DE2853520C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserradarsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1.

Radarsysteme dieser Art sind aus der US-PS 39 84 685 bekannt. Sie enthalten einen Laser, dessen Aus­ gangsstrahl auf in jeweils bekanntem Abstand vom Sender gele­ gene Bereiche einstellbar fokussiert wird. Der Dopplergehalt von Echosignalen, die an Streuobjekten in den betreffenden Bereichen reflektiert werden, wird untersucht, und hiervon wird die Entfernungsinformation abgeleitet.

Man hat für spezielle Anwendungsfälle verschiedene Wellen­ längen und Modulationsmuster vorgesehen, und im Falle der Messung von Turbulenzen in klarer Luft wird elektromagneti­ sche Strahlung mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 10 µ bevorzugt, wie sie beispielsweise mit Hilfe eines Koh­ lendioxidlasers erzeugt werden kann. Derartige Laser arbei­ ten entweder kontinuierlich oder als Impulslaser.

Schwierigkeiten treten auf, wenn bei geringer Entfernung eine gute Entfernungsauflösung und eine gute Dopplerauflösung an­ gestrebt werden. Wie bekannt, erfordert eine präzise Doppler­ messung ein Dauerstrichsignal oder wenigstens einen Impuls größerer Dauer. Im Gegensatz dazu erfordert eine gute Entfer­ nungsauflösung mit Hilfe eines Impulslaserradars verhältnis­ mäßig kurze Impulse. Bei mittleren Entfernungen kann gewöhn­ lich ein Kompromiß erzielt werden, bei welchem die Länge der Laserimpulssignale groß genug ist, um gute Dopplermeßergeb­ nisse zu erhalten, während sie auch noch ausreichend kurz ist, um gute Entfernungsmeßergebnisse zu erzielen. Bei sehr kurzen Entfernungen jedoch von beispielsweise 30 m hätte ein brauch­ bar kurzer Laserimpuls eine Dauer, die länger als die Gesamt­ laufzeit vom Radarsender zum Reflektor und wieder zurück zum Sender ist. Wenn aber gleichzeitig ausgesendete und empfange­ ne Signalimpulse am Radarsender vorhanden sind, dann ist eine Entfernungsmessung über eine kurze Strecke entweder völlig ausgeschlossen oder doch zumindest erheblich verschlechtert. Diese Probleme stellen sich besonders für Messungen in unmit­ telbarer Nähe einer Start- oder Landebahn eines Flughafens, denn solche Messungen können durchaus in den obengenannten Bereich von 300 m fallen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein La­ serradarsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Pa­ tentanspruch 1 so auszugestalten, daß ein gutes Auflösungs­ vermögen hinsichtlich der Geschwindigkeitsmessung und der Entfernungsmessung sowohl in geringen als auch in großen Ent­ fernungen von dem Radarsystem verwirklicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den dem Anspruch 1 nachgeordneten Patentansprüchen gekennzeich­ net.

Vor einer Beschreibung eines Ausführungsbeispiels seien zum besseren Verständnis der Erfindung folgende allgemeine Be­ trachtungen vorausgeschickt:

Die Schärfentiefe der Fokussierung bestimmt die Auflösung der Entfernungsmessung, während der Brennpunktabstand für die Ent­ fernung der Streuobjektmitte oder des Reflektors maßgebend ist. Dadurch ist in sehr geringen Entfernungen wie den vorstehend genannten 300 m vor dem Radarsystem dieses in der Lage, mit einem kontinuierlichen Signal zu arbeiten, welches ausge­ zeichnete Dopplerauflösung unabhängig von der Entfernungsmes­ sung liefert, denn die Entfernungsinformation wird von der Fokussierungseinstellung des Laserstrahls abgeleitet. Da die Schärfentiefe eine Funktion der Brennweite ist, auf die das Radarsystem eingestellt ist, wächst das Bereichsintervall mit zunehmenden Werten der Brennweite. Aus diesem Grunde enthält das vorliegend angegebene System Schalteinrichtungen, mit de­ nen ein Übergang von einem Dauersignal auf ein Impulssignal vorgenommen werden kann, welch letzteres bei größeren Entfer­ nungen eingesetzt wird, da das Entfernungsauflösungsvermögen eines gepulsten Signals dann dasjenige eines Dauersignals übertrifft.

Das vorliegende Radarsystem weist außerdem Schaltungsein­ richtungen zum Messen der Radialkomponente der Geschwindig­ keit von in der Luft enthaltenen Streuobjekten auf, so daß auch die Radialkomponente der Geschwindigkeit der diese Streu­ objekte tragenden Luft festgestellt werden kann. Der Geschwin­ digkeitswert wird aus einer Messung der Dopplerfrequenzver­ schiebung gewonnen, welche dem Licht aufgeprägt wird, das von den sich bewegenden Streuobjekten reflektiert wird. Ein Interferometer kombiniert die zum Radarsystem reflektierten Signale mit einem Bezugsstrahl, und ein Detektor erzeugt das Differenz- oder Schwebungsfrequenzsignal. Die Schwebungsfre­ quenz ist gleich der Dopplerverschiebung. Ein Kammfilterkreis besorgt die Bildung numerischer Werte für die Dopplerfrequenz und die Geschwindigkeit aus dem Schwebungsfrequenzsignal. Der ausgesendete Lichtstrahl kann außerdem noch mit Hilfe eines Spiegels nach Art einer Abtastung abgelenkt werden, woraus dann Richtungsangaben bezüglich der Streuobjekte gewonnen werden.

Es ist von Interesse, die Unterschiede zwischen dem hier be­ trachteten optischen Radar und einem gewöhnlichen Radar wie einem solchen, das mit einer Betriebsfrequenz von 1 bis 10 GHz arbeitet, bei Impulsdopplerbetriebsart zu betrachten. Das er­ findungsgemäße Radar befaßt sich mit der Entfernungs- und Ge­ schwindigkeitsmessung von Schwebepartikeln. Diese Schwebepar­ tikel sind Teilchen wie Blütenstaub oder anderer Staub, zum Beispiel vulkanischer Staub, die wegen ihrer geringen Teilchen­ größe mehrere Jahre in der Luft in Schwebe gehalten werden. Mit Hilfe einer Strahlwellenlänge von 10 Mikron ist es jedoch mög­ lich, derartige Schwebepartikel festzustellen. Sie werden zu­ sammen mit der Luft durch den Wind geführt und haben somit die­ selbe Geschwindigkeit wie der Wind.

Die Impulsbetriebsweise, die an früherer Stelle in Verbindung mit größeren Entfernungen genannt wurde und durch die mit einem Impulslasersignal Dopplerdaten erhalten werden, ist von einem gewöhnlichen Impulsdopplerradar, das im Frequenzbereich von 1 bis 10 GHz arbeitet, zu unterscheiden. Das gewöhnliche Impuls­ dopplerradar verwendet einen frequenzkonstanten Überlagerer, um eine Folge von kohärenten Echosignalen festzustellen. Diese Kohärenz hängt vom Verhältnis der Wellenlänge zur Zielobjekt­ größe ab. Während beim konventionellen Radar Wellenlängen im Dezimeterbereich eingesetzt werden, ist die Wellenlänge der Strahlung beim Radar nach der Erfindung wesentlich, und zwar in etwa um den Faktor 10 ^-4, kleiner. Daraus folgt, daß das herkömm­ liche Impulsdopplerradar eine Kohärenz des Trägersignals von Impuls zu Impuls benötigt, wobei zahlreiche Impulse für eine Dopplermessung erforderlich sind. Im Gegensatz dazu erhält man mit dem erfindungsgemäßen Radar eine Dopplermessung bei jedem Echoimpuls, da zahlreiche Dopplerschwingungen innerhalb der Dauer eines jeden Echoimpulses auftreten und folglich keine Ko­ härenz von Impuls zu Impuls mehr erforderlich ist.

