DE3742589A1

DE3742589A1 - Laser telemetry method and apparatus for high speed targets

Info

Publication number: DE3742589A1
Application number: DE3742589A
Authority: DE
Inventors: Ives Cojan; Georges Couderc; Bertrand Remy
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1986-12-16
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 2009-02-26
Also published as: FR2881842A1; GB8729279D0

Abstract

Das Laser-Telemetrierverfahren für Ziele von möglicherweise hoher Geschwindigkeit umfaßt die Aussendung von linear frequenzmodulierten Dauerimpulsen und die Heterodyndetektion. In einer ersten Phase wird die Modulation der gesendeten Laserschwingung unterdrückt, wobei das Schwebungsignal, das nach Homodyndetektion gewonnen wird, dann den Absolutwert $I1 der Doppelfrequenz FD des Zieles unabhängig von seiner Entfernung liefert. In einer zweiten Phase: Wenn der so erhaltene Wert $I2 größer als der Gesamtmodulationshub DeltaF ist, wird wenigstens eine positive oder negative Frequenzrampe ausgesendet, um gleichzeitig aus der gemessenen Schwebungsfrequenz $I3 und dem zuvor gewonnenen Wert $I4 das Vorzeichen der Radialgeschwindigkeit und die Zielentfernung zu bestimmen; wenn der zuvor gewonnene Wert $I5 kleiner als der Gesamtmodulationshub DeltaF ist, werden nacheinander wenigstens zwei Frequenzrampen von positiver und negativer Steigung ausgesendet, um zunächst das Vorzeichen der Radialgeschwindigkeit des Ziels und dann die Entfernung des Ziels zu bestimmen. Anwendung insbesondere auf Systeme zum Abfangen und Bekämpfen von feindlichen Flugzeugen.The laser telemetry method for possibly high speed targets involves the emission of linear frequency modulated strobe pulses and heterodyne detection. In a first phase, the modulation of the transmitted laser oscillation is suppressed, and the beat signal obtained after homodyne detection then gives the absolute value $ I1 of the dual frequency FD of the target irrespective of its distance. In a second phase, if the value $ I2 thus obtained is larger than the total modulation swing DeltaF, at least one positive or negative frequency ramp is sent out to simultaneously derive the sign of the radial speed and the target distance from the measured beat frequency $ I3 and the previously obtained value $ I4 to determine; if the previously obtained value $ I5 is smaller than the total modulation swing DeltaF, at least two positive and negative slope frequency ramps are successively sent out to first determine the sign of the target's radial velocity and then the range of the target. Application in particular to systems for intercepting and fighting enemy aircraft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Laser-Telemetrie von Zielen, die eine hohe Geschwindigkeit aufweisen können.The The invention relates to a method and an apparatus for laser telemetry of targets that can have a high speed.

Die Erfindung ist insbesondere im Rahmen eines Auffang- und Bekämpfungssystems zur Abwehr von feindlichen Flugzeugen anwendbar. Der Entfernungsmesser wird bei solchen Anwendungen einer Verschwenkungs- und Verfolgungsvorrichtung zugeordnet, die ihrerseits verwendet wird, um die optische Achse des Entfernungsmessers auf das Ziel gerichtet zu halten, mit einer Präzision, die mit der sehr geringen Größe des Feldwinkels des Entfernungsmessers vereinbar ist, obwohl Relativbewegungen zwischen Ziel und Gerät stattfinden.The Invention is in particular in the context of a collection and control system applicable to the defense of enemy aircraft. The rangefinder becomes in such applications a pivoting and tracking device assigned, which in turn is used to the optical axis of the rangefinder aimed at the target, with a Precision, those with the very small size of the field angle the rangefinder is compatible, although relative movements between Target and device occur.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Frequenzmodulations-Dauerstrich-Entfernungsmesser (FM-CW-Telemetrie) mit Heterodyndetektion. Diese Technik besteht darin, gegen das Ziel Laserimpulse auszusenden, deren Dauer größer als die Hin/Rücklaufzeit des Lichtes zum bzw. vom Ziel ist und die linear frequenzmoduliert sind, und empfangsseitig eine Schwebung zwischen der empfangenen Welle und einer lokalen Welle herzustellen, die am Lasersender hinter dem Modulationssystem abgegriffen wird und daher der gegen das Ziel gerichteten Welle vollkommen gleicht. Das empfangsseitige Schwebungssignal weist dann eine konstante Frequenz während der Überdeckungsdauer des gesendeten Impulses und des empfangenen Impulses auf. Diese Frequenz ist charakteristisch für die Zielentfernung, wenn das Ziel sich nicht bewegt, und durch Messung dieser Frequenz über herkömmliche Spektralanalyse kann die Entfernung berechnet werden. Die Schwebungsfrequenz F ist mit der Entfernung durch folgende einfache Beziehung verknüpft: F = K·Δtworin Δt die Hin-Rücklaufzeit für das Ziel ist, welche gleich 2·D/c ist (worin D die Zielentfernung, c die Lichtgeschwindigkeit und K die Steilheit der Frequenz/Zeit-Charakteristik des gesendeten Impulses ist).In particular, the present invention relates to a frequency modulation continuous wave (FM-CW telemetry) rangefinder with heterodyne detection. This technique consists in emitting against the target laser pulses whose duration is greater than the return / return time of the light to and from the target and which are linearly frequency modulated, and at the receiving end produce a beat between the received wave and a local wave present at the laser transmitter is tapped behind the modulation system and therefore the wave directed against the target is completely the same. The receive-side beat signal then has a constant frequency during the coverage period of the transmitted pulse and the received pulse. This frequency is characteristic of the target range when the target is not moving, and by measuring this frequency by conventional spectral analysis, the distance can be calculated. The beat frequency F is related to the distance by the following simple relationship: F = K · Δt where Δt is the return trip time for the target, which is equal to 2 · D / c (where D is the target distance, c is the speed of light, and K is the steepness of the frequency / time characteristic of the transmitted pulse).

