SE457668B - Anordning foer att med pulsad laser detektera, avstaandsmaeta och avbilda foeremaal som aer dolda i ett genom ljusspridning daempande medium - Google Patents

Description

A'- 10 15 20 25 30 35 00 457 ses 2 sitt inhomogena tidsmässíga förlopp alstrar signaler är svåra att särskilja från màlytans ekosignaler.

Uppfinningen har till uppgift att väsentligt förbättra detekteringssannolikhet samt undertryckningen av felalarm- sannolikheten i avsökande laser-radar-system, till exempel det system, som används för U-båtssökande från flygplan eller för målsökning'i kraftigt fördunklad atmosfär vid marken , som ofta , och nande del föreslagna anordningen. påvisas fördelaktiga vidareutveckl förklaras ett utföringsexempel, pletterar beskrivningen.

I de osjälvstândiga kraven ingar och i beskrivningen där ritningsfigurerna kom- Fig la visar ett diagram för spridningssignalerna från medium och föremàl.~ ' fördröjda signalen. _ Fig 4b visar ett diagram för tidsförloppet hos kvoten mel- lan tidsfördröjd och direkt signal.

V Fig 5 visar ett blockschema för si subtraktion av den Optiska bak signalen. gnalutvärderingsenheten grunden från informations- För att klargöra funktionssät tet För förfarandet vid an- ing av den nya anordaingen sa mt dess fördelar i vändn förhållande -radar-system från såsom exempelvis åskådliggöres i Fíg 1b. som är betecknad såsom t = o, ett grumligt Vid tidpunkten to, detekteras början av återspridnings- a av lasersändarens korta puls från mediet (havsyta, medium, avgränsningen för det grumliga dímbank) av laser- v'- 10 15 20 25 30 3 457 668 mottagaren. Under tiden för pulsens inpassering i mediet ökar signalen på grund av återspridningen från mediet kontinuerligt upp till ett maximum, där pulsen nu har ínpasserat helt i mediet. Vid det fortsatta tidsförloppet avtar signalen exponentiellt med tiden eller - Y C't S (t) ~ e (1) där F»uttrycker mediets dämpningskoefficienter och C' ljus- hastigheten i mediet. Vid tidpunkten (sett från mottagaren) har pulsstigkanten nått det föremål pà djupet D, där två saker sker vid det fortsatta tidsförloppet: för det första avtar återspridningen från mediet inom en tid, som motsvarar puls- bredden t, till noll (se fig la) och för det andra reflekterar eller sprider föremålets yta en del av pulsenergin tillbaka, varvid denna signal under tiden har exakt samma form som den utsända pulsen, såsom visas i fig la. De båda signaländringar- na ger tillsammans förlopnet enligt fig lb. "_ Smedium(T n) = ffs-rm ercw* _ _ (z) (un) ”f” L Ü í(tD) = Sobjekt varvid FCK) betecknar återspridníngskoeffícienten och p re- flexionsgraden hos föremålet., En analytisk utvärdering av detta förhållande genom in- förande av kända data beträffande B(fl) och F för olika slag av grumlíga medier ger att signaländringen för àtersprídning- en blir signifikant högre än föremålreflexen i medier med en dämpning r¿ 0,1 1151, ett förhållande garn/tyvär* øch en pulslängd t,íS ns. Här skall observeras att reflexen från ett föremål mestadels sprids isotropt i alla rumsriktningar, varvid endast en ringa andel när till mottagarens synfält förutom vid mediets återspridning, som mestadels uppvisar en utpräglad strållob i tillbakariktningen med en öppningsvinkel av endast någon grad, varvid den motsvarande höga andelen spridningsljus hos mediet faller i mottagarens synfält.

En jämförelse med kända data för grumligt havsvatten och artíficiell dimma (i militärt omrâde) visar att detta förhål- 10 15 20 25 30 SS 40 457 668 4 lande vid våglängder inom området för vad nära infrarött tydligt ligger över 1. typiska data för kustvatt som är synligt och Såsom exempel kan en 1 ostersjön med r = o,zs'1 och ß(U) = 10_1m-1 sr'1 anföras. Vid en pulslängd hos laser av t* = 30 ns och en reflexionsgrad hos det sökta föremålet av p = 0,1 blir ED = 33.

Detta resultat visar klart att det är möjligt att genom utnyttjande av relativt långa laserpulser och en sígnalut- värderingsanordníng, som är utformad för att detektera signal- ändringen under tidsperioder, vilka motsvarar laserpulsens längd, är möjligt att erhålla betydligt tydligare signalekon från föremål än med kort-puls-förfaranden.

