DE10196598B4

DE10196598B4 - Passive Entfernungsmessung zu einem Sonneneinstrahlung reflektierenden Ziel

Info

Publication number: DE10196598B4
Application number: DE10196598T
Authority: DE
Inventors: Victor H. Winchester Hasson
Original assignee: Textron Systems Corp
Current assignee: Textron Systems Corp
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2001-08-29
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2021-08-30
Also published as: US6373558B1; WO2002021155A3; AU2001286870C1; AU2001286870B2; DE10196598T1; WO2002021155A2; GB2383710B; AU8687001A; GB2383710A; GB0306149D0

Abstract

Anordnung zur passiven Bestimmung der Entfernung eines reflektierenden Objekts (154), umfassend:
eine optische Vorrichtung (10) zum Empfangen von sich von einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission über einen ersten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung (10) fortpflanzender Strahlung, wobei die Atmosphäre selektive Abschwächung von Spektrallinien der Strahlung als Funktion der Frequenz der Spektrallinien bereitstellt, und zum Empfangen von von dem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt reflektierter Strahlung,
ein Computermittel (94, 96, 98) und wirksam mit dem Computermittel gekoppelte Mittel (84) zum Speichern eines bekannten Spektrums der Strahlung wie von der Quelle (150) emittiert, wobei zumindest ein Teil des bekannten Spektrums kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist,
wirksam mit dem Computermittel (94, 96,...

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Messung der Entfernung einer elektromagnetischen Strahlungsquelle und im Speziellen auf die Benutzung von passiver Entfernungsmessung durch die Untersuchung der relativen Abschwächung einer Mehrzahl von Spektrallinien, wobei Unterschiede der Abschwächung zwischen verschiedenen Abschnitten des Strahlungsspektrums von selektiver atmosphärischer Absorption der Strahlung bei verschiedenen Frequenzen als Funktion der Ausbreitungsentfernung der Strahlung durch die Atmosphäre herrühren. Die obige Abschwächung tritt zusätzlich zu der von der Ausbreitung der Strahlungswellen in zunehmenden Raumgebieten herrührenden auf, wobei die zweitere Abschwächung der wohlbekannten Beziehung der mit dem inversen Quadrat der Entfernung von einer punktförmigen Strahlungsquelle variierenden Intensität folgt.
Verschiedene Objekte, wie der Schweif einer Rakete oder ein anderes Feuer oder ein heißes Filament oder eine Gasentladung einer Lampe sind als Strahlungsquellen mit charakteristischen Spektren bekannt. Es gibt Situationen, in denen es wünschenswert ist, den Ort von solch einer Quelle von einem von der Quelle entfernten Standpunkt aus zu bestimmen, wobei die Ortsdaten Entfernung, Höhe und Azimut der Zielquelle von dem Standpunkt aus umfassen. Ein Problem entsteht jedoch dadurch, dass die üblichen Vorrichtungen zur Bestimmung des Zielortes wie ein aktives Radar nicht mit der obigen Art eines Strahlenenergiesignals zur passiven Bestimmung der Entfernung der Quelle arbeiten. Ein weiteres Problem entsteht, wenn ein Ziel seine Strahlungsquelle verbirgt oder wenn die Strahlungsquelle inaktiv ist.
Aus der US 5,677,761 sind Vorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen einer Entfernung eines strahlenden Objekts bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt Anordnungen nach Anspruch 1, 9 und 15 sowie Verfahren nach Anspruch 7 und 26 bereit. Die abhängigen Ansprüchen definieren jeweils weitere Ausführungsformen der Anordnungen bzw. der Verfahren.
