DE3544558C1 - Laser-Sende/Empfangs-Abbildungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Sende/Empfangs-Abbildungs­ system nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen Systemen, die aus der US-PS 4 311 385 bekannt sind, gibt eine Beleuchtungsquelle ein Laserbündel ab. Ein Empfänger nimmt die von den beleuchteten Feldpunkten reflek­ tierte Laserstrahlung auf.

Das Augenblicksfeld der Beleuchtungsquelle ist sehr klein und liegt im allgemeinen in der Größenordnung von 10^-3 Radian, wodurch ein Bildpunkt definiert ist. Zur Erzeugung eines Laserbildes ist die Einrichtung mit einer optomechanischen Ablenkvorrichtung ausgestattet, welche eine Winkelverschwen­ kung des Strahls vornimmt und das gewünschte zu erforschende Feld periodisch überdeckt. Das erfaßte und verarbeitete Video­ signal kann dann an eine Sichtanzeigevorrichtung angelegt wer­ den, um das Bild der durch das Laserbündel abgetasteten Raum­ zone Punkt für Punkt zu rekonstruieren.

Bei dem aus der US-PS 4 311 385 bekannten Abbildungssystem wird der Detektor direkt oder indirekt dem abtastenden Licht­ bündel nachgeführt. Bei größerer Ablenkgeschwindigkeit und großen Entfernungen kommt es zu einem zeitlichen Versatz zwi­ schen Sendezeitpunkt und Empfangszeitpunkt, der kompensiert werden muß. Zu diesem Zweck ist eine Kompensationsoptik vor­ gesehen, welche die Strahllaufzeit ausgleicht.

Die Anwendung derartiger Abbildungssysteme wirft jedoch ein Erfassungsproblem auf, welches mit den Parametern der Ablenk- Winkelgeschwindigkeit und Entfernung des beleuchteten Zieles verknüpft ist, sowie ein ebenfalls mögliches Problem eines störenden Dopplereffektes aufgrund der kontinuierlichen schnellen Ablenkung des Ablenksystems.

Der von der Beleuchtungsquelle gesendete Lichtfluß breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit zum Ziel aus; gleiches gilt für die zum Empfänger rückgestreute Laserstrahlung. Um eine gute Erfassung zu gewährleisten, muß also die vom Empfänger ange­ peilte Richtung zum Zeitpunkt, wo er den rückgestreuten Licht­ fluß aufnimmt, möglichst genau mit der anfänglichen Senderich­ tung übereinstimmen. Diese Bedingung wird bei fehlender Ablen­ kung genau erfüllt. Je schneller aber die Ablenkung erfolgt und je weiter entfernt die anvisierten Punkte liegen, desto größer ist die Gefahr, daß auf der empfindlichen Oberfläche des Photodetektors nicht die vom Ziel reflektierte Strahlung empfangen wird, da das Empfangsfeld im allgemeinen an das des Detektors angepaßt ist und von derselben Größenordnung ist. Hierdurch werden also den genannten Parametern Grenzen ge­ setzt, ebenso wie folglich auch der Bildfrequenz, damit die Winkelverschiebung zwischen der Richtung der optischen Emp­ fangsachse und der anfänglichen Richtung der optischen Sende­ achse während des Hin- und Rücklaufs des Lichtflusses eine noch befriedigende Funktion des Empfängers gewährleistet.

Im Falle einer kohärenten, sogenannten Heterodyndetektion, bei welcher detektorseitig der vom Ziel rückgestreute Lichtfluß mit einem Referenz-Laserbündel, das als Lokaloszillator be­ zeichnet wird, zur Interferenz gebracht wird, führt die Dopp­ lerverbreiterung aufgrund der Augenblicks-Ablenkgeschwindig­ keit zu einer Verbreiterung des Durchlaßbandes der Empfangs­ elektronik, so daß das Rausch/Signal-Verhältnis nicht opti­ miert werden kann.

Diese Umstände haben zur Folge, daß eine langsame Ablenkung verwendet wird, die aber bei einer gegebenen Bilderneuerungs­ frequenz keine ausreichende Anzahl von Bildpunkten ergibt, wenn nur über einen einzigen Detektor verfügt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungs­ gemäßen Laser-Sende/Empfangs-Abbildungssystem auch bei langsa­ mer Ablenkung des Bündels eine große Anzahl von Bildpunkten zu analysieren, um eine hohe Bildauflösung zu erzielen. Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Danach ist das erfin­ dungsgemäße Laser-Sende/Empfangs-Abbildungssystem mit opti­ schen Ablenkeinrichtungen ausgestattet, durch die der Licht­ strahl unabhängig von seiner Hauptablenkung nacheinander und schnell in verschiedenen Richtungen ausgelenkt werden kann, um die entsprechenden, von den beleuchteten Punkten reflektierten Lichtstrahlen zu erfassen und so periodisch eine große Anzahl von Bildpunkten zu analysieren. Hierdurch kann die Frequenz der Hauptablenkung vermindert werden, ohne an Bildauflösung zu verlieren, welche von der Anzahl der überstrichenen Punkte abhängt.

