DE3014906C1 - Spektralselektrionseinrichtung - Google Patents

Description

• Um die Detektorelemente zu kühlen, sind einmal die Detektorreihenanordnungen in einem Dewargefäß -hinter dessen Abschlußfenster - angeordnet; zum anderen ist innerhalb des Dewargefäßes ein in Richtung Abschlußfenster entsprechende Ausnehmungen aufweisender Kühlschild vorgesehen. Letzterer schirmt die empfindlichen Detektorelemente vor von außen und/ oder aus dem Geräteinneren stammender Störstrahlung ab. Die Transmissionsfilter bzw. -filterschichten lassen sich entweder an der Rückseite des Abschlußfensters aufbringen oder aber in den Ausnehmungen des Kühlschildes einlassen. Im ersten Fall wird man zweckmäßigerweise die strahlungsundurchlässigen Teile der Filterschicht als breitbandige Absorptionsfläche oder Spiegelfläche ausgestalten.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht sodann vor, daß die Detektorreihenanordnungen jeweils über einen Vorverstärker pro Detektorelement an einen jeder Reihenanordnung zugeordneten Multiplexer angeschlossen sind, daß ferner der Ausgang des ersten Multiplexers direkt und ein erster Ausgang des zweiten Multiplexers über ein Verzögerungsglied zu einer Vergleichseinheit führen, während ein zweiter Ausgang des zweiten Multiplexers zusammen mit einer von einem Azimutwinkelgeber kommenden Leitung, mit einer Datenausgabeeinheit verbunden sind.
• Für die Lieferung von Torimpulsen, Signalamplituden und Ablagewerten an die Datenausgabeeinheit ist es sinnvoll, wenn zwischen ihr und die Vergleichseinheit ein Schalter angeordnet ist, der über ein weiteres Verzögerungsglied zwischen das erste Verzögerungsglied und die Vergleichseinheit gekoppelt ist.
• Sofern das Selektionsverfahren für eine Zielstrahlung mit Linienstrahlung hoher Intensität verwendet wird, muß der Pegel im Spektralbereich des Linienstrahlers laufend an die Hintergrundstrahlung angepaßt werden.
• Dadurch kann es erforderlich werden, daß zwischen den ersten Multiplexer und die Vergleichseinheit eine Schwellenschaltung sowie zwischen den anderen Multiplexer und das erste Verzögerungsglied eine für eine Punkt/Flächenselektion vorgesehene Elektronikeinheit gekoppelt sind.
• Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwischengeschalteter Abbildungsoptik, F i g. 2 die in der Einrichtung gemäß F i g. 1 zur Anwendung gelangende Filterplatte, F i g. 3 die in der Einrichtung gemäß F i g. 1 zur Anwendung gelangenden Detektorreihenanordnungen mit Kühlschild - in Frontdarstellung, Fig. 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung wie in Fig. 1, jedoch ohne zwischengeschalteter Abbildungsoptik, F i g. 5 die Anordnungsmöglichkeiten der Filterschichten sowie die Kühlelemente - Dewargefäß und Kühlschild - der Einrichtungen gemäß F i g. 1 und 4, Fig.6 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung mit zwei Spektralbereichen und Fig. 7 eine Variante des Blockschaltbildes gemäß Fig.6.
• Die erfindungsgemäße Einrichtung der F i g. 1 besteht im wesentlichen aus dem Breitbandobjektiv i, in dessen Bildebene 2 die Filterplltte 3 montiert ist, die in diesem Beispiel die drei Filter 4, 4', 4" trägt (Fig. 2), die für drei ausgewählte Spektralbereiche als Transmissionsfilter ausgelegt sind. Die übrigen Flächen der Filterplatte 3 sind undurchlässig. Über die Abbildungsoptik 5 werden die Filterflächen in der durch die Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" (F i g. 3) gebildeten Detektorebene 6 abgebildet. Durch den Kühler 8 bleibt die erforderliche niedrige Betriebstemperatur gewährleistet. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bis 3 finden drei Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" Verwendung, die zueinander parallel und senkrecht zur Abtastrichtung 9 angeordnet sind. Die einzelnen Detektorelemente sind mit extrem kleinem Zwischenabstand übereinander liegend angeordnet. Bei einer 1:1-Vergrößerung der Abbildungsoptik 5 werden die Filterflächen so ausgelegt, daß ihre Flächenabmessungen - im Rahmen der geforderten Toleranzen - den Abmessungen der zugeordneten Detektorreihenanordnung entsprechen, so daß z.B. nur Strahlung die Detektorreihenanordnung 10 erreicht, die aus der Szene über das Breitbandobjektiv 1 durch das Transmissionsfilter 4 hindurchtritt. Um Störstrahlung von außen und aus dem Geräteinneren abzuhalten, ist ein vom Kühler mitgekühlter Kühlschild 11 vor den Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" angebracht, der in der schematischen Darstellung von Fig. 3 schraffirt wiedergegeben ist.