Die Schärfentiefe und die Entfernungsauflösung für kurze Ent­ fernungen erhält man mit Hilfe eines Detektors für optische Signale, der ein Amalgam aus Cadmium und Tellur enthält und des­ sen Durchmesser ein Mehrfaches der Wellenlänge beträgt. Die Kom­ bination eines Bezugssignals des Lasers mit einem empfangenen optischen Signal bringt ein Schwebungsfrequenzsignal hervor, dessen Größe vom Abstand des Streuobjektes zum Brennpunkt ab­ hängt. Ein starkes Schwebungsfrequenzsignal erhält man von einem Streuobjekt, das sich im Brennpunkt befindet, während ein außer­ halb des Schärfentiefenbereichs liegendes Streuobjekt im Detek­ tor nur noch ein sehr schwaches Signal hervorruft. Das fokussier­ te Signal erzeugt eine ebene Wellenfront, die sich mit der ebenen Wellenfront des reflektierten Signals am Detektor verbindet und ein starkes Signal hervorbringt. Das Signal von einem Streuob­ jekt außerhalb des Brennpunktes hat eine gekrümmte Wellenfront, wodurch aufbauende und destruktive Interferenzsignale an der Front des Detektors hervorgerufen werden, was zur Folge hat, daß die Amplitude des vom Detektor abgegebenen Signals geringer ist. Das Radar spricht somit nur auf Signale aus einem speziellen Entfernungsbereich an, auf den es fokussiert ist. Bei großen Entfernungen, bei denen der Schärfentiefenbereich groß ist, wird die Entfernungsauflösung durch die Breite des übertragenen Im­ pulses bestimmt.

Die Schärfentiefe ändert sich mit dem Quadrat der Brennweite des Radar. So ist beispielsweise bei einer Strahlungswellenlänge von 10 Mikron und Verwendung eines optischen Systems, dessen halbe Brennweite 300 mm beträgt, bei einer Entfernung von 300 m die Schärfentiefe oder das Entfernungsauflösungsvermögen 52 m. Bei einer zehnmal so großen Entfernung von 3000 m ist jedoch der Schärfentiefenbereich um den Faktor 100 auf 5200 m angewachsen. In Anbetracht des vorhergehenden Beispiels ist eine Brennweite von 600 m als obere Grenze des Bereiches zu betrachten, in wel­ chem die Entfernungsbestimmung durch Fokussieren vorgenommen wird, während bei größeren Entfernungen dann der Impulsradarbe­ trieb eingesetzt wird, und der betreffende Entfernungsbereich nachfolgend als Impulsbereich bezeichnet ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung in Verbindung mit Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines mit der Erfindung verwendbaren optischen Systems einschließlich der Zeitsteuerschaltung, der Entfernungs­ schalteinrichtung und der Dopplerschaltein­ richtung, welche zum Fokussieren einer Linse des optischen Systems benötigt werden und zur Weiterverarbeitung der empfangenen optischen Echosignale dienen, um daraus Doppler- und Entfernungsdaten zu gewinnen;

Fig. 2 die relative Breite ausgesendeter Impulssi­ gnale im Vergleich zur Brennweite oder der Brenn­ punktentfernung beim oberen Grenzwert des Fokus­ sierbereiches;

Fig. 3 ein Blockdiagramm einer Entfernungseinheit aus der Fig. 1, die für den Übergang zwischen Be­ trieb mit kontinuierlichem Signal und Impuls­ betrieb sorgt;

Fig. 4 eine Schemaskizze der Fokussiereinheit aus Fig. 1 einschließlich der Linsen des optischen Systems, mit deren Hilfe der fokussierte Radar­ strahl erzeugt wird;

Fig. 5 eine Blockdarstellung eines Modulators aus Fig. 1; und

Fig. 6 das Schemabild einer optischen Ablenk- oder Ab­ tasteinrichtung zur Verwendung mit optischen Systemen gemäß Fig. 1 zum Erzeugen eines opti­ schen Abtaststrahls.

Fig. 1 zeigt ein Radarsystem 20 mit einer Optikeinheit 22, einer Entfernungseinheit 23 und einem Datenprozessor 24. Die Optik­ einheit enthält einen Laser 26, einen Modulator 28, einen Ver­ stärker 29, ein Interferometer 30 mit drei Strahlteilern 31 bis 33, einen Spiegel 34 und eine Halbwellenplatte 35, einen Pola­ risationsdreher 36, Spiegel 37 und 38, die mechanisch und optisch über Leitungen 39 und 40 mit dem Polarisationsdreher 36 gekoppelt sind, eine Antriebseinheit 41 zum Einstellen der Spiegel 37 und 38 und des Polarisationsdrehers 36, einen Detektor 42, eine Konkavlinse 44, die mechanisch über eine Verbindung 46 mit einer Fokussiereinheit 48 verbunden ist, und eine Konvexlinse 50, die von der Fokussiereinheit 48 getragen wird. Die Linse 50 richtet einen Lichtkegel 52 auf einen Brennpunkt, der sich auf einer An­ sammlung von Schwebstoffen 54 befindet, welche Strahlungsener­ gie zur Linse 50 zurückreflektieren. In der Zeichnung ist eine zweite Ansammlung von Schwebstoffen 56 an einer Stelle gezeigt, die sich außerhalb eines gewissen Brennpunktbereiches zwischen der Ansammlung der Schwebstoffe 54 und der Linse 50 befindet. Das gestrichelt angegebene Rechteck 58 beschreibt einen zylin­ drischen Bereich, welcher den Schärfentiefenbereich umfaßt. Wellen­ fronten 60 und 62 von reflektierten Wellen bewegen sich, von den Schwebstoffansammlungen 54 und 56 ausgehend, in Richtung auf die Linse 50.

Der Datenprozessor 24 enthält einen Verstärker 64, einen Satz Bandpaßfilter 65, von denen vier Filter beispielsweise darge­ stellt sind und die einzelnen Filter zusätzlich durch die Kenn­ ziffern A bis D bezeichnet sind, Amplitudendetektoren 66 A bis D, Analog-Digital-Wandler 67 A bis D und einen Wählschalter 68. Jedes Filter 65 mit seinem zugehörigen Detektor 66 und Wandler 67 bil­ den einen Signalverarbeitungskanal, mit dem Daten ermittelt wer­ den können, die einem speziellen Dopplerspektralbereich ange­ hören, wobei die Signalverarbeitungskanäle nacheinander mit Hilfe des Schalters 68 angewählt werden. Der Datenprozessor 24 enthält außerdem eine Addierschaltung 70, einen Speicher 72, einen Adres­ sengenerator 73 und eine Anzeige 74 für die Dopplerspektraldaten als Funktion der Entfernung der Streuobjekte von der Linse 50 und auch in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel des wahlweise verwend­ baren Abtasters, der noch in Verbindung mit der Fig. 4 beschrie­ ben wird, wobei dann der Ablenkwinkel der Anzeige 74 über die Leitung 75 mitgeteilt wird.

Der Speicher 72 ist als Satz von Speicherzellen, die in Zeilen und Spalten angeordnet sind, dargestellt, wobei die Zeilen in der Fig. 1 mit den Ziffern f 1 bis f 4 gekennzeichnet sind, zum Speichern von Frequenzdaten. Es sind vier Zeilen beispielsweise dargestellt, die jeweils einem der vier Dopplersignalverarbei­ tungskanäle zugeordnet sind. Die Spalten haben die Kennzeichnung r 1 bis r 5, und jede Spalte ist einem speziellen Entfernungsbe­ reich, ausgehend von der Linse 50, zugeordnet, für den dann Dopp­ lerdaten aufgenommen werden. Es versteht sich, daß anstelle der in der Zeichnung dargestellten fünf Spalten wesentlich mehr Zei­ len und Spalten im Speicher enthalten sind. Jede Zelle entspricht also einem gespeicherten Wert eines Spektralbereichs der Doppler­ daten, die bei einem bestimmten Entfernungswert aufgefangen wer­ den.

