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Die
Erfindung betrifft ein Lidarsystem sowie einen Radar, der kontinuierlich
betrieben werden kann. Das gesendete Laser- oder Mikrowellensignal sowie
der die Erfassung ermöglichende
lokale Oszillator werden ausgehend von einer Laserquelle erzeugt,
deren Kohärenzlänge die
Entfernungsauflösung
des Systems bestimmt.
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Die
Leistungen der optoelektronischen Komponenten ermöglichen
heute die Übertragung
von Mikrowellensignalen auf einem optischen Träger bis zu Frequenzen in der
Größenordnung
von 40 GHz. Diese Verbindungen ermöglichen es also, die Gesamtheit
der Frequenzbänder
der Radar- und Gegenmessungssysteme abzudecken. Die Herstellung solcher
Verbindungen mittels Lichtleitfasern ermöglicht die Erzeugung von großen Verzögerungen
praktisch ohne Streuung oder Verzerrung in Höhe der übertragenen Mikrowellensignale.
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Außerdem verläuft die
Erhöhung
der Diskretion der Radarsysteme über
eine Verringerung der gesendeten Spitzenleistung. Die Aufrechterhaltung der
Reichweite des Radars und seiner Entfernungsauflösung verläuft dann über die Ausarbeitung und Verarbeitung
von komplexen Wellenformen.
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Eine
mögliche
Lösung
dieses Problems, die außerdem
zu einem erhöhten
Rauschwiderstand führt,
würde darin
bestehen, einen Rausch-Dauerstrichradar herzustellen. Die Herstellung
eines solchen Radars geht über
die Herstellung von nicht streuenden, rekonfigurierbaren Verzögerungsleitungen,
und insbesondere über
die Herstellung von "Rauschen", das die Radarverarbeitung
korrelieren kann.
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Die
Druckschrift
FR 2 688 900 beschreibt
ein Verfahren, das eine periodische Übermodulation verwendet, die
die normale Codierung überlagert,
um das Schwebungsnutzsignal außerhalb
eines vorausgewählten
Entfernungsfelds verschwinden zu lassen.
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Um
einen Lidar sowie einen Dauerstrichradar herzustellen, wird vorgeschlagen,
die zu sendenden Höchstfrequenzsignale
auf einen schwach kohärenten
optischen Träger
zu übertragen.
Die schwache Kohärenz
der Laserquelle bestimmt die Entfernungsauflösung des Systems.
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Die
Erfindung betrifft also ein Lidarsystem, das einen Laser mit bestimmter
Kohärenzzeit
aufweist, der einen optischen Strahl sowohl zu einem ersten Frequenzübertrager
als auch zu einem zweiten Frequenzübertrager überträgt, wobei der erste Übertrager
zwei erste um mindestens eine bestimmte Frequenz verschobene und
um eine erste bestimmte Zeit, die deutlich über der Kohärenzzeit liegt, zeitverschobene
Strahlen überträgt, wobei
diese Strahlen dazu bestimmt sind, zu einem Ziel übertragen
zu werden, das die Strahlen zu einer ersten Photodiode reflektiert,
die im Austausch ein erstes Schwebungssignal an eine Mischstufe
liefert; wobei der zweite Übertrager
zwei um mindestens eine zweite bestimmte Frequenz verschobene und
um eine zweite bestimmte Zeit, die deutlich über der Kohärenzzeit liegt, zeitverschobene
zweite Strahlen überträgt; wobei
diese zweiten Strahlen an eine optische Verzögerungsleitung übertragen
werden, die die zweiten verzögerten
Strahlen an eine zweite Photodiode liefert, die ein zweites Schwebungssignal
an die Mischstufe liefert, die ein Signal mit auf die Differenz zwischen
der ersten und der zweiten Frequenz zentriertem Frequenzfilter liefert.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Radarsystem, dadurch gekennzeichnet,
