DE2321118B2

DE2321118B2 - Sende-Empfangs-Anlage für kohärentes Licht mit optischen Phasenschiebern zur Strahlausrichtung

Info

Publication number: DE2321118B2
Application number: DE2321118A
Authority: DE
Inventors: Thomas R. Malibu Calif. O'meara (V.St.A.)
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-26
Publication date: 1974-06-27
Also published as: IT984914B; FR2183920A1; FR2183920B1; US3764213A; JPS4949556A; DE2321118C3; JPS5630980B2; IL42054A0; SE388700B; GB1362155A; DE2321118A1; IL42054A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Empfangs-Anlage mil einem I^asersender zur Erzeugung eines Strahles kohärenten Lichtes, einem Fernrohr zum Ausrichten des Strahles auf ein Ziel, mehreren zwischen dem Laserseiukr und dem Fernrohr angeordneten parallelen optischen Pfaden, die alle, bis auf höchstens einen, elektronisch steuerbare optische Phasenschieber enthalten, denen von einer Modulationseinrichtung 1 reibe rsignale unterschiedlicher Frequenz /.uführbar sind, einer optischen Einrichtung zum Empfang und /ur Umwandlung eines Teiles des vom Ziel reflektierten Lichtes in elektrische Signale und einer Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den ihr /!!geführten elektrischen Signalen die mittlere

Phasenlage jedes Phasenschiebers derart einstellt, daß das Ziel von einem maximalen Anteil des ausgesendeten Lichtes getroffen wird.

Eine solche Sende-Empfangs-Anlage wurde in der alteren Patentanmeldung P 2157485.6-35 vorgeschlagen. Bei der vorgeschlagenen Sende-Empfangs-Anlage weist das vom Ziel reflektierte Licht eine der aufgeprägten Phasenmodulation entsprechende Amplitudenmodulation auf, wenn die Phasenlage des Anteils des Strahles des kohärenten Lichtes im Ziel von der Soliphasenlage abweicht, und es wird die mittlere Phasenlage mittels Phasenschieber derart eingestellt, daß die Amplitudenmodulation der entsprechenden Anteile des empfangenen Lichtes mit der Frequenz der Phasenmodulation zu Null wird.

Bei der vorgeschlagenen Sende-Empfangs-Anlage schließt die Rückkopplungsschleife, die zur Erzeugung der Steuersignale für die Phasenschieber dient, den Signalweg hin zum Ziel und zurück vom Ziel ein. Daher arbeitet die vorgeschlagene Anlage zwar in all den Fällen gut, in denen sich die atmosphärischen Zustände in bezug auf die Signallaufzeit nur langsam ändern, jedoch gibt es manche Anwendungen für solche Sende-Empfangs-Anlagen mit extrem weit entfernten Zielen, bei denen das Gegenteil der Fall ist. Insbesondere können auch die atmosphärischen Zustände dadurch sehr schnelle Änderungen erfahren, daß eine schnelle Strahlschwenkung stattfindet oder die Strahlungsquelle oder das Ziel Turbulenzen erzeugt. Daher können, wenn die vorgeschlagene Sendc-Empfangs-Anlage für solche Zwecke angewendet wird die zur Steuerung der Phasenlage des ausgesendeten Signals dienenden Steuersignale zu spät kommen, um die jeweils herrschenden atmosphärischen Bedingungen y.u korngieren.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorgeschlagene Sende-Empfangs-Anlage derart weiterzubilden, daß sie auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen sich die Ziele in sehr großen Entfernungen befinden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelost, daß die Empfangseinrichtung die zwischen Lasersender und Fernrohr angeordneten optischen Pfade mit den Phasenschiebern umfaßt, so daß dem Strahl ues empfangenen Lichtes eine räumliche Modulation erteilt wird, daß die Empfangseinrichtung weiterhin eine Bildebene aufweist, in der eine Blende mit einer kleinen Öffnung angeordnet ist, daß hinter dei Öffnung cm die elektrischen Signale erzeugender Detektor angeordnet ist, dessen Ausgangssignale für die Intensität der die Öffnung der Blende passierenden, durch die Phasenmodulation gekennzeichneten Anteile der empfangenen Energie charakteristisch sind, und daß die Steuereinrichtunp die mittlere Phasenlage der Phasenschieber dciart einstellt, daß das fokussicrte Bild auf die Öffnunc tier Blende zentriert

Lei da eriindungsjiemaßen Sende--Empfangs-An-Iagc wird also da* mmi dem Empfangssignal abgeleitete Skuersignai da/u benutzt, die Phasenschieber >>o zu \cisU lieu, daß das Empfangssignal optimalen BcJm mnmen gehorcht. Dabei der erfindungsji' .-maßen Anlagt das Steuersignal nicht die l'hasenteluei de* aus gesendeten Signals, sondern des empfangenen Signals konigieit. enthalt die Rückkopphnigssehletfe nicht den Signalweg zum und vom Ziel, so daß die Rück kopplunpischlcife sehr schnell arbeiten, und Jahci auch auf -ich sehr schnell ändernd;: atmosphäi'schc Bedingungen ansprechen kann.

Beider erfindungsgemäßen Sende-Empfangs-Anibge handelt es sich also um ein System, bei dem die relative Phasenlage einer Vielzahl von Teiistrahlen ei-

