DE3702742C2 - Scan-Anordnung für Heterodyn-Laserradar - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Scan-Anordnung für Heterodyn-Laserradar mit einem Sender kleiner Apertur, einem Empfänger großer Apertur und einem Scanner ebenfalls großer Apertur, wobei letzterer sowohl dem Sender als auch dem Empfänger gemeinsam zugeordnet ist.

Solche Anordnungen zählen in diversen Ausführungsbeispielen zum Stand der Technik. Alle sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß sie bei großem Gesamtgesichtsfeld einen erheblichen Scanner-Aufwand, insbesondere schnelle Scanner für die große Empfängerapertur, benötigen. Bei gleichem Gesamtgesichtsfeld können hier langsamere Scanner nur durch Vergrößerung des Augenblicksgesichtsfeldes des Empfängers, d. h. durch Verringerung der Bildpunktanzahl erkauft werden.

Durch die DE 30 07 893 A1 ist eine Einrichtung mit einem Wärmebildgerät bekanntgeworden, dem ein Laser als Entfernungsmesser zugeordnet ist, der mit Direktempfang arbeitet. Ein Heterodynempfang ist hier nicht gegeben.

Aus der Druckschrift "Applied-Optics"-Vol. 11, No. 7, July 1972 ist eine weitere Ausführungsform nach dem Stand der Technik bekannt, bei der allerdings das Sender- und das Empfängerteleskop gleiche Aperturen besitzen.

Aus der Druckschrift "Design Approach for a Laser Wire and wire-like Object Detection System" aus Research and Development Report Aviation Research and Development Command, Mai 1981, Seiten 56 und 58 ist eine Einrichtung bekannt, bei der für den Sendestrahl Kleinwinkel- und Großwinkelscanner hintereinandergeschaltet sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Scan-Anordnung der eingangs genannten Art für den von Sender und Empfänger des Heterodyn-Laserradars gemeinsam verwendeten Scanner mit großer Apertur eine langsame Abtastung des Gesamtgesichtsfeldes zu ermöglichen, ohne auf eine bessere Auflösung als dem Augenblicksgesichtsfeld des Empfängers entspricht, d. h. auf hohe Bildpunkt-Anzahl zu verzichten.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert.

In den Figuren der Zeichnung sind Skizzen zur weiteren Erläuterung der Erfindung gebracht. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemaskizze der nachfolgend beschriebenen Anord­ nung,

Fig. 2 eine zeichnerische Darstellung der Augenblicksgesichts­ felder von Sender R_S und Empfänger (R_E) im Aus­ führungsbeispiel mit R_E = 2R_S,

Fig. 3 eine Darstellung des Gesamtgesichtsfeldes dieses Ausfüh­ rungsbeispieles, das mit der großen Empfängerapertur mit dem Empfängergesichtsfeld R_E langsam gescannt wird, wobei das letztere mit der kleinen Senderapertur mit dem Sendergesichtsfeld R_S schnell gescannt wird,

Fig. 4 eine Schemaskizze gemäß Fig. 1 mit spezieller Ausbildung der Lokaloszillatoroptik und der beiden Scanner.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, soll gemäß der Erfindung das Au­ genblicksgesichtsfeld des Senders R_S gleich oder nahezu gleich einem n-tel (n = 2, 3, . . .) desjenigen des Empfängers R_E sein, so daß die Gleichung:

R_E = nR_S und n = 2, 3, . . .

aufgestellt werden kann. Diese Gesichtsfelder bestimmen sich in bekannter Weise aus den Brennweiten der beteiligten Optiken so­ wie den Lasereigenschaften und dem Detektordurchmesser. Das Sen­ dergesichtsfeld R_G des Kleinwinkel-Scanners 13, d. h. sein Scan-Bereich wird gemäß R_G = n · R_S = R_E so ge­ wählt, daß dieser das Empfängergesichtsfeld vollständig abta­ stet. Die Abtastzeit wird dabei gleich der Zeit gewählt, in wel­ cher der Großwinkel-Scanner 14 gerade einen Bildpunkt mit dem Gesichtsfeld R_E abtastet.

Diese Wahl ist unüblich, da man z. B. beim sogenannten Direktemp­ fang das Empfängergesichtsfeld R_E gleich dem Sendergesichts­ feld R_S macht, da Laserenergie ja nur aus dem durch den La­ ser 16 beleuchteten Gesichtsfeld R_S empfangen werden kann.

