DE2321118A1

DE2321118A1 - Sende-empfangs-anlage fuer kohaerentes licht

Info

Publication number: DE2321118A1
Application number: DE2321118A
Authority: DE
Inventors: Thomas R O'meara
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-26
Publication date: 1973-11-22
Also published as: JPS5630980B2; DE2321118C3; JPS4949556A; IL42054A0; US3764213A; FR2183920A1; FR2183920B1; DE2321118B2; GB1362155A; SE388700B; IL42054A; IT984914B

Description

232Ί118

Anmelder; Stuttgart, 18. April 1973

Hughes Aircraft Company P 2719 S/r.u Centinela Avenue and

Teale Street

Culver City, Calif., V. St. A.

Sende-Empfangs-Anlage für kohärentes Licht

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sende-Empfangs-Anlage mit einem Lasersender zur Erzeugung eines Strahles kohärenten Lichtes, einem Fernrohr zum Ausrichten des Strahles auf ein Ziel, mehreren zwischen dem Lasersender und dem Fernrohr angeordneten parallelen optischen Pfaden, die alle bis auf höchstens einen elektronisch steuerbare optische Phasenschieber enthalten, denen von einer Modulationseinrichtung Treibersignale unterschiedlicher

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Frequenz zugeführt werden, einer optischen Einrichtung zum Empfang und zur Umwandlung eines Teiles des vom Ziel reflektierten Lichtes in elektrische Signale und einer Steuereinrichtung, die in Abhängigkeit von den ihr zugeführten elektrischen Signalen die mittlere Phasenlage jedes Phasenschiebers derart einstellt, daß das Ziel von einem maximalen Anteil des ausgesendeten Lichtes getroffen wird.

Eine solche Sende-Empfangs-Anlage wurde in der älteren Patentanmeldung P 21 57 4-85.6 vorgeschlagen. Bei der vorgeschlagenen Sende-Empfangs-Anlage weist das vom Ziel reflektierte Licht eine der aufgeprägten Phasenmodulation entsprechende Amplitudenmodulation auf, wenn die Phasenlage des Anteils des Strahles des kohärenten Lichtes im Ziel von der Sollphasenlage abweicht, und es wird die mittlere Phasenlage mittels Phasenschieber derart eingestellt, daß die Amplitudenmodulation der entsprechenden Anteile des empfangenen Lichtes mit der Frequenz der Phasenmodulation zu 0 wird.

Bei der vorgeschlagenen Sende-Empfangs-Anlage schließt die Rückkopplungsschleife, die zur Erzeugung der Steuersignale für die Phasenschieber dient, den Signalweg hin zum Ziel und zurück vom Ziel ein. Daher arbeitet die vorgeschlagene Anlage zwar in all den Fällen gut, in denen sich die atmosphärischen Zustände in Bezug auf die Signallaufzeit nur langsam ändern, jedoch gibt es manche Anwendungen für solche Sende-Empfangs-Anlagen mit extrem weit entfernten Zielen, bei denen das Gegenteil der Fäll ist. Insbesondere können auch die atmosphärischen Zustände

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dadurch sehr schnelle änderungen erfahren, daß eine schnelle Strahlschwenkung stattfindet oder die Strahlungsquelle oder das Ziel Turbulenzen erzeugt. Daher können, wenn die vorgeschlagene Sende-Empfangs-Anlage für solche Zwecke angewendet wird, die zur Steuerung der Phasenlage des ausgesendeten Signals dienenden Steuersignale zu spät kommen, um die jeweils herrschenden atmosphärischen Bedingungen zu korrigieren,

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorgeschlagene Sende-Empfangs-Anlage derart weiterzubilden, daß sie auch für Anwendungen geeignet ist, bei denen sich die Ziele in sehr großen Entfernungen befinden.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Empfangseinrichtung die zwischen Lasersender und Fernrohr angeordneten optischen Pfade mit den Phasenschiebern umfaßt, so daß dem Strahl des empfangenen Lichtes eine räumliche Modulation erteilt wird, daß die Empfangseinrichtung weiterhin eine Bildebene aufweist, in der eine Blende mit einer kleinen Öffnung angeordnet ist, daii hinter der Öffnung ein die elektrischen Signale erzeugender Detektor angeordnet ist, der für die Intensität der die öffnung der Blende passierenden, durch die Phasenmodulation gekennzeichneten Anteile der empfangenen Energie charakteristisch ist, und daß die Steuereinrichtung die mittlere Phasenlage der Phasenschieber derart einstellt, daß das fokussierte Bild auf die Öffnung der Blende zentriert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Sende-Empfangs-Anlage wird also

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das von dem Empfangssignal abgeleitete Steuersignal dazu benutzt, die Phasenschieber so zu verstellen, daß das Empfangssignal optimalen Bedingungen gehorcht. Da bei der erfindungsgemäßen Anlage das Steuersignal nicht die Phasenfehler des ausgesendeten Signals, sondern des empfangenen Signals korrigiert, enthält die Rückkopplungsschleife nicht den Signalweg zum und vom Ziel, so daß die Rückkopplungsschleife sehr s-chnell arbeiten und daher auch auf sich sehr schnell ändernde atmosphärische Bedingungen ansprechen kann.

