ARRANGEMENT FOR FORMING DIRECTIONAL CHANNELS BY RECEPTION OF WAVE ENERGY

Abstract: 1. Device for determining the direction of reception in the reception of wave energy of known centre frequency and bandwidth, comprising a receiving arrangement (10) exhibiting several receiving transducers, and comprising light-emitting elements (12) which follow the receiving transducers and are actuated by them, the geometric arrangement of which elements corresponds to the receiving arrangement on a reduced scale, having at least one acousto-optical modulator (13) which follows the elements and which is connected together with a signal generator (20) and to which modulated carrier-frequency sound waves are applied transversely to the direction of light transmission, which sound waves exhibit a modulation frequency corresponding to the required directions of reception to be instantaneously formed, and comprising a collecting lens (33) which follows the acousto-optical modulator, characterized in that the signal generator (20; 100; 200) exhibits carrier-frequency modulators (21, 22, ..., 25 and 120, 121, ..., 129) for a number of different preset carrier frequencies (OMEGA 1 , ..., OMEGA 5 ) which are allocated to the directions of reception to be formed, and for an equal number of adjustable modulation frequencies (omega 1 ; ..., omega 5 ), each carrier frequency (OMEGA 1 , ..., OMEGA 5 ) forming, together with the modulation frequency (omega 1 , ..., omega 5 ), a direction channel, and in that behind the collecting lens (33; 233) an equal number of light-sensitive sensors (40) is arranged at focal points of light beam bundles allocated to the direction channels, in that each sensor (40, 41, ..., 45) is followed by two filters (51, ..., 55, 61, ..., 65), in that one filter (51, ..., 55) is designed to pass the sum frequency (omega w + omega 1 ;..., omega w + omega 5 ) of modulation frequency (omega 1 , ..., omega 5 ) and centre frequency (omega w ) of the wave energy and the other filter (61, ..., 65) is designed to pass the difference frequency (omega w - omega 1 , ..., omega w - omega 5 ) of centre frequency (omega w ) of the wave energy and modulation frequency (omega 1 , ..., omega 5 ), and in that each filter (51, ..., 55, 61, ..., 65) is connected to a direction indicator (70, 270).

Description: Vorrichtung zur Richtungsbildung beim Empfang von Wellen energie Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Richtungsbildung beim Empfang von Wellenenergie bekannter Mittenfrequenz der im Oberbegriff des An spruches 1 genannten Art. Zum Peilen von Zielen, die akustische oder elektro Dagnetische Wellenenergle abstrahlen oder reflektieren, werden aus Empfangssignalen einer Empfangs- anordnung durch Laufzeit- oder Phasenkompensation Ricbtcharakteristiken gebildet. Die Empfangsanord- nung besteht beispielsweise aus äquidistant in einer Reihe oder auf einer Fläche angeordneten Empfangswandlern. Die Ausmasse der Empfangsanordnung bestimmen die Richtschärfe, die Stückzahl der Empfangswandler und ihre Plazierung die Nebenzipfeldämpfung der Richtcharakteristiken. Zum Peilen wird die Richtcharakteristik elektronisch geschwenkt oder es werden simultan elektronisch so viele Richtcharakteristiken entsprechend der gewünschten Winkelauflösung gebildet. Abhängig von der Peilgenauigkeit steigt der Aufwand an elektronischer Signalver arbei tung. Es ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der ein akusto-optischer Modulator zur Richtungsbildung in der Sonartechnik eingesetzt wird ("Optical Sonar Systen Concepts", EASCON 79, IEEE, Electronics and Aerospace Systems Conference, Part III, 1979, pp. 602-609). In dieser Vorrichtung werden Empfangssig nale von in einer Reihe angeordneten eleXtroakusti- schen frpfangswandlern durch nachgeordnete lichtemittierende Elemente, z. B. Fotodioden, in Lichtintensitäten umgesetzt. Die lichtemittierenden Elemente sind in verkleinertem Massstab ebenfalls in ei- ner Reihe - so wie die Empfangswandler - angeordnet. Ihr emittiertes Licht durchstrahlt den nachgeordne- ten akusto-optischen Modulator, der aus einem transparenten Medien, z. B. aus Kristall oder Glas, besteht. Quer zur Durchleuchtungsrichtuug durchläuft eine hochfrequente Schallwelle eines Schallgebers mit einer Trägerfrequenz von einigen MHz den akusto optischen Modulator. Auf der dem Schallgeber gegen überliegenden Seite des Kristalls ist ein Absorber für die Schallwellen vorgesehen, so dass sich keine stehenden Wellen ausbilden können. In dem akusto- optischen Modulator wird durch die Schallwelle eine raumliche Brechungsindexmodulation erzielt, an der das einfallende Licht gebeugt wird. Die Amplitude der Schallwelle bestimmt die Stärke der Brechung s- indexmodulation und damit die Verteilung der gesam- ten Lichtenergie auf die einzelnen Beugungrordnun- gen. Eine zeitliche Variation der Schallamplitude bewirkt eine zeitliche Variation der Lichtintensi tät in jeder Beugungsordnung. Üblicherweise wird nur eine der Beugungsordnungen betrachtet beispielsweise die erste, und der Rest