DE2008256A1

DE2008256A1 - Laser Entfernungsmeßsystem mit Impuls kompression und Einrichtung zur Erzeugung op tischer Impulse mit doppelter Chirp Modulation

Info

Publication number: DE2008256A1
Application number: DE19702008256
Authority: DE
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-11-19
Filing date: 1970-02-23
Publication date: 1971-09-16
Also published as: DE2008256C3; FR2080280A5; GB1249843A; DE2008256B2; US3549256A

Description

14 - Pat. 4ü

München, den 19··Februar 1970

United Aircraft Corporation, 400 Main Street, East Hartford, Connecticut, Vereinigte Staaten von Amerika

Laser-Entfernungsmeßsystem mit Impulskompression und Einrichtung zur Erzeugung optischer Impulse mit doppelter Chirp-Modulation. ' · I

Die Erfindung betrifft Laser-Radar-Entfernungsmeßsysteme zur -Bestimmung des AbStandes eines Zielobjektes und insbesondere ein optisches Entfernungsmeßsystem, bei welchem ein Laser-Impuls auf ein Zielobjekt hin ausgestrahlt wird. Die Erfindung umfaßt auch die Erzeugung eines Laser-Impulses mit doppelter Chirp-Modulation, nämlich eines Impulses, welcher sowohl einen linearen negativen Frequenzhub als auch einen linearen positiven Frequenzhub enthält. ·

Sehr kurze optische Impulse können durch die gegenwärtig bekannten Güteschaltungen und Sperrschaltungen erzeugt werden. Für die Verwendung in optischen Radarsystemen wird jedoch frei solch kurzen Impulsen nur eine außerordentlich geringe Energiemenge bereitgestellt, selbst wenn die Impulse durch Verstärkungssysteme mit dem höchsten, gegenwärtig zur Verfugung stehenden Verstärkungsgrad geleitet werden. Die Bauteile werden beschädigt oder zerstört, wenn

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man versucht, Impulse mit höheren Impulsleistungen zu verwenden.

Innerhalb eines Imtsuises lässt sich beträchtlich menr Energie auf das Zielobjekt übertragen, wenn man eine bedeutend längere Impulsdauer von beispielsweise einigen Mikrosekunden bei der Sendung vorsieht und dann am Echoimpuls eine Impulskompression vornimmt, um die Entfernung sauf Io sun,.»; eines bedeutend kürzeren Impulses von einigen wenigen rianosekunden Dauer zu erhalten. Diese Srhöhung der Energie würde auch zu einer starken Erhöhung des bignal/ttauehh-Verhaltnisses des Empfangsimpulses um einen Faktor funrea, der dem Kompre ssionsvernältnis des Systems gleich ist. l<apulskornpressionssysteme sind auf dem Gebiete des Γ/iikrowellenradares bekannt, doch stehen solche Systeme gegenwärtig nicnt i'or die hohen Irequenzen optischer Impulse zur Verfügung. Optische Radarsysteme haben aber wegen der großen bandbreite uuu der geringen Impulsdauer, wie sie mit laserrierzielbar sind, oesonderes Interesse.

Durch die Erfindung soll in erster Linie die gelöst werden, ein optisches üntfernungsmeßsystem dadurch zu verbessern, daß Impulskompressionstechniken angewandet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird durch die Erfindung ϊΐη Laser- Entfernungsmeßsystem vorgeschlagen, welches durch eine Einrichtung zur Erzeugung optischer Imoulse mit doppelter Chirp-Modulation, welche mittels einer ^nähvorrichtung gegen ein Zielobjekt ausstrahlbar sind, ferner durch einen Empfänger zur Aufnahme vom Zieloojekt reflautierter Echo impulse, weiter durch eine Modulationsemr Leitung zur Modulation einer !ragerfrequenz mit mindestens einem Teil je eines Echo impulses derart, daß ein ämplituj?-- modulLjvtes Ausgangesignal, in dem die 1 ragerfre j.uenz ur.^r■■-drickt ist, ableitbar ist and schliorjslicn durch i.'Ltt-?i rar· Zeitkompression dieses Ausganges tgria Ie 3 zar Er^u-.u*.· einaa souarfen Irnpulsos .if^k^iüivseLciinat ist, usssan -Ar,

