DE3885017T2

DE3885017T2 - Einrichtung zur selektiven Detektion von Objekten.

Info

Publication number: DE3885017T2
Application number: DE88850189T
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Lundin
Original assignee: Saab Missiles AB
Current assignee: Saab Missiles AB
Priority date: 1987-05-29
Filing date: 1988-05-27
Publication date: 1994-02-24
Anticipated expiration: 2008-05-28
Also published as: SE462999B; ES2045188T3; FI895620A0; AU1935388A; FI97915C; AU610202B2; EP0298059A1; SE8702247D0; FI97915B; DE3885017D1; WO1988009513A1; EP0298059B1; SE8702247L; EP0362276A1; US5008522A; JPH0731238B2; ATE96232T1; JPH02503824A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung für die selektive Erkennung von Objekten wie eines Flugzeuges, Raketen, Hubschraubern und dergleichen mittels von den Objekten abgegebener Strahlung, vorzugsweise IR-Strahlung, umfassend wenigstens eine Sensoreinheit, wobei die Einrichtung dazu dient, die abgegebene Strahlung durch wenigstens zwei optische Einlässe zu empfangen, die in einer relativen Entfernung quer zu einer Sichtlinie von der Einrichtung zum Objekt angeordnet sind, wobei die Sensoreinheit wenigstens ein Fokussierungsmittel umfaßt, das dazu dient, die Strahlung auf wenigstens einer entsprechenden Brennebene zu fokussieren und die Sensoreinheit mit wenigstens einem strahlungssensitiven Detektorelement versehen ist, das in der Brennebene angeordnet ist, und daß das Detektorelement dazu dient, Signale entsprechend der einfallenden Strahlung abzugeben, und daß die Einrichtung schließlich dazu dient, ein winkelförmiges Feld in bezug auf den Azimut und/oder die Höhe variabel abzutasten und daß die Einrichtung weiterhin eine Auswerteeinheit zum Empfang der Signale umfaßt.
Die Erfindung beruht auf an sich bekannter Technik, die hier kurz beschrieben wird.
Am Markt ist eine Einrichtung verfügbar, ein sogenannter Abtaster (Scanner), der zur Erkennung fliegender Objekte mittels IR-Strahlung dient, die von den Objekten abgegeben wird. Ein derartiger Abtaster umfaßt eine Sensoreinheit, eine Auswerteeinheit und eine Anzeige sowie eine Steuereinheit. Die Sensoreinheit empfängt die IR- Strahlung von den erfaßten Objekten innerhalb des momentan abgetasteten festen Winkels. Die Sensoreinheit überträgt die entsprechenden Signale auf die Auswerteeinheit, die die Signale berechnet. Aufgrund der signifikanten Erkennung des Objektes, d.h. in militärischem Zusammenhang Ziele, überträgt es die entsprechenden Signale einschließlich der Richtungskoordinaten auf die Anzeige und die Steuereinheit. Von dieser gehen die gesammelten Ausgangsdaten aus, die in einer militärischen Umgebung teilweise die Form eines sichtbaren Bildes auf einem Bildschirm annehmen, und teilweise die Form von den Signalen, die direkt (Online) weitergeleitet werden und die beispielsweise für die Führung eines Feuerleitsystems zur Luftabwehr benutzt werden.
Die Auswerteeinheit hat eine Selektion dieser Signale aus den von der Sensoreinheit empfangenen Signalen zur Aufgabe, die signifikant sind, d.h. die Ziele innerhalb des Abtastbereichs der Sensoreinrichtung anzeigen, und anzuzeigen, wann derartige Ziele erscheinen und im allgemeinen ihre Koordinaten anzuzeigen. Die Auswerteeinheit funktioniert somit gemäß den zuvor ausgewählten und progammierten Kriterien in bezug auf das, was als signifikanten Objekten, d.h. Zielen, angenommen wird.
Ein Weg hinsichtlich der Funktionen der Auswerteeinheit ist der, sie in Filterfunktion und Entscheidungsfunktion zu unterteilen. Das Filter beginnt seine funktion mit den Signalen, die von der Sensoreinheit empfangen werden (gemessene Intensität als Funktion der Richtung), und dient zur Vergrößerung der typischen Signale des Ziels. Während des Filtervorganges wird die Richtungsinformation erhalten. Man kann sagen, daß das Filterausgangssignal für eine bestimmte Richtung ein Maß für die Möglichkeit ist, daß es ein Ziel in der momentanen Richtung gibt.
In einem konkreten Beispiel ist dieses ein Filter, das für jede Richtung die Differenz zwischen der gemessenen Intensität in einer momentanen Richtung und der Durchschnittsintensität in einem zweidimensionalen Intervall der umgebenden Richtungen bildet. Typisch für ein filter in dieser Anmeldung ist im einzelnen, daß das Ausgangssignal einer gewissen Richtung eine gewichtete bzw. bewertete Summe des Eingangssignals des Filters in einem Winkelbereich in und um die Richtung ist.
