DE3701296C1

DE3701296C1 - Anordnung zum Bestimmen der Position eines Laserstrahles in einem streuenden Medium

Info

Publication number: DE3701296C1
Application number: DE3701296A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Altmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-01-17
Filing date: 1987-01-17
Publication date: 1988-05-11
Also published as: FR2609814B1; FR2609814A1; US4847481A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen der Position eines Laserstrahles in einem streuenden Medium gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru ches 1.

Derartige Anordnungen sind für eine Reihe von technischen Anwendungen notwendig, so z. B. für Leitstrahlverfahren zur Flugkörperlenkung oder zur Landeanflugsteuerung. Insbesondere bei solchen Verfahren ist es notwendig, auch in streuenden Medien, z. B. Dunst, Nebel, Rauch oder Wasser die Position des Laserstrahles möglichst genau zu bestimmen, wobei die Winkelgenauigkeit dieser Bestimmung möglichst in der Größenordnung der ursprünglichen Strahl divergenz des Laserstrahles liegen soll, d. h. im Bereich einiger Milliradian. So wird z. B. bei einem Leitstrahlver fahren zur Flugkörperlenkung mit dem Laserstrahl die Umgebung des Flugkörpers in Form eines bestimmten Musters abgetastet. Aus dem Zeitpunkt, zu dem der Laserstrahl einen Sensor an der Rückseite des Flugkörpers über streicht, kann in dem Flugkörper dessen Position relativ zum Ziel bestimmt werden. Hieraus werden dann Daten für die Lenkung des Flugkörpers ermittelt. Zusätzlich ist es möglich, den Laserstrahl in gewissem Umfange zu modulie ren, um auf diese Weise an den Flugkörper Befehle, so z. B. Lenksignale zu übermitteln. Bei Benutzung eines Dauerstrichlasers kann dieses und auch andere Verfahren im wesentlichen nur bis zu Normsichtweiten von 1 bis 2 km eingesetzt werden. Sind die Sichtweiten geringer, so wird der Laserstrahl in dem umgebenden Medium so stark gestreut, daß eine eindeutige Positionsbestimmung nicht mehr möglich ist. Diese Tatsache sei kurz erläutert:

Wird ein Laserstrahl durch ein streuendes Medium, z. B. Dunst oder Nebel, geschickt, so wird ein Teil der Laserstrahlung gestreut, wodurch der ursprüngliche Laser strahl geschwächt wird. Die von einem Empfänger regi strierte Strahlung I setzt sich additiv aus einem ungestreuten kohärenten Anteil I _c und dem inkohärenten Streuanteil I _i zusammen, d. h. es gilt

I = I _c + I _i.

Bezeichnet man die Ausgangsintensität des Laserstrahls mit I ₀, so gilt für den kohärenten Anteil

I _c = I ₀ exp (-τ),

wobei t als optische Tiefe oder Dicke des Mediums bezeichnet wird und durch

τ = L σ _e

gegeben ist, wobei L die geometrische Entfernung zwischen dem Lasersender und dem Empfänger und σ _e der Extinktions koeffizient des Mediums ist. Für letzteren gilt

s _e = σ _s + σ _a,

wobie σ _s der Streukoeffizient und σ _a der Absorptionskoef fizient des Mediums ist.

Der Streuanteil I _i hängt vom Streukoeffizienten s _s und von der Streucharakteristik der Einzelteilchen des streuenden Mediums ab. Wenn die Wellenlänge des Lasers kleiner oder vergleichbar mit dem Durchmesser der streuenden Teilchen in dem Medium ist, so ist die Streustrahlung nach vorne gerichtet und verteilt sich in einem Winkelbereich von wenigen Grad um die Achse des Laserstrahls.

Ist die Wellenlänge des Laserstrahls größer als der Durchmesser der streuenden Teilchen, so verteilt sich die Streustrahlung entsprechend auf einen größeren Winkelbe reich.

Stets entsteht jedoch gegenüber der kohärenten Strahlung, deren Strahldivergenz im allgemeinen größenordnungsmäßig im Milliradian-Bereich liegt, ein Hintergrund, in dem der ursprüngliche und kohärente Laserstrahl mit zunehmender optischer Tiefe bzw. Dicke τ verschwindet. Dies ist aus Fig. 1 ersichtlich, in der der Verlauf des Strahlprofils eines Laserstrahles bei Aerosolstreuung als Funktion des Abstandes ρ in cm von der Strahlachse für verschiedene Streukoeffizienten σ _s und einen Abstand von 3 km zwischen Lasersender und Laserempfänger aufgetragen ist. Die Strahlprofile sind auf die Strahlachse normiert und logarithmisch als Strahlungsintensität angegeben. Man sieht, daß schon bei relativ geringen Streukoeffizienten das Strahlprofil so aufgeweitet wird, daß eine einigerma ßen exakte Bestimmung der Position des Laserstrahles nicht mehr möglich ist.

