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Dokumentenidentifikation DE60218307T2 15.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001397697
Titel LADAR SYSTEM MIT SYNTHETISCHER APERTURE UND INKOHÄRENTEN LASERIMPULSEN
Anmelder Raytheon Co., El Segundo, Calif., US
Erfinder HALMOS, Maurice, J., Encino, CA 91436, US
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 60218307
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.10.2002
EP-Aktenzeichen 027938554
WO-Anmeldetag 30.10.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/US02/34753
WO-Veröffentlichungsnummer 2003038465
WO-Veröffentlichungsdatum 08.05.2003
EP-Offenlegungsdatum 17.03.2004
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse G01S 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Laser-Radar-Syteme (Ladars). Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur, die nicht-kohärente Laserpulse verwenden.

Beschreibung des Stands der Technik

Laser-Systeme werden bei verschiedenen Anwendungen eingesetzt, einschließlich bei dreidimensionaler Bildgebung mit hoher Auflösung, Kartenerstellung, chemischer Analyse und Anwendungen bei der militärischen Zielerfassung. Solche Anwendungen benötigen genaue, raum-effiziente und kosteneffektive Ladar-Systeme.

Ladar-Systeme lassen sich besonders gut für dreidimensionale bildgebende Anwendungen mit hoher Auflösung im Weitbereich anwenden, die zum Abbilden des Geländes und Anwendungen zur Bildgebung bei der Zielerfassung in Satelliten und Raketensystemen eingesetzt werden. Ein Ladar-System weist oft eine Gruppe von Sensoren auf, die in einem Satelliten, Raketensystem oder Flugzeug angeordnet sind. Die Gruppe von Sensoren hat eine oder mehrere feste physikalische Aperturen durch die ein Ladar-System eine Umgebung betrachtet. Ein Ladar-System betrachtet die Umgebung, indem ein Laser durch die Apertur in Richtung der Umgebung gesendet wird. Der Laser wird von der Umgebung reflektiert, wodurch ein rückkehrender Laser entsteht, der von dem Ladar-System detektiert wird. Viele konventionelle Radar- und Ladar-Systeme messen die Intensität des rückkehrenden Strahls und die Umlaufverzögerung (round trip delay) vom Senden bis zur Detektion, die die Distanz (Entfernung) bis zur Umgebung liefert. Die Intensität des rückkehrenden Lasers und Information über den Abstandsbereich kann mit anderen Bildinformationen kombiniert werden, um die Nachverfolgung eines Ziels, die Abbildung eines Geländes usw. zu vereinfachen.

Ladar-Systeme sind entweder kohärent oder nicht-kohärent. Kohärente Ladar-Systeme senden einen Laserstrahl mit einer vorgegebenen Phase und Frequenz. Die Kenntnis bezüglich der spektralen Charakteristik des gesendeten Laserstrahls ermöglicht es kohärenten Ladar-Systemen, weitere Informationen über die Umgebung aufzunehmen, wie bspw. die Bewegung eines Ziels, und das Signal/Rauschverhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) im Vergleich zu entsprechenden nicht-kohärenten Ladar-Systemen zu verbessern. Die Geschwindigkeit eines Ziels kann aus dem Frequenzspektrum des rückkehrenden Lasers bestimmt werden.

Konventionelle nicht-kohärente Ladar-Systeme haben üblicherweise keine Information bezüglich der Phase und der Frequenz bezogen auf den gesendeten Laserstrahl. Ein nicht-kohärenter Detektor verbindet verschiedene Wellenlängen des rückkehrenden Lasers und wandelt diese in entsprechende elektrische Signale. Daraus folgt, dass ohne die Information bezüglich des Laserspektrums bestimmte Arten der Rauschfilterung, die das SNR erhöhen würden, schwer zu implementieren sind oder gar nicht implementiert werden können.

Im Allgemeinen haben kohärente Ladar-Systeme viele Vorteile gegenüber nicht-kohärenten Ladar-Systemen. Zum Beispiel haben kohärente Ladar-Systeme im Allgemeinen ein besseres SNR als entsprechende nicht-kohärente Systeme. Anders als inkohärente Ladar-Systeme können kohärente Ladar-Systeme eine Schrot-Rauschenlimitierte (Shot Noise Limited, SNL) Empfindlichkeit erreichen um das SNR zu maximieren. Die SNL-Empfindlichkeit wird erzielt, indem die Leistung eines lokalen Oszillators erhöht wird, der auf die Detektoroberflächen gerichtet ist.

Üblicherweise wird der Empfangsdetektor eines kohärenten Ladar-Systems von einem rückkehrenden Laser und einem Referenzstrahl des lokalen Oszillators beleuchtet. Der Detektor gibt das Kreuzprodukt der optischen Felder des rückkehrenden Lasers und des lokalen Oszillators aus. Die gewünschte Information über eine Umgebung ist in dem Anteil des Ausgangssignals des Detektors enthalten, der mit der Frequenzdifferenz zwischen dem Referenzstrahl des lokalen Oszillators und dem rückkehrenden Laser oszilliert. Dieses Ausgangssignal wird oft mittels eines engen Bandpassfilters gefiltert, um Rauschen in den Frequenzbereichen zu eliminieren, die außerhalb der vorhergesagten Signalbereiche liegen. Das Filtern des Rauschens wird durch die Bewahrung der Spektrumsinformation, die sich auf den gesendeten Laser bezieht, ermöglicht, und zwar mittels eines heterodynen oder homodynen Detektionsprozesses. Nicht-kohärente Ladar-Systeme führen im Allgemeinen das Filtern des Rauschens nicht durch, da ihnen die erforderliche Information bezüglich des Spektrums bezogen auf den gesendeten Laserstrahl fehlt. Unglücklicherweise sind kohärente Ladar-Systeme im Allgemeinen empfindlicher hinsichtlich Fehlausrichtungen und Strahlverzerrungen.

Bei einem konventionellen bildgebenden Ladar-System, das kein Verfahren mit einer synthetischen Apertur einsetzt, ist die Quer-Auflösung (cross-resolution) des Bildes auf die Größe der Apertur des Ladar-Systems beschränkt. Sehr große und teuere Aperturen werden benötigt, um eine ausreichende Auflösung für viele aktuelle bildgebende und abbildende Anwendungen im Weitbereich zu erhalten. Dies ist insbesondere problematisch für Ladar-Systeme, die in Satelliten oder Raketensystemen eingesetzt werden, die sehr beschränkende Raumbegrenzungen haben und Fähigkeiten der Weitbereichserfassung benötigen.

Um die Anforderungen an die Größe der Apertur zu verringern, werden Radar- und Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur verwendet. Bei einem Ladar-System mit synthetischer Apertur wird zusätzliche Information über die Umgebung dadurch gewonnen, indem der Betrachtungswinkel bezogen auf die Umgebung geändert wird. Diese zusätzliche Information, die Cross-Range-Information (Entfernung/Abmessung quer zur Entfernungsrichtung) genannt wird, ist in Doppler-Frequenzverschiebungen enthalten, die in dem rückkehrenden Laser detektiert werden und dadurch hervorgerufen werden, indem der gesendete Laser verschiedene Merkmale der Umgebung unter verschiedenen Winkeln trifft. Cross-Range-Information gibt die relative Winkelposition von bestimmten Merkmalen der Umgebung wieder, die einem bestimmten Bereich oder einer bestimmten Distanz von dem Ladar-System zugeordnet sind. Die Cross-Range-Information wird mit der Range-Information (Entfernungsinformation) kombiniert, um ein genaues Umgebungsprofil zu erhalten und so das Bild von der Umgebung zu verbessern.