Es tritt jedoch ein Problem in Erscheinung, wenn ein solcher Entfernungsmesser auf Ziele gerichtet wird, die möglicherweise eine hohe Geschwindigkeit aufweisen, insbesondere Luftziele. Dieses Problem wird durch die Doppler-Frequenzverschiebung verursacht, die mit der Bewegung des Ziels verknüpft ist und Mehrdeutigkeitserscheinungen nach sich zieht.It However, a problem occurs when such a rangefinder is aimed at goals that may be have a high speed, in particular air targets. This Problem is caused by the Doppler frequency shift, which is associated with the movement of the target and ambiguity phenomena pulls.

Es ist bekannt, gleichzeitig die Entfernung und die Radialgeschwindigkeit der Ziele zu bestimmen, indem Frequenzrampen mit abwechselnd positiver und negativer Steigung ausgesendet werden. Dieses Verfahren ist jedoch mit dem Mangel behaftet, daß es nur bei Zielen anwendbar ist, deren Radialgeschwindigkeit in einer kleinen Größenordnung liegt.It is known, at the same time the distance and the radial velocity To determine the goals by frequency ramps with alternating positive and negative slope. This procedure is however, it suffers from the shortcoming that it applies only to targets is whose radial velocity is on a small scale lies.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laser-Telemetrie anzugeben, die es ermöglichen, alle Mehrdeutigkeiten aufzulösen, die auf der Beweglichkeit des Zieles beruhen, unabhängig von der Geschwindigkeit desselben.Of the Invention is based on the object, a method and an apparatus to indicate laser telemetry, which allow all ambiguities dissolve, which are based on the mobility of the target, regardless of the speed of the same.

Das erfindungsgemäße Laser-Telemetrieverfahren für Ziele, die eine hohe Geschwindigkeit aufweisen können, durch Aussenden von linear frequenzmodulierten Dauerimpulsen und Anwendung von Heterodyndetektion ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß:

– in einer ersten Phase die Modulation der gesendeten Laserwelle unterdrückt wird, wobei das Schwebungssignal, das dann bei der homodynen Detektion gewonnen wird, den Absolutwert |FD| der Dopplerfrequenz FD des Ziels unabhängig von seiner Entfernung liefert, und in einer zweiten Phase:
– wenn der so erhaltenen Wert |FD| größer als der Gesamtmodulationshub ΔF ist, wenigstens eine positive oder negative Frequenzrampe ausgesendet wird, um gleichzeitig aus der gemessenen Schwebungsfrequenz (F±) und dem zuvor gewonnenen Wert |FD| das Vorzeichen der Radialgeschwindigkeit des Zieles und seine Entfernung zu bestimmen;
– wenn der zuvor gewonnene Wert |FD| kleiner als der Gesamtmodulationshub ΔF ist, nacheinander wenigstens zwei Frequenzrampen mit positiver und negativer Steigung ausgesendet werden, um zuerst das Vorzeichen der Radialgeschwindigkeit des Ziels und dann seine Entfernung zu bestimmen.

The laser telemetry method according to the invention for targets which can have a high speed by emitting linear frequency-modulated continuous pulses and application of heterodyne detection is essentially characterized in that:

In a first phase, the modulation of the transmitted laser wave is suppressed, wherein the beat signal, which is then obtained in the homodyne detection, the absolute value | FD | the Doppler frequency FD of the target, regardless of its distance, and in a second phase:
If the value | FD | is greater than the total modulation amount .DELTA.F, at least one positive or negative frequency ramp is transmitted to simultaneously from the measured beat frequency (F ±) and the previously obtained value | FD | determine the sign of the radial velocity of the target and its distance;
- if the previously obtained value | FD | is less than the total modulation amount .DELTA.F, one after the other at least two positive and negative slope frequency ramps are sent out to first determine the sign of the target's radial velocity and then its range.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of embodiments the invention and from the drawing, to which reference is made. In the drawing show:

1 ein Blockschema, welches das Grundprinzip der FM-CW- Telemetrie zeigt; 1 a block diagram showing the basic principle of FM-CW telemetry;

2 ein Diagramm, das die Charakteristik der Sendesignale und Empfangssignale im Frequenz-Zeit-Raum darstellt; 2 a diagram illustrating the characteristics of the transmission signals and reception signals in the frequency-time space;

3a und 3b Diagramme, welche das Entfernungs-Doppler-Mehrdeu tigkeitsphänomen veranschaulichen, das im Falle eines Entfernungsmessers nach 1 in Erscheinung tritt; 3a and 3b Diagrams illustrating the distance-Doppler Mehrdeu tigkeitsphänomen that in the case of a rangefinder after 1 appears in appearance;

4 ein Diagramm, worin eine Zusammenfassung des Doppler-Entfernungsmehrdeutigkeits-Phänomens zusammengefaßt ist; 4 a diagram summarizing a summary of the Doppler distance ambiguity phenomenon;

5 ein Übersichtsschema eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers; 5 a schematic diagram of a rangefinder according to the invention;

6 ein Diagramm, welches die Frequenz/Zeit-Charakteristik der Sendesignale und Empfangssignale bei der Betreibsweise "Frequenzrampen-Sendebetrieb" zeigt; und 6 a diagram showing the frequency / time characteristic of the transmission signals and reception signals in the operation "frequency ramp transmission mode"; and

7 ein Schaltbild der Steuerschaltungen des Modulators. 7 a circuit diagram of the control circuits of the modulator.