Fig. 1 läßt erkennen, daß das die Schärfentiefe andeutende Recht­ eck 58 kleiner als die Brennweite oder der Abstand der Schweb­ stoffansammlung von der Linse 50 ist. Dies entspricht einer Dar­ stellung der Nahbereichssituation, bei welcher die Schärfentiefe kleiner als der Abstand des Brennpunktes ist, auf den die Optik­ einheit 22 eingestellt ist. Für Impulsbetrieb wird der Modulator durch ein Signal an seinem Eingang T 1 betätigt, so daß der unun­ terbrochene Lichtstrahl von Laser 26 so moduliert wird, daß er in Impulsform Strahlungsenergie abgibt, die dann von einem Ver­ stärker 29 auf ein geeignetes Energieniveau angehoben wird, das ausreicht, um die Streuobjekte wie etwa in der Luft enthaltene Schwebstoffansammlungen 54 und 56, anzustrahlen. Im Kurzentfer­ nungsbetrieb, bei welchem mit kontinuierlichen Wellen gearbeitet wird, werden der Modulator 28 und der Verstär­ ker 29 durch einen optischen Pfad oder Bypass umgangen, zu wel­ chem der Spiegel 37, die Verbindung 39, der Polarisationsdreher 36, die Verbindung 40 und der Spiegel 38 gehören. Der optische Bypass wird dadurch in Wirkung gebracht, daß die Spiegel 37 und 38 in eine Stellung im optischen Pfad von Strahlteiler 31 über den Modulator zum Strahlteiler 32 eingerückt werden. Dieses Ein­ rücken erfolgt mit Hilfe einer Antriebseinheit 41, die aufgrund eines Signals auf der Leitung 77 die optische Gruppe aus den Spiegeln 37 und 38 und dem Polarisationsdreher 36 verschiebt. Die Verwendung des optischen Umgehungspfades oder Bypass ver­ hindert eine Überhitzung des Modulators 28, die dann auftreten könnte, wenn der Laser 26 ein Dauersignal abgibt. Diese Über­ hitzung führt zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften des Modulators 28. Wie nachfolgend noch in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wird, führt der Modulator 28 eine Drehung des Pola­ risationsvektors des auf ihn fallenden optischen Signals durch, weshalb im optischen Umgehungspfad der Polarisationsdreher 26 verwendet wird, der dem Polarisationsvektor des Signals auf der Leitung 39 dieselbe Drehung erteilt, so daß das Ausgangssignal des Interferometers 30, welches auf der Leitung 76 erscheint, stets dieselbe Polarisation hat, ob es sich nun um ein optisches Signal in Impulsform oder in kontinuierlicher Form handelt. Es sei noch bemerkt, daß der optische Bypass auch den Verstärker 29 umgeht, was zur Folge hat, daß das Signal mit kon­ tinuierlicher Welle von geringerer Intensität ist, als das in Impulsform auftretende Signal. Es wird aber eine ausreichende Ge­ samtenergie für eine Dopplermessung während der Zeit eines Meß­ intervalls trotzdem erzeugt, was darauf zurückzuführen ist, daß das optische Signal auf der Leitung 76 ununterbrochen ist und somit ausreichend Energie führt im Vergleich zu dem relativ kurz dauernden Signal von höherer Intensität, das im Impulsbetrieb für Messungen in weiterer Entfernung hervorgebracht wird.

Es wird zunächst der Betrieb mit kontinuierlicher Welle betrachtet. Hierbei breitet sich der Lichtstrahl von Laser 26 über den oberen Ast des Interferometers 30 aus und zwar durch die Strahlenteiler 31 und 32, die Spiegel 37 und 38 zur Linse 44, durch die der Strahl aufgeweitet wird, so daß er die Linse 50 ausleuchtet. Die Linse 50 hat bei einem typischen Ausführungs­ beispiel einen Durchmesser von etwa 30 cm und liefert einen ge­ richteten Strahl, wie er in der Fig. 1 durch den Lichtkegel 52 dargestellt ist, der auf den Brennpunkt im Bereich der Schwebe­ teilchen 54 gerichtet ist. Die Strahlteiler des Interferometers 30 bestehen aus Germanium, so daß sie für das vom Laser 26 kommende Licht durchlässig sind. Sie sind so beschichtet, daß ein Teil des Lichtes von ihrer Oberfläche reflektiert wird, während der übrige Teil unmittelbar durch sie hindurchgeht. Während also ein Teil des vom Laser 26 kommenden Lichtes durch den Strahlteiler 31 zum Polarisationsdreher 36 gelangt, wird ein anderer Teil des Laserlichtes vom Strahlteiler 31 auf den Spiegel 34 und von die­ sem durch den Strahlteiler 33 hindurchgelenkt und dient als Be­ zugsstrahl, der auf den Detektor 42 fällt. Die Halbwellenplatte 35 dreht den Polarisationsvektor des Bezugsstrahls, so daß des­ sen Polarisation mit derjenigen des von den Schwebeteilchen re­ flektierten Lichtstrahls übereinstimmt. Die Wellenfronten 78 des Bezugsstrahls sind mit ausgezeichneten Linien in der Fig. 1 dargestellt, während die Wellenfronten 60 strichpunktiert ange­ deutet sind und die Wellenfronten 62 gestrichelt wiedergegeben sind. Die Fokussierung des Lichtkegels 52 erzielt man durch Ver­ schieben der Linse 44 gegenüber der festen Stellung der Linse 50, wozu die Fokussiereinheit 48 dient, deren Funktion in Verbindung mit der Fig. 4 noch eingehender beschrieben wird. Normale zur Wellenfront 60 fallen mit den Strahlen des Lichtkegels 52 zusam­ men und werden durch die Linsen 50 und 44 zum Strahlteiler 32 geleitet, der die Wellenfront 60 über den Strahlteiler 33 zum Detektor 42 leitet. Sowohl die Wellenfront 60 als auch die Wel­ lenfront 78 erscheinen auf der Oberfläche des Detektors 42 als ebene Wellenfront. Auch die Wellenfront 62 wird über die Linsen und Strahlteiler zum Detektor 42 geleitet, jedoch mit einer be­ deutsamen Abweichung. Da die Schwebeteilchen 56 nicht im Brenn­ punkt liegen, wie dies für die Schwebeteilchen 54 zutrifft, stim­ men die Normalen auf der Wellenfront 62 nicht mit der Richtung der Strahlen des Lichtkegels 52 überein, woraus sich ergibt, daß die Wellenfront 62, die auf der Vorderseite des Detektors 42 auftrifft, auf einer gekrümmten Fläche und nicht auf einer ebenen Fläche liegt.

Die ebenen Wellenfronten 60 und 78 können additiv über die ge­ samte Fläche des Detektors 42 zusammenwirken, wenn sie in Phase sind, dagegen subtraktiv, wenn die Wellenfronten 60 und 78 außer Phase sind. Wenn man annimmt, daß sich die Luft, welche die Schwebeteilchen 54 enthält, etwas bewegt, dann erfahren die von den Schwebeteilchen reflektierten Wellen eine Dopplerver­ schiebung gegenüber den auf die Teilchen von der Linse 50 ab­ gestrahlten Wellen. Daraus ergibt sich, daß die von den Wellen­ fronten 60 und 78 dargestellten Wellen auf der Vorderseite des Detektors 42 unterschiedliche Frequenzen haben, so daß die Wel­ lenfronten 60 und 78 periodisch additiv und periodisch wieder subtraktiv miteinander zusammenwirken und somit ein Schwebungs­ frequenzsignal auf der Leitung 80 hervorbringen, die vom Detek­ tor 42 wegführt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird als empfindliches Material des Detektors 42 ein Amalgam aus Cadmium und Tellur verwendet, das entsprechend der Intensität der Summe der Wellenfronten 60 und 78 eine Spannung abgibt.

