DE60131289T2 - Sensor-array mit pulsverschiebung - Google Patents

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Laser-Radar-Bilderzeugung und verwandte Sensortechnologie.
  • Herkömmliche Systeme zur aktiven Laser-Radar-Bilderzeugung stellen ein Array von Sensorelementen bereit, die optisch kombiniert werden, um ein Bild eines Körpers oder Zieles zu erfassen. Die Verwendung einer aktiven oder gepulsten Lichtquelle wie etwa eines Lasers, um den Körper oder das Ziel zu beleuchten, stellt im Allgemeinen einen verbesserten optischen Rückfluss bereit, wodurch es ermöglicht wird, ein dreidimensionales Bild einer Szene zu erfassen. Derartige Bilder umfassen Informationen, die sich auf Azimut, Elevation und Entfernung beziehen.
  • Wenn ein Laser als die aktive oder gepulste Lichtquelle verwendet wird, um die erforderlichen optischen Rückflüsse zu produzieren, ist es von Vorteil, Laserimpulse kurzer Dauer zu benutzen, um dazu beizutragen, die von den Sensorsystemen erforderten Energieniveaus zu reduzieren. Die Verwendung derartiger Laser trägt dazu bei, ein größeres Entfernungsauflösungsvermögen zu erzielen.
  • Herkömmliche Detektorelemente mit Sensor-Arrays, die mit aktiven oder gepulsten Lichtquellen verwendet werden, weisen häufig relativ lange Zeitkonstanten auf, die erfordern, dass Impulse kürzerer Dauer zu längeren Impulsen integriert werden. Dies kann zu einer Reduktion des Entfernungsauflösungsvermögens des Systems als Ganzem führen. Die Verwendung von Lichtquellen mit aktiven Impulsen als ein Mittel zum Erzielen eines größeren Entfernungsauflösungsvermögens wurde durch die Verwendung von Güteschaltung ermöglicht, wodurch Laserquellen Impulsdauern im Nanosekundenbereich erzielen können. Um dazu beizutragen, die Integrationsprobleme zu überwinden, welche mit herkömmlichen Array-Detektorelementen assoziiert sind, sind Lawinenphotodioden (APDs) verwendet worden. APDs können die erforderliche optische Erkennung und Verarbeitung von Impulsen kurzer Dauer leicht durchführen, aber es bestehen noch immer Probleme in Bezug auf die Fabrikation von APDs zu Arrays.
  • In einer Veröffentlichung Nr. 3065-04, die auf der Tagung SPIE AeroSense (20. bis 25. April 1997 in Orlando, Florida) präsentiert wurde, wurde ein Prototyp eines Laser-Radar-Empfängers zur aktiven Bilderzeugung präsentiert. Der Empfänger inkorporierte ein Array aus mit Fasern gekoppelten Mehrkanalempfängern, was ihm ermöglichte, Bilder aus einem einzelnen Laserimpuls zu erwerben. Herkömmliche Abtast-Empfänger zur Laser-Radar-Bilderzeugung erfordern mehrere Impulse, um ganze Bilder zusammenzustellen, und leiden unter Jitter und Bildriss (Image Tearing), die durch Plattform- oder Zielinstabilität und andere Umgebungseinflüsse verursacht werden. Die Veröffentlichung schlug die Verwendung eines Ansatzes mit einzelnem Impuls vor, um dadurch Verzerrungen zu eliminieren und auf Entfernung basierende Bilder mit hoher Qualität und hoher Geschwindigkeit bereitstellen zu können.
  • Der Empfänger bestand gemäß der Präsentation in der Veröffentlichung aus einem Array im Brennfeld (Focal Plane Array), das aus Mehrmodenfasern mit polierten Enden gebildet war. Jede Faser dient als ein Lichteimer (Light Gucket), wodurch optische Signale erfasst und die Signale an eine Serie von Detektorelementen weitergesendet werden. Ein Array von APDs (APDs) wurde dann benutzt, um Licht zu erkennen und zu verarbeiten, das von den Pixeln, welche durch jede Faseroptik mit poliertem Ende gebildet wurden, erfasst worden war.