Bei d.er erfindungsgemäßen Sende-Empfangs-Anlage handelt es sich also um ein System, bei dem die relative Phasenlage einer Vielzahl von Teilstrahlen eines Sendestrahles "so eingestellt wird, daß die abgestrahlte Energie am Ziel ein Maximum erreicht. Zu diesem Zweck wird die empfangene Energie in ausgewählten Teilstrahlen zugeordneten Kanälen mit verschiedenen Frequenzen oder mit Signalen verschiedener Form phasenmoduliert und dann durch die öffnung der in der Bildebene angeordneten Blende auf einen Detektor fokussiert. Die Öffnung der Blende hat etwa die Größe eines Beugungsscheibchens in der Bildebene und es erzeugt die Phasenmodulation der empfangenen Energie eine räumliche Modulation des empfangenen Strahls in Bezug auf die Blendenöffnung. Auf diese Weise werden im Ausgangssignal des Detektors Modulationskomponenten erzeugt, die für die relativen Phasenfehler charakteristisch sind, die jedem der Teilstrahlkanäle zugeordnet sind. Da die in jedem der Teilstrahlkanäle empfangene Energie ein Zeichen trägt, beispielsweise ihre Modulationsfrequenz, ist eine Trennung der Modulationskomponenten in Steuersignale möglich, von

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denen jedes genau einem Teilstrahlkanal zugeordnet ist. Diese Modulationskomponenten werden dann dazu benutzt, die veränderbaren Phasenschieber zu steuern, die in dem gemeinsamen Sende- und Empfangspfad der ausgewählten Teilstrahlkanäle angeordnet sind, so daß aas empfangene fokussierte Bild in der Öffnung der Blende zentriert und die Bildspreizung auf ein Minimum reduziert Wird. Da auch die ausgesendete Energie die veränderbaren Phasenschieber passiert, werden auf diese Weise auch Phasenfehler des ausgesendeten Signals korrigiert, die durch Störungen bedingt sind, die an dem empfangenen Signal festgestellt wurden, und es wird daher auch dem Ziel eine maximale Energie zugeführt.

V/eitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Sende-Empfangs-Anlage nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Zeitdiagramm von Signalspannungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtungen zur Signalverarbeitung der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Intensitätsverteilung der empfangenen Energie in der Bildebene der Anlage nach Fig. 1,

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Fig. 4- ein Diagramm des Phasenmodulationssignals für einen ausgewählten Teilstrahlkanal und des aufgrund der Phasenmodulation erhaltenen Ausgangssignals des Detektors zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 5 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Teiles der Anlage nach Fig. 1 und

Fig. 6 und 6a ein Blockschaltbild einer zweiten Sende-Empfangs-Anlage nach der Erfindung, die eine zusätzliche Einrichtung zum Suchen und' Auffassen eines Zieles*enthält.

Die Sende-Empfangs-Anlage nach Fig. 1 we'ist einen Lasersender 10 auf, der einen Ausgangs-Energieimpuls liefert, .der,durch eine Linse 12 geformt, an einem Strahlteiler 14-reflektiert, von einer Linse 16 gesammelt und dann Teilstrahlkanälen 18, 20 und 22 zugeführt wird. Der Lasersender 10 wird durch einen Triggerimpuls t ausgelöst, der von einem nicht dargestellten Steuergerät geliefert wird.

Die Teilstrahlkanäle 18, 20 und 22 enthalten jeweils "einen elektronisch steuerbaren Phasenschieber 24- bzw. 26 bzw. 28. Die Gruppe der Phasenschieber ist mit 30 bezeichnet. Um der Einfachheit der Darstellung willen sind nur drei Teilstrahlkanäle· dargestellt, von denen der Teilstrahlkanal 18 als Bezugskanal dient und die Teilstrahlkanäle 20 und 22 gesteuert sind. Es versteht sich jedoch, daß in typischen Systemen Hunderte solcher gesteuerter Teilstrahlkanäle vorhanden sein können. Der Phasenschieber 24- in dem Bezugskanal 18 ist nicht elektronisch

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gesteuert, sondern nur vorgesehen, um alle Teilstrahlkanäle gleich auszubilden und dadurch Phasenänderungen zwischen den verschiedenen Kanälen zu reduzieren, die beispielsweise auf Temperatureffekte zurückgeführt werden können.

Die elektronisch steuerbaren Phasenschieber können eine zweidimensionale Gruppe aus elektrooptischen Stäben bilden, von· denen jeder Stab in einem Teilstrahlkanal angeordnet ist. Die elektrooptischen Stäbe können dann beispielsweise aus Cadmiumtellurid bestehen. Bei einer mit einer Wellenlänge von 3,5/Um arbeitenden Anlage würden Stäbe von etwa 2 cm Länge bei Anlegen einer Spannung von etwa 750 V eine Phasenverschiebung von 180° bewirken. Stattdessen könnten die elektronisch steuerbaren Phasenschieber in bekannter Weise auch durch elektromechanisch angetriebene Spiegelanordnungen gebildet werden.

Die Ausgangsstrahlen der Phasenschiebergruppe 30 werden entsprechenden Teilstrahlabschnitten eines Fernrohrs 32 zugeführt, bei dem es sich um ein Cassegrain-Teleskop handeln kann, und dann auf ein Ziel 34- abgestrahlt.

Bin Teil der vom Ziel 3^- reflektierten Energie wird von dem Fernrohr 32 wieder empfangen und durch die Phasenschiebergruppe 30 weitergeleitet. Während des Empfangsbetriebs wird jedoch allen Phasenschiebern der Gruppe 30, bis auf einen Phasenschieber, eine Phasenmodulation zugeführt, und es wird jeder Phasenschieber mit einer deutlich anderen Frequenz oder einem Signal deutlich anderer Form betrieben. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anlage

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erzeugt ein Oszillator 36 eine Spannung mit einer Frequenz <o s. _Λ die über ein Tor 38 dem Phasenschieber 28 zugeführt wird. Entsprechend erzeugt ein Oszillator 40 eine Spannung mit einer Frequenz cü o* die über ein Tor 42 dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 zugeführt wird. Die Tore 38 und 4-2 werden von einem Entfernungstorsignal so gesteuert, daß die zur Phasenmodulation dienenden Treibersignale, die im folgenden auch als ω ^- und üjp-Signale bezeichnet werden, nur während der voraussichtlichen Empfangsperiode für das vom Ziel 34- reflektierte Signal zugeführt werden. Das Entfernungstorsignal EG wird von einem nicht näher dargestellten Entfernungsmeßteil der Anlage geliefert. Obwohl es nicht unbedingt erforderlich ist, daß die Ausgangssignale der Oszillatoren 36 und 4-0 durch ein Entfernungstorsignal gesteuert werden, ist es bei Weitbereichsystemen vorteilhaft, wenn die Modulations-Treibersignale den elektronisch steuerbaren Phasenschiebern nicht während der Sendeperiode zugeführt werden. Die Amplitude der GJ ^- und o^-Signale wird so gewählt, daß die durch die Phasenschieber 28 und 26 übertragenen Teilstrahlen mit geringem Index phasenmoduliert werden, beispielsweise mit +30 bis +60°.

