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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur
Erfassung eines kohärenten optischen Signals, umfassend Mittel
zur Erzeugung eines optischen Hilfssignals, das ebenfalls
kohärent ist, und Mittel, um das zu erfassende optische Signal
und das optische Hilfssignal zu überlagern und die
Überlagerung und folglich das zu erfassende Signal zu erfassen.
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Eine solche Vorrichtung wird z.B. in Lasertelemetriesystemen
oder auch in aktiven Bildverarbeitungssystemen verwendet. In
diesen Systemen stammt das zu erfassende optische Signal von
der Reflektion eines von einem Sendelaser ausgesandten
optischen Signals auf einem Gegenstand bzw. Ziel. Zum Beispiel ist
im Fall der Telemetrie das ausgesandte optische Signal
gepulst, und die Länge des Zeitintervalls, das zwischen dem
Zeitpunkt der Aussendung und dem Zeitpunkt der Erfassung des
reflektierten Signals liegt, erlaubt die Bestimmung der
Entfernung, in der sich das Ziel befindet.
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Das optische Hilfssignal hat eine Frequenz, die geringfügig
gegenüber der Frequenz des vom Sendelaser ausgesandten,
optischen Signals verschoben ist, beispielsweise in der
Größenordnung von einigen 10 Megahertz. Es wird von einem Laser
erzeugt, der die Rolle eines lokalen Oszillators spielt, dessen
Amplituden- und Frequenzeigenschaften zeitlich unveränderlich
sind. Das zu erfassende, optische Signal und das lokale,
optische Signal werden z.B. an einen quadratischen Detektor
angelegt, der diese beiden Signale überlagert. Auf diesen Detektor
folgt ein Filterkreis, der auf die Überlagerungsfrequenz
zentriert ist, um die Erfassung der Überlagerung und damit des zu
erfassenden Signals zu ermöglichen. Eine solche Erfassung wird
kohärente optische Erfassung genannt.
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In einer solchen Vorrichtung ist die maximale Entfernung, in
der sich ein erfaßbares Ziel befinden kann, offensichtlich mit
dem Wert des geringsten, noch erfaßbaren Signals gekoppelt.
Bekanntermaßen ist nämlich das von der Reflektion am Ziel
stammende Signal des ausgesandten Signals um so schwächer, je
weiter das Ziel entfernt ist. In der Praxis ist die untere
Grenze des erfaßbaren Signals an das Signal/Rauschverhältnis
des lokalen Laseroszillators gekoppelt. Weiterhin kann an die
Verwendung eines optischen Verstärkers gedacht werden, um das
zu erfassende Signal vor der Überlagerung zu verstärken, um
den maximalen Wert der meßbaren Entfernung zu vergrößern.
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Allerdings weisen die klassischen optischen Verstärker selbst
ein so großes Signal/Rauschverhältnis auf, daß die
Leistungsverbesserung des gesamten Systems nicht von Bedeutung ist.
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Es ist jedoch aus dem Artikel von NAKAJIMA et al.,
"Intracavity nearly degenerate four-wave mixing in a (GaA1)As
semiconductor laser", Appl. Phys. Lett. 47(8), 15 October 1985, eine
Vorrichtung bekannt, die in der Lage ist, insbesondere ein
optisches Signal zu verstärken, ohne das
Signal/Rauschverhältnis bedeutend zu verschlechtern. Diese Vorrichtung verwendet
eine Mischung aus vier optischen Signalen, die gewöhnlich als
"Vierwellenmischung" bezeichnet wird und die hier in einer mit
der Frequenz f&sub1; schwingenden Laserdiode auftritt. Diese
Vorrichtung bewirkt nicht nur, wie dies bekannt ist, einen
Vorzeichenwechsel der Phase des optischen Signals das anliegt,
sondern auch eine Verstärkung dieses Signals. Diese
Verstärkungsvorrichtung ist indessen in der hier in Rede stehenden
Vorrichtung zu kohärenten Erfassung nicht anwendbar, in dem
Maße oder wenn das zu verstärkende Signal die Frequenz f hat
und das verstärkte Signal die Frequenz fa hat, mit:
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Fa = 2f&sub1; - f
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Die Frequenz fa des verstärkten Signals ist daher nur gleich
der Frequenz f des zu verstärkenden Signals, wenn diese exakt
gleich der Schwingungsfrequenz f&sub1; der Laserdiode der
Verstärkungsvorrichtung ist. Eine solche Bedingung kann allerdings in
der hier in Rede stehenden, kohärenten Erfassungsvorrichtung
nicht ständig aufrechterhalten werden, wenn die unabhängigen
Variationen berücksichtigt werden, denen die beiden fraglichen
Frequenzen ausgesetzt sein können.
