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Einrichtung zur Retroreflexion und
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Modulati on von elektromagnetischer, insbesondere optischer Strahlung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Nachrichtenverbindung
mittels Retroreflexion und Modulation von elektromagnetischer, insbesondere optischer
Strahlung in beliebiger Azimutrichtung, mit einem mit lotrechter Achse angeordneten,
mindestens einen Tripelspiegel aufweisenden Retroreflektor, einem diesen gegenüberstehenden,
bezüglich der lotrechten Achse geneigt angeordneten Umlenkspiegel zur Horizontal-Vertikal-Umlenkung
der Strahlung, und einem dazwischen angeordneten optischen Modulator.
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Eine Einrichtung dieser Art ist aus DE-OS 22 23 633 bekannt. Bei
ihr besteht der Umlenkspiegel aus einem stationären pyramidenstumpfförmigen Reflektorkdrper,
der aus allen Horizontairichtungen einfallende Strahlung lotrecht nach unten auf
den Reflektor umlenken kann, welcher aus einer Vielzahl von im Array angeordneten
Tripelspiegeln besteht. Von den Tripeispiegeln reflektierte Strahlung wird vom Umlenkspiegel
wieder in die Horizontalrichtung umgelenkt. Der Modulator ist eine rotierende Sektorblende.
Die bekannte Einrichtung soll z. B, zur Freund-Feind-Kennung eingesetzt werden,
in dem die von einer Abfragestation kommenden optischen Abfragesignale mit einer
gleichförmigen Modulationsfrequenz versehen und als Kennung zur Abfragestation retroreflektiert
werden.
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Die an sich vorteilhafte Eignung der Einrichtung, jederzeit in beliebiger
Richtung einfallende Strahlung zu retroreflektieren, ist für alle digitalen Informationen
mit willkürlich wechselnden Bit-Raten und Datentransfer -digitalisierte Sprache
ungünstig. Wenn es darum geht, eine Anpeilung, Ortung oder gar Abfrage der Einrichtung
von unbefugter Stelle aus zu verhindern, sind für IFF Benutzung die Mängel offensichtlich.
Hinsichtlich der Modulationsbandbreite und Sicherheit sind hier somit enge Grenzen
gesetzt. Sprechkanäle, Pulsmodulation sowie Ampli-
tudenmodulation
sind unmöglich bzw. auf die Trägheit der Änderung des Modulationsrades begrenzt.
Auch PPM-Moden können nicht bewerkstelligt werden, weil es sich hier nur um Vorschlußmechanismen
mit kontinuierlich-ändernden Verschlußzeiten handelt. Die Kennungsbandbreite ist
gering. Es ist weiterhin in manchen Fällen erwünscht, die von einer Abfragestation
her einfallende Strahlung, mit einer passenden Modulation versehen, nicht nur zur
Abfragestation selbst, sondern an eine andere Station, d. h.
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in einem anderen Azimutwinkel als dem Einfallswinkel, weiterzuleiten.
Ferner soll eine moderne Freund/Feind-Abfrage z. B. PCM, PPM oder Puls-Delta-Mod.
sichergestellt werden und die Einrichtung selbst nicht ein-ideales Vermessungsziel
für den Nichtfreund oder Unbefugten darstellen. Schließlich soll sie weniger abhängig
von der Wellenlänge des Lichtes sein, wodurch sich bei Verwendung von Glas als Material
für Tripelspiegel Grenzen ergeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der genannten
Art so auszubilden, daß die Azimutrichtung, mit der eine Kommunikation durch Retroreflexion
und Modulation erfolgt, willkürlich steuerbar ist und eine Anrufanordnung vorhanden
ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Umlenkspiegel
um die lotrechte Achse drehbar und mittels einer Steuereinrichtung für die Antwortgabe
in die jeweilige Azimutrichtung einstellbar ist.