nes Sendestrahles so eingestellt wird, daß die abgestrahlte Energie am Ziel ein Maximum erreicht. Zu diesem Zweck wird die empfangene Energie in ausgewählten Teilstrahlen zugeordneten Kanälen mit verschiedenen Frequenzen oder mit Signalen verschiedene ner Form phasenmoduliert und dann durch die Öffnung der in der Bildebene angeordneter Blende auf einen Detektor fokussiert. Die Öffnung der Blende hat etwa die Größe eines Beugungsscheibchens in der Bildebene, und es erzeugt die Phasenmodulation der empfangenen Energie eine räumliche Modulation des empfangenen Strahls in bezug auf die Blendenöffnung. Auf diese Weise werden im Ausgangssigna] des Detektors Modulationskomponenten erzeugt, die für die relativen Phasenfehler charakteristisch sind, die jedem der Teilstrahlkanäle zugeordnet sind. Da die in jedem der Teilstrahlkanäle empfangene Energie ein Zeichen trägt, beispielsweise ihre Modulai ionsfrequenz, ist eine Trennung der Modulationskomponenten in Steuersignale möglich, von denen jedes genau einem Teilstrahlkanal zugeordnet ist. Diese Modulationskomponenten werden dann dazu benutzt, die veränderbaren Phasenschieber zu steuern, die in dem gemeinsamen Sende- und Empfangspfad der ausgewählten Teilstrahlkanäle angeordnet sind, so daß das empfangene fokussierte Bild in der Öffnung der Blende zentriert und die Bildspreizung auf ein Minimum reduziert wird. Da auch die ausgesendete Energie die veränderbaren Phasenschieber passiert, werden auf diese Weise auch Phasenfehler des ausgesendeten Signals korrigiert, die durch Störungen bedingt sind, die an dem empfangenen Signal festgestellt wurden, und es wird daher auch dem Ziel eine maximale Energie zugeführt.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispicle. Es reigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Sende-Empfangs Anlage nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeildiagramm von Signalspannungen/ur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtungen zur Signalverarbeitung der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Intensitätsverteilung der empfangenen Energie in der Bildebene der Anlage nach Fig. 1.

Fig. 4 ein Diagramm des Phasenmodulationssignals für einen ausgewählten ! eüstrahlkanal und des auf (!rund der Phasenmodulation erhaltenen Ausgangssignals des Detektors ?-jr Erläuterung tier Wirkungswei^e der erfindungsgemäßen Anlage,

Γ ie. 5 ein vereinfachte"; Blockschaltbild eines Teiles dei Anlage nach Fig. 1 und

! i ι',. (S und 6 a ein Blockschaltbild einer zweiter Send·-. Empfangs-Anlage nach det Erfindung, die eint

-'.- zusätzliche Einrichtung zum Suchen und Auffasset eine:, Zieh, s enthält.

Die Sende-Empfangs-Anhüc n;:eh Γ ι μ. i weist ei !!cn Last vsender 10 auf. der einen Ausganps-Hnergie impels liefert, der. durch eine Linse M geformt, ai fr, einem Stialilteüer 14 reflektiert, '.'on einer Linse 1< gesammelt unci dann Tcil«!rahlV;^;r;:ik'n 18. 20 und 7.'. /.!!!'.efiihri '-.cird. Per l.aserscndei If! wird durch cinci Ί - !'.'!---'rimpuN ' a'.isivK'st <.'■■- vor: :·^;η·τ>ι nicht dnrge

stellten Steuergerät geliefert wird.

Die Teilstrahlkanäle 18, 20 und 22 einhalten jeweils einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber 24 bzw. 26 bzw. 28. Die Gruppe der Phasenschieber ist mit 30 bezeichnet. Um der Einfachheit der Darstellung willen sind nur drei TciKtiahlkaniile dargestellt, von denen der Teilstrahlkanal 18 als Bczugskanal dient und die Teilstrahlkanäle 20 und 22 gesteuert sind. Fs versteht sich jedoch, daß in typischen Systemen Hunderte solcher gesteuerter Teilstrahlkanäle vorhanden sein können. Der Phasenschieber 24 in dem Bezugskanal 18 ist nicht elektronisch gesteuert, sondern nur vorgesehen, um alle Teilstrahlkanäle gleich auszubilden und dadurch Phasenänderungen zwischen den verschiedenen Kanälen zu reduzieren, die beispielsweise auf Temperatureffektc zurückgeführt werden können.

Die elektronisch steuerbaren Phasenschieber können eine zweidimensionale Gruppe aus elektrooptischen Stäben bilden, von denen jeder Stab in einem Teilsiramkanal angeordnet ist. Die elektrooptischen Stäbe können dann beispielsweise aus Cadmiumtellurid bestehen. Bei einer mit einer Wellenlänge von 3,5 μπι arbeitenden Anlage wurden Stäbe von etwa 2 cm Länge bei Anlegen einer Spannung von etwa 750 V eine Phasenverschiebung von 180° bewirken. Statt dessen könnten die elektronisch steuerbaren Phasenschieber in bekannter Weise auch durch elektromechanisch angetriebene Spiegelanordnungen gebiidet werden.

Die Ausgangsstrahlen der Phasenschiebergruppe 30 werden entsprechenden Teilstrahlabschriiten eines Fernrohrs 32 zugeführt, bei dem es sich um ein Cassegrain-Teleskop handeln kann, und dann auf ein Ziel 34 abgestrahlt.

Ein Teil der vom Ziel 34 reflektierten Energie wird von dem Fernrohr 32 wieder empfangen und durch die Phasenschiebergruppe 30 weitergeleitet. Während des Empfangsbetriebs wird jedoch allen Phasenschiebern der Gruppe 30, bis auf einen Phasenschieber, eine Phasenmodulation zugeführt, und es wird jeder Phasenschieber mit einer deutlich anderen Frequenz oder einem Signal deutlich anderer Form betrieben. Bei der in F i g. 1 dargestellten Anlage erzeugt ein Oszillator 36 eine Spannung mit einer Frequenz ω,, die über ein Tor 38 dem Phasenschieber 28 zugeführt wird. Entsprechend erzeugt ein Oszillator 40 eine Spannung mit einer Frequenz ω₂, die über ein Tor 42 dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 zugeführt wird. Die Tore 38 und 42 werden von einem Entfernungstorsignal so gesteuert, daß die zur Phasenmodulation dienenden Treibersignale, die im folgenden auch als «>,- und o>₂-Signale bezeichnet werden, nur während der voraussichtlichen Empfangsperiode für das vom Ziel 34 reflektierte Signal zugeführt werden. Das Entfernungstorsignal RG wird von einem nicht näher dargestellten Entfernungsmeßteil der Anlage geliefert. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, daß die Ausgangssignale der Oszillatoren 36 und 40 durch ein EntTernungstorsignal gesteuert werden, ist es bei Weitbereichsystemen vorteilhaft, wenn die Modulations-Treibersignale den elektronisch steuerbaren Phasenschiebern nicht während der Sendeperiode zugeführt werden. Die Amplitude der ω,- und ü)₂-Signale wird so gewählt, daß die durch die Phasenschieber 28 und 26 übertragenen Teilstrahlen mit geringem Index phasenmoduliert werden, beispielsweise mit ±30 bis ±60°.