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Auf diese Weise ist somit die Empfindlichkeit der bekannten
Vorrichtungen zur kohärenten, optischen Erfassung begrenzt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, wenigstens teilweise
die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden, indem eine
Vorrichtung zu kohärenten Erfassung des oben definierten Typs
geschaffen wird, deren Empfindlichkeit wesentlich größer ist als
die der im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen.
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Hierzu schafft die Erfindung eine Vorrichtung des oben
definierten Typs, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein
nichtlineares festes Medium enthält, welches durch zwei vom optischen
Hilfssignal abstammende optische Signale von entgegengesetzter
Richtung gepumpt wird und welches das zu erfassende optische
Signal empfängt, um es vor der Überlagerung zu verstärken.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung findet eine
"Vierwellenmischung" in dem festen, nichtlinearen Medium statt, und es
gibt folglich eine Phasenzuordnung und eine wenig
rauschbehaftete Verstärkung des zu erfassenden Signals, wie in der in dem
Artikel von NAKAJIMA et al. beschriebenen Vorrichtung. Da
allerdings die Mischung nicht in einer mit ihrer Eigenfrequenz f&sub1;
schwingenden Laserdiode stattfindet, sondern in dem festen,
nichtlinearen Medium, das mit der Frequenz f&sub0;&sub1; des lokalen
optischen Signals gepumpt wird, ist die Frequenz fa des
verstärkten Signals nunmehr:
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fa = 2f&sub0;&sub1; - f
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Daraus folgt, daß man, wenn das verstärkte Signal mit der
Frequenz fa mit dem lokalen Signal der Frequenz f&sub0;&sub1; überlagert
wird, eine Schwebung mit der Frequenz fb erhält, die gleich der
Differenz der beiden Frequenzen fa und f&sub0;&sub1; d.h.:
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fb = 2f&sub0;&sub1; - f - f&sub0;&sub1;
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also:
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fb = f&sub0;&sub1; - f
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was demnach die gleiche Überlagerungsfrequenz wie bei
Abwesenheit des verstärkenden Mediums ist, was bedeutet, daß in der
Erfassungskette der Überlagerung alles unverändert ist.
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In einer ersten Ausführungsform ist der Index des festen
Mediums nichtlinear in Bezug auf die Amplitude des optischen
Signals, das es empfängt.
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In einer zweiten Ausführungsform ist der
Leistungsverstärkungsfaktor des festen Mediums nichtlinear in Bezug auf die
Amplitude des optischen Signals, das es empfängt.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden
Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen besser
verständlich, in denen
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Fig. 1 schematisch ein bekanntes Telemetriesystem zeigt,
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Fig. 2 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung zeigt,
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Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung zeigt, und
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Fig. 4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Erfassungsvorrichtung zeigt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 enthält ein Telemetriesystem
bekannter Art einen Leistungslaser 1, hier einen CO&sub2;-Laser,
dessen Strahl auf ein optisches System 2 gerichtet ist, das auf
ein nicht dargestelltes Ziel ausgerichtet ist, dessen
Entfernung zu bestimmen ist.