Das oben erwähnte Problem wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ein erfindungsgemäßes Verfahren der passiven Entfernungsbestimmung gelöst und andere Vorteile werden dadurch bereit gestellt, wobei ein geeignetes Ziel oder eine entfernte Strahlungsquelle während einer Zielerfassungsprozedur durch sein elektromagnetisches Spektrum identifiziert wird und das Strahlungsspektrum danach analysiert wird, um die Auswirkungen atmosphärischer Abschwächung auf verschiedene Teile des Spektrums zu bestimmen. Bei der Durchführung der Erfindung wird vorhergehendes Wissen des vom Ziel emittierten Spektrums sowohl bei der Erfassungs- als auch bei der Analysestufe verwendet. Die Erfindung ist besonders in der Situation nützlich, bei der eine Strahlungsquelle auf oder nahe dem Boden eine Wolke über der Quelle beleuchtet, und ein entfernter Beobachter erhält die Entfernung der Quelle durch Beobachtung von von der Wolke gestreuter Strahlung.
Ein typisches Spektrum umfasst sowohl eine kontinuierliche Verteilung von spektralen Energien in einem Emissionsband oder in jeder eine Mehrzahl von Emissionsbändern als auch ein
Linienspektrum, worin einzelne der Linien charakteristisch für bestimmte Substanzen, aus denen eine Strahlungsquelle besteht, sind, wie die verschiedenen Gase in einem Raketenschweif. Gemäß der Theorie der Erfindung emittiert eine Strahlungsquelle wie ein Raketenschweif Strahlung, welche durch eine bekannte Menge von spektralen Emissionslinien und/oder Emissionsbändern charakterisiert ist. Die Linien des Linienspektrums und auch ein Amplitudenprofil des kontinuierlichen Spektrums sind nützlich, die Strahlungsquelle zu identifizieren. Im Allgemeinen wird das Spektrum eines empfangenen Strahlungssignals durch eine Doppler-Verschiebung aufgrund einer Bewegung der Quelle verschoben sein und es wird eine Verbreiterung von einer oder mehreren der spektralen Linien aufgrund von Bewegung der Gase und Partikel davon innerhalb des Raketenschweifs geben. Um das Spektrum eines empfangenen Strahlungssignals automatisch, wie durch Benutzung eines Computers oder anderen Signalprozessors, zu identifizieren, kann das empfangene Spektrum mit bekannten Spektren aus einer Menge von vorher gespeicherten Spektren korreliert werden. Die vorher gespeicherten Spektren korrespondieren mit entsprechenden von bekannten Raketenschweifen und anderen Strahlungsquellen, welche interessant sein können. Eine Übereinstimmung wird zwischen dem empfangenen Spektrum und einem der bekannten Spektren erhalten, wobei die Übereinstimmung zur Identifizierung der Strahlungsquelle dient. Die Korrelation gibt zudem einen Frequenz-Offset zwischen den zwei übereinstimmenden Spektren an und ist somit nützlich, die zusätzliche Information der Doppler-Verschiebung bereitzustellen.
Gemäß einem Merkmal der Erfindung kann ein kontinuierlicher Teil des empfangenen Spektrums verwendet werden, die Entfernung eines Ziels wie dem Schweif einer Rakete unabhängig davon, ob eine Doppler-Frequenz-Verschiebung vorliegt oder nicht, zu bestimmen. Die Arbeitsweise der Erfindung, um die Entfernung zu erhalten, kann wie folgt erklärt werden. Während sich die Strahlung von der Quelle zu einem von der Erfindung verwendeten optischen Empfangsapparat durch die Atmosphäre fortpflanzt, kann abhängig von der Frequenz der Strahlung eine Wechselwirkung zwischen der Strahlung und verschie denen Substanzen auftreten. Die Wechselwirkung führt zu einer relativen Abschwächung verschiedener spektraler Komponenten durch die Atmosphäre als Funktion der Frequenz und Funktion der Fortpflanzungsdistanz der Strahlung durch die Atmosphäre. Somit zeigt die Abschwächung die Zielentfernung an.
