DE3708923C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Modulationsvorrichtung für eine ein Bildfeld erfassende Strahlungsdetektorvorrichtung enthaltend eine um ihre eigene Achse drehbare, in der Bildebene angeordnete Modulationsscheibe mit ra­ dialen Schlitzen, wobei die Modulationsscheibe zusätzlich eine Nuta­ tionsbewegung um die Achse des Bildfeldes ausführt, eine Optik, eine strahlungsempfindliche Empfängeranordnung und eine Auswerteschaltung.

Eine derartige Modulationsvorrichtung ist in der GB 13 33 371 beschrieben.

Eine aus der Literatur (Hudson, R. D.: Infrared System Engineering, John Wiley & Sons; New York, London, Sydney, Toronto, 1969; S. 237-254) bekannte Modulationsvorrichtung weist als strahlungsempfindliche Empfängeranordnung einen großflächigen optoelektronischen Wandler auf, auf dem das erfaßte Bildfeld abgebildet wird. Diese bekannte Modu­ lationsvorrichtung ermöglicht es grundsätzlich, nicht interessierende Strahlungsquellen von einer zu detektierenden Strahlungsquelle zu unter­ scheiden, wenn die Fläche der nichtinteressierenden Strahlungsquelle größer ist als die der interessierenden Strahlungsquelle, die ihrerseits in der Größenordnung der Schlitzbreite ist.

Mit Hilfe der Modulationsscheibe wird das innerhalb des Bildfeldes be­ findliche Strahlungsfeld frequenzmoduliert.

Die in Verbindung mit einem Ortungsgerät eingesetze Modulationsvorrich­ tung arbeitet folgendermaßen:

Die Strahlung eines Objektes wird abhängig von seinen Ortskoordinaten in frequenzmodulierte elektrische Signale umgewandelt und in einer Auswer­ teschaltung entsprechend ausgewertet. Das Bezugssystem für die Ortskoor­ dinaten ist z. B. die Mitte eines Sucherbildfeldes.

Das Strahlung abgebende Objekt wird auf der oder in der Nähe der Modula­ tionsscheibe abgebildet, welche sich in der oder in der Nähe der Bild­ ebene befindet. Diese mit radialen Schlitzen versehene Modulationsscheibe schafft ein radiales Gitter mit der Aufgabe, die detektierte Strah­ lung mit einer ortsabhängigen Kennung zu modulieren.

Die radiale Gitter-Modulationsscheibe führt eine Drehbewegung um ihre eigene Achse und zusätzlich eine Nutationsbewegung um die Bildfeldachse aus.

Aufgrund dieser Eigendrehung und Nutationsbewegung werden die Strahlen des durch die Scheibe hindurchtretenden Strahlenbündels hinsichtlich ih­ rer Intensität moduliert. Gleichzeitig wird eine Modulation der Folge­ frequenz der Impulse durchgeführt.

Dann, wenn sich ein Bildpunkt des Bildfeldes in der Mitte des Bildfeldes befindet, bleibt die Impulsfrequenz konstant, während dann, wenn der Bildpunkt außerhalb der Bildfeldmitte liegt, ein Frequenzhub entsteht, welcher mit einer konstanten Modulationsfrequenz überstrichen wird.

Die Größe des Frequenzhubes und die Phasenlage der Modulation entspre­ chen den Koordinaten des im Bildfeld abgebildeten Strahlungskörpers. Auf diese Weise kann die Bewegung eines solchen Strahlungskörpers nachvoll­ zogen bzw. festgestellt werden.

Aus der DE 27 22 018 C2 ist eine Flüssigkristallblende bekannt, die in optischen Geräten eingesetzt wird, welche störende Strahlung ausblendet, jedoch vom interessierenden Ziel kommende Strahlung durchläßt.