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Die Lichtenergie des Laserstrahls 1 wird am Ziel reflektiert,
und die reflektierte Energie geht den gleichen Weg zurück. Um
in bekannter Weise die Entfernung des Ziels zu bestimmen, wird
der Laser 1 so angesteuert, daß er ein optisches, kohärentes
Signal 10 in gepulster Form aussendet. Das reflektierte Signal
11 ist dann ebenfalls gepulst, und die Länge des
Zeitintervalls, das zwischen dem Sendezeitpunkt und dem
Erfassungszeitpunkt des reflektierten, optischen Signals vergeht, ermöglicht
die Entfernungsbestimmung des Ziels.
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Um den Sendezeitpunkt zu bestimmen, ist eine
halbreflektierende Platte 14 im optischen Strahlweg 10 angeordnet, um einen
Teil davon auszukoppeln und ihn auf einen quadratischen
Detektor 4 zu leiten. Eine weitere halbreflektierende Platte 32 ist
im Weg eines weiteren kohärenten, optischen Signals 30
angeordnet, das von einem Hilfslaser 3 erzeugt wird, um davon
einen Teil auszukoppeln und ihn ebenfalls zum Detektor 4 zu
leiten. Der Laser 3 spielt die Rolle eines lokalen Oszillators.
Es handelt sich hier gleichfalls um einen CO&sub2;-Laser, der zum
Aussenden des optischen Signals 30 angesteuert wird, dessen
Leistung konstant, aber wesentlich schwächer als die des
Lasers 1 ist, und dessen Frequenz gegenüber der Frequenz dieses
Lasers leicht verschoben ist. Die Frequenzverschiebung des
Lasers 3 gegenüber dem Laser 1 beträgt z.B. 30 Mhz. Die beiden
optischen Signale, die zum quadratischen Detektor 4 gelangen,
überlagern sich in diesem und die Überlagerungsfrequenz, hier
mit 30 Mhz, wird gefiltert und dann in einem elektronischen
Kreis 5 detektiert, der ein Signal E liefert, welches dem
Sendesignal entspricht, insbesondere hier dem Sendezeitpunkt.
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Eine halbreflektierende Platte 13 ist in den Wegen der Signale
10 und 11 angeordnet, um das Signal 10 durchzulassen und das
Signal 11 zu einem weiteren quadratischen Detektor 6 zu
reflektieren. Eine weitere halbreflektierende Platte 33 läßt das
Signal 11 durch und reflektiert das Signal 30 zum Detektor 6.
Der Detektor 6 ist hier identisch mit dem Detektor 4, und ihm
ist ein Elektronikkreis 7 nachgeschaltet, der mit dem Kreis 4
identisch ist. Der Detektor 6 und der Kreis 7 überlagern somit
das reflektierte optische Signal 11 und das optische
Hilfssignal oder lokale Signal 30 und erfassen die Überlagerung
zwischen beiden. Das Signal R, das vom Kreis 7 geliefert wird,
ist somit repräsentativ für das reflektierte Signal 11 und
hier insbesondere für den Erfassungszeitpunkt dieses Signals
11.
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Bekanntermaßen ist die maximale Entfernung des Ziels, die mit
Hilfe des bekannten, soeben beschriebenen Systems bestimmt
werden kann, an die Empfindlichkeit der Erfassungsvorrichtung
des reflektierten Signals gekoppelt, wobei diese
Empfindlichkeit in der Praxis vom Rauschen des lokalen Laseroszillators 3
begrenzt wird.
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Die erfindungsgemäße Erfassungsvorrichtung, die nachfolgend
unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 4 beschrieben wird, ermöglicht
es, wenn sie auf das vorstehende System angewendet wird, das
optische Signal 11 vor der Überlagerung zu verstärken, so daß
die maximale, meßbare Entfernung des Ziels vergrößert wird.
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Fig. 2 bis 4 zeigen lediglich die Elemente der Fig. 1, die in
der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorkommen, wobei deren
Anordnung modifiziert ist. Es handelt sich um die Signale 11 und
30, den Detektor 6 und den Kreis 7. In den Abbildungen ist das
Signal 11 nach seiner Reflektion an der halbreflektierenden
Platte 13 nach Fig. 1 dargestellt, wobei es beispielsweise
vertikal angenommen wird. Das Signal 30 ist gleichfalls nach
seinem Durchgang durch die halbreflektierende Platte 32 der
Fig. 1 dargestellt, wobei es horizontal angenommen ist.