abgeblendet. Die Richtungsbildung wird durch Amplitudenmodulation der trägerfrequenten Schallwelle bewirkt. Die Modu- lationsfrequenz der Schallwelle wird abhängig von der gewünschten Empfanggrichtung, der Mittenfrequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit der empfangenen Wellenenergie, vom Massstabsfaktor zwischen der Empfangsanordnung und der Anordnung der lichtemittierenden Elemente und von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwelle im Kristall des akusto-optischen Modulators gewählt. Die Modulationsfrequenz ist um so grösser je stärker die Empfangarichtung von der auf die Mitte der Empfangsanordnung errichteten Normalen abweicht. Die Empfangsrichtung wird durch Variation der Modulationsfrequenz geschwenkt. Zum Bilden einer Empfangsrichtung senkrecht zur Empfangsanordnung beträgt die Modulationsfrequenz Null. Mit dieser bekannten Vorrichtung ist die gleichzeitige Bildung mehrerer Empfangsrichtungen nicht mög- lich. Gepeilt werden kann nur durch Schwenken der Richtcharakteristik, indem die Modulationsfrequenz durchgestimmt wird. Die Anzeige erfolgt nach Zwi- schenspeicherung. Kurzzeitvorgänge, beispielsweise impulsförmig einfallende Wellenenergie, wie sie von einer Aktivsonaranlage eines fremden Schiffes abgestrahlt wird, sind daher mit einer solchen Vorrichtung nicht sicher zu peilen, da nicht gleichzeitig alle Empfangsrichtungen überwacht werden können. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der gleichzeitig mehrere Empfangsrichtungen gebildet, ausgewertet und angezeigt werden können. Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsge- mäss durch die Merkmale i Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst. Austrittswinkel der im akusto-optinchen Modulator gebeugten Lichtwellen sind von der Trägerfrequenz der Schallwellen abhängig. Durch die gleichzeitige Ansteuerung des akusto-optischen Modulator mit einer Anzahl amplitudenmodulierter Schallwellen unter schiedlicher Trägerfrequenzen ist eine gleichzeitige Anzeige und Auswertung sämtlicher durch die zugehö- rigen Modulationsfrequenzen eingestellten Empfangsrichtungen möglich. Es werden alle parallel austretenden Lichtstrahlen mit der Sammellinse gebündelt, so dass jeweils an Punkten in der Brennebene der Ssm- mellinse alle Lichtstrahlen einer einzigen Beugung - ordnung vereinigt sind. An Breunpunkten der Lichtstrahlen erster Beugungsordnung sind lichtempfind liche Sensoren angeordnet. Ihre elektrischen Signale können ohne Zwischenspeicherung unmittelbar angezeigt werden und repräsentieren die Empfangsrichtungen. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung wird für die gleichzeitige Anzeige von Wellenenergle aus einer vorgebbaren Anzahl von Empfangsrichtungen ein bekannter akusto-optischer Effekt ausgenutzt. Dieser Effekt ist in einem Artikel "Acousto-optics A Re- view of Foundamentals" Adrianus Korpel, Proceedings of the IDEE, Vol. 69, No. 1, Jan. 1981, pp 48-53, zur Spektralanalyse von Schallwellen beschrieben. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung werden durch die unterschiedlichen Trägerfrequenzen der Schallwellen und die zugehörigen Modulationafrequenzen die gleichzeitige Bildung der Empfangsrichtungen und ihre räumliche Trennung erzielt, da die den akusto-optixchen Modulator verlassenden Lichtstrahlen unterschiedliche Austrittswinkel abhängig von den Trägerfrequenzen aufweisen. Die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung bestehen darin, dass ohne Zwischenspeicherung von Peilergebnissen unmittelbar Peilungen aus skmtlichen Empfangsrichtungen gleichzeitig vorliegen und angezeigt werden. Peiländerungen sind schnell erkennbar. Impulsförmig auftretende Wellenenergle wird unmittelbar detektiert und angezeigt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass grosse Datenmengen, wie sie bei einer gleichzeitigen Peilung in unterschied- lichen Empfangarichtungen bei verlangter hoher Peilgenauigkeit anfallen, parallel in Echtzeit verzr- beitet werden können. Die lichtemittierenden Elemente, der akusto-optische Modulator, die Sammellinse und die Sensoren sind als integrierter optischer Baustein herstellbar, so dass ein robuster Aufbau, wie er für den praktischen Einsatz in der Peíltech- nik unerlässlich ist, leicht realisierbar ist. Die Abmessungen dieser optischen Anordnung sind klein im Vergleich zu der Menge der Bauelemente, die für eine andere ele)tronische Signalverarbeitung notwendig wäre. Die erfindungsgemässe Vorrichtung jst vorteilhaft für den richtungsselektiven Empfang von reflektierter Sendeenergie aus einem vorgebbaren Sektor anwend- bar. Die Empfangsanlage besteht dann aus Empfangswandlern, die auf einer Geraden angeordnet sind. Der Sektor liegt entweder rechts oder links, jeweils in nerhaib eines 90 -Winkelbereichs zwischen Empfangsanlage und der auf ihrer Mitte errichteten Normalen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgema- ssen Vorrichtung nach Anspruch 2 gestattet eine Rieh- tungsselektion im gesamten 180 -Winkelbereich vor der Empfangsanordnung. Zur Unterscheidung zweier Einfalls