Während des Empfangsbclriebs durchlaufen die Ausgangssignale der Phasenschiebergruppe 30 die Linse 16 und den Strahlteiler 14. Der Teil dieser Signale, der durch die Öffnung 44 einer sich in der BiIdebene befindenden Blende 46 hindurchtritt, fällt auf einen Detektor 48. Die Öffnung 44 hat etwa die Größe einer Beugungsscheibe oder eines beugungsbegrenzlen Punktes des freien Raumes, der in die Ebene der Blende 46 abgebildet wird.

ίο Fig. 3 veranschaulicht die Intensität der empfangenen Energie in der Ebene der Blende 46 bei verschiedenen Phasenbeziehungen des empfangenen Signals. Um die Behandlung der Fig. 3 zu vereinfachen, sei angenommen, daß nur die durch die Teilslrahlkanälc 18 und 22 passierende Energie im Spiel ist. Dabei wird das, Signal des Teilstrahlkanals 18 ais das Bezughsignal und das Signal des Kanals 22 als modulierter oder gekennzeichneter Teil des in tier Ebene 46 erzeugten Bildes betrachtet. Es versteht sich jedoch, daß bei einei verwirklichten Anlage nach der Erfindung jede beliebige Anzahl von modulierten Teilstrahlkanälen gleichzeitig verarbeitet werden kann.

Die in Fig. 3 dargestellte Kurvenschar 48 veranschaulicht die Intensitätsverteilung des Bildes in der Ebene 46 bei verschiedenem Phasenbeziehungen des das Bild erzeugenden Signal·,. Die Kurve 50 in Fi g. 4 veranschaulicht die Modulationsspannung «>,. die dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 28 des Teilgruppenkanals 22 zugeführt wird. Zur Zeit f„ in bezug auf die Modulationsspannung gibt die Intensilätsverteilungskurve t_a der Kurvenschar 48 den Phasenzustand an. bei dem das Bild zu Beginn gegenüber der öffnung 44 nach links versetzt ist. Wenn eine positive Modulationsspannung, die der Phasenschiebergruppe 30 zugeführt wird, die Wirkung hat, daß das Bild in Fi g. 3 nach rechts verschoben wird, dann wird während der ersten Halbperiode des Modulationssignals ω, das Bild so verschoben, daß die öff-

4.0 nung 44 mehr Energie passiert. Das Energiemaximum erscheint zur Zeit f,. Die Fteziehung des Bildes zur

öffnung 44 zur Zeit Z₁ ist durch die Intensitätsverteilungskurve f, der Kurvenschar 48 angegeben.

Entsprechend wird während der zweiten Halbperiode des Signals o>, das Bild nach links verschoben. Die maximale Verschiebung zur Zeit r, ist durch die Intensitätsverteilungskurve f- der Kurvenschar 48 in Fi g. 3 angegeben.

Die Größe des Ausgangssignak des Detektors 48.

die den gerade beschriebenen und durch die Kurvenschar 48 in Fig. 3 wiedergegebenen Phasenverhältnissen entspricht, ist durch die Kurse 52 in F i g. 4 wiedergegeben. Es ist ersichtlich, daß die Intensität des Ausgangssignals zunimmt. bis die positive Auswande rung des Bildes zur Zeit f, erreicht ist, und dann das Ausgangssignal an Intensität abnimmt, bis es kun hinter der Zeit r, einen Wert von nahezu Null annimmt.

Die Situation, die sich einstellt, wenn das Bild ursprünglich, also ohne Phasenmodulation, gegenübei der Öffnung 44 nach rechts verschoben ist, wird durcr die Kurvenschar 54 in Fi g. 3 wiedergegeben. Das zugeordnete Ausgangssignal des Detektors 48 zeigt die Kurve 56 in Fig. 4. Wie die Kurvenschar 54in Fig.:

zeigt, wird das Bild von seiner rechts der öffnung 4^ gelegenen Stelle zur Zeit r„ während der positive! Halbperiode der Modulationsspannung ω, bis zu eine maximalen Lage zur Zeit r, nach rechts verschoben

(t

Während der negativen Halbperiode der Modulationsspannung ω, wird das OiId nach links verschoben und erreicht seine Extremstellung in dieser Richtung zu der Zeit r₃.

Aus den Kurven 52 und 56 in Fi g. 4 ist ersichtlich. daß das durch diese beiden Kurven wiedergegebene Signa! einen sehr hohen Energieanteil mit der Modulationsfrequenz ω_χ aufweist. Dabei ist dieser Energie-•nteil des Signals 52 mit dem Modulationssignal in Phase, wogegen der entsprechende Energieanteil des Signals 56 zu dem Modulationssignal gegcnphasig ist

Die Kurve f„ der in Fig. 3 dargestellten Kurvenfichar 58 veranschaulicht die Situation, wenn ursprünglich, also ohne Phasenmodulation, das Bild in der Ebene 46 fokussiert und infolgedessen zur Öffnung 44 zentriert ist. Es ist dann eine schmale Intensitätsverteilung mit ausgeprägtem Maximum vorhanden. Während der positiven Halbperiode des Modulationssignals ω, wird das Bild nach rechts verschoben, wie es durch die Intensitätsverteilungskurve I₁ angezeigt wird. Während der negativen Halbperiode erfolgt die Verschiebung nach links, wie es die Kurve t, der Kurvenschar 58 zeigt. Für die durch die Kurvenschar 58 veranschaulichte Situation hai das Ausgangssignal des Detektors 48 die durch die Kurve 60in Fig. 4 wiedergegebene Form. Es ist ersichtlich. daß im Fall eines fokussierten Empfangssignals die Variationen im Ausgangssignal des Detektors 48 die doppelte Frequenz des Modulationssignals, also die Frequenz 2O)₁, haben und daß der Energiegehalt mit der Frequenz des Modulationssignals u>, sehr gering ist.