Eine solche variable Flüssigkristallblende weist matrixförmig angeordne­ te und mittels eines elektronischen Zeilen- und Spaltentreibers durch eine Auswerteschaltung ansteuerbare Rasterelemente auf. Sinn und Zweck dieser variablen Flüssigkristallblende mit der zugehörigen Steuerelek­ tronik ist es, neben reinen Ausblendungen (Fensterbildung) auch Abta­ stungen vorzunehmen bzw. kombinierte Ausblend- und Abtaststeuerungen durchzuführen. Des weiteren ermöglicht diese variable Flüssigkristall­ blende die kombinierte Anwendung eines Abtast- und Ausblendvorganges. Dieses ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn im Sehfeld einer Beob­ achtungsvorrichtung mehrere Objekte gleichzeitig erscheinen, welche nacheinander beobachtet und bewertet werden sollen. In einem solchen Fall muß zur Erleichterung der Beobachtung eines Zielobjektes das unmit­ telbar neben diesem liegende vorher betrachtete Objekt abgedeckt werden, da es andernfalls wie ein nichterwünschtes Störziel wirken wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Modulationsvorrich­ tung der eingangs genannten Art mit einer einfach ausgebildeten störun­ anfälligen und schnell arbeitenden strahlungsempfindlichen Empfängeran­ ordnung zu schaffen, die es gestattet, bei mehreren strahlenden Objekten das jeweils interessierende Strahlungsobjekt zu erfassen.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die strahlungs­ empfindliche Empfängeranordnung eine Gruppierung von ein Strahlungsemp­ fängerfeld bildendenden Strahlungsempfangselementen aufweist, die mit einer Fensterschaltung in Verbindung stehen und durch diese zur Bildung mindestens eines Fensterbereichs innerhalb des Strahlungsempfängerfeldes ausgewählt adressierbar sind derart, daß nur Signale dieses mindestens einen Fensterbereichs in die Auswerteschaltung übertragbar sind.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß die Strahlungsempfängeranordnung hinsichtlich ausgewählter Strahlungsempfangselemente bzw. Strahlungsemp­ fängergruppen aktiviert wird, wobei keine zusätzliche steuerbare Blen­ denanordnung notwendig ist. In vorteilhafter Weise bildet die Strah­ lungsempfängeranordnung eine Kombination aus veränderbarer Blende und Strahlungsempfangsanordnung. Die Erfindung vereint daher beide Maßnahmen in einer einzigen Vorrichtung. Das bedeutet, daß bei der erfindungsgemä­ ßen Modulationsvorrichtung nur diejenigen Strahlungsempfangselemente ei­ nes Strahlungsempfängerfeldes aktiviert und signalmäßig mit der Auswer­ teschaltung verbunden werden, die vom Strahlungsobjekt bestrahlt werden. Insoweit ergibt sich eine vorteilhafte Regelungsmöglichkeit dergestalt, daß ein geortetes Strahlungsobjekt fensterartig erfaßt wird, wobei bei der Strahlungsempfängeranordnung nur die entsprechenden Adressen der bestrahlten Strahlungsempfangselemente angesteuert werden.

Daraus ergibt sich der Vorteil, daß in bezug auf die zur Weiterverarbei­ tung übermittelten Signale der bestrahlten Strahlungsempfangselemente ein Signalfeld entsteht, das entsprechend des Zustandes dieses Strah­ lungsempfangsfeldes (z.B. bewegt oder unbewegt) örtlich angepaßt wird. Sämtliche Signale der außerhalb des Fensterbereiches oder Signalfeldes liegenden Signale werden nicht bzw. getrennt ausgewertet. Somit verhält sich diese Modulationsvorrichtung wie eine aktivierte Strahlungsempfän­ gergruppe, deren Größe an die Größe des Strahlungsfeldes im Bildfeld an­ gepaßt ist. Bei einem sich bewegenden Strahlungsfeld erfolgt eine zuge­ ordnete und entsprechende Nachregelung der Adressen der bestrahlungsfrei werdenden Strahlungsempfangselemente sowie der jeweils neu bestrahlten Strahlungsempfangselemente. Die erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung vereinigt in sich die Vorteile einer variablen Bildfeldblende und einer empfindlichen Strahlungsempfangs- und Detektorvorrichtung.

Infolge der Verkleinerung der Strahlungsempfangselmente steigt die Emp­ findlichkeit der Modulationsvorrichtung an, was den weiteren Vorteil hat, daß die Reichweite der Ermittlung von Strahlungsobjekten vergrößert wird.

Außerhalb des Fensterfeldes befindliche weitere Strahlungsobjekte werden entweder nicht berücksichtigt, indem ihre entsprechenden Adressen nicht angesteuert werden, oder sie werden einer gesonderten Auswertung zur Störverfolgung oder einer Szenenverarbeitung zugeführt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. So ist z. B. eine Signaldetektorschaltung vorgesehen, die in Abhängig­ keit von festgestellten, vorgegebene Ansprechkriterien erfüllenden, ein Signalfeld bildenden Signalen der Strahlungsempfangselemente die Fen­ sterschaltung zur Bildung eines Fensterbereichs automatisch in Abhängig­ keit von der Größe des das Signalfeld bildenden Strahlungsempfängerfel­ des regelt, wie dies eingangs ausgeführt wurde.