In 1 ist sehr schematisch eine Laser-Telemetrievorrichtung bzw. ein Laser-Entfernungsmesser mit Heterodyndetektion bzw. Überlagerung und sogenannter FM-CW-Modulation (Frequenzmodulation-Dauerstrich-Modulation) dargestellt. Man unterscheidet dort einen Lasersender 1 mit einem Laser 2, beispielsweise Kohlendioxidlaser, der eine kontinuierliche Lichtwelle mit als konstant angenommener optischer Frequenz FL abgibt, und einen Frequenzmodulator 3, der aus einer Steuerschaltung 4 ein Signal empfängt, welches durch eine linear variable Frequenz FM gekennzeichnet ist, wobei die Modulation über einen Impuls erfolgt und periodisch wiederholt wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Modulator 3 in den Laser 2 integriert (sogenannte interaktive Modulation). Das ausgesendete Laserbündel besitzt dann die Frequenz FL + FM. Es wird durch ein optisches Sendesystem 6 gegen das Ziel gerichtet. Die gesendete Welle OE wird von dem Ziel zurückreflektiert, welches ihr eine Dopplerfrequenzverschiebung FD verleiht. Die empfangene Welle OR wird mittels einer Empfangsoptik und über einen Mischer 8 zu einem Detektor 9 geführt. Die Sendeoptik 6 und die Empfangsoptik 7 können gemeinsame Elemente wie Linsen und Spiegel aufweisen. Eine Gruppe 5 gewährleistet das Abgreifen eine Bruchteils des Laserstrahls nach Modulation, beipsielsweise mittels einer halbreflektierenden Platte, um die Lokaloszillatorschwingung OL zu gewinnen. Der Mischer 8 überlagert die Wellen OL und OR beispielsweise mittels einer weiteren halbreflektierenden Platte. Der Detektor 9 empfängt die Schwebung dieser beiden Wellen. Signalverarbeitungseinrichtungen 10 gewährleisten die Berechnung der Entfernung und der Geschwindigkeit des Ziels.In 1 is very schematically a laser telemetry device or a laser rangefinder with heterodyne detection or superimposition and so-called FM-CW modulation (frequency modulation continuous wave modulation) shown. There is a distinction between a laser transmitter 1 with a laser 2 For example, carbon dioxide laser, which emits a continuous light wave with assumed as the optical frequency FL, and a frequency modulator 3 that's from a control circuit 4 receives a signal which is characterized by a linearly variable frequency FM, wherein the modulation takes place via a pulse and is repeated periodically. In the preferred embodiment, the modulator is 3 in the laser 2 integrated (so-called interactive modulation). The emitted laser beam then has the frequency FL + FM. It is powered by an optical transmission system 6 directed against the target. The transmitted wave OE is reflected back from the target giving it a Doppler frequency shift FD. The received wave OR is by means of a receiving optics and a mixer 8th to a detector 9 guided. The transmission optics 6 and the receiving optics 7 may have common elements such as lenses and mirrors. A group 5 ensures the capture of a fraction of the laser beam after modulation, beypsielsweise using a semi-reflective plate to win the local oscillator osc OL. The mixer 8th superimposes the waves OL and OR, for example, by means of another half-reflecting plate. The detector 9 receives the beating of these two waves. Signal processing devices 10 ensure the calculation of the distance and the speed of the target.

In 2 sind die gesendete Welle OE und die empfangene Welle OR in Form einer Frequenz/Zeit-Charakteristik dargestellt. Die Lokaloszillatorwelle OL gleicht der gesendeten Welle OE. Die Modulationsfrequenz während der Dauer T eines Impulses ändert sich nach dem linearen Gesetz: FM = K·tworin K hier als positiv angenommen wird und die Steilheit der Frequenzrampe ist. Die empfangene Welle OR ist um ein Zeitintervall Δt versetzt, welches der Zeitspanne entspricht, die der Lichtfluß benötigt, um den Weg bis zum Ziel und zurück zu durchlaufen, mit: Δt = 2D/c In 2 the transmitted wave OE and the received wave OR are represented in the form of a frequency / time characteristic. The local oscillator wave OL is similar to the transmitted wave OE. The modulation frequency during the duration T of a pulse changes according to the linear law: FM = K · t where K is assumed to be positive and the steepness of the frequency ramp. The received wave OR is offset by a time interval Δt corresponding to the time required for the light flux to travel the way to and from the target, with: Δt = 2D / c

Durch Mischung der Wellen OL und OR erhält man ein Schwebungssignal der Frequenz Fo, das (für ein unbewegliches Ziel) folfolgendermaßen definiert ist: Fo = K·Δt = K·2D/c By mixing the waves OL and OR, one obtains a beat signal of the frequency Fo, which is defined as follows (for an immovable target): Fo = K · Δt = K · 2D / c

Die Dauer dieses Nutzsignals beträgt τo = T – Δt, wobei angenommen ist, daß T größer als Δt ist (andernfalls gäbe es keine Überdeckung zwischen den beiden Impulsen). Die Spektralanalyse, welche über die Dauer τ durchgeführt wird, wird vorzugsweise zu einem Zeitpunkt ausgelöst, der um T – τ gegenüber dem Beginn des Impulses versetzt ist, damit eine Überdeckung für alle Ziele stattfindet, für welche die Zeitspanne des Hin- und Rücklaufes kleiner als T – τ ist.The Duration of this useful signal is τo = T - Δt, where it is assumed that T is greater than Δt (otherwise there would be no overlap between the two pulses). The spectral analysis, which is carried out over the duration τ, is preferably triggered at a time greater than T - τ Beginning of the impulse is offset, hence an overlap for all goals takes place for which the time of the round trip is less than T - τ.