Eine Messung der Intensitätsverhältnisse von Strahlungen bei den verschiedenen Spektralbanden in einer Entfernung von der Quelle wird sich von denselben Messungen, welche am Ort der Quelle durchgeführt werden, wegen der selektiven Absorption der Strahlung in ihren verschiedenen spektralen Banden unterscheiden. Bei der Durchführung der Erfindung wird eine Korrelation zwischen einer Veränderung eines Intensitätsverhältnisses zweier beliebiger Spektrallinien als Funktion der Entfernung zwischen Quelle und dem Empfangsapparat hergestellt. Die Entfernung der Quelle kann damit aus spektrometischen Messungen der Strahlung, Berechnung des Intensitätsverhältnisses und Zuordnung der spezifischen Entfernung zu einem spezifischen Intensitätsverhältnis oder aus einem durchschnittlichen Wert von Entfernungen, welche aus einer Menge von Intensitätsverhältnissen erhalten würden, erhalten werden. Eine Abfolge von Entfernungsmessungen kann differenziert werden, um eine Entfernungsrate zu erhalten.
Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung benutzt reflektierte Sonnenstrahlung oder eine andere Strahlungsquelle (z. B. abstimmbarer Laser, Suchlicht), welche an einer bekannten Position in der Atmosphäre angeordnet ist, um die Entfernung und/oder Rate eines Ziels zu bestimmen. Im Falle der Benutzung der Sonne als Quelle wird eine Referenzmessung der Sonnenstrahlung an einem Punkt benachbart (d. h. proximales Ziel) zu einer die vorliegende Erfindung benutzenden optischen Vorrichtung durchgeführt werden. Die reflektierte Sonnen strahlung wird zudem als Reflektion von dem Ziel (d. h. distales Ziel) gemessen. Während sich die reflektierte Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre von dem Ziel zu der von der Erfindung benutzten optischen Empfangsvorrichtung fortpflanzt, kann abhängig von der Frequenz der reflektierten Sonnenstrahlung eine Wechselwirkung zwischen der Sonnenstrahlung und verschiedenen Substanzen auftreten. Die Wechselwirkung führt zu einer relativen Abschwächung von verschiedenen spektralen Komponenten durch die Atmosphäre als Funktion einer optischen Frequenz und als Funktion einer Fortpflanzungsdistanz und eines Betrachtungswinkel oder einer Ausrichtung der reflektierten Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre. Somit ist die Abschwächung bezeichnend für die Zielentfernung. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die reflektierte Strahlung von dem benachbarten Punkt berechnet statt gemessen werden, weil die Position der Strahlungsquelle, des benachbarten Punktes, und die Atmosphäre zwischen der Strahlungsquelle und dem benachbarten Strahlungsquellenpunkt bekannt sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben genannten und andere Ziele, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, wie in der beigefügten Zeichnung dargestellt, in der durch die unterschiedlichen Ansichten hindurch gleiche Bezugszeichen sich auf die gleichen Teile beziehen, deutlich. Die Zeichnung ist nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei die Betonung stattdessen auf die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung gelegt werde.
Die oben genannten Aspekte und andere Eigenschaften der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren erklärt, wobei:
1 ein Blockdiagramm eines bei der Ausführung der Erfindung nützlichen elektrooptischen Systems ist,
2 ein Blockdiagramm eines Signalprozessors, welcher einen Teil des Systems von 1 bildet, ist,
3 eine stilisierte Darstellung des Frequenzspektrums von elektromagnetischer Strahlung mit sowohl kontinuierlichen als auch linienspektralen Teilen ist, welche von einem Ziel mit Entfernung null mit drei signifikanten Frequenzkomponenten des kontinuierlichen Spektralbereichs, welche durch die Buchstaben A, B und C bezeichnet sind, emittiert wird,
4 ein stilisierter Graph ist, welcher die relativen Amplituden der Frequenzkomponenten A, B und C aus 3 darstellt, nachdem sich die Strahlung über eine Entfernung in klarer Luft fortgepflanzt hat, wobei die Amplituden der spektralen Komponenten durch die Umgebung abgeschwächt wurden,
5 das Amplitudenverhältnis von der A-Komponente und der B-Komponente sowie der A-Komponente und der C-Komponente des Graphs von 4 als Funktion der Entfernung vom Ziel zeigt,
6 ein Diagramm von Verfahrensschritten zum Erhalten von einer Zielentfernung aus Spektraldaten ist, und
7 diagrammmäßig eine Ansicht von einer Wolke reflektierte Zielstrahlung durch das elektrooptische System der Erfindung ist, wobei das System von einem Fahrzeug am Boden oder einem Fahrzeug in der Luft getragen werden kann,
8 ein Diagramm ist, welches die Benutzung von Sonnenstrahlung durch die vorliegende Erfindung bezeichnet, und
9 ein stilisierter Graph ist, welcher die relativen Amplituden der Frequenzkomponenten A und B zeigt, nachdem die Sonnenstrahlung von 8 von dem Ziel reflektiert wurde.