dass es einen Laser mit bestimmter Kohärenzzeit aufweist, der einen
optischen Strahl sowohl zu einem ersten Frequenzübertrager als auch zu einem
zweiten Frequenzübertrager überträgt, wobei
der erste Übertrager
zwei erste um mindestens eine bestimmte Frequenz verschobene und um
eine erste bestimmte Zeit, die deutlich über der Kohärenzzeit liegt, zeitverschobene
Strahlen überträgt, wobei
diese Strahlen zu einer dritten Photodiode übertragen werden, die im Austausch
ein Höchstfrequenzsignal
an ein Antennenelement liefert, das es an ein Ziel weiterleitet,
welches das Höchstfrequenzsignal
zu einem Antennenelement reflektiert, das ein erfasstes Signal an
eine Mischstufe liefert; wobei der zweite Übertrager zwei um mindestens eine
zweite bestimmte Frequenz verschobene und um eine zweite bestimmte
Zeit, die deutlich über
der Kohärenzzeit
liegt, zeitverschobene zweite Strahlen überträgt, wobei diese zweiten Strahlen
an eine optische Verzögerungsleitung übertragen
werden, die die zweiten verzögerten
Strahlen an eine zweite Photodiode liefert, die ein Schwebungssignal
an die Mischstufe liefert, die ein Signal mit auf die Differenz zwischen
der ersten und der zweiten Frequenz zentriertem Frequenzfilter liefert.
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Die
verschiedenen Gegenstände
und Merkmale der Erfindung gehen klarer aus der als Beispiel dienenden
Beschreibung und den beiliegenden Figuren hervor. Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Lidars;
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2 ein
Beispiel eines optischen Frequenzschiebers;
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3 ein
Beispiel einer optischen Verzögerungsleitung;
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4 ein
Beispiel eines erfindungsgemäßen Radars;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
einer Verzögerungsleitung.
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Unter
Bezugnahme auf 1 wird zunächst ein Beispiel der Erfindung
in Anwendung auf ein Lidarsystem beschrieben. Die Laserquelle L
liefert einen monochromatischen Strahl, der um eine Frequenz ω zentriert
ist. Diese Laserquelle weist eine Kohärenzlänge l auf, der eine derartige
Kohärenzzeit Δt und eine
derartige spektrale Linienbreite Δν entsprechen,
dass: l = c·Δt = c/Δν
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Dieser
Strahl wird durch den Separator SF zweigeteilt. Ein Teil des Strahls
durchquert dann eine Frequenzübertragungsvorrichtung
T1, die zum Beispiel von einem Mikrowellensignal
mit der Frequenz f erregt wird. Diese Frequenz kann zeitlich variabel sein
oder die Mittenfrequenz eines breiten Spektrums darstellen. Ein
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung T1 ist in 2 dargestellt.
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Gemäß 2 wird
der Laserstrahl in diesem Fall in eine akusto-optische Bragg-Zelle
AO fokussiert, die vom zu übertragenden
Signal f erregt wird. Am Ausgang dieser Zelle AO erhält man also
einen mit der optischen Frequenz ω übertragenen Strahl und einen
mit der Frequenz ω +
2πf gebeugten Strahl.
Dieser gebeugte Strahl wird dann mittels einer Linse L1 in
eine Faser F1 mit einem Index n und einer Länge l1 gekoppelt.
In gleicher Weise wird der übertragene
Strahl in einer Faser F2 mit einem Index n und einer Länge l2 gekoppelt. Die Längendifferenz zwischen den
beiden Fasern erzeugt eine Verzögerung τ zwischen
den beiden Strahlen. Die beiden Fasern werden anschließend mit
einem Koppler verbunden, um einen Zweifrequenzstrahl ω, ω + 2πf zu erhalten.
Wenn τ gering
ist (< 1 ns), können die
Fasern durch eine Ausbreitung im freien Raum ersetzt werden.
