DE3219533C2

DE3219533C2 -

Info

Publication number: DE3219533C2
Application number: DE19823219533
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen De Born; Wolfgang Dipl.-Phys. Dr. 8221 Kienberg De Knauer
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1982-05-25
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1987-06-19
Also published as: DE3219533A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur De tektion von bewegten Zielen im Nahbereich von 30 bis 300 m von einem Flugkörper aus, unter Ausnutzung des Dopplereffektes, gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Durch die DE-AS 28 19 321 und die DE-OS 30 05 427 der Anmelderin ist ein Laser-Entfernungs- und Geschwindig keitsmesser der obengenannten Art bekannt geworden. Durch die Verwendung von CO₂-Lasern, wie sie vom Stand der Technik allgemein hierfür vorgschlagen wird, ist jedoch sowohl der apparative als auch der räumliche Aufwand sehr hoch. Außerdem ist natärlich auch ein ma terieller und gewichtsmäßiger Aufwand hier zu berück sichtigen, der schon so hoch ist, daß eine Verwendung nur in speziellen Fällen erfolgt.

Auf dem genannten Stand der Technik aufbauend, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der Aufwand für Einsätze im Nahbereich weitgehend vermin dert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 2 niedergeleg ten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind wei tere Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert. In der Zeichnung sind hierzu Skizzen zur Veranschaulichung gegeben. Es zeigt

Fig. 1 eine Skizze der für die Dopplerverschiebung des Meßlichts wirksamen Geschwindigkeitskomponente;

Fig. 2 eine Skizze für die Anordnung bzw. Ausbildung des Heterodynsende- und empfangsteils;

Fig. 3 eine Skizze der Geländeabtastspuren des Laserstrahls.

Bisher gab der Stand der Technik noch keine Hinweise darauf, ob und bis zu welcher Größe mit Halbleitersensoren der Dopplereffekt zur Erkennung der Bewegung eines Objekts von einem selbst anfliegenden Objekt genutzt werden kann, denn infolge der zu geringen Monochromasie bzw. Kohärenz zeit der Strahlung war ihre Verwendung für Spektroskopie und Interferometrie bisher stark eingeschränkt. Die Unter suchungen aber zeigten, daß die erreichbare Kohärenzlänge genügt, um einen Heterodyn-Bewegungs detektor mit kurzer Reichweite zu betreiben.

Um eine Abtastung des zu überfliegenden Geländes bei einer Ortsauflösung von 2 m mit einem fest eingebauten einzigen Lasersensor zu bewerkstelligen, wird der Meßlichtstrahl schräg nach vorn in einem Winkel von 45° eingerichtet und dem Flugkörper eine solche Rotationsdrehzahl vermittelt, daß Geländeabtastspuren mit 2 m Abstand entstehen (Fig. 3). Wie die Fig. 1 der Zeichnung verdeutlichen soll, trägt nur die Radial-Geschwindigkeitskomponente v ₁ _r zur Dopplerver schiebung des Lichts bei. Für

ϑ = 45° wird v ₁ _r = v ₁/.

Für ein im Geschwindigkeitsbereich ± 20 m/s gegen das Ge lände bewegtes Objekt liegt die Dopplerverschiebung - wie sich zeigte - im Bereich

630 MHz(Δγ)_D690 MHz,

wobei von einer Lichtfrequenz γ _o = 3,3 · 10¹⁴ Hz und einer Flugkörpergeschwindigkeit von v ₁ = 300 m/s ausgegangen ist.

Zur Mischung des dopplerverschobenen Empfangssignals S _E mit dem Referenzsignal S _b wird vorgeschlagen eine Glas faser 13 zu verwenden, die die am hinteren Fenster des Halbleiterlasers 12 vorhandene Lichtleistung verlustarm auf den Fotodetektor 14 einkoppelt.

Am Detektor 14 kann die Differenzfrequenz in Form des Zielspektrums abgenommen und durch geeignetes Herunter mischen in einen Frquenzbereich, der zur weiteren Verar beitung geeigneten ist, verschoben werden. In dieser Verarb beitung wird die Frequenz-Zielgeschwindigkeitsumsetzung mit einer Auflösung von 2 m/s und die Speicherung sowie die Zielerkennung durchgeführt.

Für die Frequenz-Geschwindigkeitstransformation wird in einem Ausführungsbeispiel die Verwendung einer Filterbank vorgeschlagen, wobei für eine oben angegebene Auflösung von 2 m/s 20 Filter mit 3 MHz Schrittweite erforderlich sind. Die Bandbreite entspricht hierbei etwa der ange gebenen Schrittweite und die erforderliche Mindest-Band breite ist 10 kHz, die von den Filtern bei weitem über troffen wird. Daraus resultiert nun eine große Zahl "n" statistisch unabhängiger Messungen pro Sekunde, die das Signal-Rausch-Verhältnis um den Faktor verbessert.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die jeweilige Dopplerfrequenz durch einen Frequenzzähler bestimmt. Zur Wahrung der vorgegebenen Ortsauflösung wird über Zeit intervalle gezählt und das Zählergebnis in digitaler Form erhalten. In einem Halbleiterspeicher und einem Mikro prozessor erfolgt dann die Weiterverarbeitung.