• Durch die Ausrichtung der Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" senkrecht zur Abtastrichtung 9 sehen die einzelnen Detektorreihenanordnungen die gleiche Szene mit einer definierten Verzögerungszeit tv nacheinander, bei gleichen Detektorabmessungen und gleicher Elementenzahl werden gleiche Szenenabschnitte mit Detektorelementen gleicher Nummern abgetastet. Bei einem rotierenden System läßt sich die Verzögerungszeit tv bestimmen aus der Winkelgeschwindigkeit W=2;rGlr mit v=Anzahl der Umläufe/s sowie dem Winkelabstand x y = arc tg T mit dem Abstand zwischen benachbarten Detektorreihenanordnungen x, der Brennweite Fdes Breitbandobjektivs 1 und der Vergrößerung r der Abbildungsoptik 5: tV= Y = arc tgx v (I) w 2n.f-F Bei Verwendung von Spiegelobjektiven bzw. Breitbandlinsenobjektiven besteht eine einfache Möglichkeit der Spektralselektion unter Vermeidung der Zwischenabbildung nach F i g. 1.
• Dieses Verfahren ist in F i g. 4 schematisch dargestellt. In der Brennebene 2 des Breitbandobjektives 1 mit der Brennweite f und dem Eintrittspupillendurchmesser D sind wieder im Abstand xvoneinander die drei Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" angeordnet, wobei als Spezialfall die mittlere Detektorreihenanordnung 10' in der optischen Achse des Systems liegt und die beiden Nachbarreihen konstanten Abstand x von der mittleren Reihe besitzen. Die Schnittpunkte der eingezeichneten Randstrahlen 12, 12' und 12" liegen in der Ebene 13 senkrecht zur optischen Achse im Abstand z0 von der Hauptebene des Breitbandobjektives 1. In dem Bereich zwischen zo und fauf der z-Achse sind die drei Strahlenbündel eindeutig und ohne Überschneidungen den einzelnen Spektralbereichen der Detektorreihenanordnungen 10, 10' und 10" zugeordnet. Dadurch ergeben sich nach einem weiteren Gedanken der Erfindung die konstruktiven Möglichkeiten. die drei Transmissionsfilter 4, 4' und 4" in der in F i g. 4 dargestellten Art in der Ebene zi mit Zi > Zo so anzuordnen, daß die jeweiligen Strahlenbündel unvignettiert durchgelassen werden und Streustrahlung durch undurchsichtige, in dieser Figur schraffiert angedeutete Flächen abgehalten wird.
• Die Filterschichten der Transmissionsfilter 4, 4' und 4" können gemäß F i g. 5 entweder in entsprechenden Ausnehmungen des Kühlschildes 11 eingelassen oder auf der Innenseite des Abschlußfensters 7' aufgetragen sein. Da letzterer Fall eine besondere konstruktive Auslegung erfordert, wurde das diese Ausführungsform enthaltende Fenster nochmals für sich, in gestrichelter Linienführung, eingezeichnet. Direkte Sonneneinstrahlung kann durch eine, zeichnerisch allerdings nicht dargestellte, von der jeweiligen Stellung der Sonne abhängige Sonnenblende abgehalten werden. Bei allen Ausführungsbeispielen wird außerdem vorausgesetzt, daß die geforderte Auffaßentfernung so groß ist, daß das Ziel ein Punktziel vor einem mehr oder weniger strukturierten Hintergrund ist.
• Die Schnittgerade z=z0 und der Durchstoßpunkt zo der optischen Achse durch die Ebene 13 läßt sich auf dem Schnittpunkt der Geraden 12' und 12 bzw. 12" und 12' ermitteln, für die Ortskoordinaten der Schnittpunkte 14 und 14' gelten die Gleichungen D f D+f = x 2 2 (D+x) I -xo I=I xo I x a = arc tg f In den schematischen Darstellungen gemäß F i g. 6 und 7 ist die periskopische Ausführung eines Überwachungssystems mit einem Überwachungsbereich von n 3600 im Azimut beschrieben, bei dem die Umlenkung und Abtastung über den Umlenkspiegel 15 erfolgt, der durch den Abtastmotor 16 mit der Rotationsgeschwindigkeit co angetrieben wird. Die zur Auswertung erforderliche momentane Azimutwinkelposition der optischen Achse wird von dem Azimutwinkelgeber 17 laufend ausgegeben. Die beiden dargestellten Detektorreihenanordnungen 10 und 10' mit jeweils n Einzelelementen für die Spektralbereiche A und B sind parallel zueinander und senkrecht zur Abtastrichtung 9 angeordnet (F i g. 3). Sie empfangen die Strahlung aus der zu überwachenden Szene über das Objektiv und ein zeichnerisch nicht dargestelltes Bildauf; Ichtesystem.
• Die durch die Vorverstärker 18 und 18' verstärkten elektrischen Signale werden den Eingängen von zwei identischen Multiplexern 19 und 19' zugeführt, die in einem synchronisierten Abtastzyklus die an den n Empfangskanälen parallel anstehenden Signale in serielle Videosignale umwandeln und über ihre Ausgänge 20 bis 22 der Datenausgabeeinheit 28 zuleiten.