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f ermines-Auf lösevermögen der doppelten Bandbreite des optischen

ι Imr.alses entsprxcirt. . '

Das fmpulseclio wird vorzugsweise mittels eines eine quadratische kennlinie aufweisenden Potodetektors auf ge-, noEuaeiiy so daß ein Signal erhalten wird, das zur Leistung des Lichtsi^nales proportional ist. Das so erhaltene Signal dient zur Amplitudenmodulation eines Radiofrequenz-Trägers in einer Gepentakt-äodulatorsehaltung, in welcher auah der Träger unterdrückt wird, wobei die Bandbreite der amplitudenmodulierten Weife das Zweifache derjenigen des-Ursprünglichen Lasersignales beträgt. Die amplitudenmodulierte Welle wird dann durch eine übliche Kompressionsschaltung zeitlieh komprimiert und dann auf einem üblichen OszüLographen I zur Anzeige oder Darstellung gebracht. Bei der empfangsseitigen Verarbeitung des eine doppelte Chirp-Kodulation aufweisenden 'Echo Impulses optischer Frequenz bleibt die mit Funkfrequenz erfolgende Modulation genau erhalten und auf diese "iieise können gebräuchliche elektrische Bauteile und. Impulskompressionsverfahren angewendet werden und das Zweifache der Bandbreite des Laser-Signales wird dem Spektrum der ümhtillenden des Empfangsimpulses vermittelt, wodurch sich eine maximale Ausnützung der zur Verfügung stehenden Bandbreite des Laser—Entfernungsmeßsystemes ergibt.

Im Rahmen der Erfindung wird auch die Aufgabe gelöst, eine Einrichtung zur Erzeugung optischer Impulse mit doppelter Chirp—!äodulation zu schaffen, wie sie insbesondere in einem Laser-Sntfernungsmeßsystem der angegebenen Art verwendbar ist.

Eine solche Einrichtung ist erfindungsgemäß durch zwei Laser mit je einem zugehörigen Eesonanzraum, ferner durcii eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Veränderung der wirksamen Länge der Resonanzhohlräume derart, daß die " Länije des einen Resonanzhohlraumes zunimmt, während die Länge des anderen Kesonanzhohlraumes abnimmt und umgekehrt und durch Überlagerungseinrichtungen zur Kombination der Ausgangssignale der beiden Laser gekennzeichnet.

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Die Veränderung der wirksamen Länge der Resonanzhohlräume bewirkt jeweils eine Frequenzänderung oder eine Chirp-Modulation der Ausgangsimpulse in jedem Laser und die beiden frequenzmodüLierten Impulse werden dann in einer Anordnung von Spiegeln so miteinander überlagert, daß ein einziger Ausgangsimpuls entsteht, welcher eine doppelte Chirp-Frequenzmodulation aufweist.

Die Erfindung ermöglicht die Ausnützung der vollen Bandbreite von Laser-Impulsen, in einem optischen Hadarsystem. Gleichzeitig ist es auf Grund der Erfindung nunmehr möglich, in Verbindung mit Impulsen optischer Frequenz die vom Mikrowellenradar her bekannten Impulse mit Frequenzmodulation oder Chirp-Modulation und die Impulskompressionsverfahren zu verwenden. Es ergibt sich damit ein optisches Eadarsystem mit ausserordentlich hohem Auflösungsvermögen.