richtungen, die symmetrisch zu der auf der Mitte der Empfangsanordnung errichteten Normalen liegen, und Angabe von bezüglich der Normalen vorzeichenbehafteten Einfallswinkeln wird eine Frequenzanalyse der Ausgangssignale jedes Sensors vorgenommen. Dass eine Frequenzanalyse diese Unterscheidung möglich macht, ergibt sich aus folgenden Überlegungen: Im akusto-optischen Modulator werden die an den einzelnen örtlich nebeneinanderliegenden Empfangswand- lern empfangenen, je nach Einfallsrichtung der Wellenenergie gegeneinander phasenverschobenen, schmal- bandigen Empfangssignale mit einer örtlich im ikusto- optischen Modulator ebenfalls unterschiedliche Phasenlagen aufweisenden Kosinusfunktion der Modulations- frequenz multipliziert und mit der nachgeordneten Sammellinse über dem Ort aufintegriert. Für jede Modulationsfrequenz erhält man ein Richtcharakteristik Signal, das zwei symmetrinch zur Normalen liegenden Einfallsrichtungen der Wellenenergie bekannter Mittenfrequenz zuzuordnen ist. Das Richtcharakteristik-Signd weist als Variable das Produkt aus Mittenfrequenz der empfangenen Wellenenergie und Sinus des Einfallswinkels geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenenergie auf. Dieses Produkt ist die Wellenvektorkomponente der einfallenden Wellenenergie in Richtung der Empfangsanordnung. Durch die Verwendung mehrerer Nodu- lationBfrequenzen im akusto-optischen Modulator erhält man entsprechend viele Richtcharakteristik-Sig- nase, denen jeweils zwei symmetrisch zur Normalen liegende Einfalisrichtungen zuzuordnen sind. Durch die Signalverarbeitung der Empfangssignale im akugto- optischen Modulator und in der nachgeordneten Sam- mellinse wird eine Rechenoperation durchgeführt, die mit einer Kosinus-Fourier-Transformation der Antennenbelegung vom Ortsbereich in den Richtungsbereich vergleichbar ist. Das Richtcharakteristik-Signal weist bei Einfallswin- keln mit gleich grossem Betrag, aber unterschiedlichen Vorzeichen unterschiedliche Frequenzen auf. Fällt Wellenenergie aus Einfalisrichtungen ein, deren Wellenvektor eine Komponente in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle im akusto-optiscben Modulator besitzt, so erhält man ein Richtcharakteristik-Signal mit einer Differenzfrequenz aus Mittenfrequenz der Wellenenergie und Modulationsfrequenz, andernfalls mit einer Summenfrequenz aus Mittenfrequenz der Wellen en er- gie und Modulationsfrequenz. Diesen Frequenzunterschied nutzt die erfindungsgemässe Weiterbildung aus. Hinter jedem Sensor sind nach Anspruch 2 zwei Filter vorgesehen, die auf die Differenz- bzw. Summenfrequenz abgestimmt sind. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass durch einfache Bandpassfilterung oder Demodulation eine eindeutige Bestimmung der Einfallsrichtung möglich ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgema ssen Vorrichtung gemäss Anspruch 3 zeigt eine weitere Vereinfachung der Signalverarbeitung, die eine Fre quenzanalyse für eine eindeutige Peilung überflüssig macht. Es wird eine Duplizierung des optischen Rich tungsbildners vorgenommen, indem ein zweiter nkusto- optischer Modulator mit lichtemittierenden Elementen vorgesehen wird, der in gleicher Weise wie der erste von den Empfangssignalen der Empfangsanordnung angesteuert wird. In diesem zweiten akusto-optischen Mo dultor werden die Empfangasignale mit einer bezüg- lich der Modulationsfrequenz um 900 phasenverschobenen, nicht kosinusförmig, sondern sinusförmig modulierten, trägerfrequenten Schallwelle multipliziert. Jede. akusto-optischen Modulator ist eine Sannellin- se und in deren Brennebene eine Anzahl Sensoren angeordnet. Durch Summation und Differenzbildung der beiden so gewonnenen Richtcharakteristik-Signale an den Ausgängen korrespondierender Sensoren erhalt man am Ausgang der Differenzschaltung nur ein Ausgangs- signal für solche Einfalisrichtungen, deren Wellenvektor eine Wellenvektorkomponente in Ausbreitungsrichtung der Schallwelle in dem betreffenden akustooptischen Modulator besitzt. Bei Empfang aus der syunetrisch dazu liegenden Einfallsrichtung, deren Wellenvektor eine entgegengesetzt gerichtete Wellenvektorkomponente besitzt, weist der Ausgang der Sum menschaltung ein Ausgangssignal auf. Durch einfache Signalverarbeitung ohne Filterung der Ausgangssignale der Sensoren ist somit eine eindeutige Peilung mit der erfindungfigemassen Weiterbildung möglich. Diese Weiterbildung nach Anspruch 3 ist ausserdem besonders vorteilhaft für eine Zielverfolgung einsetzbar. Nach Detektion eines Ziels unter einer Einfallsrichtung wird die zugehörige Modulationsfrequenz so erhöht oder erniedrigt, dass durch ihre Variation eine Schwenkung der Einfallsrichtung innerhalb eines Sektors zwischen zwei durch fest eingestellte Nodu- lationsfrequenzen definierte Einfallsrichtung erreicht wird. Es wird das AuJgangssignal derjenigen Summen- oder Differenzachaltung beobachtet, bei der dass Ziel detektiert wurde. Bleibt das Ausgangsaig- nal konstant, so stimmt die Schwenkung der Einfallsrichtung it der Zielbewegung überein. Trotz Erhöhung oder Erniedrigung