DE69210677T2

DE69210677T2 - Echoabstandmesssystem mit Eichungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69210677T2
Application number: DE69210677T
Authority: DE
Inventors: Michel Maignan; Gilles Vendrome
Original assignee: Alcatel NV
Current assignee: Alcatel Lucent NV
Priority date: 1991-04-29
Filing date: 1992-04-28
Publication date: 1996-09-26
Anticipated expiration: 2012-04-29
Also published as: ES2086682T3; ATE138206T1; EP0511914A1; DE69210677D1; JP3003873B2; US5442360A; FR2675907A1; JPH05508228A; WO1992019985A1; EP0511914B1; FR2675907B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Abstandsmessung und insbesondere Radargeräte oder Höhenmesser, die das Echo von Mikrowellen auswerten.
Die genaue Eichung von Radargeräten für sehr große Reichweiten oder von Höhenmessern auf einem Satelliten ist mit aktiven Zielen schwierig zu realisieren, da man hierfür Verzögerungsleitungen im Mikrowellenbereich mit Verzögerungen von mehreren Millisekunden verwenden müßte. Seit dem Aufkommen von Radargeräten werden Eichziele für die Entfernungseichung verwendet. Diese passiven Ziele bestehen aus Metallreflektoren und müssen eine ausreichend große äquivalente Radarfläche bieten, damit das Leistungs verhältnis zwischen den Echos vom Ziel und den Störechos vom Boden und von der Umgebung für die gewünschte Eichgenauigkeit hinreicht. Diese Ziele sind recht groß, kaum beweglich, teuer und oft von der Polarisation der einfallenden Welle abhängig. Daher wurden aktive Eichziele entwickelt, die aus einer Empfangsantenne und einer Sendeantenne bestehen, welche über einen Verstärker miteinander verbunden sind. Ihre Abmessungen sind kleiner und die Leistung ihrer Echos verbessert die Genauigkeit der Eichung. Alle diese Ziele müssen im Feld des Radargeräts liegen, was nicht immer realisierbar ist, wie beispielsweise im Fall eines Radargeräts für große Entfernungen oder eines Höhenmesser-Radars auf einem Satelliten oder einem Flugzeug. Außerdem sind sie stets den Echos vom Boden unterworfen. Um das Ziel dem Radargerät anzunähern, muß man das Ziel in einen Echosimulator umwandeln, d.h. einem Ziel eine Verzögerungsleitung für die Strecke der Mikrowellensignale hinzufügen.
Zu diesem Thema ist der Aufsatz "Delayed-action reflector for external calibration of synthetic aperture radar" von K. Komiyama von Interesse, der in Electronics Letters vom 30. März 1989, Vol. 25 No 27, Seite 468 veröffentlicht wurde.
Mit akustischen oder elektronischen Mikrowellen- Verzögerungsleitungen kann man keine ausreichend langen Verzögerungszeiten erzielen. Eine auf Radargeräte angewendete Ausführungsform ist in dem Patent US-A-4 683 473 beschrieben. Sie besteht darin, eine Verzögerungsleitung zu verwenden, die selektiv auf sich selbst so rückgeschleift sein kann, daß die Verzögerungszeit zur Eichung des Radargeräts erhöht wird. Der Ausgang der Verzögerungsleitung ist an einen Verstärker angeschlossen, der die Verluste in der Schleife kompensieren soll. Diese rein elektronische Lösung ermöglicht es jedoch nicht, sehr lange Verzögerungszeiten zu erzielen, da die Anzahl der Schleifendurchläufe des Signals durch die Kumulierung der Verzerrungen begrenzt ist, die sich bei jedem Durchgang des Signals durch die Schleife ergeben. Daher wurde vorgeschlagen, für die Eichung optische Verzögerungsleitungen bestehend aus sehr langen Lichtleitfasern zu Verzögerungszwecken zu verwenden. Die geringe Dämpfung der Lichtleitfaser erlaubt lange Verzögerungszeiten, und das breite Durchlaßband erlaubt es, das Mikrowellensignal direkt auf die optische Welle ohne Frequenzänderung aufzumodulieren.
Außerdem ist bemerkenswert, daß die so erzielte Verzögerung vom Typ des Radarimpulses wegen der großen Durchlaßbandbreite der Lichtleitfaser unabhängig ist. Zu diesem Thema sind folgende Aufsätze von Interesse:
- "Wideband 150 µs optical delay line for satellite altimetric radar checking" von M. Maignan, J.J. Bernard, P. de Chateau Thierry, veröffentlicht in Electronics Letters vom 7. Juli 1988, Vol 24 No 14, Seite 902,
- "Radar applications of X-band fiber optic links" von I.L. Newberg, C.M. Gee, G.D. Thurmond, veröffentlicht unter 0149- 645X/88/0000-0987$01.00 c 1988 IEEE,
- "Long microwave delay fiber-optic link for radar testing" von I.L. Newberg, G.D. Thurmond, W. Yen, veröffentlicht in IEEE Transactions of microwave theory and techniques, Vol. 38 No 5, Mai 1990.