Da die Streustrahlung die gleiche Wellenlänge wie die kohärente Strahlung hat, kann sie mit Hilfe von optischen Filtern nicht von dieser unterschieden werden. Mit einem in der herkömmlichen Weise konzipierten Empfänger ist daher bei optischen Tiefen τ 10 entsprechend einer Normsichtweite von etwa 500 m nur mehr eine sehr ungenaue, von der Winkelverteilung der Streustrahlung abhängige Bestimmung der Position des Laserstrahles möglich. Für die obengenannten technischen Anwendungen ist eine solche ungenaue Positionsbestimmung des Laserstrahles nicht mehr tragbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der in Rede stehenden Art so weiterzuentwickeln, daß die Position eines Laserstrahles auch in stark streuenden und optisch dichten Medien einfach und zuverlässig bestimmt werden kann, so daß die Genauigkeit dieser Positionsbe stimmung auch bei großen Entfernungen zwischen Lasersender und Empfänger verbessert wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der Anordnung gemäß der Erfindung wird das unter schiedliche zeitliche Verhalten der kohärenten und der durch die Streuung inkohärenten Laserstrahlung ausgenutzt. Zur Erläuterung soll zunächst die zeitliche Ausweitung von Einzelpulsen beschrieben werden.

Schickt man einen sehr kurzen Einzellaserpuls durch ein streuendes Medium, so bleibt dessen zeitlicher Verlauf im kohärenten Anteil unverändert. Im Streuanteil wird jedoch die Form des Laserpulses verändert. Da die gestreuten Photonen den Empfänger nicht wie bei der kohärenten Strahlung auf direktem Weg, sondern auf einem Umweg über im allgemeinen mehrere Streuvorgänge erreichen, kommen sie zeitlich verzögert an. Dadurch wird, wie in Fig. 2 gezeigt, der Laserpuls verbreitert und sein Schwerpunkt nach hinten verschoben. In Fig. 2 ist die Intensität des ungestreuten kohärenten Anteils I _c und diejenige des inkohärenten Streuanteils I _i über der Zeit aufgetragen. Die Verbreiterung des Laserpulses hängt von der Streucha rakteristik der einzelnen Teilchen in dem streuenden Medium ab und ist im Falle starker Vorwärtsstreuung etwa umgekehrt proportional zum Quadrat der optischen Tiefe τ. Solche starke Vorwärtsstreuung tritt z. B. bei Verwendung von Neodym-Lasern in der freien Atmosphäre auf. In diesem Falle erhält man bei einer Entfernung von 3 km zwischen Lasersender und Empfänger und einer optischen Tiefe τ = 10 im Streulicht eine Pulsbreite T _s von etwa 100 ns. Die angegebenen Zahlen entsprechen einer Normsichtweite von etwa 500 m. Durch die Streuung wird daher das zeitliche Verhalten des Ausgangssignales des Empfängers erheblich verändert und geglättet. Dies wird durch eine Addition der beiden Anteile I _c und I _i in Fig. 2 deutlich. Mathematisch läßt sich dies beschreiben, wenn man die durch das Streulicht geänderte Pulsform eines gesendeten sehr kurzen Pulses, eines sogenannten δ-Pulses mit G(t) bezeichnet. Die Zeitabhängigkeit der Strahlung ist dann durch das Faltungsintegral

I _i (t) = ∫ G(t - t′)I _i (t′)dt′

gegeben. In Fortführung des obigen Zahlenbeispiels liefert daher eine Pulsfolge mit einem Abstand von 10 ns zwischen den Impulsen in der Streustrahlung einen in etwa konstan ten Intensitätspegel, welcher entsprechend dem stochasti schen Charakter der Streuvorgänge von unregelmäßigen Schwankungen überlagert ist. Die kohärente Strahlung dagegen behält das zeitliche Verhalten des Ausgangsstrah les bei, weist also auch Pulse mit einem Abstand von 10 ns auf. Dieser Sachverhalt wird in der Erfindung entsprechend dem Kennzeichen des ersten Patentanspruches für eine überraschend einfache technische Anordnung zur Unterschei dung zwischen Streustrahlung und kohärenter Strahlung und somit zur exakten Bestimmung der Position eines Laser strahls ausgenutzt.