der Modulationsfrequenz brauchen keine Filtereinrichtungen durchgestimmt werden, da allein durch Summen- oder Differenzbil- dung der Ausgangssignale der Sensoren eine eindeutige Richtungsbestimmung möglich ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgema- ssen Verfahrens ist in Anspruch 4 für eine Richtungsbildung in Azimut und Elevation angegeben. Die Emp fangswandler sind in einer Ebene angeordnet, bei spielsweise in nebeneinanderliegenden, horizontalen Reihen und vertikalen Spalten. Der akusto-optische Modulator ist zweidimensional akustisch beeinflussbar. Abhängig von der gewählten Konfiguration der Empfangswandler kann vertikal und horizontal ein unterschiedliches Bündelungsmass erzielt werden. Mit dem akusto-optischen Modulator wird in horizontaler und vertikaler Richtung eine unterschiedliche Zahl von Richtungskanälen gebildet. Die Anzahl der Empfangsrichtungen ist gleich dem Produkt der Pichtungska- nalzahlen in beiden Richtungen. Die Richtungskanäle in den beiden Richtungen können auch durch gleiche Trägerfrequenzen und Modulations - frequenzen gebildet werden, so dass die Zahl an Trä- gerfrequenzmodulatoren entsprechend Anspruch 5 durch die grössere Zahl an Richtungskanälen in der einen Richtung bestimmt wird und die gleichen Trägerfrequenzmodulatoren zum Bilden der Richtungskanäle in der anderen Richtung mit benutt werden. Besonders einfach ist die Richtungsbildung für eine in x- und y-Richtung quadratische Enplangsanordnung, mit der Einfallsrichtungen symmetrisch in x- und y Richtung, nämlich unter gleich grossen Einfallswinkeln gegen das Lot auf die Mitte der Empfangsanordnung gebildet werden. Bei Anwendung der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die in Anspruch 5 angegeben ist, reduziert sich die Zahl der Trägerfrequenzmodulatoren im Signalgenerator auf die Halfte und ist gleich gross wie bei einer Richtungsbildung nur in Azimut bzw. Elevation. Ein wesentlioher Vorteil der Vorrichtungen nach Anspruch 4 und 5 besteht darin, dass die Plazierung der Empfangswandler auf der Empfangsanordnung abhängig vom gewünschten Nebenzipfelverhalten vorgenommen werden kann, also frei und nicht nur äquidistant in den Reihen und Spalten gewählt werden kann. Die Vorteile der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Anspruch 4 und 5 bestehen weiterhin auch darin, dass Richtcharakteristiken mit wählbarer Bündelung in horizontaler und vertikaler Richtung durch unterschied- liche Brechungsindexrnodulation für beliebige Raumwinkel simultan gebildet werden, so dass eine Raum überwachung in Azimut und Elevation gewährleistet ist. Mit solchen Vorrichtungen ist bei Anwendung in der Sonartechnik nicht nur eine Angabe über die Peilung, sondern auch über Tauchtiefen von U-Booten möglich, oder bei Verwendung einer aktiven Sonaranlage mit einem Empfangsteil entsprechend der erfindungsgemässen Vorrichtung eine Lokalisierung beispielswei- se von Ankertauminen durchführbar. Eine Verbesserung der Richtungsbildung wird mit der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungegemässen Vorrichtung nach Anspruch 6 auf optischem Wege realisiert, indem beispielsweise ein Din vor dem akustooptischen Modulator angeordnet ist, dessen Transparenz nach aussen hin abnimmt. Dadurch wird bewirkt, dass Empfangssignale der aussen liegenden Empfangswandler stärker gedämpft werden als solche, die von Empfangswandlern in der Mitte der Empfangsanordnung empfangen werden. Diese Art der Amplitudenbewertung ist besonders vorteilhaft, da sie durch Einsatz eines entsprechenden Dias jederzeit auch austauschbar ist. Sie bewirkt eine Nebenzipfeldämpfung für die Richtcharakteristiken. Bei Einsatz eines integrierten optischen Bausteins als Richtungsbildner wird die Amplitudenbewertung durch eine entsprechende ortsabhängige Intensitätsdämpfung innerhalb des Bausteins vorgenommen. Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dArge- stellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Richtungsbildung, Fig. 2 eine Modifizierung der Vorrichtung gemäss Fig. ii Fig. 3 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur zweidimensionalen Richtungsbildung. Wellenenergie aus zwei mit Pfeilen gekennzeichneten Einfallsrichtungen wird von Empfangswandlern einer Empfangsanordnung 10 gemäss Fig. 1 empfangen. Gegen die zentrale Normale 11, die auf der Mitte der Empfangsanordnung 10 errichtet ist, weist die eine Einfallsrichtung einen Winkel + 93 auf, die andere Einfallsrichtung einen Winkel - 94. Die Empfangswand 1er längs einer Geraden sind in einer Reihe angeordnet. Ihre Abstände zueinander sind ungleich und abhängig von der Form der Ricbtcharakteristiken gewählt. Ebenfalls wäre auch eine Erripfangsanordnung mit äquidistant angeordneten Wandlern möglich. Empfangssignale der Empfangswandler der Empfangsanord- nung 10 werden in nachgeschalteten, lichtemittierenden Elementen einer Anordnung 12 in Lichtintensitä- ten umgewandelt. Die Elemente auf der Anordnung 12 strahlen Licht ab, dessen Intensität mit der Ampl4- tude der Empfangssignale moduliert ist. Die Elemente der