Die Patentanmeldung FR-A-2 546 307 beschreibt einen Reichweitesimulator für die überprüfung eines Laserentfernungsmessers. Der Simulator verwendet eine Lichtleitfaser in Schleifenform, die eine Reihe von verzögerten Impulsen als Antwort auf einen Ausgangsimpuls des Entfernungsmessers liefert. Diese rein optische Vorrichtung betrifft allein die Eichung eines Laserentfernungsmessers, in dem eine leistungsfähige Laserquelle vorhanden ist. Diese Lösung eignet sich daher nicht für die Eichung von Entfernungsmeßsystemen, die nicht-optische Signale verwenden, wie z.B. Mikrowellensignale.
Ziel der Erfindung ist es also, eine Eichung für ein Entfernungsmeßsystem mit elektrischen Signalen zu realisieren, mit der große Echoentfernungen simuliert werden können, und zwar mit Hilfe einer optischen Verzögerungsleitung Die Erfindung hat auch zum Ziel, eine Eichvorrichtung mit einer solchen Verzögerungsleitung anzugeben, die ein geringes Gewicht und einen geringen Raumaufwand bietet. Solche Eigenschaften erlauben es nämlich, die Vorrichtung in das Meßsystem zu integrieren, wenn es von einer gemeinsamen Einheit gebildet wird.
So ist Gegenstand der Erfindung eine Eichvorrichtung für ein Entfernungs-Meßsystem
- mit Meßsignal-Sendemitteln, die ein Meßstartsignal elektrischer Art liefern und eine Startwelle aussenden,
- mit Meßsignal-Empfangsmitteln, die eine Echowelle empfangen, die von einem Echo der Startwelle gebildet wird, und die ein Meßendesignal elektrischer Art liefern,
- mit einem Meßchronometer, der ein Zählstartsignal bestehend aus dem Meßstartsignal und ein Zählendesignal bestehend entweder aus dem Meßendesignal oder aus einem Eichendesignal empfängt,
wobei die Eichvorrichtung aufweist:
- ein optisches Mittel, das ein optisches Startsignal aufgrund der Startwelle liefert,
- eine Lichtfaser-Verzögerungsleitung, die eingangsseitig an das optische Mittel und ausgangsseitig an eine Detektoreinheit angeschlossen ist, welche ein verzögertes Signal elektrischer Art liefert,
dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung eine Lichtleitfaser in Form einer Schleife und mit einem optischen Verstärker und einem Koppler enthält, der in diese Lichtleitfaser das optische Startsignal einspeist und zumindest ein Teil eines durch die Schleife gelaufenen optischen Signals erneut in diese Faser einspeist und aus ihr entnimmt, wobei der entnommene Anteil an die Detektoreinheit übertragen wird, und daß ein Signalauswahlorgan an den Ausgang der Detektoreinheit angeschlossen ist, das das Eichendesignal liefert.
Eine solche Vorrichtung mit optischer Verzögerungsschleife kann nicht nur verwendet werden, um aktive Ziele zur Eichung von Radargeräten mit großer Reichweite unter geschützten Bedingungen zu bilden, sondern auch, um ein in Betrieb befindliches Radargerät zu eichen, ohne dafür ein von außerhalb erfaßbares Signal ausgeben zu müssen (man kann einen Kanalschalter verwenden). Außerdem kann eine Verwendung in einem Satelliten in Betracht gezogen werden, um ein Höhenmeßradar präzise zu eichen.
Mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen wird nun ohne Beschränkungsabsicht beschrieben, wie die vorliegende Erfindung realisiert werden kann.
Die einzige Figur zeigt ein erfindungsgemäßes System. Dieses System enthält Sendemittel 2, 4, 6, 8, die nachfolgend Meßsignal-Sendemittel genannt werden. Sie erzeugen ein Meßstartsignal MA elektrischer Art und senden eine Startwelle WA bestehend aus einer Explorationsstrahlung aus, die in bekannten zeitlichen Bezug mit diesem Signal moduliert ist. Insbesondere enthalten die Sendemittel einen Impulsgenerator 2, der das Meßsignal in Form eines kurzen Impulses liefert, und einen Mikrowellensender 4, der abhängig davon die Startwelle liefert. Ein Wellenleiter 5 leitet diese Welle an einen Duplexer 6, der sie über einen Wellenleiter 7 an eine Antenne 8 weiterleitet.
Das System enthält weiter Empfangsmittel 8, 6, 12, die Meßsignal-Empfangsmittel genannt werden. Diese Mittel empfangen eine Echowelle WB, die aus dem Echo der von einem Ziel 10 reflektierten Startwelle gebildet wird. Sie liefern daraus ein Meßendesignal MB elektrischer Art, das in einer vorbestimmten zeitlichen Relation zur reflektierten Welle steht.