Im Fall R_E = 2R_S würde also das aus der Szene 7 empfan­ gene Hintergrundlicht um den Faktor (R_E/R_S)² = 4 an­ steigen, ohne daß dadurch die empfangene Laserenergie zunehmen würde, so daß sich das Signal/Rauschverhältnis S/N unnötig ver­ schlechtern würde.

Bei einem konventionellen Heterodyn-Laserradar entspräche einem Verdoppeln des Empfängergesichtsfeldes R_E eine Verdoppelung des Bildpunktdurchmessers in der Szene 7 und damit bei festge­ haltener Gesamt-Scandauer eine Halbierung der erforderlichen Bildpunkt-Zeilen-Scanfrequenz. Bei den üblicherweise erforderli­ chen großen Empfängeraperturen 12 würde dies eine willkommene Reduktion des Aufwandes bedeuten, würde sich nicht gleichzeitig die Gesamtzahl der Bildpunkte, d. h. die Auflösung, auf ein Vier­ tel reduzieren.

Nun ist aber bei Heterodynempfang ein Hintergrundrauschen be­ kanntermaßen irrelevant, so daß das Empfängergesichtsfeld R_E größer als das Sendergesichtsfeld R_S sein kann, ohne daß sich das S/N verschlechterte, oder anders ausgedrückt, man kann also R_S kleiner als R_E machen und dafür gemäß der Erfin­ dung mittels eines schnellen Kleinwinkel-Scanners 13 das Augen­ blicksgesichtsfeld R_E des Detektors 17 mit dem kleineren Ge­ sichtsfeld R_S des Sendestrahls 31 abtasten.

Zu diesem Zweck wird in den Strahlengang zwischen der Sender­ apertur 11 des Heterodyn-Lasergerätes 10 und dem langsamen Groß­ winkel-Scanner 14 ein schneller Kleinwinkel-Scanner 13 angeord­ net (siehe Fig. 1).

Wie die Fig. 3 der Zeichnung verdeutlicht, wird das Empfängerge­ sichtsfeld R_E zusammen mit dem dieses abtastenden Senderge­ sichtsfeld R_S durch den Großwinkel-Scanner 14 bzw. dessen in zwei Achsen schwenkbaren Spiegel 15 über das gewünschte Gesamt­ gesichtsfeld bewegt. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die große Empfängerapertur 12 nur langsam abtasten muß. Nur die kleine Senderapertur 11 muß dies schnell tun. In diesem Fall ist also eine dem größeren R_E entsprechende kleinere Scan-Fre­ quenz möglich, wobei jedoch die dem kleineren R_S entspre­ chende Bildpunktanzahl erhalten wird. Da die Senderaperturen in der Regel viel kleiner als die Empfängeraperturen sind, ist hier eine höhere Scan-Frequenz leicht erreichbar.

Voraussetzung für optimalen Heterodynempfang, d. h. auch Unabhän­ gigkeit vom Hintergrundrauschen aus dem jeweiligen Empfängerge­ sichtsfeld R_E, ist bekanntermaßen die phasenstarre, räumlich und zeitlich genaue Überlagerung zwischen Empfangsstrahl 33 und Lokaloszillatorlaserstrahl 32 auf dem Detektor 17. Dies erfor­ dert, daß die Beugungsscheibchen 34, 35 des aus der Szene 7 emp­ fangenen Laserlichts 33 und des Lokaloszillatorlaserstrahls 32 gleich groß sind und sich jederzeit und unabhängig von der Blickrichtung des Großwinkel-Scanners 14 auf dem Detektor 17 gut überdecken. Bei festgehaltenem Großwinkel-Scanner 14 z. B. wird die Szene 7 nur im Gesichtsfeld R_E abgetastet, d. h. das Beu­ gungsscheibchen 34 des Empfangsstrahls 33 entsprechend über die Oberfläche des Detektors 17 bewegt. Die Überlagerungsbedingung erfordert also, daß sich das Beugungsscheibchen 35 des Lokalos­ zillatorstrahls 32 in genau der gleichen Weise synchron mitbe­ wegt.