Det är uppenbart att denna förbättring av föremålsdetekte- ringen sker på bekostnad av noggrannheten hos distansbestäm- ningen mellan föremål och mottagare, mot laserpulslängden. äter erhållas genom medelvärdesbestämning av ett antal enskilda mätningar under en pulsföljd. vilken är proportionell Emellertid kan dístansnoggrannheten här Eftersom de vanliga signalutvärderingsanordningarna är ut- formade för användníng av så korta pulser som möjligt med hög toppeffekt och kortvariga föremålsreflexer föreslås en anord- ning, som är optimalt anpassad till den ovan beskrivna detek- teringen av de relativt långa spridningssignalerna. Uver- raskande nog kan detta åstadkommas på enkelt sätt genom bildan- de av kvoten mellan den tidsförskjutna signalen och den direkta mätsignalen, varvid tidsfördröjningen måste anpassas till mediets dämpningsvärden och laserns pulslängd.

Enklast kan detta nya förfarande belysas vid jämförelsen med det vanliga förfarandet.

På grund av den höga signaldynamiken hos mottagningssig- nalerna högregleras vanligtvis signalförstärkningen enligt strålningen för en laserpuls från ett lågt värde till allt högre värden såsom funktion av pulslöptíden. Denna operation utföres vanligtvis med hjälp av en förstärkare med en logaritmisk karakteristisk kurva, vilket innebär att den naturliga logaritmen log S(t) bildas av den tidsberoende tids- signalen S(t). Genom denna operation linearíseras den ur- sprungliga i det spridande mediet exponentiellt avtagande signalen. Av minskningen e'rc' uppkommer sålunda -fC't.

För att nu detektera reflexen eller den snabba dämpningen av 10 15 20 25 30 35 5 457 668 signalen vid föremålet differentieras signalen dessutom, var- vid signalen från det spridande mediet antar ett linjärt för- lopp men däremot vid ett föremål uppvisar en transient, såsom visas i fíg 2.

Av formeln dlog S(1;) = s!(1:) - t šltí framgår att den resulterande signalen representerar den normali- serade tidsderivatan av mottagningssignalen (dvs signalkurvans momentana lutning). Sígnalstörningen från föremålet detekteras slutligen genom registrering av nollgenomgången eller signalens höjning över en fast signaldískrimineringsnivà. (3) Det är uppenbart att detta slag av signalutvärdering lämpar sig för detektering av snabba signaländringar, dvs sig- nalökning eller -minskning, men att den reagerar nästan in- different på relativt långsamma ändringar i signalförloppet.

Betraktar man nu det vanliga signalförloppet vid föremålet i det kraftigt spridande mediet, såsom visas i fíg lb, så läg- ger man märke till att ändringen i signalkurvans'lbtning í det ögonblick, då den stigande pulsflanken träffar föremålet, är relativt obetydlig i förhållande till ändringen under den fallande flankens sammanträffande med ytan, där signalen minskar från toppvärdet till noll. Detta betyder att huvudsak- ligen laserpulsens fallande flank gör sig gällande vid det ovan beskrivna signalutvärderingsförfarandet och att det väsentligen kommer an på att detta fall sker så kort som möj- ligt resp att pulsens toppeffekt är så hög som möjligt.

På grund av effektbalansen är detta förhållande emeller- tid otillfredsställande, ty endast hälften av laserpulsen kommer till nytta i den användbara mottagningssignalen. En ytterligare nackdel med förfarandet är att det reagerar för alla kortvariga signaländríngar och att därmed, vid minsta in- homogeniteter i spridningen på vägen till föremålet, ytter- ligare störsignaler detekteras, vilka endast dåligt kan sär- skiljas från föremålssignalen.

För att eliminera dessa nackdelar, dvs för att med andra ord göra hela andelen av signalen så utvärderbar som möjligt, vid samtidig obetydlig störningssannolíkhct föreslås i sam- 10 15 20 25 30 35 457 668 ' 6 band med uppfinningen en signalutvärderíngsanordning, såsom visas i fíg 3. Detektorns 11 signal styrs först på vanligt sätt via en log-förstärkare 12. Därefter ledes den i två signal- grenar, varvid signalen i den ena grenen passera signalfördröjningsanordning 13 stämd fördröjning At i förhål i den andra grenen. De båda si subtraheras nu från varandra m 14. r genom en , så att den erhåller en be- lande till den direkta signalen gnalerna- log S(t+At) och log S(t) ed en differentialförstärkare lles logaritmen för kvoten mel- om den efterföljande omvänd- örstärkare 15 kvoten: Genom denna operation erhå lan de båda signalerna och gen ningsfunktionen hos en amilogf att) = lQg-ïlgg .= (4) S(t+ At) Sfti Den direkta och tidsfördröjda signalen visas samtidigt i fig 4a och deras förhållande â(t) i fig 4b. Såsom framgår av fig 4b ökar iít) från noll via 1 (där de båda signalerna korsar varandra) till ett konstant värde erC'At innan laser- pulsen träffar föremålets yta.