Im Folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.In den Zeichnungen stellen dar:

Figur 1 eine Seitenansicht einer Einrichtung zur Erzeugung von Laser-Impulsen mit doppelter Chirp-Modulation,

Figur 2 eine Aufsicht auf die Einrichtung nach Figur 1,

Figur 3 Diagramme zur Darstellung der Impulsamplitude und der Frequenz der Laser-Impulse aus den Lasern nach Figur 1 und 2,

Figur 4 ein Diagramm, in welchem die Welenformen der Signale der Laser A und B einander überlagert sind,

Figur 5 eine schematische Darstellung eines optischen Entfernungsmeßsystems, in welchem ein Laser-Impuls mit doppelter Chirp-Modulation Verwendung findet,

Figur 6 ein Diagramm des Ausganges des l'otodetektors

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der Schaltung nach Figur 5, ■

Figur 7 Diagramme der Frequenz und der Amplitude des Ausganges des Modulators nach Figur 5 und

Figur 8 eine Darstellung eines modulierten Impulses

nach Impulskompression. "".=·.""■"

In den Figuren 1 und 2 der Zeichnungen ist eine'Einrichtung zur Erzeugung von Laser-Impulsen mit doppelter Chirp- Modulation dargestellt. Als Impuls mit Chirps-Modulation wird hier ein solcher verstanden, dessen Trägerfrequenz während der Impulsdauer zeitabhängig verschoben oder veränderet wird. Chirp-Impulse sind vom Mikrowellenradar her allgemein bekannt. Die,Vorteile von solchen . j Impulsen liegen darin, daß sie eine Erhöhung des Auflösungsvermögens ergeben und insbesondere eine zusätzliche Phaseninformation liefern, die aus dem· quadratischen Teil der Phasenverschiebung bezogen wird, so daß mehr Informationen über den Aufbau des betreffenden Zielobjektes erhalten werden.

Die Erzeugung eines optischen Impulses m,it Chipp-Modulation ist bereits an anderer Stella vorgeschlagen worden. Kurz beschrieben, geht die Erzeugung solcher Impulse derart vor sich, daß durch einen Laser-Oszillator Lichtimpulse bereitgestellt werden und daß einer der Spiegel der Resonanzeinrichtungen in solcher Weise in Umdrehung versetzt wird, | daß sich, die wirksame Länge des Resonanzhohlraumes des Oszillators ständig ändert, so daß eine Änderung der Oszillatorfrequenz während der Erzeugung des betreffenden Laser-Impulses erreicht wird. .,

Optische Impulse mit doppelter Chirp-Modulation sollen nun liomponönten sowohl mit pouitivem, Linearem Frequenzτ hub als auch mit negativem linearem frequenzhub gLeichaoifcig an thai tan. «line Einrichtung zur Erzeur;umr. oinos solchen Laser-Impulses ist in den Zaichnungsfiguren 1 und 2 gezeigt, welche, wia solion erwähnt, dio Seitenansicht und die Aufsicht

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auf dieselbe iSinrichtung wiedergeben.

Zwei getrennte Laser-Röhren A und B sind derart nebeneinander gelegen, daß sich eine Laser-Höhrenanordnung 1o ergibt. An einem Ende der Laser-Röhrenanordnung 10 ist ein flacher Spiegel 12 angefügt, der einen Eückkopplungsspiegel für einen Resonanzhohlraum bildet. Der andere iLÜckkopplun^sspiegel für den Resonanzhohlraum ist ein Drehspiegel 14, der um eine in Figur 2 angedeutete Achse 16 drehbar ist. iüin Paar sphärische Spiegel 1Ö und 1ü· sind an einem iinde des Resonanzhohlrauii.es angeordnet und dienen zur Fokussierung der von dem Laser jeweils austretenden Rückkopplungsstranlung auf den zugehörigen Teil des umlaufenden Spiegels 14» wie nachfolgen-d noch beschrieben werden wird, uer Spiegel wird durch den Spiegelantriebsmotor 2o in Umdrehung versetzt.

Der Rückkopplungsweg für den Laser-Oszillator mit dem Laser A enthält mit Bezug auf die Lage nach Figur 2 den oberen Teil des Drehspiegels 14, den sphärischen Spiegel 1o, den Weg durch den Laser A und den oberen ΐ-eil des Spiegels 12, wie in i igur 2 durch gestrichelte Linien irezel^t ist. Der Spiegel 12 ist leicht durchlässig, so daii eine Auskopplung eines bignales vom Laser möglich ist.