Anordnung 12 sind in gleicher Weise wie die Emp fangswandler der Empfangsanordnung 10 jedoch in verklein s- tem Massstab angeordnet, beispielsweise mit einer Msss- stabsverkleinerung von 1:100. Zur übersichtlicheren Darstellung ist hier ein anderer Massstabsfaktor gewählt. Der Anordnung 12 ist ein akusto-optischer Modulator 13 nachgeordnet. Der akusto-optische Modulator 13 weist einen Schallgeber 14, einen Absorber 15 und einen dazwischen angeordneten Kristall 16 auf. Der Kristall 16 ist quer zur Durchleuchtungsrichtung des Lichts mit Schallwellen beaufschlagt. Der Absorber 15 sorgt dafür, dass die vom Schallgeber 14 abgegebenen Schallwellen keine stehenden Wellen im Kristall 16 bilden. Der Schallgeber 14 ist mit einem Signalgenerator 20 verbunden. Der Signalgenerator 20 enthält fünf Trä- gerfrequenzmodulatoren 21, 22, 23, 24, 25 zum Bilden von fünf Empfangsrichtungen, die gegen die Normale 11 jeweils zwei gleich grosse Winkel + 91, 2µ # }3 + 24, + 95 aufweisen. In den Trägerfrequenzmodula- toren 21 bis 25 werden fünf verschiedene Tragerfre 1 A1, 2 3, A4. #5 mit fünf verschiedenen, ggf. variierbaren Modulationsfrequenzen #1, Q 2 #3, G)4 5 amplitudenmoduliert. Die Träger- frequenzmodulatoren 21 bis 25 sind mit dem Schallge ber 14 verbunden und erzeugen im Kristall 16 eine Brechungsindexmodulation entsprechend den fünf mit den Modulationsfrequenzen #1 bis #5 modulierten. trägerfrequenten Schallwellen. Die Trägerfrequenzen 111 bis fl 5 sorgen dafür, dass das einfallende Licht den Kristall 16 des akusto-optischen Modulator 13 unter unterschiedlichen Austrittswinkeln &alpha;1 bis wieder verlässt. Solche Strahlenbündel 30 sind beispielhaft für Lichtstrahlen, die vom ersten und letzten Element auf der Anordnung 12 stammen, dargestellt. Das Strahlenbündel 30 umfasst nur Lichtstrahlen der ersten Beugungsordnung. Lichtstrahlen der nullten Beugungsordnung sind mit 31 gekennzeichnet, sie ver lassen den Kristall 16 des akusto-optischen Modulators 13 mit unveränderter Richtung. Für die Lichtstrahlen der anderen Elemente der Anordnung 12 ist nur jeweils einer der austretenden Lichtstrahlen erster Beugungsordnung unter dem Austrittswinkel a3 der fünf möglichen Austrittswinkeln al, a2 a3 aZl a5 gezeigt, da sonst die Zeichnung zu unübersichtlich werden würde. Zur Richtungsbildung für eine Empfangsrichtung der Wellenenergie unter einem Winkel dulationsfrequenz EMI14.1 wird die Mo EMI14.2 im Signalgenerator 20 abhängig von der Mittenfrequenz #w der empfangenen Wellenenergie und ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit cw, dem Massstabsfaktor M (M 4 1) zwischen Empfangsanordnung 10 und Anordnung 12, der Schallausbreitungsgeschwindigkeit ck der Schallwelle im akusto-optischen Modulator 13 und dem Sinus des Betrages des Winkels 93 eingestellt. Die mit der Modulationsfrequenz #3 modulierte Schallwelle bewirkt eine solche Brechungsindexmodulation im Kri stahl des akusto-optischen Modulators 13, dass das Fortschreiten der Schallwelle im Kristall und das Fortschreiten einer Komponente der unter dem Winkel + 3 empfangenen Wellenenergie entlang der Empfangs- anordnung 10 synchron erfolgt. Sämtliche Lichtstrahlen, die zu der Empfangsrichtung unter dem Winkels 3 gehören, verlassen unter dem Austrittswinkel CL parallel den ikusto-optischen Modulator 13. Der Austrittswinkel CL3 wird durch die Trägerfrequenz a3 eingestellt. Durch Verwendung von fünf unterschiedlichen Trägerfrequenzen Q 1 bis Q 5 entstehen fünf parallele Lichtstrahlenbündel. Dem Wkusto-optischen Modulator 13 ist eine Smmellin- se 33 nachgeordnet, in deren Brennebene 34 sich eine Sensoranordnung 40 befindet. Fünf lichtempfindliche Sensoren 41, 42, 43, 44, 45 sind in den fünf Brennpunkten der durch die Sammellinse 33 fokussierten Lichtstrahlenbündel angeordnet. Im Brennpunkt 46 sammeln sich die Lichtstrahlen nullter Beugungsordnung. Im Brennpunkt 47 werden die unter dem Austrittswinkel 3 austretenden Licht- strahlen fokussiert, Trägerfrequenz #3 und Modula tionsfrequenz #3 kann man als Richtungskanal für die Empfangsrichtung unter dem Winkel i 31 bezeichnen. Das Ausgangssignal des Sensors 43 im Brennpunkt 47 repräsentiert die aus dieser Empfangsrichtung empfangene Wellenenergie. Das Ausgangssignal des Sensors 44 im Brennpunkt 48 ist einer Richtcharakteristik zuzuordnen1 die durch den Richtungskanal mit der Trägerfrequenz ±L4 und der Modulationsfrequenz 04 gebildet wird und Wel lenenergle aus der Empfangsrichtung unter den Winkeln # 94 empfängt. Zur Verbesserung der mit einem solchen Richtungsbildner 50 gebildeten fünf Richtcharakteristiken ist vor dem akusto-optischen Modulator 13 ein Dia 49 angeordnet mit einer Schwärzungsverteilung, die ein "shading" der Richtcharakteristik bewirkt. Zur Trennung der mit diesem Richtungsbildner 50 gebildeten Enipfangsrichtungen in zwei symmetrisch zur Normalen 11 liegende Einfallsrichtungen der Wellenenergie sind den Sensoren 41 bis 45 Bandpässe 51 bis 55 und 61 bis 65 nachgeschaltet. Die Mittenfrequenz #w der empfangenen Wellenenergie, die durch das interessierende Nutzsignal des Ziels