Während des Empfangsbetriebs durchlaufen die Ausgangssignale der Phasenschiebergruppe 30 die Linse 16 und den Strahlteiler 14. Der Teil dieser Signale, der durch die Öffnung 44- einer sich in der Bildebene befindenden Blende 46 hindurchtritt, fällt auf einen Detektor 48. Die Öffnung 44 hat etwa die Größe einer Beugungsscheibe oder eines beugungsbegrenzten Punktes des freien Raumes, der in die Ebene der Blende 46 abgebildet wird»

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Fig. 3 veranschaulicht die Intensität der empfangenen Energie in der Ebene der Blende 46 bei verschiedenen Phasenbeziehungen des empfangenen Signals. Um die Behandlung der Fig. 3 zu vereinfachen, sei angenommen, daß nur die durch die Teilstrahlkanäle 18 und 22 passierende Energie im Spiel ist. Dabei wird das Signal des Teilstrahlkanals 18-als das Bezugssignal und das Signal des Kanals 22 als modulierter oder gekennzeichneter Teil des in der Ebene 46 erzeugten Bildes betrachtet. Es versteht sich jedoch, daß bei einer verwirklichten Anlage nach der Erfindung jede beliebige Anzahl von modulierten Teilstrahlkanälen gleichzeitig verarbeitet werden kann.

Die in Fig. 5 dargestellte Kurvenschar 48 veranschaulicht die Intensitätsverteilung des Bildes in der Ebene 46 bei verschiedenen Phasenbeziehungen des das Bild erzeugenden Signals. Die Kurve 50 in Fig. 4 veranschaulicht die Modulationsspannung ω ^, die dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 28 des Teilgruppenkanals 22 zugeführt wird. Zur Zeit t in Bezug auf die Modulationsspannung gibt die Intensitätsverteilungskurve t der Kurvenschar 48 den Phasenzustand an, bei dem das Bild zu Beginn gegenüber der Öffnung 44 nach links versetzt ist. Wenn eine positive Modulationsspannung, die der Phasenschiebergruppe 30 zugeführt wird, die Wirkung hat, daß das Bild in Fig. 3 nach rechts verschoben wird, dann wird während der ersten Halbperiode des Modulationssignals ω . das Bild so verschoben, daß die öffnung 44 mehr Energie passiert. Das Snergiemaximum erscheint zur Zeit t^,. Die Beziehung des Bildes zur öffnung 44 zur Zeit t^ ist durch die Intensitätsverteilungskurve t^ der Kurvenschar 48 angegeben.

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Entsprechend wird wäiirend der zweiten Halbperiode des Signals u) ^ das Bild nach links verschoben. Die maximale Verschiebung zur Zeit t, ist durch die Intensitätsverteilungskurve t^ der Kurvenschar 4-8 in Fig. 3 angegeben.

Die Größe des Ausgangssignals des Detektors; 48, die den gerade beschriebenen und durch die Kurvenschar 48 in Fig. 3 wiedergegebenen Phasenverhältnissen entspricht, ist durch die Kurve 52 in Fig. 4 wiedergegeben/Es ist ersichtlich, daß die Intensität des Ausgangs.signals zunimmt, bis die positive Auswanderung des Bildes zur Zeit t^. erreicht ist, und dann das Ausgangssignal an Intensität abnimmt, bis es kurz hinter der Zeit t~ einen Wert von nahezu 0 annimmt.

Die Situation, die sich einstellt, wenn das Bild ursprünglich, also ohne Phasenmodulation, gegenüber der öffnung 44 nach rechts verschoben ist, wird durch die Kurvenschar 54 in Fig. 3 wiedergegeben. Das zugeordnete Ausgangssignal des Detektors 48 zeigt die Kurve 56 in Fig. 4. Wie die Kurvenschar 5^ in Fig. 3 zeigt, wird das Bild von seiner rechts der Öffnung 44 gelegenen Stelle zur Zeit t während der positiven Halbperiode der Modulationsspannung co ^ bis zu einer maximalen Lage zur Zeit t. nach rechts verschoben. Während der negativen Halbperiode der Modulationsspannung CJ y, wird das Bild nach links verschoben und erreicht seine Extremstellung in dieser Richtung zu der Zeit tv.

Aus den Kurven 52 und 56 in Fig. 4 ist ersichtlich, daß das durch diese beiden Kurven wiedergegebene Signal einen

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sehr hohen Energieanteil mit der Modulationsfrequenz ω ^ aufweist. Dabei ist dieser Energieanteil des Signals 52 mit dem Modulationssignal in Phase, wogegen der entsprechende Energieanteil des Signals 56 zu dem Modulationssignal gegenphasig ist.

Die Kurve t der in Pig. 3 dargestellten Kurvenschar 58 veranschaulicht die Situation, wenn ursprünglich, also ohne Phasenmodulation, das Bild in der Ebene 46 fokussiert und infolgedessen zur Öffnung 44 zentriert ist. Es ist dann eine schmale Intensitätsverteilung mit ausgeprägtem Maximum vorhanden. Während der positiven Halbperiode des Modulationssignals ω ^ wird das Bild nach rechts verschoben, wie es durch die Intensitätsverteilungskurve t^ angezeigt wird. Während der negativen Halbperiode erfolgt die Verschiebung nach links, wie es die Kurve t^ der Kur— venschar 58 zeigt. Für die durch die Kurvenschar 58 veranschaulichte Situation hat das Ausgangssignal des Detektors 4-8 die durch die Kurve 60 in Fig. 4- wiedergegebene Fdrm. Es ist ersichtlich, daß im Fall e.ines fokussierten Empfangssignals die Variationen im Ausgangssignal des Detektors 4-8 die doppelte Frequenz des Modulati ons signals, also die Frequenz 2ω^, haben und daß der Energiegehalt mit der Frequenz des Modulationssignals ω * sehr gering ist.