Der Fiückkopplungs.ve;'; des Läse -Oszillators, wsleuer dan Laser L· enthalt, verlauft vom unteren Teil des urenapiegels 14 über¹ den sphärischen Spiegel 1ö· und über d^ii Laser D zu dem unteren. Teil des Spiegels 12. Als Aus^an^ von diesem Laser-Oszillator wird ein Impuls erhalten, weicher durch den Spiegel 12. hindurch ausgekoppelt wird, wie aus den Zeichnungen er s-entlieh lsc.

„eritL sich der ..r-Lüg-ei 14 Iraht, so verändert sich die ίιΰπίίβ las tt'u kkrippliuiy-s-iiöijjnanzhohlraumes ,jedes Lasern, tuunlich die inn^a z;ii3zn-m (tsm 'Jv-ieriL 12 und dem Drei.;H!L-!-:;al 14, λ π 11 .naifjrL. ί·α. ίί ι >r lurch ergibt sich eine Verschiebung ainss b'Hbvy-'t arj t-Zus^Htides durch dta Ausgangsk'ir.ril lülj Ijs Layers hLn, wodurch eine Chirp-ModuLation

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des Ausgangs impulse s auftritt, Für die-dargestellte Dr ehriehtung ergibt sich am Laser A ein linearer negativer Frequenzhub und am Laser B ein linearer positiver Frequenzhub. ·

Die Laser A und B sind vorzugsweise Gaslaser, beispiels-, weise Kohlendioxyd-Laser mit verhältnisinässig schmalem Spektrumsbereich, Ein einzelner, bevorzugter Schwingungszustand kann daher leicht durch geeignete Auswahl des Abstandes der Rücfckopplungsspiegel am Resonanzhohlraum isoliert herausgehoben werden. Im einzelnen ist der Spektrumsabstand bezüglich des Longltudinal-Modus gleich der Lichtgeschwindigkeit, dividiert durch die gesamte Durchlaufzeit innerhalb des Rüekkopplungs-Hohlraumes oder c/2L. Für einen Spiegelabstand von etwa I50 cm beträgt der Spektrumsabstand * bezüglich des vorherrschenden Fabry-Perot-Modus etwa 100 MHz und so befindet sich zu jedem Augenblick in dem Ausgangsband des-Lasers nur ein solcher Modus. Für einen Abstand von 1,3 cm zwischen der Drehachse 16 des Drehspiegels 14 einerseits und den optischen Achsen der Laser-Röhren sowie für eine Drehgeschwindigkeit des .Drelispiegels 14 von TÖOO Umdrehungen je Minute läuft der vorherrschende Laser-Modus in etwa einer MikrοSekunde durch die Breite des Ausgangsbandes jedes Lasers und hierdurch ist die Länge jedes Ausgangsimpulses bestimmt. Sine genauere Beschreibung der Theorie dieser Vorgänge ist an anderer Stelle gegeben worden. Der Frequenzhub im Impuls eines jeden Lasers ergibt sich aus einer Kombination von Dopplerverschiebungen oder aufein- |

anderfolgenden Reflexionen vom Drehspiegel ,aus einer Streuung im Laser-Medium und einer Kopplung zwischen dem Schwingungszustand im Resonanzhohlraum und sämtlichen Verlustvorgängen.

Die Verwendung sphärischer Spiegel oder Reflektoren 18 und 18· ermöglicht die Erzeugung einer Reihe von Impulsen durch die Laser A und B. Bei geeigneter Ausrichtung der Laser und der Rückkopplungsspiegel treten die Ausgangsimpulse ' vom A und vom Laser B gleichzeitig auf. Der Ausgangsimpuls

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des Lasers A trifft auf einen Spiegel 24, der so angeordnet 13t, daß er den Ausgangsimpuls durch einen halbdurchlässigen Spiegel 26 leitet. Dieser wiederum ist so angeordnet, daß er den vom Laser .13 austretenden Ausgangsimpuls reflektiert und gleichzeitig den Ausgangsimpuls des Lasers A, welcher vom Spiegel 24 reflektiert wurde, durchlässt. Die bwiden Ausgangssignale werden einander überlagert.