Infolgedessen erzeugt der Detektor 48 Ausgangssignale, die nicht nur für die Größe des Phasenfehlers eines gegebenen Teilstrahlkanals charakteristisch sind, sondern auch die Richtung des Phasenfehlers angeben. Die Richtung des Phasenfehlers ergibt sich aus der relativen l'hasenlage des Detektorsignals in bezug auf die Modulationsspannung, wie es die Kurven 52 und 56 zeigen. Weiterhin kann der Zustand der einwandfreien Fokussierung nicht nur dadurch festgestellt werden, daß das Ausgangssignal des Detektors 48 einen minimalen Energieanteil mit der Modulationsfrequenz aufweist, sondern auch durch ein Anwachsen der Modulationskomponente mit dem doppelten der Modulationsfrequenz.

Wie aus dem in Fi g. 5 gesondert dargestellten Teil der Anlage nach Fi g. 1 hervorgeht, wird die vom Ziel 34 reflektierte Energie im Vergleich zu dem Signal, das dem Teüstrahlkanal 18 zugeordnet ist, nahe dem Fernrohr 32 um unterschiedliche Beträge verzögert. Die resultierenden Verzerrungen, die mit den Anteilen des Strahles verknüpft sind, die in den Teilstrahlkanälen 22 und 20 verarbeitet werden, sind mit A Ψ_{ und Δ Ψ₂ bezeichnet. Es sei erwähnt, daß der Anteil des Strahles, der von dem Teüstrahlkanal 18 verarbeitet wird, als Phasenbezugssignal benutzt wird. Zur einwandfreien Fokussierung des Zielbildes an der Blende 46 müssen die elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 und 28 auf entgegengesetzt gleiche Werte wie diejenigen eingestellt werden, die durch die Störungen verursacht werden. Wenn demnach die Werte der Phasenschieber 28 und 26 auf Werte Δ Φ, und ΔΦ₂ eingestellt werden, die den gleichen, aber negativen Betrag der Phasenverterrungen Δ Ψ, und Δ Ψ₇ haben, wird das Bild auf die öffnung 44 fokussiert sein. In Fig. 5 sind die Reflexionseigenschaften des Zieles 34 durch eine Kurve 62 dargestellt. Wie die Maxima 62α, 62h, 62c und 'bid dieser Kurve zeigen, hat das Ziel Stellen eines maximalen Reflexionsvermögens, also besonders helle Stellen. Die Energieverteilung in der Bildebene 46 für den Fall, daß die Teile des Strahles, die den ein/einen Teilstrahlkanälen zugeordnet find, hinsichtlich ihrer Phasenlage durch die Gruppe 30 der Phasenschieber nicht richtig kompensiert sind, also A o\ = — Δ ^lP_k, ist durch die gestrichelte Kurve 64 angedeutet. Die Energieverteilung für den Fall, daß ΔΦ, = -^Y\. der Strahl also kompensiert und fokussiert ist, wird dagegen durch die ausgezogene Kurve 66 dargestellt. Es sei bemerkt, daß fur jede helle Stelle des Zieles 34 eine entsprechende Intensitätsverteilung in der Bildebene 46 existiert und daß nur eine dieser hellen Stellen fur das hier beschriebene Steuersystem benutzt zu werden braucht. Obwohl also während der Behandlung der Fi g. 3 und 4 angenommen worden war, daß die empfangene Energie von einem sehr kleinen diskreten Ziel stammt, ist die erfindungsgeniäße Anlage auch bei ausgedehnten Zielen anwendbar, die helle Stellen haben, die heim Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage kleinen diskreten Zielen funktionell äquivalent sind. Wie das Blockschaltbild nach Fi g 1 zeigt, wird das

»5 Ausgangssignal des Detektors 48 parallelen Teilslrahl-Verarbeitungs- und Stciierkanälen zugeführt, die mil den gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugsziffern bezeichnet sind wie die die Phasenschieber enthaltenden Teilstrahlkanäle. Der Verarbcitungs- und Steuerkanal 22' enthält ein Bandpaßfiltcr 70. das auf die Frequenz ω_{ abgestimmt ist, einen Phasendetektor 72, ein Tor 74, einen Integrator 76 und einen Summierkreis 78. Der Phasendetektor erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Funktion der Am-

plitude des zugeführten Eingangssignal und des Phasenwinkels zwischen dem Eingangssignal und einem Bezugssignal ist. Das Ausgangssignal des Filters 70 mit der Frequenz ω, wird in dem Phasendetektor 72 mit dem vom Oszillator 36 zugeführten Modulations-

+0 signal ω, verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 72 ist für die Größe und die Richtung des Phasenfehlers im Teilstrahlkanal 22 charakteristisch und wird über das Tor 74 und den Integrator 76 dem Summierkreis 78 zugeführt. Dem Summierkreis 78 wird ein zweites Eingangssignal von einem Abtast- und Haltekreis 80 zugeführt. Dieser Abtast- und Haltekreis wird von einem zweiten Abtast- und Haltekreis 82 laufend auf den neuesten Stand gebracht.
Taktsignale für die Steuer- und Verarbeitungska-

näle 20' und 22' werden von einer Schaltungsanordnung geliefert, die ein UND-Glied 84, eine Differenzierstufe 86, eine auch als Monoflop bezeichnete monostabile Kippstufe 88 und eine zweite Differen zierstufe 90 umfaßt. Im Betrieb dieser Schaltungsan Ordnung wird das Ausgangssignal des Detektors 41 zusammen mit dem Entfernungstorsignal dem UND Glied 84 zugeführt, so daß am Ausgang des UND Gliedes ein gesteuerter Bildimpuls GIP erscheint. De Videoimpuls /P, das Entfernungstorsignal RG um der gesteuerte Videoimpuls GIP sind in Fi g. 2 durci die Kurven 92, 94 und 96 dargestellt. Die Differen zierstufe 86 differenziert das gesteuerte Videosigni und erzeugt an dessen Vorderflanke einen positive Impuls LE und an dessen Rückflanke einen negative Impuls TE. Das Monoflop 88 spricht auf den positive Impuls LE der Differenzierstufe an und wird durc diesen positiven Impuls veranlaßt, einen Ausgangsiir puls zu erzeugen, der durch die Kurve 100 in Fig.