Anwendungen zur Topographie mit hoher Auflösung, die in einer Entfernung von ungefähr 100 Kilometern, mit einer für die Augen sicheren Wellenlänge von 1,5 × 10–6 m und einer typischen Quer-Auflösung von 20 cm arbeiten, benötigen eine konventionelle Apertur von ungefähr 75 cm, was für viele Applikationen untragbar groß und teuer ist. Die große Apertur ist außerdem unerwünscht empfindlich bezüglich thermischen Verzerrungen und Verzerrungen durch die Schwerkraft. Ein entsprechendes Ladar-System mit synthetischer Apertur, das sich auf einer Plattform befindet, die sich mit bspw. 100 m/s bewegt, würde 7,5 Millisekunden (ms) benötigen, um die erforderliche 75 cm Apertur abzudecken. Bei einem traditionellen Ladar ist es erforderlich, dass der Lasersender eine Wellenform mit hoher Energie erzeugt, die über die gesamten 7,5 ms kohärent ist. Die hohe Leistung ist oft erforderlich, um die gewünschten weiten Bereiche zu erreichen. Üblicherweise sind kohärente Wellenformen, die länger als ein Bruchteil einer Millisekunde sind, schwer zu erzielen, insbesondere bei hohen Energiepegeln. Zusätzlich zu der für die Kohärenz erforderliche Zeit und der hohen Leistung, erfordern die gesendeten Wellenformen eine hohe Bandbreite, um eine hohe Auflösung im unteren Bereich (down-range) zu erzielen, wodurch sich üblicherweise Bandbreite-Zeit-Produkte (BT) größer als 300.000 ergeben. Dies bedeutet, dass die gesendete Wellenform auf 1/300.000 (1/BT) genau (phasen-kohärent) sein muss. Daher sind die konventionellen Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur im Allgemeinen nicht erfolgreich gewesen, dieses Bandbreite-Zeit-Produkt zu erreichen.

Frühere Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur konnten nicht eine Kohärenz des Senders für eine ausreichende Zeitdauer beibehalten, um eine Umgebung genau zu messen. Genaue Messungen mit einer synthetischen Apertur benötigen eine relativ hohe Energie für den Strahlenpuls, wobei die Kohärenz schwer beibehalten werden kann. Zum Beispiel werden Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur, die Abfolgen von FM-Chirp-Signalen einsetzen, auf einigen mobilen Ladar-Systemen verwendet. Unglücklicherweise fällt es diesen Systemen schwer die Kohärenz des Laserstrahls beizubehalten, wodurch sich minderwertige Fähigkeiten bei der Bildgebung ergeben.

Im Allgemeinen benötigen konventionelle Ladar-Systeme mit synthetischer Apertur eine kohärente Wellenform während der Messzeit innerhalb derer der rückkehrende Laser detektiert wird. Dadurch wird die Auswahl bezüglich der Wellenform erheblich beschränkt und die Verwendung von ansonsten bevorzugten Wellenformen, wie bspw. Q-switched Pulsen mit hoher Energie, verhindert.

Ein Ladar-System mit synthetischer Apertur ist aus dem Artikel von T. Kyle: „High Resolution Laser Imagainag System", XP32707, veröffentlicht in Applied Optics, Vol. 28, Nr. 13, Juli 1989, bekannt.

Ein Laser-System zur Verarbeitung von Geschwindigkeit, bei dem die Effekte von Schwankungen bei der Frequenz und der Phase der gesendeten Wellenformen eliminiert werden, ist aus der US 5,815,250 bekannt.

Daher besteht der Bedarf an einem effizienten Ladar-System mit synthetischer Apertur, das nicht das Senden eines kohärenten Laserstrahls benötigt, aber dennoch die Vorteile von kohärenten Ladar-Systemen im Vergleich zu den konventionellen nicht-kohärenten Ladar-Systemen bewahrt und dabei die Vorteile bei der Strahlausrichtung von nicht-kohärenten Systemen beibehält. Es besteht des Weiteren der Bedarf an einem Ladar-System mit synthetischer Apertur, das Q-switched Laserpulse und einen entsprechenden Empfänger zum Detektieren eines zurückkehrenden Q-switched Lasers verwendet.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Der zuvor genannte Bedarf auf diesem technischen Gebiet wird mittels eines Ladar-Systems mit synthetischer Apertur gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen wiedergegeben, gedeckt, welches nicht-kohärente Laserpulse verwendet. Bei dem erläuternden Ausführungsbeispiel ist das erfinderische System für eine Verwendung mit einem Ladar-System mit synthetischer Apertur angepasst, wie es bei Anwendungen zur militärischen Zielerfassung und Bildgebung verwendet wird. Das Ladar-System mit synthetischer Apertur weist eine erste Vorrichtung zum Erzeugen eines nicht-kohärenten Laserstrahls auf. Eine zweite Vorrichtung zeichnet die Phaseninformation auf, die sich auf den Laserstrahl bezieht, und sendet nachfolgend den Laserstrahl von dem System als Antwort darauf. Eine dritte Vorrichtung empfängt die reflektierte Version des Laserstrahls und liefert ein Empfangssignal als Antwort darauf. Eine vierte Vorrichtung korrigiert das empfangene Signal basierend auf der Phaseninformation, die von der zweiten Vorrichtung aufgezeichnet wurde.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist das Ladar-System ein Ladar-System mit einer synthetischen Apertur, das des Weiteren eine fünfte Vorrichtung aufweist, um das Ladar-System zu bewegen, während das Ladar-System in Betrieb ist. Der vierte Mechanismus weist einen Prozessor der synthetischen Apertur (synthetic aperture processor) auf, um das empfangene Signal im Hinblick auf Phaseninformation zu korrigieren und ein korrigiertes Ladar-Signal als Antwort darauf bereitzustellen. Der Prozessor der synthetischen Apertur weist eine Vorrichtung zur Anwendung einer diskreten Fouriertransformation (Discrete Fourier Transform, DFT) auf das korrigierte Ladar-Signal auf, um eine hoch auflösende Frequenz- und Cross-Range-Information zu erhalten. Eine fünfte Vorrichtung erzeugt ein Umgebungsprofil mit kohärentem Range-Doppler (Entfernungs-Doppler) basierend auf dem korrigierten Ladar-Signal und der Bewegung des Ladar-Systems.

Die fünfte Vorrichtung weist einen Er:Yb:Glas Q-switched Laser oder einen Er:Yb:YAG Laser mit hoher Energie auf, um den abgestrahlten Laserstrahl zu erzeugen. Die zweite Vorrichtung weist einen Digitalisierer zum Aufzeichnen der Phaseninformation und der Frequenzinformation auf. Die Phaseninformation beinhaltet Wellenforminformation über den abgestrahlten Laserstrahl, einschließlich der gemessenen Phasensprünge, Phasenverschiebungen, Frequenzsprünge und Frequenzverschiebungen. Der abgestrahlte Laserstrahl weist Ladar-Pulse auf, die Q-switched sind oder Q-switched mit festem Mode (Q-switched mode locked) sind und eine zufällige Phase (inkohärent) von Schuss zu Schuss (shot to shot) haben.

Die dritte Vorrichtung weist einen In-Phase (I) und Quadratur (Q) Empfänger auf, um eine I- und Q-Detektion zu implementieren und um das empfangene Signal mit elektrischen I- und Q-Signalanteilen als Antwort darauf auszugeben. Der I-und-Q-Empfänger ist ein heterodynder Empfänger, der einen lokalen Oszillator aufweist, um den Referenzstrahl zu erzeugen. Ein optischer Verzögerer verschiebt den Referenzstrahl. Ein I-Detektor und Q-Detektor detektieren eine Kombination des Referenzstrahls und der reflektierten Version des Laserstrahls und eine Kombination des verschobenen Referenzstrahls und der reflektierten Version des Laserstrahls, jeweils entsprechend. Der heterodyne I-und-Q-Empfänger weist des Weiteren einen oder mehrere Strahlenteiler auf, deren Reflektionsvermögen so angegeben ist, dass die Intensitäten der reflektierten Version des Laserstrahls, des Referenzstrahls und des verschobenen Referenzstrahls an den I- und Q-Detektoren abgeglichen werden.

