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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für
die Erfassung von Zielen, die geeignet sind, in ein
überwachtes Feld einzudringen, und insbesondere für die
Erfassung und Verfolgung von möglicherweise feindlichen
beweglichen Körpern von einem Beobachtungspunkt aus.
Bei diesen Zielen kann es sich beispielsweise um
Luftfahrzeuge oder Lenkflugwaffen handeln. Die
Erfassungsvorrichtung kann auf dem Boden oder an Bord eines
Fahrzeuges oder eines Schiffes stationiert werden. Sie ist
zur Kopplung mit einer Waffe vorgesehen, deren Ziel die
Zerstörung des oder der erfaßten feindlichen
beweglichen Körper(s) ist.
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Folgende technischen Merkmale dürfen von einer solchen
Vorrichtung erwartet werden:
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- eine große Erfassungsreichweite;
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- eine gute Erfassungswahrscheinlichkeit;
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- eine geringe Fehlalarmquote;
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- eine hohe Geschwindigkeit der Inforinationserneuerung.
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Man kennt bereits Überwachungssysteme, die im
allgemeinen eine Optik und eine dein spezifischen
Überwachungsbedarf angepaßte Sensorengruppe verwenden, was
beträchtliche Kosten mit sich bringt. Die Unterscheidung
zwischen den gesuchten beweglichen Körpern und anderen
Strahlungsquellen, die in dem überwachten Feld
auftreten, erfolgt häufig durch eine
Mehrfach-Bandenspektrenanalyse, die eine Unterscheidung durch Bestimmung der
auftretenden Temperatur ermöglicht. Die ausschließlich
passiven Messungen, die diese Systeme vornehmen, führen
jedoch lediglich zu begrenzten Informationen über die
erfaßten Ziele, so daß eine hohe Fehlalarmquote
vorliegt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, diesen
Nachteil zu beseitigen.
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Zu diesem Zweck und entsprechend der Einleitung des
Patentanspruches 1 verfügt die Vorrichtung für die
Erfassung von Zielen, die in einem überwachten Feld
auftauchen, über eine Überwachungs-Wärmebildkamera, einen
Laserentfernungsmesser, sowie Einrichtungen zur Ablenkung
in die Höhe und zur seitlichen Ablenkung der
ausgesendeten und empfangenen Strahlenbündel des
Entfernungsmessers, die auf einem gemeinsamen drehbaren Träger
aufgebracht sind. Eine solche Vorrichtung ist
beispielsweise durch das Dokument EPA-0167432 bekannt.
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Demgemäß ist die Erfassungsvorrichtung entsprechend der
Erfindung zur Messung der Entfernung eines potentiellen
Ziels und damit auch zur Messung von dessen
Geschwindigkeit geeignet. Nun ist bekannt, daß derartige
Informationen sehr interessant für die Klassifizierung der
möglichen Bedrohung sind, die das potentielle Ziel
darstellt. Folglich wird dank der Erfindung die
Fehlalarmquote beträchtlich verringert.
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Anzumerken ist, daß der Laserentfernungsmesser dank
seiner eigenen Einrichtungen zur Ablenkung in die Höhe
und zur seitlichen Ablenkung während des Betriebs von
der Wärmebildkamera abgekoppelt werden kann.
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Auf diese Weise können die Wärmebildkamera und der
Laserentfernungsmesser gleichzeitig in unterschiedliche
Richtungen ausgerichtet werden, so daß eine
kontinuierliche und regelmäßige Überwachungsabtastung durch die
Wärmebildkamera gewährleistet ist, während der
Laserentfernungsmesser die Entfernungsmessung eines
angenommenen Ziels vornimmt, das unmittelbar zuvor von der
Wärmebildkamera erfaßt wurde.
