DE60019039T2

DE60019039T2 - Verfahren und Anordnung zur Zieldiskriminierung mittels Laserbestrahlung

Info

Publication number: DE60019039T2
Application number: DE60019039T
Authority: DE
Inventors: Sebastien Breugnot; Philippe Clemenceau
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: DE60019039D1; FR2797960A1; EP1079239A1; EP1079239B1; FR2797960B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterscheidung eines Ziels von seiner Umgebung durch Laserbeleuchtung des Ziels, sowie eine Unterscheidungsvorrichtung, die dieses Verfahren anwendet. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Laserentfernungsmesser mit großem Unterscheidungsvermögen.
Die Unterscheidung eines Ziels von seiner Umgebung ist eine wichtige Funktion von optronischen Vorrichtungen, wie zum Beispiel der Systeme zur Erfassung und/oder Identifizierung von Zielen, oder Laserentfernungsmesser, die Teil der meisten optronischen Einrichtungen sind. Die Laserentfernungsmessung ermöglicht es nämlich, die Entfernung eines Ziels durch Messung der Reflexionszeit einer Laserwelle, zum Beispiel eines Impulses, zu messen, der vom Entfernungsmesser ausgesendet und vom Ziel rückgestreut wird. Es ist absolut notwendig zu wissen, dass der Gegenstand, auf den der Entfernungsmesser gerichtet ist, das Ziel ist, dessen Entfernung man schätzen möchte, und nicht seine nähere Umgebung, z.B. ein homogener natürlicher Hintergrund (zum Beispiel die im Hintergrund befindliche Vegetation), ein strukturierter natürlicher Hintergrund (komplexer natürlicher Hintergrund, zu dem Zonen verschiedener Art gehören, zum Beispiel eine Gruppe von Felsen, Bäumen, Vegetation, usw.), oder auch ein von Strukturen gebildeter Hintergrund, die vom Menschen hergestellt wurden.
Beim bekannten Stand der Technik erfolgt die Unterscheidung des Ziels direkt mit dem nackten Auge, was bei Entfernungsmessern großer Reichweite sehr zufallsbedingt wird. Ein ausgefeilteres Verfahren der Zielerfassung ist im Patent US 5,452,089 beschrieben. Es geht darum, eine linear polarisierte Welle zu senden und die Polarisation der gesendeten Laserwelle mit einer vom Auge erfassbaren Frequenz, d.h. etwa 10 Hz, zwischen einer waagrechten linearen Polarisation und einer senkrechten linearen Polarisation wechseln zu lassen. Die Bedienungsperson sieht dann ein Blinken, wenn die Welle von einem Ziel zurückgestreut wird, das das Licht wenig depolarisiert. So kann man ein vom Menschen hergestelltes Ziel von einer natürlichen Umgebung unterscheiden, die stark depolarisierend ist. Dieses Verfahren ist aber auf eine qualitative Schätzung der depolarisierenden Eigenschaft bestimmter Arten von Gegenständen beschränkt. Sie ist also sehr ungenau und ermöglicht überhaupt nicht, ein gegebenes Ziel von einem beliebigen Hintergrund, insbesondere einem strukturierten Hintergrund oder einem aus einer vom Menschen hergestellten Struktur gebildeten Hintergrund, zu unterscheiden.
Das erfindungsgemäße Unterscheidungsverfahren ermöglicht es, diese Nachteile zu beseitigen. Es beruht auf einer quantitativen Messung des Polarisationsgrads des Ziels, die dessen Unterscheidung von seiner Umgebung mit einer sehr guten Genauigkeit und sogar die Identifizierung des Ziels ermöglicht.