Als Fensterschaltung kann beispielsweise eine adressierbare Torschaltung mit Schieberegistern verwendet werden.

In vorteilhafter Weise weist die Signaldetektorschaltung einen Mikrocom­ puter auf, dessen Festwertspeicher Daten für das Ablaufprogramm spei­ chert.

Die erfindungsgemäße Modulationsvorrichtung ist in vorteilhafter Weise Bestandteil einer auf Infrarot- oder Laserstrahlung ansprechenden Ob­ jekt-Ortungsvorrichtung von insbesondere fliegenden, Infrarot- oder La­ serstrahlung abgebenden Objekten.

Die Temperaturauflösung eines Infrarot-Detektors, die mit NETD bezeich­ net ist, ist definiert als die Temperaturdifferenz zwischen zwei groß­ flächigen Szenenelementen, die ein Signal am Detektorausgang erzeugt, das gleich dem RMS-Wert des Rauschens ist. Hierbei gilt die Beziehung:

wobei bedeuten:
F ist die Öffnungszahl des Objektives, Δ f ist die Rauschbandbreite des Gerätes, A _D ist die Fläche eines Strahlungsempfangselementes, τ _O ist der Transmissionsfaktor des Objektivs und M* ist der Gütefaktor der Strahlungsempfangsanordnung.

Die Temperaturauflösung ist ersichtlich umgekehrt proportional zur Wur­ zel aus der Fläche eines Strahlungsempfangselementes.

Die Elementadressierung wird zweckmäßigerweise so vorgenommen, daß nur die Elemente adressiert werden, auf denen die Strahlungsquelle des Ob­ jektes, insbesondere eines Flugkörpers abgebildet wird. Dazu wird vor dem Abschuß des Flugkörpers das gesamte Mosaik bzw. Strahlungsempfänger­ feld der Strahlungsempfangselemente adressiert. Die Zonen, in denen ein Signal gemessen wird, das größer ist als das vom Flugkörper erwartete, werden sodann vom Adressieren ausgenommen, da sie Störer (natürliche oder künstliche) enthalten. Wenn ein Helligkeitssprung vorgegebener Grö­ ße erfolgt, der soviel Strahlungsempfangselemente betrifft, wie erfah­ rungsgemäß vom Flugkörper beleuchtet werden, wird dieser Helligkeits­ sprung auf Eintritt des Flugkörpers in das Sehfeld erkannt. Nachfolgend werden die entsprechenden Detektorelemente als Flugkörperfenster adres­ siert. Dieses Fenster wird laufend der Flugkörpergröße angepaßt und in Abhängigkeit von dessen Position nachgeführt. Bei Signalverlust oder Be­ rühren bzw. Kreuzen einer der oben erwähnten Störzonen wird die Position des Flugkörpers solange mittels Prädiktionsfilter geschätzt, bis wieder ungestörte Meßwerte vorliegen. Parallel dazu können auch die Störzonen auf ähnliche Weise verfolgt werden, was bei beweglichen Störern oder ei­ ner beweglichen Visierlinie nötig wird.

In vorteilhafter Weise fehlt bei erfindungsgemäßer Modulationsvorrich­ tung eine aufwendige, Toleranzen unterworfene und dem Verschleiß ausge­ setzte voluminöse Mechanik. Es besteht die Möglichkeit einer Störerver­ folgung, da mehrere Fenster gleichzeitig bildbar sind.

Auch besteht der Vorteil, daß keine Flüssigkristallblende verwendet wird. Somit tritt auch keine optische Dämpfung auf, die in den Kristall­ schichten der Flüssigkeitsblende vorhanden wäre. Die Detektoranordnung hingegen befindet sich am Ende des jeweiligen Strahlenganges, so daß die Dicke der Detektoranordnung keine Rolle spielt. Die Position von Störern kann wegen der - wenn auch relativ groben - Abbildung bestimmt werden. Mit einer Flüssigkristallblende hingegen können Störer nur mit zeitauf­ wendigen Suchverfahren geortet werden. Bei mehreren kleinen Störern wird die Ortung unmöglich, da als scheinbarerer Ort der Schwerpunkt bestimmt wird. Die erfindungsgemäße Detektoranordnung weist bei zumindest glei­ cher Ortungsgenauigkeit wesentlich weniger Bildpunkte auf als bei einer Bildverarbeitungsvorrichtung. Großflächige Störer werden unterdrückt. Der Signalverarbeitungsaufwand beträgt daher nur einen Bruchteil gegen­ über dem Aufwand für die elektronische Bildverarbeitung.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Fig. 1 und 2 dar­ gestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Modulationsvorrichtung und

Fig. 2 eine schematische Schaltungsanordnung dieser Modulationsvorrich­ tung.

