem früheren Zeitpunkt auftreten, und zwar in der Größenordnung von 20 Nanosekunden, und zwar unabhängig von der Bewegungsrichtung, als bei Annahme eines feststehenden Zielobjekts zu erwarten wäre. Wird auf der anderen Seite das Zielobjekt von der Achse verschoben, so ist die Zielbewegung zwischen der durch die nach außen laufende Spirale und die nach innen laufende Spirale erfolgenden Beleuchtung geringer als im Falle der Einstellung auf der Achse, weshalb eine Änderung von Δ t, bezogen auf ein angenommenes feststehendes Zielobjekt, geringer wäre; der zweite reflektierte Impuls würde jedoch zu einem früheren oder zu einem späteren Zeitpunkt auftreten, was von der Bewegungsrichtung des betreffenden Zielobjekts abhängt. In jedem Falle ist die Winkelverschiebung eines sich bewegenden Zielobjekts geringer als das Systemauflösevermögen.It is possible to calculate the effects on the system accuracy resulting from a movement of a target object by assuming a speed and a distance. Assuming that a target object is moving at a speed of 150 mph. moved at a distance of 1500 km, it can be shown that the duration of one time second corresponds to an arc angle of about 0.264 °. Assuming that the object in question is located on an axis that would result in the greatest error in At with respect to a stationary target object, with an output pulse with a modulation frequency of 5 kHz the target object would be about 0.2 arc seconds ahead Return of the modulation scan to the axial position. Therefore, the second received pulse reflected from the target object in question would occur earlier, on the order of 20 nanoseconds, regardless of the direction of movement, than would be expected if a stationary target object were assumed. On the other hand, if the target object is shifted off the axis, the target movement between the illumination provided by the outward spiral and the inward spiral is less than in the case of the on-axis setting, and therefore a change in Δ t is related on an assumed fixed target object, would be less; however, the second reflected pulse would occur at an earlier or later point in time, depending on the direction of movement of the target object in question. In either case, the angular displacement of a moving target is less than the system resolution.
An Stelle eines impulsbetriebenen Lasers kann auchInstead of a pulsed laser can also
ein im Dauerbetrieb arbeitender Laser verwendet werden. In diesem Fall ist es dann erforderlich, die Doppeldeutigkeit in den aufeinanderfolgend empfangenen Impulsen durch eine zusätzliche Schaltung zu kompensieren und damit die empfangene Impulsfolge zu bestimmen. So kann beispielsweise zu Beginn jedes Strahlmodulationszyklus eine Bezugsmarke erzeugt werden, oder es können die zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen liegenden Zeitintervalle dazu benutzt werden, die Zweideutigkeit zu eliminieren. Derartige Methoden sind für sich bereits bekannt.a continuous laser can be used. In this case it is then necessary to use the Ambiguity in the successively received pulses due to an additional circuit compensate and thus determine the received pulse train. For example, every Beam modulation cycle a reference mark can be generated, or it can be between successive Time intervals lying in pulses are used to eliminate the ambiguity. Such Methods are already known in themselves.
209 548/105209 548/105
Durch Verwendung der ein optisches Übertragungssystem darstellenden Linse 17 in der Art, daß das Teleskopwinkelblickfeld dem Schallzellenwinkel entspricht, würde sich die absolute Systemauflösung im Verhältnis zu dem erzielten Ablenkwinkel erhöhen. Würde sich beispielsweise der Schallzellenablenkwinkel von 1 auf 5° erhöhen, so würde der kleinste Auflösungswinkel um einen Faktor 5 herabgesetzt werden. Dies heißt, daß bei einer 1 °-Schallzelle und einem 30-Minuten-Teleskopblickfeld jeder Minute des Schallzellenwinkels 30 Sekunden des tatsächlichen Blickfeldes entsprechen würden, während bei einer 5°-Schallzelle jeder Minute 6 Sekunden des tatsächlichen Blickfeldes entsprechen würden. Beträgt der Schallzellenablenkwinkel eine halbe Minute, so würde demgemäß die Winkelposition des nach außen laufenden Laserstrahls 3 Bogensekunden betragen.By using the lens 17 constituting an optical transmission system in the manner that the telescope angle field of view corresponds to the sound cell angle, the absolute system resolution would change increase in proportion to the deflection angle achieved. For example, the sound cell deflection angle would be increase from 1 to 5 °, the smallest angle of resolution would be reduced by a factor of 5. This means that with a 1 ° sound cell and a 30-minute telescope field of view every minute of the sound cell angle would correspond to 30 seconds of the actual field of view, while with a 5 ° sound cell would correspond to 6 seconds of the actual field of view every minute. Is the Sonic cell deflection half a minute, so would be the angular position of the outward running Laser beam is 3 arc seconds.