Gleich bezeichnete Elemente, welche in unterschiedlichen Figuren auftreten, beziehen sich auf dasselbe Element in den verschiedenen Figuren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es folgt eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung.
1 zeigt ein elektrooptisches System 10 zum passiven Erlangen von Spektraldaten von von einem entfernten Ziel 12 emittierter elektromagnetischer Strahlung. Erfindungsgemäß weist die von dem Ziel 12 emittierte elektromagnetische Strahlung ein bekanntes Spektrum oder eine Zielsignatur auf, welche in einem Signaturspeicher 14 gespeichert ist. Das System 10 umfasst ein Teleskop 16, welches elektromagnetische Strahlung, als Mehrzahl von Lichtstrahlen 18 angedeutet, betrachtet, welche sich durch die Atmosphäre 20 fortpflanzt, um in das Teleskop 16 einzufallen. Das Teleskop 16 wird mechanisch bezüglich Azimuts und Höhe durch einen Scanner 22 gesteuert, was dem Teleskop 16 ermöglicht, durch den Raum hindurch abzutasten, um zu ermitteln, ob sowohl das Ziel 12 als auch andere Ziele anwesend sein können. Als Beispiel ist das Teleskop 16 in einer Cassegrain-Form mit einem Hauptspiegel 24 und einem Sekundärspiegel 26 gezeigt, wobei der letztere Licht durch eine Apertur 28 zu einer optischen Anordnung 30 reflektiert.
Die optische Anordnung 30 stellt einen optischen Pfad von dem Teleskop 16 zu einem Signalprozessor 32 des Systems 10 bereit. Der Signalprozessor 32 arbeitet in einer Weise, welche unter Bezugnahme auf 2 beschrieben werden wird, um spektrale Daten aus der Zielstrahlung zu gewinnen und um die Entfernung des Ziels 12 zu dem Teleskop 16 aus den spektralen Daten zu bestimmen. Die optische Anordnung 30 umfasst eine kollimierende Linse 34, um einen Strahl 36 aus parallelen Strahlen zu bilden, welcher für den Betrieb des Signalprozessors 32 geeignet ist. Zusätzlich umfasst die optische Anordnung 30 vier teilreflektierende Spiegel 38, 40, 42 und 44, um Teile der optischen Energie des Strahls 36 abzugreifen, um zum Zwecke des Erfassens und Verfolgens des Ziel 12 benutzt zu werden.
Das System 10 umfasst weiterhin drei Spektrallinien-Filter 46, 48 und 50, drei Detektoren 52, 54 und 56 für von dem Teleskop 16 empfangene Zielstrahlung, und eine Korrelationseinheit 58. Im Betrieb wird ein Teil der optischen Energie des Strahls 36 durch den Spiegel 38 über den Filter 46 zu dem Detektor 52 reflektiert, wobei der Detektor 52 die optische Energie in ein elektrisches Signal umwandelt, welches an die Korrelationseinheit 58 angelegt wird. In ähnlicher Weise pflanzt sich von dem Spiegel 40 reflektierte optische Energie über den Filter 48 zu dem Detektor 54 fort, um in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, welches an der Korrelationseinheit 58 angelegt wird. Ebenso pflanzt sich von dem Spiegel 42 reflektierte optische Energie durch den Filter 50 fort, um von dem Detektor 56 in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden, welches an der Korrelationseinheit 58 angelegt wird.
