DE3731037A1 - Laser-abbildungssystem mit detektorzeile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aktives Laser-Abbildungssystem, bei dem eine Detektorzeile verwendet wird. Mittels dieses Systems kann ein großes Feld beobachtet werden, beispiels­ weise bei Anwendung als Flughilfe in Flugzeugen zur Sicht­ darstellung der vor dem Gerät liegenden Landschaft.

Bei einem Laser-Abbildungssystem sendet die Beleuchtungs­ quelle einen Lichtstrahl mit einer Divergenz in der Größen­ ordnung von etwa 10^-3 Radian aus, um einen Teil des Gelän­ des zu beleuchten. Der rückgestreute Lichtfluß wird von einer Empfangsgruppe aufgefangen, die im allgemeinen mit einem einzigen Detektor ausgestattet ist und deren Erfas­ sungsfeld an die Beleuchtungsquelle angepaßt und entspre­ chend dimensioniert ist.

Das System ist mit einer optomechanischen Ablenkvorrich­ tung ausgestattet, welche die Visierrichtung der Beleuch­ tungsquelle und die Ausrichtung der Empfangseinheit um denselben Winkelwert verstellt, um so das gewünschte Explorationsfeld Punkt für Punkt abzudecken. Das erfaßte Signal wird verarbeitet und beispielsweise an eine Sicht­ anzeigevorrichtung angelegt, die eine Abbildung der abge­ tasteten Raumzone Punkt für Punkt rekonstruiert. Das Bild kann sich von herkömmlichen Fernsehbildern unterscheiden und charakteristische Bildeigenschaften darstellen, ins­ besondere hinsichtlich der Dopplergeschwindigkeit an jedem Punkt, des Reliefs, der Darstellung von Hindernissen usw.

Die charakteristischen Bildeigenschaften können bei der­ artigen Laser-Abbildungssystem unterschiedlich sein; die Erfindung betrifft aber insbesondere eine Anwendung mit breitem Erfassungsfeld, insbesondere von einigen Zehn Grad. Die Überdeckung kann auch nur teilweise erfolgen, so daß beispielsweise eine Netzbildung im Feld erfolgt, oder es wird nur eine kleine Anzahl von Zeilen abgetastet (LINE SCAN-Technik).

Die Anwendung derartiger Abbildungssysteme läßt aber ein Erfassungsproblem in Erscheinung treten, das mit den Para­ metern der Abtast-Winkelgeschwindigkeit w und der Entfer­ nung D des beleuchteten Ziels verknüpft ist. Das von der Beleuchgungsquelle ausgehende Laserlicht breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit c gegen einen Punkt des Zieles aus. Gleiches gilt für die rückgestreute Laserstrahlung bis zum Detektor der Empfangseinheit. Die Visierrichtung der Emp­ fangseinheit stimmt im Zeitpunkt des Lichtflußeinfalles nicht mehr mit der Visierrichtung des Beleuchtungssystems im Zeitpunkt des Impulsbeginnes überein.

Diese Winkelversetzung Δα ändert sich mit der Entfernung des anvisierten Punktes und der Augenblicks-Winkelge­ schwindigkeit der Abtastung. Die Winkelversetzung ist durch folgende Beziehung gegeben:

Δα = w·2 (D/c).

In der französischen Patentanmeldung FR-A-2 5 68 688 ist ein Verfahren zur Behebung dieser Mängel beschrieben; es beruht darauf, daß die Abbildungseinrichtung mit einstell­ baren optischen Ablenkmitteln versehen wird, die es ermög­ lichen, eine relative Winkelversetzung zwischen der Visier­ richtung der Beleuchtungsquelle und dem Empfänger zu er­ zeugen, die so bestimmt ist, daß die Ablenkdrehung Δα kom­ pensiert wird, welche während des Hin- und Rücklaufes des Laserlichtes auftritt.

Diese Technik ist geeignet, solange die Entfernungen zwi­ schen den verschiedenen Feldpunkten und der Abbildungs­ einrichtung sich wenig voneinander unterscheiden. Die Kor­ rektur ist nämlich nur für eine mittlere gegebene Einstell­ entfernung genau und bleibt nur für einen begrenzten Ent­ fernungsbereich zufriedenstellend, der kaum über einige hundert Meter hinausgeht.

