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Die
Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zur Verarbeitung
von Signalen von Laservibrometern. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht
sich die Erfindung auf Verfahren und Vorrichtungen zur Verarbeitung
von Signalen, die von Laservibrometern herrühren, die eine Zahl getrennter
kohärenter optischer
Empfänger
aufweisen.
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Die
Laservibrometrie ist eine Technik zur Detektion mechanischer Vibrationen
ferner Gegenstände durch
Beleuchtung dieser Gegenstände
mit Laserlicht. Das von den Gegenständen gestreute Laserlicht wird in
der Phase durch Oberflächenvibrationen
moduliert, und so wird ein Teil des gestreuten Lichtes in einem
kohärenten
optischen Empfänger
gesammelt, und beim Durchlaufen eines Phasendetektors wird ein Signal
erzeugt, das proportional der Vibrationsversetzung des Gegenstandes
ist. Diese Technik kann benutzt werden, um die Vibrationsspektren
großer
entfernter Gegenstände
zu messen, beispielsweise eines im Flug befindlichen Flugzeugs,
und die Technik kann benutzt werden, um das jeweilige Flugzeug im
Hinblick auf die ihm eigenen bekannten charakteristischen Spektren
zu identifizieren. Laservibrometrie ist insbesondere nützlich zur Identifizierung
von Flugzeugen über
sehr weite Entfernungen, wenn das Flugzeug nicht mehr über herkömmliche
Abbildungstechniken aufgelöst
werden kann.
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Die
Laservibrometrie erfordert, dass ein Laser sehr stabil mit einer
einzigen Frequenz arbeitet, um genau die Phase des Echosignals messen
zu können.
Derartiges Laserlicht erzeugt Specklemuster, wenn eine Streuung
durch eine grobe, feste Oberfläche
erfolgt, wodurch ein Feld von räumlich
variierenden Amplituden und Phasen über der Apertur der Empfängerlinse
erzeugt wird. Das Specklemuster bewegt sich relativ zu der Empfängerlinse,
wenn sich das Ziel vorüberbewegt,
und dies führt
dazu, dass sich ein empfangenes Signal in weiten Grenzen und unvorhersehbar
in Amplitude und Phase ändert.
In gewissen Fällen
kann das empfangene Signal fast Null sein, und dies führt zu einer
zeitweisen Unmöglichkeit,
die Zielvibrationen zu überwachen. Dies
kann Fehler bei der Identifizierung von angepeilten Zielen verursachen.
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Ein
Verfahren zur Lösung
dieses Problems ist in der
GB
2,265,514 beschrieben. Bei diesem beschriebenen Verfahren
und der beschriebenen Vorrichtung wird das Problem dadurch gelöst, dass
eine Anzahl getrennter optischer Empfänger vorgesehen wird, die sämtlich Streulicht
von dem Ziel empfangen, die aber in einem solchen Abstand zueinander
angeordnet sind, der vergleichbar ist oder größer als die mittlere Specklegröße in der
Nähe der
Empfänger.
Jeder Empfänger
demoduliert das empfangene Streulicht in der Phase, um ein Ausgangssignal
zu erzeugen, das der Vibration des Zieles entspricht. Jedoch sind
die Specklefluktuationen an jedem Empfänger im Wesentlichen miteinander
nicht korreliert, so dass die Signalamplituden von jedem Empfänger das
Minimum zu verschiedenen Zeiten durchlaufen, so dass eine Kombination
der demodulierten Ausgänge
von jedem Empfänger
miteinander ein Verbundsignal erzeugt, in dem ein zeitweiliger Verlust
von Vibrationsdaten vom Ziel vermindert oder eliminiert wird.
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Jedoch
ist es bei dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung nicht
einfach, das optimale Verfahren zur Kombination der demodulierten
Ausgänge
von der Empfängeranordnung
zu kombinieren, um ein konstantes Vibrationssignal zu erhalten und
um die Gesamtstörungen
des Empfängers
zu vermindern. Beispielsweise ergibt eine einfache Addition der
demodulierten Signale kein optimales Ergebnis.