In einem Abtaster, dessen Aufgabe es ist, signifikante Objekte bzw. Ziele zu selektieren, ist zusätzlich zum Filter eine Entscheidungsfunktion ebenfalls erforderlich. Diese Funktion ist nötig, um zu entscheiden, ob ein signifikantes Objekt existiert oder nicht. Die am meisten gebräuchliche Entscheidungsfunktion ist, das Ausgangssignal des Filter mit einem Schwellenpegel zu vergleichen. Wird dieser überschritten, wird ein signifikantes Objekt, beispielsweise ein Ziel, angezeigt. Der Mechanismus, der den Schwellenpegel auswählt, kann ebenfalls in der Entscheidungsfunktion enthalten sein. Der Schwellenpegel wird oft durch einige Arten statistischer Bewertungen der Ausgangssignale des Filters innerhalb eines großen Bereiches, möglicherweise des ganzen Abtastbereiches, bestimmt. Es ist das Ziel, einen Pegel zu finden, der bei einer annehmbaren niedrigen Frequenz in Abwesenheit eines signifikanten Objektes, beispielsweise eines Ziels (Fehlalarmfrequenz), überschritten wird und der noch nicht zu hoch für erscheinende Ziele ist, die mit Zuverlässigkeit angezeigt werden müssen.
Abtaster der vorangehend beschriebenen Art funktionieren vorzugsweise innerhalb der IR-Spektralbereiche 3 - 5, bzw. 7 - 13 um, die "Fenster" in bezug auf die Übertragungsspektren der Atmosphäre für IR-Strahlung darstellen. Das heißt, daß das Fokussierungsmittel der Sensoreinheit, das selbst aus einer Linse oder einem Spiegel bestehen kann, gewöhnlicherweise aus einer Siliziumlinse für den 3 - 5 mm Bereich und aus einer Germaniumlinse für den 7 bzw. 13 um Bereich besteht, d.h. es wird in bezug auf den momentanen Spektralbereich ausgewählt. Im Lichte der bisher existierenden entsprechenden strahlungssensitiven Detektorelemente muß eine derartige Linse verhältnismäßig groß sein, so daß die Sensoreinheit Signale erzeugt, daß die Auswerteeinheit signifikante Ziele mit beliebiger, nennenswerter Präzision erfassen kann.
Ein derartiger Abtaster kann nicht zwischen Vögeln (= nicht-signifikante Objekte) bei einer relativ kleinen Entfernung und einem Flugzeug (= signifante Objekte) in einer größeren Entfernung unterscheiden, was bedeutet, daß derartige Vögel einen falschen Alarm zur Folge haben können, was ein großer Nachteil der bisher bekannten Abtaster der in der Einleitung beschriebenen Art ist.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der es möglich ist, zwischen relativ nahen Objekten, von denen Strahlung abgegeben wird, und solchen Objekten, die in einer größeren Entfernung angeordnet sind, zu unterscheiden, auch wenn die Objekte bei der Beobachtung in einem ähnlichen festen Winkel gegenüberliegen.
Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung derart charakterisiert, daß sie wenigstens einen zweiten optischen Einlaß umfaßt, wobei die Auswerteeinheit, wie in Patentanspruch 1 beschrieben, ausgebildet ist.
Bei einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung umfaßt die Einrichtung wenigstens zwei Sensoreinheiten, die ihre optischen Einlässe für die von den Objekten abgegebenen Strahlung in einer relativen Entfernung quer zur Sichtlinie aufweisen. In diesem Falle funktioniert jede Sensoreinheit als vollständige Einheit selbständig. Naturgemäß ist eine entsprechende Signalberechnung bzw. Aufbereitung in der Auswerteeinheit erforderlich, d.h. die Signale von den Sensoreinheiten müssen vor der Ausführung weiterer Signalberechnung bzw. Bewertung in der Auswerteeinheit addiert werden. Es ist gebräuchlich, die Sensoreinheit derart zu gestalten, daß jeder optischer Einlaß ein Reflexionsmittel umfaßt, vorzugsweise einen Spiegel, der zur Reflexion der einfallenden Strahlung des Einlasses zum entsprechenden Fokussierungsmittel dient. Wenn ein Spiegel pro optischem Einlaß als Reflexionsmittel benutzt wird, müssen die benutzten Spiegel naturgemäß derart angeordnet werden, daß die Strahlung jedes Spiegels, der gewöhnlicherweise in einem Winkel von 45º zur einfallenden Strahlung angeordnet ist, tatsächlich das Fokussierungsmittel erreichen kann. Dieses kann durch eine derart ausgebildete Anordnung erreicht werden, daß die Öffnung der optischen Eingänge nicht nur in einer Dimension relativ zur Sichtlinie versetzt ist, die sich im Funktionszustand der Einrichtung befindet, sondern ebenfalls in einer zweiten Dimension rechtwinklig zur vorherigen Dimension. Es ist ebenfalls denkbar, Spiegel zu benutzen, die teilweise durchlässig für die momentane Strahlung sind. Wenn es erforderlich ist, die optischen Einlässe in zwei Gruppen anzuordnen, einen auf jeder Seite des Fokussierungsmittels, kann ein zusätzlicher Spiegel pro Gruppe angeordnet werden, um die Strahlung zu führen, die von der Gruppe zum Fokussierungsmittel übertragen wird. Dieses ist gewöhnlicherweise eine Linse, die im Falle der IR-Strahlung beispielsweise aus Germanium besteht, wobei aber konkave Spiegel ebenfalls möglich sind, beispielsweise gemäß dem Cassegrain-System. Es können auch andere Reflexionsmittel verwendet werden, wie Prismen, die die anfallende Strahlung totalreflektieren. Die optischen Achsen der optischen Einlässe sollten parallel ausgebildet sein.