Im Falle eines Weitwinkel-Flughilfesystems sind aber die Entfernungen der verschiedenen während der Verschwenkung anvisierten Punkte sehr unterschiedlich, beispielsweise zwischen einigen Hundert Metern und einigen Kilometern. Die Erfassung eines weiten Feldes erfordert überdies oft eine Vergrößerung der Ablenk-Winkelgeschwindigkeit, wo­ durch die Korrektur eine noch stärkere Entfernungsabhängig­ keit aufweist. Wenn nämlich mit R das Augenblicks-Winkel­ feld bezeichnet wird (Raumzone, die durch den Empfangs- Photodetektor gesehen wird), so reicht die Korrektur nur für einen Entfernungsbereich ΔD aus, wenn folgende Bezie­ hung erfüllt ist:

w·(2/c)·ΔD<R oder ΔD<R·c/2w,

was bedeutet, daß die Winkelversetzung Δα zwischen Aus­ sendung und Empfang kleiner als das Augenblicks-Feld R des Empfängers bleiben muß. Als konkretes Beispiel wird an­ genommen, daß die Winkel-Ablenkgeschwindigkeit w so groß ist, daß der von der Beleuchtungsquelle ausgesendete Strahl den Winkel R in 5 Mikrosekunden überstreicht. Der Entfer­ nungsbereich, für welchen die in der oben genannten Patent­ anmeldung beschriebene Korrektur ausreichend bleibt, be­ trägt somit nur

ΔD = (c/2)·5 10^-6, d. h. 750 m.

Dieser Bereich, der für eine Abbildungseinrichtung mit geringem Erfassungsfeld ausreicht (geringe Tiefenstufung der verschiedenen Feldpunkte) ist unzureichend im Falle eines Flughilfesystems, bei welchem davon auszugehen ist, daß Hindernisse unerwartet in sehr unterschiedlichen Ent­ fernungen und in einem weiteren Erfassungsfeld auftreten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mängeln abzuhelfen und die Laser-Abbildungseinrichtung mit einem Empfänger zu versehen, der zur Erfassung anstelle eines einzigen Photodetektorelements eine Detektorzeile aus sehr eng benachbarten Photodetektoren enthält, um eine quasi kontinuierliche Überdeckung des beobachteten Feldes zu gewährleisten, wobei diese Zeile parallel zur Ablenkrich­ tung orientiert ist, so daß die Ordnungszahl eines Photo­ detektorelementes, welches durch eine durch ein beleuch­ tetes Objekt rückgestreute Laserstrahlung erregt wird, annähernd die Entfernung des Objektes angibt, von welchem diese Strahlung zurückreflektiert wurde.

Gemäß der Erfindung wird ein Laser-Abbildungssystem vorge­ schlagen, worin eine Laserquelle zum Aussenden eines Licht­ bündels in einer Visierrichtung, ein Empfänger mit einer Detektorvorrichtung zur Erfassung der von den beleuchteten Objekten zurückgesandten Laserstrahlung, eine Kanaltrenn- und Ablenkvorrichtung, um die zurückreflektierte Strahlung zu der Detektorvorrichtung zu lenken und das gesendete Bündel durch Winkeldrehung zu bewegen, so daß ein bestimm­ tes Feld erforscht wird, sowie eine Sichtanzeigevorrich­ tung zur Anzeige des erfaßten Videobildes entsprechend dem genannten Feld gruppiert sind, wobei das System dadurch gekennzeichnet ist, daß die Detektorvorrichtung eine Zeile aus N nebeneinander angeordneten Elementen enthält, die in Richtung der Ablenkung angeordnet und einer Fokussier­ optik derart zugeordnet sind, daß die Objekte in einem Entfernungsbereich erfaßt werden, worin N aufeinander­ folgende Elementarbereiche gruppiert sind, wobei die Ordnungszahl eines Elementes einen entsprechenden Elemen­ tarbereich angibt, wobei ferner der Empfänger eine Elek­ tronikeinheit enthält, welche die N Erfassungssignale empfängt und mit Schaltungen zur Identifizierung der Ent­ fernung über die Ordnungszahl des Erfassungskanals aus­ gestattet ist, und wobei ferner Schaltungen zur Kompen­ sation der zeitlichen Versetzung, mit denen die Video­ signale in Abhängigkeit von der Entfernung behaftet sind, vorgesehen sind, um die beleuchteten Objekte in ihre kor­ rekte Winkelstellung für die Sichtdarstellung des beobach­ teten Feldes zu bringen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen, welche das zu lösende problem und die angewendete Lösung veranschaulichen;

Fig. 5 und 6 eine schematische Veranschaulichung des Winkelversetzungsproblems, das bei den Sichtanzeigesignalen in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Entfernung der beleuchteten Punkte auftritt;

Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Weitwinkel-Laser- Abbildungssystems; und

Fig. 8 ein Blockdiagramm einer bevorzugten Aus­ führungsform der Empfangsschaltungen.