Die Wellenfront 62 trifft dagegen mit gekrümmter Fläche auf der Oberfläche des Detektors 42 auf, wobei die Abmessungen des De­ tektors 42 ein Vielfaches der Wellenlänge der die Wellenfront 62 bildenden reflektierten Strahlung ist. Die gegenseitige Ein­ wirkung der gekrümmten Wellenfront 62 mit der ebenen Wellen­ front 78 ergibt in miteinander abwechselnden Bereichen ein additives und ein subtraktives Zusammenwirken über die Ober­ fläche des Detektors 42, was vergleichbar ist mit dem Phänomen der Newton'schen Ringe bei der optischen Betrachtung dünner Filme. Das Ergebnis ist eine verhältnismäßig geringe Signal­ spannung auf der Leitung 80 aufgrund des Auftreffens der Wel­ lenfront 62, während die Wellenfront 60 ein sehr starkes Si­ gnal hervorruft. Auf diese Weise kann die optische Einheit 22 zwischen Schwebstoffansammlungen unterscheiden, die innerhalb des Schärfentiefenbereiches liegen, der mit dem Rechteck 58 an­ gedeutet ist, und solchen, die außerhalb dieses Schärfentiefen­ bereiches angesiedelt sind. Die optische Einheit 22 gewähr­ leistet somit eine Entfernungsbestimmung, wobei das Auflösungs­ vermögen bezüglich der Entfernung mit der Länge des Schärfen­ tiefenbereiches übereinstimmt. Der jeweilige Bereichswert, auf den die optische Einheit 22 eingestellt ist, ist durch die Fo­ kussiereinheit 48 festgelegt, die die Linse 44 in eine bestimmte Stellung bringt und damit die gewünschte Brennweite aus der Kom­ bination der Linsen 44 und 50 bildet. Die Schwebungsfrequenz des Signals auf der Leitung 80 ist gleich der Dopplerfrequenzver­ schiebung, die der von den Schwebungsteilchen 54 reflektierten Welle aufgeprägt ist. Sie entsteht durch den Wind, der die Schwebungsteilchen 54 bewegt, so daß die Schwebungsfrequenz auf der Leitung 80 ein Maß für die Windgeschwindigkeit im Bereich des Brennpunktes der optischen Einheit 22 ist.

Bei dem beschriebenen kontinuierlichen Betrieb, der sich vom Im­ pulsbetrieb der Optikeinheit 22 unterscheidet, wird jedes vom Strahlteiler 32 zum Strahlteiler 33 übertragene Licht mit dem Licht im unteren Ast des Interferometers 30 am Strahlteiler 33 kombiniert und trägt zur Bildung des vorgenannten Bezugsstrahls bei. Das Dopplersignal auf der Leitung 80 erscheint ununter­ brochen und wird über den Verstärker 64 auf die Filter 65 ge­ leitet. Der Verstärker 64 enthält ein Bandpaßfilter, das die Schwebungsfrequenzkomponente des Signals auf der Leitung 80 herausfiltert, so daß diese, welche der Dopplerfrequenzverschie­ bung entspricht, an die Filter 65 weitergegeben werden kann.

Das Signal auf der Leitung 80 ist ein ununterbrochenes oder ein pul­ sierendes Signal, was davon abhängt, ob der Polarisationsdreher 36 oder der Modulator 28 bei der Bildung des von der Optikeinheit ausgesendeten Signals mitwirkt. Für beide Fälle ergibt sich je­ doch, daß die Bewegung der Schwebeteilchen in der Luft ein unun­ terbrochenes Dopplerfrequenzspektrum hervorruft, welches die tat­ sächliche Windgeschwindigkeit wiedergibt. Vollständige Doppler­ daten lassen sich folglich dadurch erhalten, daß nicht nur die Hauptdopplerfrequenz ermittelt wird, welche die tatsächliche Windgeschwindigkeit wiedergibt, sondern daß auch verschiedene Anteile des vorher genannten kontinuierlichen Spektrums unter­ sucht werden. Die Filter 65, die Schwingkreise enthalten können, haben geringfügig überlappende Durchlaßbänder, wobei die jewei­ ligen Durchlaßbänder entsprechende Bereiche des Dopplerspektrums erfassen. Abhängig vom Schwebungsfrequenzsignal, das vom Ver­ stärker 64 zugeführt wird, erzeugt jedes Filter 65 ein Analog­ signal, dessen Amplitude durch den jeweils zugehörigen Detektor 66 festgestellt wird. Die Signale der Detektoren 66 werden von den Wandlern 67 abgetastet und gemäß einem Abtastsignal auf der Leitung 82 in Digitalsignale umgewandelt, die dem Schalter 68 zugeführt werden. Die Steuersignale zum Betreiben des Systems 20, um Entfernungsdaten hervorzubringen, werden von der Ent­ fernungseinheit 23 hervorgebracht. Zu diesen Signalen gehört das Abtastsignal auf der Leitung 82, das Signal an der Eingangs­ klemme T 1 und das Brennpunktsteuersignal auf der Leitung 83. Im Kurzentfernungsbereich mit der ununterbrochenen Strahlungs­ welle wird somit die Entfernung einer Schwebstoffansammlung wie der Ansammlung 54 durch das Brennpunktsteuersignal auf Lei­ tung 83 angezeigt, wobei die Fokussiereinheit 48 die Stellung der Linse 44 so einstellt, daß der Lichtkegel 52 mit seinem Brennpunkt auf die Entfernung der Schwebstoffansammlung 54 ab­ gestimmt wird. Für den Meßbereich großer Entfernungen, welcher Impulsbetrieb des Systems 20 bedingt, erzeugt die Entfernungs­ einheit 23 an der Eingangsklemme T 1 ein Signal, durch das ein Impuls von Strahlungsenergie freigegeben wird. Zu einem be­ stimmten Zeitaugenblick danach startet die Entfernungseinheit 23 die Abtastsignale auf der Leitung 82 in einer Folge, um so die Wandler 67 abzutasten und eine Abtastfolge von Doppler­ daten zu erhalten, wobei der Erscheinungsaugenblick des Abtast­ signals auf Leitung 82 ein Maß ist für die Entfernung des fest­ gestellten Echosignals. Dies entspricht der Entfernungsfest­ stellung bei einem gewöhnlichen Impulsradar.

Die Auftrittsaugenblicke der aufeinanderfolgenden Abtastsignale auf der Leitung 82 sind mit der Ansprechzeit der Filter 65 abge­ stimmt. Da die Ansprechzeit eines Filters 65 umgekehrt propor­ tional zur Bandbreite des Filters ist, ist die Wiederholungs­ frequenz der Abtastsignale auf der Leitung 82 verhältnismäßig niedrig, wenn schmale Bandfilter 65 eingesetzt werden, dagegen relativ hoch, wenn die Bandfilter 65 ein breites Durchlaßband haben. Dies stimmt mit den bekannten theoretischen Überlegungen der Dopplermessung überein, wonach ein großes Meßintervall eine höhere Auflösung der Dopplerspektrallinien ermöglicht als ein kurzes Meßintervall. Bei den kürzeren Entfernungen des soge­ nannten Fokussierbereiches, in welchem mit einer kontinuier­ lichen Welle gearbeitet wird, läßt sich die Abtastfolge unab­ hängig von der Entfernungsauflösung wählen, da die Entfernungs­ auflösung nur vom Schärfentiefenbereich der Optikeinheit 22 ab­ hängt. Bei den größeren Entfernungen, in denen mit Impulsbetrieb gearbeitet wird und die Messung der Entfernung der einzelnen Streuobjekte von der Laufzeit der Strahlungsenergie zu den Streu­ objekten abhängt, wird eine bessere Entfernungsauflösung er­ zielt, wenn höhere Abtastfolgegeschwindigkeiten unter Verwendung breitbandiger Filter 65 eingesetzt wird, während eine langsame Abtastfolge und schmale Bandpaßfilter 65 zu einer schlechteren Entfernungsauflösung führen.