Hierzu ist das erfindungsgemäße Unterscheidungsverfahren dadurch gekennzeichnet, dass es enthält:

– das Senden einer polarisierten Laserwelle (We) von elliptischer Polarisation zum Ziel, wobei der der gesendeten Welle zugeordnete Stokesvektor bis auf einen Skalarfaktor und bis auf eine Rotationsmatrix um die Fortpflanzungsachse (Oz) der Welle im wesentlichen folgendermaßen ist:
– die Analyse gemäß zwei senkrechten Achsen der Polarisation der vom Ziel rückgestreuten Welle (Wr), was die Erfassung von zwei derartigen Lichtstärken I₁ und I₂ ermöglicht, dass das Verhältnis
im Wesentlichen gleich dem Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels ist, wobei die Messung von D_p(M) die Unterscheidung des Ziels von seiner Umgebung ermöglicht.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die ein erfindungsgemäßes Unterscheidungsverfahren anwendet, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:

– Mittel (ME) zum Senden der polarisierten Welle (We), die insbesondere eine Laserquelle (LAS) und einen Polarisationszustandsgenerator (PSG) aufweisen,
– Mittel (MR) zum Empfang der rückgestreuten Welle, die insbesondere einen Analysator (PSA) des Polarisationszustands der rückgestreuten Welle (Wr) gemäß zwei senkrechten Achsen und Erfassungsmittel (MDET) aufweisen, wobei der Analysator von der rückgestreuten Welle zwei Lichtsignale (Wr₁, Wr₂) ausgibt, die von den Erfassungsmitteln erfasst werden und deren Lichtstärken gleich den Lichtstärken I₁ und I₂ sind,
– Mittel (TS) zur Verarbeitung des Signals, die es ermöglichen, ausgehend von den Lichtstärken den Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels zu berechnen.

Das erfindungsgemäße Verfahren, das auf dem Senden einer polarisierten Welle mit bestimmter Polarisation beruht, ist einfach anzuwenden und ermöglicht aufgrund einer quantitativen Bestimmung des Polarisationsgrads des Ziels eine genaue Unterscheidung des Ziels von seiner Umgebung. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach in optronische Vorrichtungen von der Art Entfernungsmesser integriert werden, in denen sie die Überprüfung der Entfernungsmessung erlaubt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Beispiels eines Laserentfernungsmessers, der eine erfindungsgemäße Zielunterscheidungsvorrichtung aufweist,
2 ein Ausführungsbeispiel der in einen Entfernungsmesser integrierten Vorrichtung gemäß der Erfindung,
3 gemäß einem Beispiel eine schematische Darstellung der Geschwindigkeit der erfassten Lichtstärken in Abhängigkeit von der Zeit, sowie die den Polarisationsgrad D_p(M) ergebende Messung.
Der STOKES-MUELLER-Formalismus ermöglicht es, den Polarisationszustand einer monochromatischen Welle zu beschreiben. Dieser Formalismus wird durch einen Vektor S, genannt STOKES-Vektor, gekennzeichnet, der aus Parametern I, Q, U und V besteht, die nachfolgend definiert werden. Bei Betrachtung einer Welle, die sich gemäß einer Achse Oz ausbreitet, und bei einem Koordinatensystem O, x, y, bei dem die Achsen Ox und Oy senkrecht zur Achse Oz liegen, kann der das elektromagnetische Feld darstellende Vektor E folgendermaßen zerlegt werden: Ex(t) = E0x(t)cos[ωt + δx(t)] (1) Ey(t) = E0y(t)cos[ωt + δy(t)] (2)wobei E_x(t) und E_y(t) die Komponenten des Vektors E entlang der Achsen Ox bzw. Oy sind.
ω ist die Pulsation des elektromagnetischen Felds, und δ_x(t) und δ_y(t) sind die Phasenverschiebungen der Komponenten E_x(t) und E_y(t). Die Komponenten des STOKES-MUELLER-Vektors S werden durch die folgenden Beziehungen definiert: I = E20x + E20y (3) Q = E20x – E20x (4) U = 2E0xE0ycosδ (5) V = 2E0xE0ysinδ (6)wobei δ = δ_x(t) – δ_y(t) die Phasendifferenz zwischen den beiden Komponenten E_x(t) und E_y(t) des Felds ist.
Die Komponenten I, Q, U, V bilden die so genannten STOKES-Parameter der zu dem Ziel gesendeten Welle, das angepeilt werden soll.
