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Die Erfindung betrifft Fernbereichs-, Infrarot-, Festkörper LADARs (Lasernachweis- und
Entfernungsmessung). Insbesondere betrifft die Erfindung Differentialpolarisations-
LADARs, die für das menschliche Auge so sicher wie möglich sind.
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ie Polarisation kann zur Verbesserung der LADAR-Fahigkeit, Objekte zu erfassen,
angewandt werden. Insbesondere, wenn ein polarisierter Strahl übertragen wird, wird
die Rückstrahlpolarisation durch Reflexion eines spiegelnden Ziels nicht geöndert. Die
meisten Ziele sind jedoch diffus (nicht spiegelnd) und zerstreuen daher polarisiertes
Licht in Zufallspolarisationen. Der Rückstrahl kann durch einen
Polarisationsstrahlsplitter in vertikale und horizontale Polarisation gespalten werden, und durch
Verwendung von Dualdetektoren kann das Verhältnis der zufälligen zur spiegelnden
Rückenergie erfaßt werden.
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Die interessierenden Ziele für die meisten LADARs sind häufig Fahrzeuge, die
typischerweise gestrichene Metallobjekte sind. Das Reflexionsvermögen glatten Metalls
ist polarisationserhaltend. Metallflächen mit einer dünnen Farbschicht führen zu einem
partiell polarisationserhaltendem Reflexionsvermögen. Die Änderung der
Polarisationscharakteristika ermöglicht eine Klassifizierung von vom LADAR erfaßten Objekten.
Durch Messung der Rückenergie mit einem Vertikal- und
Horizontalpolarisationsdetektor kann jeweils die relative Stärke bestimmt werden. Das US-Patent
4,333,008 mit dem Titel 'Polarization Coded Doublet Laser Detection System' offenbart
solche Techniken.
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Die Erfindung, wie sie nachstehend im einzelnen beschrieben wird, beeinhaltet die
Modifizierung der oben beschriebenen Differentialpolarisationstechnik, um die
zirkulare Polarisation anzuwenden. Insbesondere besteht der besondere Aspekt des
Zirkularpolarisationslichts (das entweder rechts- oder linkszirkularpolarisiert sein kann) darin,
daß die Reflexion von einem spiegelnden Ziel die Richtung der Zirkularpolarisation
umkehrt. Somit wird bei Reflexion von einem spiegelnden Ziel der rechtszirkular
polarisierte Lichtstrahl in der Richtung in einen linkszirkular polarisierten Lichtstrahl
umgekehrt.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird zirkular polarisiertes Licht durch
Verwendung einer Viertelwellenplatte erzeugt. Insbesondere transformiert die
Viertelwellenplatte linear polarisiertes Licht in im wesentlichen zwei Lichtbündel, die sich in
der gleichen Richtung, linear polarisiert und orthogonal und in der Phase um eine
Viertelwellenlänge bzw. 90º verschoben ausbreiten. Die Überlagerung der beiden
Lichtbündel, die lineare, orthogonale Polarisationen gleicher Größe sind und die eine
90º Phasendifferenz untereinander haben, erzeugen zirkular polarisiertes Licht.
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Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, transformiert die Viertelwellenplatte,
wenn zirkular polarisiertes Licht von einem spiegelnden Ziel reflektiert (und daher in
der Drehrichtung umgekehrt wird, wie oben erwähnt) und durch die
Viertelwellenplatte zurückgeleitet wird, das entgegengesetzt zirkular polarisierte Licht in
linear polarisiertes Licht, das zum ursprünglich übertragenen linear polarisierten Licht
orthogonal ist. Z. B. kehrt vertikal linearisiertes polarisiertes übertragenes Licht, wenn
es von einer spiegelnden Flache reflektiert wird, als horizonral linear polarisiertes Licht
zurück. Wie im US-Patent 4,844,593 offenbart ist, wird diese Eigenschaft der
Viertelwellenplatte bei optischen Rückkopplungsisolatoren von Laserinterferometern
allgemein angewandt. Diese Eigenschaft wird auch dazu verwendet,
Hochstabilitötsoszillatoren von Verstörkern in Mehrfachlasersystemen und in
Computerblendschutzbildschirmen zu isolieren.