  • Die Konfiguration des Laser-Radar-Empfängers zur Bilderzeugung, wie in der oben verzeichneten Veröffentlichung präsentiert, erfordert, dass jedes Pixel in dem faseroptischen Array einen zugehörigen APD-Detektor aufweist. Daraus folgt, dass zum Beispiel ein Array von 24×24 Pixelelementen insgesamt 576 APD-Detektor- und Verarbeitungselemente erfordern würde. Dies macht jeden derartigen Empfänger verhältnismäßig groß und teuer in Hinsicht auf die Anzahl an APDs und der zugehörigen Elektronik. Zusätzlich zu der physikalischen Größe und den Kosten der Entwicklung eines derartigen Systems bleibt die APD-Erkennungs- und Verarbeitungselektronik im hohen Maße inaktiv, wenn eine typische Pulsrate von 1 kHz verwendet wird. Dies folgt daraus, dass der Detektor auf Impulse mit einer Dauer von wenigen Nanosekunden reagieren muss, um danach für den Rest der Impulsdauer von einer Millisekunde inaktiv zu ruhen.
  • Die Erfindung stellt einen Laser-Radar-Empfänger zur Bilderzeugung bereit, der wesentlich weniger Detektoren (und zugehörige Verarbeitungselektronik) erfordert, indem er faseroptische Verzögerungsleitungen benutzt, um jedem Detektor zeitverschobene Impulse zuzuführen. Diese Reduktion der Anzahl an Detektoren kann ein physikalisch kleineres und kompakteres Empfängersystem zusammen mit einer entsprechenden Reduktion der Kosten, die mit der Anzahl an erforderlichen APDs assoziiert sind, bereitstellen. Des Weiteren stellt die Erfindung in Bezug auf den physikalischen Standort sowohl der Detektoren als auch der zugehörigen Elektronik eine Flexibilität bereit, wodurch weitere Vorteile in Hinsicht auf das Verpackungsvolumen und die Verwendung ansonsten redundanten Raums in Wirtsbehältern und Vehikeln bereitgestellt werden.
  • Demgemäß wird ein Laser-Radar-Empfänger zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung bereitgestellt, der eine Vielzahl von optischen Fasern umfasst, von denen jede ein Eingabeende und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden als ein Array zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, wobei die Ausgabeenden der optischen Fasern mit demselben Detektormittel für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei jede der optischen Fasern unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist, die bekannte und unterschiedliche Verzögerungen in der Übertragungszeit eines Impulses von elektromagnetischer Strahlung von jedem der Eingabeenden der optischen Fasern zu dem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung zur Folge haben, wobei jede der optischen Fasern dazu geeignet ist, zumindest entlang einem Teil ihrer Länge einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad für die elektromagnetische Strahlung zu bieten, wobei jeder Impuls von elektromagnetischer Strahlung zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad aufgespalten wird, wobei der erste Pfad eine von dem zweiten Pfad verschiedene physikalische Eigenschaft aufweist, mit dem Ergebnis, dass die Zeit, die ein Strahlungsimpuls benötigt, um sich entlang dem ersten Pfad zu bewegen, von der Zeit verschieden ist, die ein Strahlungsimpuls benötigt, um sich entlang dem zweiten Pfad zu bewegen.
  • Ein Laser-Radar-Empfänger zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung, der eine Vielzahl n von optischen Fasern umfasst, von denen jede ein Eingabeende und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden als ein Array zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, wobei die optischen Fasern in Serie mit einem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei das Ausgabeende der ersten optischen Faser mit der zweiten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende optisch verbunden ist, wobei das Ausgabeende der zweiten optischen Faser mit der dritten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende optisch verbunden ist, und so weiter, so dass die (n – 1)-te optische Faser mit der n-ten optischen Faser benachbart zu deren Eingabeende optisch verbunden ist, und die n-te optische Faser mit einem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung verbunden ist, so dass die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung von jedem der Eingabeenden zu dem Detektormittel einer unterschiedlichen Zeitverzögerung ausgesetzt sein wird.