Die Fig. 1 zeigt den Hin- und Rückweg der von einem Punkte A ausgehenden Laserstrahlung, die in gleicher Richtung durch das beleuchtete Ziel C zurückgeworfen wird. Wegen der hohen Lichtgeschwindigkeit kann davon ausgegangen wer­ den, daß während des Zeitintervalls ΔT zwischen Aussendung und Empfang das Sende-Empfangssystem ortsfest am Punkte A verbleibt. Für ein Ziel, das sich in der Entfernung D gleich 3 km befindet, beträgt beispielsweise das Zeit­ intervall ΔT 20 Mikrosekunden, so daß die Bewegung des Punktes A selbst bei luftgestütztem System vernachlässig­ bar bleibt. Die Drehung Δα während der Zeitspanne ΔT muß hingegen berücksichtigt werden, denn diese Verdrehung zwi­ schen Senderachse und Empfängerachse, die normalerweise parallel sind, muß gering bleiben, um zu vermeiden, daß der vom Ziel C empfangene Lichtfluß außerhalb der Photo­ empfängeroberfläche des Detektors fokussiert wird, wie in Fig. 2 dargestellt. Darin bedeutet DR_o die Anfangs-Visier­ richtung des Systems im Zeitpunkt t_o, in welchem die Aus­ sendung beginnt, während mit DR₁ die Richtung im Zeitpunkt t₁ = t_o + ΔT bezeichnet ist.

Zur Vermeidung dieser Einschränkungen werden gemäß der Erfindung die Erfassungsbedingungen hergestellt, die in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht sind. In Abhängigkeit von der Entfernung jedes Punktes des beleuchteten Objektes bis zur Abbildungseinrichtung, vom Erfassungsfeld und der Augenblicks-Abtast-Winkelgeschwindigkeit w bewirkt die Winkelversetzung zwischen Aussendung und Empfang, daß der rückreflektierte und auf die Ebene der Photodetektoren fokussierte Lichtfleck (die Augenblicks-Abmessung dieses Lichtflecks entspricht annähernd bei sogenannter Heterodyn- Detektion der photoempfindlichen Oberfläche, die ein Photo­ detektorelement aufweist) mehr oder weniger weit von dem Punkte entfernt auftrifft, welcher der Senderichtung ent­ spricht. Die Photodetektorzeile ist parallel zur Abtast­ richtung mit der größten Geschwindigkeit ausgerichtet (Zeilen-Horizontalablenkung bei einer zeilenweisen Bild­ abtastung, wobei diese Zeilenablenkung in der Zeichenebene dargestellt ist). Die Winkeldifferenz Δα zwischen Aussen­ dung und Empfang liegt linear im Brennpunkt der Empfangs­ optik mit der Brennweite f unter der Ablage d gegenüber der optischen Achse:

d = f·Δα = f·w·2(D/c).

Diese Ablage bewirkt, daß der dem optischen Signal ent­ sprechende Lichtfleck an einem Punkte der Detektorzeile fokussiert ist, also auf einem Photodetektorelement, das von der Entfernung D des anvisierten Punktes abhängt.

Die Fig. 3 stellt die Anfangssituation im Zeitpunkt t_o dar, zu welchem die Aussendung durch die Laser-Beleuch­ tungsquelle 11 beginnt. Die Detektorzeile 22 besteht aus Diese Elemente D1 bis D4 liegen in der Ablenkrichtung nebeneinander, die hier in der Zeichenebene liegt, wobei ein erstes Element D1 bei dieser Darstellung auf der opti­ schen Achse liegt, so daß es die nahen Ziele erfaßt, während die Elemente D2, D3, D4 die weiter entfernten Ziele erfassen. Die Fig. 4 zeigt im Zeitpunkt t₁ = t_o + ΔT, zu welchem das vom Objekt C reflektierte Signal empfangen wird, die Lageänderung der Baugruppe infolge der während der Dauer ΔT für Hin- und Rücklauf der Lichtwelle er­ folgten Ablenkung Δα. Bei der hier betrachteten Entfernung D wird der Lichtfluß vom Element D2 erfaßt. Es ist leicht ersichtlich, daß die Anzahl von Elementen die Auflösung des Systemes bestimmt. Diese Anzahl von Elementen kann jedoch nicht beliebig sein, denn sie ist auch mit den Abmessungen des Lichtflecks verknüpft, den ein Punkt des beleuchteten Objektes erzeugt. Diese Anzahl hängt ferner von der Zeilen-Abtast-Winkelgeschwindigkeit w sowie von der Größe des Augenblicks-Feldwinkels R ab und bestimmt die maximale Entfernung, d. h. die Reichweite des Systems. Sie kann beispielsweise 5 bis 10 betragen. Die maximale Entfernung ist gegeben durch N·ΔD, worin ΔD das Entfernungs­ inkrement oder der elementare Entfernungsbereich ist, den ein Photodetektorelement überdeckt, während der Wert für die maximale Entfernung auch durch N·(c/2)·(R/w) gegeben ist.