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Als weiteres Beispiel einer Anwendung des Standes der Technik offenbart das US-
Patent 4,025,194 ein Lasersende/Empfangsgerat mit gemeinsamer Blende. Dieses
System verwendet jedoch nachteiligerweise einen Resonatorlaserstrahl, der bei einer
Wellenlänge arbeitet, die für das menschliche Auge gefährlich ist. Außerdem
verwendet dieses System keinen Strahlexpander, um die Energiedichte des
Laserstrahls zu reduzieren. Das Verletzungspotential für das menschliche Auge wird
daher signifikant erhöht. Es mißt außerdem nicht gleichzeitig die Rückenergie in
vertikalen und horizontalen Änderungen, um Metallobjekte zu erfassen.
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Der Hochgenauigkeits-Halbleiterlaserdopplergeschwindigkeitsmesser, der im US-
Patent 4,919,532 offenbart ist, verwendet vorteil hafterweise einen InGaAsP- Laser, der
enien 1,54 um-Wellenlängenlichtstrahl benutzt, der für das Auge im wesentlichen
sicher ist. Experimente haben jedoch gezeigt, daß ein InGaAsP-Diodenlaser wegen
des nichtausreichenden Leistungsausgangs fur die Fembereichserfassung unerwunscht
ist.
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Zusätzlich zu den Nachteilen, die bei den oben beschriebenen Sensoren auftreten, ist
zu beachten, daß bei einem Photodiodendetektor das Vorverstörkerrauschen die
Grenze der Empfängerempfindlichkeit für einen Sensor mit kleinem Beobachtungsfeld
bestimmt. Insbesondere kann, wie später im Detail beschrieben wird, durch
Verwendung einer Lawinenphotodiode die Hochempfindlichkeit, die für einen
Fernbereichsbetrieb benötigt wird, erreicht werden. Die Lawinenphotodiode verstärkt das
Signal, bevor das Vorverstärkerrauschen das Signalrauschverhältnis verschlechtern
kann.
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Ein weiteres Beispiel einer Erfassungsanordnung des Standes der Technik in Form
eines Millimeterwellenlängen-Radarsuchgeräts ist im US-Patent 5,034,750 offenbart,
das im 94,0 - 94,5 Ghz-Bereich arbeitet und in der Lage ist, zirkulare oder lineare
Polarisation zu übertragen und zu empfangen, das jedoch nicht in der Lage ist, einen
Millimeterwellengenerator durch einen Laser zu ersetzen.
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Die vorliegende Erfindung, wie sie im Anspruch definiert ist, schafft ein Gerät, das die
zuvor erwähnten Nachteile der LADARs des Standes der Technik überwindet und eine
Verbesserung bewirkt, die einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der
LADAR-Technik liefert.
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Die Erfindung verwendet einen Dioden-gepumpten Nd:YLF oder Nd:YAG-Laser mit
Güteschaltbetrieb in einem Abbildungs-LADAR, um einen kompakten, leichten LADAR-
Sensor zu erhalten, der zu einem Fernbereichsbetrieb geeignet und für das Auge so
sicher wie möglich ist.
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Es wird ein Indiumgalliumaresnid-Lawinenphotodioden (InGaAs APD)-Detektor in
einem Abbildungs-LADAR verwendet, um Störflecke zu minimieren.
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Es wird eine 1,32 um-Betriebswelleniänge in einem Abbildungs-Ladar verwendet, um
Augengefährdungen zu minimieren.
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Vorstehend wurden einige der besonderen Eigenschaften der Erfindung herausgestellt.