  • Die Erfindung wird nun lediglich mittels Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 eine schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers zur Bilderzeugung des Stands der Technik zeigt;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers zur Bilderzeugung, der für das Verständnis der Erfindung nützlich ist, zeigt;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Laser-Radar-Empfängers zur Bilderzeugung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, der eine Variante des in 2 gezeigten ist, zeigt;
  • 4a und 4b eine Impulsfolge, die von der Vorrichtung der 2 bzw. 3 empfangen wird, zeigen;
  • 5 einen Laser-Radar-Empfänger zur Bilderzeugung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 1 zeigt ein Array aus neun Endflächen (Pixeln) 4 von Glasfaserkabeln, von denen jede einen faseroptischen Übertragungspfad 6 aufweist, um optische Signale zu einem entsprechenden Array von APDs 8 zu tragen. Wenn eine Lichtquelle 1 auf das Array von Pixeln 2 einfällt, dient jede Faser als ein Lichteimer, der das optische Signal 1 erfasst und es über die faseroptische Übertragungsleitung 6 an seine zweckgebundene APD 8 weitersendet. Jede APD 8 stellt das Mittel zur optischen Erkennung und Verarbeitung der Lichtquelle 1 bereit, wobei jede eine entsprechende Ausgabeübertragungsleitung 9 zum Zuführen der Lichtinformationen zu einem weiteren Verarbeitungsmittel 10 über Eingabeterminals 12 aufweist. Das weitere Verarbeitungsmittel 10 wird dann benutzt, um ein dreidimensionales Bild des Körpers, der von der Lichtquelle beleuchtet wird, zu konstruieren. Jede der faseroptischen Übertragungsleitungen 6 ist von im Wesentlichen gleicher Länge, wodurch alle Lichtquelleninformationen 1, die auf ein beliebiges der Pixel 4 fallen, den APDs 8 in Phase bereitgestellt werden.
  • 2 zeigt einen Laser-Radar zur Bilderzeugung, der eine identische Anzahl an Pixeln 4 wie in dem in 1 gezeigten Beispiel aufweist, sich aber darin von diesem unterscheidet, dass jede der faseroptischen Übertragungsleitungen 14 Lichtquelleninformationen 1 zu einer einzelnen APD 18 trägt. Der in 2 gezeigte Empfänger benutzt Verzögerungen 16 in den faseroptischen Übertragungsleitungen 14, um der APD 18 zeitverschobene Impulse bereitzustellen. In dem Array aus 3×3 Pixeln, das in 2 gezeigt ist, speisen alle neun Pixel eine APD 18. Das mittlere Pixel 24 weist die kürzeste faseroptische Übertragungsleitung 26 auf, um Lichtquelleninformationen 1 an die APD 18 zu übertragen. Jedes der restlichen umgebenden Pixel ist mit der APD 18 über faseroptische Übertragungsleitungen 14 verbunden, wobei jede entsprechende Verzögerungen 16 aufweist, wobei jede Verzögerung (d1, d2, d3 ... d8) verschieden ist und jede Verzögerung in diesem Beispiel durch eine verschiedene Länge von Faser bereitgestellt wird. Diese Anordnung sieht vor, dass die Lichtquellendaten 1 von den neun Pixeln in die APD 18 gemultiplext werden.
  • Die Auswahl des mittleren Pixels als dasjenige Pixel mit dem kürzesten Übertragungspfad zu der APD dient nur als Beispiel und soll kein beschränkendes Merkmal der Erfindung darstellen. Demgemäß könnte in einem Array jedes beliebige Pixel gleichermaßen als dasjenige mit dem Übertragungspfad der kürzesten Zeit ausgewählt werden.
  • Wenn das in 1 beschriebene System mit dem aus 2 verglichen wird, wird offensichtlich, dass das 3×3-Beispiel in 2 eine Anordnung bereitstellt, die acht APDs weniger erfordert, um die gleichen Lichtquellendaten 1 einer APD zur weiteren Verarbeitung durch die Prozessoreinheit 20 bereitzustellen. Dieses Prinzip kann skaliert werden, um zu verschiedenen Arrays von Pixeln, die die gleichen Vorteile behalten, zu passen. Zum Beispiel wäre es bei einem 5×5-Array möglich, ein mittleres Pixel zu benutzen, das von vierundzwanzig weiteren Pixeln umgeben ist, wobei alle in ihren jeweiligen optischen Übertragungsleitungen Verzögerungen 16 benutzen. Im Vergleich mit einem 5×5-Array-System des Stands der Technik, das der in 1 beschriebenen Lehre folgt, würde ein vergleichbares System gemäß dem Empfänger, der in 2 beschrieben ist, vierundzwanzig APD-Elemente weniger verwenden.
