DE2157485A1

DE2157485A1 - Sende-Empfangs-Anlage mit einer adaptierenden Strahleranordnung

Info

Publication number: DE2157485A1
Application number: DE19712157485
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Malibu Calif. OMeara (V.St.A.). P
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-02-24
Filing date: 1971-11-19
Publication date: 1972-09-14
Also published as: SE373775B; IL38103A; FR2186657A1; JPS4848934A; FR2186657B1; US3731103A; DE2157485C3; IL38103A0; GB1348813A; DE2157485B2; SE367749B

Description

Stuttgart, 18· November 1971

Hughes Aircraft Company SP 2426 S/kg

Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Galif., V.St.A.

Sende-Empfangs-Anlage mit einer adaptierenden

Strahleranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Empfangs-Anlage mit einer aus einer Vielzahl adaptiv phasengesteuerter Strahlungselemente bestehenden Strahleranordnung·

Die Verteilung elektromagnetischer Energie, die von einer Apertur in die Atmosphäre abgestrahlt wird, weicht infolge von Inhomogenitäten des Brechungsindex, die durch dichte Schwankungen der Atmosphäre bedingt sind, von der durch Beugungserscheinungen begrenzten, idealen Verteilung ab, wie sie im Vakuum vorhanden wäre· Der öffnungswinkel der

209838/0106

Strahlungskeule, deren Richtung und die Intensitätsverteilung innerhalb der Strahlungskeule werden von solchen Dichteschwankungen beeinflußt· Zu den Hauptursachen für Dichteschwankungen gehören atmosphärische Turbulenzen und die Erwärmung, die durch eine Absorption der abgestrahlten Energie bedingt ist. Im Falle atmosphärischer Turbulenzen hängt die Wirkung der Inhomogenitäten von der Stärke der Turbulenzen und der Weglänge ab. Bei zunehmender Stärke der Turbulenzen und/oder bei zunehmender Länge des Weges sind die ersten feststellbaren Wirkungen Änderungen in der Richtung des Strahles (Strahlwandern) und solche, die mit zufälligen Phasenverschiebungen im Strahlquerschnitt (Kohärenzverlust) zusammenhängen. Die Verteilung der abgestrahlten Energie weicht erheblich vom Idealzustand ab, wenn die von verschiedenen Stellen der Apertur abgestrahlte Energie an der Empfangsstelle nicht mehr phasenkohäreiit ist·

Beispielsweise werden die Eigenschaften von Lasersystemen mit sehr geringer Strahlbreite (große Apertur), deren Strahlung die Atmosphäre durchdringt, durch atmosphärische Turbulenzen und manchmal auch durch Effekte nichtlinearer Ausbreitung bedeutend vermindert. Turbulenzen haben vor allem die folgenden drei nachteiligen Wirkungen auf die Ausbreitung, nämlich eine Verbreiterung der Hauptkeule des Strahlungsdiagrammes, wodurch sowohl das Auflösungsvermögen als auch die Leistung am Ziel vermindert wird, eine zeitlich wechselnde Abweichung der Richtung der Hauptstrahlungskeule von der vaJsqt den Bedingungen des freien Raumes zu erwartenden Richtung und eine in hohem Maße unregelmäßige und ze?Ltlieli schwankende Form des Strahlungsdiagrammeη·

209838/0103

Ea ist möglich, die ungünstigen Einflüsse der Atmosphäre auf das Strahlungsdiagramm einer großen Apertur zu vermindern, indem an ihrer Stelle eine Gruppe kleinerer Aperturen verwendet wird, deren Phase adaptiv gesteuert wird. Wenn jedes der einzelnen Elemente der Gruppe klein genug ist, daß sein Strahlungsdiagramm beugungsbegrenzt ist, können nahezu beugungsbegrenzte Eigenschaften von der ganzen Gruppe erzielt werden, indem die relativen Phasen der Anregungsquellen, welche die verschiedenen Strahlungselemente speisen, in solcher Weise adaptiv geändert werden, daß die atmosphärischen Yiirkungen kompensiert werden. Die Verwirklichung dieses Konzeptes erfordert die Fähigkeit zum Messen und Ändern der relativen Phase der abgestrahlten Energie am Ziel«

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Sende-Empfangs-Anlage der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sie unmittelbar die Phasengleichheit aller ausgesendeten Strahlen am Ziel festzustellen und dadurch die Phasenlage der von den einzelnen Strahlungselementen ausgesendeten Strahlen so zu steuern vermag, daß alle ausgesendeten Strahlen am Ziel in Phase sind.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Sende-Empfangs-Anlage eine Modulationseinrichtung zur Modulation der von den einzelnen Strahlungselementen ausgesendeten Strahlen und eine Steuereinrichtung umfaßt, die auf die Modulationskomponenten in dem empfangenen Teil der von einem Ziel reflektierten Energie anspricht und die relative Phasenlage der verachiedenen ausgesendeten Strahlen derart einstellt, daß die elektromagnetischen Felder dieser Strahlen am Ziel im wesentlichen in Phase sind.