Es ist an sich bereits bekannt gewesen, beispielsweise durch die FR 25 35 466 A1 oder die FR 25 16 664 A1, eine Abtastung in zwei aufeinander senkrechten Richtungen vorzunehmen. Bei diesen bekannten Systemen wird aber nur der Sende- und Emp­ fangsstrahl abgelenkt. Die Detektoranordnung bleibt hingegen ortsfest. Das Problem des zeitlichen Versatzes zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt ist hier ungelöst.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Be­ zugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeich­ nungen zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Verdeutlichung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 3 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Laser- Sende/Empfangs-Abbildungssystems;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der optischen Ab­ lenkmittel;

Fig. 5 bis 7 Zeitdiagramme, welche die Funktion der optischen Ablenkmittel und der Empfangs­ detektoren verdeutlichen;

Fig. 8 ein Blockschema einer Verarbeitungsschal­ tung des Empfängers;

Fig. 9 ein Ausführungsbeispiel der Steuereinrich­ tung für die optische Ablenkung; und

Fig. 10 eine schematische Darstellung zur Erläute­ rung der Ablenkung gemäß einer Variante der Erfindung.

Die Erfindung liegt im Rahmen einer ausreichend langsamen Ablenkgeschwindigkeit, damit die reflektierte Strahlung noch trotz der Winkelverschiebung der Visierlinie zwischen Hinlauf und Rücklauf vom Detektor empfangen wird. Um ein Bild zu liefern, welches eine große Anzahl von Punkten enthält, wird vorgeschlagen, unabhängig von der sogenann­ ten Hauptablenkung das Laserbündel nacheinander in mehre­ re Richtungen abzulenken, die komplementär zu denen der Hauptablenkung sind, um eine größere Anzahl von Bildpunk­ ten zu analysieren.

Die folgende Beschreibung betrifft das nicht als Ein­ schränkung zu verstehende Beispiel, bei welchem eine Detektorvorrichtung 25 aus einer Zeile von vier elementa­ ren Photodetektoren gebildet ist.

Fig. 1 zeigt in einer senkrecht zum Sendebündel stehenden Ebene acht nacheinander durch das Bündel überfahrene Punk­ te. Alle Bildpunkte werden durch zwei Ablenkungen beleuch­ tet. Eine erste übliche Ablenkung erfolgt Zeile für Zeile in horizontalen Linien S der Länge G im senkrechten Ab­ stand eines Intervalles ΔS, um die Höhenwinkel- und Sei­ tenwinkel-Erfassung des zu beobachtenden Feldes zu gewähr­ leisten. Durch diese Ablenkung werden das von der Beleuch­ tungsquelle ausgehende Lichtbündel und die Visierrichtun­ gen des Empfängers in gleicher Weise winkelverschoben. Die Ablenkung erfolgt mit relativ geringer Geschwindig­ keit, so daß bei einer Seitenwinkelverschiebung ΔG des Bündels eine zweite Ablenkung noch an mehreren Punkten vorgenommen werden kann, die einen Höhenwinkelabstand Δs haben. Diese zweite Ablenkung betrifft nur das Beleuch­ tungsbündel, das hier bei der Hauptablenkung überlagert wird, während der Empfänger nur die Hauptablenkung aus­ führt. In Fig. 1 ist verdeutlicht, wie vier Punkte zu den Zeitpunkten t₁ bis t₄ in einer sekundären Höhenwinkel- Ablenkzeile beleuchtet werden. Gleiches gilt für die vier darauffolgenden Punkte, die zu den Zeitpunkten t₅ bis t₈ beleuchtet werden. Die Abstände ΔS und ΔG sind so gewählt, daß die Anzahl der beleuchteten Punkte ausreichend groß ist und diese derart angeordnet sind, daß die Bildauflö­ sung ausreicht.