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Um den gleichzeitigen und unabhängigen Betrieb der
Wärmebildkamera und des Laserentfernungsmessers unter
Vermeidung von Bildstörungen der Wärmebildkamera durch den
Laserentfernungsmesser zu gewährleisten, wird der
Laserentfernungsmesser vorzugsweise mit der Abtastung der
Wärmebildkamera synchronisiert, so daß die Impulse des
Laserentfernungsmessers während der Rasterrückläufe der
Kamera erfolgen.
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Entsprechend dem charakteristischen Teil des Anspruchs
1, wobei der gemeinsame Träger durch eine seitliche
Abtastdrehung angetrieben wird, werden die
Geschwindigkeit dieser Abtastdrehung und die Frequenz der
seitlichen Abtastung der Wärmebildkamera so gewählt, daß im
Verlauf ein und derselben Phase der genannten
seitlichen Abtastung durch den gemeinsamen Träger jede
Richtung des überwachten Feldes durch mehrere
aufeinanderfolgende Raster der Abtastung der Wärmebildkamera
beobachtet wird. Auf diese Weise wird die
Erfassungswahrscheinlichkeit eines Zieles erhöht, und gleichzeitig
wird die Fehlalarmquote verringert.
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Vorzugsweise weist die Erfassungsvorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung einen Spiegel auf, der
auf dem gemeinsamen Träger aufgebracht ist und in den
Verlauf der optischen Achsen der Wärmebildkamera und
den genannten Ablenkungseinrichtungen des
Entfernungsmessers eingesetzt ist.
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Vorzugsweise läßt sich dieser Spiegel in die Höhe
verstellen. Auf diese Weise ist die Abtastung des
Beobachtungsfeldes in die Höhe möglich, wobei die seitliche
Abtastung durch die Drehung des gemeinsamen Trägers
erfolgt.
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Vorzugsweise ist der Spiegel auch seitlich verstellbar.
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Auf diese Weise kann der Spiegel nach der Erfassung und
Erkennung eines Ziels in der Höhe und seitlich in die
Richtung dieses Ziels ausgerichtet werden, in der Form,
daß der Spiegel als Zielspiegel dient und die
Visierlinie einer Waffe beschreibt, die für das Abfangen des
genannten Ziels vorgesehen ist.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann demnach neben
der Beobachtungsfunktion auch das Ziel verfolgen. Die
Erfindung vermeidet somit den Einsatz eines besonderen
Beobachtungssystems und eines besonderen
Zielverfolgungssystems, wie es bislang der Fall ist.
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Darüber hinaus lassen sich aufgrund der Tatsache, daß
der Spiegel in die Höhe und seitlich steuerbar ist, die
Auswirkungen der Erschütterungen ausgleichen, die
beispielsweise über den Träger (Luftfahrzeug, Panzer,
etc.), auf den der gemeinsame Träger aufgesetzt ist,
auf die Erfassungsvorrichtung einwirken. Zu diesem
Zweck ist es vorteilhaft, über Trägheitssensoren auf
dem gemeinsamen Träger zu verfügen, um den Spiegel mit
Hilfe der von den Trägheitssensoren abgegebenen Signale
zu stabilisieren.
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Zur zusätzlichen Erleichterung der Erfassung und
Erkennung der potentiellen Ziele verfügt die Vorrichtung
darüber hinaus über eine auf den gemeinsamen Träger
montierte Fernsehkamera. Man kann auch eine Ausrüstung
zur Lenkung von Fernlenkwaffen vorsehen.
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Die Figuren auf der beigefügten Zeichnung machen
deutlich, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. Auf
diesen Figuren sind identische Elemente mit Identischen
Kennziffern bezeichnet.
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Figur 1 ist eine vertikale Schnittperspektive eines
Beispiels für die Verwirklichung der Vorrichtung der
Figur 1.
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Figur 2 ist der synoptische Schaltplan des Beispiels
für die Verwirklichung der Vorrichtung der Figur 1.
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Die Figur 3a zeigt das Feld der Wärmebildkamera der
Vorrichtung der Figur 1.