Figur 3 zeigt die Impulsamplitude und die Frequenz für die jeweiligen Ausgangssignale des Lasers A und des Lasers B. Die Impulsamplitude ist für jeden Impuls gleich. Auf Grund der Drehrichtung des Drehspiegels 14 nimmt die Frequenz des Ausgangsimpulses des Lasers A in Abhängigkeit von der Zeit ab, während die Frequenz des Ausgangsimpulses des Lasers B zunimmt.

Die Kombination der beiden Impulse mit Chirp-Modulation entspricht einem amplitudenmodulierten Impuls, dessen Modulationsbandbreite noch größer als die Bandbreite des Lasersystemes ist. Wenn die beiden Impulse zusammenwirken, beispielsweise wenn sie gleichzeitig auf einen Fotodetektor auftreffen, so ist die Kombination des linearen Frequenzabfalles vom Laser A und des linearen Frequenzanstieges vom Laser B einer Schwingung mit konstanter Trägerfrequenz gleich, welche mit einer linear veränderlichen Frequenz amplitudenmoduliert ist. Dies ist in Figur 4 gezeigt, in welcher die Umhüllende der amplitudenmodulierten Komponente eingezeichnet ist. Die amplitudenmodulierte Komponente beginnt mit hoher Frequenz und diese Frequenz nimmt ab, bis sie am Überkreuzungspunkt zwischen dem positiven und dem negativen linearen Frequenzhub theoretisch den Wert Null erreicht. Dann nimmt die Frequenz der amplitudenmodulierten Komponente wieder zu. Die amplitudenmodulierte Komponente ist noch einer Trägerschwingung überlagert, welche optische Frequenz besitzt und in Figur 4 nicht eingezeichnet ist. Der entsprechende, amplitudenmodulierte Impuls lliust sich folgendermaßen beschreiben:

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Es sei angenommen, daß der Drehspiegel 14 mit solcher Drehzahl umläuft, daß er in jedem Teil eines auftreffenden Strahlenbündels eine augenblickliche Frequenzänderung von 6>0*/^ti*' erzeugt, worin S^e die optische Trägerfrequenz undM die Frequenzänderungsgesohwindigkeit bedeuten. Der · Ausdruck &_o *<f⁴'* stellt im vorliegenden Falle richtiger die jphasenänderungsgeschwindigkeit ^, dar, da hier die Frequenz keine definierte Größe -ist. Die Phase jedes Strah— lenbündels ist durch die Differentialgleichung ώ «J5$" *& ge,gne;ben, wofür sich folgende Lösungen anschreiben

lassen: ' ''φ»!) «rf+ if** '■

Hierin- stelltiidie Phasendifferenz zwischen den beiden Strahlenbündeln dar. Der elektrische Vektor J£ jedes Strahlenbündels kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

worin /4^V) die Funktion der Impulsumhüllenden ist, die hauptsächlich durch das Spektrumslinienprofil des Lasers, durch die Drehzahl des Drehspie^els und durch die Geometrie des Resonanzhohlraumes des Lasers bestimmt wird.

Das überlagerungs.signal aus dem beiden Strahlenbündeln-, welche am Ort eines Detektors zusammenwirken, ist dann folgendem Ausdruck proportional* Λ Ci)Ii+ ^i^** "-⁰

Die augenblickliche Frequenz

für einen Laser mit einer Bandbreite von 100 MHz ist in Figur 3 der Zeichnungen schematisch gezeigt.

Figur 5 zeigt ein Laser-Radar-Entfernungsmeßsystem, in dem die zuvor beschriebene Einrichtung zur Erzeugung vnn Laser-Impulsen mit doppelter,Chirp-Modulation Anwendung findet. Gemäß l/'igur 5 sind die Laser 30 und 32 ,jeweils in ReBonanzhohlräumen angeordnet, welche duBch die sphärischen Spiegel 34 und 34' sowie durch die Spiegel 36 und 36' begrenzt sind. Ein Drehspiegel JB ist Im Resonanzhohlraum in ähnlicher Weise vorgesehen, wie dies im Zusammenhang mit