409 526/2

dargestellt ist und dessen Dauer etwas geringer ist ais <|ie minimale Breite des Videoimpulses, die durch die Breite des Sendeimpulses bestimmt ist. Das Aus-Sangssignal des monostabilen Multivibrators 88 wird urch die zweite Differenzierstufe 90 verarbeitet, die im Ende des Impulses 100 des Monoflop 88 einen negativen Impuls SP erzeugt, der als Ablastimpuls dem Abtast- und Haltekrcis 82 zugeführt wird. Beim Auftreten des Abtastimpulses ermittelt der Abtast und Haltekreis 82 den Wert am Ausgang des Summierkreises 78 und speichert diesen Wert. Das Ausgangssignal der ersten Differenzierstufe 86 wird auch dem Abtast- und Haltekrcis 80 zugeführt, dessen Inhalt bei dem negativen Impuls TE dadurch berichtigt wird, daß er den Wert von dem anderen Abtast- und Haltekreis 82 übernimmt. Das Tor 74 wird von dem gesteuerten Videoimpuls geöffnet, der von dem UND-Glied 84 erzeugt wird, und es wird der Integrator 76 von dem negativen Impuls TE des Ausgangssignals DP der ersten Differenzierstufe 86 gelöscht, also auf Null gestellt.

Im Betrieb des Verarbeitungs- und Sleuerkanals 22' wird die Signalkomponente mit der Modulationsfrequenz (Oi vom Detektor 48 über das Filter 70 dem Phasendetektor 72zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 72 wird während der Dauer des gesteuerten Videosignals im Integrator 76 integriert. Das Ausgangssignal des Integrators 76 wird im Summierkreis 78 mit dem Signal kombiniert, das sich im Abtast- und Haltekreis 80 vom vorhergehenden Verarbeitungszyklus her befindet. Daher ist das Signal am Ausgang des Summierkreises 78 der richtige Wert für das Steuersignal, um dem Teilstrahlkanal 22 eine Phasenkorrektur ΔΦ_Χ zu erteilen.

Während des ersten Teiles des Empfangsintervalls erzeugt die Modulation des Phasenschiebers 28 mit der Frequenz ω, eine Moduiationskomponenie mit dieser Frequenz, wenn ein Phasenfehler existiert. Diese Modulationskomponente wird durch den Verarbeitungs- und Steuerkanal 22' übertragen, so daß vor Abschluß der Empfangsperiode das Ausgangssignal des Summierers 78 einen solchen Wert hat, daß Δ Φ, gleich -Δ W₁ ist (siehe F ig. 5). Vor Beendigung des empfangenen Impulses löst der Abtastimpuls SP den Abtast- und Haltekreis 82 aus, so daß dieser Abtast- und Haltekreis den Korrekturwert vom Ausgang des Summierers 78 aufnimmt. Kurz danach wird zur Zeit der Rückflanke des gesteuerten Bildsignals durch den Impuls TE der im Abiast- und Haltekreis 82 gespeicherte Wert auf den Abtast- und Haltekreis 80 übertragen, wo er gespeichert bleibt, bis er wahrend des folgenden Korrekturzyklus berichtigt wird.

Der Steuer- und Verarbeitungskanai 20' ist hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Wirkungsweise mit dem gerade beschriebenen Kanal 22' identisch Daher wurden den entsprechenden Bauteilen die gleichen, jedoch mit einem nachgestellten α versehenen Bezugsziffern gegeben wie den Bauteilen im Kanal 22'.

Es ist wichtig, daran zu erinnern, daß eines der Hauptziele der Erfindung darin besteht, die Phase der einzelnen Teilstrahlkanäle so einzustellen, daß die ausgesendete Energie am Ziel ein Maximum ist. Es is! offensichtlich, daß während der Sendeperioden die Teilstrahlkanäle auf der, richtigen Phasenwert eingestellt worden sind, um die Phasenstörungen zu kom pensieren, die beispielsweise in der Atmosphäre vor dem Fernrohr 32 vorliegen. Der Sendeimpuls kann auftreten, sobald die durch die Signalverarbeitung bedingten Ausgleichsvorgänge abgeklungen sind, also kurz nach dem Impuls TE. Infolgedessen ist die Einstellung der Phasenschiebergruppe 30 noch güllin. weil die Feststellung und Korrektur der Störungen unmittelbar vor Beginn der Sendeperiode erfolgt, so daß die Phasenschiebergruppe 30 auch die Störungen angemessen kompensiert, die von dem Sendesignal angetroffen werden.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausfühiungsform der Erfindung ist in den Fig. 6 und 6a dargestellt. Diejenigen Bauelemente und oder Baugruppen, welche die gleichen Funktionen haben wie die Elemente und Baugruppen der Ausfuhrungsform nach Fig. 1, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen worden. Beispielsweise entspricht der optische Sende- und Empfangs-Hauptweg im oberen Teil der Fig. 6 dem an Hand F ig. 1 beschriebenen, abgesehen davon, daß zwischen der Phasenschiebergruppe 30 und dem Fernrohr 32 noch ein Laser-Leistungsverstärker 102 angeordnet ist. Außerdem ist zwischen der Phasenschiebergruppe 30 und dem Leistungsverstärker 102 ein zweiter Strahlteiler 104 angeordnet. Weiterhin ist zwischen der Blende 46 in de r Bildebene und dem Detektor 48 ein durch das Entfei nungstorsignal gesteuerter parametrischer Verstarker 106 angeordnet, dessen Ausgangssignal eine höhere Frequenz hat als dessen Eingangssignal. Die Funktion des Verstärkers 106 besteht darin, den Detektorwirkungsgrad zu erhöhen und den Detektor 48 während der Sende-

so periode zu isolieren.

