DE3005427A1 - Rundumsuchendes ortungssystem - Google Patents

Description

Rundumsuchendes Ortungssystem

Die Erfindung betrifft ein rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte mit einer Einrichtung zur Veränderung der gegenstandsseitigen optischen Achse in Elevation und Azimut,mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Azimutalrichtung, mit Einrichtungen zur Bestimmung des Elevations- und Azimutalwinkels der optischen Achse, mit einer Empfangsoptik und mit einem in deren Brennebene angeordneten, s.trahlungsempfindlichen Detektor.

Die automatische Detektion ausschließlich sich in Bewegung befindlicher Objekte ist prinzipiell mit Hilfe von Korrelationsverfahren möglich (sh. Applied Optics J_8_, 3307, 1979). Bei derartigen Korrelationsverfahren werden die Videosignale eines durch Abtastung des Gesamtsehfeldes aufgenommenen, vollständigen Einzelbildes in einen elektronischen Speicher eingelesen und anschliessend mit den Videosignalen des nächsten Einzelbildes verglichen. Unterschiedliche Videosignale in ein und demselben Bildpunkt weisen dann auf ein bewegtes Objekt innerhalb des Gesamtsehfeldes hin.

Ein Machteil derartiger Korrelations/er fahren besteht darin, daß vollständige Einzelbilder elektronisch gespeichert und miteinander verglichen werden müssen. Dies ist jedoch ein relativ zeitaufwendiges Verfahren, da mit Rundumsuchern kaum mehr als zwei Umläufe pro Sekunde erreicht werden können, also zwei vollständige Einzelbilder erst nach etwa einer Sekunde verfügbar sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte zu schaffen, welches erheblich reaktionsschneller ist als die oben genannten Systeme.

Diese Aufgabe wird durch ein rundumsuchendes Ortungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

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Bei dem erfindungsgemäßen Ortungssystem wird ein einzelner Bildpunkt aus dem Gesamtsehfeld kurz nacheinander zweimal erfaßt. Das von einem Detektorelement der ersten Detektorzeile abgegebene Signal wird auf bekannte Weise gespeichert, z.B. durch Digitalverfahren oder mittels einer Verzögerungsleitung, bis das entsprechende Detektorelement der zweiten Detektorzeile denselben Bildpunkt ebenfalls abgetastet hat. Die korrespondierenden Videosignale aus beiden Detektorzeilen werden dann beispielsweise mittels Differenzverstärker verglichen. Ein von Mull verschiedenes Differenz-Videosignal zeigt eine mechanische Bewegung, und zwar deren Tangential-Komponente, an. Die genaue Winkellage des bewegten Objektes ergibt sich aus den beispielsweise mittels Winkelgeber an den Stelleinrichtungen zur Veränderung der optischen Achse gemessenen Werten für den Elevations- und Azimutalwinkel im Moment der Erkennung des bewegten Objektes, wobei sich eine weitere Präzisierung des Elevationswinkels durch Bestimmung desjenigen Detektor- . elementes aus einer Detektorzeile ergibt, welches die Bewegung angezeigt hat.

Ein nach Patentanspruch 2 weitergebildetes Ortungssystem ermöglicht zusätzlich die Messung der Entfernung zu dem bewegten Objekt. Die zusätzliche Ausrichtung des Laserstrahles in Elevationsrichtung mittels eines Strahldeflektors ermöglicht dabei die Verwendung relativ stark gebündelter Laserstrahlen mit hoher Energiedichte.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Das in der Figur dargestellte Ortungssystem weist einen beweglich gelagerten Spiegel 1 auf, welcher mittels Antrieben 2 und 3 höhen- und seitenverstellbar ist. Winkelgeber H und 5 zeigen den jeweiligen Elevations- bzw. Azimutal winkel der gegenstandsseitigen optischen Achse 6 an. Die Azimutalbewegung des Spiegels erfolgt