Diese Eigenschaften sollten nur als beispielsweise für die besonderen Eigenschaften
und Anwendungsfälle der beabsichtigten Erfindung aufgefaßt werden. Zahlreiche
andere vorteilhafte Ergebnisse können durch Anwendung der offenbarten Erfindung in
unterschiedlicher Weise oder durch Modifizieren der Erfindung innerhalb des
Rahmens der Offenbarung erzielt werden. Weitere Eigenschaften und ein besseres
Verständnis der Erfindung ergeben sich durch Bezugnahme auf die Zusammenfassung
der Erfindung und die detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
zusätzlich zu dem Umfang der Erfindung, wie er durch die Ansprüche in Verbindung
mit den beigefügten Zeichnungen festgelegt ist.
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Zusammenfassend verwendet die Erfindung einen Fernbereichs-, Infrarot-, Festkörper-
LADAR (Lasererfassung. und Entfernungsmessung), der einen 1,32
um-Diodengepumpten Nd:YLF-Laser mit Güteschaltbetrieb hat, dessen Ausgangsstrahl linear
polarisiert ist. Eine Viertelwellenplatte ist vor dem Laser angeordnet, so daß das (z.B.
vertikal) polarisierte Licht des Lasers in eine zirkulare Polarisation umgewandelt wird.
Die Reflexion von einer spiegelnden Fläche wie einem eloxierten Metalloblekt, kehrt
als linkszirkular polarisiertes Licht zurück. Eine zweite Viertelwellenplatte transformiert
das linkszirkular polarisierte Licht in horizontal polarisiertes Licht, das dann einen
Strahlsplitter zu zwei Galliumarsenidlawinenphotodioden (InGaAs APD)-Detektoren
durchläuft.
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Der Vorteil eines LADARs, der einen 1,32 um Dioden-gepumpten Nd:YLF-Laser mit
Güteschaltbetrieb verwendet, besteht in einer wesentlichen Reduktion des
Augenverletzungspotentials, da die Übertragung des Auges von 1,32 um Energie ein Siebtel
derjenigen für z.B. 1,064 um Energie ist. Es erfolgt auch eine wesentliche Reduktion
der Absorption von 1,32 um Energie in den Pigmenten im Auge. Außerdem und
ebenfalls von besonderer Wichtigkeit ist die Tatsache, daß eine gute Übertragung der
Atmosphäre bei 1,32 um erfolgt, während die Streuleistung verbessert wird.
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Zusätzlich zum vorherigen Vorteil der Verwendung eines 1,32 um Laserstrahls, wie
oben erwähnt, mit einem Photodiodendetektor, bestimmt das Vorverstärkerrauschen
die Grenze der Empfängerempfindlichkeit für einen Sensor mit kleinem
Beobachtungsfeld. Jedoch verwendet der Differentialpolarisations-LADAR-Empfänger der
Erfindung eine Indiumgalliumarsenidlawinenphotodiode (InGaAs APD), um die Rauschzahl
des Vorverstärkers zu verbessern. Der InGaAs APD kann eine optimale Leistung bei
weitaus geringerer Komplexität als die Lösungsversuche mit Überlagerungsdetektion
erbringen, wie sie bei den meisten Fernbereichs-LADARs zur Anwendnung gelangt.
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Schließlich ist festzustellen, daß die Spiegeireflexion von Fahrzeugen als zusätzliche
Störfleckendiskreminante nützlich ist. Der LADAR der Erfindung kann durch
Einbeziehen eines Merkmals für die Messung diese prozentualen Spiegelreflexion verbessert
werden. Insbesondere kann diese prozentuale Spiegelreflexion durch Messung des
Ziels mit zirkular polarisiertem Licht oder mit linear polarisiertem Licht und
anschließender Messung des Verhältnisses der in der gleichen Ebene befindlichen Po
larisation zu ihrer Querebenenpolarisation der Rückenergie gemessen werden, so daß
dadurch ein Maß des Spiegelreflexionsvermögens erzeugt wird, wobei ein reines
Spiegelziet keinen Rücklauf im Querebenenkanal und nahezu 100 % Rücklauf im
In-dergleichen-Ebene-Kanal ergibt. Ein diffuses Ziel würde gleiche Rückläufe in der gleichen
Ebene und der Querebene ergeben.