Insbesondere empfängt die Antenne 8 die vom Ziel 10 reflektierte Welle und lenkt sie durch den Wellenleiter 7, den Duplexer 6 und einen Wellenleiter 11 zu einem Mikrowellenempfänger 12, der das Meßendesignal MB liefert. Dieses Signal wird insbesondere in einer Hilfsverarbeitungsvorrichtung 13 behandelt, die die Messung von Parametern des Ziels außer seines Abstands gemäß den Bedürfnissen des Benutzers erlaubt.
Ein Meßchronometer 14 empfängt zuerst ein Zähl- Startsignal MA, das zumindest in einer Meßkonfiguration des Systems aus dem Meßstartsignal MA besteht. Dieser Chronometer empfängt dann ein Zählendesignal, das in dieser gleichen Meßkonfiguration vom Meßendesignal MB gebildet wird. Seine Aufgabe ist es, einen für die Verzögerung des Zählendesignals bezüglich des Zählstartsignals repräsentativen Wert zu liefern. Dieser Wert wird nachfolgend Verzögerungswert genannt. In dieser Meßkonfiguration ist dieser Verzögerungswert ein Maß für den Abstand des Ziels 10.
Insbesondere besteht das Zählstartsignal stets aus dern ursprünglichen Meßsignal MA.
Die Eichvorrichtung 16 des Systems ist so gestaltet, daß sie ein Eich-Startsignal CA empfängt und mindestens ein Eich-Endesignal CB liefert, das eine bekannte Eichverzögerung bezüglich des Eich-Startsignals besitzt. Diese Eich- Start- und -Endesignale bilden die Zählstart- und -endesignale in einer Eichkonfiguration des Systems. Sie ermöglichen es dann, eine Eichoperation durchzuführen, die den Meßchronometer 14 eicht und während der das Eich-Endesignal eine Simulation eines "Echos" darstellt.
Die innere Struktur dieser Eichvorrichtung wird weiter unten erläutert.
Konfigurationsschaltmittel schalten das System abwechselnd oder gleichzeitig in die Meßkonfiguration und die Eichkonfiguration. Diese Mittel bestehen insbesondere aus einem Kanalschalter 18, wenn das Meßsystem eine Baueinheit bildet. Sie könnten aber auch anders ausgebildet sein, beispielsweise in Form von Mitteln zur Aktivierung eines aktiven Eichziels, wenn das Meßsystem ein solches Ziel enthält.
Der Kanalschalter 18 empfängt das Meßendesignal MB und das Eichendesignal CB und leitet jeweils eines dieser Signale zum Chronometer 14 als Zählendesignal.
Die Eichvorrichtung 16 enthält ein optisches Mittel 20, das ein optisches Startsignal OA in vorgegebener Zeitrelation mit dem Eichstartsignal CA liefert. Insbesondere ist dieses optische Mittel ein optischer Sender, der einen Bruchteil der vom Mikrowellensender 4 aufgrund des Meßstart signals MA ausgesendeten Mikrowelle empfängt. Das Meßstartsignal wird zu Beginn des Eichprozesses wie zu Beginn eines Entfernungsmeßvorgangs ausgesendet. Dieser Bruchteil bildet das Eichstartsignal CA.
Wie bekannt, enthält die Eichvorrichtung weiter eine optische Verzögerungsleitung (F2, F3) bestehend aus mindestens einer Lichtleitfaser. Eine solche Verzögerungsleitung empfängt an einem Eingang B3 Leitungs-Eingangssignale wie z.B. das optische Startsignal OA. Sie besitzt weiter einen Leitungsausgang B2, an dem ein Leitungs-Ausgangssignal OC als Antwort auf jedes der Leitungs-Eingangssignale mit einer geeichten Leitungsverzögerung bezüglich des Leitungs-Eingangssignals vorliegt. Dieses Leitungs-Ausgangssignal ergibt dann ein verzögertes optisches Signal OR.
Die innere Struktur dieses Organs ist für die vorliegende Erfindung typisch und erlaubt es, nicht nur ein verzögertes optisches Signal, sondern mehrere solche Signale zu liefern. Dies wird weiter unten erläutert.
Eine Detektoreinheit empfängt jedes verzögerte optische Signal OR und liefert ein verzögertes Detektorsignal DR, wobei das Eichendesignal CB durch ein solches verzögertes Detektorsignal gebildet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die optische Verzögerungsleitung in einer optischen Verzögerungsschleife 22 enthalten, die auch einen optischen Koppler 26 enthält. Dieser Koppler besitzt eine erste Klemme B1 als Schleifeneingang, um das optische Startsignal OA zu empfangen. Eine zweite Klemme B2 bildet den Leitungsausgang und liefert die Leitungs-Ausgangssignale OC. Eine dritte Klemme B3 bildet den Eingang der Verzögerungsleitung und speist in die optische Verzögerungsleitung einen umlaufenden Teil des optischen Startsignals und jedes der Leitungs-Ausgangssignale ein, so daß die so eingespeisten Signalteile die Leitungs- Eingangssignale OB bilden und sich ein Mehrfachumlauf der Signale ergibt. Die Leitungsverzögerung bildet damit eine Elementarverzögerung. Der Koppler 26 besitzt schließlich eine vierte Klemme B4, die einen Schleifenausgang bildet und eine Folge von verzögerten optischen Signalen OR liefert, die von ausgekoppelten Anteilen der Leitungs-Ausgangssignale OC gebildet werden. Diese verzögerten optischen Signale besitzen bezüglich des optischen Startsignals OA geeichte Verzögerungen gleich der Elementarverzögerung multipliziert mit aufeinanderfolgenden ganzen Zahlen.