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den Zeichnungsfiguren 1 und 2 bereits erläutert wurde. Die Ausgangsimpulse der Laser 3o und 32 werden vermittels der Spiegel 4o und 42 einander überlagert. Der auf diese Weise erhaltene Ausgang besteht also, wie schon beschrieben in einem Impuls mit doppelter . Chirp-Modulation. Notwendigenfalls wird der Kombinationsiaipuls vermittels des Verstärkers 44 verstärkt und gelangt dann zu einer Sendeeinrichtung 4ö, wo der mit doppelter Chirp-Modulation versehene Impuls über eine Antenne 4ö auf ein Zielobjekt 5o hin abgestrahlt wird. Das bisher beschriebene System unterscheidet sich von charakteristischen bekannten optischen Radarsystemen oder optischen Entfernungsmeßsystemen durch die Erzeugung des Laser-Impulses mit doppelter Chirp-Modulation.

Wie bei anderen Radarsystemen wird auch hier der ausgesendete Impuls vom Zielobjekt 5o zurückgestreut und ein Teil der reflektierten Energie wird mittels einer rlmpfangsantenne 52 in Form eines vom Zielobjekt reflektierten Echoimpulses aufgenommen. Der Bchoirapuls wird einem Fotodetektor 54 zugeführt, der den Lichtimpuls in ein elektrisches üignal umformt.

Der Fotodetektor 54 besitzt eine quadratische Charakteristik, so daß der Ausgangsstrom proportional zur Intensität des eintreffenden Echoimpulses ist. Der Ausgang des Fotodetektors ist in Figur 6 dargestellt. Der Fotodetektor kann die Form einer Fotodiode oder irgendeiner anderen, augenblicklich Leistung bietenden Detektoreinrichtung naoen. Der Detektorausgang enthält ein Gleichstromsignal und zusätzlich ein Wechselstromsignal, welches zur kodulationsumhüllenden der Intensität des iScho impulses proportional ist.

Die beim üachweis des üc ho impulses entwickelte opriiiuur..¹:, welche zu dem Ausdruck A^X(i} [1+ CStfatt*— o&)2 proportional ist, wird durch ein Hoehpaöfilter 56 gelei* welches eine niedrige Abschneidfrequenz besitzt, so d:.iJ r dem Summanden A^Zfr) proportionale Signal gegenüber dem,,*:--

unterdrückt wird, welches zu dem aumnrnnden/4M9**£tf^!*"·-*^ 109838/0805 ^τ

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proportional ist.

Das amplidutemodulierte Signal wird dann "zur Modulation einer üblichen Fiinkfrequeazenträgersciiwingung von beispielsweise 300 MHz x^erwendet, was in einer Gegentakt-" . · Modulatorschaltung 50 »it'unterdrückung der Trägerschwin-— gung geschieht. Die Segentakt-Sfodulat ©ren sind auf dem Gebiete der Technikallgemein-bekannt und bedürfen hier keiner näheren Beschreibung« Allgemein sei nur gesagt, daß trägerfrequente Spannung, den Gittern zweier iiohren in.. gleicher Phasenlage angeführt wird_y während das Modulations signal über einen Transformator mit Mittelanzapfung'zu den Höhren jeweils in ffegenphase mit Bezug aufeinander gelangt. Die Seitenbandkomponenten, welche in den beiden Röhren entstehen* haben entgegengesetzte Phase und erscheinen daher am Ausgang, Auch sind Brückensehaltungen mit vier Dioden bekannt«

Sie Unterdrückung der Trägerschwingung einer sinus-, föriaig modulierten Schwingung hat die Wirkung, daß sich eine modulierte Ausgangsschwingung ergibt, deren resultierende Umhüll ende mit der zweifachen Hodulationsfrequenz schwankt und eine -.Phasenlage besitzt, die sich jedesmal dann umdreht, wenn dag Modulationssignal einen Mull durch— gang aufweist.