209838/0106

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Schwingen variabler Phasenschieber, die den Strahlungselementen einer optischen Strahleranordnung zugeordnet sind, dazu benutzt, jeden der ausgesendeten Strahlen mit einer anderen, charakteristischen Frequenz phasenzumodulieren. Beim Empfang der Energie von einem Ziel liefern Amplitudendemodulatoren und auf jede der Modulationsfrequenzen abgestimmte Filter Signale zur Steuerung eines Kompensationsphasenschiebers in jedemder Sendekanäle, um den Zustand der Phasengleichheit aller abgestrahlten Felder am reflektierenden Ziel zu

W gewährleisten. Für jeden ausgesendeten Strahl ist die Größe der Amplitudenmodulationskomponente in der empfangenen Energie mit der zugeordneten Modulationsfrequenz eine Anzeige für die Abweichung der Phasenlage ihres elektromagnetischen Feldes vom gleichphasigen Zustand am Ziel. Die Phasenlage der empfangenen Amplitudenmodulationskomponenten ist eine Angabe über die Polarität des Phasenfehlers des zugeordneten Sendekanals. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Sende-Empfangs-Anlage bei der adaptiven Steuerung der Strahlungselemente besteht darin, daß der Zustand der Phasengleichheit am Ziel unmittelbar gemessen wird. Da das von jedem Strahlungselement abgestrahlte Feld durch seine Modulationsfrequenz gekennzeichnet ist, ist eine Trennung der empfangenen Information in Fehlerkomponenten, die jeweils einem und nur einem Weg zugeordnet sind, leichter möglich und erfordert keinen Überlagerungsempfang oder komplizierte Berechnungen. Es ist daher möglich, die Erfindung auch bei solchen Anlagen zu verwenden, die

209839/0106

keinen in der Phase abgeglichenen, Mehrkanal-Überlagerungsempfänger aufweisen, sondern nur einen einzigen Empfangskanal, der keinen gemeinsamen Weg mit einem der Sendekanäle zu haben braucht.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen der Erfindung· Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. Λ das Blockschaltbild einer Sende-Empfangs-Anlage nach der Erfindung,

Pig· 2 das Diagramm des elektromagnetischen Gesamtfeldes am Ziel zur Erläuterung der Phasen-Amplituden-Modulationsumwandlung, von der die Erfindung Gebrauch macht,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Sende-Empfangs-Anlage nach der Erfindung, bei der jedes Strahlungselement adaptiv gesteuert ist,

Fig. 4 das Blockschaltbild eines Teiles der Sende-Empfangs-Anlage nach Fig. 3 mit zusätzlichen Schaltungsanordnungen zum Einhalten einer von der Zielentfernung unabhängigen, genauen Bezugsphase,

209839/010»

Fig. 5 das Blockschaltbild eines phasenkompensierten

Empfängers, der für die Anlagen nach den Fig, 1, 3 und 4 geeignet ist» und

Fig. 6 die schematische Darstellung einer optischen

Strahleranordnung, die von einem einzigen Laser-Leistungsverstärker und einem einzigen Fernrohr zum Aussenden einer Vielzahl adaptiv gesteuerter Strahlen Gebrauch macht.

Die Erfindung wird am besten verständlich, wenn zunächst " die grundlegende Anordnung nach Fig· 1 mit nur zwei Strahlungselementen betrachtet wird. ?/ie ersichtlich, erregt ein Laser 12 über Sendewege 18 und 20 Strahlungs- oder Aperturelemente 14 und 16. Der Weg 18 enthält einen Leistungs- oder Strahlteiler 22 und einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber 24. Ber Sendeweg 20 enthält den Strahlteiler 22, einen Spiegel 26 und einen Strahlteiler 28·

Die Strahlungs- oder Aperturelemente 14 und 16, die je eine Fokussieroptik, beispielsweise ein Fernrohr, enthalten können, senden je einen Strahl 30 bsw» 32 ans^ ) um ein Ziel 34 zu beleuchten· Ein Teil der von Ziel 3* reflektierten Gesamtenergie, der als Strahl 36 angedeutet ist, wird von dem Aperturelemcmt 16 ömpfangen und mit Hilfe von Strahlteilern 28 und 38 einen Mischer 40 in Form einer Photodiode sugeführfc· Die empfangene Energie wird im Mischer 40 mit einem Signal optischer Frequenz überlagert, das voa einem Laser wird, und dann im ZF-Verasärker 44 veretätkt» B&s gangssignal des 2F«*7ersfcärkera 44 wird von eln#m A&pli·* tudendemodulEGor 46 verarbeitet? dcv fda

BAD ORIGINAL

erzeugt, dessen Amplitude gemäß der Umhüllenden des vom ZF-Verstärker 44 gelieferten ZF-Signales schwankt.

Das Ausgangs signal des Amplitudendemodulators 46 wird einem Bandpaß 48 zugeführt, der auf eine Frequenz <y abgestimmt'ist und dessen Ausgangssignal einem Phasendetektor 50 ^als ein Eingangssignal zugeführt wird· Das Ausgangssignal des Phasendetektors 50 hat eine Amplitude A sin 0, wobei A eine Funktion der Größe des vom Bandpaß 48 zugeführten Signales und 0 der Phasenwinkel zwischen dem letztgenannten Signal und einem Bezugssignal co ist, das von einem Bezugsoszillator 52 zugeführt wird.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 50 wird mit Hilfe eines Transformators 54- zum Bezugssignal # addiert und es wird das Summensignal dem elektronisch gesteuerten Phasenschieber 24 zugeführt. Der Phasenschieber 24, bei dem es sich um einen beweglichen Spiegel oder eine elektrooptische Anordnung handeln kann, ändert die effektive Länge des Übertragungsweges 18 oder die resultierende Phasenverschiebung in Abhängigkeit von dem ihm zugeführten Signal.

Die optischen Signale, welche die Aperturelemente 14 und 16 erregen, haben die gleiche Frequenz, sind jedoch gewöhnlich nicht in !Phase. Diese beiden Aperturelemente strahlen Energie in Richtung auf ein gemeinsames Ziel 54-ab und es erleiden die von diesen Elementen ausgehenden Felder gewöhnlich wegen unterschiedlicher Weglängen eine weitere 'Differenz-Phasenverschiebung am Ziel. Das Gesamtsignal am Ziel 34- ist daher

^Er " ^Ar f^cos ^C*) ^{+ cos}

2O983S/0108

oder

E_r - 2A_r cos ß₀ cos '(«?_ct + ß_o/2), (2)

wenn # die Frequenz des Lasers 12 und ß die Gesamtphasendifferenz am Ziel ist. Die Interferenz der beiden Feldkomponenten hat ein räumliches Interferenzbild mit einer sinusförmigen Umhüllenden 56 zum Ergebnis (Fig. 2). In Fällen, in denen β zeitlich schwankt, wandert das Interferenzbild über dem Zielbereich hin und her.