Die Schleife 22 enthält weiter einen Schleifenverstärker 28 in Form eines in Reihe eingefügten optischen Verstärkers, um die Energieverluste teilweise zu kompensieren, denen die Leitungs-Eingangs- und -Ausgangssignale der Schleife und des optischen Kopplers unterliegen.
Insbesondere besteht die optische Verzögerungsleitung aus einer ersten Lichtleitfaser F2, die den Verstärker 28 speist, und einer zweiten Lichtleitfaser F3 gleicher Länge, die von diesem Verstärker gespeist wird.
Die Detektoreinheit 30, 32, 34 empfängt die verzögerten optischen Signale OR und liefert abhängig davon eine entsprechende Folge von verzögerten Detektorsignalen DR. Insbesondere enthält die Detektoreinheit einen optischen Detektor 30, der ein verzögertes Mikrowellensignal HR abhängig von jedem verzögerten optischen Signal OR liefert, einen Mikrowellenverstärker 32, der dieses verzögerte Mikrowellensignal verstärkt, und einen Mikrowellendetektor 34, der ein verzögertes Detektorsignal DR abhängig von diesem verzögerten Mikrowellensignal HR liefert.
Die Eichvorrichtung enthält weiter ein Signalauswahlorgan 36, das diese Folge von verzögerten Detektorsignalen DR empfängt und einen Anfangsanteil dieser Folge unterdrückt. Das erste verzögerte Detektorsignal, das nicht unterdrückt wurde, wird an den Ausgang der Eichvorrichtung 16 geliefert, um das Eichendesignal CB zu bilden.
Dieses Signalauswahlorgan 36 wird durch ein Wählstartsignal MA ausgelöst, das in einer bekannten zeitlichen Relation mit dem Eichstartsignal CA liegt, um das Eichendesignal CB in der Folge von verzögerten Detektorsignalen DR auszuwählen. Insbesondere besteht dieses Wählstartsignal aus dern Meßstartsignal MA.
Die Auswahl des Eichendesignals kann aufgrund einer Zählung der verzögerten Detektorsignale erfolgen. Das Wahlorgan 36 unterdrückt dann beispielsweise die vier ersten verzögerten Detektorsignale und läßt das fünfte Signal durch, das das Eichendesignal bildet, mit dem der Chronometer 14 angehalten wird. Die Anzahl von unterdrückten Signalen ist einstellbar. Diese Auswahl kann auch erfolgen, indem die verzögerten Detektorsignale während einer vorbestimmten regelbaren Zeitdauer unterdrückt werden, die nicht mit sehr großer Genauigkeit bestimmt werden muß, da sie nur im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden verzögerten Detektorsignalen liegen muß.
Die von dem Eichendesignal CB bezüglich des Eichstartsignals CA gebildete Verzögerung ist damit identisch einem einstellbaren ganzzahligen Vielfachen von elementaren Eichverzögerungen.
Beispielsweise kann der optische Sender 20 von einem mit Strom modulierbaren Halbleiter gebildet werden. Seine Sendeleistung beträgt 1 mW optisch und wird in eine Faser F1 am Eingang des optischen Kopplers 26 eingespeist. Die Rauschleistungsdichte beträgt -150 dBm/Hz.
Der optische Koppler 26 kann die folgenden Kopplungsraten besitzen:
- von der Klemme B1 zur Klemme B4: 45%
- von der Klemme B1 zur Klemme B3: 45%.
Der optische Verstärker 28 kann aus einer mit Erbium dotierten und optisch gepumpten Lichtleitfaser bestehen. Er kann die folgenden Eigenschaften besitzen:
- Verstärkungsgrad 22 dB
- spontane Sendeleistungsdichte: -20 dBm/nm
- Breite des optischen Filters: 0,3 nm.
Die Lichtleitfasern F2 und F3 können je 50 km lang sein, eine Dämpfung von 0,2 dB/km und eine Ausbreitungsverzögerung von 5 µs/km besitzen, so daß sich eine Elementarverzögerung von 500 ms ergibt.
Der optische Detektor 30 kann aus einer mit einer Impedanz von 50 Ω belasteten Fotodiode bestehen.
Wenn unter diesen Bedingungen der Sender 20 mit einem Signal CA in Form eines Sinusimpulses einer mittleren Leistung von etwa +10 dBm moduliert wird, erhält man eine Folge von Mikrowellen-Detektorsignalen HR in Form von Impulsen, deren Leistung an den Klemmen der Fotodiode 30 etwa folgende Werte hat:
- für den ersten Impuls -30 dBm
- für jeden weiteren Impuls nimmt die Impulsleistung um 3 dB ab.
Das Rauschen hat unter diesen Bedingungen eine Leistungsdichte von etwa -150 dBm/Hz.