Die Einrichtung gemäß der Erfindung kann unter bestimmten Umständen mit einem einzigen Detektorelement ausgerüstet sein, es kann aber auch sinnvoll sein, eine sogenannte Reihe (Array) zu verwenden, die aus einer Mehrzahl von in einer Reihe angeordneten Detektorelementen besteht. Derartige Detektorelemente können ebenfalls in einer Ebene, d.h. zweidimensional, angeordnet sein. Die Einrichtung kann derart ausgebildet sein, so daß sie dazu befähigt ist, einen kleinen oder einen großen festen Winkel im Azimut und der Höhe abzutasten. Die Detektorelemente der Sensoreinheit, d.h. entweder ein einziges oder mehrere Elemente, die entweder als eindimensionale oder zweidimensionale Reihe angeordnet sind, erfordern unterschiedliche Anordnungen zur Vergrößerung des gesehenen Winkels im Azimut oder der Höhe.
In einer gebräuchlichen Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist die Einrichtung insgesamt um eine im wesentlichen vertikale Achse drehbar, wobei die Anzahl der optischen Einlässe in einem Abstand von der Achse angeordnet ist, und zwar quer zur Sichtlinie auf ein imaginäres Objekt zu. Die Einrichtung ist darüber hinaus in der Höhe, beispielsweise Schritt für Schritt, bewegbar, so daß sie sich beispielsweise ungefähr einmal in jeder ausgewählten Höhenstellung dreht. Die Höhenbewegung kann schrittweise oder kontinuierlich sein.
Der Abtastbereich kann willkürlich groß oder klein sein, vorausgesetzt, daß die Abtastung in wenigstens einer Richtung quer bzw. über das Objekt ausgeführt werden kann, wobei die Richtung annehmbar gut innerhalb der Ebene liegt, in der sich das Objekt und wenigstens zwei optische Einlässe befinden.
Naturgemäß ist ein Winkelstellungswandler für den Azimut und die Höhe erforderlich, der ein Positionssignal zur Auswerteeinheit für jede momentane Meßrichtung liefert.
Anstelle einer Drehung der Einrichtung kann diese auch beispielsweise vorwärts oder rückwärts bewegt werden.
Es ist ferner möglich, die Einrichtung insgesamt unbeweglich zu lassen und statt dessen die Sensoreinheit zu bewegen, oder, wenn zweckmäßig, die Sensoreinrichtungen mit einem optischen Abtastmittel auszubilden, um einen optischen Winkel zusätzlich zu dem Winkel abzutasten, der mit dem entsprechenden Detektorelement abtastbar ist, und zwar im Azimut und/ oder in der Höhe. Eine Möglichkeit, derartiges zu erreichen, besteht darin, das Reflexionsmittel, beispielsweise die Spiegel, bewegbar anzuordnen. Im Extremfall kann die Sensoreinheit mit einem einzigen Detektorelement mit einem Abtastmittel in Form eines Spiegels versehen sein, der als Reflexionsmittel dient, wobei der Spiegel um zwei Achsen rechtwinklig zueinander bewegbar ist. Eine derartige Anordnung hat jedoch eine begrenzte praktische Anwendbarkeit, auch mit einer entsprechenden Auswerteeinheit. In einer derartigen Einrichtung kann eine bessere Wirkungsweise erreicht werden, wenn die Detektorelemente wie in einem feldartigen Bezirk, d.h. zweidimensional, angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt diese in Gruppen angeordnete optischen Einlässe. Diese Gruppen können jeweils geeigneterweise zwei optische Einlässe umfassen. Der Abstand zwischen den optischen Einlässen in einer Gruppe wird somit kürzer als der Abstand zwischen zwei optischen Einlässen, die zu unterschiedlichen Gruppen gehören. Durch eine derartige Anordnung wird eine weitere Unterdrückung der Signale erreicht, die von vergleichsweise kleinen, vergleichsweise nahen Objekten herrühren, erhalten werden, die dargestellt werden.
Die Erfindung wird nun unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren in größerer Einzelheit unter Bezugnahme auf eine beispielhafte Ausgestaltung der Einrichtung, d.h. anhand eines Abtasters beschrieben, der für den militärischen Gebrauch unter Zuhilfenahme der IR-Technik ausgestaltet ist. In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1 ein Blockschaltbild des Abtasters,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht der Sensoreinheit des Abtasters,
Figur 3 die optische Anordnung der Sensoreinheit,
Figur 4 Fokussierungsmittel und Detektorelement,
Figur 5 eine lineare Reihe von Detektorelementen,
Figur 6 ein Schema der Abtastmethode der Einrichtung,
Figur 7 ein Blockschaltbild der Sensoreinheit,
Figur 8 ein Blockschaltbild der Auswerteeinheit,
Figur 9 einen Sensorkopf in der schematischen Ansicht von oben,
Figur 10 eine Signalamplitude über den vier optischen Einlässen in Figur 4 als funktion des Azimutwinkels,
Figur 11 ein Detektorausgangssignal mit vier bzw. einem optischen Eingang,
Figuren 12, 13, 14 ein Detektor- und Filterausgangssignal mit vier bzw. einem optischen Einlaß bei den Entfernungen 500 m, 130 m und 10 km und
Figuren 15 und 16 a, b eine schematische Darstellung der Funktion eines Filters.