Infolgedessen erzeugt der Detektor 4-8 Ausgangssignale, die nicht nur für die Größe des Phasenfehlers eines gegebenen Teilstrahlkanals charakteristisch sind, sondern auch die Richtung des Phasenfehlers angeben. Die Richtung des Phasenfehlers ergibt sich aus der relativen Phasenlage

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des Detektorsignals in Bezug auf die Modulationsspannung, wie es die Kurven 52 und 56 zeigen. Weiterhin kann der . Zustand der einwandfreien Fokussierung nicht nur dadurch festgestellt werden, daß das Ausgangssignal des Detektors 48 einen minimalen Energieanteil mit der Modulationsfrequenz aufweist, sondern auch durch ein Anwachsen der Modulationskomponente mit dem doppelten der Modulationsfrequenz. ·

Wie aus dem in Fig. 5 gesondert dargestellten Teil der Anlage nach Fig. 1 hervorgeht, wird die vom Ziel 34- reflektierte Energie im Vergleich zu dem Signal, das dem Teilstrahlkanal 18 zugeordnet ist, nahe dem Fernrohr 32 um unterschiedliche Beträge verzögert. Die resultierenden Verzerrungen, die mit den Anteilen des Strahles verknüpft sind, die in den Teilstrahlkanälen 22 und 20 verarbeitet werden, sind mit^y^ und^yp bezeichnet. Es sei erwähnt, daß der Anteil des Strahles, der von dem Teilstrahlkanal 18 verarbeitet wird, als Phasenbezugssignal benutzt wird. Zur einwandfreien Fokussierung des Zielbildes an der Blende 46 müssen die elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 und 28 auf entgegengesetzt gleiche Werte wie diejenigen eingestellt werden, die durch die Störungen verursacht werden. Wenn demnach die Werte der Phasenschieber 28 und 26 auf Werte ^ φ ^ und Λ> φ ο eingestellt werden, die den gleichen, aber negativen Betrag, der Phasenverzerrungen Δψ* und ^W₂ haben, wird das Bild auf die Öffnung 44 fokussiert sein. In Fig. 5 sind die Reflektionseigenschaften des Zieles 34 durch eine Kurve 62 dargestellt. Wie die Maxima 62a, 62b, 62c und 62d dieser Kurve zeigen, hat das Ziel Stellen eines maximalen Eeflektionsvermogens,

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also besonders helle Stellen. Die Energieverteilung in der Bildebene 46 für den Fall, daß die Teile des Strahles, die den einzelnen Teilstrahlkanalen zugeordnet sind, hinsichtlich ihrer Phasenlage durch die Gruppe 30 der Phasenschieber nicht richtig kompensiert sind, also Λφ ^ ί Δψ ^ ist durch die gestrichelte Kurve 64 angedeutet. Die Energieverteilung für den Fall, daß ΑΦ ^ = -Λψ^ι der Strahl also kompensiert und fokussiert ist, wird dagegen durch die ausgezogene Kurve 66 dargestellt. Es sei bemerkt, daß für jede helle Stelle des Zieles 34 eine entsprechende Intensitätsverteilung in der Bildebene 46 existiert und daß nur eine dieser hellen Stellen für das hier beschriebene Steuersystem benutzt zu werden braucht. Obwohl also während der Behandlung der Fig. 3 und 4 angenommen worden war, daß die empfangene Energie von einem sehr kleinen diskreten·Ziel stammt, ist die erfindungsgemäße Anlage auch bei ausgedehnten Zielen anwendbar, die ; helle Stellen haben, die beim Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage kleinen diskreten Zielen funktionell äquivalent sind.

Wie das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt, wird das Ausgangssignal des Detektors 48 parallelen Teilstrahl-Verarbeitungs- und Steuerkanälen zugeführt, die mit den gleichen, jedoch mit einem Strich versehenen Bezugsziffern bezeichnet sind wie die die Phasenschieber enthaltenden Teilstrahlkanäle. Der Verarbeitungs- und Steuerkanal 22' enthält ein Bandpaßfilter 70, das auf die Frequenz co * abgestimmt ist, einen Phasendetektor 72, ein Tor 74-, einen Integrator 76 und einen Summierkreis 78. Der Phasendetektor erzeugt ein Ausgangssignal, das eine Funktion der

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Amplitude.des zugeführten Eingangssignals und des Phasen-Winkels zwischen dem Eingangssignal und einem Bezugssignal ist. Das Ausgangssignal des Filters 70 mit der Frequenz ujy, wird in dem Phasendetektor 72 mit dem vom Oszillator 36 zugeführten Modulationssignal co ^. verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 72 ist für die Größe und die Richtung des Phasenfehlers im Teilstrahlkanal 22 charakteristisch und wird über das Tor 74- und den Integrator 76 dem Summierkreis 78 zugeführt. Dem Summierkreis wird ein zweites Eingangssignal von einem Abtast- und 'Haltekreis 80 zugeführt. Dieser Äbtast- und Haltekreis wird von einem zweiten Abtast- und Haltekreis 82 laufend auf den neuesten Stand gebracht.