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In besonders vorteilhafter weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind
bezüglich der lotrechten Achse hintereinander mindestens zwei unabhängig voneinander
drehbare Umlenkspiegel angeordnet, von denen der jeweils dem Retroreflektor näher
liegende Umlenkspiegel teildurchlässig ausgebildet ist. Diese können bei Verzicht
auf Signalweiterführung auch parallel geführt sein, was zur Erhöhung der Reichweite
bzw. Verbesserung des Signal/Rausch-Verhaltens beiträgt. Der Stör- und Betriebssicherheit
ist im besonderen Rechnung zu tragen. In Erweiterung des Verfahrens können aus der
Ableitung der Spiegel stellung auch Peilungen vorgenommen werden, wobei die Entfernungsmessung
vom Abfrager mittels Laser und Laufzeitmessung vorgenommen wird und die Daten der
Entfernung dann in Pulskodeverfahren der erfindungsgemäßen Einrichtung mitgeteilt
werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer Einrichtung
der angegebenen Art. Dieses Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß der Einrichtung von einer Abfragestation her elektromagnetische Strahlung zuerst
mit einer impuiskodierten Information eine Nachricht übertragen wird. Diese endet
mit einem Befehl zum Nachführen des Umlenkspiegels in die Abfrage-Azimutrichtung,
wonach vorzugsweise der Abfrager mit einer festen Impulsfrequenz ausreichen * oher
Leistungsdichte zugesendet wird und mindestens ein Modulator nach erfolgter Nachführung
des
Umlenkspiegels mit der zu übertragenden Antwort-Nachricht angesteuert
wird. Die Modulatoren können Oberflächeneffektmodulatoren sein und falls mehrere
vorhanden sind, können diese im Gegentakt betrieben werden.
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Oberflächeneffektmodulatoren modulieren durch Streueffekte. Besitzt
ein Modulator eine typische Bandbreite von z. B. 50 oder 100 KHz, so bietet das
Gegentaktverfahren eine höhere Modulationsfrequenz, z. B. die doppelte. Im Gleichtakt
betrieben, bewirkt sie einen verbesserten Modulationsgrad, was insbesondere für
kurze Nachrichtenstrecken von Bedeutung ist. Eine weitere vorteilhafte Betriebsart
ist für den Nahbereich die Beschaltung eines Modulators mit Vorspannung zur Zerstreuung
und die Beschaltung des weiteren mit der Nachricht.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsformen
in den Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Einrichtung mit einem Blockschema der angeschlossenen Signalverarbeitungseinrichtungen.
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Fig. 2 bis 4-zeigen schematische Längsschnitte weiterer Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die in Fig. 1 im Längsschnitt gezeigte Einrichtung weist ein unteres
Gehäuse 10 auf, in welchem ein Tripel-Spiegel 12 als Retroreflektor mit lotrechter
Achse 14 angeordnet ist. Der Tripelspiegel 12 hat in bekannter Weise drei rechtwinklig
aufeinanderstehende Reflektorflächen, die zusammen die Ecken eines Würfels bilden.
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Der Tripelspiegel 12 kann aus einem prismenförmigen Körper aus Glas
od. dgl. bestehen, dessen Oberfläche die Reflektorflächen bilden. Insbesondere bei
einem großdimensionierten Retroreflektor ist es aber auch vorteilhaft, ihn als Hohlspiegel
auszubilden, mit dem zusätzlichen Vorteil, daß Absorptions- und Reflexionseigenschaften
dann wellenlängenunabhängig sind.
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Das Gehäuse 10 ist in geeigneter Weise so gelagert, daß die optische
Achse 14 in gewünschter Weise lotrecht gehalten werden kann.
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Auf dem Gehäuse 10 ist ein erstes drehbares Gehäuse 18 mittels geeigneter
Lager 20 um die lotrechte Achse 14 drehbar gelagert. Die Drehung des Gehäuses 18
kann durch einen Motor 22 über einen Zahnkranz 23 gesteuert werden.
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Im ersten drehbaren Gehäuse 18 ist ein unter 450 zur Achse 14 geneigter
Umlenkspiegel 24 angeordnet. Die ihm gegenüberliegende Wandung des Gehäuses 18 ist
als für
die jeweilige optische Strahlung durchlässiges Fenster
26 ausgebildet.
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Im Ausbreitungswege der optischen Strahlung, im gezeigten Beispiel
auf dem Umlenkspiegel 24 ist ein großflächiger optischer Modulator 16 angeordnet,
dessen Reflexionsfähigkeit durch Anlegen eines elektrischen Signals steuerbar ist.
Besonders vorteilhaft im Rahmen der Erfindung, insbesondere für einen großflächigen
Retroreflektor ist die Verwendung von Oberflächeneffektmodulatoren als optische
Modulatoren.
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Ein solcher Modulator weist eine flexible Membran auf, die eine spiegelnde
Oberflächebesitzt, so daß ein-parallel einfallendes Strahlungsbündel 44 ebenso parallel
wieder reflektiert wird. Die Membran besteht entweder aus einer hinreichend dünnen
und flexiblen Metallfolie oder aus einem dielektrischen Material. Diese Membran
ist mittels Stützvorsprüngen nur an regelmäßig verteilten Flächenbereichen abgestützt.