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Die Figuren 3b, 3c und 3d zeigen schematisch drei
Abtastvarianten des Beobachtungsfeldes mit Hilfe der
Wärmebildkamera.
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Die Figur 4 ist ein Seiten-Ziel-Diagramm, das einen
Teil der Arbeitsweise der Zielvorrichtung der Figur
zeigt.
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Das Beispiel für die Verwirklichung der schematisch
durch Figur 1 gezeigten Zielvorrichtung umfaßt ein
undurchlässiges Gehäuse 1, das ein Bullauge 2 aufweist.
Das Gehäuse 1 ist um eine mittlere Stehachse Z-Z mit
Hilfe eines Motors 3 drehbar. Wie im folgenden zu
erkennen ist, kann der Rotationsantrieb des Gehäuses 1 um
die Achse Z-Z mit gleicher oder wechselnder
Geschwindigkeit um eine Mittelstellung fortgesetzt werden. Die
Rotation des Gehäuses 1 um die Achse Z-Z dient der
seitlichen Abtastung des Beobachtungsfeldes. Das
Bullauge 2 befindet sich etwa parallel zur Achse Z-Z. Im
Inneren des Gehäuses 1 befinden sich eine
Wärmebildkamera 4, eine Fernsehkamera 5, eine Einrichtung zur
Lenkung von Fernlenkwaffen 6 sowie ein
Laserentfernungsmesser 7. Verbunden mit dem Laserentfernungsmesser ist
ein Abtastspiegel 8, der mit Hilfe eines Motors 9 um
eine Stehachse Z&sub1;-Z&sub1; sowie um eine Kippachse xl-xl
drehbar ist.
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Darüber hinaus ist in dem Gehäuse 1 ein Zielspiegel 10
vorgesehen, der mit einem Antriebsmotor 11 verbunden
ist, so daß er um eine Stehachse Z&sub2;-Z&sub2; sowie um eine
Kippachse X&sub2;-X&sub2; parallel zur Achse X&sub1;-X&sub1; drehbar ist.
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Dank des Zielspiegels 10 gelangen die von den Zielen
ausgehenden Strahlungsbündel, die sich in dem
Beobachtungsfeld befinden, nach dem Passieren des Bullauges 2
und der Reflexion auf dem Zielspiegel 10 zu den
verschiedenen Vorrichtungen 4, 5, 6 und 7. Darüber hinaus
wird das empfangene Strahlungsbündel des
Laserentfernungsmessers 7 auf dem Spiegel 8 vor dem Erreichen des
Laserentfernungsmessers reflektiert. Das ausgesendete
Strahlungsbündel des Laserentfernungsmessers wird von
dem Spiegel 8 auf den Spiegel 10 reflektiert, welcher
das Strahlungsbündel durch das Bullauge 2 auf das zu
beobachtende Feld richtet.
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Es ist leicht erkennbar, daß die verschiedenen Geräte
4, 5, 6 und 7 aufgrund der Rotationsbewegung des
Gehäuses 1 um die Achse Z-Z und der Rotationsbewegung des
Zielspiegels 10 um die Achse X&sub2;-X&sub2; Strahlungsbündel mit
Abtastung in die Höhe und mit seitlicher Abtastung
senden und empfangen können.
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Im übrigen befinden sich im Inneren des Gehäuses 1 die
Trägheitssensoren 12.
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Wie die Figur 2 zeigt, ist das Steuerungssystem der
verschiedenen Elemente mit einer elektronischen
Steuerungsvorrichtung 20 versehen, der eine elektronische
Folgesteuerungsvorrichtung 21 zugeordnet ist, die die
Motoren 3, 9 und 11 steuert und Informationen der
Trägheitssensoren 12 empfängt. Das Steuerungssystem ist
außerdem mit einer elektronischen Vorrichtung zur
Bildverarbeitung ausgestattet, welche der Erfassung und
Verfolgung von Zielen dient. Die Wärmebildkamera 4, die
Fernsehkamera 5 und die Einrichtung zur Lenkung von
Lenkwaffen 20 werden durch die elektronische
Steuerungsvorrichtung 20 gesteuert und senden ihre
Informationen an die elektronische Vorrichtung zur
Bildverarbeitung 22. Der Entfernungsmesser 7 wird ebenfalls
durch die elektronische Steuerungsvorrichtung 20
gesteuert.