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Die
US-A-6034760, die sich auf ein Verfahren zur Feststellung von Wetterbedingungen
in der Atmosphäre
mittels eines Laserstrahls und eines kohärenten optischen Empfängers bezieht,
beschreibt einen Versuch zur Verminderung der Specklestörungen aus
einem Sondenvolumen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung betrifft diese einen Laservibrometer zur Identifizierung
ferner Ziele durch Ermittlung mechanischer Vibrationen im Ziel,
wobei das Vibrometer eine Gruppe kohärenter optischer Empfänger aufweist,
um einen Teil des Laserlichtes zu sammeln, das von einem fernen
Ziel reflektiert wurde und jeder Empfänger einen Ausgang liefert,
und wobei Signalprozessormittel, bestehend aus einem Autokovarianz-Prozessor,
mehrere Eingänge
besitzen, um die Ausgänge
der Empfänger
zu kombinieren, um ein Signal zu erzeugen, das repäsentativ
ist für
das ferne Ziel und um im Wesentlichen die Wirkungen des Laserspeckles
zu entfernen.
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Vorzugsweise
können
die Signalprozessoren einen Autokovarianz-Prozessor mit mehreren
Eingängen
aufweisen, bei dem das von den Mehrfacheingängen abgenommene Signal repäsentativ
ist für
das ferne Ziel und im Wesentlichen unbeeinflusst ist durch Laserspeckle.
Vorteilhafterweise kann der Signalausgang von den mehreren Empfängern Konversionsmitteln
zugeführt
werden, wobei die Konversionsmittel die Eingangssignale abtasten,
um digitale Ausgänge
gemäß den Zeitgebersignalen
zu erzeugen, die durch einen Taktimpulsgenerator erzeugt werden.
Zweckmäßigerweise
kann der Signalausgang von den mehreren Empfängern weiter einer Zeitverzögerungseinrichtung
zugeführt
werden, die die Eingangssignale um etwa 0,25 einer Periode bei der
Mittelfrequenz der Signale von den Empfängern verzögert. Wahlweise können die
zeitverzögerten Signale
weiteren Konversionsmitteln zugeführt werden, die die Eingangssignale
abtasten, um Signalausgänge gemäß den Zeitgebersignalen
zu erzeugen, die vom Taktimpulsgenerator erzeugt werden. Vorzugsweise
kann das Laservibrometer weiter Summierungsmittel aufweisen, um
die ersten und zweiten konvertierten Signale zu empfangen, wobei
die konvertierten Signale Signalpaare umfassen, und es wird eine
Summation der Signalpaare durchgeführt, und die Summation bewirkt,
dass die Signale infolge des Laserspeckles weitgehend vermindert
werden und ein Signal gebildet wird, das repäsentativ ist für die mechanische
Vibration des fernes Zieles, welches Signal am Ausgang der Summierungsmittel
abgenommen wird.
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Gemäß der Erfindung
betrifft diese weiter ein Verfahren zur Detektion der mechanischen
Vibrationen eines fernen Zieles unter Benutzung eines Laservibrometers
mit den folgenden Schritten:
- (a) es wird das
ferne Ziel mit Laserlicht bestrahlt;
- (b) es wird ein Teil des von dem fernen Ziel reflektierten Laserlichtes
durch eine Gruppe kohärenter
optischer Empfänger
gesammelt, wobei jeder Empfänger
einen Ausgang liefert; und
- (c) es werden die Ausgänge
verarbeitet, indem die Ausgänge
durch einen Autokovarianz-Prozessor verarbeitet werden, der mehrere
Eingänge
besitzt, um so ein Signal zu erzeugen, das der mechanischen Vibration
des fernen Zieles repäsentativ
ist und im Wesentlichen unbeeinflusst durch das Laserspeckle ist.
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Auf
diese Weise werden die Signale von jedem Empfänger durch einen komplexen
Autokovarianz-Prozessor mit mehreren Eingängen kombiniert, um ein Ausgangssignal
zu liefern, das die Vibration einer fernen Oberfläche repäsentiert,
die durch einen Laserstrahl bestrahlt wird, wobei jedoch die durch
Laserspeckle verursachten Signalfluktuationen vermindert werden.
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Die
Erfindung umfasst eine Technik zur Kombination von Vibrometersignalen
einer Empfängergruppe, um
ein optimales resultierendes Signal zu erzeugen und um Störungen zu
vermindern und um die Möglichkeit eines
zeitweiligen Signalverlustes zu vermindern oder zu eliminieren.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung
zeigt:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Laservibrometers gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wobei das Vibrometer einen komplexen Autokovarianz-Prozessor
mit mehreren Eingängen
aufweist und die Signale kombiniert und verarbeitet werden, um eine
ferne Oberfläche
zu identifizieren, die durch Laserlicht bestrahlt wird.