Fig. 2 zeigt entsprechend Fig. 1 eine Zeile aus vier De­ tektorelementen zu den Zeitpunkten t₁ und t₅. Zum Zeit­ punkt t₁ + Δt nimmt das erste Detektorelement die Rück­ strahlung des zum Zeitpunkt t₁ gesendeten Bündels auf, zum Zeitpunkt t₅ + Δt entsprechend das rückgestreute Licht des zum Zeitpunkt t₅ gesendeten Bündels, wobei die Visier­ richtung zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₅ um den Höhen­ winkelabstand ΔG durch die Hauptablenkung 3 verändert wurde. Die Detektorzeile wird also derart winkelverscho­ ben, daß jedes Detektorelement i zum Zeitpunkt t_i + Δt das rückgestreute Licht des zum Zeitpunkt t_i gesendeten Bün­ dels empfängt, mit zyklischer Wiederholung.

Fig. 3 zeigt ein verallgemeinertes Blockschema, worin der als Beleuchtungsquelle 1 bezeichnete Lichtsender, welcher das Laserbündel erzeugt, und ein Empfänger 2 gezeigt sind, dessen optische Empfangsachse in gleicher Weise orientiert ist. Eine Vorrichtung 3 erzeugt die sogenannte Hauptab­ lenkung, die linear oder zweidimensional erfolgt, um das zu erforschende Feld zu überdecken und die Trennung von Sende- und Empfangswegen vorzunehmen.

Die Beleuchtungsquelle 1 enthält einen Laser 11, der eine kontinuierliche oder gepulste Lichtwelle abgibt, einen Modulator 12, welcher die gewünschte Modulation vornimmt, z. B. eine zeitliche Modulation, um das kontinuierliche Bündel in Lichtimpulse zu zerlegen, und/oder eine Fre­ quenzmodulation aufgrund von entsprechenden empfangenen Steuersignalen. Dieser Modulator 12 ist bei einer vor­ teilhaften Ausführungsform aus zwei entgegengesetzt zu­ einander angeordneten akustooptischen Ablenkgliedern ge­ bildet. Elektronikschaltungen 13 erzeugen die Modula­ tions-Steuersignale. Ein Austrittsobjektiv 14 erzeugt den Durchmesser und die Divergenz, die das sendeseitige Bündel aufweisen soll.

Gemäß der Erfindung ist das System mit optischen Ablenk­ mitteln 4 ausgestattet, um das Laserbündel in einer An­ zahl N von verschiedenen aufeinanderfolgenden Richtungen einzustellen, insbesondere senkrecht zur Richtung der Hauptablenkung. Diese Mittel können zerlegt sein in eine optische Ablenkvorrichtung 41 und eine Ablenk-Steuerschal­ tung 42. Die Ablenkvorrichtung 41 kann durch jegliches schnell arbeitende Winkelablenksystem von optomechani­ scher oder optoelektronischer Art, insbesondere auch akustooptischer Art gebildet sein, und auch eine in inte­ grierter Optik ausgeführte schnelle Ablenkvorrichtung kann verwendet werden. Sie orientiert den Laserstrahl nacheinander in den N verschiedenen Richtungen, um so eine sogenannte sekundäre Ablenkung vorzunehmen. Diese Ablenkvorrichtung befindet sich auf dem Strahlweg vor der Hauptablenkvorrichtung 3 im Sendeweg. Die Schaltung 42 erzeugt Steuersignale SD für die Ablenkvorrichtung 41 in Abhängigkeit von der gewählten sekundären Ablenkung.

Der Empfänger enthält hauptsächlich ein optisches System 21 zum Fokussieren der reflektierten Lichtstrahlen auf einer Detektorvorrichtung 25. Diese enthält ebensoviele elementare Photodetektorelemente wie verschiedene Rich­ tungen vorgesehen sind, also N. Die Photodetektorelemen­ te bilden eine Photodetektorzeile und empfangen jeweils das einer der genannten Richtungen entsprechende reflek­ tierte Lichtbündel. Eine elektronische Verarbeitungs­ schaltung 23 erzeugt Videosignale für die Bildrekonstruk­ tion, die einer Bildanzeige- oder Speichervorrichtung 24 zugeführt werden. Die aus den Elementen 21 bis 25 be­ stehende Gruppe entspricht einer Ausführung für nicht kohärenten Empfang; bei Kohärentdetektion empfängt jedes Detektorelement ferner eine Lokalschwingung eines Lasers 27 von gleicher Frequenz wie die Sendefrequenz; die Lo­ kalschwingung kann auch durch Entnahme eines Bruchteils des Sendestrahls vor dem Modulator erhalten werden. Die­ se Lokalschwingung wird durch ein optisches Ablenkelement 26 in eine Anzahl N von Bündeln geteilt, die gleich der Anzahl von aufeinanderfolgenden Richtungen des gesendeten Bündels ist, die auf den Detektorelementen auftreffen, wobei diese Strahlteilung durch ein halbdurchlässiges Plättchen 22 geschehen kann.