So ist beispielsweise die Dopplerfrequenzverschiebung beim System 20 etwa 180 kHz pro Meter je Sekunde, so daß sich bei der Bewe­ gung der in der Luft enthaltenen Schwebstoffansammlungen Dopp­ lerfrequenzverschiebungswerte im Bereich von einigen 100 kHZ bis 10 MHz ergeben. Mit einer Impulsbreite von 10 Mikrosekunden, wie sie der Modulator 28 hervorbringt, erscheinen auf der Leitung 80, die vom Detektor 42 abgeht, wenigstens einige vollständige Schwingungen des Schwebungsfrequenzsignals. Nimmt man nun an, daß die Bandbreite eines Filters 65 100 kHz ist, dann treten innerhalb der Ansprechzeit des Filters 65 so ausreichend viele Schwingungen der Dopplerfrequenzverschiebung im Schwebungsfre­ quenzsignal auf der Leitung 80 auf, daß das Filter 65 ein Signal für den Detektor 66 erzeugt, das gut feststellbar ist. Unter der Voraussetzung einer Bandbreite des Filters 65 von 100 kHz und einer entsprechenden Ansprechzeit von etwa 10 Mikrosekunden, umfaßt die Entfernungsauflösung eine Spanne von 1500 m. Das Ab­ tastsignal auf der Leitung 82 kann dann mit einer Folge von 100 kHz auftreten und erzeugt Dopplerdaten von aneinanderge­ reihten Entfernungsbereichsspannen, während eine langsamere Ab­ tastfolge möglich ist, wenn lediglich Dopplerdaten benötigt wer­ den, die bestimmte Entfernungsbereichsspannungen erfassen, die von­ einander einen Abstand einhalten und innerhalb eines allgemein interessierenden Erfassungsbereiches liegen.

Die Entfernungseinheit 23 erzeugt eine Folge von Digitalzahlen auf der Leitung 84, welche aufeinanderfolgende Frequenzbänder der einzelnen Signalkanäle bedeuten, die auf den Auswahlschalter 68 gelangen. Die Leitung 84 ist mit dem Auswahlschalter 68 ver­ bunden, damit nacheinander einzelne Signale der jeweiligen Wand­ ler 67 A bis D ausgewählt und in den Speicher 72 eingespeichert werden können. Zu diesem Zweck ist die Leitung 84 außerdem mit dem Speicher 72 verbunden, damit die entsprechende Zeile des Speichers 72 für den Speichervorgang der Frequenzdaten adressiert wird. Über die Leitung 85 gibt die Entfernungseinheit 23 Digi­ talsignale ab, welche den Entfernungen der Signale entsprechen, die von den Wandlern 67 durch Abtasten abgenommen werden. Die Leitung 85 mündet am Speicher 72 in die Leitung 84, so daß auf diese Weise die vollständige Adresse für die einzelnen Speicher­ zellen des Speichers 72 gebildet wird, denn das Entfernungssi­ gnal auf der Leitung 85 bestimmt die jeweilige Spalte im Speicher 72, in der die Frequenzdaten dann gespeichert werden.

Um bei der Dopplerspektralmessung eine höhere Genauigkeit zu er­ reichen, wird durch das System 20 eine Folge von Entfernungs­ durchläufen angewendet. Innerhalb des Kurzentfernungsbereiches jedes Durchlaufes erzeugt die Entfernungseinheit 23 das bereits genannte Fokussiersignal auf der Leitung 83, das an die Fokus­ siereinheit 48 geht und die Brennweite kontinuierlich von der kürzesten Entfernungseinstellung bis zu dem Entfernungswert ver­ ändert, bei welchem der Übergang vom Betrieb mit kontinuierlicher Welle auf den Impulsbetrieb vorgenommen wird. Danach wird die Brennweite konstant gehalten, der optische Umgehungspfad mit den Spiegeln 37 und 38 wird vom Modulator 28 zurückgezogen, und die Entfernungseinheit 23 erzeugt an der Eingangsklemme T 1 Signale, durch die der Modulator 28 in Impulsbetrieb arbeitet und Impulse der Strahlungsenergie aussendet, um auf diese Weise die Entfer­ nungsbereiche bis zur größtmöglichen Entfernung zu durchlaufen.

Beim Auftreten des ersten Entfernungsdurchlaufes werden die Dopplerdaten im Speicher 72 gespeichert. Bei jedem weiteren nach­ folgenden Entfernungsdurchlauf werden die in jeder einzelnen Speicherzelle gespeicherten Daten mit Hilfe des Addierers 70 dem nächsten Abtastwert von Dopplerdaten, welcher dieser jeweiligen Speicherzelle zugeordnet ist, hinzuaddiert, und der Summenwert dieser Daten vom ersten und zweiten Entfernungsdurchlauf wird dann wieder in die Speicherzelle eingegeben. Dieser Vorgang wird bei jedem Entfernungsdurchlauf wiederholt, so daß jedes Mal zu dem in einer bestimmten Speicherzelle enthaltenen Datenwert die entsprechenden Daten des nächsten Entfernungsdurchlaufes hinzu­ addiert werden, so daß nach einer Folge von beispielsweise zwan­ zig Durchläufen die in den Speicherzellen des Speichers 72 ge­ speicherten Digitalzahlen einen Durchschnittswert der Doppler­ daten darstellen, die innerhalb einer Gruppe von zwanzig Ent­ fernungsmeßdurchläufen aufgenommen wurden. Die Daten des Spei­ chers 72 werden dann der Anzeige 74 zugeführt, welche eine (nicht gezeigte) Teilerschaltung enthält und diese Daten für eine Darstellung des Durchschnittswertes der Spektraldaten als Funktion von Frequenz und Entfernung durch die Anzahl der Ent­ fernungsdurchläufe geteilt darstellt. Der Adressiergenerator 73 erzeugt auf Taktimpulse C 4 von der Entfernungseinheit 23 hin Adressensignale, die dem Speicher 72 und der Anzeige 74 zuge­ leitet werden, so daß jeweils die Daten spezieller Speicher­ zellen auf der Anzeige 74 dargestellt werden. Es sei im Hinblick auf abgewandelte Ausführungsformen noch bemerkt, daß die Gruppe von Dopplerspektralverarbeitungskanälen, die auf den Schalter 68 geführt ist, durch einen schnellen Fourier-Umsetzer (nicht ge­ zeigt) ersetzt werden kann, wobei dann das vom Verstärker 64 kommende Signal mit einer Folge von wenigstens dem Zweifachen der Frequenz der Dopplerverschiebung (Nyquist-Kriterium) abge­ tastet und dem schnellen Fourier-Umsetzer zugeführt wird. Die Ausgangsleitungen dieses schnellen Fourier-Umsetzers würden dann eine Gruppe von Digitalsignalen führen, die den von den Wandlern 67 abgegebenen Signalen über die Spektraldaten ähneln.