Das Auflösungsvermögen wird ferner dadurch vergrößert, daß zur Winkelmessung eine Zeitmessung angewandt wird, die eine der von Natur aus genauesten Messungen darstellt.The resolving power is further increased in that a time measurement is used to measure the angle which is one of the most inherently accurate measurements.
Im übrigen wird durch die beschriebene Anordnung ein größeres Auswertevermögen erzielt, welches auf entsprechende Signal-Störpegel-Verhältnisse beruht. Wird der Laserimpuls zerstreut und nicht konzentriert, und erfolgt bei der Abtastung eine Überdeckung des Teleskopblickfeldes, so wird das empfangene Signal von gleicher Dauer sein wie der ausgesandte Impuls. Dies ermöglicht eine bessere Auswertung unter Anwendung von Integrationsverfahren. Die der Dauer der Abtastung des jeweiligen Zielobjekis entsprechenden, in der Dauer viel kürzeren Impulse, die von der hier beschriebenen Abtastanordnung empfangen werden, weisen jedoch auf Grund der höheren Energiedichte des Laserstrahls eine viel höhere Amplitude auf.In addition, a greater evaluation capability is achieved by the arrangement described, which is based on corresponding signal-to-noise level ratios. If the laser pulse is scattered and not concentrated, and if the telescope field of view is covered during scanning, the received Signal of the same duration as the transmitted pulse. This enables a better evaluation using integration procedures. The duration of the scanning of the respective target object corresponding pulses, which are much shorter in duration, from the scanning arrangement described here are received, but have a lot due to the higher energy density of the laser beam higher amplitude.
Im Hinblick auf das zur Signal- bzw. Impulsaufnahme dienende Teleskop sei bemerkt, daß dieses Teleskop bei Verwendung von Strahlablenkoptiken in dem Sendeteleskop weggelassen werden kann. Ferner braucht der Laserstrahl nicht durch ein Teleskop hindurchgeleitet zu werden, sondern er kann die jeweilige Zielobjektfläche auch ohne ein solches Teleskop abtasten. In diesem Fall ist dann auch das Sendeteleskop entbehrlich. Das Blickfeld würde bei Wegfall des Sendeteleskops zwar verändert werden; bei dieser Modifikation ist dann jedoch ein Empfangsteleskop erforderlich. In entsprechender Weise wäre es möglich, die beschriebene Anordnung auch derart abzuändern, daß durch Verwendung eines durch ein Achsenverschiebesignal gebildeten Fehlersignals eine Strahlsteuerung erfolgt, und zwar in Verbindung mit der Synchronisier- und Modulationsschaltung 29. Auf diese Weise wird der betreffende Laserstrahl zurückgeleitet, so daß der gesamte ausgesendete Laserstrahlimpuls auf das in Frage kommende Zielobjekt auftrügt. Eine derartige Verfahrensweise ist für Nachrichtenverbindungen über Satelliten von großem Wert. Bei Ausführung der Strahlsteuerung gibt der gesteuerte Laser 10 einen Impulszug ab, dessen Frequenz der Frequenz der Steuersignale der eindimensionalen Ultraschallzelle bzw. des Laseraustastelements 18 entspricht, beispielsweise 100 kHz, und zwar für eine der Laserpumpdauer entsprechende Zeitspanne von z. B. 2 ms. Die zweidimensionale Abtastvorrichtung 12 wird ferner bei konstantem Schallleistungspegel mit eine Frequenz von 100 kHz besitzendem Signal angesteuert, wobei sich eine kreisförmige Abtastung ergibt und der Ablenkwinkel des Laserstrahls dem Winkel zwischen der Achse des Teleskops 14 und der des Zielobjekts entspricht. Demgemäß wird das Zielobjekt bei jeder kreisförmigen Abtastung bei zum geeigneten Zeitpunkt impulsweise betriebenem Laser zwecks Beleuchtung des Zielobjekts aufgeteilt. Das Laseraustastelement 18 und die Ultraschallabtastzelle sind synchronisiert, um zu gewährleisten, daß die jeweils für eine kreisförmige Abtastung dienenden gesteuerten Laserimpulse unter einem geeigneten Abtast-Azimutwinkel abgegeben werden.With regard to the telescope used for signal or pulse pick-up, it should be noted that this Telescope can be omitted when using beam deflection optics in the transmitting telescope. Further the laser beam does