Die Filter 46, 48 und 50 stellen verschiedene spezifische Passierbanden für die Fortpflanzung der optischen Energie des Strahls 36 bereit. Dies ermöglicht jedem der Filter 46, 48 und 50 in Verbindung mit den entsprechenden Detektoren 52, 54 und 56, nur einen spezifischen Teil des Spektrums der Zielstrahlung zu betrachten, während der Rest der Strahlung verworfen wird. Damit zeigen die Detektoren 52, 54 und 56 die Anwesenheit spezifischer Spektrallinien an. Die Abwesenheit eines von irgendeinem der Detektoren 52, 54 und 56 ausgegebenen Signals ist ein Anzeichen der Abwesenheit der entsprechenden Spektrallinie von dem Spektrum der Zielstrahlung. Es ist zu bemerken, dass die Benutzung von drei Signalkanälen, welche durch die drei Spiegel 38, 40 und 42 in Kombination mit den drei Filtern 46, 48 und 50 und den drei Detektoren 52, 54 und 56 als Beispiel dargestellt ist und dass in der Praxis auch mehr von diesen Signalkanälen zur Beobachtung von zusätzlichen Spektrallinien des Zielspektrums benutzt werden können. Die Korrelationseinheit 58 ermittelt beste Übereinstimmung zwischen eingehenden Spektraldaten, welche im Fall von Zielbewegung dopplerverschoben sein können, und dem im Signaturspeicher 14 gespeicherten bekannten Spektrum der Zielstrahlung. In einem Speicher 60 gespeicherte Schwellenwerte werden von der Korrelationseinheit 58 in einem Entscheidungsprozess die Korrelationseinheit 58 benutzt, um zu entscheiden, ob eine spezifische Spektrallinie als vorhanden angesehen wird.
Das System 10 umfasst einen Speicher 62, um die Orte möglicher Ziele ausgedrückt durch Azimut- und Höhenadresse zu speichern, einen von der Korrelationseinheit 54 betätigten Schalter 64, einen Faraday-Filter 66, eine Detektoranordnung 68, welche ein Feld von ladungsträgergekoppelten Schaltungen (CCD) umfasst, welches eine zweidimensionale Ansicht von Zielbilddaten des Strahls 36 bereit stellt, eine Verfolgungsbetriebsartelektronikeinheit 70, und eine Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72. Im Betrieb wird aus dem Strahl 36 durch den Spiegel 44 extrahierte optische Energie durch den Spiegel 44 über den Faraday-Filter 66 zu der Detektoranordnung 68 gelenkt. Die Benutzung des Faraday-Filters 66 ist wohl bekannt, wobei eine solche Benutzung in einem Artikel mit dem Titel "HELICOPTER PLUME DETECTION BY USING AN ULTRANARROW-BAND NONCOHERENT LASER DOPPLER VELOCIMETER" von S.H. Bloom et al beschrieben ist, erschienen in OPTICS LETTERS, Vol. 18, No. 3, 1. Feb. 1993, Seiten 244-246.
Die optische Passierbande des Faraday-Filters 66 hängt von der Stärke des magnetischen Feldes des Filters ab, und es kann über den Filter 66 durch Anpassung der magnetischen Feldstärke ein spezifisches spektrales Gebiet der eingehenden Strahlung ausgewählt werden. Die magnetische Feldstärke wird durch ein von der Korrelationseinheit 58 entsprechend der Detektion einer gewünschten Spektrallinie durch einen oder mehrere der Detektoren 52, 54 und 56 ausgegebenes Passierbandensignal festgesetzt. Die den Filter 66 passierenden Lichtstrahlen behalten ihre relativen Richtungen bei, so dass die Detektoranordnung 68 in der Lage ist, zu bestimmen, ob die Quelle der Zielstrahlung über oder unter der Mittelachse des Teleskop 16 oder rechts oder links von der Mittelachse zu sein scheint. Somit stellt die Detektoranordnung 68 ein Fehlersignal für die Verfolgungsbetriebsartelektronikeinheit 70 bereit, welches angibt, ob das Teleskop 16 während eines Verfolgens des Ziels durch den Scanner 22 repositioniert oder reorientiert werden muss.