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Bei der Fernsehkamera 5 handelt es sich vorzugsweise um
einen Typ mit Ladungstransfer (CCD) mit einstellbarer
Integrationszeit.
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Bei der Wärmebildkamera 4 kann es sich um eine Kamera
mit Parallelabtastung handeln, deren Sensoren vertikal
angeordnet sind. Die Sensorengruppe deckt somit das
Feld der Kamera in die Höhe ab. Die interne
Abtastvorrichtung der Kamera gewährleistet die seitliche
Feldabtastung durch Verschiebung des Bildes auf der
Sensorenzeile. Auf der Figur 3a läßt sich erkennen, daß das
Feld 30 der Wärmebildkamera 4 ein kleines Rechteck ist,
dessen Länge 31 (seitlich) in der Größe von 40 und
dessen Höhe 32 (in die Höhe) in der Größe von 30 liegen
kann.
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Wenn das Gehäuse 1 durch den Motor 3 kontinuierlich um
die Achse Z-Z gedreht wird, und wenn der Zielspiegel 10
in die Höhe fixiert ist, erstreckt sich das von der
Wärmebildkamera 4 abgetastete Feld somit über einen
Bereich von 360º und über eine Breite, die der Breite 32
(siehe Figur 3b) entspricht.
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Wird der Zielspiegel 10 dagegen um die Kippachse X&sub2;-X&sub2;
(in die Höhe) während der Rotation des Gehäuses 1 um
die Achse Z-Z gedreht, so setzt sich das abgetastete
Gesamtfeld 34 bei kontinuierlicher Drehung von 360º um
die Achse Z-Z aus einer Vielzahl von
nebeneinanderliegenden Bändern (siehe Figur 3c) zusammen.
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Auf der Figur 3d wird ein abgetastetes Feld 36
dargestellt, das nicht aus einem Rundsichtfeld von 360º
sondern aus einem Teilfeld von beispielsweise 30º besteht,
welches sich aus einer Vielzahl von Bändern 7
zusammensetzt, die ebenfalls nebeneinander angeordnet sind. In
diesem Fall wird das Gehäuse 1 durch eine wechselweise
Drehung um die Achse Z-Z durch den Motor 3 angetrieben,
und der Zielspiegel 10 gewährleistet die Abtastung in
die Höhe der Bänder 37.
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Es versteht sich von selbst, daß die Abtastung im
Inneren des Bandes 33 und der Bänder 35 und 36 durch die
interne Abtastvorrichtung der Kamera in der oben
erwähnten Weise erfolgt.
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Mit Hilfe des Laserentfernungsmessers 7 lassen sich
beispielsweise im Abstand von 40 Millisekunden (25 Hz)
Messungen durchführen, zumindest über eine kurze Dauer.
Der Laserentfernungsmesser wird mit der Wärmebildkamera
synchronisiert, so daß die Impulse während des
Rasterrücklaufs erfolgen, um Bildstörungen der
Wärmebildkamera zu vermeiden, wie dies auf Figur 4 dargestellt ist.
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Der Ablenkungsspiegel 8 des Entfernungsmessers ist in
die Höhe und seitlich verschiebbar, wodurch die
Richtungsänderung der Entfernungsmessung über das gesamte
Feld der Wärmebildkamera 4 ermöglicht wird. In der
mittleren Verschiebungsposition des Spiegels 8 verläuft
die Richtung der Entfernungsmessung parallel zur
entsprechenden Richtung in der Mitte des Feldes der
Wärmebildkamera.