Beim Auftreten einer Frequenzverschiebung, die auf dem Dopplereffekt beruht, ist das Spektrum des empfangenen Signals zu höheren Frequenzen hin versetzt, wenn FD positiv ist, bzw. zu niedrigeren Frequenzen, wenn FD negativ ist.When a frequency shift occurs due to the Doppler effect, the spectrum of the received signal to higher frequencies when FD is positive, or to lower frequencies when FD is negative.

Die Schwebungsfrequenz ist dann um FD versetzt. 3a zeigt, wie in herkömmlicher Weise die Entfernungs/Geschwindigkeits-Mehrdeutigkeit aufgrund der Dopplerverschiebung aufgelöst wird. Diese Methode ist aber nur auf Ziele anwendbar, bei welchen die Größenordnung der Radialgeschwindigkeit klein ist. Durch aufeinanderfolgendes Aussenden von zwei Rampen, deren Steilheit K im Absolutwert gleich ist, die aber entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, können zwei Schwebungsfrequenzen gemessen werden, nämlich eine mit "F+" bezeichnete Schwebungsfrequenz, die der positiven Rampe entspricht (dF/dt positiv), und eine mit "F–" bezeichnete Schwebungsfrequenz, die der negativen Rampe entspricht (dF/dt negativ). Man kann dann, in der Annahme 0 < FD < Fo (Fall in 3a), schreiben: F+ = Fo – FD F– = Fo + FD The beat frequency is then offset by FD. 3a shows how conventionally the range / speed ambiguity due to the Doppler shift is resolved. However, this method is only applicable to targets in which the magnitude of the radial velocity is small. By successively sending out two ramps whose absolute gradient K is equal but opposite in sign, two beating frequencies can be measured, namely a beating frequency designated "F +" corresponding to the positive ramp (dF / dt positive), and a beating frequency beating frequency denoted by "F-" which corresponds to the negative ramp (dF / dt negative). Then, assuming 0 <FD <Fo (case in 3a ), write: F + = Fo - FD F = Fo + FD

Die Frequenzen Fo und FD, von denen die erste der Entfernung und die zweite der Dopplerfrequenzverschiebung entspricht, werden dann ohne Mehrdeutigkeit folgendermaßen erhalten: Fo = 1/2[(F+) + (F–)] FD = 1/2[(F–) – (F+)] The frequencies Fo and FD, of which the first corresponds to the distance and the second to the Doppler frequency shift, are then obtained without ambiguity as follows: Fo = 1/2 [(F +) + (F-)] FD = 1/2 [(F-) - (F +)]

Der Wert der Frequenz Fo ermöglicht die Berechnung der Entfernung D über die bereits angegebene Formel; die Frequenz FD ist mit der Projektion VR des Geschwindigkeitsvektors des Ziels auf die Gerade zwischen Entfernungsmesser und Ziel über folgende Beziehung verknüpft: FD = 2 VR/λworin λ die Wellenlänge der Laserschwingung ist.The value of the frequency Fo allows the calculation of the distance D over the formula already given; the frequency FD is linked to the projection VR of the velocity vector of the target on the line between the rangefinder and the target via the following relation: FD = 2 VR / λ where λ is the wavelength of the laser oscillation.

Wenn hingegen die Dopplerfrequenz FD, die weiterhin beispielsweise als positiv angenommen wird, von solcher Größe ist, daß FD > Fo, was im allgemeinen bei Luftzielen zutrifft, so sieht man in 3b, daß die anzuwendenden Formeln dann verschieden sind, denn man hat: F+ = FD – Fo F– = Fo + FD On the other hand, if the Doppler frequency FD, which is further assumed to be positive, for example, is of such magnitude that FD> Fo, which is generally true of air targets, is seen in FIG 3b that the formulas to be applied are then different, because one has: F + = FD - Fo F = Fo + FD

In 4 sind in Form von Kurven F+ und F–, die eine Funktion von FD sind, die verschiedenen möglichen Ausdrücke für F± in Abhängigkeit von FD und Fo dargestellt, je nachdem, ob FD > 0 oder FD < 0, und in jedem Falle je nachdem, ob |FD| < Fo oder |FD| > Fo. Es treten somit Mehrdeutigkeiten auf, die es nicht ermöglichen, FD und Fo direkt aus den gemessenen Werten F+ und F– zu bestimmen.In 4 in the form of curves F + and F-, which are a function of FD, represent the various possible expressions for F ± as a function of FD and Fo, depending on whether FD> 0 or FD <0, and in each case as appropriate whether | FD | <Fo or | FD | > Fo. Thus, ambiguities occur which do not make it possible to determine FD and Fo directly from the measured values F + and F-.

Dies verdeutlicht die Grenzen der Möglichkeiten des FM-CW-Telemetrieprinzips im Falle von Zielen, die eine hohe Geschwindigkeit aufweisen können (FD groß gegenüber Fo).This clarifies the limits of possibilities FM CW telemetry principle in the case of targets capable of high speed (FD big compared to Fo).

Gemäß der Erfindung wird diese Doppler-Entfernungsmehrdeutig keit durch Anwendung von zwei aufeinanderfolgenden Phasen aufgelöst. In einer ersten Phase wird eine nicht modulierte Laserwelle ausgesendet, die es ermöglicht, den Absolutwert der Dopplerfrequenzkomponente des Zieles unabhängig von seiner Entfernung zu messen. In einer zweiten Phase werden eine oder zwei Frequenzrampen ausgesendet, wodurch es ermöglicht wird, gleichzeitig die Mehrdeutigkeit des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit des Zieles aufzulösen und seine Entfernung zu messen.According to the invention This Doppler distance ambiguity is speed by applying resolved two consecutive phases. In a first phase will emit a non-modulated laser wave that makes it possible the absolute value of the Doppler frequency component of the target independent of to measure its distance. In a second phase, a or two frequency ramps, which makes it possible at the same time the ambiguity of the sign of the relative velocity of the target and measure its distance.