Gemäß Fig. 1 ist mit 1 eine Modulationsscheibe bezeichnet, welche mit mit radialen Schlitzen 2 versehen ist, die dieser Modulationsscheibe ei­ ne Gitterstruktur verleihen. Eine solche Modulationsscheibe wird auch als Reticle-Scheibe bezeichnet. Diese Reticle-Scheibe 1 ist um eine Ach­ se 3 in Pfeilrichtung 4 drehbar. Des weiteren ist diese Reticle-Scheibe 1 auf einer Nutationsbahn 5 um die Mittenachse 6 eines nicht gezeigten Bildfeldes bewegbar. Mit 7 ist ein auf der Reticle-Scheibe 1 abgebilde­ tes Feld einer nichtdargestellten Strahlungsquelle bezeichnet, deren Lichtbündel das Bezugszeichen 8 aufweist. Mit 9 und 10 sind Linsen einer sogenannten Relais-Optik bezeichnet. Eine Strahlungsempfängeranordnung 11 befindet sich hinter der Relais-Optik 9, 10. Mit 12 ist eine Auswer­ teschaltung der Lichtempfängeranordnung 11 bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 ist eine Fotoempfängergruppierung 13 vorgesehen, die aus einzelnen Fotoelementen E 11, ... E 1 m, ... Em 1, ... Emm besteht. Die Foto­ empfänger bzw. Fotoelementenanordnung (Array) ist so groß ausgebildet, daß auf ihr das gesamte Bildfeld abgebildet werden kann.

Dieser Fotoelementen-Anordnung ist ein Matrixspeicher 14 zugeordnet, der in einzelne nicht dargestellte Speicherfelder unterteilt ist, deren An­ zahl gleich der Anzahl der einzelnen Fotoelemente ist.

Beide Anordnungen 13 und 14 können Bestandteil eines CCD-Arrays sein.

Mit 15 ist eine Steuerstufe bezeichnet, die einen seriellen Ausgang 16 aufweist, der mit einem Analog-Digitalwandler 17 verbunden ist. Die Steueranordnung 15 dient außerdem als Spaltensteueranordnung und ist mit einer Spaltentorschaltung 18 verbunden, deren Steuereingänge mit einer Ausgangsstufe 19 eines Mikrocomputers 20 verbunden sind. Die Zahl der Steuereingänge der Torschaltung 18 entspricht der Zahl der Spalten 1 bis m der Fotoempfängeranordnung 13. Mit 21 ist eine Zeilensteuerschaltung bezeichnet, die eingangsseitig mit einer Zeilentorschaltung 22 verbunden ist. Die Eingänge dieser Zeilentorschaltung 22 sind ebenfalls mit der Ausgangstufe 19 des Mikrocomputers 20 verbunden.

Der Mikrocomputer enthält einen Mikroprozessor 23, einen Festwertspei­ cher 24, einen Arbeitsspeicher 25 und eine Eingangsstufe 26. Die Aus­ gangsstufe 19 und die Eingangsstufe 26 sind Bestandteil einer Schnitt­ stellenschaltung.

Der der fotoempfindlichen Empfängeranordnung 13 zugeordneten Speicheran­ ordnung 14 sind eine Spaltensteuerschaltung 27 und eine Zeilensteuer­ schaltung 28 zugedacht. Die Spaltensteuerschaltung 27 weist Adres­ sen-Steuerleitungen auf, die mit den Adressen-Steuerleitungen verbunden sind, die zwischen der Spaltentorschaltung 18 und der Spaltensteuer­ schaltung 15 liegen.

Die Adressenleitungen der Zeilensteuerschaltung 28 sind mit den Adres­ senleitungen verbunden, die zwischen der Zeilensteuerschaltung 21 und der Zeilentorschaltung 22 liegen.

Die Spaltensteuerschaltung 27 der Speicheranordnung 14 weist einen se­ riellen Dateneingang 29 und einen seriellen Datenausgang 30 auf. Der se­ rielle Dateneingang dieser Spaltensteuerschaltung 27 ist mit dem Ausgang der Analog/Digitalschaltung 17 verbunden. Der Datenausgang 30 weist eine Steuerleitung zur Eingangsstufe 26 des Mikrocomputers auf.