  • Nun folgt ein Beispiel von typischen Werten, das verwendet wird, um den in 2 gezeigten Empfänger zu erläutern. Es wird bei einem 3×3-Array davon ausgegangen, dass die Verzögerungsleitungen 16 Längen aufweisen, die ganzzahlige Werte sind (z. B. 40 m, 80 m, 120 m, 160 m ...). Die Lichtquelleninformationen 1, die sich durch eine 40 m lange Faser mit einem Brechungsindex von 1,5 bewegen, benötigen 200 ns, um sich von dem Pixel zu der APD 18 zu bewegen. Der erste Impuls von dem Array kommt von dem mittleren Pixel, es sei denn, ein benachbartes Pixel erzeugt ein Bild eines Objektes, das mehr als 30 m (d. h. 40 × 1,5 ÷ 2) dichter als das Hauptpixel ist. Diese Bedingung ist als „Entfernungsmehrdeutigkeit" bekannt und eine Konsequenz der Verwendung eines Ansatzes mit pulsverschobenem Array. Falls tatsächlich eine derartige Mehrdeutigkeit auftreten sollte, würde die Verarbeitungseinheit 20 nicht einen, sondern zwei Impulse in einem Zeitraum von 200 ns erkennen, wodurch angedeutet würde, dass ein Entfernungsmehrdeutigkeitsproblem oder „falscher Alarm" vorliegt.
  • Eine andere Art der Entfernungsmehrdeutigkeit tritt auf, wenn nicht alle Pixel des Array ein optisches Signal erfassen. Dies kann zum Beispiel dann auftreten, wenn das Array in Richtung des Rands des Körpers oder Ziels gerichtet ist und nicht alle Pixel einen reflektierten Impuls empfangen.
  • Unter der Annahme, dass in dem Beispiel keine Entfernungsmehrdeutigkeiten bestehen, nimmt die APD 18 den Impuls von dem mittleren Pixel wahr, gefolgt von acht Impulsen in Abfolge von den umgebenden Pixeln. Jeder Impuls tritt in Intervallen von genau oder etwa 200 ns auf, je nach der physikalischen Beziehung zwischen der Ebene des Arrays von Pixeln und dem Winkel zur Lichtquelle. Die Folge der neun Impulse würde innerhalb von etwa 1,6 μs (d. h. 8 × 200 ns) erkannt. Unter der Annahme einer typischen Bilderzeugung mit einer Rahmenfrequenz von 1 kHz wird ersichtlich, das in dem oben aufgeführten Beispiel noch viel mehr Impulse von umgebenden Pixeln erkannt werden könnten, wenn eine Wiederholfrequenz von 1 kHz ein Fenster von 1 Millisekunde (1000 μs) bedeutet. Die Entfernung zu einem Objekt, ungeachtet dessen, ob es sich um das mittlere oder ein umgebendes Pixel handelt, kann daher für jedes Pixel bestimmt werden, und ein 3-dimensionales Bild des beleuchteten Objektes kann konstruiert werden.
  • Ein weiterer Aspekt, der berücksichtigt werden muss, wenn das Beispiel aus 2 betrachtet wird, ist die Gesamtlänge des erforderlichen Glasfaserkabels. In dem Beispiel weist das erste umgebende Pixel eine zugehörige 40 m lange Faser auf, und das letzte (d. h. das 8.) weist eine 320 m lange Faser auf. Die Länge der Faser, die für jedes 3×3-Array erforderlich ist, welches den Empfänger wie in 2 beschrieben verwendet, beträgt 1,44 km. Wenn diese Figur nun auf eine hochskalierte und repräsentative Array-Größe von 24×24 Pixeln angewendet wird, hat das Benutzen einer APD pro neun Pixeln zur Folge, dass vierundsechzig 3×3- Anordnungen erforderlich sind. Demgemäß würde die Gesamtlänge von Glasfaserkabel, die für ein Array von 24×24 Pixeln erforderlich wäre, 92 km betragen. Bei Verwendung von Fasern mit einem Außendurchmesser von 100 μm und unter Annahme einer Packungsdichte von 78% (d. h. π/4) würde dies zur Folge haben, dass ein faseroptisches Volumen von 900 cm3 erforderlich wäre.