Im Verlauf der zweiten Phase wird auf zwei verschiedene Weisen vorgegangen, je nachdem, ob der Absolutwert der in der ersten Phase gemessenen Dopplerfrequenz größer als oder kleiner als der Gesamtmodulationshub ΔF ist.in the The second phase will proceed in two different ways, depending on whether the absolute value of the measured in the first phase Doppler frequency greater than or less than the total modulation amount .DELTA.F.

Wenn der Absolutwert der Dopplerfrequenz, die in der ersten Phase gemessen wird, größer als der Gesamtmodulationshub ΔF ist, so ist dieser Absolutwert erst recht größer als Fo. Es ist nämlich aus 2 ersichtlich, daß die Freqenz Fo stets zwischen 0 und ΔF liegt. Die Aussendung einer Rampe der Steigung K von beliebigem Vorzeichen, beispielsweise positivem Vorzeichen, ergibt dann eine Schwebungsfrequenz, die in zwei möglichen Weisen ausgedrückt werden kann:

If the absolute value of the Doppler frequency, which is measured in the first phase, is greater than the Gesamtmodulationshub .DELTA.F, so this absolute value is much greater than Fo. It is indeed out 2 he It is obvious that the frequency Fo always lies between 0 and ΔF. The emission of a ramp of slope K of any sign, for example a positive sign, then gives a beat frequency, which can be expressed in two possible ways:

In diesen Ausdrücken bezeichnet |FD| den Absulutwert von FD. Aus der Kenntnis von |FD| gestattet die Messung von F+ zu bestimmen, um welche dieser zwei Formeln es sich handelt, also das Auffinden des Vorzeichens von FD und des Wertes von Fo mit einer einzigen Messung (man findet nämlich Fo ≥ 0). Eine analoge Überlegung kann für eine Rampe von negativer Steigung angestellt werden.In these terms denoted | FD | the absolute value of FD. From the knowledge of | FD | allows the measurement of F + to determine which of these two Formulas are involved, so finding the sign of FD and the value of Fo with a single measurement (one finds namely Fo ≥ 0). An analogous consideration can for to make a ramp of negative slope.

Falls der Absolutwert |FD| der in der ersten Phase gemessenen Dopplerfrequenz kleiner als ΔF ist, kann die oben angegebene Methode nicht angewendet werden.If the absolute value | FD | the Doppler frequency measured in the first phase smaller than ΔF is, the above method can not be used.

Man bestimmt in diesem Falle zunächst das Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit des Zieles durch aufeinanderfolgendes Aussenden von zwei Rampen mit positiver und negativer Steigung, durch Messung der entsprechenden Schwebungsfrequenzen F+ und F– und durch Vergleichen dieser beiden Werte F+ und F–.you determined in this case first the sign of the relative speed of the target by successive Emitting two ramps with positive and negative slope, by measuring the corresponding beating frequencies F + and F- and by Compare these two values F + and F-.

Um in Erfahrung zu bringen, ob FD > 0 oder FD < 0, entnimmt man nämlich aus der 4, daß man lediglich wissen muß, ob F– > F+ (in welchem Falle FD > 0) oder F+ > F– (in welchem Falle FD < 0).In order to find out whether FD> 0 or FD <0, one takes namely from the 4 that one only has to know if F-> F + (in which case FD> 0) or F +> F- (in which case FD <0).

Wenn FD positiv ist (d. h. F– > F+), so ist der Wert von F–: F– = Fo + FD If FD is positive (ie F-> F +), the value of F- is: F = Fo + FD

Durch Messung von F– kann man somit Fo, also die Entfernung des Ziels, berechnen. Es gilt nämlich Fo = (F–) – FD.By Measurement of F- can Thus one can calculate Fo, ie the distance of the target. It applies namely Fo = (F-) - FD.

Wenn FD negativ ist (d. h. F– < F+), so schreibt man: F+ = Fo – FD (= Fo + |FD|)und man berechnet in gleicher Weise Fo durch: Fo = (F+) – |FD|.If FD is negative (ie F- <F +) then one writes: F + = Fo - FD (= Fo + | FD |) and similarly Fo is calculated by: Fo = (F +) - | FD |.

Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht somit die Auflösung sämtlicher Mehrdeutigkeiten, die mit der Beweglichkeit des Zieles verknüpft sind, unabhängig von seiner Geschwindigkeit, insbesondere dann, wenn die Dopplerfrequenzverschiebung groß sein kann.The method described above allows hence the resolution all Ambiguities associated with the mobility of the target, independently from its speed, especially if the Doppler frequency shift be great can.

Es wird nun auf 5 Bezug genommen, die ein Übersichtsschema eines erfindungsgemäßen Entfernungsmessers zeigt.It will be up now 5 Reference is made, which shows a schematic diagram of a rangefinder according to the invention.

Darin unterscheidet man außer den in 1 gezeigten Elementen, die den FM-CW-Entfernungsmessern gemeinsam sind, eine optische Kopfgruppe 11, welche die Vorrichtung mit einem Ziel-Winkelverfolgungssystem gemeinsam hat.In this one differentiates except the in 1 shown elements that are common to the FM-CW range finders, an optical head group 11 that the device has in common with a target angle tracking system.

Die Verarbeitungsschaltungen 10 für das elektrische Signal sind detaillierter dargestellt als in 1. Die Steuerschaltungen 4 des Modulators 3 sind im übrigen in 7 gezeigt.The processing circuits 10 for the electrical signal are shown in more detail than in 1 , The control circuits 4 of the modulator 3 are in the rest in 7 shown.

Die Verarbeitungsschaltungen für das elektrische Signal enthalten einen Spektralanalysator 19, der beispielsweise mit akustischen Oberflächenwellen arbeitet.The electrical signal processing circuits include a spectrum analyzer 19 who works for example with surface acoustic waves.

