DE3881873T2 - Verfahren zum nachweisen von strahlung und zum messen des einfallswinkels und detektoranordnung zur ausführung des verfahrens. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erfassung von Strahlung und Messung des Einfallswinkels und eine Detektoranordnung zur Ausführung des Verfahrens. Der Hintergrund für die Erfindung ist, daß bei bestimmter elektromagnetischer Strahlung, z.B. Laserlicht mit unterschiedlichen Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot, eine unregelmäßigkeit, Geflecktheit auf tritt, die unter anderem durch Turbulenz in der Atmosphäre verursacht wird. Die Geflecktheit schwankt mit einer Frequenz von bis zu 100 Hz. Experimente, die durchgeführt worden sind, haben ergeben, daß dieses Phänomen, das eine große Schwankung bei dem Strahlungseinfall der Strahlung, die auf einen Detektor fällt. bedeutet, während der Erfassung eines einzelnen oder weniger kurzer Strahlungsimpulse Probleme aufwirft. Auf der einen Seite kann die Wahrscheinlichkeit der Erfassung beträchtlich abnehmen und auf der anderen Seite können sich Schwierigkeiten bei der zuverlässigen Erfassung des Winkels zur Strahlungsquelle mit hoher Auflösung ergeben.
• Diese Probleme werden jedoch durch die Erfindung gelöst, inden ihr die Konstruktion verliehen wird, die aus den folgenden Ansprüchen hervorgeht.
• Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine erfindungsgemäße Detektoranordnung und
• Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Detektor, der empfindlich für den Einfallswinkel ist.
• Die Grundlage für die Idee der Erfindung liegt darin, daß man die Wahrscheinlichkeit der Erfassung erhöht, indem man versucht, die einfallende gefleckte Strahlung an einer Vielzahl von Punkten zu erfassen, die voneinander so weit entfernt sind,, daß die Korrelation zwischen der durch die verschiedenen Detektoren empfangenen Bestrahlung sehr klein ist, während man zugleich die Strahlungsrichtung im Verhältnis zu einer Bezugsrichtung mit Hilfe speziell konstruierter Detektoren, die aus zwei Detektorelementen 1,2 bestehen, bestimmt. Die Detektorebenen der Detektorelemente befinden sich in einem bestimmten Winkel zueinander und sind so nahe zueinander befestigt, daß die Korrelation zwischen dem Strahlungseinfall der Strahlung auf sie hoch ist. Kurz gesagt, beide Detektorelemente messen auf den gleichen Fleck in der gefleckten Strahlung.
• Die Korrelation zwischen der durch die Detektorelemente 1,2 erfaßten Bestrahlung hängt vom Befestigungsabstand zwischen den beiden Detektorelementen ab. Die Wellenlänge, der Beleuchtungsabstand und der atmosphärische Zustand spielen hier ebenfalls eine Rolle. Zum Beispiel sind die Bestrahlungen vollständig unkorreliert, wenn die Detektorelemente 1,2 in einelii Abstand von mehr als 5 cm befestigt sind, wenn die Wellenlänge 1 um und der Beleuchtungsabstand 2000 m beträgt. (Dies errechnet sich aus [λ L], λ = die Wellenlänge und L = der Beleuchtungsabstand). Wenn der Abstand ungefähr 4 mm beträgt, ist die Korrelation zwischen den Signalen aus den Detektorelementen ungefähr 0,9, was einen Mindestwert darstellt, wenn man brauchbare Ergebnisse durch die Erfindung erhalten will. Das Beispiel gilt für eine mäßig turbulente Atmosphäre.
• Schon durch die Verwendung von zwei Detektoren, die in einem solchen Abstand befestigt sind, dar die Bestrahlung gegen sie im wesentlichen unkorreliert ist, ergibt sich für beide Detektoren ein viel geringeres Risiko, in einen dunklen Fleck in der einfallenden Strahlung zu geraten und diese nicht zu erfassen. Die Wahrscheinlichkeit der Erfassung erhöht sich, wenn mehr Detektoren eine unkorrelierte Strahlung empfangen.
• Je nach Verwendungszweck können die Detektoren entlang einer Linie oder über eine Fläche angeordnet werden. Der gegenseitige Abstand sollte dann ungefähr [λ L] sein, mit einer Begrenz,ung von L auf 2000 m. Bei einer möglichen Verwendung auf einem Schiffsmast kann es passend sein, die Detektoren übereinander mehr oder weniger in einer Linie zu befestigen. In bestimmten anderen Fällen ist es jedoch vorstellbar, daß ein anderer Gegenstand, z.B. ein anderer Mast alle Detektoren in einer bestimmten Richtung abdeckt, so daß eine Anbringung über eine Fläche bevorzugt ist. Eine mögliche, einfache Anordnung mit güter Wirkung ist in Fig. 1 gezeigt und umfaßt 4 Detektoren a, b, c, d, die in den Ecken eines Quadrats befestigt sind. Für den Fall, dar die Strahlung die Wellenlänge 1 um hat, kann die Seite des Quadrats gemäß dem obigen ungefähr 5 cm lang sein, damit die Signale unkorreliert sind.
• Wie oben angegeben, sollen die beiden Detektorelemente 1,2 jedes Detektors korrelierte Signale messen. Vom Standpunkt der Korrelation aus ist dies besser, je näher die Elemente befestigt sind. Wenn man versucht, einen geringen durchschnittlichen Abstand zwischen den beiden Detektorelementen 1,2 zu erzielen, kann es günstig sein, rechteckige oder auf irgendeine andere Weise längliche Detektorelemente zu verwenden, die mit den Längsseiten gegeneinander befestigt werden. Experimente sind bei 1 um durchgeführt worden, wobei die Detektorelemente die Abmessungen 0,6 x 2,5 mm hatten, die aus Gründen des Herstellungsverfahrens mit den Längsseiten ungefähr 1,4 mm voneinander beabstandet befestigt wurden.
• Die Detektorelemente können von völlig herkömmlicher Art sein, die je nach der Wellenlänge und Impulslänge der zu erfassenden Strahlung ausgewählt werden. Das durch die Strahlung verursachte Signal aus jedem Detektorelement hängt vom Einfallswinkel der Strahlung ab. Jeder Detektor hat einen Empfindlichkeitsstrahl, innerhalb dessen die Empfindlichkeit für einfallende Strahlung auf eine für jede Detektorart spezielle Weise schwankt. Wenn die Form des Empfindlichkeitsstrahls für die verwendeten Detektorelemente bekannt ist, kann die Richtung der einfallenden Strahlung auf eine gewünschte Bezugsrichtung durch einen Winkel α mit Hilfe einer geeigneten Signalverarbeitung bezogen werden. Wenn man z.B. einen herkömmlichen Detektor der Art verwendet, der einen Empfindlichkeitsstrahl aufweist, der im wesentlichen eine kosinusförmige Abhängigkeit vom Einfallswinkel hat, so hängt das Signal S&sub1;, S&sub2; aus jedem Detektorelement, das aus der Strahlung entsteht, vom Einfallswinkel für die Strahlung nach dem Kosinussatz ab.
• Der Kosinussatz besagt: S&sub1;= E cos α
• S&sub2;= E cos (β - α)
• wobei S&sub1; = Das Signal aus Detektorelement 1,
• S&sub2; = Das Signal aus Detektorelement 2,
• E = die Leistungsdichte (W/m²) der einfallenden Strahlung,
• α = der gesuchte Winkel = der Winkel mit der Normale der Detektorebene 1,
• β = der bekannte Winkel zwischen den Detektorebenen.
• Wenn man dies in Bezug auf α auflöst, so erhält man
• α = arc tan S&sub1;/S&sub2; - cos β/ sin β
• Somit ist es einfach, den Einfallswinkel für die Strahlung in Bezug auf eine vorgegebene Bezugsrichtung zu berechnen.