Die Abschätzung der Entfernung jedes Punktes erfolgt durch Bestimmung der Ordnungszahl des Photodetektorelementes, auf das der Lichtfluß trifft, also der Ordnungszahl des elektronischen Detektions- und Verarbeitungskanals, in welchem das Signal den höchsten Pegel aufweist. Der Bild- Lichtfleck kann über zwei Photodetektorelemente verteilt sein. Zur Verfeinerung der Messung werden die Signale an zwei benachbarten Photodetektorelementen in herkömmlicher Weise bewertet.

Das System ist auch beispielsweise für einen Dauerstrich- Laser als Beleuchtungsquelle anwendbar, bei welchem eine ununterbrochene Lichtwelle ausgesendet wird und jeder Empfangsweg eine Spektralanalyse des elektrischen Signals durchführt, welches das Photodetektorelement liefert, woran der Kanal angeschlossen ist. Auf diese Weise wird eine Sichtdarstellung der Annäherungs- oder Entfernungsgeschwin­ digkeiten in einer Linie ermöglicht, die von der Abbildungs­ einrichtung zum anvisierten Punkt verläuft, und zwar durch Messung der Frequenzabdrift durch den Dopplereffekt in je­ dem Feldpunkte, wobei auch die ungefähre Entfernung für die verschiedenen Punkte dargestellt werden kann (mit einer Genauigkeit, die einige Hundert Meter betragen kann, was für gewisse Anwendungen ausreicht, beispielsweise die Flughilfe).

Die Sichtdarstellung der von einem solchen Empfangssystem gelieferten Informationen läßt ein Problem in Erscheinung treten, da es unmöglich ist, die Winkelposition eines Punktes bezüglich der Abbildungseinrichtung, wovon ange­ nommen wird, daß die räumliche Lage sich während der Zeit­ spanne für Hinlauf und Rücklauf des Lichtflusses nicht merklich geändert hat, was im allgemeinen zutrifft, allein aus der Information über die Winkelposition der Visier­ linie zu bestimmen, welche durch die Richtung DR1 für die Abtastung im Zeitpunkt des Empfangs des zuvor ausgesende­ ten Signals definiert ist. Die Richtung des anvisierten Punktes ist nämlich durch die Richtung der Sendeachse DR_o im Zeitpunkt t_o der Aussendung gegeben, wobei dieser Zeit­ punkt dem Empfangszeitpunkt t1 minus der Zeitspanne für Hin- und Rücklauf ΔT des Lichtflusses entspricht, und nicht durch die Richtung DR1 des Empfangssystems im Zeitpunkt, zu welchem der Lichtfluß empfangen wird. Wenn diese Er­ scheinung nicht berücksichtigt wird, die mit der Entfer­ nung D des anvisierten Punktes von der Abbildungseinrich­ tung verknüpft ist, weisen die Punkte des angezeigten Bildes einen Fehler auf, der mehreren Auflösungspunkten in Richtung der Abtastzeile entsprechen kann.

Diese Erscheinung ist in den Fig. 5 und 6 veranschaulicht, anhand eines Gebäudes BT, welches sich von einem viel weiter entfernt liegenden Hintergrund FD abhebt, wobei die Zeilenablenkung in der beispielsweise horizontalen Zeichen­ ebene erfolgt. Durch die in der Abbildungseinrichtung IM erzeugte Ablenkung werden zunächst die Punkte analysiert, die im Hintergrund FD liegen, bis der mit A bezeichnete Punkt erreicht wird, welcher genau an der Grenze des Ge­ bäudes hinter diesem liegt. Dann werden die Punkte A bis C des Gebäudes BT durchlaufen, die eine vielgeringereEntfer­ nung von der Abbildungseinrichtung IM als der Hintergrund FD aufweisen, und schließlich wird wieder der Hintergrund FD analysiert (Punkte D und folgende). Für den Hin- und Rücklauf bis zum Hintergrund FD (Punkte A und D) benötigt das Licht eine längere Zeit als für die Punkte B bis C des Gebäudes BT. Wenn die Differenz relativ groß ist, kommt das optische Signal vom Punkte A deutlich früher als vom Punkte B am Empfänger 2 an. Der Punkt A wird also bei der Sichtanzeige (Fig. 6) hinter dem Punkte B in der entspre­ chenden Abtastzeile Lj dargestellt. An diesem Punkte sind folglich ein Hintergrundpunkt FD und ein Punkt des Gebäudes BT einander überlagert. Ferner wird der Punkt D vom Empfän­ ger 2 später als der Punkt C gesehen, wodurch ein Loch in der Zeile hinter dem äußersten Rand des Gebäudes BT an­ schließend an den Punkt C auftritt, denn der Empfänger empfängt während einer Zeitspanne, die der Differenz zwi­ schen Hin- und Rücklauf des Lichtes entspricht (Punkte D und C), kein Signal.

