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Die Erfindung bezieht sich auf ein Zielverfahren unter
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Verwendung eines Wärmebildgerätes mit Lasersender und gemeinsamem
Wärmebild/Laser-Empfangskanal, der - in Strahleneinfallsrichtung - im wesentlichen
aus IR-Teleskop, Abtastspiegel, IR-Optik und Sensoranordnung mit vorschaltbarem
nur die Laserstrahlung durchlassendem Interferenzfilter besteht sowie auf eine Geräteanordnung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Eine solche Anordnung mit einem getasteten Wärmebildempfänger ist
aus der DE-PS 24 26 844 bekannt. Sie dient als Beobachtungs- und Zielvorrichtung,
bei der die reflektierte Laserstrahlung zur Tomoskopie ausgenutzt wird. In der DE-AS
26 55 520 sind verschiedene optronische Kanäle über Spektralteilerspiegel zusammengefaßt
und über einen gemeinsamen, schwenkbaren Umlenkspiegel geleitet. Das Sensorgefäß
enthält neben einer Sensorreihenanordnung einen Stabsensor im gleichen Wellenlängenbereich
wie das Ortungsgerät, der die Identifizierung eines Hubschraubers übernimmt Die
Gefechtsfeldüberwachung erfolgt durch Rotation des als Periskop gestalteten Sensorkopfes.
In der DE-OS 2851 205 wird dieser zusätzliche Stabsensor in einem »aktiven« Hubschrauberidentifizierungsverfahren
zusammen mit einem gepulsten oder Dauerstrich-Gaslaser verwendet, wobei der Gaslaser
über die Visiereinrichtung auf das Ziel gerichtet und das reflektierte Signal ausgewertet
wird.
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Es ist erwähnt, daß als Beleuchtungslaser auch der Sender eines Laserentfernungsmessers
Verwendung finden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße sowie
mit einer ganzen Reihe gemeinsamer Baugruppen für den Wärmebild- und den Laserempfangskanal
arbeitende Zielverfahren so zu verbessern, daß der Laser auch für eine Entfernungsmessung
verwendet werden kann, ohne daß ein bei mit Laserentfernungsmessern ausgestatteten
optischen Visieren ansonsten notwendiges gegenseitiges Justieren der diese Kanäle
enthaltenden Baugruppen erforderlich würde. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß ein Lasersender mit parallel zur optischen Achse des Wärmebild/Laser-Empfangskanals
ausgerichteter optischer Achse verwendet wird und durch den Richtschützen ein über
die Rückseite des Abtastspiegels in der Bildebene des Okulars dargestelltes Wärmebild
der Szene durch Richten des Visiers so verschoben wird, daß die optische Achse des
Wärmebild/Laser-Empfangskanals auf das Ziel ausgerichtet ist, wobei mit Hilfe des
Spiegels einerseits Szenenabschnitte fortlaufend und zeitlich nacheinander, andererseits
Laserimpulse nur bei definierten Winkelpositionen des Spiegels über einen Knopfdruck
ausgelöst auf die Sensoranordnung geleitet werden. Auf diese Weise läßt sich ein
optronisches Feuerleitverfahren mit hoher Empfindlichkeit bei geringer Störbarkeit
und Hintergrundempfindlichkeit realisieren, das praktisch aus nur einer Baueinheit
besteht, bei der - was vor allem für den technisch unbelasteten Richtschützen wesentlich
ist - keinerlei Justiervorgänge mehr erforderlich sind.
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In vorstehendem Zusammenhang ist es vorteilhaft, daß bei Verwendung
eines umschaltbaren IR-Teleskops die Laserentfernungsmessung nur in der Stellung,
bei der alle ausschwenkbaren Linsengruppen aus dem Strahlengang ausgeschwenkt sind,
das heißt in der Regel bei dem kleinsten Sehfeldwinkel des Wärmebildkanals, durchgeführt
wird In diesem Augenblick sind alle beweglichen optischen Glieder zu einer Sehfeldumschaltung
aus dem optischen Strahlengang ausge-
schwenkt. Außerdem ist eine definierte Harmonisierung
der Achsen des Visiers mit dem Laserempfangskanal und dem Lasersender vorhanden.