Taktsignale für die Steuer- und Verarbeitungskanäle 20' und 22' werden von einer Schaltungsanordnung geliefert, die ein UND-Glied 84, eine Differenzierstufe 86, eine auch als Monoflop bezeichnete monostabile Kippstufe 88 und eine zweite Differenzierstufe 90 umfaßt. Im Betrieb dieser Schaltungsanordnung wird das Ausgangssignal des Detektors 48 zusammen mit dem Entfernungstorsignal dem UND-Glied 84 zugeführt, so daß am Ausgang des UND-Gliedes ein gesteuerter Bildimpuls GIP erscheint. Der Bildimpuls IP, das Entfernungstorsignal RG und der gesteuerte Bildimpuls GIP sind in Fig. 2 durch die Kurven 92, 9^- und 96 dargestellt. Die Differenzierstufe 86 differenziert das gesteuerte Bildsignal und erzeugt an dessen Vorderflanke einen positiven Impuls LE und an dessen Rückflanke einen negativen Impuls TE. Das Monoflop 88 spricht auf den positiven Impuls LE der Differenzierstufe an und wird durch diesen positiven Impuls veranlaßt, einen Ausgangsimpuls

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zu erzeugen, der durch die Kurve 100 in Fig. 2 dargestellt ist und dessen Dauer etwas geringer ist als die minimale Breite des Bildimpulses,.die durch die Breite des Sendeimpulses bestimmt ist. Das Ausgangssignal des monostabilen Multivibrators 88 wird durch die zweite Differenzierstufe 90 verarbeitet, die am Ende des Impulses 100 des Monoflop 88 einen negativen Impuls SP erzeugt, der als Abtastimpuls dem Abtast- und Haltekreis 82 zugeführt wird. Beim Auftreten des Abtastimpulses ermittelt der Abtast- und Haltekreis 82 den Wert am Ausgang des Summierkreises 78 und speichert diesen Wert. Das Ausgangssignal der ersten Differenzierstufe 86 wird auch dem Abtast- und Haltekreis 80 zugeführt, dessen Inhalt bei dem negativen Impuls TE dadurch berichtigt wird, daß er den Wert von dem anderen Abtast- und Haltekreis 82 übernimmt. Das Tor 7^- wird von dem gesteuerten Bildimpuls geöffnet, der von dem UND-Glied 84 erzeugt wird, und es wird der Integrator 76 von dem negativen Impuls TE des Ausgangssignals DP der ersten Differenzierstufe 86 gelöscht, also auf 0 gestellt.

Im Betrieb des Verarbeitungs- und Steuerkanals 22' wird . die Signal komponente mit der Modulationsfrequenz ω ^, vom Detektor 4-8 über das Filter 70 dem Phasendetektor ^2 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 72 wird während der Dauer des gesteuerten Bildsignals im Integrator 76 integriert. Das Ausgangssignal des Integrators 76 wird im Summierkreis 78 mit dem Signal kombiniert, das sich im Abtast- und Haltekreis 80 vom vorhergehenden Verarbeitungszyklus her befindet. Daher ist das Signal am Ausgang des Summierkreises 78 der richtige Wert für das Steuersignal, um dem Teilstrahlkanal 22 eine Phasenkorrektur zu erteilen.

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Während des ersten Teiles des Empfangsintervalles erzeugt die Modulation des Phasenschiebers 28 mit der Frequenz uJ ^ eine Modulationskomponente mit dieser Frequenz, wenn ein Phasenfehler existiert. Diese Modulationskomponente wird durch den Verarbeitungs- und Steuerkanal 22' übertragen, so daß vor Abschluß der Empfangsperiode das Ausgangssignal des Summierers 78 einen solchen Wert hat, daß Λφλ gleich -Δψ * ist (siehe Fig. 5)· Vor Beendigung des empfangenen Impulses löst der Abtastimpuls SP den Abtast- und Haltekreis 82 aus, so daß dieser Abtast- und Haltekreis den Korrekturwert vom Ausgang des Summierers 78 aufnimmt. Kurz danach wird zur Zeit der Rückflanke des gesteuerten Bildsignals durch den Impuls TE der im Abtast- und Haltekreis 82 gespeicherte Wert auf den Abtast- und Haltekreis 80 übertragen, wo er gespeichert bleibt, bis er während des folgenden Korrekturzyklus berichtigt wird.

Der Steuer- und Verarbeitungskanal 20* ist hinsichtlich seines Aufbaus und seiner Wirkungsweise mit dem gerade beschriebenen Kanal 22' identisch. Daher wurden den entsprechenden Bauteilen die "gleichen, jedoch mit einem nachgestellten a versehenen-Bezugsziffern gegeben wie den Bauteilen im Kanal 22'. '

Es ist wichtig, daran zu erinnern, daß eines der Hauptziele der Erfindung darin -besteht, die Phase der einzelnen Teilstrahlkanäle so einzustellen, daß die ausgesendete Energie am Ziel ein Maximum ist. Es ist offensichtlich, daß während der Sendeperioden die T.eilstrahlkanäle auf den richtigen Phasenwert eingestellt worden sind, um die Phasenstörungen zu kompensieren, die beispielsweise in .

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der Atmosphäre vor dem Fernrohr 32 vorliegen. Der Sendeimpuls kann auftreten, sobald die durch die Signalverarbeitung bedingten Ausgl-eichsvorgänge abgeklungen sind, also kurz nach dem Impuls TE.■Infolgedessen ist die Einstellung der Phasenschiebergruppe 30 noch gültig, weil die Feststellung und Korrektur der Störungen unmittelbar vor Beginn der Sendeperiode erfolgt, so daß die Phasenschiebergruppe 30 auch die Störungen angemessen kompensiert, die von dem Sendesignal angetroffen werden.

Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 6 und 6a dargestellt. Diejenigen Bauelemente und/oder Baugruppen, welche die gleichen Funktionen haben wie die Elemente und Baugruppen der Ausführungsform nach Fig. 1, sind mit den gleichen Bezugsziffern verseilen worden. Beispielsweise entspricht der optische Sende- und Empfangs-Hauptweg im oberen Teil der Fig. 6 dem an Hand Fig. 1 beschriebenen, abgesehen davon, daß zwischen der Phasenschiebergruppe 30 und dem Fernrohr 32 noch ein Laser-Leisturigsverstärker 102 angeordnet ist. Außerdem ist zwischen der Phasenschiebergruppe 30 und dem Leistungsverstärker 102 ein zweiter Strahlteiler 104· angeordnet. Weiterhin ist zwischen der Blende 46 in der Bildebene und dem Detektor 48 ein durch das Entfernungstorsignal gesteuerter parametrischer Verstärker 106 angeordnet, dessen Ausgangssignal eine höhere Frequenz hat als dessen Eingangssignal. Die Funktion des Verstärkers 106 besteht darin, den Detektorwirkungsgrad zu erhöhen und den Detektor 48 während der Sendeperiode zu isolieren.