In der Fig. 2 ist die Beziehung zwischen dem Impulsbetrieb des Systems 20 für die großen Entfernungen im Vergleich gesetzt zum Betrieb mit kontinuierlicher Welle bei Messungen in Bereichen geringer Entfernung. Die Figur zeigt zwei Schaubilder 88 und 89, die aufeinander ausgerichtet sind, wobei die horizontale Achse jedes Schaubildes den Entfernungsbereich wiedergibt oder eben­ falls die Zeit, die ein Impluls der Strahlungsenergie benötigt, um im Lichtkegel 52 bis zu der entsprechenden Entfernung zu ge­ langen. Fig. 2 zeigt überdies die Optikeinheit 22 und den Daten­ prozessor 24 aus Fig. 1. Der Einfachheit halber ist der Licht­ kegel 52 in der Fig. 2 nur als Linie dargestellt. Das Schaubild 88 gibt die Laufzeit des Lichtes im Lichtkegel 52 wieder. Für den Betrachtungsfall der kurzen Entfernungen ist das rechte Ende eines ausgesendeten Impulses 90 in der Schaubilddarstellung 88 weggelassen, da das Licht kontinuierlich ausgesendet wird. Um soviel wie möglich Signalenergie für die Messung der Doppler­ frequenz zur Verfügung zu haben, wird die Dauer des Impulses 90 etwas geringer gewählt als die Zeit, die der Lichtstrahl benö­ tigt, um die doppelte Strecke der Brennweite in diesem Meßbe­ reich für kurze Entfernungen zu durchlaufen. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Umschaltpunkt zwischen dem Fokussier­ bereich der Nahentfernungsmessung und dem Impulsbereich der Weitentfernungsmessung auf eine Entfernung gelegt, die etwa 90% der Brennweite entspricht, bei welcher der Schärfentiefen­ bereich gleich der Brennweite ist. Die Brennweite der Optik­ einheit 22 an diesem Umschaltpunkt ist in der Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 91 angedeutet. Die Schwebeteilchenansamm­ lungen 54 und 56 sind in der Darstellung 89 eingezeichnet. Man sieht, daß sie in einer geringeren Entfernung zum Entfernungs­ meßsystem liegen als der Punkt maximal brauchbarer Brennweite. Es ist aber beispielsweise eine Schwebeteilchenansammlung 92 an einer Stelle eingezeichnet, deren Entfernung größer als die Strecke der maximal brauchbaren Brennweite ist. Entfernungen, die kleiner sind als die durch die Linie 91 angedeutete, liegen innerhalb des Fokussierbereiches des Systems 20 der Fig. 1, wäh­ rend größere Entfernungen als die durch die Linie 91 angedeutete in dem Impulsbereich des Systems 20 fallen.

Fig. 3 zeigt die Entfernungseinheit 23. Sie enthält einen Takt­ geber 95, Schalter 96 und 97, Zähler 98 und 99, Speicher 100 und 101, ein monostabiles Flip-Flop 102, einen Komparator 103, Codierer 104 und 105, einen Inverter 106, einen Zeitgeber 107, einen Impulsgenerator 108 und ein Gatter 109. Der Speicher 100 spricht auf ein Öffnungssignal auf der Leitung 97 von der Fo­ kussiereinheit 48 der Fig. 1 sowie auf ein Digitalsignal des Codierers 104 an, das die Impulsbreite angibt, durch die die Ent­ fernung bestimmt wird, bei der der Übergang vom Fokussierbereich auf den Impulsbereich stattfindet. In der Fig. 3 sind auch die Anschlüsse C 4 und T 1 sowie die Leitungen 85, 83, 77, 82 und 84 eingetragen, von denen die bereits an früherer Stelle in Ver­ bindung mit Fig. 1 genannten Signale übertragen werden.

Der Zähler 98 arbeitet als Bereichszähler, indem er Taktimpulse zählt, und zwar entweder die Impulse C 1 oder C 2, die dem Zähler 98 über den Schalter 96 zugeführt werden. Der Komparator 103 vergleicht das Digitalsignal, welches die Übergangsentfernung des Speichers 100 darstellt, mit dem Digitalsignal auf der Lei­ tung 85, welches den Zählzustand des Zählers 98 darstellt, und erzeugt ein Signal auf der Leitung 113, das den logischen Zu­ stand Eins hat, wenn der Bereichszählwert auf der Leitung 85 vom Zähler 98 dem Wert der Übergangsentfernung vom Speicher 100 gleich ist oder diesen übersteigt. Das Signal auf der Leitung 113 zeigt folglich an, daß mit dem System 20 Messungen im Weit­ entfernungsbereich vorgenommen werden, in denen das System im Impulsbetrieb arbeitet, während dann, wenn auf der Leitung 113 der logische Signalwert Null auftritt, dies ein Zeichen dafür ist, daß das System 20 mit Aussendung einer kontinuierlichen Welle im Kurzentfernungsbereich arbeitet. Das Signal auf der Leitung 113 betätigt die Schalter 96 und 97 und wird darüber hinaus dem Flip-Flop 102, dem Gatter 109, der Zeit­ steuerung 107 und dem Inverter 106 zugeführt.

Der Taktgeber 95 löscht den Entfernungszähler 98 am Beginn eines jeden Entfernungsdurchlaufes. Danach zählt der Zähler 98 die über C 1 abgegebenen Taktimpulse, die ihm über den Schalter 96 zugehen. Die C 1-Taktimpulse treten mit verhältnismäßig lang­ samer Folge im Vergleich zu den auf der Leitung C 2 auftretenden Taktimpulsen auf. Die C 1-Taktimpulse stimmen mit der Folge über­ ein, in der die Linse 44 zum Zwecke der Veränderung der Brenn­ weite der Optikeinheit 22 verschoben wird. Während des Betriebs­ zustandes für größere Entfernungen, bei dem die Brennweite der Optikeinheit konstant bleibt, schaltet das für den Weitentfer­ nungsbereich maßgebende Signal auf der Leitung 113 den Schalter 96 so, daß der Zähler die C 2-Impulse zugeleitet erhält. Diese C 2-Impulse treten in einer Folge auf, die mit der Ausbreitungs­ geschwindigkeit der Strahlungsenergie von der Optikeinheit 22 zu den Schwebstoffansammlungen abgestimmt ist.

Im Meßbereich für kurze Entfernungen sind die Anschlüsse des Schalters 97 derart durchverbunden, wie es die Fig. 3 zeigt, so daß das Ausgangssignal des Speichers 101 auf die Leitung 83 ge­ langt. Der Speicher 101 benutzt den numerischen Wert der Ent­ fernung auf der Leitung 85 als Eingangsadresse und gibt aufgrund dieser Adresse auf die Leitung 83 ein Digitalsignal ab, das den Abstand zwischen den Linsen 44 und 50 bestimmt, so daß eine Brennweite eingestellt wird, die der auf der Leitung 85 er­ scheinenden Entfernung entspricht. Ein Schaubild, das die Be­ ziehung zwischen Linsenstellung und Meßentfernung wiedergibt, ist in den Block des Speichers 101 eingezeichnet. Der Speicher 101 kann ein Festwertspeicher sein, in dem eine bestimmte Ab­ standseinstellung der Linsen jedem Entfernungswert auf der Lei­ tung 85 zugeordnet ist. Auf diese Weise ändert sich im Kurz­ entfernungsmeßzustand die Brennweite der Optikeinheit 22 mit dem Entfernungswert, den der Zähler 98 vorgibt.

Der Taktgeber 95 erzeugt für den Zeitgeber 107 C 3-Taktimpuls­ signale, aus denen der Zeitgeber 107 eine Folge von Abtast­ signalen bildet und auf der Leitung 82 abgibt. Die Folgefrequenz der Abtastsignale kann durch einen Stellknopf 114 am Zeitgeber 107 verändert werden. Der Zeitgeber 107 gibt Taktimpulse an den Zähler 199 ab, der entsprechend dem ausgeführten Beispiel mit den vier Doppelspektraldatenkanälen, die in der Fig. 1 mit dem Schalter 68 verbunden sind, modulo-4 zählt. Wenn beispielsweise acht Spektraldatenkanäle verwendet werden, dann würde der Zähler 99 modulo-8 zählen. Nimmt man wieder Bezug auf das oben genannte Beispiel mit den vier Spektraldatenkanälen, dann führt der Zeit­ geber 107 eine Folge von vier Taktimpulsen dem Zähler 99 zu, der seinerseits diese vier Impulse zählt und eine Folge von vier Digitalsignalen auf der Leitung 84 hervorbringt, die aufeinan­ derfolgend die einzelnen Spektraldatenkanäle identifizieren. Die Digitalsignale auf der Leitung 84 betätigen den Schalter 68 in Fig. 1, wie dies an früherer Stelle schon beschrieben wurde, wo­ durch der jeweilige spezielle Kanal ausgewählt wird, und dienen außerdem als Teil der Adresse für den Speicher 72 zur Identifi­ zierung der entsprechenden Zeilen der Speicherzellen. Der Takt­ geber 95 erzeugt ebenfalls C 4-Taktimpulse für den bereits er­ wähnten Betrieb des Adressengenerators 73.