Die Modulation mit Hilfe des elektronisch steuerbaren Phasenschiebers 24 erzeugt eine Phasenschwankung

- "Pe ⁺ ^m ^sin V'

in der β eine unmodulierte korrigierende Phasenverschiebung ist, die vom Phasendetektor 50 ausgeht, um die gewünschte Phaseneinstellung zu bewirken. Der resultierende Phasenfehler ß_Q am Ziel 34 schwankt ebenfalls in diesem Bereich, d.h.,

wobei β der durch atmosphärische oder sonstige Störungen bedingte Phasenfehler ist, der durch die Phasenverschiebung ß_n korrigiert werden soll. Infolgedessen schwingt ¹ c

das Interferenzbild am Ziel vor und zurück. Daher führt " die von dem Phasenschieber 24 erzeugte Phasenmodulation zu einer Amplitudenmodulation mit der Schwingfrequenz in dem Gesamtsignal am Ziel und infolgedessen auch in dem empfangenen Echosignal.

Der Vorgang der Amplitudenmodulation nach Gleichung (3) ist in Fig. 2 noch von einem anderen Standpunkt, nämlich dem einer festen Phasenverschiebung /3 , veranschaulicht.

833/0106

Bei einem Phasenfehler /5. rechts vom Scheitelpunkt der Phasenfehlerkurve 56, in der Λ « /3 gilt, ist die Amplitudenmodulation 58 in Phase mit der Schwingungsquelle, nämlich dem Oszillator 52 nach Fig. 1. Bei einem Phasenfehler ßp links vom Scheitel der Phasenfehlerkurve 56, ist die Modulationsumhüllende 60 um 180° außer Phase· Für ß„ = 0>_n verschwindet die Grundkomponente der Modulation· Infolgedessen hat die Anlage nach Fig. 1 die für ein rückgekoppeltes Regelsystem geforderten Eigenschaften, indem der Mittelwert des Phasenschiebers 24, nämlich A₀, so geregelt wird, daß ^_a - ß_Q gegen Null geht, wodurch der gleichphasige Zustand am Ziel 34 hergestellt wird. Insbesondere ist zu beachten, daß der Wert des Ausgangssignales des Phasendetektors. 50 solcher Art ist, daß der mittlere Phasenwert des Übertragungsweges 18 den gleichphasigen Zustand am Ziel herstellt·

Die Ausdehnung des erfindungsgemäßen Prinzips der Herstellung der Gleichphasigkeit am Ziel auf mehr als einen phasengesteuerten Übertragungsweg ist in Fig. 3 veranschaulicht. In Fig. 3 wurde jedem Element der verschiedenen Übertragungswege die gleiche Bezugsziffer gegeben wie dem entsprechenden Element des Übertragungsweges 18 nach · Fig. 1 und es bezeichnet ein Buchstabe a, b oder c diejenigen Elemente, die dem Übertragungsweg 62 bzw, 64 und 66 zugeordnet sind. Weiterhin sind bei der Anlage nach · Fig. 3 in jedem Übertragungsweg zwischen die Phasenschieber 24 und die Strahlungselemente 14 optische Verstärker 25 angeordnet. Außerdem ist in Fig, 3 zur Ver allgemeinerung ein besonderer Empfangskanal 68 mit einer

209838/010*

- ίο -

getrennten Empfangsapertur 70 und einem zugeordneten Spiegel 72 zur Strahllenkung dargestellt. Beim Betrieb der Anlage nach Fig. 5 wird die Phase jedes elektronisch steuerbaren Phasenschiebers 24a bzw. 24b oder 24c mit einer eigenen charakteristischen Frequenz ^ο·> variiert. Die entsprechende Amplitudenmodulationskomponente, die, wie oben anhand Fig_t 2 erläutert, in dem reflektierten Echosignal vorhanden ist, wird nach dem Empfang von dem ZF-Träger mit Hilfe des Amplitudendemodulators 46 und von den anderen Modulationsfrequenzkomponenten mit Hilfe des auf die Frequenz G)_n abgestimmten Bandpasses 48 abgetrennt. Daher ist die Korrektions-Phasenverschiebung /'* , die von jedem der elektronisch steuerbaren Phasenschieber eingeführt wird, eine Funktion der Modulation, die durch die Schwingung nur dieses Phasenschiebers eingeführt wird. Das Ausgangs signal des 2F~^erstärkers 44 wird auch einem Verbraucher 47 zugeführt, bei dem es sich um ein Darstellung 3~ oder Rechengerät hBiidsl.n teoni und der von der in dem ZF-Signal enthaltenen Zielinformation Gebrauch macht.