Eine mit einem gewünschten Modulationssignal beaufschlagbare Auslenkeinrichtung
übt auf die nicht abgestützten Flächenbereiche der Membran eine Kraft derart aus,
daß die nicht abgestützten Bereiche eine Streureflexion des Strahlungsbündels 4
+ ewirken, so daß kein parallel verlaufendes Reflexionsstrahlungsbündel auf den
Retroreflektor 12 fallen kann.
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Die Einrichtung weist ferner einen an geeigneter Stelle, z. B. oberhalb
des Gehäuses 18 angeordneten Empfänger für die optische Strahlung auf, der so ausgebildet
ist, daß er die Einfallsrichtung der Strahlung ermittelt. Derartige Empfänger sind
an sich bekannt,und der Empfänger ist in der Zeichnung daher nur schematisch als
Bestandteil 34 des Blocksohemas dargestellt. An dem Empfänger 34 ist ein Dekoder
36 für eine der Strahlung durch Puiskodierung aufgeprägte Information sowie die
Steuereinheit 38 zum Ansteuarn des Motors 22 zum Drehen des Gehäuses 18 in die gewünschte
Azimutrichtung angeschlossen.
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Eine Modulationssteuereinheit 40 erzeugt die Modulationssignale für
den Modulator 16, und ist ihrerseits steuerbar einerseits durch den Dekoder 36 der
insbesondere die Freigabe bzw. Betriebsbereit schaft des Modulators 16 steuern kann,
und andererseits durch eine Einheit 42 zum Erzeugen von einer gewunschten Nachricht
od. dgl. entsprechenden Codesignalen.
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Die Einrichtung wird vorzugsweise wie folgt betrieben: Der Sender
einer Abfragestation sendet optische Strahlung, die mit einer zu übermittelnden
Nachricht, einem Erkennungs- und/oder Abfragecode od. dgl. moduliert ist. Am Ende
der übertragenen Nachricht wird eine
Schlußcodierung gesendet.
Nach der Schlußcodierung schaltet die Abfragestation um auf Aussendung eines mit
LPstfreouenz, z. B. 30 oder 50 kHz, modulierten SiF;;les. Das Signal mit der Schlußcodierung
wird vom Empfänger 34 empfangen und die Nachricht im Dekoder 36 entschlüsselt. Bei
Empfang der Schlußcodierung ermittelt der Empfänger 34 den Einfalls-Azimutwinkel
des Signals und gibt ihn in die Azimut-Steuereinrichtung 38 ein. Damit wird, sobald
das Schlußzeichen empfangen wird, das Gehäuse 18 mit dem Umlenkspiegel 24 mittels
der Azimutsteuereinrichtung 38 und des Motors 22 in die ermittelte Azimutabfragerichtung
gedreht. Diese Azimutrichtung wird auch bei durchgehendem Träger nachgeführt.
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Gleichzeitig wird von der Modulationseinheit 40 der Betrieb des optischen
Modulators 16 freigegeben. Die Strahlung 44 von der Abfragestation gelangt nun über
den Umlenkspiegel 24, d. h. über den optischen Modulator 16, zum Retroreflektor
12 und wird über den Modulator 16 zurück als Antwortstrahlung zur Abfragestation
zurückreflektiert. Dieser Antwortstrahlung 46 wird durch den Modulator 16 ein Pulscode
entsprechend einer von der Einheit 42 erzeugten Nachricht aufmoduliert, wobei diese
codierte Modulation in einfacher Weise aus einer Unterdrückung von einzelnen Impulsen,
mit denen die Eingangsstrahlung 44 moduliert ist, bestehen kann.
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Wird der Modulator 16 angesteuert, so werden die zu diesem Zeitpunkt
auf den Modulator 16 einfallenden Pulse mit einem Streuwinkel in den Retroreflektor
reflektiert und nach dreimaliger Reflexion um 60° abermals über den Nodulator gestreut,
so daß in diesem Falle das Antwortsignal 46 aus dem Retroreflektor eine z. B. 100mal
breitere Keule rücksendet.
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Statt des optischen Modulators 16 auf der Oberfläche des Spiegels
24 kann auch eine andere Art von optischem Modulator im Wege der optischen Strahlung
verwendet werden. Z. B. kann vor der Eintrittsfläche des Retroreflektors 12 ein
optischer Modulator angeordnet sein> dessen Lichtdurchlässigkeit durch ein Modulationssignal
steuerbar ist. Die Verwendung eines halbleitenden Fotoelektretmaterials zum Modulieren
eines Lichtbündeis ist an sich zo B. aus der DE-AS 19 17 147 bekannt.