Am Endpunkt des Abschnittes des Entfernungsdurchlaufes im Fokus­ sierbereich wird durch Umlegen des Schalters 97 aufgrund des Signals auf der Leitung 113 ein vorbestimmter Wert für die Lin­ senposition vom Codierer 105 auf die Leitung 83 gegeben an­ stelle des Positionswertes, der vorher vom Speicher 101 bereit­ gestellt wurde, wobei die vorbestimmte Stellung die Linse 44 in eine Lage bringt, in der sie während des Impulsbereiches fest bleibt. Durch diese Positionsfestlegung wird der Schärfen­ tiefenbereich während des Impulsbetriebs auf die mit dem Recht­ eck 58 in Fig. 1 bezeichnete Zone festgelegt. Während der Zeit, welche benötigt wird, um die Linse 44 in die vorbestimmte Stel­ lung zu verschieben, bringt das Flip-Flop 102, das durch das Signal auf der Leitung 113 getriggert wird, einen Impuls von bestimmter Dauer hervor, der die Takteinrichtung während dieser Impulsdauer stoppt. Die Impulsdauer vom Flip-Flop 102 reicht aus, die Linse 44 in die vorbestimmte Stellung zu fahren. Wäh­ rend die Takteinrichtung 95 stillsteht, tritt auch keiner der Impulse C 1 bis C 5 auf, so daß der Zähler 98 nicht weiterzählt, auf der Leitung 82 zum Datenabrufen keine Abtastsignale auf­ treten, und der Zählzustand auf der Leitung 84 ebenfalls kon­ stant bleibt. Während des Betriebes im Fokussierbereich wird der logische Schaltzustand Null auf der Leitung 113 mit dem Inverter 106 umgekehrt, so daß der Logikwert Eins auf der Lei­ tung 77 die Antriebseinheit 41 in Fig. 1 in Betrieb setzt, wo­ durch die Umgehungsspiegel 37 und 38 in eine Stellung gebracht werden, in der sie den Laserstrahl auf dem Umgehungspfad um den Modulator 28 und den Verstärker 29 herumleiten. Beim Betrieb im Impulsbereich wird der logische Wert Eins auf der Leitung 113 durch den Inverter 106 in den logischen Wert Null umge­ setzt, wodurch dann die Umgehungsspiegel 37 und 38 wieder aus dem optischen Pfad des Modulators 28 zurückgezogen werden. Die Dauer des vom Flip-Flop 102 hervorgebrachten Impulses reicht für das Instellungbringen des optischen Umgehungspfades aus, so daß die Takteinrichtung 95 während dieses Einstellens des Umgehungspfades unterbrochen ist.

Die Takteinrichtung 95 erzeugt C 5-Taktimpulse, die den Generator 108 triggern und Impulse erzeugen, die über das Gatter 109 der Klemme T 1 zugeführt werden, über die der Modulator 28 in Fig. 1 betrieben wird. Da das Gatter 109 durch das Signal für große Entfernungen auf der Leitung 113 freigeschaltet wird, wird der Modulator 28 nur während des Impulsbetriebes aktiviert, da das Gatter 109 keine Impulse während des Betriebes im Fokussierbe­ reich zum Modulator 28 durchläßt. Das Digitalsignal, das für die Impulsbreite maßgebend ist und vom Codierer 104 zugeführt wird, wird dem Generator 108 zur Steuerung der Impulsdauer der von der Optikeinheit 22 ausgesendeten Strahlungsenergie­ impulse zugeleitet und dient außerdem als ein Teil der Adresse für den Speicher 100.

Der Speicher 100 enthält mehrere Abschnitte, wobei je ein Ab­ schnitt jedem Wert der Linsenöffnung zugeordnet ist, die durch das Signal auf der Leitung 97 identifiziert ist. Das Signal auf der Leitung 97 ist außerdem Bestandteil der Adresse des Speichers 100 für die Auswahl des entsprechenden Abschnittes im Speicher. Jeder Abschnitt im Speicher 100 hat vorzugsweise die Gestalt eines Festwertspeichers, in dem ein Wert der Übergangsentfer­ nung mit jedem Wert der Impulsbreite zusammengefügt ist.

In der Fig. 4 ist die Fokussiereinheit 48 dargestellt, in wel­ cher nahe vor der Konvexlinse 50 eine Blende 28 angebracht ist, mit der die Linsenöffnung eingestellt werden kann. Diese Iris­ blende 128 ist auf einer Steuereinheit 130 angeordnet, über die durch Drehen an einem Knopf 132 die Stellung der Blende verän­ dert werden kann. Die Steuereinheit 130 erzeugt einen Digital­ zahlenwert auf der Leitung 97, der den Durchmesser der Linsen­ öffnung angibt. Die Fokussiereinheit 48 weist darüber hinaus einen feststehenden Träger 136 auf, an dem die Steuereinheit 130 sitzt und auf der die konvexe Linse 50 befestigt ist. Ferner sitzt daran ein Gleitsupport 138, mit dem die konkave Linse 44 verstellt werden kann. Der Gleitsupport 138 läßt sich entlang einer Schiene 140 verstellen, die am Träger 136 befestigt ist, was mit Hilfe einer Antriebsspindel 142 erfolgt, die über einen Schrittmotor 144 angetrieben wird, der an der Schiene 140 ange­ bracht ist. Die Fokussiereinheit 48 ist ferner mit einem Codierer 146, einer Subtrahiervorrichtung 148, einem Taktgeber 150 und einem Gatter 152 ausgestattet. Der Codierer 146 wird vom Motor 144 angetrieben und zählt Teilumdrehungen, wobei er auf der Leitung 154 Digitalzahlen erzeugt, die ein Maß für die Stellung des Trägers 138 auf der Schiene 140 sind, was gleichbedeutend ist mit der Stellung der Linse 44 gegenüber der Konvexlinse 50. Das Eingangssignal zur Brennweiteneinstellung auf der Leitung 83 wird einem Subtrahierer 148 eingegeben, der die Digitalzahl auf der Leitung 154 von der Digitalzahl auf der Leitung 83 ab­ zieht. Ist das Ausgangssignal des Subtrahierers 148 positiv, bedeutet dies, daß das Signal auf der Leitung 83 größer als das auf der Leitung 154 ist, und das Gatter 152 liefert einen Takt­ impuls an die Leitung 156, wodurch die Entfernung vergrößert wird. Ist dagegen das vom Subtrahierer 148 abgegebene Signal negativ, so bedeutet dies, daß das Signal auf der Leitung 83 kleiner als das Signal auf der Leitung 154 ist. Das Gatter 152 gibt dann die Taktimpulse an die Leitung 158 ab, womit die Ent­ fernung verringert wird. Das Gatter 152 gibt keinerlei Takt­ impulse ab, wenn die Zahlen auf den Leitungen 83 und 154 gleich sind, was einem Null-Signal vom Subtrahierer 148 entspricht. Auf diese Weise wird die Brennweite nach der Größe der Digital­ zahl auf der Leitung 83 eingestellt, die gemäß der Beschreibung der Fig. 3 vom Speicher 101 nach Maßgabe der gewünschten Ent­ fernung erzeugt wird.