Die MUELLER-Matrix M eines Ziels in Rückstreuung ermöglicht es, den vom Ziel rückgestreuten STOKES-Vektor Sr in Abhängigkeit vom einfallenden STOKES-Vektor S auszudrücken, d.h.: Sr = M·S (7)
Der Polarisationsgrad D_p(M) der Matrix M wird gemäß der folgenden Beziehung definiert, wobei m_ij ein Element dieser 4 × 4-Matrix darstellt:
D_p(M) ist eine Eigenschaft des Materials des Ziels. D_p(M) = 0% bedeutet insbesondere, dass das Material, aus dem das Ziel besteht, die einfallende Welle vollständig depolarisiert, und dass die rückgestreute Welle vollständig depolarisiert ist, d.h., dass die Phasen der Komponenten des rückgestreuten Felds völlig inkohärent geworden sind. Ein Beispiel einer vollständig depolarisierten Welle ist das natürliche Licht.
D_p(M) = 100% bedeutet, dass die rückgestreute Welle polarisiert ist, d.h., dass die Phasen des rückgestreuten Felds vollständig kohärent sind.
D_p(M) < 100% bedeutet, dass die rückgestreute Welle teilweise polarisiert ist, d.h., dass sie die Summe eines depolarisierten Lichts und einer elliptischen Schwingung wäre. Tatsächlich stellt D_p(M) den Anteil an polarisiertem Licht der rückgestreuten Welle dar.
Der Polarisationsgrad D_p(M) hängt also von der Beschaffenheit des Ziels ab, auf dem die gesendete Welle rückgestreut wird. Die Messung dieses Parameters ermöglicht es also, ein Ziel mit großer Genauigkeit von seiner Umgebung zu unterscheiden.
Das Verfahren der Unterscheidung eines Ziels von seiner Umgebung beruht auf der Messung des Polarisationsgrads D_p(M) des Ziels. Es enthält das Aussenden einer mit einer sorgfältig ausgewählten Polarisation polarisierten Laserwelle zum Ziel, wobei die Form des ihr zugeordneten Stokes-Vektors S nachfolgend genauer erläutert wird. Die Laserwelle wird vom Ziel rückgestreut, und der der rückgestreuten Welle zugeordnete Stokes-Vektor Sr wird gemäß der Gleichung (7) angegeben durch Sr = M·S, wobei M die Mueller-Matrix des Ziels ist.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Polarisation der rückgestreuten Welle gemäß zwei zueinander senkrechten Achsen analysiert, und die Wahl der Polarisation der gesendeten Welle sowie die Wahl der Mittel zur Analyse der Polarisation der rückgestreuten Welle ermöglichen die Erfassung von zwei derartigen Lichtstärken I₁ und I₂, dass das Verhältnis
im Wesentlichen gleich dem Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels ist. Diese Wahl wird später genauer erläutert.
Die Unterscheidung des Ziels von seiner Umgebung kann dann folgendermaßen durchgeführt werden. Der Wert von D_p(M) wird zum Beispiel mit einem oder mehreren vorbestimmten Werten verglichen, was es ermöglicht, das Ziel von bestimmten Hintergrundarten zu unterscheiden, deren Polarisationsgrade bekannt sind. So liegen zum Beispiel die Polarisationsgrade der natürlichen Hintergründe im Allgemeinen unter 30%. Ein über diesem Wert gemessener Wert des Polarisationsgrads D_p(M) des Ziels ermöglicht es so, das Ziel von seiner natürlichen Umgebung zu unterscheiden. Gemäß einem weiteren Beispiel wird der Wert des Polarisationsgrads Dp mit einer Gruppe von Werten der Polarisationsgrade von bekannten Gegenständen verglichen, was es ermöglicht, zur Identifizierung des Ziels beizutragen. Das erfindungsgemäße Verfahren führt so zu einer großen Präzision bei der Unterscheidung des Ziels von seiner Umgebung, wobei diese Präzision zum Beispiel bei den optronischen Systemen notwendig ist, die das Anpeilen des Ziels durch einen Laser erfordern.