Das zu analysierende Frequenzband B, d. h. dasjenige Band, innerhalb welchem die gesuchten Frequenzen F+ und F– oder |FD| liegen können, ist sehr viel größer als das analysierbare Band "b" der gewöhnlich verwendeten Spektralanalysatoren; daher ist der Spektralanalysator 19 einem elektronischen Mischer 13 zugeordnet, der verwendet wird, um das Spektrum des zu analysierenden Signals innerhalb des Analysebandes dieses Spektralanalysators neu zu zentrieren. Das von dem optischen Detektor 9 abgegebene Signal wird in diesem Mischer 13 mit einem Signal der Frequenz FI gemischt, die stufenweise zeitabhängig variabel ist, so daß das zu analysierende Frequenzband B in aneinanderfügbaren Intervallen einer Breite von weniger als oder gleich "b" abgetastet wird. Dieses Signal der Frequenz FI wird am Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO) 14 erhalten, der seinerseits über einen Spannungsgenerator 32 durch Schaltungen 20 gesteuert wird, die als Rechen- und Leitschaltungen bezeichnet werden. Die Frequenz des durch den spannungsgesteuerten Oszillator 14 erzeugten Signals wird im übrigen durch einen Frequenzmesser 31 gemessen, zur Weiterleitung an eine Frequenzberechnungsschaltung 35, die aus dem durch den Spektralanalysator 19 gelieferten Ergebnis den Wert der Schwebungsfrequenz F bestimmt, die am Ausgang des Detektors 9 gewonnen wird, unter Berücksichtigung der durch den Mischer 13 verursachten Verschiebung.The frequency band B to be analyzed, ie the band within which the sought frequencies F + and F- or | FD | is much larger than the analysable band "b" of the commonly used spectral analyzers; therefore, the spectral analyzer is 19 an electronic mixer 13 which is used to re-center the spectrum of the signal to be analyzed within the analysis band of this spectral analyzer. That of the optical detector 9 output signal is in this mixer 13 is mixed with a signal of frequency FI, which is variable in a stepwise time-dependent manner, so that the frequency band B to be analyzed can be placed in joinable intervals of a width of less than or equal to "b" is sampled. This signal of frequency FI is at the output of a voltage-controlled oscillator (VCO) 14 which, in turn, has a voltage generator 32 through circuits 20 controlled, which are referred to as arithmetic and control circuits. The frequency of the voltage controlled oscillator 14 By the way, the generated signal is transmitted by a frequency meter 31 measured, for transmission to a frequency calculation circuit 35 coming out through the spectral analyzer 19 delivered result determines the value of the beat frequency F, which is at the output of the detector 9 is obtained, taking into account by the mixer 13 caused shift.

Die Frequenz des durch den spannungsgesteuerten Oszillator 14 erzeugten Signals kann auch aus dem Steuerwert abgeleitet werden, den die Rechen- und Leitschaltungen 20 liefern.The frequency of the voltage controlled oscillator 14 generated signal can also be derived from the control value, the computing and control circuits 20 deliver.

Auf den Spektralanalysator 19 folgen gegebenenfalls Schaltungen 33 zur Nachintegration des Signals über bekannte Verfahren, um die Reichweite des Entfernungsmessers zu verbessern; es werden dann Reihen von Rampen mit positiver oder negativer Steigung ausgesendet, wie in 6 gezeigt. Eine Schwellwert-Detektionsschaltung 34 ermöglich anschließend die Bestimmung, ob ein Signal erfaßt wurde oder nicht.On the spectral analyzer 19 follow any circuits 33 for re-integrating the signal via known methods to improve the range of the rangefinder; then rows of ramps with positive or negative slope are sent out, as in 6 shown. A threshold detection circuit 34 then allows determination of whether a signal was detected or not.

In einer ersten Funktionsphase des Entfernungsmessers wird die Schaltung 4 zur Steuerung des Modulators 3 nicht aktiviert, so daß keine Frequenzmodzulation des Laserbündels stattfindet. Beim Empfang wird eine "Homodyn"-Mischung durchgeführt, was bedeutet, daß die Lokaloszillatorschwingung und die gesendete Laserschwingung dieselbe Frequenz aufweisen.In a first phase of operation of the rangefinder, the circuit 4 for controlling the modulator 3 not activated, so that no frequency modulation of the laser beam takes place. Upon reception, a "homodyne" mix is performed, meaning that the local oscillation oscillation and the transmitted laser oscillation have the same frequency.

Wenn ein Signal erfaßt wird, wird die Frequenz |FD| in einer Schaltung 35 berechnet, unter Ausnutzung der von der Schaltung 31 ausgegebenen Information FI und des Meßwerts von |FD| + FI, der vom Analysator 19 ausgegeben wird.When a signal is detected, the frequency | FD | in a circuit 35 calculated, taking advantage of the circuit 31 output information FI and the measured value of | FD | + FI, from the analyzer 19 is issued.

Wenn keinerlei Signal erfaßt wird, bedeutet dies, daß die Frequenz des vom Mischer 13 abgegebenen Signals außerhalb des Analysebandes des Analysators 19 liegt. Die Rechen- und Leitschaltungen 20 erzeugen dann ein Steuersignal für den Spannungsgenerator 32, um den Wert der Eingangsspannung des spannungsgesteuerten Oszillators 14 zu erhöhen, wobei diese Erhöhung am Ausgang des Oszillators 14 einer Frequenz entspricht, die in der Nähe der Analysebandbreite "b" des Spektralanalysators liegt (z. B. 30 MHz). Der Zyklus wird auf diese Weise fortgesetzt, bis ein Ausgangssignal der Schaltung 34 festgestellt wird und die Frequenz |FD| gemessen wird, die in einen Speicher abgespeichert wird.If no signal is detected, it means that the frequency of the mixer 13 output signal outside the analysis band of the analyzer 19 lies. The computing and control circuits 20 then generate a control signal for the voltage generator 32 to the value of the input voltage of the voltage controlled oscillator 14 increase, with this increase at the output of the oscillator 14 corresponds to a frequency which is close to the analysis bandwidth "b" of the spectrum analyzer (eg 30 MHz). The cycle continues in this manner until an output signal of the circuit 34 is determined and the frequency | FD | is measured, which is stored in a memory.