Um diesem Mangel abzuhelfen, der eine versetzte Darstellung der Objekte in Abhängigkeit von ihrer Tiefenstaffelung zur Folge hat, ist das Abbildungssystem empfangsseitig mit Schaltungen zur Kompensation der zeitlichen Versetzung versehen, mit der die empfangenen Signale in Abhängigkeit von der Entfernung behaftet sind, um alle beleuchteten Objekte in ihre korrekte Winkellage zu rücken und die Objekte in ihrer zutreffenden Lage innerhalb des beobach­ teten Feldes darzustellen.

Fig. 7 zeigt ein Blockdiagramm, worin der als Beleuchtungs­ quelle 1 bezeichnete Lichtsender, welcher ein Laserbündel erzeugt, dessen Achse in der Visierrichtung des Systems dargestellt ist, und ein Empfänger 2 zu erkennen sind, dessen optische Empfangsachse in gleicher Weise orientiert ist. Eine Vorrichtung 3 bewirkt die optische Trennung der Sende- und Empfangsbündel und die lineare oder zweidimen­ sionale Ablenkung, die zur Überdeckung des zu erforschen­ den Feldes vorgenommen wird.

Der Entfernungsparameter D wird empfangsseitig gemessen, ebenso wie gegebenenfalls die Geschwindigkeit aufgrund der Doppler-Frequenzabweichung FD. Die Ablenk-Winkelge­ schwindigkeit w wird durch einen Meßfühler in der Vorrich­ tung 3 gemessen.

Die Beleuchtungsquelle 1 und der Empfänger bestehen aus den dargestellten Hauptelementen. Dies sind: Für die Be­ leuchtungsquelle ein Laser 11, der eine kontinuierliche oder impulsförmige Welle abgibt, ein Modulator 12, welcher die gewünschte Modulation vornimmt, beispielsweise eine zeitliche Modulation, um das kontinuierliche Lichtbündel in Lichtimpulse zu zerhacken, und/oder eine Frequenzmodu­ lation, je nach den entsprechenden empfangenen Steuer­ signalen, Elektronikschaltungen 13 zur Erzeugung der Modu­ lations-Steuersignale und ein Austrittsobjektiv 14, durch welches der gewünschte Durchmesser und die gewünschte Divergenz des Sendestrahls bestimmt werden. Im Empfänger 2 sind hauptsächlich vorgesehen: Eine Eintrittsoptik 21, durch welche die rückreflektierte Laserstrahlung fokussiert wird; eine Detektorzeile 22 zur Erfassung der fokussierten Strahlung; elektronische Verarbeitungsschaltungen 23 zur Erzeugung insbesondere der Videosignale für die Bildwieder­ gabe; eine Sichtanzeige- oder Bildspeicher-Vorrichtung 24. Die durch die Elemente 21 bis 24 gebildete Gruppe ent­ spricht dem nichtkohärenten Empfang. Im Falle einer ko­ härenten oder der dargestellten Heterodyn-Detektion emp­ fängt die Detektorvorrichtung 22 ferner ein Signal aus einem Lokaloszillator 25, welcher der Sendefrequenz nach­ geregelt wird oder diese Frequenz aufweist, wobei dieses Lokaloszillatorsignal auch in bekannter Weise direkt durch Abgreifen eines Bruchteils des Sendebündels erhalten wer­ den kann.

Ferner werden mittels einer Divergenz-Optik die N Detektor­ elemente (D1 bis D4) gleichzeitig mit einer lokalen Schwe­ bungs-Oszillatorschwingung beleuchtet. Diese Vorrichtung besteht bei der gezeigten Ausführungsform aus einer Optik 26 zur Erzeugung von N winkelversetzten Lichtbündeln und einem teildurchlässigen Spiegel 27, der die N versetzten Bündel auf die N Photodetektorelemente richtet.