Die Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht insbesondere darauf, dass nur eine einzige bestimmte Polarisationswelle gesendet werden muss, um die Messung durchzuführen. Dadurch kann man zum Beispiel mit einer Impulslaserquelle arbeiten, wobei die Messung des Polarisationsgrads bei jedem Impuls durchgeführt werden kann. Um eine Messung des Polarisationsgrads zu erhalten, ist es also nicht notwendig, mehrere Impulse mit unterschiedlicher Polarisation zu senden, was bei der Messung des Polarisationsgrads aufgrund der Tatsache, dass zum Beispiel die Energie-, Impulsbreiten- oder Streuungseigenschaften von einem Impuls zum anderen beträchtlich variieren können, einen Fehler erzeugen könnte. Nachfolgend werden weitere mit dem Senden nur einer polarisierten Welle verbundenen Vorteile aufgezeigt.
Zum Beispiel bei der Anwendung der Entfernungsmessung, bei der die Verwendung einer leistungsstarken Impulslaserquelle es ermöglicht, Entfernungsmessungen mit großer Reichweite durchzuführen, ist das erfindungsgemäße Verfahren also besonders interessant. Bei einem mit einer solchen Funktion versehenen Entfernungsmesser kann man zum Beispiel in Abhängigkeit von der Messung des Polarisationsgrads des angepeilten Gegenstands entscheiden, ob es notwendig ist, den Entfernungsmesser erneut auszurichten, oder nicht.
Nun werden die Wahl, die bei der Polarisation der gesendeten Welle getroffen wird, sowie die Analyse der rückgestreuten Welle, die an ihr durchgeführt wird, erklärt.
Die Anmelderin hat festgestellt, dass die Mueller-Matrizen der die Szenen der täglichen Umgebung bildenden Gegenstände als diagonal angesehen werden.
Zum Beispiel sind MUELLER-Matrizen Mp und Mb, die je Farbe bzw. Beton entsprechen, die folgenden:
Die nicht diagonalen Element der Matrizen liegen weit unter den diagonalen Elementen. Sie sind im Wesentlichen gleich der Ungewissheit und können als Messrauschen interpretiert werden. Die MUELLER-Matrix M wird also für einen üblichen Gegenstand als die folgende Form aufweisend betrachtet:
Wenn man als zusätzliche Hypothese annimmt, dass der Gegenstand eine kreisförmige Symmetrie aufweist, d.h. wenn man annimmt, dass die MUELLER-Matrix die gleiche ist, wenn der Gegenstand um die vom einfallenden Strahl gebildete Achse senkrecht zu den Komponenten E_x und E_y des Felds gedreht wird, folgt daraus, dass diese Matrix M mit jeder Rotationsmatrix um die erwähnte Achse umschaltet. Daraus folgt, dass nur drei diagonale Elemente frei sind, d.h., dass zwei gleich sind. Diese drei Elemente sind:

– M₀₀, der Reflexionskoeffizient des Zielgegenstands;
– M₁₁ = M₂₂, der Koeffizient der linearen Depolarisation;
– M₃₃, der Koeffizient der kreisförmigen Depolarisation.