Bei einer besonderen Ausgestaltung weist die dritte Vorrichtung des Weiteren einen Digitalisierer zum Wandeln des empfangenen Signals von einem analogen Signal in ein digitales Empfangssignal mit I- und Q-Komponenten. Ein Entfernungs-Demultiplexer isoliert die Anteile ((rI + i·rQ)n) des digitalen Empfangssignals, welches die rückkehrenden Laser darstellt, wobei jeder einer Entfernungs-Bin (n) zugeordnet ist.

Die vierte Vorrichtung behält die detektierten Phasen (&thgr;1, &thgr;2, &thgr;m, ..., &thgr;M) und den Frequenzversatz (f1, f2, fm, ..., fM), die jedem der M gesendeten Laserpulse zugeordnet sind. Eine weitere Vorrichtung korrigiert das digitale Empfangssignal ((rI + i·rQ)n,m) basierend auf den detektierten Phasen- und Frequenzversätzen die bei den ausgehenden Pulsen gemessen wurden und stellt das korrigierte Signal gemäß der nachfolgenden Gleichung als Antwort darauf zur Verfügung:

wobei (rI + i·rQ)n,m den Anteil des digitalen Empfangssignals darstellt, der einer n-ten Entfernungs-Bin und dem m-ten Puls zugeordnet ist, der einen In-Phase-Anteil rI und einen Quadratur-Anteil rQ hat; &thgr;m stellt einen Phasenkorrekturterm dar, der einer der detektierten Phasen zugeordnet ist, die dem m-ten Puls zugeordnet ist; fm stellt einen Frequenzkorrekturterm dar, der dem m-ten Puls zugeordnet ist; und &tgr; ist eine digitale Zeitveränderliche.

Die vierte Vorrichtung weist des Weiteren eine Vorrichtung zur Berechnung von Schwerpunkten (centroids) auf, und einen Schwerpunkt für jeden n-ten Anteil des empfangenen digitalen Signals, basierend auf dem Quadrat der Größe von einer DFT von jedem n-ten Anteil des empfangenen digitalen Signals. Eine weitere Vorrichtung gewinnt Informationen zur Spitzenintensität und Doppler-Informationen zur Entfernung aus den Schwerpunkten und Bildinformationen über die Umgebung.

Der neue Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die zweite Vorrichtung zum Aufnehmen der Phaseninformation bezüglich des gesendeten Laserstrahls und durch die vierte Vorrichtung zum Korrigieren des rückkehrenden Laserstrahls basierend auf der aufgenommenen Phaseninformation erreicht. Dies macht die Kohärenz-Anforderungen bezüglich des gesendeten Lasers weniger streng, wodurch die Verwendung von sehr gewünschten Sende-Wellenformen ermöglicht wird, wie bspw. Q-switched Strahlen mit hoher Energie, bei denen die Kohärenz schwer beizubehalten ist.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist eine Darstellung, die ein Flugzeug zeigt, das ein Ladar-System verwendet, welches gemäß der Lehren der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, und die die generellen Prinzipien beim Betrieb eines Ladars zeigt.

2 ist eine Darstellung, die eine beispielhafte Abfolge von Ladarpulsen, die von dem Ladar-System gemäß der 1 ausgesendet wurden und eine Abfolge von empfangenen Pulsen zeigt, nachdem diese von drei verschiedenen Oberflächen reflektiert wurden.

3 ist eine genauere Darstellung des Ladar-Systems gemäß 1, das einen Laserdetektor für In-Phase (I) und Quadratur (Q) verwendet.

4 ist eine detailliertere Darstellung einer alternativen Ausgestaltung des I-und-Q-Laserdetektors gemäß 3.

5 ist eine zeitliche Darstellung von Amplitude über der Zeit von Doppler-Tönen, die in einer Abfolge von kohärenten Ladar-Pulsen und inkohärenten Pulsen über ein konventionelles Ladar-System (nicht gezeigt) detektiert wurden.

6 ist eine Bin-Darstellung von Amplitude über der Entfernung, bei der Doppler-Töne überlagert werden, die man aus einem beispielhaften Empfangssignal erhalten hat, und zwar mit und ohne Phasenkorrektur durch das Ladar-System gemäß 3.

7 ist eine Darstellung von Intensität über der Frequenz, die die Frequenzantworten von einem beispielhaften Empfangssignal überlagert, und zwar mit und ohne Korrektur durch das Ladar-System gemäß 3.

8 ist eine Darstellung von Frequenz über der Entfernung, die die beispielhafte Bildinformation zeigt, die von dem Ladar-System gemäß der 3 ausgegeben wird.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Auch wenn die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf erläuternde Ausführungsformen für besondere Anwendungen beschrieben wird, sollte es klar sein, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Der Fachmann wird mit gewöhnlichem Wissen auf diesem technischen Gebiet und Zugang zu den hier zur Verfügung gestellten Lehren zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Bereichs der Erfindung und zusätzliche Gebiete erkennen, auf denen die vorliegende Erfindung von erheblicher Nützlichkeit wäre.

1 ist eine Darstellung, die ein Flugzeug 10 zeigt, das ein Ladar-System 12 verwendet, das gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gebaut wurde, und stellt die allgemeinen Ladar-Prinzipien beim Betrieb dar. Das Flugzeug 10 hat einen Geschwindigkeitsvektor (V) 14 während es an einem Gebäude 16 vorbeifliegt. Das Ladar-System 12 ist am Bug des Flugzeugs 10 angeordnet und sendet einen Laserstrahl 18 in Richtung des Gebäudes 16 aus.

Bei der vorliegenden Ausgestaltung ist der ausgesendete Laserstrahl 18 ein augensicherer Q-switched pulsierter Laserstrahl mit hoher Energie, der eine Abfolge von Pulsen mit hoher Energie aufweist. Der Q-switched gepulste Laserstrahl 18 wird von dem Gebäude 16 reflektiert, wodurch drei rückkehrende Laserstrahlen 20 von drei verschiedenen Oberflächen des Gebäudes 16 für jeden Puls des Laserstrahls 18 erzeugt werden. Indem die Zeit zwischen dem Aussenden eines bestimmten Pulses und der Detektion des entsprechenden rückkehrenden Laserstrahls durch das Ladar-System 12 gemessen wird, wird der Abstand zum Gebäude 16 und seiner verschiedenen Oberflächen bestimmt.

Während sich das Flugzeug 10 an dem Gebäude 16 vorbei oder über das Gebäude 16 hinweg bewegt, feuert es den Laser 18 für eine vorbestimmte Zeit ab, die man Haltezeit (dwell time) oder Messzeit (Tmeas) nennt. Während der Messzeit T, ändert sich (&Dgr;&thgr;) der Winkel (&thgr;), in dem der gesendete Laserstrahl 18 und der rückkehrende Strahl 20 das Gebäude 16 treffen und von ihm reflektiert werden. Wenn sich der Winkel &thgr; ändert, liefert jede Oberfläche des Gebäudes 16 einen rückkehrenden Strahl mit einer geringfügig anderen Frequenz als rückkehrende Strahlen von anderen Oberflächen aufgrund der Doppler-Frequenzverschiebungen in den rückkehrenden Strahlen aus der radialen Bewegung des Flugzeugs 16 relativ zu dem Gebäude 16. Die Doppler-Frequenzverschiebungen hängen von dem Winkel ab, in dem der gesendete Laserstrahl 18 die verschiedenen Oberflächen des Gebäudes 16 trifft.