Der funktioneile Hauptunterschied /wischen der Ausfuhrungsform nach den Fig. 6 und 6a und der Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß das System nach den Fig. 6 und 6a einen Suchbetrien ermöglicht, der ein erstes Anstrahlen eines bezeichneten Zieles erleichtert. Der Suchbetrieb wird durch das Zuführen eines Suchbefehls zum Stelleingang eines Flipflop 108 eingeleitet, der in der Mitte unten der Fig. 6a dargestellt ist. Auf diesen Suchbefehl erzeugt das Flipflop 108 an seinem O-Ausgang ein Suchtorsignal SMG. Das Suchtorsignal SMG wird mit dem Sendesynchronisationsimpuls f, in einem LiN D-Glied 110kombiniert, das in Fig. 6 rechts unten dargestellt ist und dessen Ausgangssignal zum Öffnen von Toren 112 und 114 dient. Das geöffnete Tor 112 übertragt ein Phasenmodulationssignal mit der Frequenz (O₁ an den elektronisch steuerbaren Phasenschieber 28. Das geöffnete Tor 114 übertragt ein Phasenmodulationssignal mit einer Frequenz ω an den elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26.

Die Wirkung der Modulationssignale αϊ, und ω^ aui den Betrieb der Phasenschiebergruppe 30 ist die gleiche wie diejenige der Signale ω, und ω,, die ober fur die Empfangsperiode beschrieben worden ist. Ei ist jedoch zu beachten, daß die Signale ω, und ω nui wahrend der Seudeperiode zugeführt werden und der Zweck haben, dem Sendestrahl eine raumliche Modulation zu erteilen. Der räumlich modulierte Sende strahl wird am Strahlteiler 104 reflektiert und durcl eine Linse 120 fokussiert. Die Linse 120 ist so ange ordnet, daß bei Einfall einer ebenen, also von Phasen fehlern freien Welle der Strahl von der Linse auf dii Öffnung 122 einer Blende 124 fokussiert werdei würde. Wenn der einfallende Strahl nicht richtig fo kussiert ist, enthält das Ausgangssignal eines Detek tors 126, der hinter der Blende 124 angeordnet isi Modulationskomponenten mit den Frequenzen u, und <u_y. Diese letztgenannten Modulationskornpc

nenten sind das Ergebnis einer räumlichen Modulation des Strahles über der Öffnung 122 nach den gleichen Prinzipien, die oben an Hand der Fig. 3 und 4 behandelt worden sind.

Das Ausgangssignal des Detektors 126 wird über ein Tor 128 dem Eingang eines Bandpaß-Filters 130 zugeführt, das auf die Frequenz ω_ν abgestimmt ist. Das Tor 128 wird durch den Seride'synchronisationsfcnpuls /, geöffnet, so daß die folgenden Schaltungsan-Grdnungcn nur während der Sendeperiode aktiv sind. Das Ausgangssignal des Filters 130 ist für den Phasenfehler charakteristisch, der dem den Phasenschieber Ϊ6 passierenden Teilstrahl anhaftet. Das Ausgansjssignal des Filters 130 wird in einem Phasendetektor 132 mit dem Bezugssignal ω,, verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 132 wird über das Tor 134 tinem Integrator 136 zugeführt. Das Ausgangssignal des Integrators 136 gelangt über einen Summierkreis 146 zum Phasenschieber 26.

Ein zweiter Kanal verarbeitet die Komponenten des Ausgangssignals des Detektors 126 mit der Frequenz (O₁, um ein Steuersignal für den elektronisch Steuerbaren Phasenschieber 28 zu liefern. Die Verarbeitung erfolgt in der gleichen Weise, wie sie eben fiir den Phasenschieber 26 beschrieben worden ist. Die Elemente des zweiten Kanals sind mit den gleichen, jedoch um ein nachgestelltes α ergänzten Beeugsziffern versehen wie die entsprechenden Elemente des zur Verarbeitung des Signals mit der Frequenz <w_y dienenden Kanals. Beispielsweise übertragt ein Bandpaß-Filter 130a die Signale mit der Frequenz ω,, die dann von dem Phasendetektor 132« mit einem Bezugssignal mit der Frequenz <o_r verglichen werden.

Die Ausgangssignale des Detektors 126 werden !außerdem parallel Bandpaß-Filtern 138 und 140 zugeführt, welche auf die Frequenz'. 2ω, bzw. 2<u abgestimmt sind. Di; Ausgangssignale der Filter 138 und 140 werden in einem Summieirkreis 142 kombiniert und dann einem Komparator 144 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des Summierkreises 142 einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet, erzeugt der Komparator 144 ein Rückstellsignal für das Flipflop 108, wodurch die Einstellphase des Suchbeiriebs abgeschlossen ist.

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Detektors 126 besteht darin. Phasenfehler auszugleichen, die in dem System ursprünglich vorhanden sein können, beispielsweise durch Temperatureinwirkungen vor einer Temperaturstabilisierung der Phasenschiebergruppe 30 bedingte Fehler. Diese Kompensation erfolgt durch das Ausgangssignal des Integrators 136, das über den Summierkreis 146 dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 zugeführt wird, und das Ausgangssignal des Integrators 136a, das über den Summierkreis 148 dem Phasenschieber 26 zugeführt wird, um die Phasenlage der zugeordneten Signale zu steuern. Ebenso wie es oben an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, ist der Strahl auf die Öffnung 122 der sich in der Bildebene befindenden Blende 124 zentriert, wenn den einzelnen Teilstrahlkanälen, die den einzelnen Phasenschiebern der Gruppe 30 zugeordnet sind, die richtigen Phasen-Korrekturen erteil! worden sind, so daß der Modulati'jnsgehalt des Ausgangssignals des Detektors 126 vornehmlich die Frequenz der zweiten Harmonischen der von den Oszillatoren 116 und 118 gelieferten Modulationsfrequenzen hat. Diese Signale mit der Frequenz der /weiten Harmonischen werden von dem Komparator 144 festgestellt und dazu benutzt, das Flipflop 108 zurückzustellen, um den Einschaltvorgang abzuschließen. Die Integratoren 136 und 136a. welche die Phasenschiebergruppe 30 in Abhängigkeit von den Korrektursignalen steuern, die während des Einschaltvorgangs gebildet worden sind, haben solche Zeitkonstanten, daß die Korrekturspannungen langsam durch Entladung abnehmen. Auf diese Weise werden Übergangsschwierigkeiten zwischen den verschiedenen Betriebsarten vermieden.