Die Matrix M hat dann die folgende Form:
und ihr Polarisationsgrad D_p wird durch die folgende Beziehung angegeben: Dp = (2M11 + M33)/3M00 (9)
Die Anmelderin hat bestimmt, dass das Senden einer einzigen polarisierten Welle mit bestimmter elliptischer Polarisation es ermöglicht, den Polarisationsgrad zu bestimmen, wie er durch die Gleichung (9) festgelegt wird. Der dieser Welle zugeordnete Stokes-Vektor S hat bis auf einen Skalarfaktor und bis auf eine Rotationsmatrix um die Fortpflanzungsachse (Oz) der Welle im Wesentlichen die folgende Form:
In diesem Fall ist tatsächlich der der rückgestreuten Welle zugeordnete Stokes-Vektor Sr für eine gesendete Welle, deren zugeordneter Stokes-Vektor von der Gleichung (10) angegeben wird, folgendermaßen:
Die Analyse der Polarisation der rückgestreuten Welle wird dann (gemäß nachfolgend beschriebenen Mitteln) so durchgeführt, dass die aus diesem System hervorgehenden Stärken I₁ und I₂ tatsächlich bis auf einen Skalarfaktor die Skalarprodukte des Stokes-Vektors Sr mit den folgenden Vektoren V₁ und V₂ sind:
So werden die oben erwähnten Lichtstärken angegeben durch: I1 = M00 + 1/3(2M11 + M33) (11) I2 = M00 – 1/3(2M11 + M33) (12)
Man prüft dann genau, dass: Dp(M) = (2M11 + M33)/3M00 = (I1 – I2)/(I1 + I2) (13)
Allgemeiner kann, wenn eine Laserwelle mit zugeordnetem Stokes-Vektor
gesendet wird, die Analyse der Polarisation der rückgestreuten Welle so durchgeführt werden, dass die Lichtstärken I₁ und I₂ je bis auf einen Skalarfaktor die Skalarprodukte der folgenden Vektoren V₁ und V₂ mit dem Stokes-Vektor Sr der rückgestreuten Welle sind:
Auf diese Weise ermöglichen die Messungen der Stärken I₁ und I₂ die Berechnung des Polarisationsgrads D_p des Ziels.
1 stellt in einem Schaltbild ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zielunterscheidung dar. Diese Vorrichtung wird zum Beispiel in einen Laserentfernungsmesser, in eine Zielerfassungs- und/oder Identifizierungsvorrichtung oder in jede optronische Einrichtung integriert, bei der es zum Beispiel notwendig ist, das Ziel mit einer guten Fähigkeit der Unterscheidung dieses Ziels von seiner Umgebung anzupeilen.
Erfindungsgemäß weist die Erfindung Mittel ME (siehe 1) zum Senden einer elliptisch polarisierten Welle We auf, wobei der der Welle zugeordnete Stokes-Vektor S durch die Gleichung (10) angegeben wird. Die Welle We wird zu einem Ziel CIB gesendet. Die Sendemittel weisen insbesondere eine Laserquelle LAS, zum Beispiel eine Impulsquelle, und einen Polarisationszustandsgenerator PSG auf, der es ermöglicht, die gewünschte Polarisation zu erzeugen. Die Vorrichtung weist außerdem Mittel MR zum Empfang der vom Ziel rückgestreute Welle Wr auf. Diese Mittel weisen insbesondere einen Analysator PSA des Polarisationszustands gemäß zwei senkrechten Achsen der Welle und Erfassungsmittel MDET auf. Der Analysator gibt von der rückgestreuten Welle Wr zwei Lichtsignale Wr₁ und Wr₂ aus, die von den Erfassungsmitteln erfasst werden und Lichtstärken I₁ und I₂ aufweisen, wie sie von den Gleichungen 11 bzw. 12 definiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem Mittel TS zur Verarbeitung des Signals auf, die es insbesondere ermöglichen, den Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels so zu berechnen, wie es oben beschrieben wurde. Vorteilhafterweise sind die Erfassungsmittel vom Typ Photodiode, wobei diese Detektoren eine große Dynamik aufweisen, was der Messung eine größere Präzision verleiht.
2 beschreibt genauer ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in einen Entfernungsmesser integriert ist. Der Entfernungsmesser weist gemäß diesem Beispiel unterschiedliche Sendemittel ME und Empfangsmittel MR auf (bistatische Konfiguration), wobei jedes dieser Mittel eine Sendeoptik (nicht dargestellt) und eine Empfangsoptik (OBJ) aufweisen kann. Es wäre natürlich möglich, eine monostatische Konfiguration vorzusehen, bei der die Sendeoptik und die Empfangsoptik zusammenfallen.