Die mit 1 und 2 bezeichneten und vorstehend beschriebenen Baugruppen sind bei den meisten Laser-Telemetriesystemen vorhanden, mit Ausnahme der Bildanzeigevorrichtung 24.

Ein solches System ist insbesondere in der FR-PS 2 519 771 beschrieben, die ein mit Pulskompression arbeitendes LIDAR-System beschreibt. Die aus Modulator 12 und Elek­ tronikschaltungen 13 bestehende Gruppe kann geeignet aus­ gebildet sein, um periodisch zwei linear frequenzmodulier­ te Impulse abzugeben, entsprechend der sogenannten CHIRP- Technik.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Ablenkvorrichtung 41 ist dem Modulator 12 zugeordnet. Die Funktionen beider Elemente werden gleichzeitig durch eine Anordnung von entgegengesetzt zueinander orientierten akustooptischen Ablenkern erfüllt. Diese Anordnung ist in Fig. 4 verdeut­ licht. Der Modulator- und Ablenkblock 1241 enthält die beiden Ablenker 45 und 46. Das Ausbreitungsmedium dieser akustooptischen Ablenker ist beispielsweise ein Germanium­ kristall, wenn mit Laser-Wellenlängen von 10,6 µm gearbei­ tet wird. Elektroakustische Wandler, insbesondere Quarz­ elemente, empfangen die elektrischen Steuersignale und setzen sie durch piezoelektrischen Effekt in Schall­ schwingungen um, die sich in dem Ausbreitungsmedium, ins­ besondere Germanium, ausbreiten. Diese Wellen verändern örtlich den Brechungsindex. Jeder Ablenker 45, 46 verhält sich wie ein Phasengitter mit variabler Gitterkonstante, welches imstande ist, den auftreffenden Lichtfluß durch Beugung abzulenken. Um den Wirkungsgrad zu optimieren, werden diese Vorrichtungen im allgemeinen bei der ersten Beugungsordnung betrieben, mit einem quasi-kollimatierten Lichtstrahl, der unter dem bragg′schen Winkel ankommt. Unter diesen Bedingungen ist die Ablenkung in erster Ordnung durch die Gleichung Θ = λf/V bestimmt (λ gleich Wellenlänge des Laserstrahls, f gleich Frequenz der Schallwelle, V gleich Schallgeschwindigkeit in dem Wech­ selwirkungsmedium). Das ankommende Bündel erfährt eine Frequenzverschiebung von f, wodurch es entsprechend mo­ duliert wird, und ferner wird seine Richtung verändert. Bei Anwendung der an sich bekannten CHIRP-Modulation wird durch die Verwendung der beiden entgegengesetzt zueinan­ der angeordneten akustischen Modulatoren 45 und 46 er­ reicht, daß die Frequenzverschiebungen gleich sind und einander hinzugefügt werden, während die Ablenkungen glei­ cher Größe voneinander subtrahiert werden, so daß die re­ sultierende Ablenkung gleich Null ist. Um ausgangsseitig die gewünschte Ablenkung zu erhalten, sind die Steuermit­ tel 42 in die Verbindung zwischen der Sendeelektronik 13 und dem Modulator-Ablenker 1241 eingefügt. Es werden also verschiedene Ablenkungen Θ1 und Θ2 erzeugt, und die re­ sultierende Ablenkung AΘ hat den gewünschten Wert Δα, bis auf die Vergrößerung G der Optik 14 entsprechend der Be­ ziehung ΔΘ=GΔα, da die Sendeoptik 14 hinter der Ablenk­ vorrichtung 1241 angeordnet ist.