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Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.
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In dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Irisblende vor der
Eintrittsfläche des Retroreflektors 12 angeordnet. Diese wird auf die gleiche Weise
angesteuert, wie es
in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.
Sie verhindert die Peilbarkeit des Geräte ortes mittelS fremder Laser.
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Auf dem ersten drehbaren Gehäuse 18 ist ein zweites drehbares Gehäuse
28 drehbar gelagert, dessen Drehung mittels eines zweiten Motors 30 gesteuert werden
kann.
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Im Gehäuse 28 ist ein zweiter Umlenkspiegel 32 gegenüber einem für
die optische Strahlung durchlässigen Fenster 35 angeordnet.
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Ein Teil der vom Retroreflektor 12 reflektierten Strahlung, die durch
den Modulator 16' moduliert wurde, geht durch den in diesem Fall teildurchlässigen
Umlenkspiegel 24 hindurch zum oberen Umlenkspiegel 32 und wird von diesem als Weitergabestrahlung
48 in einen anderen Azimutwinkel umgelenkt. Dieser wird ebenfalls von der Azimutsteuereinrichtung
38 für den Motor 30 bestimmt und eingestellt. Beispielweise kann der Empfänger 34
die Einfallsrichtung von Abfragestrahlung von zwei verschiedenen Abfragestationen
bestimmen und gleichzeitig mit beiden in Kommunikation treten. Selbstverständlich
kann auch von der dritten Station her auf den oberen Umlenkspiegel 32 einfallende
Strahlung vom Retroreflektor 12 über den unteren Umlenkspiegel 24 zur ersten Abfragestation
weiter-
geleitet und mit einer Modulation versehen werden. Dieses
Verfahren kann auch zur Ortsbestimmung zwischen zwei oder zu einem Partner benutzt
werden.
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Die Ausfühuungsform von Fig. 3 entspricht im wesentlichen der Ausführungsform
von Fig. 2.
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Der einzige Unterschied besteht in der Art und Anordnung des optischen
Modulators. In Fig. 3 besteht der Re troreflektor aus drei rechtwinklig zueinander
stehenden Reflexionsflächen, die jeweils aus einem Oberflächeneffektmodulator 1698
bestehen. Davon abgesehen ist die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung
nach Fig. 3 gleich der der Einrichtung nach Fig. 2.
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In der Ausbildungsform von Fig. 4 wird die einfallende optische Strahlung
44 vom unter 450 ausgerichteten Oberflächeneffektmodulator 16's' in vertikaler Richtung
umgelenkt. Ein Teil der vom Modulator reflektierten Strahlung geht durch den teildurchlässigen
Umlenkspiegel 24 hindurch zum Retroreflektor 12 und wird dort retroreflektiert.
Die zurückgeworfene Reststrahlung wird teilweise vom teildurchlässigen Umlenkspiegel
24 in die Abstrahlrichtung 48 umgelenkt und teilweise tritt sie durch den Umlenkspiegel
24 hindurch und wird vom optischen Modula-
tor 16 "' in Richtung
der Abfragestation als Antwortstrahlung 46 ausgesandt. Die Antwortstrahlung 46 weist
den doppelten Modulationsgrad auf wie die Weitergabestrahlung 48, da sie zweimal
vom optischen Modulator 16"' reflektiert bzw. gestreut wurde. Peil-oder Winkeldaten
erhält man durch die Ausrichtungsachse des Systems - z. B.
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mittschiffs, der Stellung des auf den Abfrager ausgerichteten Spiegels
und einen beim Abfragesystem vorhandenen, an sich bekannten Schaltkreis zur Lichtlaufzeitmessung,
einen Datenumsetzer und Datentransfer per Laser zur erfindungsgemäßen Station.
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Es verseht sich, daß vorteilhaft eine aktive pulskodierbare Quelle,
z. B. ein Laser vorhanden ist, womit die Erfindung zu einem in sich geschlossenen
System wird.
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Ein beispielhafter ergänzender Laser kann mit der Spiegelachse im
Azimut gerichtet verbunden sein, er kann vertikal im Mittelpunkt des Retrospiegels
gegen den ausrichtbaren Spiegel strahlen oder auch in Verbindung z. B. mit einer
Peilvorrichtung z. B. in Verbindung mit einem KreiselkompaB-Peildiopter, auf sogenannten
Tochterkompassen sich befinden.
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Ist der Laser in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Einrichtung
vorhanden, so ist das Gesamtsystem in an sich bekannter Weise raumfest zu stabilisieren.
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