Inom den tidsperiod, varvid laserpulsen träffar föremålets yta, uppkommer i allmänhet först en lätt ökning av den direkta signalen på grund av den ytterligare andelen av föremål ningen. Inom samma tidsperiod avtar emellertid dessutom tídsfördrüjda signalen, ssprid- den vilket innebär att förhållandet ökar Vid det fortsatta förloppet avtar båda sig- nalerna till noll och förhållandet till 1.

Om tídsfördröjningen ot nu väljs på sådant sätt är ungefär lika med pulslängden t den totala ändringen av signalen till ett maximum. , att den *, så är det uppenbart att vid föremålet verkar på kvotens transient. För att fastställa en referenstídpunkt, varvid pulsen träffar föremålet, kan alla vanliga förfaranden användas samt signal-maximum-detektering, pulshöjd, dis- kriminering, puls-tyngdpunkt-bestämning etc.

En verklig jämförelse av detta förfarande med metoden ovan erhålles om man bortser från förhållandet i(t) 1 inte stör signalkurvförloppetz _ 5(t ot) _ S(t+at) -S(t) .em-z _ *tg-w- t , vilket (S) Av detta uttrvck framgår att kurvförloppet representerar den normaliserade signalskillnaden mellan den tidsfördröjda och 10 15 20 ZS 457 668 7 den direkta signalen, varvid den normaliserade derivatan kan härledas från det ovanstående genom: lim 6 - S'( ) At-»o E? :ÉTÉT (6) Den väsentliga fördelen med detta förfarande i förhållande till de vanliga metoderna är nu att förfarandet kan användas med en riktig inställning av tidsfördröjningen såväl för korta som för långa pulser, varvid den totala sígnaländringen ut- nyttjas genom föremálreflex och fastställande av ätersprid- ningen i mediet. En ytterligare fördel är att sígnal-störníng- ar genom ínhomogeniteter i det spridande mediet kan faststäl- las genom en riktig anpassning av tidsfördröjningen At.

Liksom vid alla laser-fjärrmät-förfaranden för användning på dagen i atmosfären störs detta förfarande också av denna bakgrund. Uppfinningen åstadkommer därför en effektiv optisk undertryckning av bakgrunden genom ínterferensfilter med ett spärrområde utanför laservàglängden. Därutöver åstadkommas en elektronisk elimineríng av bakgrundsnivän genom en signal- subtraktionsanordning, såsom visas i fig 5. - _ Med denna koppling placeras mellantidsrymderna mellan bak- grundsstrålningens mätperioder och bakgrundens signalström ästadkommes via en fördröjningsledning 17 från mätsígnalen hos den följande mätperíoden 16, 18. För att alternativt inkoppla den ena eller den andra mätledningen ástadkommes mellankoppling mellan den fotoelektriska mottagaren 11 och log-förstärkaren 12 - visat med A och B i fig 3. Den tídsmässiga styrningen av lasern och analog-omkopplarna 16, 18 kommer att ske via en gemensam taktgivare. Med T'betecknas fördröjníngen mellan mät- ning av bakgrundssígnal och användbar signal och med 19 den dífferentialförstärkare 10, som subtrnherar signalen från puls och bakgrund.

Claims (3)

457 668 s Patentkrav

1. - Anordning för att detektera, föremål, av att den mottagna âterspridníngs- signalen från en fotoelektrisk mottagare (11) såsom tidsupplöst dïffBrBflfií8lfÖrSfiärk8r8 (14), som bildar skillnaden mellan de båda logaritmerade signaler av en wfiilflg-Förstärkare (15) ' båda signalerna.

2. Anordning enligt kravet 1, ogomkopplare i tvâ signal- ) sänds vidare inom ett ningspulsen genom en signalfördröj ningsledníng (Ti) som är utformad, att de båda signalerna, pulssignal och bakgrund, , som ínledes genom! pplaren (18), kan sub- traheras från varandra med hjälp av stärkare (19). i tidsperioden För den pulsmätning styrningen av den andra analogomko -en differentialför-

3. Anordning enligt kravet 1 eller 2, t e c k n a d av att ett ínterfe område utanför laservåglän k ä n n e- rensfilter med spärr- gden är anordnat att undertrycka bakgrundssignalen.