In Figur 1 bezeichnet 1 eine Sensoreinheit, 2 eine Auswerteeinheit und 3 eine Anzeige- und Steuereinheit. IR-Strahlung, die von den Objekten innerhalb des Abtastbereiches empfangen wird, wird mit 4 bezeichnet, die entsprechenden Signale von der Sensoreinheit zur Auswerteeinheit mit 5 und die ausgewerteten, bewerteten Signale für die signifikanten Objekte mit 6, die zur Anzeige- und Steuereinheit 3 übertragen werden. Die gesammelten Ausgangsdaten dieser Einheit werden mit 7 bezeichnet, die die Form eines sichtbaren Bildes auf einem Bildschirm annehmen können und auch von Signalen, beispielsweise zur Führung eines Feuerleitsystems für eine Anti-Flugzeugabwehr. Die mit 8 bezeichnete Verbindung überträgt Start- und Stopkommandos usw.
Die Sensoreinheit in Figur 2 umfaßt einen Sensorkopf mit Öffnungen 10 für vier optische Einlässe. Der Sensorkopf wird durch einen Höhenservo 11 für eine Schritt für Schritt-Einstellung in unterschiedlichen Höhenwinkeln durch Drehung um eine horizontale Achse schwebend gehalten. Der Höherservo 11 ist fest mit einer vertikalen Achse 12 verbunden, die in einem Gestell 13 aufgenommen wird. Im Gestell ist ein Motor angeordnet, um die Achse 12 mittels einer konstanten Zahl von Umdrehungen pro Sekunde anzutreiben. Zusätzlich sind ein Winkelgeber und Schleifringe für die Signalübertragung durch ein Kabel 14 zu anderen Einheiten erforderlich.
Die optischen Anordnungen im Sensorkopf 9 können aus Figur 3 ersehen werden, wo mit 15 ein Fokussierungsmittel in Form einer Linse bezeichnet ist. In dessen Brennebene ist eine Mehrzahl von Detekorelementen in einer Reihe 16 angeordnet, deren Achse 17 rechtwinklig zur horizontalen Hauptachse 18 der Linse ist. Auf der anderen Seite der Linse 15 sind vier ebene, rechteckige Spiegel 19 angeordnet, deren Symmetrieachsen 20, die parallel zu den kurzen Seiten der Spiegel sind, die Hauptachse 18 der Linse schneiden und parallel zur Achse 17 der Detektorreihe 16 sind. Die Spiegel sind relativ zueinander parallel und die Spiegel ebene bildet einen Winkel von 45º zu der Ebene, die durch die Achsen 17, 18 definiert ist. Die Spiegel 19 sind dadurch relativ zueinander längs der Symmetrierachse 20 verschoben und weisen eine derartige Größe auf, daß teilweise die effektive totale Öffnung der Sensoreinheit prinzipiell dieselbe wie der Bereich der Linse ist, wobei teilweise alle Spiegel im Prinzip auf gleiche Weise in bezug auf die Öffnungen dazu beitragen. Die optische Achse 21 des Sensorkopfes ist hier als Achse definiert, die die Achsen 18 und 20 unter rechten Winkeln durch den Spiegel schneidet, der der Linse am dichtesten ist. Es ist verständlich, daß ein Objekt, das auf die optische Achse 21 in einer großen Entfernung gebracht wird, als Punkt im Zentrum der Detektorreihe 16 wiedergegeben wird.
In Figur 4 ist ein Fokussierungsmittel, d.h. die Linse 15 und die Detektorreihe 16, in natürlicher Größe dargestellt. Die Detektorreihe weist eine Länge l und die Linse eine Brennweite f auf. In der Figur ist die von drei unterschiedlichen kleinen Objekten aufgenommene Strahlung dargestellt, die sich in einer großen Entfernung derart befinden, daß sie in extremen Positionen bzw. im Zentrum der Detektorreihe liegen.
Es sei vereinbart, daß das Sichtfeld αe der Sensoreinheit 1 in der dargestellten Ebene
αe = 1/f
ist.
In diesem Beispiel beträgt αe = 0,16 rad oder 160 mrad.
In Figur 5 ist die Gestaltung der Detektorreihe in größerer Einzelheit dargestellt. Bei diesem Beispiel gibt es 64 gleiche einzelne Detektorelemente der Größe a x b. Bei diesem Beispiel beträgt a = 0,2 mm und b = 0,5 mm. Die Länge der Detektorreihe beträgt somit 64 x 0,5 mm = 32 mm. Demzufolge beträgt die Brennweite der Linse 200 mm. Jedes Detektorelement deckt einen festen Winkel von 2,5 mrad x 1 mrad ab.