Jeder rückkehrende Puls 20 tastet im Ergebnis die Doppler-Töne ab, die aufgrund der radialen Bewegung des Flugzeugs 10 relativ zum Gebäude 16 vorhanden sind. Jeder rückkehrende Puls wird viele Male (N-mal) abgetastet, wobei jeder Abtastwert (sample) in einer Entfernungs-Bin gespeichert wird, die der Zeit entspricht, zu der Abtastwert aufgenommen wurde. Die Zeit, zu der der Abtastwert aufgenommen wurde, repräsentiert die Entfernung oder den Bereich, der dem Messwert entspricht. Über die Messzeit Tmeas werden viele rückkehrende Pulse mittels eines Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlers abgetastet, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird. Nachdem alle Abtastwerte aufgenommen wurden, wird das Verfahren zur Korrektur von Phase und Frequenz durchgeführt. Die aufgenommenen Daten in N Entfernungs-Bins und M Pulsen wird an Module für eine diskrete Fouriertransformation (Discrete Fourier Transform, DFT) ausgegeben. Die DFT-Module extrahieren Daten aus den einzelnen Entfernungs-Bins, um das Frequenzspektrum zu errechnen, das jeder der Entfernungs-Bins zugeordnet ist. Das Frequenzspektrum repräsentiert die Cross-Range-Information, die die relative Winkelposition angibt, die den abgetasteten Daten aus jeder Entfernungs-Bin zugeordnet ist. Daraus folgt, dass die Winkelpositionen die jeder Entfernungs-Bin zugeordnet ist, Entfernungs- und Cross-Range-Informationen für jede Oberfläche des Gebäudes 16 liefert. Die Entfernungs- und Cross-Range-Informationen können dann abgetragen werden, um ein genaues Profil des Gebäudes 16 in die Richtung der Bewegung 14 des Flugzeugs 12 zu erhalten.

Die Messzeit (Tmeas) multipliziert mit der Geschwindigkeit (V) des Flugzeugs ist proportional zu der synthetischen Apertur, die invers proportional zu der Cross-Range-Auflösung des Ladar-Systems 12 ist. Im Allgemeinen ist die Doppler-Frequenzverschiebung (Doppler-Geschwindigkeit) (fd), die einem rückkehrenden Strahl 20 aufgrund der Bewegung des Flugzeugs 10 relativ zu dem Gebäude 16 zugeordnet ist, für einen kleinen Winkel &thgr; durch die folgende Gleichung bestimmt:

wobei &lgr; die Wellenlänge des gesendeten Laserstrahls 18 und V die Geschwindigkeit des Flugzeugs 10 ist.

Der Winkel &thgr;, der der Doppler-Verschiebung fd zugeordnet ist, ist durch die folgende Gleichung bestimmt, die man durch Umstellen der Gleichung (1) erhält:

wobei &dgr;&thgr; eine kleine Änderung des Winkels &thgr; ist und die Cross-Range-Auflösung darstellt, während &dgr;fd eine entsprechende kleine Änderung in der Doppler-Verschiebung fd ist und der Genauigkeit entspricht, mit der die Doppler-Verschiebung fa gemessen werden kann.

Die beste Frequenzauflösung ist durch die folgende Gleichung bestimmt, die man aus der Fourier-Theorie erhält:

wobei Tmeas die Messzeit oder das Haltefenster (dwell window) ist während dessen die Messungen bezüglich der Umgebung durch das Ladar-System 12 vorgenommen werden.

Die Cross-Range-Auflösung &dgr;&thgr;, auch das resultierende Sichtfeld (Field of View, FOV) genannt, ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

wobei Dsynth = VTmeas ist, wobei es sich um die Größe der synthetischen Apertur handelt.

Unter Verwendung des Ansatzes der synthetischen Apertur kann man eine relativ kleine physikalische Apertur verwenden und die Messzeit Tmeas so einstellen, dass 2VTmeas = 75 cm ist. Bei kohärenten Ladar-Systemen, stellt Tmeas die Zeit dar, während der der gesendete Laserstrahl kohärent bleiben muss. Das Ladar-System 12 gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert es nicht, dass der gesendete Laserstrahl 18 kohärent ist.

Für eine typische Cross-Range-Auflösung von 20 cm (dies ist für eine Weitbereichstopographie mit hoher Auflösung erforderlich) unter Verwendung einer augensicheren Laserwellenlänge von 1,5 × 10–6 m beim Betrieb in 100 km Entfernung von der Umgebung 16 aus einem Flugzeug mit einer Geschwindigkeit von 200 m/s beträgt die Messzeit Tmeas ungefähr 1,875 Millisekunden. Die Bandbreite, die für die Sichtlinien-Auflösung benötigt wird, beträgt ungefähr 300 MHz. Der Gütefaktor, das Bandbreite-Zeit-Produkt, BT, des Laserstrahls 18 beträgt ungefähr 560.000.

2 ist eine Darstellung 30, die eine beispielhafte Abfolge von Q-switched Laserpulsen 18 zeigt, die von dem Ladar-System 12 gemäß der 1 gesendet wurden und einer Abfolge von empfangenen Pulsen 20, die von dem Ladar-System 12 detektiert wurden, nachdem sie von drei verschiedenen Oberflächen des Gebäudes 16 gemäß der 1 reflektiert worden sind. Die Darstellung 30 zeigt die Intensität der Pulse über der Zeit.

Jeder Puls (n → n + 3) der Abfolge von gesendeten Pulsen 18 liefert, eine kurze Zeit später, eine entsprechende Gruppe von drei rückkehrenden Strahlen in der Abfolge von empfangenen Pulsen 20, und zwar einen rückkehrender Strahl für jede reflektierende Oberfläche des Gebäudes 16 gemäß der 1. Zum Zwecke der Erläuterung hat die Abfolge von rückkehrenden Pulsen 20 drei getrennte rückkehrende Strahlen für jeden gesendeten Puls aus der Abfolge von Pulsen 18. In der Realität ist jede Gruppe der drei rückkehrenden Strahlen in der Abfolge von Pulsen 20 üblicherweise näher beieinander und kann zu einem einzelnen rückkehrenden Puls verschmelzen, und zwar mit verschiedenen Spitzen, wobei jede Spitze zu einer Oberfläche des Gebäudes 16 gehört.

Die gesendete Abfolge von Pulsen 18 ist von Puls zu Puls inkohärent und hat daher eine zufällige Phasen- und Frequenzversätze. Jeder Puls der Abfolge von gesendeten Pulsen 32 ist einem Frequenzversatz (fn) und einer zufälligen Phase (&thgr;n) zugeordnet. Das Ladar-System 12 gemäß der 1 misst den Frequenzversatz fn und die Phasen &thgr;n der Abfolge von ausgehenden nicht-kohärenten Pulsen 18, um bei der Abfolge der rückkehrenden Pulse 20 den Frequenzversatz fn und die Phasen &thgr;n zu kompensieren, wie weiter unten noch genauer erläutert wird.

3 ist eine detailliertere Darstellung eines Ladar-Systems 12 gemäß der 1, das einen In-Phase (I) und Quadratur (Q) Laser-Empfänger 40 verwendet, bei dem es sich um einen optischen heterodynen Detektor handelt. Zum Zwecke der Klarheit sind verschiedene gut bekannte Komponenten, wie bspw. Energiequellen, Signalverstärker, Rauschfilter und Fokussieroptiken in der 3 nicht dargestellt. Es ist jedoch einem Fachmann auf diesem technischen Gebiet mit Zugang zu den vorliegenden Lehren klar, welche Komponenten eingesetzt und wie diese Komponenten eingesetzt werden müssen, um die Anforderungen einer vorgegebenen Anwendung zu erfüllen.