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Am
Ausgang von T1 verfügt man also über einen
optischen Strahl, bei dem die beiden elektrischen Felder sich überlagern: E1cos(ωt + ϕ(t)) E2cos[(ω + 2πf)(t – τ) + ϕ(t – τ)]wobei ϕ(t)
die Zufallsphase ist, die die spektrale Linienbreite der Quelle
feststellt. Wenn die Quelle ein Halbleiterlaser ist, sind ϕ(t)
und Δν verbunden
durch: <(ϕ(t
+ t') – ϕ(t))2> =
2π·Δνt'
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Dieser
Zweifrequenzstrahl wird dann von der Photodiode PD1 erfasst,
deren Durchlassband die Erfassung von Signalen mit der Frequenz
f erlaubt. In diesem Fall liefert sie zusätzlich zu einem Photogleichstrom
ein Schwebungssignal: im(t)
= i0cos[2πf(t – τ) – ωτ + ϕ(t – τ) – ϕ(t)]
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Erfindungsgemäß sieht
man vor, dass die Verzögerung τ im Vergleich
mit der Kohärenzzeit Δt groß ist. Das
Signal f ist in das Rauschen ϕ(t – τ) – ϕ(t) eingebettet.
Wie im Artikel von D. DOLFI et al. «Optically controlled true
time delay for phased array antenna», Proc. SPIE, Vol. 1102, Seite
152, 1989 dargelegt wurde, erscheint das Frequenzspektrum des Photostroms
wie die Summe eines Dirac-Impulses mit der Frequenz f und einer
quasi Lorentzfunktion mit einer Breite 2Δν, wenn τ nach Unendlich tendiert.
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Erfindungsgemäß werden
die beiden Fasern und die Quelle L so gewählt, dass die Verzögerungsdifferenz τ deutlich
größer ist
als die Kohärenzzeit Δt. So wird
das stark verrauschte optische Signal mittels eines Breitbandverstärkers AMP
verstärkt,
der seine Eigenschaften wahrt. Der verstärkte Zweifrequenzstrahl wird
durch ein Teleskop TEL1 hindurch in den freien Raum gesendet. Der
Verstärker
ist zum Beispiel ein erbiumdotierter Faserverstärker im Fall eines Betriebs
bei λ =
1,5 μm.
Für andere
Wellenlängen
kann es ein optischer Halbleiterverstärker oder ein Laserverstärker vom
Typ Nd:Yag sein. Der Zweifrequenzstrahl wird von einem Ziel reflektiert,
das sich in einer Entfernung T befindet.
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Die
Erfassung kann über
das gleiche Teleskop, oder, wie in 4 dargestellt, über ein
zweites Teleskop TEL2 erfolgen, das ggf. mit einem optischen Erfassungsvorverstärker PRA
gekoppelt ist. Das von einem Ziel oder einem Transponder reflektierte
Signal wird dann von einem Photodetektor PD1 erfasst.
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Das
reflektierte Signal hat folgende Form: R(t) =
R0cos[2πf(t – T – τ) – ωτ + ϕ[t – T – τ) – ϕ(t – T)]
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Außerdem durchquert
der zweite Teil des vom Laser L stammenden Strahls eine zweite Frequenzübertragungsvorrichtung
T2. Letztere ist von der gleichen Art wie
der Übertrager
T1, arbeitet ebenfalls mit einer Verzögerung τ, wird aber
von einem Signal mit der Frequenz f0 erregt.