• Letztere ist über die Leitung 23 auch direkt mit dem Azimutwinkelgeber 17 verbunden.
• Nach Gleichung (I) empfangen die Detektoren der Reihenanordnung 10 die Signale von dem gleichen Szenenausschnitt mit einer Verzögerung t, gegenüber denjenigen der Reihenanordnung 10'. Um in einer Vergleichseinheit 25 die Signale zweier unmittelbar benachbarter Spektralbereiche A und B desselben atmosphärischen Fensters vergleichen zu können, wird in die Videoleitung von Multiplexer 19' ein Verzögerungsglied 24 eingeschaltet, welches das Signal um die Zeit tv verzögert. Diese Verzögerungszeit kann eine Konstante sein, wenn die Abtastwinkelgeschwindigkeit mit hoher Konstanz geregelt ist. Eine andere Möglichkeit ist, das Verzögerungsglied so auszugestalten, daß die Verzögerungszeit in Grenzen steuerbar ist, wobei das Pegelsignal im Beispiel von Fig. 6 aus der Rotationsgeschwindigkeit des Abtastmotors 2 gewonnen werden kann. Die spektrale Selektion erfolgt im wesentlichen in der Vergleichseinheit 25, in der im vorliegenden Fall z. B. das Verhältnis SB/SA der beiden Videosignale aus den Spektralbereichen B und A gebildet wird. Für SB/SA < 1 handelt es sich um ein »heißes« Fehlziel, das nicht weiter berücksichtigt wird.
• Signale mit SB/SA11 kommen von Objekten, die als »schwarze« oder »graue« Körper Temperaturen haben, die bei der angenommenen Zieltemperatur liegen. Diese Signale werden zur Öffnung des Schalters 26 benutzt, mit dem das Videosignal über ein zusätzliches festes Verzögerungsglied 27 der Datenausgabeeinheit 28 die laufenden x- und y-Positionswerte von dem Winkelgeber 17 bzw. dem Multiplexer 19' erhält. Diese Einheit empfängt mit dem selektierten Videosignal einen Torimpuls über den Schalter 26 und liefert bei geöffnetem Schalter Signalamplitude Sx.y und jeweilige Position rund tan die zentrale Datenausgabeeinheit 28.
• Die feste Verzögerungszeit TVO des Verzögerungsgliedes 27 ergibt sich aus der Verarbeitungszeit des Signales in der Einheit und der Öffnungszeit des Schalters 26. Die nicht dargestellte Punktziel/Flächen-Selektion kann in den einzelnen Empfangskanälen vor dem Multiplexer, im Videokanal oder nach der Signalausgabe durch die Datenausgabeeinheit über eine Zielselektion erfolgen.
• Ein Selektionsverfahren für Zielstrahlung mit Linien-bzw. Bandenstrahlung hoher Intensität ist anwendbar, wenn die Zielstrahlung Linien- bzw. Bandenspektren enthält, deren Intensität in ihrem begrenzten Spektralbereich wesentlich höher ist als die der Hintergrundstrahlung bei den natürlichen Umweltbedingungen. Das Vorhandensein einer solchen Strahlung ist bei chemischen Triebwerken mit charakteristischen chemischen Elementen zu erwarten. Voraussetzung ist dabei, daß der Abgasstrahl des Zieles in einem Bereich sichtbar ist, in dem der Linien- bzw. Bandenstrahler noch in hoher Konzentration vorhanden ist, gleichzeitig also auch eine intensive Schwarzkörperstrahlung aus der konzentrierten Abgaswolke zu erwarten ist. In einem solchen Fall wird man gemäß F i g. 7 wieder zwei Detektorreihenanordnungen 10 und 10' einsetzen, von denen erstere die Schwarzkörperstrahlung verarbeitet und die zweite die Linien- bzw. Bandenstrahlung, die über ein geeignet dimensioniertes Bandpaßfilter empfangen wird. Die beiden Bereiche liegen in der Regel mit ihrem Strahlungsschwerpunkt in verschiedenen atmosphärischen Fenstern. Zur Selektion des Linienstrahlers bei der Detektorreihenanordnung 10 wird nach dem Multiplexen das verstärkte Signal über den Multiplexerausgang 20 der automatisch geregelten Schwellenschaltung 29 zugeführt, die den Pegel im Spektralbereich des Linienstrahlers laufend an die Hintergrundstrahlung anpaßt. Dabei wird die Schwelle durch die Anforderungen an Detektionswahrscheinlichkeit und Falschalarmrate festgelegt. Es erscheint sinnvoll, in den Schwarzkörperkanal die Elektronikeinheit 30 zur Punkt/Flächenselektion einzubauen. Die Vergleichseinheit 25 öffnet den Schalter 26, wenn in der Schwellenschaltung 29 das Signal die Schwelle überschreitet und in der Elektronikeinheit 30 ein über den Multiplexerausgang 21 ankommendes Punktziel selektiert ist. Dieses selektierte Punktziel kann auch über den Multiplexerausgang 21 nach dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 6 als Objekt in einem ausgewählten Temperaturbereich identifiziert sein. Der Schalter 26 liefert einen Torimpuls und das Videosignal Sxy an die Datenausgabeeinheit 28, die wieder mit dem Signal Sxy die Position des Zieles im Bildfeld weiterleitet.