Diese Maßnahmen sind erforderlich, damit das anvisierte Ziel und nicht etwa seine
Umgebung vermessen wird.
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Für eine Laufzeit-Entfernungsmessungim Geradeausempfang ist es hierbei
von Vorteil, daß ein im Riesenpulsbetrieb arbeitender COrLaser, eine Zählschaltung
für die Laserentfernungsmessung sowie ein im Wellenlängenbereich zwischen 8 und
14 um arbeitendes Wärmebildgerät verwendet werden. Das gleiche Verfahren ist aber
auch für einen Heterodyn bzw.
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Homodynempfang denkbar. Hierbei kann es sich als zweckmäßig erweisen,
daß die Zählschaltung für die Laserentfernungsmessung durch ein elektronisches Signal
vom Lasersender oder durch einen direkt aus der Senderoptik in die Empfangsoptik
einkoppelbaren Laserimpuls ausgelöst und bei Anzeige der vom Ziel reflektierten
Laserstrahlung durch die Sensoranordnung wieder gestoppt wird. In beiden Fällen
hat der Detektor für Laserstrahlung unterschiedliche Abmessungen und Positionen
in der Bildebene des Empfangskanals.
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Eine Weiterb;ldung der Erfindung wird in der Anordnung der verwendeten
Geräte und ihrer Baugruppen gesehen, und zwar dergestalt, daß das Gehäuse des Lasersenders
in dem Gehäuse des Wärmebild/Laser-Empfangskanals sowohl in konstruktiver als auch
in einer die zugehörigen optischen Achsen parallel ausrichtenden Weise integriert
ist und die in den Empfangskanal einfallende Gesamtstrahlung auf eine Sensoranordnung
mit Kühler fällt Dadurch wird neben der an sich bekannten höchstmöglichen Integration
gemeinsamer Baugruppen auch eine solche der zugehörigen Geräte bzw. ihrer Gehäuse
erreicht Um zu erreichen, daß die Laserwellenlänge im Bereich der maximalen Empfindlichkeit
der Detektoren für die Wärmestrahlung zu liegen kommt, ist eine Ausbildung zu bevorzugen,
bei der die Gesamtstrahlung auf eine aus zueinander senkrecht verlaufenden Detektoren
bestehende einzige Sensoranordnung mit gemeinsamen Kühler fällt. Sofern das Erfordernis
besteht, daß der Laserentfernungsmesser auch am Tage mit einem optischen Visier
eingesetzt werden soll, ist dagegen eine Ausbildung sinnvoll, bei der die Empfangsoptik
aus einem zweigliedrigen Teleskop besteht, hinter dessen erstem oder zweitem Glied
ein die Laserstrahlung abspiegelndes Interferenzfilter angeordnet ist, das die Laserstrahlung
über eine Laserempfangsoptik auf einen von der Detektoranordnung für Wärmestrahlung
getrennte Detektoranordnung für Laserstrahlung fokussiert In diesem Zusammenhang
kann es ferner vorteilhaft sein, wenn unmittelbar vor der Detektoranordnung eine
die Störstrahlung abhaltende und die vom Ziel reflektierte Laserstrahlung hindurchlassende
Lochblende angeordnet ist.