Claims

1. Eichvorrichtung für ein Entfernungs-Meßsystem

- mit Meßsignal-Sendemitteln (2, 4, 6, 8), die ein Meßstartsignal (MA) elektrischer Art liefern und eine Startwelle (WA) aussenden,

- mit Meßsignal-Empfangsmitteln (8, 6, 12), die eine Echowelle (WB) empfangen, die von einem Echo der Startwelle gebildet wird, und die ein Meßendesignal (MB) elektrischer Art liefern,

- mit einem Meßchronometer (14), der ein Zählstartsignal bestehend aus dem Meßstartsignal (MA) und ein Zählendesignal (MB, CB) bestehend entweder aus dem Meßendesignal (MB) oder aus einem Eichendesignal (CB) empfängt,

wobei die Eichvorrichtung (16) aufweist:

- ein optisches Mittel (20), das ein optisches Startsignal (OA) aufgrund der Startwelle (WA) liefert,

- eine Lichtfaser-Verzögerungsleitung, die eingangsseitig an das optische Mittel (20) und ausgangsseitig an eine Detektoreinheit (30, 32, 34) angeschlossen ist, welche ein verzögertes Signal (DR) elektrischer Art liefert,

dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsleitung eine Lichtleitfaser (F2, F3) in Form einer Schleife und mit einem optischen Verstärker (28) und einem Koppler (26) enthält, der in diese Lichtleitfaser das optische Startsignal (OA) einspeist und zumindest ein Teil eines durch die Schleife gelaufenen optischen Signals erneut in diese Faser einspeist und aus ihr entnimmt, wobei der entnommene Anteil an die Detektoreinheit (30, 32, 34) übertragen wird, und daß ein Signalauswahlorgan (36) an den Ausgang der Detektoreinheit (30, 32, 34) angeschlossen ist, das das Eichendesignal (CB) liefert.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Startwelle (WA) eine Mikrowelle ist.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalauswahlorgan (36) von einem Wählauslösesignal (MA) ausgelöst wird, das in einer bekannten zeitlichen Relation mit der Startwelle (WA) steht.