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Am
Ausgang des Übertragers
T2 durchquert der Zweifrequenzstrahl eine
variable Verzögerungsleitung
LAR, die zum Beispiel mittels umgeschalteter Lichtleitfasern hergestellt
wird, wie dies in 3 dargestellt ist. Die Verzögerungsleitung
liefert eine maximale Verzögerung
entsprechend der maximalen Reichweite des Lidar mit einer Inkrementgenauigkeit in
der Größenordnung
ihrer Entfernungsauflösung. Wenn
die Verzögerungsleitung
so konfiguriert ist, dass sie die Verzögerung T' liefert, enthält der Zweifrequenzstrahl folgende
Felder: E'1cos[ω(t – T.') + ϕ(t – T')] E'2cos[(ω + 2πf0)(t – T' – τ) + ϕ(t – T' – τ)]
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In
diesem Fall liefert die diesen Strahl erfassende Photodiode PD2 zusätzlich
zu einem Photogleichstrom ein Schwebungssignal: i0L(t) = i0Lcos[2πf0(t – T' – τ) – ωτ + ϕ(t – T' – τ) – ϕ(t – T')]
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Dieses
Signal, das hier die Aufgabe eines lokalen Oszillators übernimmt,
wird dann an die Mischstufe M angelegt, gleichzeitig mit dem von
der Photodiode PD1 empfangenen Signal R(t). Nach dem Durchqueren
eines auf f – f0 zentrierten und mit dem Spektrum des Phasenrauschens ϕ(t)
kompatiblen Frequenzfilters erhält
man (unter der Bedingung, dass die von T1 und
T2 gelieferten Verzögerungen τ gleich sind) (im gegenteiligen
Fall muss ein zusätzlicher
konstanter Phasenterm berücksichtigt
werden) ein Signal proportional zu: i0L·R0·cos[2π(f – f0)(t – τ) – 2πfT + 2πf0T' + ϕ(t – T – τ) – ϕ(t – T' – τ) + ϕ(t – T') – ϕ(t – T)]
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Wenn
[T – T'] > τ und da τ >> Δt, ist der
Beitrag des Rauschens ϕ(t) ausschlaggebend, und das auf
die Frequenz f – f0 zutreffende Signal wird verdeckt.
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Wenn
dagegen T = T',
hat man eine kohärente
Subtraktion der Rauschterme, und das Signal f – f0 wird
wiederhergestellt. Dieses Signal ermöglicht es also, die Entfernung,
in der sich das Ziel befindet, und ggf. seine Geschwindigkeit mit
Hilfe einer geeigneten Doppler-Verarbeitung zu schätzen.
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Damit
es eine kohärente
Subtraktion des Phasenrauschens gibt, ist es notwendig, dass [T – T'] << Δt.
Es ist also die Kohärenzlänge des
Lasers L, die die Entfernungsauflösung dieses Systems bestimmt.
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Dieses
Lidarsystem gründet
also seine Entfernungsauflösung
auf die Kohärenzlänge des
Lasers und ermöglicht
in einem bestimmten Entfernungsfeld die Auswertung der Geschwindigkeit
des Ziels durch Doppler-Analyse.
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Ein
solcher Lidar kann mit optoelektronischen Komponenten hergestellt
werden, die zu erhalten erlauben:
- • f ≃ 100 MHz
bis 3 GHz
- • f – f0 einige MHz bis einige 10 MHz
- • Δν ≃ 1 GHz bis
100 GHz für
ein äußerst genaues Telemeter
(Oberflächenvibrationsanalyse
zum Beispiel mittels einer Elektrolumineszenzdiode mit sehr geringer
Kohärenzlänge).
- • l ≃ 0,3 m
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4 stellt
ein Beispiel eines Radars dar, der das Lidarsystem der 1 anwendet.
Bei diesem Radar wird der vom Übertrager
T gelieferte Zweifrequenzstrahl an eine Photodiode PD3 übertragen,
die ein Schwebungssignal sendet, das über die Antenne ANT an ein
Entfernungsziel übertragen
wird.
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Das
vom Ziel reflektierte Signal wird von der Antenne empfangen und
vom Zirkulator C und vom Verstärker
AMR an die Mischstufe M übertragen.
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Außerdem wird
der vom Übertrager
T2 und der optischen Verzögerungsleitung
gelieferte Zweifrequenzstrahl F zur Photodiode PD2 übertragen,
die ein Schwebungssignal an die Mischstufe M liefert. Wie im Fall
des Lidar liefert die Mischstufe ein Signal an das auf die Frequenz
f – f0 zentrierte Frequenzfilter.
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Die
Werte der Frequenzen und Verzögerungen
der Übertrager
T1 und T2 können
wie oben für den
Fall des Lidar beschrieben gewählt
werden.