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Besondere Bedeutung kommt auch der Ausbildung und der Anordnung des
Sensors zu, der vorteilhafterweise aus einer Reihenanordnung von Einzeldetektoren
für Wärmestrahlung und einer zu dieser Reihenanordnung vom Bildfeldmittelpunkt aus
senkrecht verlaufenden weiteren Anordnung von Einzeldetektoren oder Stabdetektoren
für vom Ziel reflektierte Laserstrahlung besteht. Je nachdem, ob die Abtastrichtung
von links nach rechts oder umgekehrt verläuft, muß die Detektoranordnung für die
Laserstrahlung rechts oder links vom Bildfeldmittelpunkt verlaufen. In diesem Fall
muß die Triggerschaltung so ausgelegt werden, daß der
Sendeimpuls
jeweils nur bei Abtastung in einer bestimmten Richtung erfolgt. Soll dagegen die
Entfernungsmessung unabhängig von der jeweiligen Abtastrichtung erfolgen, müssen
beiderseits der Reihenanordnung der Detektoren für Wärmestrahlung - vom Bildfeldmittelpunkt
ausgehend - Detektoren für Laserstrahlung angeordnet sein. Eine solche Anordnung
erbringt den Vorteil der Redundanz. Zweckmäßigerweise weist hierbei der Stabdetektor
eine zumindest annähernd rechteckige Oberfläche auf und ist auch in der Schwingebene
des Abtastelements angeordnet.
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Was die geometrischen Abmessungen der Detektoren anbetrifft, so ist
es sinnvoll, daß der Stabdetektor eine zumindest annähernd rechteckige Oberfläche
aufweist, deren Länge der Winkelgeschwindigkeit oA sowie der Meßentfernung dE und
deren Breite der Brennweite des Empfangssystems und Strahldivergenz des Lasersenders
(0,3 bis 0,5 mrad) angepaßt ist. Um eine vorstellbare Größe zu benennen, sei angeführt,
daß die Breite des Stabdetektors in etwa der Breite der Detektorelemente für die
Wärmestrahlung entspricht.
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Die übrigen für Laser- und Wärmestrahlung vorgesehenen Einzeldetektoren
dagegen weisen eine zumindest annähernd quadratische Oberfläche und untereinander
einen Abstand von einer Detektorbreite auf. Wenn sich auch der Detektor für die
Laserstrahlung aus mehreren Einzeldetektoren zusammensetzt bzw. der Stabdetektor
in mehrere Einzeldetektoren aufgeteilt ist, können diese Einzeldetektoren auch getrennt
rückgestreute Laserstrahlung sowie nur einen ihrer Anzahl entsprechenden Bruchteil
der Hintergrundstrahlung des Stabdetektors empfangen und haben darüber hinaus auch
ein geringes Eigenrauschen. Dadurch wird das Signal/Rauschverhältnis und damit die
Detektionswahrscheinlichkeit des Laserempfängers erhöht Der eingangs erwähnte Vorteil
gemeinsamer Baugruppen und Gehäuse für den Empfang beider Strahlungsarten wird noch
dadurch unterstützt, daß die gesamte Sensoranordnung in einem Dewargefäß angeordnet
ist, in das bodenseitig der Kühlfinger des gemeinsamen Kühlers hineinreicht.
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Aus Platzgründen ist es ferner vorteilhaft, wenn das die Laserstrahlung
durchlassende Interferenzfilter direkt auf derOberfläche der zugehörigen Detektoren
aufgebracht ist. Darüber hinaus besteht die Sensoranordnung für Laser- und/oder
Wärme strahlung zweckmäßigerweise aus ein und demselben Detektormaterial, z. B.
aus CdHgTe oder PbSnTe.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung läßt sich das vorstehend
erwähnte Auslösen der Zählschaltung in einfacher Weise dadurch realisieren, daß
ein geringer Bruchteil der aus der Senderoptik des Lasersenders austretenden Laserstrahlung
über ein die Senderoptik mit der Empfangsoptik des Wärmebild/Laser-Empfangskanals
verbindendes Umlenkprisma in diesen Kanal direkt eingespiegelt wird.