Die Adressenleitungen für das Fensterempfangsfeld der Lichtempfangsan­ ordnung 13 und der zugeordneten Speicherplätze in der Speicheranordnung 14 werden automatisch gesteuert, und zwar in Abhängigkeit von bestimmten oder vorgegebenen Kriterien des Signalfeldes.

Mit 32 ist eine Torsteuerschaltung bezeichnet, deren Steuereingang mit der Ausgangsstufe 19 des Mikrocomputers 20 verbunden ist. Diese Torsteu­ erschaltung 32 weist Steuerleitungen auf, die mit den beiden Torschal­ tungen 18 und 22 verbunden sind.

Bei Inbetriebnahme der Modulationsvorrichtung werden zweckmäßigerweise zunächst sämtliche Adressenleitungen der Zeilen und Spalten durch den Mikrocomputer 20 angesteuert. Wenn dann in nichtdargestellter Weise dem Mikrocomputer 20 signalisiert wird, daß ein bestimmtes Strahlungsobjekt erfaßt werden soll, erfolgt eine signalmäßige Erfassung der zugeordneten Lichtempfangselemente der Lichtempfangsanordnung 13 und deren Adressen unter Einbeziehung der Speicheranordnung 14. Sodann veranlaßt der Mikro­ computer 20, daß nur die bestrahlten Lichtempfangselemente, die ein so­ genanntes Signal-Fensterfeld bilden, signalmäßig und adressenmäßig er­ faßt und abgespeichert werden.

Sämtliche weiteren Lichtempfangselemente werden hinsichtlich ihrer Si­ gnale nicht berücksichtigt, was dadurch geschieht, daß ihre Adressenlei­ tungen nicht angesteuert werden.

Vergrößert oder verkleinert sich nun das Strahlungsobjekt und bewegt es sich zusätzlich innerhalb des Bildfeldes, so erfolgt automatisch eine entsprechende Berücksichtigung mit Hilfe der Speicheranordnung 14 und des Mikrocomputers 20. Im Endeffekt bedeutet dies, daß das Fensterfeld, innerhalb dessen die bestrahlten Lichtempfangselemente liegen, sich an die jeweilige Größe und Lage der bestrahlten Lichtempfangselemente an­ paßt.

Auf diese Weise werden Störsignale und Störquellen hinsichtlich ihres Einflusses ausgeschaltet.

Claims (5)

1. Modulationsvorrichtung für eine ein Bildfeld erfassende Strah­ lungsdetektorvorrichtung enthaltend eine um ihre eigene Achse drehbare, in der Bildfeldebene angeordnete Modulationsscheibe mit radialen Schlit­ zen, wobei die Modulationsscheibe zusätzlich eine Nutationsbewegung um die Achse des Bildfeldes ausführt, eine Optik, eine strahlungsempfindli­ che Empfängeranordnung und eine Auswerteschaltung, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Empfängeran­ ordnung (11) eine Gruppierung von ein Strahlungsempfängerfeld (13) bil­ denden Strahlungsempfangselementen (E 11 bis Emm) aufweist, die mit einer Fensterschaltung (18, 22, 32) in Verbindung stehen und durch diese zur Bildung mindestens eines Fensterbereiches innerhalb des Strahlungsemp­ fängerfeldes (13) ausgewählt adressierbar sind derart, daß nur Signale dieses mindestens einen Fensterbereiches in die Auswerteschaltung über­ tragbar sind.

2. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Signaldetektorschaltung (20) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von festgestellten, bestimmte Ansprechkriterien er­ füllenden, ein Signalfeld bildenden Signalen der Strahlungsempfangsele­ mente (E 11 bis Emm) die Fensterschaltung (18, 22, 32) zur Bildung eines Fensterbereiches automatisch in Abhängigkeit von der Größe des das Si­ gnalfeld bildenden Strahlungsempfängerfeldes regelt.

3. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fensterschaltung mindestens eine adressierbare Torschaltung (18, 22, 32) mit Schieberegistern aufweist.

4. Modulationsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signaldetektorschaltung einen Mikro­ computer (20) aufweist.

5. Modulationsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsvorrichtung Bestandteil einer auf Infrarot- oder Laserstrahlung ansprechenden Ob­ jekt-Ortungsvorrichtung von insbesondere fliegenden, Infrarot- oder La­ serstrahlung abgebenden Objekten ist.