Die Rechen- und Leitschaltungen 20 erzeugen dann einen Befehl, der für die Schaltungen 4 zur Steuerung des Modulators bestimmt ist, um auf die Betriebsart mit Aussendung von Frequenzrampen überzugehen.The computing and control circuits 20 then generate a command for the circuits 4 is intended to control the modulator to go to the mode with transmission of frequency ramps.

In dieser Betriebsart sendet die Schaltung 4 zur Steuerung des Modulators 3 frequenzmodulierte Rampen wie die in 6 gezeigten aus, deren Dauer T gleich der Summe der Hin- und Rücklaufzeit ΔT für das weit möglichst entfernte Ziel und der Dauer T ist, die erforderlich ist, um eine Spektralanalyse durchzuführen. Beispielsweise ist τ – 20 μs, und für ein Ziel in einer Entfernung von weniger als 9 km ist Δt = 60 μs, woraus sich ergibt T > 80 μs. Die Spektralanalyse wird am Ende der Zeitspanne T – τ nach Beginn der Rampe ausgelöst.In this mode, the circuit sends 4 for controlling the modulator 3 frequency modulated ramps like those in 6 whose duration T is equal to the sum of the round trip time ΔT for the farthest target and the duration T required to perform a spectral analysis. For example, τ is -20 μs, and for a target at a distance of less than 9 km, Δt = 60 μs, resulting in T> 80 μs. The spectral analysis is triggered at the end of the period T - τ after the start of the ramp.

Gleichzeitig erzeugen die Rechen- und Leitschaltungen 20 ein Steuersignal für den spannungsgesteuerten Oszillator 14, um das Signal der Frequenz |FD| in der Mitte eines Analysebandes des Spektralanalysators 19 zu zentrieren. Die Frequenzmodulationstiefe ΔF der Rampen ist in vorteilhafter Weise auf einen Wert festgelegt, der kleiner als b/2 ist, worin b die Breite des durch den Analysator 19 analysierten Bandes ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß Fo kleiner als b/2 bleibt, daß also die Schwebungssignale der Frequenz F+ und F– nach Mischung im Mischer 13 innerhalb des Bandes verbleiben, das der Spektralanalysator 19 analysiert, denn es gilt dann: |FD| – b/2 < (F±)|FD| + b/2 At the same time, the arithmetic and control circuits generate 20 a control signal for the voltage controlled oscillator 14 to get the signal of frequency | FD | in the middle of an analysis band of the spectral analyzer 19 to center. The frequency modulation depth ΔF of the ramps is advantageously set to a value smaller than b / 2, where b is the width of the beam through the analyzer 19 analyzed band is. In this way, it is ensured that Fo remains smaller than b / 2, that is, the beat signals of the frequency F + and F- after mixing in the mixer 13 remain within the band, the spectral analyzer 19 analyzed, because then it applies: | FD | - b / 2 <(F ±) | FD | + b / 2

Die Prozedur zur Detektion und Messung der Frequenzen F+ und F– stimmt überein mit derjenigen, die in der ersten Phase angewendet wird.The Procedure for the detection and measurement of the frequencies F + and F- agrees with the one used in the first phase.

Wenn ein Signal erfaßt wird, so wird beispielsweise die Frequenz (F+) im Falle von Rampen mit positiver Steigung in einer Schaltung 35 berechnet, unter Ausnützung der Information FI, die durch die Schaltung 31 abgegeben wird, und des Meßwertes (F+) + (FI), der durch den Analysator 19 ausgegeben wird. Wenn |FD| größer als der Modulationshub ist, hier b/2, so ist es – wie bereits oben ersichtlich wurde – unnötig, negative Rampen auszusenden. Die Rechen- und Leitschaltungen 20 bestimmen das Vorzeichen von FD und den Wert von Fo nach der oben beschriebenen Prozedur.When a signal is detected, for example, the frequency (F +) in the case of positive slope ramps becomes one circuit 35 calculated, taking advantage of the information FI, passing through the circuit 31 and the measured value (F +) + (FI) passing through the analyzer 19 is issued. If | FD | is greater than the modulation stroke, here b / 2, so it is - as already apparent above - unnecessary to send out negative ramps. The computing and control circuits 20 determine the sign of FD and the value of Fo according to the procedure described above.

Wenn hingegen |FD| kleiner als b/2 ist, so wird der Wert F+ in den Rechen- und Leitschaltungen 20 gespeichert, welche daraufhin die Schaltungen 4 zur Steuerung des Modulators 3 ändern, um Rampen von negativer Steigung auszusenden. Nach der Bestimmung von F– berechnen die Schaltungen 20 die Werte FD und Fo über die bereits beschriebene Prozedur.If | FD | is smaller than b / 2, the value F + in the arithmetic and control circuits becomes 20 which then stores the circuits 4 for controlling the modulator 3 change to send ramps of negative slope. After determining F- calculate the circuits 20 the values FD and Fo via the procedure already described.