Aus dem, was in bezug auf die Figuren 2 bis 5 gesagt worden ist, ist ersichtlich, daß die Sensoreinheit gleichzeitig die Intensität des einfallenden Strahls in 64 Richtungen 2,5 mrad voneinander innerhalb eines Sektors von 160 mrad in der vertikalen Ebene messen kann, wobei die Auflösung 2,5 mrad in der Höhe ist. Durch Drehung des Sensorkopfes um die vertikale Achse 12 in Figur 2 kann die Messung für Azimutwinkel mit einer Winkelauflösung von 1,0 mrad ausgeführt werden. Zwischen unterschiedlichen Drehungen wird die Höhe des Sensorkopfes mittels des Höhenservos 11 variiert. Eine vollständige Abtastung kann beispielsweise drei Drehungen umfassen, d.h. eine Abtastung eines Höhenbereiches von 540 mrad oder ungefähr 31º. Ein derartiger Abtastzyklus ist in Figur 6 dargestellt. Ein Blockschaltbild der Sensoreinheit ist in Figur 7 dargestellt. Dort wird der Sensorkopf mit 9 bezeichnet, wohingegen ein Azimutmotor mit 22 bezeichnet wird, ein Höherservo mit 11, ein Azimutwinkelwandler durch 23, die Spiegel durch 19, die Linse durch 15, die Detektorreihe durch 16, ein Verstärker durch 24, ein Multiplexer durch 25 und ein A/D-Wandler durch 26. Die Sensoreinheit liefert Ausgangssignale 27, 28.
Das Signal 27 ist dann ein digitales Signal in serieller Form, welches in einer bestimmten Sequenz und mit einem bestimmten Skalenfaktor die Intensität des einfallenden Strahls bezeichnet, die über die jeweiligen Detektorelemente gemessen wurde. Das Signal 28 stellt die Azimutrichtung der optischen Achse des Sensorkopfes dar. Der Höhenservo 11 wird durch ein Signal 29 gesteuert. Während eines vollständigen Abtastzyklusses von drei Drehungen beschreiben die Signale 27, 28 und 29 die gemessene Strahlungsintensität als Funktion der Richtung im vollständig abgetasteten festen Winkel bereich, der, wie vorangehend erläutert, in diesem Falle 540 mrad in der Höhe und die vollständige Drehung im Azimut überdeckt.
Die durch die Sensoreinheit für die Auswerteeinheit während eines Abtastzyklusses erzeugten Meßwerte können, mathematisch gesagt, eine Matrix beschreiben, die hier mit A bezeichnet wird, deren Element aij die auftreffende gemessene Strahlungsintensität in der Richtung
Azimut = i x 0,5 mrad
Höhe = j x 2,5 mrad
relativ zu der ausgewählten Referenzrichtung bezeichnen. Weiter unten wird die Matrix in Verbindung mit einem Beispiel der Filterfunktion erläutert.
Das Signal jedes einzelnen Detektorelementes wird init einem Abstand im Azimut gemessen, der halb so groß wie die Winkel breite des Detektorelements ist, d.h. 0,5 mrad. Insgesamt wird somit eine große Anzahl gemessener Werte durch die Detektorelemente in form digitaler Signale zur Auswerteeinheit geliefert, wo sie in einem Speicher gespeiert werden, wobei sie beispielsweise auf einer Braunschen Röhre derart sichtbar gemacht werden können, daß das Bild ein ebenes Bild auf dem Bildschirm darstellt, das durch den abgetasteten Bereich überdeckt wird. In diesem Bild stellt die Leuchtintensität in einem bestimmten Punkt eine Messung der gemessenen, einfallenden IR-Strahlungsintensität in der Meßrichtung entsprechend zu der Richtung des Punktes dar.
Die Auswerteeinheit 2 ist in Figur 8 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. In dieser ist ein Speicher 3 enthalten, der in diesem Zusammenhang ein sogenannter Bildspeicher ist, ein Filter 31, eine Vergleichereinrichtung 33 sowie ein Zielspeicher 34. Über die Sensoreinheit sind die digitalen Signale von den Detektorelementen verfügbar. Im Bildspeicher 30 werden unterschiedliche Kombinationen digitaler Signale von den Detektorelementen in einer bestimmten Sequenz kurzzeitig gespeichert und stellen somit unterschiedliche Teile des abgetasteten Winkelbereiches in einer solchen Weise dar, daß während eines Abtastzyklusses die Signale von allen Teilen des Abtastbereiches durch das Filter 31 berechnet werden können, das auf bekannte Weise die Differenz zwischen der Signalintensität in einem ausgewählten Bereich und der Signalintensität in einem diesen umgebenden Bereich, Bereich für Bereich des ausgewählten Bereiches berechnet.
Um zu bestimmen, ob ein signifikantes Objekt gemessen worden ist oder nicht, wird nun eine Entscheidungsfunktion unter Ausnutzung des Schwellenrechners 32 und der Vergleichereinrichtung 33 verwendet, wobei die Vergleichereinrichtung ebenfalls direkt mit dem Filter 31 verbunden ist.
Die Funktion wird nun anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben.