In einem dritten Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, sogenannten "Braggzellen-Frequenzanalysatoren" zu verwen den. Die Arbeitsweise eines solchen Analysators beruht auf der frequenzabhängigen Ablenkung eines Halbleiter laserstrahles, der einen mit dem Frequenzgemisch akustisch angeregten Kristall passiert. Zur Anlayse des Ablenkwin kels ist noch ein lineares Fotodetektorarray angeordnet.

Die Monochromasie des Halbleiterlasers wird durch Stabi lisierungseinrichtungen für Strom und Temperatur wesent lich verbessert. Hierzu kann beispielsweise ein geeignetes Laserchip in direkte thermische Kopplung mit einem Kupfer block gebracht werden, dessen Temperatur mit einer Ge nauigkeit von einigen Grad geregelt ist, während die Stromregelung mit einer Genauigkeit von 10^-6 A erfolgt.

Da der Halbleiterlaser im Gegensatz zum CO₂-Laser im nahen IR (typisch 900 nm) strahlt, können Silizium-Fotodetekto ren verwendet werden, die auch als Avalanche-Fotodioden mit Grenzfrequenzen bis zu 1 GHz zur Verfügung stehen. Das bedeutet eine ganz erhebliche Verbesserung von Empfind lichkeit und Rauschabstand im Gegensatz zu den üblicher weise für 10,6 µm verwendeten HgCdTe-Detektoren, die zudem auf Stickstofftemperatur gekühlt werden müssen. Die für den Heterodynempfang erforderliche Referenzleistung wird per Glasfaser vom hinteren Fenster des Halbleiterlasers abgenommen und entweder vor oder hinter der Empfangsoptik verlustarm auf die Fotodiode abgestrahlt.

Zusätzliche Informationen für die Flugkörpersteuerung, die Bestimmung der Rotationslage und die bessere Erfassung der Zieldaten werden durch eine parallel zur Bewegungs detektion laufende Entfernungsmessung erhalten. Beim Über flug ebenen Geländes wird beim momentanen Blick lotrecht nach unten die kürzeste Entfernung gemessen, so daß hier mit die Rotationslage bestimmt werden kann.

Es erweist sich als vorteilhaft und rationell, wenn für die Entfernungsmessung ein zweiter Halbleiterlaser 12 a verwen det wird, wobei sich hierfür ganz einfache Ausführungs formen eignen und auch nur der Sende- und Auswerteteil er forderlich ist, da die Empfangsoptik des Bewegungssensors zum Empfang des Sendesignals S mitbenutzt werden kann. Aufgrund der um den Faktor 10 ¹⁰ höheren Bandbreite dieses unstabilisierten Lasers ist eine Störung des Heterodyn empfangs nicht zu befürchten.

Claims

1. Einrichtung zur Detektion von bewegten Zielen im Nahbereich von 30 bis 300 m von einem Flugkörper aus, unter Ausnutzung des Dopplereffektes, mit einem Entfer nungs- und einem Geschwindigkeitsmesser, die je einen Lasersender aufweisen und beide Laserstrahlen über eine Sendeoptik in der gleichen Richtung abgestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Flugkörper (10) rotierender, schräg nach vorn aus gerichteter Heterodyn-Bewegungssensor (11) verwendet wird, der von einem mit Stabilisierungseinrichtungen für Strom und Temperatur versehenen Halbleiterlaser (12) betrieben wird und zur Entfernungsmessung ein zweiter unstabilisierter Halbleiterlaser (12 a) parallel zum ersten angeordnet ist, wobei im Empfänger (15 b) Avalanche-Fotodioden verwendet werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als Halbleiterlaser (12) ein GaAlAs-Laser verwendet wird.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß als Refe renzlichtstrahl die am hinteren Fenster des Halbleiter lasers (12) vorhandene Lichtleistung verwendet und durch einen Lichtleiter (13) auf den Fotodetektor (14) des Empfängers (15 b) eingekoppelt wird.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fre quenz-Geschwindigkeitstransformation eine Filterbank angeordnet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Be stimmung der Dopplerfrequenz ein Frequenzzähler Verwen dung findet, dessen digitales Zählerergebnis zur Weiter verarbeitung einem Halbleiterspeicher und einem Mikro prozessor zugeleitet wird.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fre quenz-Geschwindigkeitstransformation ein Braggzel len-Frequenzanalysator angeordnet ist.