Die Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72 ist in Betrieb, um elektrische Signale an den Scanner 22 bereitzustellen, um das Teleskop 16 zu führen, um einen bestimmten Teil des Raums während dem Abtasten des Raums in der Erfassungsbetriebsart zu betrachten. Die Entscheidung, ob in die Erfassungsbetriebsart oder die Verfolgungsbetriebsart gegangen wird, wird von der Korrelationseinheit 58 getroffen. Anfangs ist der Schalter 64 in der Erfassungsstellung, um Signale von der Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72 in den Scanner 22 zu koppeln. Während dem Erfassungsvorgang werden alle von der Korrelationseinheit 58 bemerkten möglichen Ziele in den Speicher 62 eingetragen. Dies wird durch ein Ausgabesignal der Korrelationseinheit 58 erreicht, welches den Speicher 62 abtastet, um die von der Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72 an den Scanner 22 ausgegebenen Azimut und Höhenkommandosignale zu speichern. Die Speicherung der möglichen Zielorte in dem Speicher 62 ist nützlich, um in eine Wiedererfassungsbetriebsart zu gehen, in der die Elektronikeinheit 72 ein Gebiet des Raums um ein mögliches Ziel herum abtastet, um die Zielkoordinaten in Azimut und in der Höhe sicher zu stellen.
Zusätzlich gibt die Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72 die Zielkoordinaten während einer Übergabeprozedur an die Verfolgungsbetriebsartelektronikeinheit 70 aus, wobei der Schalter 64 betätigt wird, um die Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit 72 von dem Scanner 22 zu trennen und die Verfolgungsbetriebsartelektronikeinheit 70 mit dem Scanner 22 zu verbinden. Diese Betätigung des Schalters 64 tritt bei Feststellung durch die Korrelationseinheit 58, dass ein Ziel vorhanden ist, auf. Die Azimut- und Höhenkoordinaten (AZ/EL) des verfolgten Ziels werden über eine Leitung 74 von der Verfolgungsbetriebsartelektronikeinheit 70 an den Signalprozessor 32 zur Benutzung bei der Identifikation eines spezifischen Ziels anhand seiner Winkelkoordinaten angelegt.
Wie in 2 gezeigt umfasst der Signalprozessor 32 einen von einer Uhr 78 getriebenen Adressgenerator 76 und einen Spektrumanalysator 80, welche den Strahl 36 (1) empfängt und von einem Abtastantrieb 82 angetrieben ist. Der Signalprozessor 32 umfasst weiterhin zwei Speicher 84 und 86, welche von dem Adressgenerator 76 adressiert werden. Der Speicher 84 speichert bekannte Zielspektraldaten für das Ziel 12 (1) ebenso wie für andere Ziele, welche von dem Teleskop 16 (1) betrachtet werden können. Der Speicher 86 speichert durch die Arbeit des Spektrumanalysators 80 erhaltenen Spektraldaten des Ziels 12. Die von dem Generator 76 bereitgestellte Adresse liegt in Begriffen der Frequenzkoordinate in einem Graph von Amplitude über Frequenz für die Zielspektraldaten vor. Der Generator 76 ist zudem in Betrieb, um den Abtastantrieb 82 zum Steuern des Antriebs 82 zum Antreiben des Spektrumanalysators 80 zu einer spezifischen Frequenz während dem Abtasten des Spektrums zu adressieren. Der Betrieb des Antriebs 82 kann entweder mechanisch oder elektrisch sein, abhängig von der Konstruktion des Spektrumanalysators 80.