not need to be passed through a telescope, but can do the respective Scan the target object surface even without such a telescope. In this case, the transmitting telescope is also dispensable. The field of view would be changed if the transmitting telescope were omitted; at this Modification is then required, however, a receiving telescope. In a corresponding way it would be possible to modify the described arrangement in such a way that by using an axis shift signal Formed error signal a beam control takes place, in connection with the synchronization and modulation circuit 29. In this way the laser beam in question is returned, so that the entire emitted laser beam pulse is applied to the target object in question. Such a practice is of great value for satellite communications. When the beam control is carried out, the controlled laser 10 emits a train of pulses, the frequency of which the frequency of the control signals of the one-dimensional ultrasonic cell or the laser blanking element 18 corresponds to, for example 100 kHz, specifically for one corresponding to the laser pumping duration Period of z. B. 2 ms. The two-dimensional scanning device 12 is also operated at a constant sound power level driven with a frequency of 100 kHz possessing signal, whereby a circular Scanning results and the deflection angle of the laser beam is the angle between the axis of the Telescope 14 and that of the target object. Accordingly, the target object becomes circular at each Scanning with the laser operated in pulses at the appropriate time for the purpose of illuminating the Target object divided. The laser blanking element 18 and the ultrasonic scanning cell are synchronized to to ensure that the controlled laser pulses each serving for a circular scan are below a suitable scanning azimuth angle.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (5)
einem konisch ausgebildeten Block angebracht, daß Es ist schließlich auch schon eine Abtastvorrichsich zwei abwechselnd auftretende, in einem be- tung bekannt (USA.-Patentschrift 2 855 521), bei stimmten Bereich überlappende Strahlungskeulen er- der eine spiralige Abtastung eines abzutastenden geben. In welcher Weise mit einer derartigen Ziel- 50 Feldes von innen nach außen und zurück erfolgt. Verfolgungsanordnung die Raumwinkelkoordinaten Über die Verwendung eines Laserstrahls zur Beeines Gegenstands in bezug auf die Achse des Stimmung der Raumwinkelkoordinaten eines GeLaserstrahls bestimmt werden können, ist in diesem genstands in bezug auf die Achse des Laserstrahls Zusammenhang nicht näher bekannt. (IBM Techni- ist jedoch auch in diesem Zusammenhang nichts becal Disclosure Bulletin, Vol. 6, No. It is also known that laser devices can be used for target tracking. About the determination to use rays that are emitted by two injection lasers of solid angle coordinates of the target with respect to opposite conductivity types, but the light emanating from the target is also the. The two injection lasers are not known in this context,
A conically shaped block is attached that finally there is already a scanning device with two alternately occurring radiation lobes, known in one application (US Pat. No. 2,855,521), with a certain area overlapping radiation lobes which give a spiral scanning of one to be scanned. In what way is done with such a target 50 field from the inside to the outside and back. Tracking arrangement, the solid angle coordinates of the spatial angle coordinates of a laser beam can be determined via the use of a laser beam to affect the object in relation to the axis of the mood, is not known in this object in relation to the axis of the laser beam context. (However, IBM Techni- is nothing in this context either becal Disclosure Bulletin, Vol. 6, No.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US48658465A | 1965-08-13 | 1965-08-13 | |
US48658465 | 1965-08-13 | ||
DEU0013000 | 1966-08-13 |
Publications (3)
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---|---|
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