Der funktioneile Hauptunterschied zwischen der Ausführungs-

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f orm nach den Fig. 6 und 6a und der Ausführungsiorm nach Fig. 1 besteht darin, daß das System nach den Fig. 6 und 6a einen Suchbetrieb ermöglicht, der ein erstes Anstrahlen eines bezeichneten Zieles erleichtert. Der Suchbetrieb wird durch'das Zuführen eines Suchbefehls zum Stelleingang eines Flipflop 108 eingeleitet, der in der Mitte un- ■ ten der Fig. 6a dargestellt ist. Auf diesen Suchbefehl erzeugt das Flipflop 108 an seinem Q-Ausgang ein Suchtorsignal SMG.. Das Suchtorsignal SMG- wird mit dem Sendesynchronisationsimpuls t in einem UND-Glied 110 kombiniert, das in Fig. 6 rechts unten dargestellt ist und dessen Ausgangssignal zum Öffnen von Toren 112 und 114 dient. Das geöffnete Tor.112 überträgt ein Phasenmodulationssignal mit der Frequenz (J an den elektronisch steuerbaren Phasenschieber 28. Das geöffnete Tor 114 überträgt ein Phasenmodulationssignal mit einer Frequenz tu an den elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26.

Die Wirkung der Modulationssignale ω und ω auf den

χ y

Betrieb der Phasenschiebergruppe 30 ist die gleiche wie diejenige der Signale cj * und oj p, die oben für die Empfangsperiode beschrieben worden ist. Es ist jedoch zu beachten, daß die Signale (o und cj nur während der

χ y -

Sendeperiode zugeführt werden und den Zweck haben, dem Sendestrahl eine räumliche Modulation zu erteilen. Der räumlich modulierte Sendestrahl wird am Strahlteiler 104 reflektdert und durch eine Linse'120 fokussiert. Die Linse 120 ist so angeordnet, daß.bei Einfall einer ebenen, also von Phasenfehlern freien Welle der Strahl von der Linse auf die Öffnung 122 einer Blende 124 fokussiert werden würde. Wenn der einfallende Strahl nicht richtig fokussiert

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ist, enthält das Ausgangssignal eines Detektors 126, der hinter der Blende 124 angeordnet ist, Modulationskomponenten mit den Frequenzen ω und ω . Diese letztgenannten Modulationskomponenten sind das Ergebnis einer räumlichen Modulation des Strahles über der Öffnung 122 nach den gleichen Prinzipien, die oben- an Hand der Fig. 3 und 4 behandelt worden sind.

Das Ausgangssignal des Detektors 126 wird über ein Tor 128 dem Eingang eines Bandpaß-Filters 130 zugeführt, das auf die Frequenz ω abgestimmt ist. Das Tor 128 wird durch den Sendesynchronisationsimpuls t geöffnet, so daß die folgenden Schaltungsanordnungen nur während der Sendeperiode aktiv sind. Das Ausgangssignal des Filters 130 ist für den Phasenfehler charakteristisch, der dem den Phasenschieber 26 passierenden Teilstrahl anhaftet. Das Ausgangssignal des Filters 130 wird in einem Phasendetektor 132 mit dem Bezugssignal ω verglichen. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 132 wird über das Tor 134 einem Integrator 136 zugeführt. Das Ausgangssignal des Integrators 136 gelangt über einen Summierkreis 146 zum Phasenschieber 26.

Ein zweiter Kanal verarbeitet die Komponenten des Ausgangssignals des Detektors 126 mit der Frequenz α; , um ein Steuersignal für den elektronisch steuerbaren Phasenschieber 28 zu liefern. Die Verarbeitung erfolgt in der gleichen Weise, wie sie eben für den Phasenschieber 26 beschrieben worden ist. Die Elemente des zweiten Kanals sind mit den gleichen, jedoch um ein nachgestelltes a ergänzten Bezugsziffern versehen wie die entsprechenden

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Elemente des zur Verarbeitung des Signals mit der Frequenz oj dienenden Kanals. Beispielsweise überträgt ein Bandpali-Fi.lter 130a die Signale mit der Frequenz ω , die dann von dem Phasendetektor 132a mit einem Bezugssignal mit der Frequenz ω verglichen werden.

Die Ausgangssignale des Detektors 126 werden außerdem parallel Bandpaß-Filtern 138 und 140 zugeführt, welche auf die Frequenz 2w bzw. 2 ω abgestimmt sind. Die Ausgangssignale der Filter 138 und 140 werden in einem Summierkreis 142 kombiniert und dann einem Komparator 144 zugeführt. Wenn das Ausgangssignal des Summierkreises 142 einen vorgewählten Schwellenwert überschreitet, erzeugt der Komparator 144 ein Rückstellsignal für das Flipflop 108, wodurch die Eihstellphase des Suchbetriebs abgeschlossen ist. '

Die Funktion der vorstehend beschriebenen Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Detektors 126 besteht darin, Phasenfehler auszugleichen, die in dem System ursprünglich vorhanden sein können, beispielsweise durch Temperatureinwirkungen vor einer Temperaturstabilisierung der Phasenschiebergruppe 30 bedingte Fehler. Diese Kompensation erfolgt durch das Ausgangssignal des Integrators 136, das über den Summierkreis 146 dem elektronisch steuerbaren Phasenschieber 26 zugeführt wird, und das Ausgangssignal des Integrators 136a, das üb'er den Summierkreis 148 dem Phasenschieber 26 zugeführt wird, um die Phasenlage der zugeordneten Signale zu steuern. Ebenso wie es oben an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, ist der Strahl auf die Öffnung 122 der sich in

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der Bildebene befindenden Blende 124 zentriert, wenn den einzelnen Teilstrahlkanälen, die den einzelnen Phasenschiebern der Gruppe 30 zugeordnet sind, die richtigen Phasenkorrekturen erteilt worden sind, so daß der Modulationsgehalt des Ausgangssignals des Detektors 126 vornehmlich die Frequenz der zweiten harmonischen der von den Oszillatoren 116 und 118 gelieferten Modulationsfrequenzen hat. Diese Signale mit der Frequenz der zweiten Harmonischen werden von dem Komparator 144 festgestellt und dazu benutzt, das Flipflop 108 zurückzustellen, um den Einschaltvorgang abzuschließen. Die Integratoren 136 und 136a, welche die Phasenschiebergruppe 30 in Abhängigkeit von den Korrektursignalen steuern, die während des Einschaltvorgangs gebildet worden sind, haben solche Zeitkonstanten, daß die KorrektUrspannungen langsam durch Entladung abnehmen. Auf diese V/eise werden Übergangsschwierigkeiten zwischen den verschiedenen Betriebsarten vermieden.