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Spektralselektionseinrichtung mit mehreren Detektoren, mit gruppenweise unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken, deren Signale nach einer optoelektronischen Umwandlung zur Bilddarstellung oder Zielselektion weiterverarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß im konvergenten Strahlengang eines Breitbandobjektivs (1) eine mit mehreren Transmissionsfiltern (4, 4', 4") versehene, im übrigen strahlenundurchlässige Filterplatte (3) angeordnet ist, deren Filterflächen in einer durch mehrere Detektoren bzw.

   Detektorreihenanordnungen (10, 10', 10") unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit gebildeten Ebene (6) abgebildet werden.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinzelelemente der Reihenanordnungen mit extrem kleinem Zwischenabstand übereinanderliegend angeordnet sind und die so gebildeten Reihenanordnungen (10, 10', 10") zur Abtastrichtung (9) senkrecht und zueinander parallel verlaufen (Fig. 3).
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterflächen über eine Abbildungsoptik (5) auf den Detektorreihenanordunter (10,10', 10") abgebildet werden (Fig. 1).
4. 4. Einrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenabmessungen der Transmissionsfilter (4, 4', 4") - unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes der Abbildungsoptik (5) - denjenigen der jeweils zugeordneten Detektorreihenanordnung (10, 10', 10") entsprechen.
5. 5. Einrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorreihenanordnungen (10; 10'; 10") in einem Dewargefäß (7), hinter dessen Abschlußfenster (7'), angeordnet sind (F i g. 5).
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Dewargefäßes (7) ein in Richtung Abschlußfenster (7') entsprechende Ausnehmungen aufweisender Kühlschild (11) vorgesehen ist (F i g. 5).
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmissionsfilter (4; 4'; 4") an der Rückseite des Abschlußfensters aufgebracht oder in den Ausnehmungen des Kühlschildes (11) eingelassen sind und dadurch auf eine niedrige Temperatur abgekühlt werden (F i g. 5).
8. 8. Einrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorreihenanordnungen (10, 10') jeweils über einen Vorverstärker (18; all8') pro Detektorelement an einen jeder Reihenanordnung zugeordneten Multiplexer (19; 19') angeschlossen sind, daß ferner ein Ausgang (20) des ersten Multiplexers (19) direkt und ein erster Ausgang (21) des zweiten Multiplexers (19') über ein Verzögerungsglied (24) zu einer Vergleichseinheit (25) führen, während ein zweiter Ausgang (22) des zweiten Multiplexers, zusammen mit einer von einem Azimutwinkeigeber (17) kommenden Leitung (23), mit einer Datenausgabeeinheit (28) verbunden sind (F i g. 6).
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Vergleichseinheit (25) und der Datenausgabeeinheit (28) ein Schalter (26) angeordnet ist, der über ein weiteres Verzögerungsglied (27) zwischen das erste Verzögerungsglied (24) und die Vergleichseinheit (25) gekoppelt ist (Fig. 6 und 7).
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den ersten Multiplexer (19) und die Vergleichseinheit (25) eine Schwellenschaltung (29) sowie zwischen den anderen Multiplexer (19') und das erste Verzögerungsglied (24) eine für eine Punkt/Flächenselektion vorgesehene Elektronikeinheit (30) gekoppelt sind (Fig.7).