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Vorstehend wurden ziemlich allgemein die besonderen und wichtigen Merkmale der
vorliegenden Erfindung erläutert, damit die detaillierte Beschreibung der Erfindung,
die folgt, besser verständlich ist, so daß der vorliegende Beitrag zur Technik besser
verstanden werden kann. Zusätzliche Merkmale der Erfindung werden nachstehend
beschrieben, die den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung bilden. Für den
Fachmann ist ersichtlich, daß die Idee und die spezielle Ausführungsform, wie sie
offenbart sind, leicht als Basis zur Modifizierung oder zum Entwurf anderer
Konstruktionen zur Erzielung der selben Zwecke der vorliegenden Erfindung
angewandt werden können. Der Fachmann sollte auch berücksichtigen, daß solche
aquivalenten Konstruktionen den Umfang der Erfindung, wie sie in den beigefügten
Ansprüchen festgelegt ist, nicht überschreiten.
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Für ein umfangreicheres Verständnis der Art und der Ziele der Erfindung wird auf die
folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen, in denen:
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Fig. 1 grafisch die Absorptions- und Übertrag ungseigenschaften des
menschlichen Auges bei verschiedenen Wellenlängen erläutert;
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Fig. 2 die atmosphärischen Störfleckendämpfungsraten und -koeffizienten bei
verschiedenen Wellenlängen erläutert;
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Fig. 3 erläutert typische spektrale Ansprechkennlinieri bei verschiedenen
Wellenlängen grafisch;
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Fig. 4 grafisch die atmosphärischen Übertragungen auf Meereshöhe über eine
Strecke von 0,3 km für verschiedene Wellenlängen erläutert;
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Fig. 5 den Differentialpolarisations-LADAR der Erfindung erläutert;
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Fig. 6 den polarisierenden Strahlsplitter erläutert, der einen zufallspolarisierten
Strahl in vertikal- und horizontal polarisierte Strahlen spaltet; und
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Fig. 7 eine Viertelwellenplatte erläutert, die linerar polarisiertes Licht in Licht mit
unterchiedlichen Geschwindigkeiten für vertikal- und horizontal
polarisiertes Licht transormiert.
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Gleiche Bezugszeichen beziehen sich auf gleiche Teile in allen
Zeichnungsdarstelungen. Ein wesentlicher Faktor bei der Anwendung jedes Systems unter Verwendung
eines Lasers ist die Augensicherheit. Die Reduzierung des Augenverletzungspotentials
ist der entscheidende Faktor des LADARs der Erfindung bei Verwendung bei 1,32 um
als Betriebswellenlänge. Wie Fig. 1 zeigt, beträgt die Übertragung des Auges von
1,32 um Energie ein Siebtel der von 1,064 um Energie. Es tritt auch eine
Verringerung um 10 bei der Absorption von 1,32 um Energie in den Pigmenten des Auges
auf. Es ist festzustellen, daß ein LADAR, der bei einer Wellenlänge länger als 1,4 um
arbeitet, aufgrund der vernachlässigbaren Übertragung des Auges bei diesen
Wellenängen "augensicher" sein kann. Außerdem wäre ein 2,1 oder 1,54 um LADAR
ideal vom Standpunkt der Sicherheit.
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Wie Fig. 2 zeigt, ist die atmosphärische Übertragung eines 1,32 um LADARs
gegenber der, die bei 1,064 um erreichbar ist, nur gering verschlechtert. Wie Fig. 4 zeigt,
befindet sich die Übertragung der Atmosphäre bei 1,32 um am Rand des
Wasserabsorptionsbandes bei 1,4 um. Die Übertragung über eine Strecke von einem Kilometer
für Standardbedingungen beträgt 75 % bei 1,32 um gegenüber 90 % bei 1,064.