Während des normalen Betriebs der in den Fig. 6 und 6 a dargestellten Anlage werden die relativen Phasenlagen der Teilstrahl-Sende- und Empfangskanäle in Abhängigkeit von Signalen gesteuert, die von einer Steuereinheit 150 gemäß der Beschreibung der Kanäle 20' und 22' der Anlage nach Fig. 1 gebildet werden. Beispielsweise wird das Ausgangssignal des Kanals 20', also des Summierkreises 78a in Fig. 1, über den Summierkreis 148 dem Phasenschieber 26 zugeführt. Ebenso wird das Ausgangssignal des Kanals 22', nämlich des Summierkreises 78 in Fig. 1, über den Summierkreis 146 dem Phasenschieber 28

as zugeführt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 werden die Ausgangssignale der Steuereinheit 150 über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 152 geführt. Das Tor 152 wird von dem Q-Ausgangssignal des Flipflop 108 gesteuert, so daß die Steuereinheit 150 während der Einschaltphase des Suchbetriebs nicht wirksam ist. Das Auffassen eines bezeichneten Zieles wird durch eine Richtungssteuerung des gesendeten und empfangenen Strahles während der Periode unterstützt, die dem Einschaltvorgang folgt, aber noch vor der Periode liegt, während der das empfangene Signal von der Steuereinheit 150 verarbeitet wird. Die Richtungssteuerung erfolgt mittels einer Richtungssteue rungseinheit 154 (Fig. 6a), die den Phasenschiebern der Gruppe 30 von einer nicht dargestellten Einrichtung stammende individuelle Phasensteuersignale zuführt. Diese Signale werden von der Richtungssteuereinheit 154 über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 156 und den Summierkreis 146 und 148 den zugeordneten Phasenschieberelementen der Gruppe 30 zugeführt. Das zwei Kanäle enthaltende Tor 156 wird von einem Signal gesteuert, das vom Q-Ausgang eines Flipflop 158 zugeführt wird. In Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal werden die Steuersignale der Richtungssieuereinheit 154 von dem Tor 156 wälv rend der Zeit zwischen dem Ende der Einschaltphase und dem Beginn des Normalbetriebs zugeführt. Während des Normalbetriebs erfolgt die Fokussierung Jes empfangenen Bildes mit Hilfe der Steuereinheit 150. und es werden die während der Empfangsperiode eingestellten Phasenwerte auch während der folgenden Sendeperiode beibehalten. Das Flipflop 158 wird in Abhängigkeit von der Vorderflanke des Signals SMG. das das Ende der Einschaltphase anzeigt, gestellt. Zu diesem Zweck wird von dem Differenzierglied 1ST von der Vorderflanke dieses Signals ein positiver Impuls abgeleitet. Das Rückstellen des Flipflop 15i erfolgt entweder beim Auftreten des Suchbefehls SAiG der am Q-Ausgang des Flipflop 108 erscheint, odei auf Grund des Ausgangssignals eines Komparator; 160, das. anzeigt, daß durch die Steuereinheit 150 eine Fokussierung erzielt worden ist Der Komparator VU vergleicht den Pegel des Ausgangssignals des Detektors 148 mit der Frequenz der zweiten Harmonic ber

des Modulationssignals, das ihm über Filter 164 und 166 und einen Summierkreis 162 zugeführt wird, mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Wenn der Gehalt des Ausgangssignals des Detektors 48 an einer Komponente mit der zweiten Harmonischen anzeigt, daB si der Blende 46 ein einwandfreies Bild vorhanden ist, erzeugt der Komparator 160 einen Ausgangsinipuls, der über das ODER-Glied 168 dem Rückstelleingang des Flipflop 158 zugeführt wird. Die Richtungssteuereinheit 154 wird gesperrt, nachdem das empfangene Bild ordentisch fokussiert ist, da die eigentliche Richtungssteuerung automatisch von der Steuereinheit 150 bewirkt wird und dann Richtungssteuersignale nicht mehr länger erforderlich sind.

Während des Suchbetriebs kann es auch manchmal nützlich sein, eine Defokussierung des ausgesendeten Signals nach einem vorbestimmten Programm, beispielsweise zu einem parabolischen Diagramm, zu bewirken. Durch eine solche Defokussierung wird der ausgesendete Strahl vergrößert und dadurch die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Ziel zu treffen, erhöht. Bei der in den Fig. 6 und 6a dargestellten Anlage erfolgt die Defokussierung durch Signale, die über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 170 den Summierkreisen 146 und 148 zugeführt werden. Die Defokussierung des Sendestrahles ist auf die Sendeintervalle begrenzt, indem das Tor 170 nur während dieser Intervalle geöffnet wird. Zu diesem Zweck werden in einem UND-Glied 172 das Ausgangssignal des Flipflop 158 und der Sendesynchronisationsimpuis I_x kombiniert.