Es ist zu beachten, daß die bei der Anlage nach Fig. 1 verwendete Technik von einem Übertragungsweg als ungeregeltem Bezugskanal Gebrauch macht und die Phase des gesteuerten Kanales so eingestellt wird, daß am Ziel der gleichphasige Zustandhergestellt wird. Wenn diese Lösung auf eine größere Gruppe adaptiv gesteuerter Strahlungselemente ausgedehnt wird, entstehen beim Herausziehen der gewünschten Fehlerinformation, die jedem der adaptiv geregelten Kanäle zugeordnet ist, durch einfaches Filtern Komplikationen· Diese Komplikationen beruhen auf den Intermodular tionsprodukten, die sich aus der Wechselwirkung zwischen

208831/0101

den Phasenmodulationen ergeben, die den einzelnen ausgesendeten Strahlen aufgeprägt werden. Eine Möglichkeit zum Vermeiden dieses Intermodulationsproblemes besteht in der Anwendung einer Folgeschalttechnik, bei der nur das Bezugselement und ein anderes Element, für das die Phasengleichheit hergestellt werden soll, gleichzeitig strahlen. Wenn die richtige Phasenlage für einen bestimmten gesteuerten Kanal hergestellt worden ist, wird dieser Kanal abgeschaltet und die gleiche Operation mit den anderen Kanälen wiederholt. Die Schaltfolge wird mit einer Folgefrequenz ausgeführt, die ausreichend hoch ist, um die Schaltfolge zu beenden, bevor eine wesentliche Änderung in den erforderlichen Phasenkorrekturen eintreten kann. Da für jeden Sendekanal die Gleichphasigkeit zum Bezugskanal hergestellt worden ist, bevor das nächste Strahlungselement eingeschaltet wird, besteht keine Notwendigkeit, die vorher eingestellten Elemente wieder abzuschalten. Daher kann die Phase für jedes Element der Strahleranordnung in einer Folge eingestellt werden, welche die gesteuerten Sendekanäle nacheinander einschaltet.

Als Alternative zu der Technik, bei der die Phase jedes geregelten Übertragungsweges gegenüber einem Bezugskanal bestimmt wird, mißt und korrigiert das System nach Fig. den mittleren Phasenfehler in jedem Übertragungsweg im Vergleich zu allen anderen gleichzeitig betrachteten Kanälen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist die synchron demodulierte Komponente mit der Frequenz a ein Maß für den Durchschnitt des Sinus der Phasenfehler des Kanäles m im Vergleich zu allen anderen Kanälen· Jedes Fehlersignal S~ vom mten Phasendetektor kann dann

209831/0106

dazu benutzt werden, den Phasenfehler in dem mten Kanal, der das mte Strahlungselement speist, zu korrigieren. Das System der verteilten Bezugsgröße nach Fig. hat den wichtigen Vorteil, daß der Verlust einer beliebigen Signalkomponente (A = 0) infolge einer Ausbreitungsoder Gerätestörung nicht die Betriebswirksamkeit der übrigen Kanäle beeinträchtigt. Die Arbeitsweise des Systems mit verteilter Bezugsgröße ist dem bekannten Homodynverfahren vergleichbar. Für diesen Vergleich ist das Eingangssignal dem phasenmodulierten Signal eines bestimmten Sendekanales analog, während die Rolle eines P Bezugsoszillators die phasenrichtige Summe der Gesamtheit der vom Ziel zurückgeworfenen Signale der übrigen Kanäle übernimmt.

Die Erfindung kann auch dazu benutzt werden, Frequenzfehler sowie Phasenfehlerkorrekturen zu kompensieren, zumal Frequenzfehler als Phasenfehler betrachtet werden können, die annähernd als Funktion der Zeit linear zunehmen. Solche Frequenzfehler können sich aus einer Oszillatordrift sowie unterschiedlichen Dopplerverschiebungen ergeben. Der Ausdruck "unterschiedliche Dopplerverschiebungen" soll Unterschiede zwischen den Dopplerverschiebungen der verschiedenen ausgesandten Strahlen bezeichnen.

Obwohl bei den Sende-rEmpfangs-Anlagen nach den Fig. 1 und 3 die von jedem der Strahlungselemente abgestrahlte · Energie von einem gemeinsamen optischen Sender oder Laser stammt, kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung in jedem Sendekanal ein eigener Laser benutzt werden. Die Arbeitsweise des Systems würde unverändert bleiben,

209838/010«

2157A85

abgesehen davon, daß die Korrekturspannungen Sj. eher einem frequenzbestimmenden Element, beispielsweise einem Spiegel innerhalb des Laserresonators, als einem die Phase steuernden Element zugeführt würde· Eine solche Technik umgeht die Ansammlung einer übermäßigen Phasenverschiebung durch eine Änderung der ausgesandten Frequenz jedes Strahlungselementes zur Kompensierung von Frequenzfehlern_e Allerdings kann eine solche Ausbildung der erfindungsgemäßen Anlage wegen der Notwendigkeit, eine Vielzahl von optischen Sendern einzusetzen, erhöhte Kosten erfordern, obwohl Strahlteiler eingespart würden. Außerdem müsste jeder Laser mit einer eigenen "SelbstStabilisierungsschleife¹¹ versehen sein, um dessen Frequenz während der Zielsuche zu stabilieieren. Die Frequenzstabilität der Vielzahl von optischen Sendern muß in einem solchen Maß gewährleistet sein, daß die Frequenz innerhalb des Fangbereiches der Regelschleifen bleibt.

Wenn die Modulationsfrequenzen *> zu niedrig gewählt werden, besteht die Möglichkeit der Interferenz mit durch das Ziel oder atmosphärische Szintillation bedingten Modulationen. Wenn andererseits die kennzeichnende Modulationsfrequenz zu hoch gewählt wird, können Probleme hinsichtlich der Phasensynchronisation zwischen des? Bezugsfrequenz und dem empfangenen Signal entstehen. Bei der vorstehenden Erläuterung der grundlegenden Prinzipien der Erfindung war angenommen worden, daß entweder die kennzeichnenden Frequenzen W ausreichend niedrig oder die Übertragungswege ausreichend kurz waren, um für alle praktischen Zwecke den Vorgang der Phasendetektion als

209838/0106

synchron betrachten zu können. Es wurde also angenommen, daß zwischen dem empfangenen und dem Phasendetektor 50 zugeführten Eingangssignal und dem vom Bezugsoszillator 52 zugeführten Bezugssignal kein Zeitschlupf oder Phasenfehler bestand.