  • Dieses Volumen kann um einen Faktor von vier weiter reduziert werden, wenn eine Faser mit einem Durchmesser von 50 μm benutzt würde. Weitere Reduktionen des erforderlichen Faservolumens könnten ebenfalls erzielt werden, indem Fasern mit gespiegeltem Ende verwendet werden, um Doppeldurchgangs-Verzögerungsstichleitungen zu produzieren. Die Einführung von derartigen Doppeldurchgangs-Verzögerungsstichleitungen könnte die physikalische Länge der faseroptischen Übertragungsleitungen 14 effektiv halbieren.
  • Wenn eine Entfernungsmehrdeutigkeit wie die oben beschriebenen tatsächlich besteht, kann dies angegangen werden, indem ein bekannter Entfernungsmesser verwendet wird. Alternativ dazu kann die Erfindung verwendet werden, um Entfernungsmehrdeutigkeiten zu eliminieren. Dies könnte dadurch erfolgen, dass identifiziert wird, welches Pixel welches Signal an die APD überträgt. Dies könnte auf eine Vielfalt von verschiedenen Wegen erfolgen, einschließlich des nachfolgend mit Bezug auf 3 beschriebenen.
  • 3 zeigt einen Laser-Radar-Empfänger zur Bilderzeugung, der dem aus 2 ähnlich ist, aber aus Gründen der Deutlichkeit sind nur die faseroptischen Übertragungskabel 14 von dreien der Pixel gezeigt. Jedes Pixel weist ein Glasfaserkabel 14 auf, um Lichtquelleninformationen zu einer einzelnen APD 18 zu tragen. Jedes der faseroptischen Übertragungskabel 14 ist von einer verschiedenen Länge, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, aber sie unterscheiden sich von den in 2 gezeigten dadurch, dass sie jeweils einen alternativen Pfad 14a aufweisen. Auf diese Weise kommt Licht, dass sich entlang einem faseroptischen Übertragungskabel 14 bewegt, an einer Verzweigungsstelle an und kann sich entweder entlang dem ursprünglichen faseroptischen Übertragungskabel 14 bewegen, oder es kann sich entlang dem alternativen Pfad 14a bewegen. Der alternative Pfad ist ein faseroptisches Übertragungskabel, das die gleichen oder ähnliche Eigenschaften wie das ursprüngliche faseroptische Übertragungskabel 14 aufweist. Der alternative Pfad 14a vereinigt sich mit dem ursprünglichen faseroptischen Übertragungskabel 14 vor der Ankunft an der APD 18. Der alternative Pfad 14a ist von einer anderen Länge als der entsprechende Abschnitt 14b des ursprünglichen faseroptischen Übertragungskabels 14. Somit kommt Licht, dass sich entlang dem längeren Pfad bewegt (in diesem Beispiel 14a, obwohl der alternative Pfad stattdessen ausgeführt sein könnte, um kürzer als der ursprüngliche zu sein), an der APD 18 später an als das Licht, das sich entlang dem kürzeren Pfad (in diesem Beispiel 14b) bewegt, wobei der Unterschied Δd beträgt. Der Unterschied Δd der Ankunftszeiten der zwei Lichtimpulse von jedem beliebigen Pixel an der APD 18 ist vorzugsweise sehr klein im Vergleich zu dem Unterschied der Ankunftszeiten der Lichtimpulse von den verschiedenen Pixeln. (z. B. dem Unterschied zwischen d1 und d8). Jedes Pixel weist einen alternativen Pfad von anderer Länge als derjenigen anderer Pixel auf, so dass der Unterschied Δd für die zwei Lichtimpulse, die von jedem der Pixel getragen werden, verschieden ist. Dies ermöglicht es, dass die Prozessoreinheit 20 identifiziert, welches Pixel das reflektierte Licht empfangen hat.