Wichtig ist, daß die verbesserte Streuleistung bei 1,32 um die reduzierte Übertragung
bei Dunstbedingungen ausgleicht. Streuverluste bei Dunst sind halb so groß wie die
von GaAs-Systemen, die bei 0,9 um arbeiten, und zwei Drittel derjenigen von Nd:YLF-
Systemen, die bei 1,064 arbeiten. Diese Verbesserung ist signifikant für Bedingungen,
bei denen die Sicht zwischen zwei und fünf km liegt. Die Übertragung bei 2,1 und
1,54 um ist so gut wie bei 1,064, und der Streuverlust bei Dunst beträgt nur ein Viertel
bis ein Halb eines 1,064 Systems. Das Ergebnis ist ein System, das wesentlich besser
als ein 1,064 um ADAR bei reduzierter Sicht ist. Für Nebelbedingungen (Sicht weniger
als 1 km) tritt keine Verbesserung bei der Streuung auf, wenn die Wellenlänge auf
Wellenlängen bis zu 5 um erhöht wird.
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Ein LADAR unter Verwendung eines Lasers, der im 3 - 5 um-Band arbeitet, hat
verringerte Verluste infolge der Streuung, wenn die Sicht im 1 - 2 km Bereich liegt. Jedoch
würde sich die Systemleistung infolge der Detektorgrenzen unter allen Bedingungen
verschlechtern. Ein 2,94 um LADAR könnte unter Verwendung eines Erbium:YLF Lasers
entworfen werden. Der Detektor bei solch einer Lösung wäre ein Indiumarsenid-
Detektor. Dieser Detektor arbeitet bei nahezu theoretischen Grenzen. Jedoch ist die
Leistung dieses durch Rauschen begrenzten Detektors nicht mit InGaAs vergleichbar,
dem optimalen Detektor für eine 1,32 um Wellenlänge des LADARs der Erfindung.
Diese Begrenzung ist auf den thermischen Hintergrundfluß zurückzuführen. Somit
begünstigt die Systemleistung unter der Annahme einer vergleichbaren
Laserausgangsleistung und der Größe der optischen Einrichtungen einen 1,32 um LADAR.
Zusätzlich ist festzustellen, daß der InAs-Detektor, der für 2,94 um erforderlich ist, ein
Cryogenkühlmittel bis 77K erfordern würde, um diesen Leistungspegel zu erreichen,
wodurch sich die Komplexität und die Kosten des Systems erheblich erhöhen würden.
Bei thermoelektrischer Kühlung ergäbe sich eine weitere Reduzierung der
Detektorleistung und -reichweite. Ein Betrieb bei Wellenlängen länger als 3 um verschlechtert
die Leistung noch mehr.
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Zugegebenermaßen liegen die am meisten erwünschten Wellenlängen für einen
kompakten Fernbereichs- LADAR im 1,5 bis 1,75 um Bereich. Dieses Band ist für ein
LADAR-System wegen der Verfügbarkeit von Hochleistungs-InGaAs-Detektoren ideal.
Wie Fig. 3 zeigt, hat InGaAs eine Spitzenempfindlichkeit bei 1,65 um und eine gute
Anpassung an 1,32 oder 1,54 um Systeme. Zusätzlich zum 1,5 -1,75 Bereich ist auch
der 2,0 - 2,4 Bereich ein geeigneter LADAR-Betriebsbereich. Ein LADAR-Betrieb in
jedem dieser Bereiche ist für das Auge sicher und liegt dennoch nicht in den
Wasserabsorptionsbändern bei 1,4 - 1,5, 1,8 - 2,0 oder 2,4 - 3,0 um (siehe Fig. 4).
Der Betrieb in 3,0 - 5,0 um Bereich führt zu einer nichtakzeptablen Systemleistung
infolge der Hintergrundrauschgrenzen. Es ergeben sich daher leider praktische
Grenzen beim Betrieb in jedem dieser Bereiche.
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Eine Realisierung eines Differentialpolarisations-LADARs gem. der Erfindung zeigt Fig.