Dieν oben kurz erwähnten Schaltungen werden manchmal als Zvjei seitenband—Modulatoren mit Trägerunterdrückung bezeichnet. Da das obere Seitenband und das untere Seitenband vom modulator durchgelassen werden, gehen cLe in Figur 3 " gezeigten Spektrumseigensehaften in diejenigen nach Figur über« Wird die hochfrequente Trägerspannung durch den Ausdruck 3c*#.J*/*" bezeichnet, so ist der Ausgang des Modulators folgendem Ausdruck proportional

\ 6 V C ,

Der erste Ausdruck stellt ein Signal dar, welches?einen negativen Frequenzhub oder frequenzgang über einen Bereich hin besitzt, der dem zweifachen der Laser-Bandbreite gleich ist.

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Das amplitudenmodulierte Signal mit Trägerunterdrückung wird dann einer Impulskompressionsschaltung 16 zugeführt, die eine Gruppenverzögerung besitzt, welche mit der Frequenz linear zunimmt. Impulskompressionsschaltungen dieser Art sind allgemein bekannt und im Handel erhältlich. Der Teil des in Figur 7 gezeigten Impulses, dessen frequenz zunimmt, bewirkt entsprechend der Quadratwurzel des Kompressionsverhältnisses eine Erhöhung der AMpIitude.Dieser Teil des Ergebnisimpulses ist in Figur ö bei 62 angedeutet. Demjenigen Teil des Impulses, dessen Frequenz in der aus Figur 7 ersichtlichen weise abnimmt und welcher durch den zweiten Ausdruck in dem vorstehend genannten Ausdruck dargestellt wird, wird beim Durchgang durch dasselbe Netzwerk auf die doppelte Länge auseinandergezogen und die Amplitude wird um den Faktor >2/ herabgesetzt. Dieser Teil des Impulses ist in Figur ο bei 64 angedeutet. Der gesamte Ergebnisimpuls kann auf einem üblichen Radarschirm oder einem Anzeigegerät 66 dargestellt werden.

Der Ausgang der Impulskompressionsschaltung bzw. des Filters 6o besitzt eine Amplituden!unktion, welche die Fourier-Transform!erte des Ausdrucks A (t) ist und durch die Gleichung al+') ~JaWe <? P/ def/iniert

werden kann. Die Breite des Impulses kann leicht errechnet werden.

Werden Impulse mit Chirp-Modulation aus normalen ilohlendioxydlasern verwendet, so haben die in Figur Ö gezeigten ßrgebnisimpulse eine Breite zwischen 5 iianoSekunden und 25 Kanosekunden. Hieraus ist der Gegensatz zu der Impulsumhüllenden des Oszillators mit einer Dauer von einer MikroSekunde zu erkennen. Wird die Bandbreite des Lasers, beispielsweise durch Druckvariation, ebenfalls erhöht, so ergibt sich noch eine weitere entsprechende Verminderung der Impulsbreite des komprimierten Impulses.

Mau erkennt also, daß durca dio Erfindung das Problem gelöst wird, bei iifidarsys lernen mit optischen Impulsen eine hohe Aufl^suiv; ''-I* -^nti*ernungsmessun.--; zu erhalten. Durch

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Verwendung von Impulsen mit doppelter Chirp-Mödulation bzw. mit Frequenzhub wird der Umhüllungskurve des Impulsspektrums die gesamte Bandbreite des Lasers mitgeteilt, so daß die zur Verfügung stehende Bandbreite des Lasersystems optimal ausgenützt wird.

Der Meßbereich eines Radarsystemes nach der Erfindung wird um denselben Faktor erhöht, welcher durch Erhöhung- der Sendeleistung eines gebräuchlichen Systemes entsprechend dem Impulskompressionsverhältnis erreicht würde. Bisher hat man diese Probleme nur bei Mikrowellenradarsystemen lösen können, nicht jedoch in optischen Radarsystemen. .

Der Fachmann bietet j.sich im Rahmen der Erfindung eine Vielzahl von Abwändlungsmöglichkeiten des beschriebenen Ausführungsbeispieles, welche jedoch von dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken mit umfasst werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE.