Das Ladar-System 12 beinhaltet eine gemeinsame Apertur 42, die mit einem Q-switched Lasersender 44 und dem optischen heterodynen Empfangsdetektor 40 in Verbindung steht. Der Sender 44 und der heterodyne Empfänger 40 stehen mit einem Prozessor 46 der synthetischen Apertur in Verbindung, der mit einem Computer 48 in Verbindung steht, wie bspw. einem Bildschirm, einer Zielverfolgung oder einem Feuerleitcomputer. Der Q-switched Sender 44 empfängt ein Eingangssignal von einem Signalgenerator 48, der ein Eingangssignal von einer Sendesteuerung 50 erhält.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Ladar-System 12 ein monostatisches Ladar-System, da der Sender 44 und der Empfänger 40 sich die gemeinsame Apertur 42 teilen. Der Q-switched Sender 44 weist einen Sendelaser auf, der als ein Er:Yb:Glas Q-switched Laser oder ein Er:Yb:YAG Laser mit hoher Leistung implementiert sein kann. Der Fachmann auf diesem Gebiet der Technik wird erkennen, dass das Ladar-System 12 auch ein anderer Typ von Ladar-System sein kann, wie beispielsweise ein bistatisches Ladar-System, welches eine andere Art von Sendelaser verwendet, ohne dabei den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Im Betrieb stellt die Sendesteuerung 50 dem Signalgenerator 48 Steuersignale bereit, die die Eigenschaften der Wellenform angeben, wie beispielsweise Pulsbreite, die Energie je Puls, der Abstand zwischen den Pulsen usw. Der Signalgenerator 48 erzeugt ein elektrisches Signal gemäß dieser Eigenschaften der Wellenform. Das elektrische Signal betreibt den Q-switched Lasersender 44, der einen Q-switched Laserstrahl 18 erzeugt, der durch die Eigenschaften der Wellenform charakterisiert ist. Der Q-switched Lasersender 44 bestimmt die I- und Q-Komponenten des Q-switched gesendeten Laserstrahls 18 bevor er von dem Ladar-System 12 gesendet wird. Die I- und Q-Komponenten des ausgehenden Q-switched Laserstrahls 18 werden bei dem optischen heterodynen Empfänger 40 in ähnlicher Weise bestimmt, wie nachstehend noch genauer erläutert wird. Die I- und Q-Komponenten des ausgehenden Q-switched Laserstrahls 18 werden in einen Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 des Prozessors 46 der synthetischen Apertur eingegeben. Die Sendesteuerung 50 und/oder der Signalgenerator 48 können mittels einer Software implementiert sein, die auf dem Prozessor 46 der synthetischen Apertur läuft ohne dabei den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Der gesendete Laserstrahl 18 wird von der Umgebung reflektiert, wie beispielsweise durch das Gebäude 16 gemäß der 1, wodurch ein rückkehrendes Lasersignal 20 entsteht, das von dem optischen heterodynen Empfänger 40 detektiert wird. Der optische heterodyne Empfänger 40 weist einen lokalen Oszillator-Laser 52, eine erste Strahlenteileranordnung 54, eine zweite Strahlenteileranordnung 56, einen Viertel-Wellen-Verzögerer 58, einen optischen In-Phase (I) Detektor 60, einen optischen Quadratur (Q) Detektor 62 und 1 GHz Analog/Digital-Wandler 64 auf.

Beim Betrieb sendet der lokale Oszillator 52 einen Referenz-Laserstrahl vom Typ Continuous Wave (CW), und zwar in Form einer Sinuswelle an die erste Strahlenteileranordnung 54. Die erste Strahlenteileranordnung 54 sendet das Referenzsignal des lokalen Oszillators an den I-Detektor 60 und den Viertel-Wellen-Verzögerer 58. Der Viertel-Wellen-Verzögerer 58 wandelt die zugeführte Sinuswelle in einen Laserstrahl um, der eine kosinusförmige Wellenform hat, und überträgt die kosinusförmige Wellenform an die Oberfläche des Q Detektors 62. In ähnlicher Weise teilt die erste Strahlenteileranordnung 56 den rückkehrenden Laserstrahl 20, der von der gemeinsamen Apertur 42 empfangen wurde, in zwei sinusförmige Strahlen auf. Die zwei sinusförmigen Strahlen treffen auf den I-Detektor 60 und den Q-Detektor 62 gemeinsam mit den Strahlen, die jeweils entsprechend von der ersten Strahlenteileranordnung 54 und dem optischen Viertel-Wellen-Verzögerer 58 ausgegeben werden.

Der I-Detektor 60 und der Q-Detektor 62 detektieren Schwebefrequenzen, die Dopplertöne genannt werden, die den jeweiligen I- und Q-Komponenten des empfangenen Signals entsprechen. Der I-Detektor 60 und der Q-Detektor 62 wandeln die entsprechenden I- und Q-Komponenten des empfangenen Signals in entsprechende analoge elektrische I- und Q-Signale. Die analogen elektrischen I- und Q-Signale werden dann bei 1 GHz mit Hilfe von Analog/Digital(A/D)-Wandlern 64 abgetastet. Die A/D-Wandler geben ein 1 GHz digitales Empfangssignal aus, das I- und Q-Anteile hat. Das 1 GHz digitale Empfangssignal wird dann an einen Entfernungs-Multiplexer 66 ausgegeben, der in dem Prozessor 46 der synthetischen Apertur implementiert ist.

Der Prozessor 46 der synthetischen Apertur weist einen Entfernungs-Demultiplexer 66 auf, der ein Eingangssignal für eine Ganz-Phasen-Schaltung (full phase circuit) 70 bereitstellt. Die Gesamt-Phasen-Schaltung 70 stellt einer Vorrichtung zur Phasekorrektur 72 ein Eingangssignal zur Verfügung. Die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 empfängt auch ein Eingangssignal von dem Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 aus den M gesendeten Pulsen. Die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 stellt ein Ausgangssignal für eine Gruppe von N Entfernungs-Bins 74 und M Pulsen je Entfernungs-Bin bereit. Jede n-te Entfernungs-Bin der N Entfernungs-Bins 74 stellt ein Ausgangssignal für entsprechende N Schaltkreise 76 für eine diskrete Fourier Transformation (DFT) zur Verfügung. Die N DFT-Module 76 stellen ein Eingangssignal für N entsprechende Schwerpunkts-Detektoren (centroid detectors) 78 zur Verfügung. Die N Schwerpunkts-Detektoren 78 stellen Doppler-Informationen für den Computer 48 und für die entsprechenden N Detektoren 80 für die Spitzenintensität bereit. Die Detektoren 80 für die Spitzenintensität stellen dem Computer 48 ein Intensitäts-Eingangssignal zur Verfügung.

Für den Betrieb sind die verschiedenen Module 6680 des Prozessors 46 der synthetischen Apertur durch Software realisiert. Der Prozessor 46 der synthetischen Apertur kann mittels eines Computers 48 realisiert sein, ohne dadurch den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die A/D-Wandler 64 tasten die analogen Signale, die von dem I-Detektor 60 und dem Q-Detektor 62 ausgegeben werden, in vorbestimmten Intervallen ab, und zwar basierend auf eines bereits im Vorfeld bekannten Wissens hinsichtlich des Abstands der Pulse des gesendeten Laserstrahls 18. Die A/D-Wandler 64 können mit einer Information bezüglich des Abstands der Pulse vorkonfiguriert sein oder können die Information bezüglich des Abstands der Pulse über eine Verbindung (nicht gezeigt) zu dem Q-switched Lasersender 44 erhalten. Die Intervalle, in denen die A/D-Wandler 64 das empfangene Signal abtasten fallen mit dem empfangenen analogen I- und Q-Signal zusammen, das von den Detektoren 60 und 62 ausgegeben wird. Die A/D-Wandler verwenden N Abtastwerte je Puls. Die Anzahl von Abtastwerten N, die während eines Pulses aufgenommen wird, hängt von der Pulsbreite des gesendeten Lasers 18 und der Abtastfrequenz (1 GHz) der A/D-Wandler 64 und von dem gewünschten Entfernungsfenster ab. Bei dem vorliegenden spezifischen Ausführungsbeispiel beträgt die Abtastrate ungefähr 3 Nanosekunden. Die exakte Pulsbreite, Intensität, Frequenz und andere Charakteristiken der Wellenform des gesendeten Laserstrahls 18 sind von der Anwendung abhängig und können von einem Fachmann auf diesem Gebiet bestimmt werden, um die Erfordernisse einer bestimmten Anwendung zu erfüllen.