5. Insbesondere verwendet der LADAR 10 der Erfindung einen Nd:YLF oder Nd:YAG
Laser 12. Der linear polarisierte Ausgangsstrahl 14 des Lasers wird mittels eines 10-
fach Strahlexpanders 16 expandiert. Eine Viertelwellenplatte 18 befindet sich vor dem
Strahlexpander 16 und bewirkt eine Umwandlung des linear polarisierten Strahls 14
in eine Zirkularpolarisation (siehe Fig. 7). Z. B. kann, wie Fig. 7 zeigt, der Laser 12 so
orientiert sein, daß er einen vertikal polarisierten Lichtstrahl erzeugt, der von der
Viertelwellenplatte in eine Rechtszirkularpolarisation umgewandelt wird.
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Ein Strahlkombinationsprisma 20 ist vor der Viertelwellenplatte 18 angeordnet, um
den expandierten Strahl 14 orthogonal zu reflektieren.
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Ein Scanner, der den optischen Einrichtungen zugeordnet ist, ist allgemein mit 22
bezeichnet und vor dem Prisma 20 angeordnet. Obwohl viele Ausführungsformen
ausreichend sind, kann der Scanner 22 einen Spiegel 24 verwenden, der von einem
Horizontal-Scanner 26 und einem Vertikal-Scanner 28 gesteuert wird, um das
zirkularpolarisierte Licht auf den Objektraum in einer Rasterabtastung oder ggf. einem
anderen Muster zu projizieren.
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Wie oben erwahnt, kehrt bei Reflexion von einer spiegelnden Flache der
zirkularpolarisierte Strahl seine Richtung der Zirkularpolarisation um. Z.B. wird der oben
erwahnte rechtszirkularpolarisierte Strahl bei Reflexion von einer spiegelnden Flache
linkszirkularpolarisiert.
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Der Ruckstrahl 30, der nun gegenoberdem ursprünglichen Ausgangsstrahl 14
entgegengesetzt zirkularpolarisiert ist, wird vom Scanner 22 empfangen und dann durch
ein 1,32 um Filter 32, eine konvergierende Optik 34 und dann eine
Vierteiwellenplatte 36 projiziert. Die Viertelwellenplatte 36 konvertiert den zirkularpolarisierten
Strahl in einen linearpolarisierten Strahl, der orthogonal zur Linearpolarisation des
Ausgangsstrahls 14 ist. Z.B. ist unter Fortführung des oben erwöhnten Beispiels nach
Durchlaufen der Viertelwellenplatte 36 der linkszirkularpolarisierte Rückstrahl 30
horizontallinearplarisiert (orthogonal zur Vertikallinearpolarisation des Ausgangsstrahls
14).
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Ein Polarisationsstrahlsplitter 38 ist vor der Viertelwellenplatte 36 angeordnet. Der nun
linear polarisierte Rückstrahl 30 durchläuft den Polarisationsstrahlsplitter 38 und wird
in zwei getrennte orthogonallinearpolarisierte Strahlkomponenten 40 und 42 (bei
einem Wirkungsgrad von 97 % siehe auch Fig. 6) gespalten. Die Strahlkomponenten
40 und 42 werden dann zu InGaAs APD Detektoren 44 und 46 zur Verarbeitung
durch Detektorempfönger 48 bzw. 50 projiziert. Die relative Energie jeder der
orthogonalen Strahlkomponenten 40 und 42 kann dann als Störfleckendiskriminante
gemessen werden und ermöglicht eine Klassifizierung der gescannten Objekte.
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Die vorliegende Offenbarung umfaßt das, was in den Anspruchen enthalten ist,
ebenso wie das der vorherigen Beschreibung. Obwohl die Erfindung anhand einer
bevorzugten Ausführungsform mit einer bestimmten Besonderheit beschrieben wurde,
erfolgte die vorliegende Offenbarung der bevorzugten Ausführungsform
selbstverständlich nur beispielsweise, und es sind selbstverständlich zahlreiche Änderungen in
den Details der Konstruktion und der Kombination und Anordnung der Teile möglich,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.