  • Die 4a und 4b tragen zu der Erläuterung bei, wie Entfernungsmehrdeutigkeiten eliminiert werden können, indem die Vorrichtung, die mit Bezug auf 3 beschrieben ist, verwendet wird. Die Entfernung ist eine Funktion der Zeit, die der Lichtimpuls benötigt, um sich zu dem Körper oder Ziel und zurück zu bewegen, plus die Zeit, die der Lichtimpuls benötigt, um sich entlang dem faseroptischen Übertragungskabel 14 zu bewegen.
  • Die Impulsfolge 50 ist diejenige, die von der APD 18 empfangen werden könnte, wenn die Vorrichtung aus 2 verwendet wird. Die Zeit T0 ist die Zeit, zu der die ersten Lichtquellendaten 1 von einem Pixel empfangen werden. Die Verzögerung der Signale, die die APD erreichen, ist für jedes Pixel aufgrund des Unterschieds der Kabellänge verschieden.
  • Unter der Annahme, dass Licht von den anderen Pixeln zu quasi derselben Zeit empfangen wird und dass keine Entfernungsmehrdeutigkeiten bestehen, würde die Impulsfolge 50 auftreten. Jede Entfernungsmehrdeutigkeit hätte zur Folge, dass die Impulse entweder in einer anderen Reihenfolge als erwartet vorlägen oder dass weniger als ein vollständiger Satz Impulse (in diesem Fall neun) empfangen würden, und der Prozessor weiß dann nicht, welche Pixel die Lichtquellendaten empfangen haben, und daher kennt der Prozessor die Kabellänge für diese Pixel und somit die Entfernung des Objektes nicht.
  • Wenn die Vorrichtung aus 3 in der gleichen Situation eingesetzt würde, dann würde die resultierende Impulsfolge 52 auftreten. Der Unterschied zwischen den von einem Pixel empfangenen Signalen Δd ist für jedes Pixel verschieden (Δd1, Δd2, etc.), und daher kann jedes Pixel, das Lichtquellendaten empfängt, von dem Prozessor identifiziert werden. Jede Entfernungsmehrdeutigkeit, die zur Folge hat, dass weniger als ein vollständiger Satz Impulse empfangen wird, würde die Entfernungsberechnungen nicht behindern, das der Prozessor in der Lage ist, das Pixel, das die Lichtquellendaten empfängt, zu identifizieren, und daher kennt der Prozessor die Kabellänge des Pixels, und die Entfernung des Objektes kann berechnet werden.
  • Anstatt verschiedene Längen von Glasfaserkabel für die alternativen Pfade 14a zu verwenden, könnten Glasfaserkabel 14a mit verschiedenen Eigenschaften stattdessen für jedes Pixel verwendet werden.
  • Es lässt sich erkennen, dass die Frage der Entfernungsmehrdeutigkeit auf eine Vielfalt von verschiedenen Wegen angegangen werden kann.
  • 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der eine andere Anordnung der faseroptischen Verzögerungsleitungen 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42 und 44 bereitgestellt ist. Ein Pixel 24, das im Folgenden als „Haupt"-Pixel bezeichnet wird, ist über eine faseroptische Übertragungsleitung 28 auf eine ähnliche Weise wie der in 2 beschriebenen mit einer APD 18 verbunden. Die Verzögerungsleitung 30, die von dem „Neben"-Pixel f1 ausgeht, ist in die Verzögerungsleitung 28 des Hauptpixels 24 verbunden. Jedes der restlichen „Neben"-Pixel f2, f3, ..., f8 ist auf ähnliche Weise in Serie verbunden, wobei die Verzögerungsleitung 32 vom Pixel f2 in die Verzögerungsleitung 30 des Pixels f1 und weiter in die Übertragungsleitung 28 aus optischer Faser verbunden ist. Die Sequenz des Verbindens der faseroptischen Verzögerungsleitung von jedem zugehörigen Pixel in seinen Nachbarn stellt eine Verzögerungsleitungsstruktur bereit, bei der sich zum Beispiel Lichtsignale 1, die auf das Pixel f8 einfallen, durch die faseroptische Verzögerungsleitung 44 bewegen, weiter durch die faseroptische Verzögerungsleitung 42, die mit dem Pixel f7 assoziiert ist, und auf ähnliche Weise weiter durch die faseroptische Verzögerungsleitung 40, die mit dem Pixel f6 assoziiert ist, bis das Signal schließlich über die Übertragungsleitung 28 aus optischer Faser des Hauptpixels an die APD 18 übertragen wird.