Während des normalen Betriebs der in den Fig. 6 und 6a dargestellten Anlage werden die relativen Phasenlagen der Teilstrahl-Sende- und Empfangskanäle' in Abhängigkeit von Signalen gesteuert, die von einer Steuereinheit 150 gemäß der Beschreibung der Kanäle 20' und 22' der Anlage nach Fig. 1 gebildet werden. Beispielsweise wird das Ausgangssignal des Kanals 20', also des Summierkreises 78a in Fig. 1, über den Summierkreis 148 dem Phasenschieber 26 zugeführt. Ebenso wird das Ausgangssignal des Kanals 22', nämlich des Summierkreises 78 in Fig. 1, über den Summierkreis 146 dem Phasenschieber 28 zugeführt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 werden die Ausgangssignale der

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Steuereinheit 150 über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 152 geführt. Das Tor 152 wird von dem Q-Ausgangssignal des Flipflop 108 gesteuert, so daß die Steuereinheit I50 während der Einschaltphase des Suchbetriebs nicht wirksam ist.

Das Auffassen eines bezeichneten Zieles wird durch eine Richtungssteuerung des gesendeten und empfangenen Strahles während der Periode unterstützt, die dem Einschaltvorgang folgt, aber noch vor der Periode liegt, während der das empfangene Signal von der Steuereinheit 150 verarbeitet wird. Die Richtungssteuerung erfolgt mittels einer Richtungssteuerungseinheit 154- (Fig· 6a), die den Phasenschiebern der Gruppe 30 von einer nicht dargestellten Einrichtung stammende individuelle Phasensteuersignale zuführt,, Diese Signale werden von der Richtungssteuereinheit 154-über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 156 und den Summierkreis 146 und 148 den zugeordneten Phasenschieberelementen der Gruppe 30 zugeführt. Das zwei Kanäle enthaltende Tor 156 wird von einem Signal gesteuert, das vom Q-Ausgang eines Flipflops 158 zugeführt wird. In Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal werden die' Steuersignale der Richtungssteuereinheit 154- von dem Tor 156 während der Zeit zwischen dem finde der Einschaltphase und dem Beginn des Itformalbetriebs zugeführt. Während des Normal betriebs erfolgt die Fokussierung des empfangenen Bildes mit Hilfe der Steuereinheit 150, und es werden die während der Empfangsperiode eingestellten Phasenwerte auch während der folgenden Sendeperiode beibehalten. Das Flipflop 158 wird in Abhängigkeit von der Vorderflanke des Signals BMJ» das das Ende der Einschaltphase anzeigt„ gestellt. Zu

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diesem Zweck wird von dem Differenzierglied 157 von der Vorderflanke dieses Signals ein positiver Impuls abgeleitet. Das Rückstellen des Flipflop 158 erfolgt entweder beim Auftreten des Suchbefehls SMG, der am Q-Ausgang des Flipflop 108 erscheint, oder aufgrund des Ausgangssignals eines !Comparators 160, das anzeigt, daß durch die Steuereinheit 150 eine Fokussierung erzielt worden ist. -Der Komparator 160 vergleicht den Pegel des Ausgangssignals des Detektors 14-8 mit der Frequenz der zweiten Harmonischen des Modulationssignals, das ihm über Filter 164 und 166 und einen Summierkreis 162 zugeführt wird, mit einem vorgegebenen Schwellenwert. Wenn der'Gehalt des Ausgangssignals des Detektors 48 an einer Komponente mit der zweiten Harmonischen anzeigt, daß an der Blende 46 ein sinwandfreies Bild vorhanden ist, erzeugt der Komparator 160 einen Ausgangsimpuls, der über das ODER-Glied 16£> dem Rücxstelleingang des Flipflop 158 zugei'üirt wird. Die Ricntungssteuereinheit 154 wird gesperrt, nachder das empfangene Bild ordentlich fokussiert ist, da die eigentliche Richtungssteuerung automatisch von der Steuereinheit 150 bewirkt wird und dann Richtungssteuersignale nicht mehr länger erforderlich sind.

Während des Suchbetriebs kann es auch manchmal nützlich sein, eine Defokussierung des ausgesendeten Signals nach einem vorbestimmten Programm, beispielsweise zu einem parabolischen Diagramm, zu bewirken. Durch eine solche Defokussierung wird der ausgesendete Strahl vergrößert und dadurch die Wahrscheinlichkeit, ein bestimmtes Ziel zu treffen, erhöht. Bei der in den Fig. 6 und 6a dargestellten Anlage erfolgt die Defokussierung .durch Signale,

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die über ein zwei Kanäle enthaltendes Tor 170 den Summier-■ kreisen 146 und 148 zugeführt werden. Die Defokussierung des Sendestrahles ist auf die Sende intervalle begrenzt, indem das Tor 1?0 nur während dieser Intervalle geöffnet wird. Zu diesem Zweck werden in einem UND-Glied 172 das Ausgangssignal des Flipflop 158 und der Sendesynchronisationimpuls t kombiniert.