Die Sendemittel fallen mit den Sendemitteln der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Zielunterscheidung zusammen. Die Laserquelle LAS ist vorteilhafterweise eine Impulsquelle, die dem Entfernungsmesser eine große Reichweite verleiht, aber der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattete Entfernungsmesser könnte auch mit einer kontinuierlichen Laserquelle arbeiten, zum Beispiel einer amplitudenmodulierten Quelle. In klassischer Weise besitzt der Entfernungsmesser auch einen Detektor DET₃, zum Beispiel eine Photodiode, der einen Bruchteil der von der Laserquelle LAS gesendeten Welle empfängt, was es ermöglicht, im Fall einer Impulsquelle den Augenblick des Sendens des Impulses zu erfassen.
Gemäß dieser Ausführungsform weist der Polarisationszustandsgenerator PSG einen Polarisator POL und ein Wellenplättchen LO_e auf. Der Polarisator ermöglicht es, die von der Laserquelle gesendete Welle gemäß einer gegebenen Achse (Oy) linear zu polarisieren, die in einer Ebene senkrecht zur Achse (Oz) der Ausbreitung der Welle liegt, und das Wellenplättchen Lo_e ist gemäß diesem Beispiel ein Verzögerungsplättchen vom Typ Lambda/8, dessen schnelle Achse im Wesentlichen einen Winkel von –27,8° mit der Achse (Oy) bildet, wobei die positive Richtung die trigonometrische Richtung ist. Der Stokes-Vektor der polarisierten Welle We hat dann die von der Gleichung (10) angegebene, allgemeine Form.
Die Empfangsmittel MR des Entfernungsmessers, die mit denjenigen der erfindungsgemäßen Unterscheidungsvorrichtung zusammenfallen, enthalten einen Polarisationszustandsanalysator PSA. Gemäß diesem Beispiel weist der Analysator PSA ein Wellenplättchen Lo_r auf, das ein Verzögerungsplättchen vom Typ Lambda/8 ist, dessen schnelle Achse im Wesentlichen einen Winkel von 62,5° mit der Achse (Oy) bildet, wobei die positive Richtung die trigonometrische Richtung ist. Der Analysator PSA weist auch Mittel zur Trennung der Polarisation auf, die es ermöglichen, die Lichtsignale Wr₁ und Wr₂ zu erzeugen, die hier zwei gemäß den Achsen Oy bzw. Ox senkrecht zu Oy linear polarisierte Wellen bilden. Die Signale Wr₁ und Wr₂ werden zu den Erfassungsmitteln geschickt, um die Stärken I₁ und I₂ zu erfassen, die bis auf einen Faktor im Wesentlichen gleich den Skalarprodukten des Stokesvektors Sr der rückgestreuten Welle mit den durch die Gleichung (14) angegebenen Vektoren ist. Die Lichtstärken I₁ und I₂ bestätigen so die Gleichung (13), die die Messung des Polarisationsgrads D_p(M) des Ziels erlaubt.
Im Beispiel der 2 weisen die Erfassungsmittel zwei Detektoren DET₁ und DET₂ auf, und die Trennmittel des Polarisationsanalysators (PSA) weisen einen Polarisationstrennwürfel CSP auf, der es ermöglicht, die beiden linear polarisierten Wellen Wr₁ und Wr₂ zu den beiden Detektoren zu senden. Gemäß einem anderen Beispiel können die Erfassungsmittel nur einen einzigen Detektor aufweisen. In diesem Fall werden die Trennmittel des Analysators PSA zum Beispiel von einer Flüssigkristallzelle gebildet, die spannungsgesteuert ist, um nacheinander eine geradlinige Polarisation gemäß Oy oder gemäß Ox zu senden, je nach der gelieferten Spannung, und die einem Polarisator mit der Achse Oy zugeordnet ist. Der Detektor erfasst dann nacheinander die Signale Wr₁ und Wr₂ mit den Stärken I₁ bzw. I₂. Diese letztere Konfiguration kann zum Beispiel im Fall einer kontinuierlichen Laserwelle interessant sein, die amplitudenmoduliert ist und somit weniger zufälligen Leistungsschwankungen unterliegt als eine Impulswelle. Hier ist die Flüssigkristallzelle im Empfangskanal positioniert und ist somit keinen zu großen Lichtstärken ausgesetzt, die sie beschädigen könnten.