Die in der Zeichnung mit 1 und 2 bezeichneten Baugruppen sind bei den meisten Laser-Telemetriesystemen vorhanden, mit Ausnahme der Bildanzeigevorrichtung 24 und der Elemente 22, 26 und 27. Die Schaltungen 23 bewirken die Messung der Entfernung D und gegebenenfalls der Doppler-Frequenzabwei­ chung FD. Ein derariges System ist insbesondere in der FR-PS 25 19 771 beschrieben, die ein Lidar-System mit Impulskompression betrifft, worin der Modulator 12 und die Elektronikschaltungen 13 so ausgebildet sind, daß sie periodisch zwei linear frequenzmodulierte Impulse erzeugen, entsprechend der sogenannten "CHIRP"-Technik. Zur periodi­ schen Abgabe dieser Impulse ist der Modulator 12 vorzugs­ weise aus zwei zueinander entgegengesetzt angeordneten akustooptischen Modulatoren gebildet.

Die Schaltungen für die Kompensation der Zeitversetzung sind als Verzögerungsschaltungen 30-1 bis 30-4 darge­ stellt, welche in den entsprechenden Detektionskanälen angeordnet sind. Durch diese Verzögerungsschaltungen kön­ nen die entsprechenden erfaßten Elektroniksignale von den photodetektorelementen D1 bis D4 verzögert werden, wobei die Verzögerung für jeden Kanal verschieden ist. Die Verzögerungsdifferenz zwischen zwei Kanälen ist gleich der Zeitspanne, welche die Ablenkung benötigt, um den Winkel zwischen den Richtungen zu durchlaufen, welche die entsprechenden zwei Detektoren aufweisen. Der am nächsten neben der Empfangsachse liegende Photodetektor (gleiche Richtung wie die Sendeachse) ist derjenige, dem die maxi­ male Verzögerung entspricht. Durch diese Verzögerungs­ schaltungen können somit die von den nächstliegenden be­ leuchteten Objekten herrührenden Signale so verzögert werden, daß sie anschließend annähernd gleichzeitig ver­ arbeitet werden wie die Signale von den am weitesten ent­ fernt liegenden Zielen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Kompensation der Zeitversetzung durch Verwendung eines Bildspeichers erhalten, in welchem für jeden beleuchteten Punkt die Informationen über die Entfernung, Doppler-Frequenzdrift und Amplitude abgespeichert werden und dessen Adressierung so vorgenommen wird, daß die Bildpunkte in Richtung der Abtastzeile in Abhängigkeit von ihrer jeweiligen Entfernung so versetzt werden, daß die entfernungsabhängigen Darstel­ lungsfehler korrigiert werden.

Die Laser-Beleuchtungsquelle 1 kann eine optische Frequenz­ umsetzgruppe enthalten, um einen Überlagerungsempfang zu ermöglichen, wobei diese Frequenzumsetzung in anderen Fäl­ len auch durch die Relativbewegung zwischen Boden und Ab­ bildungseinrichtung erhalten werden kann, insbesondere wenn letztere luftgestützt ist. Die Beleuchtungsquelle 1 gibt ein Laserbündel von geringer Divergenz in der Größen­ ordnung von 10^-4 bis 10^-3 Radian ab, bei einer Wellenlänge im Bereich von 10,6 Mikrometer, wenn ein CO₂-Gaslaser ver­ wendet wird. Das Laserlicht kann kontinuierlich oder im­ pulsförmig sein. Das Ablenksystem 3 kann mit schneller Ablenkung arbeiten, insbesondere optomechanisch. Eine ge­ eignete Ablenkvorrichtung ist in der FR-PS 25 68 688 be­ schrieben. Die Divergenz-Optik 26 kann holographisch arbei­ ten, unter Verwendung eines ebenen Hologramms, welches das Äquivalent von N Beugungsgittern mit verschiedener Gitterkonstante umfaßt, um N winkelversetzte Lichtbündel aus einem einzigen ankommenden Lichtbündel zu erzeugen.