In Figur 9 sind vertikal von oben die Spiegel 1, die Linse 15, das Detektorelement 16, ein Objekt 36, die optische Achse der optischen Einlässe 37 - 40 und die Strahlen von den Objekten zu den optischen Einlässen 41 - 44 dargestellt. In der Figur ist ein Abtaster in der Abtastposition β = 0 dargestellt, d.h. in Azimutstellung 0. Die Abtastung wird mittels Drehung im Uhrzeigersinn ausgeführt, d.h. gemäß dem Pfeil 45. Der Durchmesser der Linse ist Dupd und der Abstand zwischen den Spiegeln beträgt d&sub1;&sub2;, d&sub2;&sub3;, d&sub3;&sub4;. Der Winkelabstand vom Objekt von der jeweiligen optischen Achse beträgt beträgt β&sub1;, β&sub2;, β&sub3; und β&sub4; und der Abstand zum Objekt beträgt R. Die Ausdehnung des Objektes beträgt Dubj.
Beispielhaft werden als gemessene Versuchsergebnisse einige Abbildungen nachfolgend dargelegt, die die Funktionsweise der Einrichtung erläutern.
Die Einrichtung weist bei diesem Beispiel die folgenden Dimensionen auf:
Dupd = 0,2 m
d&sub1;&sub2; = 0,25 m
d&sub2;&sub3; = 0,5 m
d&sub3;&sub4; = 0,25 m
β&sub1; = 2,00 mrad
Wenn R von 90 m auf 10 km verändert wird, erhält man eine Anzahl von Diagrammen, bei denen die vertikale Achse sich in allen Fällen auf die Signalamplitude bezieht.
Wie aus der Wahl von d&sub1;&sub2;, d&sub2;&sub3; und d&sub3;&sub4; ersichtlich ist, sind die Spiegel bei diesem Beispiel in bezug auf den Abstand in zwei Paaren angeordnet. Der Abstand innerhalb eines Paares beträgt 0,25 m. Der Abstand zwischen den Paaren beträgt 0,5 m, gemessen als Abstand zwischen den mittleren beiden der vier. Es ist das Ziel, die Wirkungsweise der auf diese besondere Weise angeordneten Spiegel zu überprüfen.
Bei der Auswahl sowohl der Werte der Parameter als auch andererseits der Ausführungsbeispiele des Abtasters war es nicht das Ziel, eine optimale Lösung zu erreichen, sondern vielmehr eine Lösung der Erfindung darzustellen. Die nachfolgenden Beispiele in den Figuren 10, 14 beziehen sich auf Objekte, die von der Einrichtung aus gesehen, d.h. von den optischen Einlässen der Sensoreinheit, eine ähnliche feste Winkelausdehnung und eine ähnliche Strahlungsintensität aufweisen, d.h. Vögel bei einem vergleichsweise kürzeren Abstand und ein Flugzeug in einem größeren Abstand.
In Figur 10 sind zu Beginn für einen 90 m Abstand die vier optischen Signale 1 - 4 dargestellt, die den Detektor über die vier Spiegel erreichen. Die Numerierung der Signale in Figur 10 entspricht der Numerierung der Spiegel in Figur 9. Es kann festgestellt werden, daß das Ausgangssignal des Detektors gleich der Summe der vier optischen Signale ist. Das Ausgangssignal des Detektors ist in Figur 11 a dargestellt. In Figur 11 b ist das Detektorsignal für den Fall eines einzigen optischen Einlasses dargestellt. Figur 11 bezieht sich wie Figur 10 auf den Abstand 90 m.
Die Funktion des Filters 31 wird unter Bezugnahme auf Figur 15 beschrieben. Die Figur zeigt einen Ausschnitt der Matrix A, in der jedes Element in der Matrix durch ein Karree dargestellt ist. In diesem Karreemuster sind zwei Bereiche hervorgehoben, die mit Kern bzw. Rahmen bezeichnet werden. Der Kern umfaßt drei Matrixelemente, von denen das Element aij das mittlere ist. Der Rahmen umfaßt die Matrixelemente, die den Kern berühren und ihn umgeben. Die Funktion des Filters ist es, die Differenz zwischen dem höchsten Elementwert im Kern und dem höchsten Elementwert im Rahmen zu berechnen. Die Berechnung wird für jede mögliche Position (i, j) in der Matrix A ausgeführt. Das Ergebnis ist eine neue Matrix B mit den Elementen bij, die das Ausgangssignal des Filters darstellt.
Die Funktion des Filters 31 wird in den Figuren 16 a und 16 b dargestellt. Hier sind die numerischen Werte der Elemente in der Matrix A ausgeschrieben. In Figur 16 a ist der größte Wert des Kernes drei und der höchste Wert im Rahmen ist drei, und somit ist das Ausgangssignal des Filters Null. In Figur 16 b ist der höchste Wert im Kern drei und im Rahmen eins, und somit ist das Ausgangssignal dann zwei. Das zeigt, daß das Filter zu einer Erhöhung bzw. zu einer Steigerung neigt, d.h. ein großes Ausgangssignal für Objekte zu liefern, die in der Matrix A eine Ausdehnung haben, die kleiner oder ähnlich der Größe des Filterkerns sind, wohingegen größere Objekte unterdrückt werden, d.h. ein kleines Ausgangssignal vom Filter gegeben wird.