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1 zeigt
einen Laservibrometer, bei dem Licht von einem Dauerstrichlaser 1,
der beispielsweise als Ringlaser ausgebildet sein kann und einen
stabilen Einfrequenzausgang erzeugt, durch eine optische Monomodefaser
in einen optischen Faserkoppler 2 eintritt. Der Koppler 2 teilt
das Licht in zwei Ausgangsfasern auf. Der Ausgang 3 von
einer dieser Fasern expandiert, um die Linse 4 auszufüllen, die
den Ausgang zu einem annähernd
parallelen Strahl 5 ausrichtet. Der Strahl 5 wird
auf die Oberfläche 6 eines
fernen Vibrationszieles 7 fokussiert, und dieses Ziel kann
beispielsweise die Außenhaut
eines im Flug befindlichen Flugzeuges sein. Das Licht wird durch
die Oberfläche 6 in
zufälliger
Weise gestreut, und ein kleiner Teil hiervon tritt in eine Gruppe
der optischen Fernempfänger
ein, die nahe beim Laser 1 angeordnet sind. Diese werden
in 1 durch drei Empfängerlinsen 8, 9 und 10 repräsentiert,
die das gestreute Licht auf den Kern von drei optischen Monomodefasern 11, 12 und 13 fokussieren.
Es ist klar, dass irgendeine Anzahl von geeigneten optischen Empfängern benutzt
werden kann.
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Die
zweite Ausgangsfaser vom Faserkoppler 2 wird durch einen
Frequenzschieber 14 geführt,
der beispielsweise als akusto-optische Einrichtung ausgebildet sein
kann und akustische Oberflächenwellen
benutzt. Die Funktion des Frequenzschiebers 14 besteht
darin, die Frequenz des die Einrichtung 14 durchlaufenden Lichtes
um einen festen Betrag zu verschieben, der gleich ist der Frequenz,
die an die Einrichtung durch einen äußeren Signalgenerator 15 angelegt
wird. Die Treiberfrequenz vom Signalgenerator 15 kann im
typischen Fall in der Größenordnung
von Zehnern von Megahertz sein, aber sie kann jede Frequenz aufweisen,
die zwischen 10 und 1000 MHz liegt. Das Licht vom Frequenzschieber 14 durchläuft eine
optische Monomodefaser und gelangt zu einem Mehrwegekoppler 16,
der das Licht in eine Anzahl gleicher Teile aufteilt, die gleich ist
der Zahl der optischen Empfänger.
Bei dem in 1 dargestellten Beispiel teilt
der Faserkoppler 16 das Licht in drei gleiche Teile, die
entlang von drei optischen Monomodefasern 16, 18 und 19 verlaufen.
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Diese
Fasern treten in drei optische Faserkoppler 20, 21 bzw. 22 ein,
wo das Licht mit dem Signallicht von der Zieloberfläche 6 gemischt
wird, das entlang der optischen Fasern 11, 12 bzw. 13 geleitet
wird. Die Mischung erzeugt eine optische Interferenz zwischen dem
Signallicht vom Ziel und dem Bezugslicht vom Laser, und dies führt zu einer
Intensitätsmodulation
an jedem der Ausgänge
der Faserkoppler 20, 21 und 22 bei einer Frequenz
gleich der Differenzfrequenz zwischen dem Licht, das entlang der
beiden Eingangsfasern nach jedem Koppler geleitet wird. Wenn die
Zieloberfläche 6 stationär wäre, dann
würde die
Intensitätsmodulation gleich
der Modulationsfrequenz sein, die vom Signalgenerator 15 an
den Frequenzschieber 14 angelegt wird, aber wenn sich die
Zieloberfläche 6 bewegt
(und dies ist im Falle eines im Flug befindlichen Flugzeuges beispielsweise
der Fall), wird die Intensitätsmodulation
gleich der Differenz zwischen den Frequenzen vom Generator 15 und
der Dopplerverschiebung, die aus der Bewegung der Oberfläche 6 herrührt. In
der Praxis ist es möglich,
die Generatorfrequenz 15 auf die Dopplerfrequenz von der
Oberfläche 6 nachzuführen, so
dass die Intensitätsmodulation
eine annähernd
konstante Frequenz von wenigen Megahertz ist (z.B. 10 MHz).
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Die
intensitätsmodulierten
Ausgänge
der Koppler 20, 21 und 22 werden den
Photodioden 23, 24 bzw. 25 zugeführt, die
modulierte Photoströme
erzeugen, die proportional den Lichtintensitäten sind. Diese Photoströme werden
durch Verstärker 26, 27 und 28 verstärkt, die
Bandpassfilter enthalten, die auf die Intensitätsmodulationsfrequenz zentriert
sind (beispielsweise auf 10 MHz).