Es wird nun auf Fig. 9 Bezug genommen. Die Schaltung 42 enthält einen ersten Oszillator 41, der eine feste Lokal­ frequenz F_L von beispielsweise einigen zehn MHz abgibt, und eine Frequenzsyntheseschaltung 62, welche Frequenzen F_L + ΔF abgibt, worin ΔF das variable Element ist. Wenn mit F(t) die Augenblicksfrequenz des in der Schaltung 13 empfangenen Signals ist, so wird dieses Signal F(t) an zwei Mischer 63 und 64 angelegt, um Schwebungen mit den Lokalsignalen der Frequenzen F_L und F_L + ΔF zu erzeugen. Am Ausgang der nachgeschalteten Hochpaßfilter 65 und 66 werden die Frequenzen F(t) + F_L + ΔF bzw. F(t) + F_L abgenom­ men. Diese Signale werden erneut in zwei weiteren Mi­ schern 67, 68 gemischt, ersteres mit der Frequenz F_L und letzteres mit der Frequenz F_L + ΔF, um anschließend in Tiefpaßfiltern 69 und 70 gefiltert zu werden und ein Si­ gnal F(t) + ΔF für den ersten Modulator bzw. ein Signal F(t) - ΔF für den zweiten Modulator zu erhalten. Es er­ gibt sich hieraus eine Winkelablenkung ΔΘ des Laser­ strahls, die proportional zu 2ΔF ist, mit einer Frequenz­ modulation von 2F(t), worin F(t) gleich der Hälfte des Modulationswertes f(t) gewählt sein kann, der zuvor an­ gegeben wurde. Der Wert f(t) oder 2F(t) kann in der Größenordnung von 100 bis 200 MHz liegen und konstant sein oder aber linear oder auf sonstige Weise mit der Zeit variieren. Der Lichtstrahl bildet bei diesem Bei­ spiel die Trägerschwingung von 3 · 10¹³ Hz bzw. 10 µm Wellenlänge. Die angegebene Ausbildung mit zwei Mischern in jedem Weg ist durch die geringen zu erzeugenden Fre­ quenzmodulationswerte ΔF gerechtfertigt, denn es reichen einige hundert KHz aus, die mit der Modulationstiefe f(t) zu vergleichen ist, welche einige zehn MHz betragen kann. Die Anordnung gewährleistet ferner die Beherrschung des Vorzeichens der Korrektur, die abhängig davon erfolgt, ob die Frequenz der Syntheseschaltung 62 größer oder kleiner als der Wert F_L ist. Zeitliche oder sonstige Abdriften des Oszillators und der Syntheseschaltung haben keinen Einfluß auf die Frequenzmodulation, was für alle empfangs­ seitigen Verarbeitungen außer denen für die Videoabbildung wichtig ist, insbesondere die Dopplerextraktion. Diese Ab­ driften beeinflussen hingegen die Winkelkorrektur ΔΘ, je­ doch bleibt ihr Einfluß vernachlässigbar.

Es wird nun die Arbeitsweise des in Fig. 4 gezeigten Systems beschrieben. Zu einem gegebenen Zeitpunkt t emp­ fängt der akustooptische Modulator 45 ein Signal der Augenblicksfrequenz f₁(t), beispielsweise in der Größen­ ordnung von 50 bis 100 MHz, und der Modulator 46 empfängt ein Signal der Augenblicksfrequenz f₂(t), die wenig von F₁ verschieden ist. Die durch das erste Element 45 einge­ führte Ablenkung Θ₁ beträgt λf₁(t)/V, und die Θ₂ des zweiten Elementes 46 beträgt λf₂(t)/V. Für Werte λ= 10,6 µm und V = 5500 m/s im Falle eines Ausbreitungsmediums, bei dem es sich um Germanium handelt, betragen die eingeführ­ ten optischen Ablenkungen einige zehn Milliradian. Am Ausgang ist die resultierende Augenblicksablenkung dann gleich ΔΘ = Θ1 - Θ2 und hängt also von der Differenz f₁(t) f₁(t) - f₂(t) ab. Die Frequenzmodulation ist gegeben durch f(t) = f₁ (t) + f₂(t). Zum Zeitpunkt t′ entsprechend einer anderen Richtung empfangen die Modulatoren 45 und 46 zwei andere Frequenzen f₁(t′) bzw. f₂(t′), mit f₁(t′) - f₂(t′) = konstant für dieselbe Richtung. Dieser Vorgang wieder­ holt N mal, um das Bündel in N verschiedene Richtungen zu lenken.

Die aus den Elementen 13 und 42 gebildete Baugruppe ist dazu bestimmt, die Steuerbefehle abzugeben, welche zu den erforderlichen Werten ΔΘ und f(t) führen. In der Praxis sind die Werte f₁(t) und f₂(t) wenig verschieden, bei­ spielsweise in der Größenordnung von einigen hundert KHz bis einigen MHz. Die sehr geringe Ansprechzeit der Modu­ latoren 45, 46 erlaubt Winkelablenkungen des Strahls in einigen µs. Die Frequenzdifferenzen f₁(t) - f₂(t), die erzeugt werden müssen, werden in Abhängigkeit von den Winkelstellungen der N zu beleuchtenden Punkte berech­ net.

Die Verarbeitungsschaltung 23 für die von den N elemen­ taren Photodetektoren 25 abgegebenen elektrischen Signa­ len besteht aus M getrennten Verarbeitungswegen. Es sind maximal ebensoviele Wege wie Photodetektorelemente vor­ handen (M = N), jedoch wird die Anzahl M von Wegen durch Zeitmultiplexierung vermindert, da jeder Weg nacheinan­ der die Signale von mehreren Photodetektorelementen ver­ arbeiten kann, weil ein Umschaltsystem verwendet wird. Die durchgeführte Verarbeitung kann im Zusammenhang mit einer Impulskompression oder Spektralanalyse stehen.