Hierzu wird die Intensität der Laserstrahlung mit einer charakteristischen Modulationsfrequenz f _L moduliert, die deutlich größer als der Reziprokwert der obenerwähnten Pulsbreite ist, demnach deutlich größer als 1/T _s. Legt man die obigen Zahlen zugrunde, so ergeben sich hieraus eine charakteristische Modulationsfrequenz von etwa 100 MHz. Die genaue Form der Modulation ist dabei unwichtig. Sie kann z. B. sinusförmig sein. Um möglichst hohe Spitzenwer te der Intensität zu erhalten und so die ohnedies starke Schwächung der kohärenten Strahlung zu kompensieren, wird jedoch gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin dung die Modulation in Form zeitlich äquidistanter Pulse mit einer möglichst kurzen Dauer der Einzelpulse ausge führt. Um dies zu erreichen, wird eine Kopplung der Longitudinalmoden des Lasers empfohlen, wodurch sich Pulsfolgen auch in MHz-Bereich realisieren lassen.

Um die durch die Kopplung der Longitudinalmoden erreichten Spitzenleistungen der Pulse weiter zu steigern, wird empfohlen, diese mit einem Verfahren der optischen Pulskompression weiter zu verkürzen. Solche Verfahren werden in der Literatur beschrieben, siehe z. B. B. Nikolaus and D. Grischkowsky, Puls compression using optical fibers, in: Physics of New Laser Sources, eds. N. V. Abraham et al., NATO ASI Series B: Physics Vol. 132. Mit einem derartigen Verfahren können 1-ps-Pulse mit einer Leistung von einigen TW/cm² realisiert werden.

Der Empfänger wird zusätzlich zum optischen Filter mit einem elektronischen Filter ausgestattet, welches hinter dem Fotodetektor geschaltet und so ausgebildet ist, daß es das dem inkohärenten Streuanteil I _i entsprechende Signal, welches nur gewisse stochastische Schwankungen zeigt, ausfiltert. Auf diese Weise wird wegen des additiven Verhaltens von kohärenter und inkohärenter Strahlung erstere von der letzteren getrennt, was eine genaue Bestimmung der Position des Laserstrahles auch in stark streuenden Medien über große Reichweiten möglich macht.

Das elektronische Filter kann so ausgebildet werden, daß es nur die charakteristische Modulationsfrequenz des Lasers innerhalb einer gewissen Bandbreite durchläßt. Es kann aber auch noch andere Frequenzbereiche durchlassen, welche dann zur Informationsübertragung zwischen Lasersen der und Empfänger genutzt werden können, so z. B. zur Übertragung der obenerwähnten Lenksignale an einen Flugkörper.

Bewegen sich Lasersender und ein Empfänger relativ zueinander, so ist noch die Dopplerverschiebung zu berücksichtigen, d. h. das elektronische Frequenzfilter im Empfänger muß auf die dopplerverschobene Frequenz abge stimmt werden. Dieses ist jedoch wegen der Größe der Lichtgeschwindigkeit für die meisten praktischen Anwendun gen ohne Bedeutung.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Anordnung gemäß der Erfindung bei dem obenerwähnten Leitstrahlverfahren zur Flugkörperlenkung verwenden. Mit einer Anordnung gemäß der Erfindung kann dieses Leitstrahlverfahren zu geringen Normsichtweiten von einigen hundert Metern eingesetzt werden, so daß auch bei gegenüber den bekannten Verfahren mehr als doppelt so großen Entfernungen zwischen Lasersen der und Empfänger noch genaue Resultate der Positionsbe stimmung erzielt werden.

Darüber hinaus ermöglicht die Modulation der Laserstrah lung mit einer charakteristischen Modulationsfrequenz die Unterscheidung zwischen verschiedenen Lasern, die z. B. zur Steuerung des Flugkörpers eingesetzt werden, ohne daß dazu Laser verschiedener Wellenlängen eingesetzt werden müßten. Diese Unterscheidung erfolgt dann durch unter schiedliche hochfrequente Codierung mit unterschiedlichen charakteristischen Modulationsfrequenzen. Durch die Vari ierung der charakteristischen Modulationsfrequenz eines Lasers in einem bestimmten Bereich können z. B. noch Informationen übertragen werden.

Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 3 näher erläutert, in der schematisch eine Anordnung zur Positionsbestimmung eines Laserstrahles in Art eines Blockschaltbildes dargestellt ist.