Es wurde demnach ein verbessertes, kostenwirksames Sende- und Empfangssystem beschrieben, bei dem eine' Gruppe von Teilstrahlkanälen als Funktion der relativen Phasenverteilung des empfangenen Signals relativ gesteuert wird, die mit Hilfe einer räumlichen Modulation des Empfangssignals in verschiedenen Teilstrahlkanälen festgestellt wird. Da die ausgesendete Energie auf ihrem Weg im wesentlichen die gleiche und entgegengesetzte Phasenverschiebung erfährt, wie sie von den Phasenschiebern eingeführt wird, ist die ausgesendete Energie am Ziel im wesentlichen in Phase«, In dem Fall, daß die Quellen der Phasenverzerrungen längs des Energieweges auf einen Bereich unmittelbar vor der Abstrahlöffnung beschränkt ist, kann die Leistung, die dem Ziel zugeführt wird, sich der durch Beugungserscheinungen begrenzten Strahlleistung oder der Strahlleistung des freien Raumes annähern, die von der Anlage abgegeben wird.

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Claims

Patentansprüche

^ιΛ . ;Sende-Empfangs-Anlage mit einem Lasersender zur Erzeugung eines Strahles kohärenten Lichtes, einem Fernrohr zum Ausrichten des Strahles auf ein Ziel, mehreren zwischen dem Lasersender und dem Fernrohr angeordneten parallelen optischen Pfaden, die alle bis auf höchstens einen elektronisch steuerbare optische Phasenschieber enthalten, denen von einer Modulationseinrichtung Treibersignale unterschiedlicher Frequenz zugeführt werden, einer optischen Einrichtung zum Empfang und zur Umwandlung eines Teiles des vom Ziel reflektierten Lichtes in elektrische Signale und einer Steuereinrich-.tung, die in Abhängigkeit von den ihr zugeführten elektrischen Signalen die mittlere Phasenlage jedes Phasenschiebers derart einstellt, daß das Ziel von einem maximalen Anteil des ausgesendeten Lichtes getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung die zwischen Lasersender (10) und Fernrohr (52) angeordneten optischen Pfade (18, 20, 22) mit den Phasenschiebern (24, 26, 28) umfaßt und dem Strahl des empfangenen Lichtes eine räumliche Modulation erteilt ' wird, daß die Empfangseinrichtung eine Bildebene aufweist, in der eine Blende (46) mit einer kleinen öffnung (44) angeordnet ist, daß hinter der Öffnung (44) ein die elektrischen Signale erzeugender Detektor (48) angeordnet ist, dessen Ausgangssignale für die Intensität der die öffnung der Blende passierenden, durch die Phasenmodulation gekennzeichneten Anteile der empfangenen Energie charakteristisch· sind, und daß die

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Steuereinrichtung die mittlere Phasenlage, der Phasenschieber derart einstellt, daß das fokussierte Bild auf die Öffnung der Blende zentriert ist..
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender (10) zur -Erzeugung von Lichtimpulsen eingerichtet ist und die Steuereinrichtung Anordnungen (80, 82) zum Speichern der während eines Empfangsintervalles erzeugten Steuersignale, die zur Einstellung der mittleren Phasenlage der Phasenschieber (24, 26, 28) dienen, und zur Berichtigung der gespeicherten Steuersignale während folgender ßmpfangsintervalle umfaßt und die Phasenschieber (24, 26, 28) von den ge-' speicherten Steuersignalen gesteuert werden.
3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung mehrere Verarbeitungszweige (20', 22') umfaßt, von denen jeder in Serie ein Filter (70a bzw. 70) und einen Phasendetektor (72a bzw. 72) enthält, so daß die Steuersignale als Funktion der Größe und der relativen Phasenlage zu einer Modulationskomponente der elektrischen Signale gebildet werden.
4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung eine in einer zweiten Bildebene angeordnete zweite Blende·(124) mit einer öffnung (122) aufweist, die ein Teil des die Phasenschieber (24, 26, 28)' passierenden Lichtes des Lasersenders (10) zugeführt bekommt .und hinter der ein zweiter Detektor (126) angeordnet ist, mit dem eine

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zweite Steuereinrichtung verbunden ist, die Sen&esteuersignale zur Einstellung der mittleren Phasenlage (24-, 26, 28) der Phasenschieber in der V/eise erzeugt, daß die entsprechenden Teile des Sendestrahles in Phase sind.·
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung Anordnungen (136, 136a) zum Speichern der SendeSteuersignale und einen ersten Komparator (144) umfaßt, der die Ausgangssignale des · zweiten Detektors (126) mit einem ersten Schwellenwert vergleicht und ein Sperrsignal für die Modulationseinrichtung erzeugt, wenn die Phasenschwankungen im Sendestrahl in vorbestimmten Grenzen bleiben.
6. Anlage nach Anspruch 5₅ daaurch gekennzeichnet, daß

ine Ubergangssteuerung vorhanden Ist, die nach der Erzeugung des Sperrsignals die relative Phao--lage im Sendestrahl als Funktion des zuletzt gesijeicherten Senaesteuersignals steuert und eine Entladeeinrichtung umfaßt, die ein Abnehmen des gespeicherten Sendesteuersignals nach einem vorbestimmten Programm zuläüt.
7· Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Defokussiereinrichtung (170, 172, 1?4) vorhanden ist, die von dem Sperrsignal ausgelöst wird und die relative Phasenlage im Sendestrahl so einstellt, daß' eine Defokussierung des Strahles nach einem vorbestimmten Muster eintritt. ·...
8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

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die Defokussiereinrichtung einen zweiten Komparator (160) umfaßt, der das Ausgangssignal des ersten Detektors (4-8) mit einem zweiten Schwellenwert vergleicht und feststellt, wenn der phasenkorrigierte Smpfangsstrahl in vorgegebenen Grenzen ist, und daß auf das Ausgangssignal des zweiten Komparators eine erste Logikschaltung (168, 158, 172) anspricht, welche die Defokussiereinrichtung sperrt.

Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlrichtungssteuerung vorhanden ist, die von dem Sperrsignal eingeschaltet wird, um die Richtung des Aussendens und Empfangene der Energie zu bestimmen, und daß auf das Ausgangssignal des zweiten Komparators (160) eine zweite Logikschaltung anspricht, die die Strahlrichtungssteuerung sperrt.

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