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Im folgenden werden anhand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher erläutert, wobei in den einzelnen Figuren einander entsprechende
Teile die gleichen Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt F i g. 1 die schematische Darstellung
einer Visieranlage, bestehend aus der Kombination eines Wärmebildempfangskanals
mit einem Laserempfangskanal eines Laserentfernungsmessers mit abgesetztem Lasersender
(a), eine perspektivische Darstellung der gleichen Anlage ohne Bildwiedergabe (b)
sowie eine perspektivische Darstellung einer Visieranlage mit getrenntem Detektor
für die Laserstrahlung (cl
Fig. 2 die schematische Darstellung der Bildebene der
Kombination Wärmebild/Laserdetektor-AnordnungnachFig. laund 1b a) mit einem stabförmigen
Detektor für Laserstrahlung b) mit einer Reihenanordnung von Einzeldetektoren für
Laserstrahlung und Fig.3 die schematische Darstellung des optischen Triggers der
Laserzählschaltung.
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In F i g. 1 ist eine optronische Visiereinrichtung mit dem Wärmebild/Laser-Empfangskanal
1 in dem Gehäuse 1' und dem Lasersender 2 in dem Gehäuse 2' dargestellt.
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Der kombinierte Wärmebild/Laser-Empfangskanal 1 ist dadurch mit dem
Lasersender 2 so gekoppelt, daß die optische Achse 3 des Empfangskanals und die
optische Achse 4 des Lasersenders mit Abweichungen unter 0,1 mrad, das heißt also
praktisch parallel verlaufen. Die Laserstrahlung 7 wird in dem Resonator 5 erzeugt,
durch die als Galilei-Fernrohr ausgebildete Sendeoptik 6 scharf gebündelt und in
Pfeilrichtung abgestrahlt Die vom nicht dargestellten Ziel reflektierte Laserstrahlung
8 tritt in Pfeilrichtung durch die als Empfängerteleskop ausgebildete Empfangsoptik
9 hindurch, und zwar - bei guter Harmonisierung zwischen Sender- und Empfangseinheit
- parallel zur optischen Achse 3 des Empfangskanals 1. Durch die gleiche Eintrittspupille
des Empfängerteleskops 9 tritt auch die Ziel- und Umgebungseigenstrahlung 10, dargestellt
durch drei Pfeile, die den verarbeiteten Bildfeldwinkel darstellen.
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Beide Strahlungen, von denen die Laserstrahlung eine Linienstrahlung
und die Wärmestrahlung von Ziel und Hintergrund eine Breitbandstrahlung von z. B.
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8-12 um ist, verlassen das Teleskop als parallele Strahlenbündel,
treffen auf den beidseitig verspiegelten Abtastspiegel 11 und werden auf die Sensoranordnung
12 fokussiert, die sich in der Bildebene des IR-Objektivs 13 befindet - umgeben
von einem Dewar-Gefäß 14 und abgekühlt durch einen Kühler 15, dessen Kühlfinger
16 die Sensoren auf tiefe Temperaturen abkühlt Die Rückseite des Abtastspiegels
wird zur Wiedergabe des Wärmebildes verwendet. Der Abtastspiegel 11 ist für das
Wärmebildgerät erforderlich, dessen Sensor eine Reihenanordnung von bis zu 200 Einzeldetektoren
17 besitzt, die nach F i g. 2 senkrecht zur Abtastrichtung angeordnet sind und in
der Regel untereinander einen Abstand von einer Detektorbreite besitzen. Dadurch
ist es in an sich bekannter Weise möglich, mittels eines Zeilensprungverfahrens
mit n Sensorelementen 2n Zeilen zu schreiben, wenn jeweils am Ende des Ausschlags
der Abtastspiegel um Detektorbreite gegen die Drehachse 30 gekippt wird. Dadurch
sieht jeder Detektor zu jedem Zeitpunkt je nach Stellung einen anderen Teil der
in der Bildebene dargestellten Szene, wobei der Vorgang sich mit der Periode der
harmonischen Schwingbewegung des Spiegels wiederholt. Die einfallende Laserstrahlung
8 unterscheidet sich von der passiven Wärmestrahlung 10 dadurch, daß sie immer parallel
zur optischen Achse 3 einfällt und durch den Abtastspiegel 11 auf der Verbindungslinie
AB fokussiert wird, wobei die Punkte A und B die horizontalen Begrenzungspunkte
des Bildfeldes darstellen und der jeweilige Fokussierpunkt der Laserstrahlung von
der Winkelstellung des Abtastspiegels zur optischen Achse 3 abhängt.