    Die Erfindung betrifft eine Spektralselektionseinrichtung mit mehreren Detektoren, mit gruppenweise unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeitscharakteristiken, deren Signale nach einer optoelektronischen Umwandlung zur Bilddarstellung oder Zielselektion weiterverarbeitet werden.

    Für eine hohe Detektionswahrscheinlichkeit von Punktzielen, z. B. von im Anflug begriffenen Raketen, kommt der geometrischen Auflösung vor allem in der Abtastrichtung eine besondere Bedeutung zu, weil dadurch die Punkt/Flächenselektion maßgeblich beeinflußt wird. Die spektrale Selektion ist hierzu eine flankierende Maßnahme, mit der es möglich ist, die Falschalarmrate durch Ausnutzung der charakteristischen Zieleigenschaften zu reduzieren.

    Die Aufgabe der Erfindung wird in einer Verbesserung der spektralen Selektion von Punktzielen gegenüber dem Hintergrund unter gleichzeitiger Herabsetzung der Falschalarmrate gesehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im konvergenten Strahlengang eines Breitbandobjektivs eine mit mehreren Transmissionsfiltern versehene, im übrigen strahlenundurchlässige Filterplatte angeordnet ist, deren Filterflächen in einer durch mehrere Detektoren bzw.

    Detektorreihenanordnungen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit gebildeten Ebene abgebildet werden. Hierbei ermöglicht ein Austausch der Filter in einfacher Weise eine Anpassung an den jeweiligen Bedarfsfall. Das für alle Spektralbereiche gemeinsame Objektiv wirkt ebenfalls kostensparend. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, daß die Detektoreinzelelemente der Reihenanordnungen mit extrem kleinem Zwischenabstand übereinanderliegend angeordnet sind und die Reihenanordnungen zur Abtastrichtung senkrecht und zueinander parallel verlaufen.

    Sofern bei Spiegel- bzw. Breitbandlinsenobjektiven eine konstruktive Anordnung der Filterplatte im konvergenten Strahlengang nicht möglich ist, können die Filterflächen auch über eine Abbildungsoptik auf den Detektorreihenanordnungen abgebildet werden.

    Für den Fall einer Vergrößerung der Abbildungsoptik im Verhältnis 1:1, ist es bedeutsam, daß die Flächenabmessungen der Transmissionsfilter - unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes des Abbildungsobjektives - denjenigen der jeweils zugeordneten Detektorreihenanordnung entsprechen. Dann fällt nur diejenige Strahlung der Szene auf eine Detektorreihenanordnung, die zuvor das zugehörige Transmissionsfilter passiert hat.