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Die elektronische Vorrichtung 21 und die
Trägheitssensoren 12 bilden eine Stabilisierungsvorrichtung zur
Stabilisierung der Visierlinien und halten die durch
den (nicht dargestellten) Träger des Gehäuses 1 und die
Bewegungen des Gehäuses erzeugten Schwingungen von den
Visierlinien ab.
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Somit ist der Zielspiegel 10 drallstabilisiert und
gewährleistet die Stabilisierung, die Abtastung in die
Höhe und eine seitliche Abtastung mit eingeschränktem
Erfassungsbereich.
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Bei der Überwachung ermöglicht die motorgetriebene
seitliche Drehung (im wesentlichen Motor 3) verbunden
mit der Höhendrehung des drallstabilisierten Spiegels
10 die Abdeckung eines Rundsichtfeldes 34 oder eines
Teilfeldes 36 durch aufeinanderfolgende seitliche
Bandabtastungen 35, 36. Dieses Überwachungsfeld ist dem
jeweiligen Einsatzkontext angepaßt und ergibt sich aus
einem Kompromiß zwischen seinen Abmessungen und der
Zeitspanne vor der Erneuerung der Informationen.
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Die kontinuierliche seitliche Abtastung der
Gesamtkonstruktion, die sich der abwechselnden Abtastung ihres
Feldes durch die interne Vorrichtung der
Wärmebildkamera (50 Hz) überlagert, erzeugt eine Art sägezahnförmige
Abtastung des Feldes in horizontaler Richtung, wie dies
durch die Figur 4 gezeigt wird, welche die seitliche
Veränderung G in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt.
Auf dieser Figur stellt die Linie 40 die Bewegung der
Mitte des infolge der Drehung des Gehäuses 1 um die
Achse Z-Z überwachten Feldes dar. Diese Abtastung durch
die Gesamtkonstruktion wird durch die Abtastung im
Inneren der Wärmebildkamera 4 überlagert. Diese
letztgenannte Abtastung erfolgt während der
aufeinanderfolgenden Raster 41. Werden die jeweiligen Geschwindigkeiten
der Abtastung der Gesamtkonstruktion (Motor 3) und der
Innenabtastung der Wärmebildkamera 4 richtig gewählt,
so kann man ein Objekt 43, daß sich in einer Richtung
44 befindet, mehrmals (beispielsweise vier Mal in 45,
46, 47 und 48) im Verlauf derselben Winkelabtastung der
Abtastung durch die Gesamtkonstruktion beobachten.
Dadurch wird die Erfassung eines Ziels 43 in mehreren
aufeinanderfolgenden Bildern ermöglicht, wodurch die
Erfassungswahrscheinlichkeit erhöht wird bei
gleichzeitiger Verringerung der Anzahl der Fehlalarme. Ebenso
ist es möglich, ein Ziel mit einer schnellen
Winkelbewegung zu erfassen und seinen Streckenverlauf
vorauszusagen.
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Um die Anzahl der Fehlalarme noch weiter zu verringern
und um eine Klassifizierung der Bedrohungen
vorzunehmen, wird die Entfernung der Ziele gemessen. Dies
erfolgt durch Ausrichtung (Vorrichtung 21) des
Entfernungsmessers 7 mit Hilfe seiner Ausrichtvorrichtung 8,9
in die Richtung 44 des Ziels 43, so wie diese zuvor
bestimmt wurde, durch Angleichung der Bewegung der
Abtastung der Gesamtkonstruktion. Die Entfernungsmessung
erfolgt demnach "im Flug", ohne die
Überwachungsabtastung zu unterbrechen und somit ohne jeglichen
Zeitverlust. Gemäß einem wichtigen Gesichtspunkt der
vorliegenden
Erfindung erfolgt die Steuerung des
Entfernungsmessers 7 durch die elektronische Steuerungsvorrichtung
20 in der Form, daß seine Impulse während der
Rasterrückläufe 42 der Abtastung der Wärmebildkamera 4 (siehe
Figur 4) erfolgen.