bestimmt sind, und die verschiedenen Modulationsfrequenzen #1 bis #5 werden zu einer Summenfrequenz, Le B. ( 4 und einer Differenzfrequenz, z. B. w - (; zusammengefasst. Die Bandpässe 51 bis 55 weisen als Durchlassbereich die Sununen- frequenzen auf 1 die Bandpässe 61 bis 65 haben einen Durchlassbereich für die Differenzfrequenzen. Mit den Bandpässen 51 bis 55 und 61 bis 65 wird der Frequenzinhalt der Ausgangssignale der Sencor- anordnung 40 geprüft. Das Ausgangssignal des Sensors 43 weist die Summenfrequenz (#w + #3) auf und erzeugt a Ausgang des Bandpasses 53 ain Signal, das auf einer nachgeordneten Richtungsanzeige 70 auf einem Anzeigeelement + 3 angezeigt wird. Am Ausgang des Sensors 44 wird die Differenzfrequenz LOw - vom Bandpass 64 durchgelassen und lässt die Richtungsanzeige 70 bei der Markierung - 94 aufleuchten. Die Differenzfrequenzen (#w - #1), ..., (#w - #5) kennzeichnen negative Winkel -t und somit Einfallsrichtungen, die links von der Normalen 11 liegen, da der Wellenvektor k der einfallenden Wellenenergie eine Wellenvektorkomponente ky besitzt, die in Ausbreitungsrichtung 71 der Schallwellen im ikusto- optischen Modulator 13 weist. Die Summenfrequenzen + #1), ..., (#w + #5) kennzeichnen positive Winkel +und somit Einfallsrichtungen, die rechts von der Normalen 11 liegen, da die zugehörige Wellenvektorkomponente ky ein anderes Vorzeichen besitzt. Fig. 2 zeigt eine andere Möglichkeit der Signalnach Verarbeitung zur Trennung der Empfangsrichtungen in symmetrisch zur Normalen 11 liegende Einfallsrich- tungen. Der Empfangsanordnung 10 sind zwei gleiche optische Richtungsbildner 50 und 50' nachgeordnet, die beide aus solchen Bauelementen 12, 12', 13, 13', 33, 33', 40, 4o' aufgebaut sind, wie sie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurden. Die lichtemittierenden Elemente auf den Anordnungen 12 und 12' werden von den Empfangssignalen der Empfangs- wandler auf der Empfangsanordnung 10 angesteuert, die von ihnen abgestrahlte Lichtintensität ist entsprechend den Empfangssignalen moduliert. Die optischen Richtungsbildner 50 und 50' sind mit einem Signalgenerator 100 verbunden. Der Schallge ber 14 des akusto-optischen Modulators 13 im Richtungsbildner 50 wird mit einem Signalgemisch an einem Ausgang des Signalgenerators 100 aus kosinusfbr- mig amplitudenmodulierten Trägerfrequenzschwingun gen angesteuert. Der akusto-optische Modulator 13' im Richtungsbildner 50' wird dagegen mit einem Signalgemisch am zweiten Ausgang des Signalgenerators 100 angesteuert, dessen Trägerfrequenzsignale sinusförmig amplitudenmoduliert sind. Der Signalgenerator 100 enthält Trägerfrequenzge neratoren 101 bis 105, die die Tragerfrequenzen h1 bis Jb 5 bereitstellen. Von jeder Modulstionsfre- quenz @1 bis #5 werden zwei um 90 gegeneinander verschobene Spannungen in Modulationsfrequenzgeneratoren 110 bis 119 erzeugt, die mit Trägerfrequenz- modulatoren 120 bis 129 verbunden sind. Die Trägerfrequenzmodulatoren 120 und 121 sind ausserdem mit dem Trägerfrequenzgenerator 101 verbunden. Die gleiche Zusammenschaltung ist für die Trägerfrequenz generatoren 102 bis 105 mit den Trägerfreouenzmodu- latoren 122 bis 129 vorgeseSen. Sämtliche Ausgänge der Trägerfrequenzmodulatoren mit geradzahligen Be zugsyeichen 120, 122, 124, ..., 128 bilden denjenigen Ausgang des modifizierten Signal generators 100, der mit dem Schallgeber 14s des akusto-optischen Modula- tors 13' im Richtungsbiidner 50' verbunden ist. Die Ausgänge der Trägerfrequenzmodulatoren mit ungeradzahligen Bezugszeichen 121, 123, ..., 129 bilden den anderen Ausgang, der mit dem Schallgeber 14 des aku- sto-optinchen Modulators 13 im Richtungsbildner 50 verbunden ist. Die Ausgangssignale an der Sensoranordnung 40 des Richtungsbildners 5D sind bezüglich ihres Freouenzspektrums identisch mit denen in FiF.. 1. Sie enthalten ebenso wie die Ausgangssignale der Sensoranordnung 40' Fr.- quenzenteile mit der Summen- und Differenzfrequenz aus Mittenfrequenz der Wellenenergie und Modulationsfrequenz. Jeder durch den Richtungsbildner 50 und 50' gebildete gleiche Richtungskanal wird in einer nachfolgenden Signalverarbeitung addiert und subtrahiert. Jedem Sensor der Sensoranordnung 40 ist eine Summenschaltung 201 und eine Differenzschaltung 202 nachgeordnet. An den Ausgängen der Summen- schaltungen 201 erscheinen Ausgangssignale, die nur die Summenfrequenz aufweisen und abhängig von der Modulationsfrequenz # positive Winkel + @ kennzeichnen. Bei der Differenzbildung der Ausgangssignale korrespondierender Richtungskanäle erhält man als Ergebnis Ausgangssignale mit der Differenzfrequenz, die negative Winkel - @ abhängig von der Modulationsfrequenz (L > kennzeichnen. Die SLirnmen- und Differenzachaltungen 201 und 202 weisen nur dann ein Ausgangssignal auf, wenn aus der entsprechenden Einfallsrichtung Wellenenergie empfan- gen wird. Sämtliche Summenschaltungen 201 sind mit positiven Winkelanzeigen + 2 und sämtliche Differenv- schaltungen 202 mit negativen Winkelanzeigen - 2 auf der Richtungsanzeige 70 verbunden. Fig. 3 zeigt einen zweidimensionalen