Jeder der N digitalen I- und Q-Abtastwerte, die von den A/D-Wandlern 64 je Puls ausgegeben werden, werden durch den Entfernungs-Demultiplexer 66 mittels eines Demultiplex-Verfahrens auf einen einzelnen Pfad gebracht und der Ganz-Phasen-Schaltung 70 zugeführt. Die Ganz-Phasen-Schaltung 70 drückt die abgetasteten demultiplexten I- und Q-Signale, die von dem Entfernungs-Demultiplexer 66 ausgegeben werden, in imaginärer Form, rI + irQ, aus, wobei rI der In-Phase-Anteil des empfangenen Signals und irQ der imaginäre Anteil ist. Dadurch, dass man das rückkehrende Signal in dieser Form (rI + irQ) ausdrückt, wird die Korrektur der Phase durch die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 vereinfacht.

Die Frequenz- und Phasen-Information bezogen auf den gesendeten Laserstrahl 18 wird dem Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 bereitgestellt. Die I- und Q-Komponenten, tI und irQ, jeweils entsprechend, des gesendeten Laserstrahls 18 werden an den Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 durch den Q-switched Lasersender 44 weitergeleitet. Der Q-switched Lasersender 44 bestimmt die I- und Q-Komponenten des gesendeten Laserstrahls 18 in ähnlicher Weise wie der optische heterodyne Empfänger 40 die I- und Q-Komponenten des empfangenen Signals 20 ermittelt. Der Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 entnimmt die Frequenz- und Phaseninformation ([&thgr;1, &thgr;2, &thgr;3, ..., &thgr;M], [f1, f2, fm, ..., fM]) aus dem gesendeten Signal (rI + irQ) mittels auf diesem technischen Gebiet bekannter Verfahren. Die Phasen- und Frequenz-Information weist die gemessenen Phasenversätze und Frequenzversätze auf, die von einem Q-switched Puls zum nächsten auftreten.

Die relative Phase &thgr;n eines jeden gesendeten Pulses des gesendeten Strahls 18 wird detektiert und aufgenommen durch den Sender 44 des Ladar-Systems 12. Eine Matrix der gemessenen Phase ([&thgr;1, &thgr;2, &thgr;3, ..., &thgr;M] und eine Matrix des Frequenz-Versatzes (Frequenzsprung, frequency hop) ([f1, f2, fm, ..., fM]), die von dem Phasen- und Frequenzversatz-Detektor 68 errechnet werden, werden verwendet, um das empfangene Signal als Vorbereitung auf eine nachfolgende Anwendung einer Fourier-Transformation korrigiert, wie weiter unten noch genauer erläutert wird.

Bei dieser Betriebsart müssen die Pulse des empfangenen Signals nicht notwendigerweise gleichmäßig beabstandet sein. Der Referenzstrahl, der von dem lokalen Oszillator 52 ausgegeben wird, ist jedoch während der Messzeit Tmeas kohärent. Der lokale Oszillator 52 kann mittels eines Standardlasers implementiert sein, gewöhnlicherweise auf dem gleichen Basismaterial wie der Sender, wie beispielsweise Er:Yb:Glas oder Er:YAG gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Es ist auf diesem technischen Gebiet bekannt, dass die Kohärenz des lokalen Oszillators 52, der relativ wenig Leistung hat und in einem CW-Modus betrieben wird, leichter erhalten werden kann, als bei einem gepulsterten Sendelaser mit hoher Energie, wie beispielsweise der Q-switched Lasersender 44.

Nachdem die empfangenen I- und Q-Signale mittels des optischen heterodynen Empfängers 40 erhalten wurden, werden sie durch die A/D-Wandler 64 digitalisiert. Um die computertechnischen Anforderungen zu reduzieren, führt der Entfernungs-Demultiplexer 66 ein Entfernungs-Demultiplexen durch. Der Entfernungs-Demultiplexer 66 passt den zugeführten Bitstrom an, so dass die nachfolgende Korrektur der Phase nur in den Entfernungs-Bins durchgeführt wird, die den erwarteten rückkehrenden Signalen zugeordnet sind. Nachdem das empfangenen Signal rnfür eine Entfernungs-Bin n gesammelt wurde, korrigiert die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 dieses.

Die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 verwendet die Phasen- und Frequenzinformation ([&thgr;1, &thgr;2, &thgr;3, ..., &thgr;M], [f1, f2, fm, ..., fM]) von allen M Pulsen, um einen Ausdruck für die Phasenkorrektur

auf das empfangene Signal rI + irQ anzuwenden. Die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 gibt dann ein korrigiertes Signal an die Entfernungs-Bin n (Sn) aus, das durch die nachfolgende Gleichung bestimmt ist:
wobei (rI + irQ) einen Anteil des digitalen empfangenen Signals darstellt, der der n-ten Entfernungs-Bin und dem m-ten Puls zugeordnet ist und einen In-Phase-Anteil rI und einen Quadratur-Anteil rQ hat; &thgr;M repräsentiert einen Ausdruck für die Phasenkorrektur, der dem m-ten Puls zugeordnet ist; fn repräsentiert einen Ausdruck die Frequenzkorrektur, der dem m-ten Puls zugeordnet ist; und &tgr; ist eine digitale Zeitvariable.

Das phasenkorrigierte Signal Sn wird dann in die Entfernungs-Bins 74 eingetaktet, welche mittels eines Software-Registers implementiert werden kann. Nachdem die N Entfernungs-Bins durch S1 bis SN gefüllt worden sind, welche den Anteil des empfangenen Signals darstellt, das einer einzelnen Gruppe von rückkehrenden Signalen entspricht, werden die Entfernungs-Bins 74 parallel gelöscht, wenn der Inhalt der Entfernungs-Bins 74 die N entsprechenden DFT-Module 76 eingetaktet wird. Die DFT-Module 76 berechnen das Quadrat der Größe der DFT des Signals, das jeder Entfernungs-Bin entspricht. So gehört es z.B. bei der DFT-Verarbeitung für das Signal in der ersten Entfernungs-Bin S1(m), wobei m eine ganzzahlige Zeitvariable ist, dazu, S1(m) gemäß der nachfolgenden Gleichung anzusammeln:

wobei M die Anzahl von Messwerten ist, die während der Messzeit Tmeas, aufgenommen wurden; &ohgr; = 2&pgr;k/L, k = 0, 1, 2, ..., M-1; S1(m) = 0 für 0 > m > M. DFT1(&ohgr;) stellt die Frequenzantwort dar, die der ersten Entfernungs-Bin der Entfernungs-Bins 76 zugeordnet ist. Die quadrierte Größe von DFTn(w) wird vorzugsweise eine oder mehrere Spitzen bei den Frequenzen haben, die dem Doppler-Ton zugeordnet ist, der der n-ten Entfernungs-Bin zugeordnet ist, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird. Diese Frequenzspitze stellt die Cross-Range-Information dar, die der n-ten Entfernungs-Bin zugeordnet ist.