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Die Erfassung des Ziels 43 erfolgt durch die
elektronische Bildverarbeitungsvorrichtung 22, die mit den von
der Wärmebildkamera 4 ausgegebenen Signalen arbeitet;
die potentiellen Ziele werden ausgewählt, ihre
Winkelbewegung wird erfaßt und die Entfernungsmessung wird
betätigt, und zwar alles im Verlauf der gleichen
Abtastung durch die Gesamtkonstruktion (Dauer weniger als
80 ms). Für die Erfassung des Ziels wird ebenfalls das
von der Fernsehkamera 5 stammende Bild verwendet (deren
Integrationszeit sehr kurz geregelt ist, um einen
Bewegungseffekt zu vermeiden). Auf diese Weise lassen sich
Fehlalarme ausschalten; denn im allgemeinen haben die
Ziele und die Störsender nicht die gleiche
Kennzeichnung in den Spektralbändern der Wärmebildkamera 4 und
der Fernsehkamera 5.
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Die Verfolgung des Ziels erfolgt, sobald dies gewählt
wurde, in der oben beschriebenen Weise im Modus
"Überwachung".
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Die Ausrichtung der Visierlinie in die Höhe und
seitlich erfolgt mit Hilfe des Zielspiegels 10 . Die
motorgetriebene Gesamtkonstruktion folgt den seitlichen
Bewegungen großer Amplitüde. Die Beobachtung und die
Verfolgung erfolgen mit Hilfe der Wärmebildkamera und der
Fernsehkamera (normale Steuerung), entweder durch
manuelle Verfolgung (Schütze betätigt einen Halter), oder
automatisch (automatische Verfolgung wird elektronisch
durch Bildverarbeitung ausgelöst). Die
Entfernungsmessungen werden mit Hilfe des Laserentfernungsmessers
vorgenommen, welcher die Entfernung des anvisierten
Ziels und gegebenenfalls die Entfernung der
gestarteteten
Lenkwaffe messen kann (Visieren über den Spiegel
des Entfernungsmessers).
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Obwohl im Beispiel der oben beschriebenen
Verwirklichung eine Wärmebildkamera 4 mit Parallelabtastung
vorgesehen ist, versteht es sich von selbst, daß die
Vorrichtung gemäß der Erfindung auch mit Kameras
funktionsfähig ist, die über eine beliebige Anzahl und
Anordnung von Sensoren verfügt, einschließlich bi- oder
multispektraler Erfassungseinheiten. Hier liegt
selbstverständlich eine Einschränkung vor, wenn die
Integrationszeit der Sensoren im Verhältnis zur Geschwindigkeit
der Abtastung der Gesamtkonstruktion lang ist.
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Der Laserentfernungsmesser 7 kann eine beliebige
Wellenlänge aufweisen. Je höher die Einsatzfolge ist,
um so zahlreicher sind die Möglichkeiten der
Entfernungsmessung zahlreicher Ziele während einer
Überwachungssequenz. Mehrere aufeinanderfolgende
Messungen eines Ziels ermöglichen die Bestimmung der
Radialgeschwindigkeit des Ziels. Der Einsatz von
Überlagerungsentfernungsmessern ermöglicht die
augenblickliche Messung der Geschwindigkeit des Ziels
durch Nutzung der Frequenzabweichung aufgrund des
Dopplereffekts. Als Zielvorrichtung 8, 9 des
Entfernungsmesser 7 kann jede optische oder mechanische
Vorrichtung verwendet werden, die eine Ablenkung der
ausgesendeten und empfangenen Strahlungsbündels des
Entfernungsmessers in einem im Verhältnis zur Achse der
Wärmebildkamera bekannten Winkel ermöglicht.