Es kann hervorgehoben werden, daß es für eine bevorzugte Funktion ausreichend sein kann, ein Filter zu benutzen, das lediglich die Signale der Ebene miteinander wichtet, die das Objekt und die optischen Einlässe enthalten. Beim dargestellten Beispiel würde das Filter durch die Reihe Nr. i dargestellt.
In Figur 15 ist die Größe des Filterkerns im Azimut mit 1,5 mrad und in der Höhe mit 2,5 mrad vorgegeben, wobei diese Werte sich aus früher vorgegebenen Probeintervallen von 0,5 mrad und 2,5 mrad in den jeweiligen Richtungen ergeben haben. Es kann hier angemerkt werden, daß ein vom Abtaster in einer Entfernung von 10 km gesehenes Flugzeug einen Winkel von im allgemeinen weniger als 1,0 mrad überspannt, wobei deshalb dann das Flugzeug gut innerhalb des Filterkerns liegt und deshalb durch das Filter hervorgehoben wird.
Aus der Figur 11 ist es ersichtlich, daß für eine Entfernung von 90 m die Amplitude des Detektorsignals für vier Einlässe beträchtlich kleiner als für einen einzigen Einlaß ist. Die durch den Detektor einpfangenen Strahlungsenergie ist in beiden Fällen die gleiche, aber im Falle der vier Einlässe liegt die empfangene Energie innerhalb eines größeren Winkelbereiches, d.h. bei einer bestimmten Abtastrate innerhalb eines vergrößerten Zeitintervalls und aus diesem Grunde bei einem geringeren Energiepegel. Das Ausgangssignal des Detektors oder genauer gesagt die Ausgangsspannung in Volt ist zu jedem Zeitpunkt proportional zur einfallenden Leistung in Watt. Die empfangene Energie wird in Figur 11 durch den Bereich unterhalb der jeweiligen Kurven repräsentiert.
Es kann ebenfalls gesagt werden, daß Figur 11 eine Situation darstellt, bei der die Verwendung von vier parallel und lateral voneinander entfernten optischen Einlässen die Unterdrückung des Signals eines Objektes in einer derartigen Entfernung vom Abtaster zur Folge hat, daß die Strahlung vom Objekt die Einlässe des Abtasters divergierend erreicht. Mit divergierenden Strahlen sind solche mit einem relativen Differenzwinkel gemeint, der gleich oder größer als dieser ist und ein nicht zu kleiner Bruchteil der Winkelauflösung ist, die in diesem falle 1 mrad beträgt.
In Figur 12 ist für eine Entfernung von 500 m teilweise das Detektorsignal 1 dargestellt und teilweise das Ausgangssignal 2. Figur 12 a bezieht sich auf den Fall von vier Einlässen, und Figur 12 b bezieht sich auf einen einzigen Einlaß. Figur 2 stellt die Funktion der Kombination von vier optischen Einlässen einerseits und der des Filters anderseits dar. Aus dieser Figur ist es ersichtlich, daß das Filter den Signalpegel beträchtlich stärker im Falle von vier Einlässen als im Falle eines einzigen Einlasses vermindert. Der Grund dafür ist, daß die vier lateral voneinander entfernten Einlässe dem Signal eine Windung geben und daß das Filter derart ausgestaltet ist, daß dieses ein niedrigeres Aufgangssignal liefert, wenn das Filtereingangssignal breiter ist.
In Figur 13 sind für eine Entfernung für 130 m die Signale entsprechend denen von Figur 12 dargestellt. Hier werden zwei Signalimpulse erhalten, im Falle von vier optischen Einlässen, einer für jedes Spiegelpaar. Figur 13 zeigt die Funktion der Anordnung der Spiegel im Hinblick auf die Entfernung in zwei Paaren in der vorangehend beschriebenen Weise. Bei der Anordnung der Spiegel auf diese Weise in dieser Entfernung werden breite Impulse erhalten, die das Filter zu unterdrücken sucht.
In Figur 14 sind für eine Entfernung von 10 km die entsprechenden Signale wie in Figur 12 dargestellt. Aus Figur 14 ist ersichtlich, daß das Ausgangssignal des Filters fortwährend so groß sowohl mit vier Einlässen als auch mit einem einzigen ist. Der Grund dafür ist, daß der Abstand so groß relativ zur Länge, innerhalb der die Spiegel angeordnet sind, ist, daß die Strahlung von den Objekten den Abtaster im wesentlichen parallel erreichen. Ziele können somit bei großen Entfernungen sowohl mit vier lateral voneinander entfernten Einlässen als auch mit lediglich einem einzigen Einlaß wirksam erfaßt werden.
Es sei hervorgehoben, daß die beschriebene Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der Erfindung ein Beispiel ist. Wie aus den beigefügten Ansprüchen und der obigen Beschreibung ersichtlich ist, gibt es eine Vielzahl von Abwandlungen der Einrichtung gemäß der Erfindung. So können beispielsweise die optischen Einlässe der Sensoreinheit oder Einheiten vertikal in einer Reihe angeordnet sein.