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Die
verstärkten
Photoströme,
die aus den Bandpassverstärkern 26, 27 und 28 austreten,
werden Analog-Digital-Wandlern 29, 30 bzw. 31 zugeführt. Die
A/D-Wandler tasten
die Eingangssignale ab und erzeugen digitale Ausgänge gemäß den Zeitsignalen,
die durch den Taktimpulsgenerator 38 erzeugt werden. Die
Ausgänge der
Verstärker 26, 27 und 28 werden über Zeitverzögerungsschaltungen 32, 33 und 34 durchlaufen,
die die Signale um etwa eine viertel Periode der Zentralfrequenz
der Signale von den Verstärkern 26, 27, 28 verzögern. Die
Ausgänge
der Zeitverzögerungsschaltungen
liegen daher etwa um 90° phasenverschoben
zu den Eingängen.
Die Zeitverzögerungssignale
werden den Analog/Digital-Wanderln 35, 36 und 37 zugeführt, die
die zeitverzögerten
Wellenformen gemäß den Zeitsignalen
abtasten, die vom Impulsgenerator 38 geliefert werden.
Der Impulsgenerator 38 erzeugt eine Folge von Abtastimpulsen
geeigneter Frequenz gemäß den Instruktionen
vom Computer 39 (beispielsweise bei einer Frequenz von
10 MHz).
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Die
digitalen Ausgänge
aller A/D-Wandler 29, 30, 32, 35, 36 und 37 werden
dem Computer 39 zugeführt,
der demgemäß sowohl
in Phase befindliche Signalabtastungen als auch um 90° phasenverschobene
Signalabtastungen von jedem der drei optischen Empfänger erhält, die
bei dem Beispiel nach 1 dargestellt sind. Ein Computer 39 führt die
mathematischen Operationen bei diesen Digitaldaten durch.
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Die
in Phase befindlichen Signale und die um 90° phasenverschobenen Signale
repräsentieren
zusammen die komplexe Amplitude der optischen Signale, die von den
Teleskoplinsen 8, 9 und 10 empfangen wurden,
und so repräsentiert
die Größe eines
jeden komplexen Paares (d.h. von den A/D-Konvertern 29/35, 30/36 und 31/37)
die mittlere Signalamplitude von jedem Empfänger, und das Argument repräsentiert
die mittlere Signalphase. Fluktuationen in der Signalphase, die
durch Vibrationsbewegungen der Zieloberfläche 6 verursacht wurden,
bewirken entsprechende Fluktuationen in den Argumenten der komplexen
Signale, die vom Computer 39 empfangen werden, und so muss
der Computer diese Signale in geeigneter Weise verarbeiten, um die
Variationen in den Argumenten zu extrahieren und demgemäß ein Signal
zu erhalten, das der Zielvibration entspricht.
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Jeder
der A/D-Konverter 29, 30, 31, 35, 36, 37 tastet
die Signale regelmäßig in Zeitintervallen τ ab, die durch
eine reguläre
Pulsfolge vom Impulsgenerator 38 bestimmt wird. Das n-te
komplexe Signal von dem m-ten Empfänger kann daher geschrieben
werden als: An,m = A0n,m[cos(ωm + ϕn,m) + j sin(ωm + ϕn,m))
+ Noise = A0n,m exp(j(ωm + ϕn,m))
+ Noise (Gleichung 1)dabei
ist ω die
Winkelfrequenz des Photostroms vom m-ten Empfänger, A0n,m ist
die (reale) Signalamplitude der n-ten Abtastung des m-ten Empfängers und
j = √–1. ϕn,m ist die Phase der n-ten Abtastung des m-ten
Empfängers,
die nicht notwendigerweise für
alle Empfänger
gleich ist, weil das Speckle von der Zieloberfläche 6 zufällige Variationen
in der Phase zwischen den Signalen von einem Empfänger nach
einem anderen verursacht. Der Ausdruck "Noise" in Gleichung 1 repräsentiert die zufälligen elektrischen
Störungen
im Empfänger. Der
Computer 39 ist so programmiert, dass er eine große Zahl
derartiger Abtastungen für
alle Empfänger gleichzeitig
speichert.