Ein Laser 1 ist mit einem Modulator 2 und dieser mit einer Ansteuerschaltung 3 verbunden, wodurch der von dem Laser 1 abgegebene schmal gebündelte Laserstrahl 4 mit einer charakteristischen Modulationsfrequenz entsprechend den obigen Ausführungen moduliert wird. Die Modulation des Laserstrahls ist eine Intensitätsmodulation in Form von zeitlich äquidistanten kurzen Impulsen. Die Pulsfolge im Laser wird durch Kopplung der Longitudinalmoden erzeugt. In Fig. 3 ist gestrichelt die Aufweitung des Laserstrahles durch Streuung in einem streuenden Medium 5 angedeutet. Der ungestreute kohärente Laserstrahl 4 sowie der Streuan teil treffen auf eine Optik 6 einer Empfangs- und Auswerteschaltung 7, wobei die Optik zusätzlich noch einen Filter für die Frequenz der Laserstrahlung aufweist. Die Strahlung wird von einem Fotodetektor 8 aufgenommen, dessen elektrische Ausgangssignale in einem Verstärker 9 verstärkt und gegebenenfalls nach einer Signalvorverarbei tung einem elektronischen Frequenzfilter 10 zugeführt werden. Dieses elektronische Frequenzfilter läßt lediglich Frequenzen im Bereich der charakteristischen Modulations frequenz hindurch, wobei noch andere Frequenzbereiche zum Zwecke der Informationsübertragung zwischen Laser und Empfänger ebenfalls hindurchgelassen werden können. Die Ausgangssignale des elektronischen Filters werden einer Signalaufbereitungsschaltung 11 und anschließend einer Auswerteschaltung 12 zugeführt, mit der die Position des Laserstrahles bestimmt wird. Der Fotodetektor 8 kann noch so ausgebildet sein, daß er quer zur Achse des Laser strahls 4 den Laserstrahl abtastet, z. B. durch eine Bewegung des Fotodetektors. Hiermit kann das Profil des ungestreuten kohärenten Anteils der ankommenden Strahlung abgetastet werden.

Ebenso ist es möglich, daß der Laserstrahl geschwenkt wird und dabei den Empfänger überstreicht, wodurch das Profil der ankommenden Laserstrahlung und die zeitliche Position des Laserstrahls ermittelt werden. Bei anderen Anwendungen kann es zweckmäßig sein, daß der Laserstrahl in Ruhe ist und das gesamte Empfangssystem 7 eine Scanbewegung ausführt.

Diese Bestimmungen erfolgen in der Auswerteschaltung 12 nach herkömmlichen Methoden.

Claims

1. Anordnung zum Bestimmen der Position eines Laserstrahles in einem streuenden Medium mit einem kohärentes Licht abstrahlenden Lasersender und einem Laserempfänger zum Empfang der Laserstrahlung nach Durchgang durch das Medium, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (1) mit einer Modulationsschaltung (2, 3) zur Intensitätsmodulation der ausge sandten kohärenten Laserstrahlung (4) mit einer charakteristischen Modu lationsfrequenz (f _L) verbunden ist, die deutlich größer als der Rezi prokwert der Pulsdauerverbreiterung (T _s) ist, die der durch Streuung in dem Medium inkohärent gemachte Anteil eines kurzen Laserpulses erfährt, der bei der Aussendung eine wesentlich kürzere Zeitdauer als die Puls dauerverbreiterung (T _s) aufweist, und daß der Empfänger (8) mit einem elektronischen, auf die charakteristische Modulationsfrequenz abgestimmten Frequenzfilter (10) verbunden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Frequenzfilter (10) im wesentlichen nur die charakteristische Modulationsfrequenz (f _L) hindurchläßt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Frequenzfilter (10) neben der charak teristischen Modulationsfrequenz (f _L) noch Frequenzen in anderen Bereichen hindurchläßt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation des Laser strahls (4) in Form von zeitlich äquidistanten Pulsen erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfolge im Lasersender (1) durch Kopplung der Longitudinalmoden erzeugt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß die Leistung der Einzelpulse mit Hilfe eines Verfahrens der optischen Pulskompression gesteigert und gleichzeitig deren Dauer verkürzt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronische Filter (10) auf die gesendete Pulsfolge unter Berücksichtigung der Pulsbreite abgestimmt ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (8) zur Abtastung des Profiles des kohärenten Anteiles (I _c) der ankommenden Laserstrahlung quer zur Achse des Laser strahls (4) bewegt wird.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (1) eine Winkelbe wegung ausführt.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in Verbindung mit einem Leitstrahlverfahren, insbesondere zur Lenkung eines den Empfänger und die Auswerteschaltung aufneh menden Flugkörpers verwendet wird.