Zur Verdeutlichung der Arbeitsweise des Systems werden vier Senderichtungen in Betracht gezogen. Das in Fig. 5 gezeigte Zeitdiagramm betrifft die Senderichtung des Lichtstrahls. Auf der Abszisse ist die Zeit und auf der Ordinate der Höhenwinkel aufgetragen. Der Lichtstrahl wird während einer Zeitspanne T_E von fester bestimmter Dauer in die vier aufeinanderfolgenden Richtungen ein­ gestellt. Die große Schnelligkeit des Ablenkers gestat­ tet Änderungen der Ablenkrichtung in sehr kurzer Zeit.

Das Zeitdiagramm der Fig. 6 betrifft die vier Detektor­ elemente 25. Jedes von ihnen empfängt ein Signal nur dann, wenn die Richtung des gesendeten Lichtstrahls seiner Empfangsrichtung entspricht.

Der Empfang des Signals (beispielsweise eines CHIRP- Signals) auf einem gegebenen Detektorelement ist zeit­ lich gegenüber dem Sendezeitpunkt bei der entsprechen­ den Richtung um Δt verschoben, entsprechend der Hin- und Rücklaufzeit des Lichtstrahls. Da jedoch die gewöhn­ liche Sende/Empfangs-Ablenkung langsam geschieht, führt diese Zeitverschiebung nicht zu einem Winkelfehler des Empfängers, dessen Beobachtungsfeld also genau dem durch die Beleuchtungsquelle angestrahlten Feld entspricht. Der Photodetektor muß also an einen Verarbeitungsweg während der minimalen Dauer T angeschlossen werden:

T = T_E + Δt_Max

worin: T_E = Dauer des in jeder Richtung gesendeten Signals;
Δt_Max maximale Hin-Rücklaufzeit des Lichtstrahls, also 2 D_Max/c
D_Max maximale Zielentfernung;
c gleich Lichtgeschwindigkeit.

Wenn nur ein einziger Verarbeitungsweg vorhanden ist, an den nacheinander die Ausgänge der vier Detektorelemente angeschlossen werden, so stellt T das minimale Zeitinter­ vall zwischen der Ausstrahlung in zwei aufeinanderfolgen­ den Richtungen dar, denn die Verschiebung zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Empfangszeitpunkt kann von 0 bis Δt_Max reichen, je nach der Entfernung des anvisierten Punktes.

Unter diesen Umständen wird jedoch nicht die maximale Ablenkfrequenz erreicht, denn es geht für jeden Punkt Zeit verloren, um die Rückkehr des Lichtstrahls abzu­ warten. Dies ist besonders störend, weil die Sendedauer im allgemeinen in der Größenordnung von 10 bis 20 µs lie­ gen (wodurch das minimale absolute Zeitintervall zwischen zwei Senderichtungen festgelegt wird), während die Hin- und Rücklaufzeit oft 30 µs überschreitet (Ziel in 4,5 km Entfernung). Wenn jedoch die Entfernung der verschiedenen Bildpunkte nicht zu unterschiedlich ist und die mittlere Entfernung bekannt ist, so kann in Betracht gezogen wer­ den, nur einen einzigen Verarbeitungskanal zu verwenden, wobei dann jedes Detektorelement während der Zeit T_E an­ geschlossen wird, versetzt um Δt bezüglich des Sendezeit­ punktes, wobei Δt = 2/c die mittlere Entfernung der Bild­ punkte ist.

Wenn die Entfernung D unbekannt ist, werden zum Errei­ chen der maximalen Bildfrequenz (Dauer T_E an jedem Punkt ohne Berücksichtigung der Schaltzeiten) mehrere Empfangskanäle oder -wege verwendet, so daß jedes Detek­ torelement ausreichend lange an einen Empfangskanal ange­ schlossen bleiben kann. Es kann dann der Feldpunkt mit der Nummer n+1 beleuchtet werden, während das Detektorelement mit der Nummer n noch an einen Empfangskanal angeschlossen ist und Licht vom Punkte mit der Nummer n empfangen kann.

Das in Fig. 7 als nicht einschränkendes Beispiel angege­ bene Zeitdiagramm betrifft die Ausführungsform mit vier Photodetektorelementen und zwei Empfangskanälen. Insbe­ sondere ist die zeitliche Aufeinanderfolge der Steuerbe­ fehle verdeutlicht. Die Nummern der angeschlossenen De­ tektorelemente sind als Funktion der Zeit angegeben. Die von den Detektorelementen 1 und 3 abgegebenen Signale wer­ den auf den ersten Kanal gegeben, während die Signale von den Detektoren 2 und 4 zum zweiten Kanal gelangen.