Im allgemeineren Fall, bei dem das empfangene Signal wegen des zurückgelegten Weges um die Zeit T zeitlich verzögert ist, ist die Steuerspannung S^ , die von dem mten Phasendetektor geliefert wird, eine Punktion von cosO^x). Wenn <v_mt in die Nähe des Wertes 7Γ/2 kommt, verschwindet das Signal S^_m unabhängig von Phasenfehlern

am Ziel. Wenn co f dem Wert nTT gleicht, wobei η eine ungerade ganze Zahl ist, wird das Vorzeichen des Fehlersignales Sp umgekehrt und das System rastet auf den Minima anstatt auf den Maxima des Gesamtstrahles ein (siehe Kurve 56 in Fig. 2). Daher muß in einem unkompensierten System der Wert von fc>_m"t beschränkt werden. Eine solche Beschränkung des Wertes des Gliedes Wt bestimmt den höchsten zulässigen Yfert von co für eine gegebene Maximalentfernung. Da jedoch hohe Modulationsfrequenzen manchmal erwünscht sind, um Rauschprobleme zu reduzieren oder größere Frequenzabweichungen unterzubringen, kann ψ es erwünscht sein, Einrichtungen zur Kompensation der Laufzeit X vorzusehen.

Ein Verfahren zur Kompensation der Zeitverschiebung zwischen dem Bezugssignal, das für die Synchrongleichrichtung im Phasendetektor 50 benötigt wird, und der durch die Demodulation des empfangenen Signals abgelösten Modulationskomponente (Kurve 58 in Fig. 2) besteht darin, aus der bekannten oder gemessenen Ziel·»

208831/0106

entfernung die damit verknüpfte Phasenverzögerung zu berechnen und die vorhandene Phasenverschiebung durch Einführen einer Verzögerung in den Weg des Bezugssignales zum Synchrondetektor zu kompensieren.

Eine allgemeiner anwendbare Methode zur Kompensation des Verlustes des Synchronismus zwischen dem Bezugssignal für den Phasendetektor der Regelschleife und dem modulierten Echosignal besteht darin, die Bezugs-Modulationsfrequenz co in Form der Modulation eines Trägers auszusenden und das zugeordnete Echosignal derart zu verarbeiten, daß das ausgesendete Bezugssignal als Bezugsgröße für den Synchrondetektor benutzt werden kann. Da sowohl das Eingangssignal als auch das Bezugssignal für den Phasendetektor in diesem Fall die gleiche Laufzeitverzögerung erfahren, kann unabhängig von dem Wert des Gliedes #Lf^P eine reine Synchrondetektion erfolgen· Bei einer Anlage, wie sie in Fig. dargestellt ist, können am einfachsten diejenigen Trägerund Modulationsarten gewählt werden, die bereits vorhanden sind, nämlich eine Phasen- oder Frequenzmodulation der optischen Träger. Fig. 4- veranschaulicht einen Sendekanal und den Empfangskanal der Anlage nach Fig. mit den zur Lösung des oben beschriebenen Synchronisationsproblems erforderlichen Abwandlungen. Der Sendekanal in Fig. 4 ist allgemein mit 62' bezeichnet und es tragen dessen Elemente, die gleichen Elementen des Kanals 62 in Fig. 3 entsprechen» in Fig. 4 die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 3· In Fig. 4 ist zur Erläuterung der Kompensation der Laufzeitverzögerung nur ein Sendekanal dargestellt· In der Praxis müssten Jedoch die

209838/0106

zur Kompensation dienenden Änderungen in jedem der Sendekanäle vorgesehen werden, also bei der Anlage nach Fig. 3 auch in den Kanälen 64 und 66, wie es im folgenden für den Kanal 62' beschrieben wird.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 wird die vom Sendelaser 12 (Fig. 3 gelieferte optische Energie von einem elektronisch gesteuerten Phasenschieber 24a moduliert und von dem Strahlungselement 14a ausgesendet. Die von dem Strahlungselement 14a ausgehende

fc Energie wird zusammen mit der von anderen, in Fig. 4 nicht dargestellten Strahlungselementen gelieferten Energie am Ziel 34 reflektiert. Ein Teil dieser reflektierten Energie wird von der Antenne 70 aufgefangen und mit Hilfe des Spiegels 72, des Strahlteilers 38, des Mischers 40 und des Oszillatorlasers 42 in der gleichen Weise verarbeitet, wie es für die Anlage nach Fig. 3 beschrieben worden ist. Das Ausgangssignal des Mischers 40 wird nach einer Verstärkung im ZF-Verstärker 46 parallel dem Amplitudendemodulator 48 und einem Begrenzer 78 zugeführt. Der Begrenzer 78 beseitigt die vorhandene Amplitudenmodulation und es wird- sein Ausgangssignal mit Hilfe eines üblichen Frequenzdiskrimi-

" nators 80 demoduliert. Das Ausgangssignal des Diskrininators 80 wird parallel einem Bandpaß 82 mit der Frequenz to^, der dem Sendekanal 62' zugeordnet ist, und weiteren gleichartigen Bandpässen zugeführt, die auf die Frequenzen abgestimmt sind, die den übrigen, nicht dargestellten Sendekanälen zugeordnet sind. Wenn beispielsweise Kanäle 64' und 66' dargestellt wären, würde das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators 80 von Bandpässen mit den Frequenzen «~ ^^ ^x verarbeitet werden.