Im Beispiel der 2 empfangen die Signalverarbeitungsmittel TS die von den Detektoren DET₁ und DET₂ kommenden Lichtstärken I₁ und I₂ sowie das vom Detektor DET₃ kommende Signal I₃. Sie ermöglichen dann die gleichzeitige Messung des Polarisationsgrads des Ziels und der Entfernung d des Ziels vom Entfernungsmesser.
3 stellt schematisch gemäß einem Beispiel die Geschwindigkeit der Stärken I₁, I₂, I₃ in Abhängigkeit von der Zeit dar. Diese Kurven sind in willkürlichen Einheiten u.a. angegeben. In diesem Beispiel sendet der Entfernungsmesser einen Impuls, der beim Senden vom Detektor DET₃ erfasst wird. Die Entfernung d des Ziels vom Entfernungsmesser wird dann klassisch mit Hilfe der Reflexionszeit τ des Impulses gemessen, die dem Zeitintervall entspricht, der die Erfassung des gesendeten Impulses durch den Detektor DET₃ und die gleichzeitige Erfassung der rückgestreuten Welle durch die Detektoren DET₁ und DET₂ trennt. In dieser gleichen 3 ist der Wert des Verhältnisses
das im Wesentlichen den Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels angibt, in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Gemäß einem Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Unterscheidungsverfahrens wird, wenn dieser Wert über einem vorbestimmten wert liegt, zum Beispiel 30% (da der Polarisationsgrad des natürlichen Hintergrunds unter 30% liegt), die Entfernungsmessung bestätigt. Im gegenteiligen Fall ist eine erneute Anpeilung durch den Entfernungsmesser notwendig, um das Ziel zu beleuchten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Quelle ein erbiumdotierter Laser sein, der mit einer Wellenlänge von 1,5 μm (als Wellenlänge mit Okularsicherheit bezeichnet), mit einer Impulsdauer von 10 ns und einer Spitzenleistung von 10 kW sendet. Die betrachteten Detektoren sind zum Beispiel Photodioden aus InGaAs. Wenn man annimmt, dass die Detektoren DET₁ und DET₂ eine Empfindlichkeit von etwa 15 nW haben, beträgt die Reichweite des Entfernungsmessers dann etwa 1500 m. Die Präzision der Messung von D_p(M) liegt dann unter 1%.
Dieses Beispiel ermöglicht es insbesondere, die einfache Anwendung der Zielunterscheidungsvorrichtung bei einem vorhandenen Zielpeilsystem zu zeigen, zum Beispiel vom Typ Entfernungsmesser, indem an diesem System einige Veränderungen vorgenommen werden, die ihm dann eine große Unterscheidungskraft verleihen.

Claims

Verfahren zur Unterscheidung eines Ziels von seiner Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass es enthält: – das Senden einer polarisierten Laserwelle (We) von elliptischer Polarisation zum Ziel, wobei der der gesendeten Welle zugeordnete Stokesvektor bis auf einen Skalarfaktor und bis auf eine Rotationsmatrix um die Fortpflanzungsachse (Oz) der Welle im Wesentlichen folgendermaßen ist:
– die Analyse gemäß zwei senkrechten Achsen der Polarisation der vom Ziel rückgestreuten Welle (Wr), was die Erfassung von zwei derartigen Lichtstärken I₁ und I₂ ermöglicht, dass das Verhältnis
im Wesentlichen gleich dem Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels ist, wobei die Messung von D_p(M) die Unterscheidung des Ziels von seiner Umgebung ermöglicht.
Unterscheidungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer gesendeten Laserwelle (We) mit zugeordnetem Stokesvektor
die Analyse der Polarisation der rückgestreuten Welle (Wr) so durchgeführt wird, dass die Lichtstärken I₁ und I₂ bis auf einen Skalarfaktor die Skalarprodukte mit dem Stokesvektor S₁r der rückgestreuten Welle der folgenden Vektoren V₁ und V₂ sind:
Unterscheidungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterscheidung durch Vergleich des gemessenen Werts von D_p(M) mit mindestens einem vorbestimmten Wert erfolgt.
Unterscheidungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass einer der vorbestimmten Werte etwa 30% beträgt, wobei eine Messung von D_p(M) über diesen Wert hinaus es ermöglicht, das Ziel von einer natürlichen Umgebung zu unterscheiden.
Unterscheidungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Wert von D_p(M) mit einer Einheit von Werten von Polarisationsgraden bekannter Gegenstände verglichen wird, was es ermöglicht, seine Identifizierung zu unterstützen.
Vorrichtung zur Unterscheidung eines Ziels (CIB) von seiner Umgebung, die ein Unterscheidungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche anwendet, dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist: – Mittel (ME) zum Senden der polarisierten Welle (We), die insbesondere eine Laserquelle (LAS) und einen Polarisationszustandsgenerator (PSG) aufweisen, – Mittel (MR) zum Empfang der rückgestreuten Welle, die insbesondere einen Analysator (PSA) des Polarisationszustands der rückgestreuten Welle (Wr) gemäß zwei senkrechten Achsen und Erfassungsmittel (MDET) aufweist, wobei der Analysator von der rückgestreuten Welle zwei Lichtsignale (Wr₁, Wr₂) ausgibt, die von den Erfassungsmitteln erfasst werden und deren Lichtstärken gleich den Lichtstärken I₁ und I₂ sind, – Mittel (TS) zur Verarbeitung des Signals, die es ermöglichen, ausgehend von den Lichtstärken den Polarisationsgrad D_p(M) des Ziels zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass, da die von der Laserquelle kommende Welle gemäß einer gegebenen Achse (Oy) senkrecht zur Fortpflanzungsachse (Oz) der Welle linear polarisiert ist, der Polarisationsgenerator (PSG) ein Verzögerungsplättchen (Lo_a) vom Typ Lambda/8 aufweist, dessen schnelle Achse im Wesentlichen einen Winkel von –27,8° mit der Achse (Oy) bildet, wobei die positive Richtung die trigonometrische Richtung ist, und der Polarisationsanalysator (PSA) ein Verzögerungsplättchen (Lo_r) vom Typ Lambda/8, dessen schnelle Achse im Wesentlichen einen Winkel von 62,5° mit der Achse (Oy) bildet, sowie Mittel zur Trennung der Polarisation aufweist, die es ermöglichen, die Lichtsignale (Wr₁, Wr₂) zu erzeugen, die dann zwei linear polarisierte Wellen gemäß den Achsen (Oy) bzw. (Ox) senkrecht zu (Oy) bilden, wobei die Signale (Wr₁, Wr₂) zu den Erfassungsmitteln (MDET) geschickt werden, um die Lichtstärken (I₁, I₂) zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel zwei Detektoren (DET₁, DET₂) enthalten, und dass die Trennmittel des Polarisationsanalysators (PSA) einen Polarisationstrennwürfel (CSP) aufweisen, der es ermöglicht, die beiden linear polarisierten Wellen (Wr₁, Wr₂) zu den beiden Detektoren zu schicken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel (MDET) vom Typ Photodiode sind.
Laserentfernungsmesser, der eine Zielunterscheidungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9 aufweist, wobei ein Detektor (DET₃) einen Bruchteil der von den Sendemitteln gesendeten Welle empfängt, wobei die Mittel (TS) zur Verarbeitung des Signals außerdem das vom Detektor (DET₃) gelieferte Signal (I₃) empfangen, wodurch die Entfernung des Ziels durch Messung der Reflexionszeit der gesendeten Welle berechnet werden kann.
Entfernungsmesser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Erbium-Impulslaser ist, dessen Impulsdauer in der Größenordnung von zehn Nanosekunden liegt, und dass die Erfassungsmittel vom Typ InGaAs-Photodiode sind.