In der Fig. 5 ist der Modulator 128 aus der Fig. 1 gezeigt, der einen Kristall 160 aus Cadmium-Tellurid enthält, der zwischen einem Paar von Elektroden 162 liegt, die an eine Spannungsquelle 164 angeschlossen sind, so daß der Kristall quer zu seiner Längs­ achse von einem elektrischen Feld durchsetzt wird. Bezüglich eines Koordinatensystems 166 wird das elektrische Feld unter 45° zwischen der X-Achse und der Y-Achse aufgeprägt. Ist kein elektrisches Feld vorhanden, dann durchläuft ein Lichtstrahl, dessen elektrischer Vektor in Richtung der Y-Achse orientiert ist, den Kristall 160 auf seiner Längsachse mit gleicher Ge­ schwindigkeit wie ein Lichtstrahl, dessen elektrisches Feld nach der X-Achse orientiert ist. Liegt dagegen ein elektrisches Feld an, dann ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines Lichtstrahls, dessen elektrischer Vektor entlang der Y-Achse orientiert ist, anders als die eines Lichtstrahls, dessen elektrischer Vektor nach der X-Achse ausgerichtet ist. Der Kristall 160 ist so an­ geordnet, daß der elektrische Vektor des Lichtstrahls vom Laser 26 in Fig. 1 in einer unter 45° zur X-Achse ausgerichteten Ebene liegt. Ohne elektrisches Feld bleibt die Polarisierungs­ richtung des Lichtstrahls während dessen Durchgang durch den Kristall 160 unverändert. Wird jedoch dem Kristall 160 ein elek­ trisches Feld aufgeprägt, dann wird der elektrische Vektor des Lichtstrahls um die Längsachse des Kristalls 160 gedreht, während der Lichtstrahl den Kristall durchläuft.

Der Modulator 28 enthält außerdem einen Polarisator 168, dessen Durchlaßebene senkrecht zum elektrischen Vektor des auf den Kristall 160 gerichteten Lichtstrahls orientiert ist. Wird nun kein elektrisches Feld am Kristall 160 angelegt, dann behält der elektrische Vektor des Lichtstrahls während des Durchgangs durch den Kristall 160 seine Richtung und trifft querpolarisiert auf den Polarisator 168, der den Lichtstrahl blockiert, so daß keinerlei Licht den Modulator 28 am Ausgang verläßt. Die Abmes­ sung des Kristalls in Längsrichtung ist so gewählt, daß bei An­ legen eines elektrischen Feldes am Kristall 160 der elektrische Vektor um 90° gedreht wird, so daß er dann mit der Durchlaß­ ebene des Polarisators 168 zusammenfällt und Licht aus dem Modu­ lator 28 austreten kann. Die Spannungsquelle 164 wird durch ein Impulssignal an der Klemme T 1 eingeschaltet, wobei dieses Im­ pulssignal bereits in Verbindung mit der Beschreibung der Be­ reichseinheit 23 anhand der Fig. 1 und 3 erwähnt wurde. Fehlt also das Impulssignal an der Klemme T 1, dann blockiert der Mo­ dulator 28 den Lichtstrahl, während bei Vorhandensein des Im­ pulssignals an der Klemme T 1 der Modulator 28 für einen Licht­ strahl durchlässig wird.

Die Fig. 6 zeigt eine zusätzliche Einrichtung, in der eine Ab­ lenkvorrichtung 171 enthalten ist, die in den Lichtkegel 52 der Fig. 1 eingebracht wird, so daß die Lichtstrahlen von der Ablenkvorrichtung kegelförmig in den Raum austreten. Der in der Fig. 6 vereinfacht als Linie dargestellte Lichtkegel 52 wird unter einem Winkel zur Normalen 170 des Ablenkspiegels 172 auf den Spiegel geworfen, wobei der Spiegel 172 um eine Achse gedreht wird, die ebenfalls unter einem Winkel gegen die Normale 170 angestellt ist. Die Drehachse fällt mit der Achse der Welle 174 eines Motors 176 zusammen, wobei die Motorachse 174 und der Spiegel 172 verschwenkbar miteinander verbunden sind, so daß die Ausrichtung der Spiegelnormalen 170 gegen­ über der Motorwelle 174 und damit der Abtastkegelwinkel wähl­ bar ist. Der Motor 176 dreht den Spiegel 172, so daß ein Strahl 178, der an der Spiegelfläche 172 reflektiert wurde, sich auf einer Kreisbahn bewegt, wie dies durch die Pfeile 180 ange­ deutet ist.

Ein am Gelenk zwischen Spiegel 172 und Welle 174 angebrachter Codierer 182 gibt ein dem Kegelwinkel entsprechendes Signal ab. Ein weiterer Codierer 184, der mechanisch über die angedeutete Verbindung 186 mit der Welle 174 verbunden ist, erzeugt ein Signal entsprechend der Augenblicksabtastwinkelstellung des Strahls 178, nämlich die Größe der Drehung des Strahls 178 um den Abtastkegel. Diese beiden Signale werden, wie aus Fig. 1 entnehmbar, über die Leitung 75 dem Prozessor 24 zugeleitet, der sie für die Anzeige der Entfernung eines Streuobjektes in Abhängigkeit von dem Abtastwinkel, unter welchem das Streuob­ jekt beobachtet wurde, verwertet.

Claims (7)

1. Laserradarsystem mit einem Laser (26), ferner mit einer einstellbaren optischen Fokussiereinrichtung (44, 46, 48, 50) zur Fokussierung des ausgesandten Laserstrahls auf in jeweils bestimmtem Abstand vom Sender gelegene Bereiche und mit im Strahlengang zwischen dem Laser und der optischen Fokussier­ einrichtung gelegenen Auswerteinrichtungen (31 bis 34, 42, 64 bis 68) zur Bestimmung des Dopplergehaltes von Empfangs­ signalen, welche von Streuobjekten in den genannten Bereichen reflektiert werden, gekennzeichnet durch eine die Ausgangs­ strahlung des Lasers (26) modulierende Impuls-Modulationsein­ richtung (28), welche abhängig von einer bestimmten Einstel­ lung der optischen Fokussiereinrichtung (44, 46, 48, 50) von einem Betrieb, bei welchem der ausgesandte Laserstrahl unmo­ duliert auf dem Sender nahegelegene Bereiche fokussiert wird, auf einen Betrieb umnschaltbar (23, T ₁) ist, bei wel­ chem der ausgesandte Laserstrahl impulsmoduliert auf dem Sender ferner gelegene Bereiche fokussiert wird.

2. Laserradarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtungen (31 bis 34, 42, 64 bis 68) Mit­ tel (33, 42) zum Kombinieren der empfangenen Strahlungs­ energie mit einem vom Laser (26) abgeleiteten Bezugsstrahl und weitere Mittel (64, 65, 66) zum Gewinnen eines Doppler­ frequenzsignals aus dieser Kombination aufweisen.

3. Laserradarsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtungen (31 bis 34, 42, 64 bis 68) Ein­ richtungen (65, 66) zum Messen der Größe von Dopplerspektral­ komponenten in einer Vielzahl von Frequenzbändern aufweisen.

4. Laserradarsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Messung der Größe von Dopplerspek­ tralkomponenten ein Kammfilter enthalten.

5. Laserradarsystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine im Ausgangsstrahlengang der optischen Fokussiereinrich­ tung (44, 46, 48, 50) angeordnete Strahlablenkeinrichtung (171) insbesondere zur Erzeugung eines kegelförmigen Abtast­ musters, die einen Signalgeber (184) für die Signalisierung der Winkelausrichtung des abgelenkten Strahls enthält und daß die Brennweiteneinstellung in Abhängigkeit von der Win­ kelausrichtung des Strahls darstellbar ist.

6. Radarsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Fokussiereinrichtung (44, 46, 48, 50) mit einem Speicher (101) gekoppelt (23) ist, der Linseneinstelldaten in Abhängigkeit von der Brennweite enthält.

7. Laserradarsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels der Auswerteinrichtungen (31 bis 34, 42, 64 bis 68) zur Bestimmung des Dopplergehaltes von Empfangs­ signalen die Entfernung vom Abtaststrahl erfaßter Streuobjekte bestimmbar und in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen (75) des Signalgebers (184) in einer Wiedergabeeinrichtung (74) darstellbar ist.