Die Verarbeitungsgruppe kann Schaltungen 31 enthalten, die für jeden, einem der Photodetektoren D1 bis D4 ent­ sprechenden Empfangskanal eine Vorrichtung zur Spektral­ analyse des Signals enthalten, beispielsweise eine Filter­ bank oder vorzugsweise einen akustooptischen Spektral­ analysator, der mit akustischen Oberflächenwellen arbei­ tet, um in jedem Punkte die Doppler-Frequenzdrift FD zu bestimmen. Die anderen Verarbeitungsschaltungen sind so ausgelegt, daß die Amplitude und Entfernung des Empfangs­ signals aus jedem Photodetektor gemessen werden, um den Lichtfleck auf der Detektorzeile 22 zu lokalisieren. Diese Schaltungen führen ferner eine Wichtung durch, um die Messung der Entfernung D zu verfeinern, wenn der Licht­ fleck zwei aufeinanderfolgende Photodetektoren übergreift. Die Sichtanzeigevorrichtung 24 kann verwendet werden, um die verschiedenen gemessenen Informationen darzustellen: Entfernung, Amplitude des Videosignals und Dopplergeschwin­ digkeit für jeden Punkt des beobachteten Bildfeldes. Diese Informationen können auch extern durch ein System 32 ver­ wertet werden, das beispielsweise eine automatische Extrak­ tion durchführt, um Alarmsignale zu erzeugen, die dazu be­ stimmt sind, das Personal über das Auftreten eines Hinder­ nisses oder eines beweglichen Objektes innerhalb des Bild­ feldes zu informieren.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform des Empfängers. Die in Fig. 7 mit 31 bezeichnete Verarbeitungsgruppe ist im ein­ zelnen hinter den Verzögerungsschaltungen bzw. Verzöge­ rungsleitungen 30-1 bis 30-4 dargestellt. In jedem Kanal liegt ein Spektralanalysator 33-1 bis 33-4, der an den Ausgang der entsprechenden Verzögerungsleitung angeschlos­ sen ist und auf welchen eine Amplituden-Meßschaltung 35-1 bis 35-4 folgt. Der Spektralanalysator mißt in jedem Kanal die Frequenz-Dopplerabweichung FD des vorhandenen Signals. Es handelt sich um einen schnell arbeitenden Spektral­ analysator, der mit dispersiven Verzögerungsleitungen auf­ gebaut werden kann. So kann die Analyse eines Spektral­ bereichs in der Größenordnung von 10 bis 100 MHz innerhalb einer Zeitspanne zwischen 5 und 30 Mikrosekunden erfolgen. Die Amplitudenmessung erfolgt hinter dem Spektralanalysa­ tor und folglich an einem Signal von begrenztem Spektrum, im Gegensatz zur Auswertung des vor dem Spektralanalysator liegenden und von der Verzögerungsleitung abgegebenen Signals. Die Ausgangssignale der Amplituden-Meßschaltungen 35 werden an eine Schaltung 36 zur Entfernungsbestimmung durch Detektion des Kanals, der den höchsten Pegel abgibt, angelegt. Dieser Kanal ist nämlich derjenige, der das Nutz­ signal enthält, und es wurde bereits oben deutlich, daß jeder Kanal einem bestimmten Entfernungsinkrement ent­ spricht. Die Information über die Entfernung D wird an die Ausgangsschaltungen 39 gemeinsam mit den beiden ande­ ren Informationen angelegt, nämlich der Dopplerfrequenz FD und der Amplitude AMP. Für die beiden letztgenannten In­ formationen werden die entsprechenden Werte in den Schal­ tungen 37 und 38 selektiert, wobei die Schaltung 37 an­ dauernd die Ausgangssignale der vier Spektralanalysatoren und die Schaltung 38 die Ausgangssignale der vier Ampli­ tuden-Meßschaltungen empfängt. Die Kanalinformation wird direkt durch den eingangsseitig angelegten Entfernungs- Parameter D gegeben. Die Ausgangsschaltungen 39 bewirken die erforderliche Anpassung der Signale in Abhängigkeit von der an der Sichtanzeigevorrichtung 24 gewünschten Darstellung. Diese Sichtanzeigevorrichtung 24 kann ein Farbmonitor sein, auf welchem das beobachtete Bildfeld in Abhängigkeit von der Amplitudeninformation grün und die Doppler-Frequenz oder die Entfernung in Abhängigkeit von einem gewählten Kriterium, Grenzwert usw. in zwei anderen Farben dargestellt werden.