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mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse 7. Die vom Spiegel 1 erfaßte Strahlung gelangt über eine Empfangsoptik 8, ein mit halber Winkelgeschwindigkeit /rotierendes Umkehrprisma 9 sowie einen Strahlenteiler 10 auf einen strahlungsempfindlichen Detektor 11. Der Detektor 11 weist zwei aus jeweils N Elementen aufgebaute Detektorzeilen 12 und 13 auf, welche in Azimutalrichtung versetzt nebeneinander angeordnet sind.und jeweils einen schmalen vertikalen Bildausschnitt erfassen. Die Detektorzeilen sind so ausgerichtet, daß ein Bildpunkt, welcher beispielsweise das Detektorelement 12.1 trifft, bei einer azimutalen Drehung des Spiegels 1 exakt auf das korrespondierende Detektor element 13-1 der zweiten Detektor zeile 13 gelangt. Zur Feststellung eines Bewegungsvorganges innerhalb des vom Spiegel erfaßten Gesichtsfeldes werden die Videosignale der Detektorelemente 12.1, 12.2 .... 12.N der Detektorzeile 12 in diskreten zeitlichen Abständen elektronisch abgetastet und stet: zeitlich so lange gespeichert oder verzögert, bis der gleiche Bildausschnitt auch von der Detektor zeile 13 erfaßt und deren Videosignal abgetastet wurde. In einer geeigneten elektronischen Einrichtung 15, welche beispielsweise M Differenzverstärker aufweist, werden dann die zeitlich verzögerten Signale der Detektorelemente 12.1, 12.2 .... 12.N der ersten Detektor zeile 12 mit den korrespondierenden Signalen der Detektorelemente 13-1, 13-2 ... 13.N der zweiten Detektor zeile 13 verglichen. Unterscheiden sich die Signale zweier korrespondierender Detektorelemente voneinander, so wird deren Differenzsignal einer Logik 16 zugeführt und dort mittels fester Entscheidungskriterien aus einem entsprechenden Speicher 17 nochmals überprüft. Auf diese Weise werden interessierende Geschwindigkeitsbereiche erfaßter Objekte ausgewählt sowie Störungen oder mehrere Bewegungsvorgänge innerhalb eines momentan abgetasteten Bildausschnittes selektiert. Bei einem als bewegtes Objekt erkannten Ziel wird die augenblickliche Winkellage δ,φ der optischen Achse 6 gespeichert, wobei der Elevationswinkel noch näher durch Bestimmung des Detektorelementenpaares ermittelt werden kann, welches die Bewegung angezeigt hat.

Eine mit den heute erhältlichen Detektor zeilen erzielbare .Winkelauflösung ergibt sich aus nachstehendem Beispiel:

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Zwei identische Detektorzeilen zum Empfang von Wärmestrahlung bestehen aus je 100 Detektor elementen, die in der Bildebene senkrecht nebeneinander angeordnet sind. Damit soll ein Gesamtsehfeld von 360 χ 6 abgetastet werden, so daß die Winkelausdehnung des momentanen Vertikalsehfeldes rund 1 mrad beträgt.

Bei wehrtechnischen Anwendungen eines beispie]sweise im Infrarotbereich arbeitenden rundumsuchenden Ortungssystems muß meist nicht nur die Winkellage, sondern auch die Entfernung des bewegten Objektes bekannt sein. Dies ist insbesondere zur Bestimmung der tatsächlichen Geschwindigkeit des Objektes erforderlich, welche in die oben erwähnten Entscheidungskriterien eingehen kann. Zu diesem Zweck ist mit dem Ortungssystem ein Laser entfernungsmesser verbunden, welcher im wesentlichen einen Laser 20 sowie einen im entsprechenden Spektral bereich empfindlichen Detektor 21 aufweist. Sobald in einem Bildpunkt des Ortungssystems ein Differenzsignal festgestellt worden ist, wird von der Logik 16 über eine Treiberstufe 18 der Güteschalter 20.1 des Lasers angesteuert. Gleichzeitig wird ebenfalls von der Logik 16 über eine Treiberstufe 19 ein Strahldeflektor 26 so angesteuert, daß der abgestrahlte Laserimpuls auf den Punkt im Raum gelangt, der dem die Bewegung anzeigenden Bildpunkt des Ortungssystemes entspricht. Hierzu wird der durch den Strahldeflektor 26 in Elevationsrichtung abgelenkte Laserstrahl über ein mit halber Azimutalwinkelgeschwindigkeit rotierendes Umkehrprisma 23 sowie ein Umlenkprinma ?A in den Strahlengang des Ortungssystemes eingekoppelt und über den Schwenkspiegel 1 abgestrahlt. Der relativ scharf gebündelte Laserstrahl gelangt innerhalb des vom Spiegel 1 momentan erfaßten Gesichtsfeldes lediglich auf den Bildausschnitt, der von dem die Bewegung anzeigenden Detektorelement erfaßt wird. Die von dem erfaßten Objekt reflektierte Laserstrahlung gelangt dann wieder über den Spiegel 1 sowie die Empfangsoptik 8 und das Umkehrprisma 9 in den Strahlenteiler 10. Hier wird die Laserstrahlung mittels eines Reflexionsfilters 10.laus dem übrigen Spektrum herausf.e f i 1 ter t und umgelenkt. Die derart selektierte Laserstrahlung gelangt dann auf den Detektor 21, der ebenfalls eine Detektor-

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zeile 22 mit einer gleichen Anzahl N von Detektorelementen wie

eine Detektorzeile des Detektors 11 aufweist. Die Detektorzeile/erfaßt den gleichen Bildausschnitt wie eine der Detektor zeilen und 13 des Detektors 11. So existiert zu jedem Detektorelementen-

paar 12.1, 13.1 bzw. 12.2, 13.2 bzw ein korrespondierendes

Detektorelement im Laser entfernungsmesser .