Dies kann durch verschiedene Ausgestaltungen einer zwischen He­ terodyn-Lasergerät 10 und Großwinkel-Scanner 14 angeordneten Lo­ kaloszillatoroptik 18 erreicht werden (siehe Fig. 1). Schwierige Harmonisierungsprobleme werden dabei durch die in Fig. 4 darge­ stellte erfindungsgemäße Ausführungsform vermieden, welche einen Umlenkspiegel 21, einen polarisierenden Strahlteiler 22, ein λ/4-Plättchen 23 und einen Retroreflektor 24 umfaßt, und wel­ che zwischen Kleinwinkel-Scanner 13 und Großwinkel-Scanner 14 angeordnet ist. Zwischen Kleinwinkel-Scanner 13 und Hetero­ dyn-Lasergerät 10 muß also kein optisches Element angeordnet werden; insbesondere ist kein zusätzlicher Scanner erforderlich.

Der ausgezogen gezeichnete, aus der Senderapertur 11 mit der Di­ vergenz R_S austretende Sendestrahl 31 des Lasers 16 wird durch den Kleinwinkel-Scanner 13 abgelenkt und über den Umlenk­ spiegel 21 auf den polarisierenden Strahlteiler 22 gelenkt. Ein großer Teil der Laserstrahlung wird als eigentlicher Sendestrahl 31 durch diesen Strahlteiler 22 auf den Großwinkel-Scanner 14, hier als Keilprismenpaar 14a und Einachsenschwenkspiegel 14b aufgebaut, und damit auf die Szene 7 gelenkt. Ein kleiner Teil des Laserlichts tritt als Lokaloszillatorlaserstrahl 32 durch den Strahlteiler 22 hindurch, wird durch den Retroreflektor 24 in sich selbst zurückgeworfen und vom Strahlteiler 22 parallel zur Richtung von Sende- und Empfangsstrahl 31, 33 auf die Emp­ fangsapertur 12 gelenkt. Der Empfangsstrahl 33, d. h. das aus der Szene 7 rückgestreute Laserlicht, durchläuft den Großwinkel-Scanner 14 und den Strahlteiler 22 und fällt damit ebenfalls pa­ rallel zur Richtung des Sendestrahls 31 auf die Empfangsapertur 12. Dasselbe gilt für einen etwas anderen, in Fig. 4 gestrichelt gezeichneten Sendestrahl 31a sowie den entspechenden Lokalos­ zillatorlaserstrahl 32a und Empfangsstrahl 33a. Dadurch ist ge­ währleistet, daß die Beugungsscheibchen 34, 35, 34a, 35a von Empfangsstrahl 33, 33a und Lokaloszillatorlaserstrahl 32, 32a immer gleich groß sind und aufeinander liegen, d. h. die genannte Bedingung für optimalen Heterodyn-Empfang immer erfüllen.

Die Verhältnisse von am Strahlteiler 22 hindurchtretenden und reflektierten Intensitäten können jetzt noch durch geeignete Mittel auf die bekannten Erfordernisse des Heterodyn-Laserradars 10 hin optimiert werden. Die polarisierte Strahlung des Lasers 16, z. B. eines CO₂-Wellenleiterlasers, wird hierzu z. B. durch einen polarisationsempfindlichen Strahlteiler 22 überwiegend re­ flektiert. Der Empfangsstrahl 33 ist nach zweimaligem Durchlau­ fen eines λ/4-Plättchens 23 und der Rückstreuung aus der Szene 7 um 90° gedreht polarisiert und durchquert somit überwiegend den Strahlteiler 22. Als Retroreflektor 24 muß daher eine die Polarisationsebene des Lokaloszillatorlaserstrahls 32 ebenfalls um 90° drehende Anordnung verwendet werden, um den Heterodynemp­ fang zu gewährleisten. Eine von mehreren Möglichkeiten hierzu ist es z. B., als Retroreflektor 24 einen reflektierenden Hohl­ spiegel anzuordnen, der so justiert wird, daß sein Brennpunkt genähert an den Ort des Kleinwinkel-Scanners 13 gelegt wird. Da­ durch wird gewährleistet, daß alle vom Kleinwinkel-Scanner 13 ausgehenden und durch den Strahlteiler 22 tretenden Laserstrah­ len unter Berücksichtigung ihrer ursprünglichen Divergenz R_S und des Ablenkwinkels R_G wieder in sich selbst retroreflek­ tiert werden. Ein vorgeschaltetes λ/4-Plättchen sorgt für die erforderliche Drehung der Polarisationsebene um 90°. Damit wird zwar nur ein kleiner jedoch voll ausreichender Teil der bisherigen Intensität des Lokaloszillatorstrahls 32 auf den Detektor 17 reflektiert.