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Die Zielentfernungen liegen üblicherweise zwischen 300 m und 10 000
m, was einer Impuislaufzeit von 2 bis 70 Us entspricht. Die Triggerzeit bis zum
Aussenden des
Laserimpulses 7 liegt beim Gaslaser, z. B. einem COrLaser,
bei 3 bis 5 lls. Bei diesen Zeiten ist noch ein Zeitintervall zu berücksichtigen,
der von der Winkelgeschwindigkeit des Abtastspiegels, dem Abstand des Detektors
18 für Laserstrahlung von der Reihenanordnung 17 und dem Sehfeldwinkel des Wärmebildgerätes
beim Entfernungsmessen abhängt. Diese Größen bestimmen die Längenabmessungen des
stabförmigen Detektors für Laserstrahlung. In F i g. 2a hat der Stabdetektor 18
für die Entfernungsmessung eine rechteckförmige Oberfläche mit etwa der Breite des
Einzeldetektors 17 für die Wärmestrahlung und eine Länge a, die bestimmt wird durch
den Entfernungsmeßbereich dE und die Winkelgeschwindigkeit (DA des Abtastspiegels
im Schwingungsmittelpunkt. Der Abstand b zwischen Bildfeldmittelpunkt 29 (Visierlinie)
und Beginn des Stabdetektors 18 ist in Grenzen frei wählbar.
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Wenn man jedoch bei anivisiertem Ziel die Position des Abtastspiegels
über dem Positionssensor 11a (Fig. lb) zum Triggern wählt, bei der die Reihenanordnung
der Einzeldetektoren 17 durch den Bildfeldmittelpunkt geht, dann ist der Abstand
b weitgehend durch die Triggerzeit festgelegt Länge a und Abstand b vom Bildfeldmittelpunkt
29 bzw. der Visierlinie sind durch folgende Gleichungen festgelegt: a = bs # # tE
# d a0 = bs 2(Emax - Emin) # #a da dt c t# = 2 bs # (Emax - Emin) c - t# bs = Breite
eines Einzeldetektors für Wärmestrahlung c = Lichtgeschwindigkeit d aO = oo Winkelgeschwindigkeit
der Bildfeldabd t tastung in der Nähe der Visierlinie A e = bs/f = Winkelauflösung
des Wärmebildgerätes f = Brennweite des IR-Abbildungssystems t# = Verweilzeit eines
Detektors auf einem Punktziel bei der Abtastung mit der Winkelgeschwindigkeit oo
Emtlr = maximale Zielentfernung für die E-Messung Emin = minimale Zielentfernung
b = da0 # tTr # f = bs # tTr dt T# tTr = Triggerzeit Rechenbeispiel: bs = 50 µm,
f= 500 mm, t# = 10 µs, Emin = 300 m, Emax = 10000 m, tTr = 5 µs, #α = 0,1
mrad α = 194 µm b = 25 µm Bei dem gewählten Rechenbeispiel mit einer Triggerzeit
von 5 cis würde der Laserdetektor ohne Abstand unmittelbar an den mittleren 50 llm-Wärmebilddetektor
anschließen und eine Länge von b=200 µm bei einer
Breite von ca. 50 Fm besitzen.
Bei anderen Ausführungsbeispielen sind natürlich auch andere Stückzahlen von Einzeldetektoren,
Abmessungen, Wellenlängen und Triggerzeiten möglich, ohne daß dadurch der Rahmen
der Erfindung verlassen würde.