209838/0106

Das Ausgangssignal des Frequenzdiskriminators 80 enthält alle kennzeichnenden Frequenzen ⁶J mit einer zeitlichen Verzögerung, die der Länge des Sende-Empfangs-Weges für das empfangene Signal entspricht. Die Ausgangssignale der Bandpässe, wie das Ausgangssignal des dem Sendekanal 62' zugeordneten Bandpasses 82, könnten als Bezugssignal für den Phasendetektor des zugeordneten Kanales benutzt werden, also beispielsweise für den Phasendätektor 50su Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 wird jedoch das Ausgangssignal des Bandpasses zur Steuerung einer phasenverriegelten Schleife 84- benutzt, die einen Phasendetektor 86, ein Schleifenfilter 88 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 90 umfaßt. Der Phasendetektor 86 vergleicht die Phase zwischen dem Oszillator 90 und dem Ausgangssignal des Bandpasses 82. Das Ausgangssignal des Phasendetektors wird dann, nachdem es das Schleifenfilter 88 passiert hat, dazu benutzt, den spannungsgesteuerten Oszillator 90 derart einzustellen, daß dessen Frequenz und Phase das Signal des Filters 82 wiedergibt· Das Ausgangssignal des Oszillators 90 wird auch dem Phasendetektor 50a zugeführt, indem es als Bezugssignal für das empfangene, modulierte Signal mit der Frequenz Q^ benutzt wird, das dem Phasendetektor 50a über den Bandpaß 48a zugeführt wird·

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 50& wird zu dem Signal des Bezugsoszillators 52a mit Hilfe des Transformators 54a addiert· Das Summensignal'wird dann dem elektronisch, gesteuerten Phasenschieber 24a zugeführt,

209838/0106

um das ausgesendete Signal mit der kennzeichnenden Frequenz «,. phasenzumodulieren und den Mittelwert der Phasenlage des Kanales so einzustellen, daß die Energie dieses Kanales am Ziel 34- mit der Energie anderer, in Fig. 4 nicht dargestellter Sendekanäle in Phase ist.

Wie ersichtlich, arbeiten Anlagen nach der Erfindung auch mit einer getrennten oder sogar weit entfernten Empfangsapertur. Diese Eigenschaft ist bei manchen fc Anwendungen aus einer Anzahl von Gründen erwünscht, nicht zuletzt wegen der Ausschaltung von Rückstreuungsund Kreuzkopplungsproblemen, die solchen Systemen eigen sind, welche die gleiche Apertur zum Senden und Empfangen benutzen. Es können jedoch manchmal gewisse Einsparungen erzielt werden, wsnn sich die Sende- und Empfangseinrichtungen diese gleiche Apertur teilen, und es ist die Erfindung natürlich auch tai Bedarf an Anlagen mit gemeinsamer Sende- aid Empfangseinrichtung anpaßbar.

Bei manchen Anwendungen kann es erwünscht sein, die Größe der Empfangsapertur bis über die Kohärenzlänge auszudehnen, um das Signal-Rausch-Verhältnis für entfernte Ziele zu ver- W bessern. In solchen Fällen kann eine adaptive Regelung der Empfangsanordnung benutzt werden·

Eine Möglichkeit zur adaptiven Regelung des Empfangssystems in dem Fall, daß zum Senden und Empfangen die gleiche Apertur verwendet wird, würde darin bestehen, die Phasenfehlerinformation Sp, die dem System zur Phasensteuerung der Sendekanäle entzogen wird, in offener Schleife zur Korrektiv der Phasenfehler in den Empfangswegen

20983S/Q1Q·

zu benutzen. Eine solche Lösung ist jedoch mit dem Kachteil behaftet, daß das Sendesystem alle Phasenfehler in den Sendewegen, einschließlich in etwa verwendeten optischen Verstärkern, sowie in den sich an die Apertur anschließenden Strahlungswegen ausgleicht. Da weiterhin eine solche Lösung eine Linearität der Medien erfordert, ist sie auf kleine Pegel der ausgesendeten Leistung begrenzt.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein adaptiv geregeltes Empfangssystem mit einer getrennten Phasenmodulation mit kennzeichnenden Frequenzen zu verwenden, die analog zu dem oben beschriebenen Sendesystem jedem Empfangskanal zugeordnet sind. Ein solches Vorgehen erfordert jedoch die Verdopplung der Anzahl an Schwingfrequenzen beim Senden und erhöht infolgedessen das Problem möglicher Intermodulationen.

Eine Methode zur adaptiven Regelung einer Vielzahl von Empfangskanälen, die am besten an viele verschiedene Anwendungszwecke angepaßt werden kann, mißt die Phasendifferenz zwischen den ZF-Empfangskanälen und verwendet diese Differenz für eine solche Steuerung von Phasenschiebern in den Empfangskanälen, daß die Phasendifferenzen zwischen den Kanälen auf Null reduziert werden. Eine entsprechende Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. veranschaulicht. Die Anlage nach Fig. 5 weist eine Anzahl Empfangsaperturen 70a, 70b, 70c und 7Od auf, die der Empfangsapertur 70 der Anlagen nach den Fig. 3 und 4· entsprechen. In gleicher Weise sind in jedem Empfangskanal ZF-Verstärker 44a bis 44d vorhanden, die dem

209838/0106

ZF-Verstärker 44 der Anlagen nach den Fig. 3 und 4 entsprechen und in deren Bezugsziffern der Buchstabe den Kanal angibt, zu dem der ZF-Verstärker gehört. Bei der Ausfühimngsform nach Fig. 5 ist in jeden geregelten Kanal zwischen den ZF-Verstärker und eine folgende Summationsschaltung 94 ein Phasenschieber eingeschaltet, der von einer Kapazitätsdiode Gebrauch macht. Die Summationsschaltung 94 bildet die Summe der Empfangssignale, die vorher in den ZF-Bereich transformiert worden sind und deren Phase so eingestellt worden ist, daß diese Signale in Phase sind. Die Jeden geregelten Empfangskanal zugeordneten Phasenschieber sind mit der Bezugsζiffer 92 und dem den Kanal kennzeichnenden Buchstaben versehen. Ein Phasendetektor 96 vergleicht die Phasendifferenz zwischen den Kanälen d und a und steuert den Phasenschieber 92a in solcher Weise, daß diese Phasendifferenz zu Null wird. In gleicher V/eise bestimmt ein Phasendetektor 98 die Phasendifferenz zwischen den Kanälen b und d und steuert in Abhängigkeit von die-ser Phasendifferenz den Phasenschieber 92b. Ein Phasendetektor vergleicht die Kanäle c und d und steuert den Phasenschieber 92c. Demnach stellt die Schaltungsanordnung die Phase der empfangenen Signale so ein, daß eine Gleichphasigkeit besteht, bevor diese Signale der Summationsschaltung 94 zugeführt werden. Das Ausgangssignal der Summationsschaltung 94 kann dem Verbraucher 47, beispielsweise einem Darstellungs- oder Rechengerät, sowie dem Amplitudendemodulator 46 (Fig. 3), der die Regelschleifen der Sender speist, zugeführt werden.