Als Scanner 13, 14 können sowohl oszillierende Drehspiegel als auch Paare von rotierenden Keilprismen sowie Kombinationen davon verwendet werden. Im Falle R_E = 2R_S genügt ein einzel­ nes Keilprisma als Kleinwinkel-Scanner 13. Für den Großwinkel- Scanner 14 kann die Verwendung eines schnell gegenläufigen Keil­ prismenpaares 14a und eines langsam oszillierenden Drehspiegels 14b vorteilhaft sein.

Dadurch, daß das Sendergesichtsfeld R_S kleiner als das Emp­ fängergesichtsfeld R_E gemacht worden ist, dies jedoch durch einen zusätzlichen Kleinwinkel-Scanner 13 sowie eine die optima­ le Überlagerung gewährleistende Lokaloszillatoroptik 18 kompen­ siert wird, so daß der für Sender und Empfänger gemeinsam ange­ ordnete Großwinkel-Scanner 14 (mit großer Apertur also) langsam abtasten kann, obwohl die Bildpunktauflösung dem kleineren Sen­ dergesichtsfeld R_S entspricht, ist der Scanner-Aufwand bei einem Heterodyn-Laserradar wesentlich verringert worden.

Claims (8)

1. Scan-Anordnung für Heterodyn-Laserradar mit einem Sender kleiner Apertur, einem Empfänger großer Apertur und einem Scanner ebenfalls großer Apertur, wobei letzterer sowohl dem Sender als auch dem Empfänger gemeinsam zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanner mit großer Apertur als langsamer Großwinkel-Scanner (14) ausgebildet ist und daß in dem Strahlengang zwischen der Senderapertur (11) und dem Großwin­ kel-Scanner (14) ein schneller Kleinwinkel-Scanner (13) angeordnet ist, wobei im Strahlengang zwischen Heterodyn-Lasergerät (10) und Großwinkel- Scanner (14) eine Lokaloszillatoroptik (18) angeordnet ist, die einen Teil der Laserenergie als Lokaloszillatorlaserstrahl (32) derart auf den Detektor (17) lenkt, daß die Beugungsscheiben (34, 35) des Lokaloszillatorlaserstrahls (32) und des aus der Szene (7) empfangenen Laserlichts (33) gleich groß sind, sich unabhängig von der Stellung des Großwinkel- Scanners (14) vollständig überdecken und sich synchron mit der Bewegung des Kleinwinkel-Scanners (13) andauernd auf dem Detektor (17) überlagern.

2. Scan-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Augenblicksgesichtsfeld (R_S) der Senderapertur (11) kleiner als dasjenige (R_E) der Empfängerapertur (12) gehalten wird und das Augenblicksgesichtsfeld (R_E) der Empfängerapertur (12) mittels des schnellen Kleinwinkel-Scanners (13) mit demjenigen (R_S) der Senderapertur (11) abgetastet wird.

3. Scan-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendergesichtsfeld (R_G) des Kleinwinkel-Scanners (13) genähert gleich dem Empfängergesichtsfeld (R_E) ist und gemeinsam mit diesem durch den Großwinkel-Scanner (14) bewegt wird.

4. Scan-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, in welcher der Kleinwinkel-Scanner (13) das Empfängergesichtsfeld der Größe (R_E) einmal abtastet, gleich der Zeit ist, in welcher der Großwinkel-Scanner (14) auf das gleiche Augenblicksgesichtsfeld (R_E) gerichtet ist.

5. Scan-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lokaloszillatoroptik (18) zwischen Kleinwinkel-Scanner (13) und Großwinkel-Scanner (14) angeordnet ist.

6. Scan-Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lokaloszillatoroptik (18) einen polarisierenden Strahlteiler (22), ein λ/4-Plättchen (23) und einem polarisationsdrehenden Retroreflektor (24) umfaßt.

7. Scan-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als polarisationsdrehender Retroreflektor (24) ein justierbarer reflektierender Hohlspiegel mit vorgeschaltetem λ/4-Plättchen verwendet wird, wobei der Brennpunkt des Hohlspiegels genähert am Ort des Kleinwinkel-Scanners (13) liegt.

8. Scan-Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des polarisationsdrehenden Retroreflektors (24) ein teildurchlässiger, justierbarer Hohlspiegel zwischen dem λ/4-Plättchen (23) und dem Großwinkel-Scanner (14) angeordnet wird, welcher einen geringen Teil der Intensität des Sendestrahls (31) auf den Detektor (17) fokussiert.