Claims (8)

1. Verfahren für das Erfassen kurzer Lichtimpulse mit Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot, bei welchen das Licht. infolge des Durchtretens einer turbulenten Atmosphäre gefleckt ist, und für das Messen des Einfallswinkels (α) der Impulse im Verhältnis zu einer Bezugsrichtung mit den Schritten, mindestens zwei Detektoren (a, b, c, d) so weit voneinander entfernt anzuordnen, daß sie eine Bestrahlung empfangen, die im wesentlichen unkorreliert ist, und wobei jeder Detektor (a, b, c, d) aus zwei Detektorelementen (1, 2) besteht die so nahe zueinander befestigt sind, daß beide Detektorelemente im wesentlichen die gleiche Bestrahlung empfangen und in einer solchen Richtung, daß die Normalen des jeweiligen Detektorelements einen bekannten Winkel (α) miteinander bilden, sowie den Einfallswinkel (a) unter Verwendung von Signalen (S&sub1;, S&sub2;) aus den Detektorelementen (1, 2), die von der Form der Empfindlichkeitsstrahlen der Detektorelemente abhängen, und: von dem bekannten Winkel (α) zwischen den Detektorelementen zu berechnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vier Detektoren (a, b, c, d) in einem Quadrat angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (1, 2) so nahe einander benachbart gelagert sind, daß die Korrelation zwischen ihren je gemessenen Bestrahlungen größer als 0,9 ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dar die Detektorelemente (1, 2) rechteckig gewählt werden und mit ihren Längsseiten gegeneinander befestigt sind, um einen geringen durchschnittlichen Abstand zwischen ihnen zu erzielen.

5. Detektoranordnung für das Erfassen von kurzen Lichtimpulsen mit Wellenlängen von Ultraviolett bis Infrarot, bei welchen das Licht infolge des Durchtretens einer turbulenten Atmosphäre gefleckt ist, und für das Messen des Einfallswinkels (a) im Verhältnis zu einer Bezugsrichtung, mit mindestens zwei Detektoren (a, b, c, d) die so weit voneinander beabstandet angeordnet sind, dar sie eine Bestrahlung empfangen, die im wesentlichen unkorreliert ist, wobei jeder Detektor (a, b, c, d) aus zwei Detektorelementen (1, 2) besteht, die im wesentlichen so nahe einander benachbart, dar die beiden Detektorelemente im wesentlichen die gleiche Bestrahlung empfangen, und in einer solchen Richtung befestigt sind, daß die Normalen des jeweiligen Detektorelements einen bekannten Winkel (α) miteinander bilden, so daß der Einfallswinkel (α) unter Verwendung von Signalen (S&sub1;, S&sub2;) aus den Detektorelementen (1, 2) , die von der Form der Empfindlichkeitsstrahlen der Detektorelemente abhängen, und von dem bekannten Winkel (β) zwischen den Detektorelementen berechnet werden kann.

6. Detektoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dar vier Detektoren (a, b, c, d) in einem Quadrat angeordnet sind.

7. Detektoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (1, 2) so nahe benachbart zueinander befestigt sind, daß die Korrelation zwischen ihren je gemessenen Bestrahlungen größer als 0,9 ist.

8. Detektoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (1, 2) rechteckig sind und mit ihren Längs seiten gegeneinander befestigt sind, um einen geringen Durchschnittsabstand zwischen ihnen zu erzielen.