Bei den bisher behandelten Ausführungsbeispielen wurde von einem Überlagerungsempfang (Mischer 40) Gebrauch

209838/0106

gemacht, weil im allgemeinen der Überlagerungsempfang bessere Ergebnisse liefert als wenn eine Videogleichrichtung ohne vorhergehende ZF-Verstärkung verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch auch bei einer nichtkohärenten Gleichrichtung anwendbar und in manchen Fällen, wie beispielsweise beim Auftreten hoher Dopplerverschiebungen, kann eine nichtkohärente Gleichrichtung vorzuziehen sein. So erfordert beispielsweise der Überlagerungsempfang, daß die Bandbreite der ZF-Kreise ausreichend ist, um die Dopplerverschiebungen aufzunehmen, oder es muß die Dopplerfrequenz vor Erreichen der ZF-Kreise aus dem System entfernt werden, beispielsweise mit Hilfe eines abstimmbaren Überlagerungsoszillators, der mit Hilfe einer geschlossenen Schleife so abgestimmt wird, daß das empfangene ZF-Spektrum zu einer ausgewählten Frequenz zentriert wird.

Bei den dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wurde die kennzeichnende Modulationsfrequenz &;_m von der gleichen Baueinheit aufgeprägt, nämlich dem Phasenschieber 24-, welche auch die Phasenkorrektur ß> ein— führt. Es versteht sich jedoch, daß für diese beiden Funktionen nicht die gleiche Einheit benutzt werden muß. Demnach kann die Phasenmodulation von einer elektronisch steuerbaren Einrichtung und die Phasenkorrektur zur Maximierung der Leistung am,Ziel von einer anderen Einrichtung aufgeprägt werden.

Bei Anwendungen, bei denen Ziele mit sehr geringen Winkelgeschwindigkeiten vorkommen, können die elektrisch steuerbaren Phasenschieber, wie das Element 24, von einem bekannten

20983S/0106

piezoelektrisch angetriebenen Reflektor Gebrauch machen. Ea wurde festgestellt, daß ein solcher Phasenschieber, der aus einem scheibenförmigen piezoelektrischen Material mit einem kleinen dünnen Spiegel vjdh etwa 5 vm Durchmesser besteht, der in der Mitte der Scheibe befestigt war, einen ausgedehnten Frequenzbereich aufweist, bevor mechanische Resonanzen störend werden. In Fällen, in denen die Phasenschieber eine Arbeitsfrequenz haben müssen, die oberhalb derjenigen liegt, die mit mechanisch oder piezoelektrisch angetriebenen Anordnungen noch gut erreichbar sind, können elektrooptische Phasenschieber benutzt werden·

Bei Anwendungen in dynamischen Systemen kann der optischen Strahleranordnung ein Ziel unter einem genau definierten Winkel und mit genau definierter Winkelgeschwindigkeit zugewiesen werden, Jedes der optischen Strahlungselemente der Strahleranordnung kann eine nicht dargestellte mechanisehe Lenkeinrichtung aufweisen, die in der Lage ist, autonom ihre eigenen Such- und Verfolgungsfunktionen auszuführen. Wenn die Genauigkeit der Achs aus richtung ausreichend hoch ist, kann eine Suche mit nur einem oder zweien der Sendekanäle vorgenommen werden. Wenn alle Elemente getrennt das Ziel aufgefaßt haben und das Ziel verfolgen, können die Regelschleifen zur adaptiven Phasensteuerung eingeschaltet und es kann mit der Bildung des adaptiven Strahlungsdiagrammes und der Zielverfolgung begonnen werden.

Bei einer in Fig, 6 dargestellten weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Energie vom Laser 12 elektronisch steuerbaren Phasenschiebern 24a bis 24c mit Hilfe von

209838/0106

Linsen 71 "und 73 zugeführt. Die Ausgangsstrahlen der Phasenschieber werden mit Hilfe von Linsen 75 "und 77 einem optischen leistungsverstärker 79 zugeführt· Die vom Verstärker 79 ausgehenden, verstärkten Strahlen werden dann von einem einzigen Sendefernrohr 81 abgestrahlt. Jeder dieser Strahlen ist mit einer anderen Frequenz co phasenmoduliert und in einer V/eise, die zu der oben anhand Fig. 3 beschriebenen Methode gleichartig ist, in Abhängigkeit von Signalen, die jedem der Phasenschieber von einer elektronischen Steuereinheit 83 zugeführt werden, adaptiv geregelt. Die Steuereinheit 83 umfaßt einen Empfangskanal, wie den Kanal 68 nach Fig. 3» sowie dem Empfangakanal zugeordnete Einrichtungen wie die Einheiten 48, 50, 52 und 54 nach Fig. 3. Von der Steuereinheit 83 können auch Phasensteuersignale für eine elektronische Abtastung geliefert werden, die den den Phasenschiebern 24· zugeführten Signale überlagert oder den Phasenschiebern abwechselnd zu diesen Signalen zugeführt werden. Obwohl im Interesse der Klarheit der Zeichnung nur eine einzige von der Steuereinheit 83 ausgehende Leitung gezeigt ist, versteht es sich, daß in Praxis ein Leitungspaar zwischen jedem der Phasenschieber und der Steuereinheit 83 vorgesehen sein muß. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Anzahl der benötigten optischen Hochleistungssender vermindert und es sind durch die Anwendung einer einzigen Sendeapertur die Probleme der Justierung der Strahlrichtung und der Winkelnachführung vermindert.