In Fig. 8 empfangen vier Verstärker 29 die von den Detek­ torelementen 25 abgegebenen Signale. Zwei Unterbrecher 30 schalten abwechselnd die Ausgänge des ersten und des dritten Verstärkers auf einen ersten Verarbeitungskanal 31, und die Ausgänge des zweiten und vierten Verstärkers auf einen zweiten Verarbeitungskanal 31. Die von diesen zwei Verarbeitungskanälen abgegebenen Signale werden an eine Bilderzeugungsvorrichtung 32 angelegt. Diese enthält einen Bildspeicher, worin ein vollständiges Teilbild von der Bildablenkung gespeichert ist. Ein Umschaltkreis 28 emp­ fängt das Ablenksignal SD, um die Unterbrecher 30 synchron mit dem Sendebetrieb zu steuern.

Die beiden Unterbrecher 30 können jeweils durch einen Summierer ersetzt werden. Diese Lösung vermeidet die Ver­ wendung eines Schaltkreises, ist jedoch mit dem Mangel behaftet, daß das Rauschen durch dauerndes Aufsummieren der beiden Kanäle vergrößert wird. Dieser Mangel kann aber durch eine Ausführung mit Kohärentdetektion, bei welcher das Rauschen hauptsächlich auf dem Lokaloszilla­ tor beruht, minimal gemacht werden. Es wird ein Ablenk­ system 26 verwendet, durch das eine Lokaloszillatorschwin­ gung nur dann auf jedes Detektorelement gegeben wird, wenn dieses ein Signal empfangen soll.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Lösung weist den Vorteil auf, daß sie sehr einfach auszuführen ist, denn es werden Ablenksysteme verwendet, die bereits im Gerät vorhanden sind und zur Modulation dienen. Es muß also lediglich noch die Ablenk-Steuerschaltung 42 hinzugefügt werden.

Es kann in Betracht gezogen werden, die Ablenkung in der Einheit 3 (Fig. 3) nur in einer Richtung vorzunehmen, wo­ bei der optische Ablenker dann die Ablenkung in der zwei­ ten Richtung durchführt, indem eine ausreichend große An­ zahl N von Detektorelementen vorgesehen wird, um eine gute Bildauflösung zu gewährleisten.

Eine andere Ausführungsform der Ablenkung ist in Fig. 10 verdeutlicht. Die dort gezeigte Ablenkung ist in zwölf Zonen aus jeweils 4 × 4 Punkten zerlegt, welche das ge­ samte beobachtete Feld überdecken. Die sechzehn Punkte einer Zone werden durch die sekundäre Ablenkung beleuch­ tet, die in zwei Richtungen erfolgt und durch den opti­ schen Ablenker 42 erzeugt wird. Während der Zeit der sekundären Ablenkung ist die Ablenkung durch die Hauptab­ lenkung gleich Null und auf die überstrichene Zone zen­ triert. Zwischen jeder sekundären Zonenablenkung macht die Hauptablenkung einen Sprung, um den Mittelpunkt C einer weiteren Feldzone schnell zu erreichen. Das Feld kann so mit nur einer geringen Anzahl von Matrixbewegun­ gen überdeckt werden, wobei die Matrix eine große Anzahl von Punkten enthält. Die Detektorzeile ist bei dieser Ausführungsform ersetzt durch eine Matrix, welche mit der durch den optischen Ablenker erzeugten Ablenkung ge­ nau übereinstimmt.

Wenn die Anzahl der darzustellenden Punkte gleich der An­ zahl von Matrixpunkten ist, kann die Ablenkung in der Ein­ heit 3 entfallen. Der Ablenker 42 gewährleistet dann die Ablenkung über das gesamte zu beobachtende Feld, wobei dann die Ablenkmatrix und die Detektormatrix jeweils alle Feldpunkte enthalten.