Die 7 zeigt ein Schaltbild einer möglichen Ausführungsform der Schaltungen 4 zur Steuerung des Modulators 3. Die Rechen- und Leitschaltungen 20 steuern zunächst einen Umschalter 40 für die Sendebetriebsart mit den beiden Stellungen "moduliert/nicht moduliert" in die Stellung "nicht moduliert". Der Absolutwert der Dopplerfrequenz wird dann in der zuvor beschriebenen Weise gemessen. Die Rechen- und Leitschaltungen steuern dann den Umschalter 40 in seine Stellung "moduliert", d. h. Aussendung von positiven oder negativen Rampen der Steigung K, wobei die Auswahl zwischen diesen beiden Möglichkeiten über einen Umschalter 41 erfolgt, der die Stellungen "Rampen+/Rampen–" aufweist, wobei die positiven Rampen über einen Spannungsgenerator 42 und die negativen Rampen durch einen Spannungsgenerator 43 ausgegeben werden. Diese Generatoren geben Spannungs/Zeit-Rampen der Werte k bzw. –k aus, entsprechend Frequenz/Zeit-Charakteristiken mit den Steigungen K und –K, nach einer als linear angenommenen Spannungs/Frequenz-Umsetzung durch einen spannungsgesteuerten Oszillator 44, der durch einen Verstärker 45 gesteuert wird, welcher seinerseits den Modulator 3 steuert. Der spannungsgesteuerte Oszillator 44 wird nicht vorgesehen, wenn der Modulator 3 spannunsgesteuert ist, sondern nur dann, wenn er frequenzgesteuert ist. Die Auswahl zwischen positiven Rampen und nega tiven Rampen wird durch die Rechen- und Leitschaltungen 20 nach der zuvor beschriebenen Prozedur gesteuert.The 7 shows a circuit diagram of a possible embodiment of the circuits 4 for controlling the modulator 3 , The computing and control circuits 20 First, control a switch 40 for the transmission mode with the two positions "modulated / not modulated" in the position "not modulated". The absolute value of the Doppler frequency is then measured in the manner previously described. The arithmetic and control circuits then control the switch 40 in its position "modulated", ie transmission of positive or negative ramps of the slope K, the choice between these two options via a switch 41 which has the positions "ramp + / ramp", where the positive ramps via a voltage generator 42 and the negative ramps through a voltage generator 43 be issued. These generators output voltage / time ramps of the values k and -k, respectively, according to frequency / time characteristics with the slopes K and -K, after a voltage / frequency conversion by a voltage controlled oscillator assumed to be linear 44 that by an amplifier 45 is controlled, which in turn the modulator 3 controls. The voltage controlled oscillator 44 is not provided if the modulator 3 is voltage controlled, but only if it is frequency controlled. The selection between positive ramps and negative ramps is made by the arithmetic and control circuits 20 controlled according to the procedure described above.

Um im übrigen eine Überdeckung der gesendeten Wellen OE mit den empfangenen Wellen OR während der gesamten Dauer τ der Spektralanalyse zu gewährleisten, ist es in der bereits erläuterten Weise (2) zweckmäßig, diese Analyse eine Zeitspanne T – τ nach Beginn der Rampe auszulösen, worin T die Dauer dieser Rampe ist. Dies wird erreicht, indem ein Rampen-Auslöseimpuls, der durch die Rampengeneratoren 42, 43, 46 oder 47 ausgegeben wird, in einer Verzögerungsschaltung 50 im die Zeitspanne T – τ verzögert wird; das am Ausgang dieser Verzögerungsschaltung 50 erhaltene Signal wird für die Auslösung des Spektralanlysators 19 verwendet.In order to ensure otherwise the coverage of the transmitted waves OE with the received waves OR during the entire duration τ of the spectral analysis, it is in the already explained manner ( 2 ), it is expedient to trigger this analysis for a time T - τ after the start of the ramp, where T is the duration of this ramp. This is achieved by applying a ramp trigger generated by the ramp generators 42 . 43 . 46 or 47 is output, in a delay circuit 50 in the period T - τ is delayed; that at the output of this delay circuit 50 signal received is for triggering the Spektralanlysators 19 used.

Claims

Laser telemetry method for targets, which may have a high speed at which linear frequency modulated continuous pulses are emitted and a heterodyne detection takes place, characterized in that: a) in a first phase, the modulation of the transmitted laser wave is suppressed, the then obtained by homodyne detection Beat signal the absolute value | FD | the Doppler frequency FD of the target provides regardless of its distance; b) and in a second phase: - if the value | FD | is greater than the total modulation amount .DELTA.F, at least one positive or negative frequency ramp is transmitted to simultaneously from the measured beat frequency (F ±) and the previously obtained value | FD | determine the sign of the radial velocity and the distance of the target; - if the previously obtained value | FD | less than the total modulation swing ΔF, one after the other at least two frequency ramps of positive and negative slope are sent out to first determine the sign of the target's radial velocity and then the range of the target.

The method of claim 1, wherein a spectral analysis the beat signal is carried out, characterized in that before In this spectral analysis, the beat signal is mixed with a signal whose frequency is gradually changed over time, so that spectral band B to be analyzed by means of adjacent intervals a width less than or equal to the one scanned Width of the analyzed band is.

The method of claim 1, wherein a spectral analysis the beat signal is carried out, characterized in that this a period of time T - τ after the beginning the ramps triggered where T is the duration of the ramps and τ is the duration of this spectral analysis is.

Device for carrying out the method according to Claim 1, having a modulator ( 3 ) for modulating the transmitted pulses and means ( 4 ) for controlling said modulator, characterized in that said two frequency ramp generators comprise a first ( 42 ) for positive slope and a second ( 43 ) for negative slope, which the modulator ( 41 ) for "positive ramps / negative ramps", and a switch ( 40 ) for switching the transmission mode, which switches between "modulated / not modulated", these by computing and control circuits ( 20 ), which receive the measurement results for the beat frequencies.