fis wurde demnach eine neue und verbesserte Sende-Empfangs-Anlage mit einer Strahleranordnung beschrieben, bei der zeitlich schwankende Störungen, wie beispiels-

209838/0106

weise Phasenschwankungen,.beim Senden auftreten. Die Wirkuhgen dieser Störungen werden beim Empfang festgestellt und zur Steuerung von Rückkopplungsschleifen benutzt, welche die Phasenlage in der Vielzahl von Sendekanälen so einstellen, daß die Energie am Ziel in Phase ist. Einige der Vorteile von nach der Erfindung ausgebildeten Anlagen bestehen darin, daß unmittelbar die Phasenkohärenz am Ziel gemessen wird, sowohl nichtkohärente als auch kohärente Empfangssysteme benutzt werden können, die Empfangsoptik an einem beliebigen Ort vorgesehen sein kann, wodurch Rückstreuungsund Kreuzkopplungsprobleme vermieden werden, die Aus= führungsform mit verteilter Bezugsgröße ein ausfallsicheres System in dem Sinne bildet, daß die Strahleranordnung im Falle des Versagens von einem·oder mehreren Strahlungskanälen mit den restlichen Kanälen korrekt arbeitet, und die die fokussierende Wirkung beweglicher Ziele wesentlich reduziert ist.

209838/0106

Claims

Pat ent ansprüche

Sende-Empfangs-Anlage mit einer aus einer Vielzahl adaptiv phasengesteuerter Strahlungselemente "bestehenden Strahleranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Modulationseinrichtung (24) zur Modulation der von den einzelnen Strahlungselementen (14) ausgesendeten Strahlen und eine Steuereinrichtung umfaßt, die auf die Modulationskomponenten in dem empfangenen Teil der von einem Ziel (34) reflektierten Energie anspricht und die relative Phasenlage der verschiedenen ausgesendeten Strahlen derart einstellt, daß die elektromagnetischen Felder dieser Strahlen am Ziel im wesentlichen in Phase sind.

Anlage nach.Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Vielzahl von Steuerkreisen (48, 50, 52, 54, 24) umfaßt, von denen jeder einem anderen der ausgesandten Strahlen zugeordnet ist und eine Einrichtung (24) zu einer solchen Einstellung der mittleren Phasenlage des zugeordneten Strahles aufweist, daß sie mit der Phase der Gesamtheit der anderen Strahlen wenigstens annähernd in Phase ist.

Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (20, 16) zur Aussenden eines Bezugsstrahles elektromagnetischer Energie umfaßt und die Steuereinrichtung (48, 50, 54, 24) eine solche Einstellung der Phase jedes der modulierten Strahlen bewirkt, daß deren elektromagnetische Felder am Ziel mit dem Feld des Bezugsstrahles im wesentlichen in Phase sind·

209838/0106

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung (24) jedem der Strahlen eine Phasenmodulation mit einer anderen Modulationsfrequenz erteilt.

5· Anlage nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Steuerkreise einen auf die Modulationsfrequenz des zugeordneten

fc Strahles abgestimmten Bandpaß (48) enthält, dem

von einer Amplitudenmodulation der empfangenen Energie abgeleitete Signalkomponenten zugeführt werden.

6. Anlage nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkreise je einen Phasendetektor (50) enthalten, der einen mit dem Ausgang des Bandpasses (48) des gleichen Steuerkreises gekoppelten Signaleingang und einen Bezugseingang aufweist, dem ein Bezugssignal mit. der Modulationsfrequenz des betreffenden Strahles zugeführt wird.

w · 7· Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulations einrichtung für jeden Strahl einen anderen, die Modulationsfrequenz bestimmenden Bezugsoszillator (52) aufweist und der Bezugseingang jedes Phasendetektors (50) mit dem zugeordneten Bezugsoszillator (52) gekoppelt ist.

8. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Steuerkreis einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber (24) enthält, der in den

209838/0106

Übertragungsweg des zugeordneten Strahles eingeschaltet ist und dessen Steuereingang das Ausgangssignal des Phasendetektors (50) zugeführt wird.

9· Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Sendeeinrichtung mindestens einen Laser (12) umfaßt und eine Anzahl Strahlen kohärenten Lichtes erzeugt und im Weg ^edes Lichtstrahles ein elektronisch steuerbarer, optischer Phasenschieber (24) angeordnet ist.

10. Anlage nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber von einer elektro-optischen Anordnung gebildet wird, die zur Erzeugung der Phasenmodulation mit dem zugeordneten Bezugsoszillator (52) und zur Einstellung der mittleren Phase des Strahles mit dem Ausgang des zugeordneten Phasendetektors (50) elektrisch gekoppelt ist.

11· Anlage nach Anspruch 10,' dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenschieber (24·) von einem piezoelektrisch angetriebenen Spiegel gebildet wird.

12. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangs system eine Anzahl von Empfangskanälen und Einrichtungen (96, 98, 100) zum Feststellen der Phasendifferenzen zwischen den Signalen in diesen Empfangskanälen sowie Einrichtungen (92) zur Einstellung der Phasenverzögerung innerhalb der Kanäle zur Reduzierung der Phasendifferenzen auf Null umfaßt.

209838/0106