Obwohl eine Digitaltechnik vorteilhaft ist, ist es ebenfalls denkbar, daß die Signale weder abgetastet werden noch daß sie eine digitale Form aufweisen. Das Filter kann auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Es kann z.B. ein analoges Filter sein und in Abhängigkeit der Zeit anstatt eines Winkels funktionieren.
Die Übertragungsfunktion des Filters kann anders sein als im Ausführungsbeispiel beschrieben, solange es in der Lage ist, Signale von den Objekten oder Teilen des Objektes relativ zu vergrößern, wenn diese von der Position des Sensors aus beobachtet werden und innerhalb des spektralen Bereiches des Sensors liegen und eine Winkelweite darstellen, die kleiner als ein angenommener Wert ist, aber starke Signale von Objekten unterdrücken oder abdämpfen, die eine größere Ausdehnung die angenommene zeigen.
Die Übertragungsfunktion des Filters braucht nicht fest zu sein, vielmehr kann sie variabel einstellbar sein, beispielsweise gemäß den momentanen Bedingungen in bezug auf die Objekte.
Der spektrale Bereich kann ein anderer als der IR-Bereich sein, beispielsweise der UV-Bereich, der sichtbare Bereich oder der mm-Wellenbereich.

Claims

1. Einrichtung zur selektiven Erkennung von Objekten wie Flugzeugen, Raketen, Hubschraubern und dgl. mittels von den Objekten abgegebener Strahlung, vorzugsweise IR- Strahlung, umfassend wenigstens eine Sensoreinheit (1), wobei die Einrichtung dazu dient, die abgegebene Strahlung durch einen ersten optischen Einlaß zu empfangen, daß die Sensoreinheit (1) ein Fokussierungsmittel (15) umfaßt, das dazu dient, die Strahlung auf einer entsprechende Brennebene zu fokussieren, daß die Sensoreinheit (1) mit wenigstens einem strahlungssensitiven Detektorelement (16) ausgerüstet ist, das in der Brennebene angeordnet ist, daß das Detektorelement dazu dient, Signale abzugeben, die der einfallenden Strahlung entsprechen, daß die Einrichtung dazu dient, ein winkelförmiges Feld variabel in bezug auf den Azimut und/oder Höhe abzutasten, und daß die Einrichtung weiterhin eine Ausweiteeinheit (2) zum Empfang der Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung wenigstens einen zweiten optischen Einlaß umfaßt, wobei die verschiedenen optischen Einlässe in diesem relativen Abstand quer zu einer Sichtlinie von der Einrichtung zum Objekt angeordnet sind, daß verschiedene Reflexionsmittel jeweils mit jedem der verschiedenen Einlässe in Bezug zueinander stehen, um die vom Einlaß auf der Brennebene erhaltenen Strahlen zu reflektieren, daß die Auswerteeinheit (2) ein Filtermittel (31) und ein Entscheidungsmittel (32,33) enthält, wobei das Filtermittel (31) Signale aus allen Teilen des abgetasteten Feldes derart erzeugt, daß die Differenz zwischen der Signalintensität in einem ausgewählten Bereich des Feldes und der Signalintensität des diesen umgebenden Bereiches Bereich um Bereich des abgetasteten Feldes berechnet wird, so daß es für die Entscheidungsfunktion (32,33) möglich ist, zwischen Objekten zu unterscheiden, die Anlaß zu Signalen geben, deren Amplitude als Funktion des abgetasteten Azimuts oder Höhenwinkels eine relativ große Ausdehnung im Vergleich mit Signalen zeigt, so daß eine Selektion zwischen Objekten durchgeführt werden kann, die in bezug auf den von der Position der Einrichtung aus gemessenen Winkel eine ähnliche Größe haben, beispielsweise Vögel in einer geringen Entfernung und ein Flugzeug in einer größeren Entfernung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder optischer Einlaß (10) ein Reflexionsmittel, vorzugsweise einen Spiegel (19) umfaßt, um die einfallende Strahlung vom Einlaß zum Fokussierungsmittel (15) zu reflektieren.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinrichtung (1) mehrere in einer Dimension angeordnete Detektorelemente umfaßt.

4. Einrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, d.g., daß eine Senoreinrichtung (1) mehrere in zwei Dimensionen angeordnete Detektorelemete umfaßt.

5. Einrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abtastung des Azimuts zusätzlich zum eigenen Sichtfeld der optischen Einlässe bewegbar, vorzugsweise drehbar angeordnet ist.

6. Einrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Abtastung der Höhe, vorzugsweise schrittweise bewegbar angeordnet ist.

7. Einrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensoreinheit (1) wenigstens ein optisches Abtastmittel umfaßt, um einen Winkelbereich zusätzlich zum Sichtfeld variabel abzutasten, welches durch entsprechende Detektorelemente in Azimutrichtung und/oder in der Höhe abtastbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastmittel aus bewegbar angeordneten Reflexionsmitteln besteht.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sensoreinheit (1) ein einzelnes Fokussierungsmittel umfaßt.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens ein einzelnes Fokussierungsmittel umfaßt.

11. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung in Gruppen angeordnete optische Einlässe umfaßt.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Gruppen zwei optische Einlässe umfaßt.