  • Es wird ersichtlich, dass das Verwenden der „In Serie"-Anordnung der Verzögerungsleitungen aus 5 einen Zeitverschiebungseffekt für die Nebenimpulse zur Folge hat, die letztendlich an die APD 18 übertragen werden. Bei Signalen von den Nebenpixeln höherer Ordnung werden größere Verbindungs- und Schnittstellenverluste erwartet, zusammen mit Geisterimpulsen aufgrund mehrfacher Reflektionen entlang der Länge der optischen Fasern der Verzögerungsleitung.
  • Beim Vergleich der Länge von optischer Faser, die erforderlich ist, um ein Array von 24×24 Pixeln herbeizuführen, das die „In-Serie"-Anordnung verwendet, ergibt sich, dass vierundsechzig APD-Detektorelemente, die jeweils acht × 40 Meter Glasfaserkabel aufweisen, folglich eine Gesamtfaserlänge von 20,5 km erfordern. Wenn dies auf einem Faseraußendurchmesser und einer Packungsdichte basiert, die zu denjenigen in dem Beispiel identisch sind, das in der in 2 beschriebenen Ausführungsform gegeben ist, (d. h. Faser von 100 μm AD und Packungsdichte von π/4), entspricht dies einem Faserpackungsvolumen von 200 cm3.
  • Alternative Verfahren, durch die die Verzögerung in die optischen Übertragungsleitungen eines beliebigen der oben beschriebenen Laser-Radar-Empfänger gemäß der vorliegenden Erfindung eingeführt werden kann, schließen ebenfalls, ohne darauf beschränkt zu sein, Variationen des Brechungsindex des Materials der optischen Faser und die Verwendung optischer Fasern aus unterschiedlichen Materialien ein.
  • Des Weiteren könnten die geschnittenen Enden 4 der optischen Fasern 2 mit oder durch Materialien beschichtet oder bedeckt sein, die als Filter dienen, wie etwa als Bandpass-, Hochpass- oder Tiefpassfilter, ohne darauf beschränkt zu sein, um dadurch vorzusehen, dass das System entworfen ist, um auf bestimmte Spannbreiten von Wellenlängen elektromagnetischer Energie zu reagieren.
  • Die oben beschriebene Erfindung könnte alternativ eine Array-Anordnung im Brennfeld umfassen.
  • Die hier beschriebenen Beispiele beziehen sich auf Arrays aus Pixelelementen, die zu regelmäßigen quadratischen Elementen (d. h. 3×3, 4×4, 5×5 etc.) gebildet sind. Dieses Merkmal sollte nicht so ausgelegt werden, dass es die Erfindung auf Array-Muster aus regelmäßigen Formen beschränkt. Arrays gemäß der Erfindung können Pixel umfassen, die zu regelmäßigen oder unregelmäßigen oder zufälligen Strukturentwürfen gebildet sind, sei es planar oder nicht planar (d. h. 2- oder 3-dimensional). Arrays können auch dahingehend konform sein, dass ihre Anwendung derart ist, dass es erforderlich ist, sie in die äußere Oberfläche wie etwa eines Fahrzeugs oder eines Körpers zu integrieren.
  • Zusätzlich dazu ist die Array-Größe nicht auf eine Gruppe von Pixeln beschränkt. Jede Anzahl an Gruppen kann kombiniert werden, um ein Gesamt-Array gemäß der Erfindung zu produzieren. Größere Arrays können Gruppen von Pixeln von jeder der in den 1, 2 oder 3 beschriebenen Gestalten oder in einer beliebigen Kombination davon umfassen.
  • Obwohl diskrete Impulse von kurzer Dauer vorzuziehen sind, ist es möglich, Impulse von längerer Dauer zu empfangen, wie etwa Impulse, die eine längere Dauer aufweisen als der Abstand zwischen Impulsen. In diesem Fall würde die APD einen Strom erfahren, der jedes Mal, wenn die APD ein optisches Signal von einem Pixel empfängt, einen schrittweisen Anstieg aufzeigt.