Es wurde demnach ein verbessertes, kostenwirksames Sende- und Empfangssystem beschrieben, bei dem eine Gruppe von Teilstrahlkanälen als Funktion

ίο der relativen Phasenverteilung des empfangenen Signals relativ gesteuert wird, die mit Hilfe einer räumlichen Modulation des Empfangssignals in verschiedenen Teilstrahlkanalen festgestellt wird. Da die ausgesendete Energie auf ihrem Weg im wesentlicher die gleiche und entgegengesetzte Phasenverschiebung ei fährt, wie sie von den Phasenschiebern eingeführ wird, ist die ausgesendete Energie am Ziel im wesent liehen in Phase. In dem FaU, daß die Quellen der Pha senverzerrungen längs des Energieweges auf einer Bereich unmittelbar vor der Abstrahlöffnung be schränkt ist, kann die Leistung, die dem Ziel zugeführ wird, sich der durch BeugungserscheinMgen begrenz ten Strahlleistung oder der Strahlleistung des freier Raumes annähern, die von der Anlage abgegebei

»5 wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sende-Empfangs-Aniage mit einem Lasersender zur Erzeugung eines Strahles kohärenten Lichtes, einem Fernrohr zum Ausrichten des Strahles auf ein Ziel, mehreren zwischen dem Lasersender und dem Fernrohr angeordneten parallelen optischen Pfaden, die alle, bis auf höchstens einen, elektronisch steuerbare optische Phasenschieber enthalten, denen von einer Modulationseinrichtung Treibersignale unterschiedlicher Frequenz zuführbar sind, einer optischen Einrichtung zum Empfang und zur Umwandlung eines Teiles des vom Ziel reflektierten Lichtes in elektrische Signale und einer Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den ihr zugeführten elektrischen Signalen die mittlere Phasenlage jedes Phasenschiebers derart einstellt, daß das Ziel von einem maximalen Anteil des ausgesendeten Lichtes getroffen wird,dadurch gekennzeichnet,daß die Empfangseinrichtung die zwischen Lasersender (10) und Fernrohr (32) angeordneten optischen Pfade (18,20,22) mit den Phasenschiebern (24, 26, 28) umfaßt, derart, daß dem Strahl des empfangenen Lichtes eine räumliche Modulation erteilt wird, daß die Empfangseinrichtung eine Bildebene aufweist, in der eine Blende (46) mit einer kleinen Öffnung (44) angeordnet ist, daß hinter der Öffnung (44) ein die elektrischen Signale erzeugender Detektor (48) angeordnet ist, dessen Ausgangssignale für die Intensität der die Öffnung der Blende passierenden, durch die Phasenmodulation gekennzeichneten Anteile der empfangenen Energie charakteristisch sind, und daß die Steuereinrichtung (70 bis 82,70a bis 82c; 150) die mittlere Phasenlage der Phasenschieber derart einstellt, daß das fokussiertc Bild auf die Öffnung der Blende zentriert ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (10) zur Erzeugung von Lichtimpulsen eingerichtet ist und die Steuereinrichtung Anordnungen (80, 82,80a, 82a) zum Speichern der während eines Empfangsintervalis erzeugten Steuersignale, die zur Einstellung der mittleren Phasenlage der Phasenschieber (24, 26. 28) dienen, und zur Berichtigung der gesipeicher tc.i Steuersignale während folgender Empfangsintervalle umfaßt, derart, daß die Phasenschieber (24. 26, 28) von den gespeicherten Steuersignalen gesteuert werden.

λ. Anlage nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mehrere Verarbeitungszweige (20', 22') umfaßt, von denen jeder in Serie ein Filter (70 Ivw. 70a) und einen Phasendetektor (72 b/w 72«) enthalt, so daß die Steuersignale als Funktion der Größe und der relativen Phasenlage zu einer Modulationskomponente der elektrischen Signale gebildet werden.

4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung eine in einer /weiten Bildebene angeordnete zweite Blende (124) mit einer Öffnung (122) aufweist, die einen Teil des die Phasenschieber (24, 26. 28) passierenden Lichtes des Lasersenders (10) zugeführt bekommt und hinter derein zweiter Detektor (126) angeordnet ist. mit dem eine zweite Steuereinrichtung (130 bis 136,

130fl bis 136a) verbunden ist, die Sendesteuersignale zur Einstellung der mittleren Phasenlage (24, 26, 28) der Phasenschieber in der Weise erzeugt, daß die entsprechenden Teile des Sendestrahles in Phase sind.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung Anordnungen (136,136a) zum Speichern der Sendesteuersignale und einen Komparator (144) umfaßt, der die Ausgangssignale des zweiten Detektors (126) mit einem ersten Schwellenwert vergleicht und ein Sperrsignal für die Modulationseinrichtung (112 bis 118) erzeugt, wenn die Phasenschwankungen im Sendestrahl in vorbestimmten Grenzen bleiben.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übergangssteuerung vorhanden ist, die nach der Erzeugung des Sperrsignals die relative Phasenlage im Sendeslrahl als Funktion des zuletzt gespeicherten Sendesteuersignals steuert und eine Entladeeinrichtung umfaßt, die ein Abnehmen des gespeicherten Sendcsteuersignals nach einem vorbestimmten Programm zuläßt.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Defokussiereinrichtung (170, 172,174) vorhanden ist, die von dem Sperrsignal ausgelöst wird und die relative Phasenlage im Sendestrahl so einstellt, daß eine Defokussierung des Strahles nach einem vorbestimmten Muster eintritt.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Defokussiereinrichtung einen zweiten Komparator (160) umfaßt, der das Ausgangssignal des ersten Detektors (48) mit einem zweiten Schwellenwert vergleicht und feststellt, wenn der phasenkorrigiertc Empfangsstrahl in vorgegebenen Grenzen ist, und daß auf das Ausgangssignal des zweiten Komparators eine erste Logikschaltung (168,158, 172) anspricht, welche die Defokussiereinrichtung sperrt.

9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlrichtungssteuerung vorhanden ist, die von dem Sperrsignal eingeschaltet wird, um die Richtung des Aussendens und Empfangens der Energie zu bestimmen, und daß auf das Ausgangssignal des zweiten Komparators (160) eine zweite Logikschaltung anspricht, die die Strahlrichtungsstcucrung sperrt.