Claims (13)

1. Laser-Sende/Empfangs-Abbildungssystem mit einer Laser- Beleuchtungsquelle (1), die ein Laserbündel abgibt, einem Empfänger (2) mit einer Detektorvorrichtung (25) zum Auf­ fangen der von den beleuchteten Feldpunkten reflektierten Laserstrahlung, einer Ablenk- und Trennvorrichtung (3) zum periodischen Bewegen des Laserbündels in solcher Weise, daß ein bestimmtes Feld abgefragt wird und die reflektier­ te Strahlung zur Detektorvorrichtung gerichtet wird, und mit einer Sichtanzeigevorrichtung (24) für das erfaßte Videobild, welches dem beobachteten Feld entspricht, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsquelle ferner optische Ablenkmittel (41, 42) umfaßt, um das ausgesende­ te Laserbündel periodisch mit einer Anzahl N von aufein­ anderfolgenden und gegeneinander winkelversetzten Rich­ tungen in wenigstens einer Richtung senkrecht zu derjeni­ gen Richtung abzulenken, welche durch die Ablenkvorrich­ tung erzeugt wird, und daß die Detektorvorrichtung ent­ sprechend dieselbe Anzahl N von Detektorelementen umfaßt, die in wenigstens einer Richtung angeordnet sind, um je­ weils die in den genannten N Richtungen reflektierten Strahlen aufzufangen, wobei eine langsame Feldablenkung durch die Ablenkvorrichtung erfolgt, gleichzeitig jedoch eine ausreichend große Anzahl von Bildpunkten analysiert wird.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Empfänger (2) eine Verarbeitungsschal­ tung (23) umfaßt, welche die von den N Detektoren (25) abgegebenen Singale empfängt, um ein für die Sichtdar­ stellung bestimmtes Videosignal zu erzeugen.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung (23) mehrere Verarbeitungskanäle aufweist, so daß jedes Detektorele­ ment (25) ausreichend lange angeschlossen bleiben kann, damit es das rückgeworfene Lichtsignal empfangen kann.

4. Abbildungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verarbeitungsschaltung eine Anzahl N/2 von Verarbeitungskanälen (31) umfaßt, die jeweils ab­ wechselnd die Signale empfangen, welche von zwei Detek­ torelementen (25) ausgehen, wobei zur Umschaltung ein Unterbrecher (30) vorgesehen ist, und daß die Verarbei­ tungskanäle Videosignale abgeben, welche an eine Rechen­ schaltung zur Bildkonstruktion für die Sichtanzeige an­ gelegt sind.

5. Abbildungssystem nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (25) eine Photodetektorzeile bilden.

6. Abbildungssystem nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Ablenkmit­ tel eine optische Ablenkvorrichtung (41) umfassen, welche durch eine Steuerschaltung (42) gesteuert wird, wobei die Ablenkvorrichtung im Strahlweg vor der Ablenkvorrichtung (3) angeordnet ist.

7. Abbildungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ablenkvorrichtung aus zwei akustoopti­ schen Ablenkern (45, 46) gebildet ist, welche zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, dergestalt, daß die Fre­ quenz des optischen Weges nicht verändert wird.

8. Abbildungssystem nach Anspruch 7, bei welchem die Beleuchtungsquelle (1) einen Dauerstrich-Lasergenerator (11) umfaßt und die Modulationsmittel (12) aus einem Mo­ dulator gebildet sind, welcher zwei einander entgegenge­ setzt angeordnete akustooptische Ablenker (45, 46) ent­ hält, und eine Generatorschaltung (13) zur Erzeugung von Steuersignalen für diese Ablenker umfaßt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der genannte Modulator ferner die genannte optische Ablenkvorrichtung (1241) bildet, wobei die Steuerschaltung (42) in die Verbindung mit der Generator­ schaltung eingefügt ist.

9. Abbildungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Steuerschaltung (42) ein Si­ gnal der Frequenz F(t) + ΔF erzeugt, welches an den ersten akustooptischen Ablenker (45) angelegt ist, und ein Si­ gnal der Frequenz F(t) - ΔF abgibt, welches an den zweiten akustooptischen Ablenker (46) angelegt ist, wobei 2F(t) die Augenblicks-Modulationsfrequenz der Übertragung ist und 2ΔF ein Wert ist, welcher proportional zur Winkelab­ weichung des Laserbündels zwischen zwei zu beleuchtenden Punkten für dieselbe gemeinsame Ablenkposition zwischen Aussendung und Empfang ist.

10. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die N Ablenkrichtungen des optischen Ablenkers (41) gegeneinander in zwei verschie­ denen Richtungen derart versetzt sind, daß eine Punkt­ matrix beleuchtet wird, und daß die Detektorelemente (25) eine Matrix bilden, welche der Ablenkmatrix des optischen Ablenkers entspricht.

11. Abbildungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hauptablenkung auf eine Ablenkung des Laserbündels auf die Mittelpunkte von Zonen reduziert ist, welche das zu beleuchtende Feld überdecken.

12. Abbildungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß keine Hauptablenkung erfolgt und daß die Anzahl von Matrixpunkten ausreichend groß ist, um das gesamte zu beleuchtende Feld zu überdecken.

13. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptablenkung nur in einer einzigen Richtung senkrecht zur Ablenkung des opti­ schen Ablenkers (41) erfolgt.