optischen Richtungsbildner 500 mit Richtungsanzeige 270, mit dem nicht nur Einfallsrichtungen von Wellen energie in einer Ebene festgestellt werden, sondern Richtcharak teristiken mit einstellbarem Raumwinkel gebildet werden, die in Azimut und Elevation eine getunschte Bün- delung - auch unterschiedlicher Schärfe - aufweisen. Es ist eine ebene Anordnung 212 mit lichtemittierenden Elementen vorgesehen, die in verkleinertem Msss- stab der ebenfalls als ebene Fläche ausgebildeten Empfangsanordnung entspricht, die hier nicht gezeigt wird. Die lichtemittierenden Elemente werden von den Empfangswandlern angesteuert. Der Anordnung 212 ist ein ikusto-optischer Modulator 213 nachgeordnet, der über zwei Schallgeber 214, 215 in x- und y-Richtung jeweils mit Schallwellen senkrecht zur Durchleuch tungsrichtung modulierbar ist. Die Schallgeber 214 und 215 sind mit einem Signalgenerator 220 verbunden, der (an) Trägerfrequenzen und Modulationsfrequenzen zum Bilden von ii Richtungskanälen in x-Richtung und n Richtungskanälen in y-Richtung bereitstellt. Sein Aufbau entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Signalgenerator 20 in doppelter Ausführung. Bei einem quadratischen Aufbau der Anordnung 212 in x- und y-flichtung symmetrischer Richtungsbildung und einer gleichen Winkelauflösung in x- und y-Richtung befinden sich im Signalgenerator 220 nur @ Tragerfre- quenzmodulatoren, beispielsweise fünf, wie im Signalgenerator 20 in Fig. 1, die mit beiden Schallge bern 214, 215 verbunden sind. Es werden hiermit sym metrisch zur Mittelsenkrechten auf die Empfangsan ordnung jeweils fünf Empfangarichtungen unter glel- chem Winkel zur x- und y-Richtung eingestellt. Mit dem akusto-optischen Modulator 213 sind somit insge samt 5x5=25 Richtungsksnäle aufbaubar, die lOxlO=100 Einfallarichtungen der Wellenenergie unterscheidbar machen. Wenn nur einer der beiden Schallgeber 214 oder 215 aktiviert wird, treten - wie bei Fig. 1 gezeigt hinter dem akusto-optischen Modulator 213 fünf Lichtstrahlen erster Beugungsordnung in x- oder y-Richtung jeweils unter fünf unterschiedlichen Austrittswinkeln auf, die durch die fünf Trägerfrequenzen fil, im Signalgeber 220 erzeugt werden. Wenn gleichzeitig über die Schallgeber 214 und 215 sämt- liche 5+5=10 trägerfrequenzmodulierten Schallwellen ii akusto-optischen Modulator 213 wirksam werden, entsteht hinter dem akusto-optischen Modulator 213 ein Lichtstrahlenmuster, das je Lichtstrahlenbündel 230 aus 5x5=25 Lichtstrahlen erster Beugungsordnung besteht. Vor dem akusto-optischen Moduls tor 213 befindet sich ein Din 249, das eine Schwärzungsverteilung entsprechend einer gewünschten Amplitudensstaffelung aufweist. Eine dem akusto-optischen Modulator 213 nachgeordnete Sammellinse 233 bündelt parallele Lichtstrahlen in ihrer Brennebene. Die gebündelten Lichtstrahlen erzeugen 5x5=25 Brennpunkte in der Brennebene, die den fünfundzwanzig Richtungskanälen entsprechen. In den Brennpunkten befinden sich funfdzwanzig Sensoren. Jedem Sensor sind vier Filter nachgeordnet, mit denen festgestellt wird, in welchem Quadranten im x-y-Koordinatensyatem die Einfallarichtung der Wellenenergie liegt. Sensoren und Filter bilden eine quadratische Matrix 240. Für eine Vorzeichenunterscheidung in x-Richtung sind jedem Sensor je zwei Filter zur Trennung zwischen Summen- und Differenzfrequenz nachgeordnet, wobei die Summen- und Differenzfrequenz zwischen der Mittenfre quenz w der Wellenenergie und den Modulationsfre- quenzen LA > ll .., m im Signalgenerator 220 liegen. Zur Vorzeichenunterscheidung in y-Richtung ist jeder Sensor mit zwei weiteren Filtern verbunden, die die Summen- und Differenzfrequenz zwischen der Mittenfrequenz (a > w der Wellenenergie und den Modulationsfrequenzen &commat;1 E1, ..., n im Signalgenerator 220 trennen. Die Filter sind so aufgebaut, wie dies bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erlautert wurde. Die Matrix 240 ist mit einer Richtungsanzeige 270 mit lOxlQ=100 Feldern zur Anzeige von hundert unterschiedlichen Raumwinkeln in Azimut @ und Elevation 6 verbunden, auf der die Einfallsrichtung der Wellenenergie sichtbar gemacht wird. Eine eindeutige Raumwinkelpeilung ist auch mit einer Anordnung, wie sie in Fig. 2 für die azimutale Richtungsbildung beschrieben ist, möglich. Dafür müsste der zweidimensionale Richtungsbildner 500 zweimal aufgebaut werden und die Sensorausgangssignale in der Weise verarbeitet werden, wie es in Fig. 2 für die azimutale Richtungsbildung beschrieben ist. Der Signalgenerator 220 wäre dann genauso aufzubauen, wie der Signalgenerator 100 in Fig. 2 und die Filter schaltungen in der Matrix 240 zu ersetzen durch Summe/Differenzschaltungen, wie diec im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Claims: PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Richtungabildung beim Empfang von Wellenenergie bekannter Mittenfrequenz und Bandbreite mit einer mehrere Empfangswandler aufweisenden Empfang anordnung und den 1-pfangs - wandlern nachgeschalteten, von ihnen angesteu erten, lichtemittierenden Blomenten, deren