Claims (7)

1. Laser-Abbildungssystem, mit einer Laser-Beleuchtungs­ quelle, die ein Lichtbündel ineiner Visierrichtung aussen­ det einem Empfänger mit einer Detektorvorrichtung, um in der entsprechenden Empfangsrichtung die von den beleuch­ teten Objekten zurückgeworfene Laserstrahlung zu erfassen, einer Kanal-Trenn- und Ablenkvorrichtung, um die rückre­ flektierte Strahlung auf die Detektorvorrichtung zu rich­ ten und eine Winkeldrehung des ausgesendeten Bündels vor­ zunehmen, so daß ein bestimmtes Bildfeld erforscht wird, und mit einer Sichtanzeigevorrichtung zur Darstellung des dem Bildfeld entsprechenden erfaßten Bildes, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung (22) eine Detek­ torzeile aus N nebeneinanderliegenden Elementen (D1 bis D4) umfaßt, die in der Ablenkrichtung orientiert und der eine Fokussieroptik (21) zugeordnet ist, um die Objekte in einem Gesamtentfernungsbereich zu erfassen, der N aufein­ anderfolgende elementare Entfernungsbereiche enthält, wo­ bei die Ordnungszahl eines Elementes einen entsprechenden elementaren Entfernungsbereich bestimmt, und daß der Emp­ fänger (2) eine Elektronikgruppe (23) enthält, welche die Signale aus den N Detektionskanälen empfängt und mit Schaltungen (31) zur Bestimmung der Entfernung (D) auf­ grund der Ordnungszahl des Detektionskanals sowie mit Kompensationsschaltungen (30-1 bis 30-4) zur Kompensation der zeitlichen Versetzung versehen ist, mit der die Video­ signale in Abhängigkeit von der Entfernung behaftet sind, um so die beleuchteten Objekte in ihre korrekte Winkel­ lage für die Sichtdarstellung des beobachteten Bildfeldes zu bringen.

2. System nach Anspruch 1, bei welchem eine Kohärent­ detektion durch Schwebungsüberlagerung des empfangenen Lichtflusses mit einer von einem Lokaloszillator abgege­ benen Laserwelle angewendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokaloszillator-Laserwelle an eine Optikgruppe (26, 27) angelegt ist, welche eine gleichzeitige Beleuch­ tung der N Photodetektorelemente (D1 bis D4) mit dieser Lokaloszillator-Laserwelle bewirkt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikgruppe eine Optikeinrichtung (26) zur Verviel­ fachung der optischen Kanäle enthält, welcher ein teil­ reflektierender Spiegel (27) zugeordnet ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikeinrichtung (26) zur Vervielfachung der Kanäle holographisch ausgebildet ist.

5. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltungen zur Kompensation der zeitlichen Versetzung durch Verzögerungsschaltungen (30-1 bis 30-4) gebildet sind, welche in den N entsprechen­ den Empfangskanälen angeordnet sind, wobei das Photo­ detektorelement, welches am nächsten bei der optischen Empfangsachse liegt, an die Verzögerungsschaltung ange­ schlossen ist, welche die größte Verzögerung aufweist, entsprechend der Erfassung in maximaler Entfernung des Systems.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsschaltungen an Verarbeitungsschaltungen angeschlossen sind, die in jedem Kanal eine Spektralana­ lysatorschaltung (33-1 bis 33-4) in Reihenschaltung mit einer darauffolgenden Amplituden-Meßschaltung (35-1 bis 35-4) enthalten, deren N Ausgänge an eine Entfernungs- Bestimmungsschaltung (36) angelegt sind, worin die Ent­ fernungsbestimmung durch Erfassung des Signals mit höch­ stem Pegel erfolgt, wobei die N Ausgänge der Spektral­ analysatorschaltungen an eine Doppler-Selektionsschaltung (37) angelegt sind und die N Ausgänge der Amplituden- Meßschaltung ferner an eine Amplituden-Selektionsschaltung (38) angelegt sind, und daß die Doppler-Selektionsschal­ tung und die Amplituden-Selektionsschaltung über die von der Entfernungs-Bestimmungsschaltung abgegebene Entfer­ nungsinformation (D) gesteuert werden und die Informa­ tionen über die Dopplerfrequenz (FD), die Amplitude (AMP) und die Entfernung (D) an eine Ausgangs- und Anpassungs­ schaltung (39) angelegt sind, welche mit der Sichtanzeige­ vorrichtung (24) verbunden ist, die insbesondere durch einen Farbmonitor gebildet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsschaltungen zur Kom­ pensation der Zeitversetzung durch einen Bildspeicher verwirklicht sind, worin die Adressierung der Bildpunkte in Richtung der Abtastzeile versetzt in solcher Weise er­ folgt, daß der Richtungsfehler hinsichtlich der wahrge­ nommenen Richtung der Bildpunkte, welcher von der Entfer­ nung dieser Punkte bis zur Abbildungseinrichtung abhängt, korrigiert wird.