Die Funktionsweise von Laserentfernungsmessern, insbesondere solchen mit einer piezoelektrischen Strahlablenkung, ist an sich bekannt (DE-AS 22 29 887) und soll hier nicht weiter erläutert werden. Der Unterschied des hier zur Anwendung kommenden Laserentfernungsmessers besteht jedoch darin, daß die Ablenkung des Laserstrahles durch den Strahldeflektor 26 in diskreten Winkelabständen erfolgt, die dem Quotienten aus dem vertikalen Blickwinkel der Empfangsoptik und der Zahl der Detektorelemente 22.1 22.M entsprechen, wobei je ein Detektorelement einem konkreten Ablenkwinkel des Strahldeflektors zugeordnet ist. Da der maximale Winkelbereich des Strahldeflektors im allgemeinen nicht dem von der Detektorzeile erfaßten Bildwinkel entspricht, ist zwischen dem Strahldeflektor 26 und dem Schwenkspiegel 1 eine Linse zur Ausdehnung des Winkelbereichs vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Ortungssystem setzt eine gleichbleibende Drehbewegung der optischen Achse in Azimutalrichtung, zumindest jedoch die Kenntnis der exakten Winkelgeschwindigkeit voraus. Dazu ist der Azimutstellmotor 3 über eine Drehzahlregelung 25 mit der Logik 16 elektrisch verbunden. Die Drehbewegung der Umkehrprismen 9 und 23 mit halber Azimutwinkelgeschwindigkeit kann durch entsprechende mechanische Kopplung mit Hilfe dos Azimutmotora 3 erfolgen.

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Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE

   Rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte mit einer Einrichtung zur Veränderung der gegenstandsseitigen optischen Achse in Elevation und Azimut, mit konstanter Wirtelgeschwindigkeit in Azimutalrichtung, mit Einrichtungen zur Bestimmung des Elevations- und Azimutalwinkels der optischen Achse, mit einer Empfangsoptik und mit einem in deren Brennebene angeordneten, strahlungsempfindlichen Detektor, dadurch gekennzeichnet , daß

   a) der Detektor (11) aus zwei in Azimutalrichtung zueinander versetzt angeordneten Detektorzeilen (12,13) mit gleicher Anzahl von Detektorelementen (12.1, 12.2, ...; 13.1» 13.2,. besteht,

   b) daß die von einem bestimmten, momentan abgebildeten Bildausschnitt zuerst erfaßte Detektorzeile (12) eine Signalverzögerungseinrichtung (1Ί) aufweist, und

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   c) daß die Detektor elemente (12.1 , 12.2, ...; 13.1, 13.2,.. mit einer Einrichtung (15) zur Bildung von Differenzsignalen aus den verzögerten Signalen der ersten und den Signalen der zweiten Detektor zeile verbunden sind.
2. 2. Ortungssystem nach Anspruch 1,ge 'kennzeichnet durch einen Laserentfernungsmesser mit einer zur gegenstandsseitigen optischen Achse (6) des Ortungssystems koaxialen Sende- und Empfangsrichtung, wobei im Strahlengang der ausgesendeten Laserstrahlung eine Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahles (Strahldeflektor 26) in Elevationsrichtung angeordnet ist, welche mit Hilfe der -gewonnenen Differenzsignale steuerbar ist.
3. 3. Ortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Ablenkung des Laserstrahles in diskreten Winkelabständen erfolgt, die dem Quotienten aus dem vertikalen Blickwinkel der Empfangsoptik (8) und der Zahl der Detektor elemente (12.1 ... 12".N; 13-1 ··· 13-N) einer Detektorzeile (12,13) entsprechen.
4. H. Ortungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet , daß der Laser entfernungsmesser eine Detektor zeile (22) aufweist, welche aus einer gleichen Anzahl von Detektor elementen (22.1 ... 22.N) besteht wie eine der Detektorzeilen (12,13) des Ortungssystems.
5. 5. Ortungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß je ein Detektorelement (22.1 ... 22. N des Laser entfernungsmessers einem Ablenkwinkel des-Strahldeflektors (26) zugeordnet ist.
6. 6. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Laserentfernungsmesser einen akusto-optischen Strahldeflektor (26) aufweist.

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7. 7. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,gekennzeichnet durch infrarotempfindliche Detektoren (11,21) sowie durch einen CO₂-Laser (29) zur Entfernungsmessung.
8. 8. Ortungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß vor den Detektoren (11,21) des Ortungssystems und des Laserentfernungsmessers eine Einrichtung zur wellenlängenselektiven Strahlenteilung (10.1) angeordnet ist.

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