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Eine erste Ausführungsform ist in Fig. 2 dargestellt.
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Ein festes, nichtlineares Medium 8 wird durch zwei vom
optischen Hilfssignal oder lokalen Signal 30 abstammende optische
Signale 31 und 32 entgegengesetzter Richtung gepumpt. Das
erste dieser Pumpsignale, das Signal 31, wird unterhalb einer
halbreflektierenden Platte 331 erhalten, die im Weg des
lokalen Signals 30 angeordnet ist. Dieses Signal 31, das beim
Austritt aus der Platte 331 horizontal gerichtet ist, wird durch
einen Spiegel 34 um einen geeigneten Winkel umgelenkt, bevor
es in das Medium 8 eintritt. Das zweite Pumpsignal 32 wird
durch Reflektion des ersten Pumpsignals 31 nach seinem
Durchgang durch das Medium 8 an einem Spiegel 9 erhalten, der
senkrecht zu dessen Richtung angeordnet ist.
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Das feste Medium 8 ist z.B. ein Halbleitermedium des Typs, der
zur Herstellung von Laserdioden verwendet wird. Die
Nichtlinearität, die es aufweist, äußert sich durch eine Nichtlinea-
rität des Index und durch eine Nichtlinearität der
Verstärkung, wobei eine dieser beiden Nichtlinearitäten je nach Art
des betrachteten Mediums vorherrschend ist.
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Hier sei bemerkt, daß ein Medium eine Nichtlinearität des
Index aufweist, wenn das Medium bei Empfang eines optischen
Signals einen Index für dieses optische Signal aufweist, der
sich in nichtlinearer Weise mit der Amplitude dieses Signals
verändert. Man kann sagen, daß dieser Index nichtlinear im
Verhältnis zur Amplitude des empfangenden optischen Signals
ist.
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Gleichfalls sei daran erinnert, daß ein Medium eine
Nichtlinearität der Verstärkung aufweist, wenn dieses Medium bei
Empfang eines optischen Signals unter der Wirkung des
empfangenden Signals ein anderes aussendet und sich der Koeffizient der
Leistungsverstärkung in nichtlinearer Weise mit der Amplitude
des empfangenden Signals verändert. Der Koeffizient der
Leistungsverstärkung ist das Verhältnis zwischen der Leistung des
wieder ausgesendeten optischen Signals und der des
empfangenden optischen Signals. Man kann dann sagen, daß dieser
Verstärkungskoeffizient nichtlinear im Verhältnis zur Amplitude
des empfangenden optischen Signals ist.
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Das Medium 8 empfängt gleichfalls das Signal 11 mit vertikaler
Richtung, was ein wieder ausgesendetes Signal 12 entstehen
läßt, welches die gleiche Richtung wie das Signal 11, aber
entgegengesetzter Richtung hat, wobei das Signal 12 im
Verhältnis zum Signal 11 verstärkt und frequenzverschoben ist.
Eine halbreflektierende Platte 14 lenkt dieses Signal 12 zum
Detektor 6 um, dessen Empfangsachse hier horizontal ist.
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Die halbreflektierende Platte 331 reflektiert das Signal 30
vertikal zu einem Spiegel 332, der es seinerseits horizontal
zu einem Spiegel 333 reflektiert. Der Spiegel 333 reflektiert
es vertikal zu einer halbreflektierenden Platte 334, die es
zum Detektor 6 reflektiert und dabei das verstärkte optische
Signal 12 durchläßt.
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Wie bereits angegeben, wenn f&sub0;&sub1; die Frequenz des lokalen
Laseroszillators ist, der das Signal 30 erzeugt, und wenn f die
Frequenz des zu erfassenden Signals 11 ist, gilt für die
Frequenz
fa des verstärkten Signals 12:
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fa = 2f&sub0;&sub1; - f
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wobei für die Überlagerung zwischen der Frequenz fa des Signals
12 und der Frequenz f&sub0;&sub1; des Signals 30, die im Detektor 6
stattfindet und die Frequenz fb ergibt, gilt:
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fb = f&sub0;&sub1; - f
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d.h. die gleiche Frequenz wie im System nach dem Stand der
Technik.