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Bei einem Abtastsystem nach F i g. 1 muß der Lasersensor 18 bzw.
19 in Abtastrichtung nach Pfeil 20 rechts und bei umgekehrter Abtastrichtung 20'
links von der Reihenanordnung der Einzeldetektoren 17 angeordnet werden. Wenn die
Entfernungsmessung unabhängig von der jeweiligen Abtastrichtung erfolgen soll, müssen
zwei Lasersensoren 18 und 18' bzw. 19 und 19' symmetrisch zur vertikalen Achse angeordnet
sein.
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Wenn die Ausführungsform mit nur einem Detektor 18 oder 19 bzw. 18'
oder 19' für Laserstrahlung gewählt wird, kann die Triggerschaltung so ausgelegt
werden, daß der Sendeimpuls nur für den Fall einer Abtastung in Richtung 20 bzw.
20' ausgelöst wird. Die Alternative wird in F i g 2 durch die gestrichelte Linienführung
bei den Detektoren 18' und 19' sowie dem Pfeil 20' angedeutet F i g. 2b unterscheidet
sich von F i g. 2a dadurch, daß der stabförmige Lasersensor in drei Einzelsensoren
19 bzw. 19' aufgeteilt wird. In beiden Fällen wird der von Natur aus breitbandige
Detektor 18 bzw. 19 durch ein optisch vorgeschaltetes schmalbandiges Interferenzfilter
21 bzw. 21' zum Schmalbandempfänger für die Laserstrahlung 8 gemacht Ein solches
Filter kann als separater Baustein unmittelbar vor dem zugehörigen Detektor oder
auf der Oberfläche dieses Detektors vorgesehen sein.
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Bei einem Laserentfernungsmesser nach dem Prinzip der Laufzeitmessung
muß das Zählwerk beim Aussenden des Laserimpulses gestartet, bei Anzeige des reflektierten
Impulsanteils durch den Empfänger gestoppt werden. Der Start des Zählers kann elektronisch
erfolgen durch Verwendung einer geeigneten Triggerschaltung, er kann aber auch optisch
erfolgen, indem nach F i g. 3 ein geringer Bruchteil der austretender.
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Laserstrahlung 7 über ein Umlenkprisma 22 in den Empfangskanal eingespiegelt
wird. Dabei ist es zweckmäßig, die umgelenkte Laserstrahlung über einen Winkel zu
streuen, der etwa dem Sehfeldwinkel des Empfangssystems entspricht, so saß der Laserimpuls
in jeder Winkelstellung des Abtastspiegels 11 den Lasersensor trifft und den elektrischen
Impuls zum Start des Zählwerkes auslöst.
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In Fig. 1c ist zwischen den beiden Gliedern des Empfängerteleskops
9 ein weiteres Interferenzfilter 23 eingeschaltet, das die Laserstrahlung über die
Laserempfangsoptik 24 auf eine weitere Detektoranordnung 25 für Laserstrahlung umlenkt
Die Anordnung der übrigen Baugruppen entspricht derjenigen von Fig.la und lb, wobei
in diesem Ausführungsbeispiel die Sensoranordnung 12 nicht mehr den in F i g. 2a
und 2b dargestellten Stabdetektor 18,18', sondern nur noch die Reihenanordnung der
Einzeldetektoren 17 für Wärmestrahlung enthält Bei einem anderen, zeichnerisch nicht
dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Interferenzfilter 23 auch in den optischen
Strahlengang zwischen dem zweiten Glied des Empfängerteleskops 9 und dem Abtastspiegel
11 gekoppelt ist In beiden Fällen wird die vom Ziel reflektierte Laserstrahlung
8 von der Wärmestrahlung 10 durch Ab spiegelung selektiert und der Detektoranordnung
25 für Laserstrahlung zugeführt bei dem durch eine Lochblende Störstrahlung abgehalten
und nur die vom Ziel reflektierte Strahlung empfangen wird,