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Der
Computer 39 ist so programmiert, dass er jede der Abtastproben
An , m mit
dem komplexen konjugierten Wert der folgenden Abtastprobe An + N , m multipliziert,
wobei N eine feste ganze Zahl ist, die im typischen Fall im Bereich
zwischen 1 und 1000 liegt und ein Ergebnis B0n,m ergibt.
Unter normalen Umständen ändert sich
Amplitude und Phase des Specklemusters relativ langsam im Vergleich
mit der Signalmodulationsfrequenz ω, so dass die Differenz in
der Phase ϕn , m zwischen zwei multiplizierten Proben der
gleichen Signalwellenform nominell sehr klein ist. B0n,m kann
deshalb wie folgt geschrieben werden: B0 n,m = A0n,m exp(j(ωm + ϕn,m)) A0n + N,m exp(–ω(n + N)τ + ϕn+N,m)) + Noise ≅ A0n,m A0n+N,m exp(jωNτ) + Noise (Gleichung 2)
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B0
n,m wird als komplexe Autokovarianz des Probenpaares
A0
n,m und A0
n+N,m bezeichnet.
Das Produkt A0
n,m A0
n
+ N,m ist eine reelle Zahl für alle Probenpaare, die sich
im Wesentlichen mit n und m ändert
wegen der sich zufällig ändernden
Intensität
des Speckles an jedem Empfänger.
Der "Noise"-Ausdruck in Gleichung
2 ist normalerweise klein im Vergleich mit dem Produkt A0
n,m A0
n + N,m, so
dass eine gute Abschätzung
der Signalfrequenz ω normalerweise
von dem Argument von B0
n,m erlangt werden
kann, was etwa gleich ist ωNτ. Das Produkt
A0
n,m A0
n+N,m kann
jedoch gelegentlich sehr klein werden, wenn der Empfänger ein
Minimun des Specklemusters durchläuft, und das Produkt kann gelegentlich
Null werden, und in diesem Fall kann keine zuverlässige Abschätzung der
Dopplerfrequenz vom Argument B0
n,m erlangt
werden. Diese Fehler in der Frequenzabschätzung können weitgehend vermindert
werden, indem alle Produkte von B0
n,m für alle Werte
von m und über
einen begrenzten Bereich von n von p bis p + Q zusammen addiert
werden, wobei Q eine feste ganze Zahl ist, was eine kombinierte
Abschätzung
der Autokovarianz R
P ergibt, wobei
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Infolge
der Summation einer großen
Zahl von Werten von B0
n,m, von denen die
meisten ein gleiches Argument besitzen, überschreitet der erste Ausdruck
in diesem Ausdruck für
R
P weitgehend die Störung, so dass das Argument
von R
P infolgedessen eine gute Abschätzung der
Winkelfrequenz ω
P der Signalmodulation über die folgende Gleichung
ergibt:
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Die
Fehler in der Abschätzung
der Signalfrequenz infolge des Speckle und demgemäß die Veränderungen
in dieser Frequenz infolge von Zielvibrationen werden daher weitgehend
verhindert, indem zunächst die
Autokovarianz der Signale von jedem Empfänger getrennt gemäß der Gleichung
2 erhalten wird und dann die Autokovarianzen aller Empfänger gemäß der Gleichung
3 summiert werden und indem schließlich die Frequenz aus dem
Argument der resultierenden Summierung gemäß der Gleichung 4 erlangt wird.
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Die
Gesamtzahl Q der Impulspaare von jedem Empfänger, die zusammen addiert
werden, wird so gewählt,
dass die Aufzeichnungslänge
Qτ kleiner
ist als die kleinste Vibrationsperiode der Zieloberfläche 6,
und infolgedessen entsprechen Veränderungen in der Winkelfrequenz ωP zu unterschiedlichen Zeiten, die durch verschiedene
Werte der ganzen Zahl p repräsentiert
werden, den Fluktuationen in der Dopplerfrequenz des abgetasteten
Lichtes von der Zieloberfläche 6.
Ein Ausgang 40 vom Computer 39, der die zeitlich
veränderbare Winkelfrequenz ωP entweder in digitaler oder analoger Form
darstellt, repräsentiert
demgemäß die Vibration der
Zieloberfläche 6.
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Demgemäß wird ein
Signal proportional zur Vibrationsgeschwindigkeit des Zieles abgeleitet,
das relativ frei von Specklestörungen
ist.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde Laserlicht
benutzt, jedoch kann auch irgendeine andere geeignete Strahlung
benutzt werden, um die Oberfläche 6 des
fernen Zieles 7 zu bestrahlen.