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In der Vorrichtung nach Fig. 2 bilden die Richtung des zu
verstärkenden optischen Signals 11 und die gemeinsame Richtung
der Pumpsignale 31 und 32 einen von Null verschiedenen Winkel,
was der allgemeinsten Anordnung entspricht. Indessen kann die
Verstärkung maximiert werden, indem vorgesehen wird, daß diese
beiden Richtungen einen Winkel von Null bilden, wie in der
Anordnung nach Fig. 3.
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In dieser Vorrichtung dringt das erste Pumpsignal 31 unterhalb
der halbreflektierenden Platte 331 in das Medium 8 ein, ohne
abgelenkt worden zu sein, d.h. hier in horizontaler Richtung.
Nach Durchgang durch das Medium 8 wird dieses erste Pumpsignal
31 an einer halbreflektierenden Platte 9' reflektiert, die
hier vertikal angeordnet ist, und erzeugt ein zweites
Pumpsignal 32. Die halbreflektierende Platte 9' läßt das Signal 11
durch, das hier durch eine halbreflektierende Platte 15
horizontal zum Medium 8 umgelenkt wird. Das verstärkte Signal 12,
das eine zum zu verstärkenden Signal 11 entgegengesetzte
Richtung aufweist, wird daher horizontal erneut ausgesendet und
geht durch die halbreflektierende Platte 9', die
halbreflektierende Platte 15 und die halbreflektierende Platte 334, um
zum Detektor 6 zu gelangen. Die übrige Vorrichtung ist mit der
nach Fig. 2 identisch.
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In der Vorrichtung nach Fig. 3 haben die halbreflektierenden
Platten 331 und 334 und die Spiegel 332 und 333 die Aufgabe,
das lokale Signal 30 zum Detektor 6 zu leiten.
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Wie die Vorrichtung nach Fig. 4 zeigt, können die vorigen
Elemente weggelassen werden, wenn die halbreflektierenden Platten
9' und 15 dafür vorgesehen sind, daß ein ausreichender Teil
des lokalen Signals 30 zum Detektor 6 gelangt. In diesem Fall
ist das erste Pumpsignal das lokale Signal 30 selbst, von dem
ein Teil durch die halbreflektierenden Platten 9' und 15 in
Richtung zum Detektor 6 geht und dessen anderer Teil das
zweite Pumpsignal 32 erzeugt. Auf diese Weise ist der Aufbau der
Vorrichtung besonders einfach und kompakt, da er
aufeinanderfolgend und auf dem Weg des lokalen Signals 30 das feste
Medium 8, eine senkrecht zum Weg des lokalen Signals 30
angeordnete, halbreflektierende Platte 9', eine halbreflektierende
Platte 15 zum Leiten des Signals 11 zum festen Medium 8 sowie
den mit dem Kreis 7 verbundenen Detektor 6 umfaßt.
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Selbstverständlich ist der Umfang der vorliegenden Anmeldung
nicht auf die vorangehende Beschreibung beschränkt.
Insbesondere liegt es im Bereich des Könnens des Fachmanns,
unterschiedliche Anordnungen als die beschriebenen vorzusehen,
insbesondere in Bezug auf die Spiegel und die halbreflektierenden
Platten.
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Ebenso ist die beispielhafte Anwendung der Vorrichtung gemäß
der Erfindung auf ein Telemetrisystem nicht begrenzend, da
offensichtlich ist, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
vorteilhaft in allen Situationen angewendet werden kann, in denen
ein optisches Signal geringer Leistung durch kohärente
optische Erfassung erfaßt werden soll, d.h. durch Verwendung einer
Hilfsquelle, die die Rolle eines lokalen Oszillators spielt.