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Als
Beispiel kann ein solcher Radar optoelektronische Komponenten haben,
die zu erhalten ermöglichen:
f
= 3 GHz
f – f0 = einige 10 MHz
Δν = 1 GHz
l = 0,3 m
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Die
Erfindung kann bei einem Kommunikationssystem angewendet werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann nämlich so verändert werden,
dass sie zu einem diskreten Kommunikationssystem wird. In diesem
Fall wird das Ziel durch ein zusammenwirkendes Ziel ersetzt, das
mit einem Transponder versehen ist, der in der Lage ist, das empfangene
Signal zu übermodulieren.
In diesem Fall trägt
das in Höhe der
Antenne empfangene Signal eine Information. Das Phasenrauschen des
Lasers ermöglicht
es dann, den abgefragten Transponder in Abhängigkeit von seiner Entfernung
(Entfernungsauflösung)
zu wählen
und so den Störsignalen
zu entgehen, die einen anderen Standort haben. Außerdem kann
das Signal, selbst wenn es abgefangen wird, nicht decodiert werden,
wenn man nicht in der Lage ist, das Rauschen des Lasers oder des
Lidars in Echtzeit zu synthetisieren.
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Diese
Variante beschreibt eine alternative Lösung zur Herstellung der Leitung
mit variablen Verzögerungen,
die für
den Betrieb der vorgeschlagenen Vorrichtung (Lidar oder Radar) notwendig
ist. Des Betriebsprinzip dieser Verzögerungsleitung ist in 5 dargestellt.
Der vom Übertrager
T2 der 4 stammende Laserstrahl wird von der Photodiode
PD2 erfasst. Letztere liefert dann das oben
beschriebene verrauschte Signal. Dieses kann ggf. von einem Filter FT
gefiltert werden, und wird dann verstärkt (Verstärker A) und an eine akusto-optische Bragg-Zelle
AO2 angelegt. Außerdem
wird der von einem zweiten Laser L2 stammende
Strahl in AO2 fokussiert, nachdem er ein Ablenkungssystem D (zum
Beispiel einen akusto-optischen Deflektor) durchquert hat. Letzterer ermöglicht es,
die Position des von L2 stammenden Strahls
in der Zelle AO2 einzustellen. Man kann so die Ausbreitungszeit
der akustischen Welle, die das von PD2' stammende Signal reproduziert, vom Übertrager
von AO2 bis zum Fokussierpunkt prüfen. Jede in diesem verstärkten elektrischen
Signal enthaltene Frequenz beugt einen Teil des Strahls von L2. Die Gesamtheit dieser Strahlen wird anschließend in
einer Monomode-Faser F gekoppelt, deren Länge in Abhängigkeit vom Bereich der vom
Telemeter zu verarbeitenden Entfernungen gewählt wird. Sie gewährleistet
außerdem
die Überlagerung
der Frequenzkomponenten des von AO stammenden Strahls. Die Erfassung
dieses Mehrfrequenzstrahls durch PD2 stellt
eine verzögerte
Antwort des von PD'2 stammenden Signals wieder her.
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Unter
Berücksichtigung
der Leistungen der akusto-optischen
Komponenten kann man zum Beispiel in TeO2 in
Betracht ziehen, eine Leitung mit variablen Verzögerungen von Tmax =
5 μs und
mit einer Auflösung
in einer Größenordnung
von 2 bis 5 ns anzuordnen, was einer Entfernungspräzision in
der Größenordnung
von einem Meter entspricht.
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Die
Erzeugung des Höchstfrequenzsignals
f und diejenige des Rauschens/Codierens ϕ(t) sind unabhängig. So
können
der Mikrowellensynthetisierer und der Laser getrennt optimiert werden.
Ein kontinuierlicher Betrieb, und somit mit geringem Leistungspegel,
ist möglich.
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Der
beschriebe Betrieb, der auf der Korrelation des vom Ziel reflektierten
Signals und einer verzögerten
Tastprobe des gesendeten Signals beruht, ermöglicht es, sich mit einem Synthetisierer
zufrieden zu geben, dessen Leistungen bezüglich der spektralen Reinheit
verschlechtert sind.