Die DFT-Module 76 berechnen DFT1(&ohgr;) mittels Algorithmen zur Fast Fourier Transformation (Fast Fourier Transform, FFT), die auf diesem technischen Gebiet gut bekannt sind. Die DFT-Module 76 geben die Frequenzantworten (Spektren) an die entsprechenden Schwerpunkt-Detektoren 78 aus. Die Schwerpunkt-Detektoren 78 berechnen die Schwerpunkte der Frequenzantworten mittels Verfahren, die auf dem technischen Gebiet bekannt sind, so dass man Mittelfrequenzen erhält. Die Mittelfrequenzen, die von den Schwerpunkt-Detektoren 78 ausgegeben werden, repräsentieren die Cross-Range-Information in der Form von Doppler-Frequenzen. Diese Cross-Range-Information wird dem Computer 48 zugeführt. Der Computer 48 kann dann eine Darstellung von Entfernung (Range) über der Cross-Range erzeugen, und zwar basierend auf der Cross-Range-Information und der Entfernungs-Information. Die Entfernungs-Information wird durch die Nummer der Entfernungs-Bin angezeigt, die der Cross-Range-Information zugeordnet ist, die von jedem Schwerpunkt-Detektor 78 ausgegeben wird. Des Weiteren wird die Cross-Range-Information von den Schwerpunkt-Detektoren 78 an die entsprechenden Detektoren 80 für die Spitzenintensität weitergegeben. Die Detektoren 80 für die Spitzenintensität berechnen die Intensitätsinformation, die den Größen der Spitzen der Schwerpunkte entspricht und nicht nur die Frequenzpositionen der Schwerpunkte. Die Intensitätsinformation, die jeder Entfernungs-Bin entspricht, wird auf den Computer 48 zugeführt.

Der Computer 48 kann einen Bildschirm, Software zur Zielverfolgung, Software zur Feuerleitung, Software zur chemischen Analyse usw. aufweisen. Bei der vorliegenden Ausführungsform läuft auf dem Computer 48 eine Software, um eine Darstellung von Cross-Range über der Entfernung anzuzeigen, die indikativ für ein Profil der Umgebung ist, wie beispielsweise das bildlich erfasste Gebäude 16 gemäß der 1.

4 ist eine weiter detaillierte Darstellung einer alternativen Ausgestaltung 40' des I-und-Q-Laserempfängers 40 gemäß der 3. Der I-und-Q Laserdetektor 40' ist ein optischer heterodyner Detektor, der einen ersten Strahlenteiler 90, einen Viertel-Wellen-Verzögerer 58, einen Spiegel 94, einen zweiten Strahlenteiler 96, einen dritten Strahlenteiler 98, den I-Detektor und Vorverstärker 60 und den Q-Detektor und Vorverstärker 62 aufweist.

Während des Betriebs wird der sinusförmige Referenzstrahl des lokalen Oszillators mittels des ersten Strahlenteilers 90 geteilt, der einen ersten Anteil des Referenzstrahls an den dritten Strahlenteiler 98 und einen zweiten Anteil des Referenzstrahls an den Viertel-Wellen-Verzögerer 58 leitet. Der Viertel-Wellen-Verzögerer 58 verwandelt das sinusförmige Eingangssignal in ein kosinusförmiges Ausgangssignal, welches von dem Spiegel 94 reflektiert wird, durch den zweiten Strahlenteiler 96 hindurch und auf die Detektionsoberfläche des Q-Detektors und Vorverstärkers 62 gelangt. Der zweite Anteil des sinusförmigen Referenzstrahls führt durch den dritten Strahlenteiler 98 und auf die Detektionsoberfläche des I-Detektors und Vorverstärkers 60.

Das Durchlassvermögen (der Koeffizient der Transmission) und das Reflektionsvermögen (Koeffizient der Reflektion der verschiedenen Strahlenteiler 9098 wird so eingestellt, dass die gesamten Energien an den Oberflächen der Detektoren 60 und 62 angeglichen sind. Daraus folgt, dass der erste Detektor 60 äquivalente Prozesssätze von dem ersten und dem zweiten Strahl erhält wie der zweite Detektor 62. Bei der vorliegenden spezifischen Ausgestaltung ist der erste Strahlenteiler 90 ein 5 %-Strahlenteiler, der Spiegel 94 ist ein 100 %-Strahlenteiler, der zweite Strahlenteiler 96 ist ein 95 %-Strahlenteiler und der vierte Strahlenteiler 98 ist ein 50 %-Strahlenteiler.

Das empfangene Signal des rückkehrenden Lasers wird in einem ersten und einem zweiten Anteil durch den 50 %-Strahlenteiler 98 geteilt. Der erste Anteil wird auf die Detektionsoberfläche des I-Detektors und Vorverstärkers 60 gerichtet, wo er sich mit dem sinusförmigen Signal des lokalen Oszillators vermischt, wodurch sich ein Schwebungs- oder Doppler-Ton ergibt, der einem In-Phase-(I-)Signal am Teil des empfangenen Signals des rückkehrenden Lasers entspricht. Der zweite Anteil des empfangenen Signal des rückkehrenden Lasers wird von dem 95 %-Strahlenteiler 96 auf die Detektionsoberfläche des Q-Detektors und Vorverstärkers 62 reflektiert. Es vermischt sich dann mit der Kosinus-Welle, die aus dem Referenzsignal des lokalen Oszillators abgeleitet wurde, wodurch sich ein Schwebungs- oder Doppler-Ton ergibt, der einer Quadratur-(Q)-Signalkomponente des empfangenen Signals des rückkehrenden Lasers entspricht.

Die Konvertierung des empfangenen Signals in I- und Q-Komponenten mittels des optischen heterodynen Empfängers 40' vereinfacht die Wiedergewinnung der Doppler-Information aus dem empfangenen Signal mittels Operationen zur Phasenkorrektur. Die Doppler-Information kann wieder hergestellt werden, indem man den aufgezeichneten Phasen- und Frequenzversatz verwendet, der für jeden einzelnen gesendeten Puls gemessen wurde. Um Operationen bezüglich der Phasenkorrektur durchzuführen, muss die Phase des empfangenen Signals auch eindeutig bekannt sein, was durch die I- und Q-Detektierung ermöglicht wird, die durch den Empfänger 40' implementiert ist.

Im Allgemeinen wird das rückkehrende Signal in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen einer mit einem Laserstrahl eines lokalen Oszillators gemischt wird, der eine natürliche optische Oszillation (sin(&ohgr;t)) hat, und der andere rückkehrende Strahl wird mit einer Version des Referenzstrahls des lokalen Oszillators gemischt, der in seiner Phase verschoben wurde, um eine optische Oszillation cos(&ohgr;t) zu haben. Diese Verschiebung wird erzielt, indem man den optischen Verzögerer 58 mit &lgr;/4 verwendet.

5 ist eine Darstellung 100 von Amplitude über Zeit von ersten und zweiten Doppler-Tönen 102 und 104, die in einer Abfolge von kohärenten Ladarpulsen und inkohärenten Pulsen, jeweils entsprechend, mittels eines konventionellen Ladar-Systems (nicht gezeigt) detektiert wurden. Die sinusförmige Form des ersten Doppler-Tons 102 ist aufgrund der Kohärenz der empfangenen Pulse klar und ergibt sich, indem man eine Abfolge von empfangenen kohärenten Pulsen mit der Wiederholungsrate der Pulse abtastet. Der zweite Doppler-Ton 102 ergibt sich, indem man eine Abfolge von empfangenen nicht-kohärenten (inkohärenten) Pulsen mit der Wiederholungsrate der Pulse abtastet. Der zweite Doppler-Ton (gepunktet gezeigt) 104 ist jedoch undeutlich, und die Information des Doppler-Tons scheint verloren gegangen zu sein aufgrund der Inkohärenz (zufällige Phasen- und Frequenzversetzung) der empfangenen Pulse, die dem Doppler-Ton 104 entsprechen.