sco- netrische Anordnung der Empfangsanordnung ia verkleinerten Massstab entspricht1 mit mindestens eines den Elementen nachgeordneten akusto-opti- schen Modulator, der mit einem Signalgenerator zusammengeschaltet und mit modulierten, trager frequenten Schallwellen quer zur Durchleuch- tungsrichtung beaufschlagt ist, die eine Modu lationsfrequenz entsprechend der gewünschten, momentan zu bildenden Empfsngsrichtung aufwei sein, sowie mit einer dem akugto-optlschen Mo- dulator nachgeordneten Sammellinse, dadurch ge kennzeichnet, dass der Signalgenerator (20; 100; 200) Trägerfrequenzmodulatoren (21, 22, ..., 25 bzw. 120, 121, ..., 129) für eine Anzahl von den zu bildenden Empfangsrichtungen zuge ordneten, fest eingestellten, unterschiedlichen Trägerfrequenzen (±Ll1 ..., A5) und für eine gleiche Anzahl einstellbare Modulationsfre- quenzen (#1, ..., #5) aufweist, wobei jede Trägerfrequenz < 1' ..., #5) zusammen mit der Modulationsfrequenz < tA'1' ...1 #5) einen Richtungskanal bildet, und dass hinter der 5-X- mellinse (33; 233) an Brennpunkten von den Rlch- tungskanälen zugeordneten Lichtstrahlbün deln eine gleiche Anzahl lichtempfindlicher Sen soren (40) zur Anzeige und/oder Weiterverarbei tung der aus der Anzahl der Lnpfangsrichtungen empfangenen Wellenenergie angeordnet ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass jedem Sensor (40, 41, ..., 45) zwei Fil ter (51, ..., 55, 61, ..., 65) nachgeordnet sind, dass das eine Filter (51, ..., 55) rus Durchlas sen der Summenfrequenz (#W + #1; ..., #W + #5) aus Modulationsfrequenz (#1, ..., #5) und Mit tenfrequenz (#W) der Wellenenergie und das an dere Filter (61, ..., 65) zum Durchlassen der Differenzfrequenz (#W-#1, ..., #W-#5) aus Mit- tenfrequenz (#W) der Wellenenergie und Modula tionsfrequenz (#1, ..., #5) ausgebildet ist und dass jedes Filter (51, ..., 55, 61, ..., 65) mit einer Richtungsanzeige < 70, 270) verbunden ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass zwei jeweils einen Schallgeber auftei- sende akusto-optische Modulatoren (13, 13') mit nachgeordneten Sammellinsen (33, 33') und Senso ren (40, 40')vorgesehen sind, dass jeder akusto optische Modulator (13, 13')mit einem Ausgang des Signalgenerators (100) verbunden ist, dass im Signalgenerator (100) für jede Trägerfrequenz (#1, ..., #5) und Modulationsfrequenz (#1, zwei Trägerfrequenzmodulatoren (120 bis 129) vorgesehen sind, dass eine erste Hälfte der Trägerfrequenzmodulatoren (120, 122, 124, 126, 128) mit Schwingungen der Trägerfrequenzen (#1, ....#5) und mit Sinusschwingungen der Modu lationsfrequenzen (#1, ..., #5) und die an dere Hälfte der Trägerfrequenzmodulatoren (121, 123, 125, 127, 129) mit Schwingungen der glei chen Trägerfrequenzen (#1, ..., #5) und mit Cosinusschwingungen der gleichen Modulations frequenzen (#1, ..., #5) beaufschlagt ist, dass Ausgänge der Trägerfrequenzmodulatoren (120, 122, ...) der ersten Hälfte den einen Ausgang des Signalgenerator (100) und Ausgänge der Tri- gerfrequenzmodulstoren (121, 123, ...) der an- deren Hilfte den zweiten Ausgang des Signalge nerators (100) bilden und dass die zum gleichen Richtungskanal gehörenden Sensoren (40, 40') jeweils mit einer Summen- und einer Differenz schaltung (201, 102) mit nachgeschalteter Rich tungsanzeige (70) verbunden sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Empfangswandler in einer Ebene angeordnet sind, dass jeweils der akusto optische Modulator (213) in zwei Richtungen (s, y) quer zur Durchleuchtungsrichtung aku stisch beeinflussbar ist und zwei Schallgeber (214, 215) aufweist, dass der Signalgenerator(200) zum Bilden von m Richtungskanälen in der einen Richtung (x) m Trägerfrequenzen (#1, #2, ... #m) und Modulationsfrequenzen (#1, #2, ..., und zum Bilden von n Richtungskanälen in der anderen Richtung (y) n Trägerfrequenzen (#1, #2, ..., #n) und Modulationsfrequenzen (#1, #2, ..., #n) aufweist, dass die Trägerfrequenz modulatoren für die m Richtungskanäle mit dem ei nen Schallgeber (214) und die Träerfrequenzmodu latoren für die n Richtungskanäle mit dem anderen Schallgeber (215) verbunden sind und dass die An zahl der Empfangarichtungen gleich dem Produkt m.n der Richtungakanäle in beiden Richtungen (x, y) ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, dass jeder akusto-optische Modulator (213) horizontal und vertikal akustisch beeinflussbar ist und zwei in vertikaler und horizontaler Rich tung abstrahlende Schallgeber(214, 125) aufweist, dass zum Bilden der Richtungskanäle in horizonts- 1er und vertikaler Richtung gleiche Träger- und Nodulstionsfrequenzen verwendet werden. 6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem akusto-optischen Modulator (13, 13', 213) eine Platte (Dis 49, 49', 249) aus licht durchlässigem Material angeordnet ist und dass die Platte (Din 49, 49', 249) eine Schwärzungs- verteilung aufweist, die einer gesunschten Am plitudenbewertung der Empfangasignale entspricht.

Inventors: RATHJEN, DIRK, DR.
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1985
Main classification: G01S3
IPC codes: G01S3, H01Q25