Laser-Entfernungsmeßsystem, gekennzeichnet durch. eine Einrichtung (3o bis 42) zur Erzeugung optischer Impulse mit doppelter Chirp-Modulation, welche mittels einer Sendevorrichtung (46, 4Ö) gegen ein Zielobjekt (5o) ausstrahlbar sind, ferner durch einen Smpfänger (52,54) zur Aufnahme vom Zielobjekt reflektierter Schoimpulse, weiter durch eine Modulationseinrichtung (58) zur Modulation einer Trägerfrequenz mit mindestens einem Teil des Echoimpulses derart, daß ein amplitudenmoduliertes Ausgangssignal, in dem die Trägerfrequenz unterdrückt ist, ableitbar ist und schliesslich durch Mittel(6o£ zur Zeitkompression dieses Ausgangssignales zur Erzeugung eines scharfen Impulses, dessen iüntfernungs-Auflösungsvermögen der doppelten Bandbreite des optischen Impulses entspricht.
2. Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurcn gekennzeichnet, daß der EMpfanger (52,54) einen Fotodetektor (54) enthält, welcher die vom Zielobjekt reflektierten Echoimpulse in elektrische Signale umformt und daß eine Filterschaltung (56) zur Abtrennung der amplitudenmodulierten Komponente aus dem Echosignal vorgesehen ist, welche der Modulationseinrichtung (pö) zur Modulation der genannten Trägerfrequenz zuführbar ist.
3. Entfernungsmeßsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterschaltung (56) die Form eines Hohhpaßfilters mit niedriger Abschneidfrequenz hat, derart, daß die Trägerfrequenzanteile des Echoimpulses unterdrückt werden.
4. Sntfernun^sAeiisystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (5Ö) ein ZwQLseitenbandmodulator mit Trägerfrequenz-Unterdrückung ist, welcher ein moduliertes Ausgangesignal mit zweifacher Modulationsfrequenz abgibt.

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■ Ϊ3. Einrichtung zur Erzeugung optischer Impulse mit doppelter Chirp-Modulation, insbesondere für ein. Entfernungsmeßsy st ein nach einem der ~ Ansprüche i bis 4, gekennzeichnet durcn zwei Laser (A,B bzw. 3©* 32) mit je einem zugehörigen Resonanzhohlraum, ferner durch eine Vorrichtung (J4,16,2o bzw* 30) zur gleichzeitigen Veränderung der wirksamen Lange der Resonanzhohlräume derart, daß die Länge des einen I-tesoiianzhohlraume s zunimmt j während die Länge des anderen Resonanzhohlraumes abnimmt und -umgekehrt und durch über- ■ lagerungseinrichtungen (24,26 bzw*4o, 42) zur Kombination der Ausgangssignäle derbeiden Laser.

. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur ^gleiclizeitigen Veränderung der. wirksamen Lange der Laser-Eesonanzliohlräume einen Drehspiegel (14 bzw. 3^) enthält, der um eine Achse drehbar ist, welche zu den optischen Achsen der beiden Laser (A,B bzw» 3o, 32) im wesentlichen senkreclit stent.

* 7"-· Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laser (A,B bzw. 3o, 32)parallel zueinander angeordnet sind und daß der Drehspiegel (14 bzw. 3Ö) einen Teil der Begrenzung des itesonanzhohlraumes fur jeden Laser bildet und mit seiner Drehachse zwischen den optischen Achsen der Laser gelegen ist.

ο-, Entf ernungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fcodulationseinrichtung ( 50 .) eine Gegentakt-LlodulatOrschaltung ist, welcher eine radiofrequente Trägerschwingung und die Am-. plitudenmodulationskomponente aus der FiHarschaltung (56) zufuhrbar sind, derart, daß am Ausgang ein amplitudenmoduliertes Ausgangssignal mit unterdrückter Trägerschwingung auftritt, welche der Impulskompressionsschaltung (60) zuleitbar ist, die ihrerseits den genannten'scharfen Aus gang s impuls abgibt, dessen Eiitfernungs-Auflösungsvermögen dem Zweifachen der liandbreite des optischen Impulses entspricht.

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