  • Die Qualität der durch das Benutzen der vorliegenden Erfindung erhaltenen Informationen kann auf individuelle Anwendungen zugeschnitten werden, indem die Anzahl an Impulsen innerhalb eines gegebenen Zeitraums und die Dauer dieser Impulse angepasst werden.

Claims (11)

  1. Ein Laser-Radar-Empfänger zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung (1), der eine Vielzahl von optischen Fasern (14) umfasst, von denen jede ein Eingabeende (4) und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden als ein Array (2) zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung (1) angeordnet sind, wobei die Ausgabeenden der optischen Fasern mit demselben Detektormittel (18) für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei jede der optischen Fasern unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweist, die bekannte und unterschiedliche Verzögerungen in der Übertragungszeit eines Impulses von elektromagnetischer Strahlung von jedem der Eingabeenden der optischen Fasern zu dem Detektormittel für elektromagnetische Strahlung zur Folge haben, wobei jede der optischen Fasern dazu geeignet ist, zumindest entlang einem Teil ihrer Länge einen ersten Pfad (14a) und einen zweiten Pfad (14b) für die elektromagnetische Strahlung zu bieten, wobei jeder Impuls von elektromagnetischer Strahlung zwischen dem ersten Pfad und dem zweiten Pfad aufgespalten wird, wobei der erste Pfad eine von dem zweiten Pfad verschiedene physikalische Eigenschaft aufweist, mit dem Ergebnis, dass die Zeit, die ein Strahlungsimpuls benötigt, um sich entlang dem ersten Pfad zu bewegen, von der Zeit verschieden ist, die ein Strahlungsimpuls benötigt, um sich entlang dem zweiten Pfad zu bewegen.
  2. Laser-Radar-Empfänger nach Anspruch 1, wobei jeder der ersten Pfade (14a) voneinander verschiedene physikalische Eigenschaften aufweist, und wobei jeder der zweiten Pfade (14b) voneinander verschiedene physikalische Eigenschaften aufweist.
  3. Laser-Radar-Empfänger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die physikalische Eigenschaft die Faserlänge ist.
  4. Laser-Radar-Empfänger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die physikalische Eigenschaft der Brechungsindex der Faser ist.
  5. Laser-Radar-Empfänger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die physikalische Eigenschaft das Fasermaterial ist.
  6. Laser-Radar-Empfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest einige der optischen Fasern Doppeldurchgangs-Verzögerungsstichleitungen sind.
  7. Laser-Radar-Empfänger zum Empfangen von gepulster elektromagnetischer Strahlung (1), der eine Vielzahl n von optischen Fasern (28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44) umfasst, von denen jede ein Eingabeende und ein Ausgabeende aufweist, wobei die Eingabeenden als ein Array zum Empfangen der elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind, wobei die optischen Fasern in Serie mit einem Detektormittel (18) für elektromagnetische Strahlung verbunden sind, wobei das Ausgabeende der ersten optischen Faser (44) mit der zweiten optischen Faser (42) benachbart zu deren Eingabeende (f7) optisch verbunden ist, wobei das Ausgabeende der zweiten optischen Faser (42) mit der dritten optischen Faser (40) benachbart zu deren Eingabeende (f6) optisch verbunden ist, und so weiter, so dass die (n – 1)-te optische Faser (30) mit der n-ten optischen Faser (28) benachbart zu deren Eingabeende (24) optisch verbunden ist, und die n-te optische Faser (28) mit einem Detektormittel (18) für elektromagnetische Strahlung verbunden ist, so dass die Übertragung von elektromagnetischer Strahlung von jedem der Eingabeenden zu dem Detektormittel einer unterschiedlichen Zeitverzögerung ausgesetzt sein wird.
  8. Laser-Radar-Empfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Array ein konformes Array ist.
  9. Laser-Radar-Empfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Array ein Array im Brennfeld (Focal Plane Array) ist.
  10. Laser-Radar-Empfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Eingabeenden der optischen Fasern Mittel zur selektiven Filterung der Wellenlänge der zu dem Detektormittel übertragenen Laserenergie umfassen.
  11. Laser-Radar-Empfänger nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Array eine Vielzahl von kleineren Einzel-Arrays umfasst.
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