Die vorliegende Erfindung verwendet die gemessenen Informationen zum Frequenz- und Phasenversatz der gesendeten Wellenform und benutzt diese Information, um die Information des Doppler-Tons in dem empfangenen Signal wieder herzustellen. Dies reduziert die früheren Anforderungen an die Kohärenz, die dem gesendeten Laserstrahl aufgelegt wurden, wodurch die Verwendung von verschiedenen Typen von gewünschten Strahlwellenformen des sendenden Lasers, wie beispielsweise Q-switched Pulse mit hoher Energie, ermöglicht werden.

6 ist eine Darstellung 110 von Amplitude gegenüber Entfernungs-Bin, bei der Doppler-Töne 104' und 106 übereinandergelegt werden, die man aus einem beispielhaft empfangenen Signal mit und ohne Phasenkorrektur, jeweils entsprechend, durch das Ladar-System 12 gemäß der 3 erhalten hat. Unter Bezugnahme auf 3 und 6 könnte, ohne eine Phasenkorrektur durch die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72, der Inhalt der Entfernungs-Bins 46 ein beispielhaftes Zufallsmuster (gepunktet gezeigt) 104' haben, das dem Doppler-Ton 104 gemäß der 5entspricht. Nach einer Phasenkorrektur durch die Vorrichtung zur Phasenkorrektur 72 beinhaltet der Inhalt der Entfernungs-Bins 46 klare Information 106 zum Doppler-Ton.

7 ist eine Darstellung 120 von Intensität gegenüber der Frequenz, in der die Frequenzantworten 122 und 124 von einem beispielhaften von dem Ladar-System 12 gemäß der 3 empfangenen Signal, mit und ohne Phasenkorrektur, jeweils entsprechend, übereinandergelegt sind. Die nicht-korrigierte Frequenzantwort 122 erscheint wie Hintergrundrauschen. Die korrigierte Frequenzantwort 124, die einer bestimmten Entfernungs-Bins n entspricht, hat eine klare Spitze bei einer bestimmten Frequenz. Die Position der Spitze als Frequenz ausgedrückt entspricht der relativen Winkelposition der Oberfläche, die die Gruppe von rückkehrenden Strahlen erzeugt hat, die der Spitze entsprechen. Diese relative Winkelposition repräsentiert die Cross-Range-Information.

Die Intensität der Spitze der korrigierten Frequenzantwort 124 kann von dem Computer 48 gemäß der 3 verwendet werden, um das Reflektionsvermögen der Oberfläche anzunähern, die das rückkehrende Signal erzeugt hat. Die Intensitätsinformation kann verwendet werden, um die verschiedenen detektierten Oberflächen anhand des Reflektionsvermögens zu unterscheiden.

8 ist eine Darstellung 130 von Frequenz über Entfernung und stellt eine beispielhafte Bildinformation dar, die von dem Ladar-System 12 gemäß der 3 ausgegeben wird. Unter Bezugnahme auf 3 und 8 zeigt die Darstellung 130 ein Profil 132, das auf der Cross-Range-Information (der Doppler-Frequenzinformation) basiert, die aus den Entfernungs-Bins 74 mittels der DFT-Module 76 und der Schwerpunkt-Detektoren 78 gewonnen wurde. Das Profil 132 zeigt das Profil des Gebäudes 16 gemäß der 1 in der Flugrichtung des Flugzeugs 12. Zielquerschnitte, wie das Profil 132, können die Genauigkeit von Systemen zur automatischen Zielerkennung erheblich verbessern.

Demnach wurde die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf eine besondere Ausgestaltung für eine besondere Anwendung beschrieben. Der Fachmann auf diesem Gebiet mit Zugang zu den vorliegenden Lehren wird weitere Modifikationen, Anwendungen und Ausgestaltungen im Bereich der Erfindung erkennen.

Es ist daher das Ziel, mittels der angehängten Ansprüche jede und alle solche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung zu erfassen.


Anspruch[de]
Ladar-System (12) mit synthetischer Apertur, gekennzeichnet durch:

eine erste Einrichtung (44, 48, 50) zum Erzeugen eines nicht-kohärenten Laserstrahls (18);

eine zweite Einrichtung (44, 68) zum Aufnehmen einer Phaseninformation, die sich auf den Laserstrahl bezieht, und zum nachfolgendem Senden des Laserstrahls (18) von dem System (12) als Antwort darauf;

eine dritte Einrichtung (40) zum Empfangen einer reflektierten Version (20) des Laserstrahls und zum Bereitstellen eines empfangenen Signals als Antwort darauf; und

eine vierte Einrichtung (46, 68, 72) zum Korrigieren des empfangenen Signals basierend auf der Phaseninformation, die von der zweiten Einrichtung aufgenommen wurde.
System (12) nach Anspruch 1, des Weiteren mit einer fünften Einrichtung (10) zum Bewegen des Ladar-Systems (12), während das Ladar-System (12) in Betrieb ist. System (12) nach Anspruch 2, wobei die vierte Einrichtung (68, 72) einen Prozessor (46) der synthetischen Apertur zum Korrigieren des empfangenen Signals in Abhängigkeit von der Phaseninformation und zum Bereitstellen eines korrigierten Ladar-Signals als Antwort darauf aufweist. System (12) nach Anspruch 3, wobei der Prozessor (46) der synthetischen Apertur eine Einrichtung (76) zum Anwenden einer diskreten Fourier-Transformation (DFT) auf das korrigierte Ladar-Signal aufweist, um eine hohe Frequenzauflösung und Cross-Range-Auflösung zu erhalten. System (12) nach Anspruch 3, des Weiteren mit einer sechsten Einrichtung (48) zum Aufbauen eines kohärenten Abstands-Doppler-Profils (132) basierend auf dem korrigierten Ladar-Signal und der Bewegung des Ladar-Systems (12). System (12) nach Anspruch 1, wobei der Laserstrahl (18) Ladar-Pulse aufweist, die Q-switched sind und eine annähernd zufällige Phase haben. System (12) nach Anspruch 1, wobei die dritte Einrichtung (40) einen Empfänger (40) für In-Phase (I) und Quadratur (Q) zur Realisierung einer Detektion von I und Q und zum Ausgeben des empfangenen Signals als Antwort darauf aufweist, wobei das Signal elektrische Signalanteile von I und Q hat. System (12) nach Anspruch 1, wobei die vierte Einrichtung (46, 68, 72) eine Einrichtung (72) zum Korrigieren des digitalen empfangenen Signals ((rI + i·rQ)n) basierend auf den detektierten Phasen und zum Bereitstellen des korrigierten Signals als Antwort darauf aufweist, in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung:
wobei (rI + i·rQ)n,m einen Teil des digitalen empfangenen Signals darstellt, das einer n-ten Entfernungs-Bin und dem m-ten Puls mit einem In-Phase-Anteil rI und einem Quadratur-Anteil rQ zugeordnet ist; &thgr;m repräsentiert einen Phasenkorrekturterm, der einer der detektierten Phasen zugeordnet ist, die dem m-ten Puls zugeordnet ist; fm repräsentiert einen Frequenzkorrekturterm, der dem m-ten Puls zugeordnet ist; und &tgr; ist eine digitale Zeitveränderliche.
System nach Anspruch 7, des Weiteren mit einem Mechanismus (76, 78) zum Berechnen von Schwerpunkten, jeweils einen für jeden n-ten Bereich des empfangenen digitalen Signals basierend auf dem Quadrat der Größe einer DFT von jedem n-ten Bereich des empfangenen digitalen Signals.






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