Im Zuge der Erklärung des Betriebs der Erfindung zur Messung der Entfernung zu einer Strahlungsquelle wird bemerkt, dass in einem hypothetischen Fall bei Abwesenheit einer selektiven atmosphärischen Abschwächung verschiedene Teile des Zielspektrums, wie für Ausbreitung von Strahlung im Vakuum, es offensichtlich ist, dass die relativen Amplituden verschiedener Frequenzkomponenten in dem Referenzspektrum des Speichers 84 dieselben sein würden wie die von dem Spektrumanalysator 80 gemessenen. Aufgrund der Anwesenheit der Atmosphäre 20 (1) führt die selektive Abschwächung jedoch zu einer Verzerrung des gemessenen Spektrums, so dass sich die relativen Intensitäten der Spektrallinien zwischen dem gemessenen und dem Referenzspektrum unterscheiden. Die Art der Verzerrung hängt von der Fortpflanzungsdistanz der Strahlung durch die Atmosphäre ab. Die Erfindung benutzt einen relativ kleinen kontinuierlichen Teil des elektromagnetischen Spektrums, worin der Einfluss von Wolken, Regen, Aerosolen oder Staub vernachlässigt werden kann, weil sie eine im Wesentlichen gleichmäßige Abschwächung als Funktion der Frequenz über den für die Entfernungsmessung benutzten kleinen Teil des Spektrums aufweisen.
Mit Kenntnis der atmosphärischen Abschwächungsraten als Funktion der Entfernung bei verschiedenen Frequenzen des Spektrums kann der Signalprozessor 32 durch Analyse der Verzerrung in dem empfangenen Spektrum verglichen mit dem Referenzspektrum die Zielentfernung ableiten. Unter der Annahme, dass der bei der Messung benutzte kontinuierliche Teil des Zielspektrums vor der Abschwächung durch die Atmosphäre bei Entfernung null eine im Wesentlichen konstante Amplitude aufweist, kann eine Messung der spektralen Verzerrung durch Abschwächung ohne Berücksichtigung der Dopplerfrequenzverschiebung erreicht werden. Die Benutzung des kontinuierlichen Spektrums vermeidet jeglichen Effekt einer Verbreiterung von Spektrallinien durch Kollisionen zwischen Partikeln in den Substanzen, aus denen ein Raketenschweif zusammengesetzt ist.
In dem Fall, dass die Art des Ziels 12 unbekannt ist oder in dem Fall, dass irgendeines einer Mehrzahl von (nicht gezeigten) Zielen anwesend sein kann, ist es nützlich, Mittel zur Identifizierung des Ziels 12 bereitzustellen. Um das Ziel 12 zu identifizieren, umfasst der Signalprozessor 32 weiterhin einen Korrelator 88, welcher in dem Speicher 86 gespeicherte gemessenen Spektraldaten mit den in dem Speicher 84 gespeicherten bekannten Spektraldaten korreliert, um festzustellen, ob eine Übereinstimmung gefunden werden kann. Die Identifizierung der Art des Ziels wird durch Benutzung des Zielspektrums als Signatur vorgenommen. Eine Übereinstimmung zwischen den Spektren identifiziert die Art der Strahlungsquelle, wie einen Raketenschweif, und dient damit dazu, das Ziel 12 zu identifizieren. Beispielsweise kann das Spektrum eine Verbrennung einer bestimmten Treibstoffart anzeigen, welche dazu dient, das Ziel zu identifizieren.
Zudem ist in dem Signalprozessor 32 Rechenausrüstung zur Berechnung der Zielentfernung ebenso wie zur Benutzung der Zielentfernung, um Entfernungsrate und Trajektorie zu berechnen, enthalten. Die Rechenausrüstung ist für die Erleichterung der Erklärung der Arbeitsweise des Prozessors 32 als drei einzelne Computer 94, 96 und 98 dargestellt. Der Computer 94 empfängt Eingangssignale von den Speichern 86 und 84 und empfängt zudem in 100 gespeicherte atmosphärische Daten, um verschiedene Intensitätsverhältnisse von ausgewählten spektralen Komponenten des gemessenen Zielspektrums mit entsprechenden Intensitätsverhältnissen des Zielreferenzspektrums zu vergleichen. Dies wird im Folgenden genauer beschrieben.
Die von dem Computer 94 hervorgebrachte Zielentfernung und die von dem Korrelator 88 hervorgebrachte Zielidentität werden an den Computer 96 angelegt. Dann kann die Entfernungsrate von dem Computer 96 berechnet werden, indem Entfernungsänderungen über ein Zeitintervall beobachtet werden. Zielentfernung, Entfernungsrate und Identität werden dann von dem Computer 96 an den Computer 98 ausgegeben. Der Computer 98 empfängt die Azimut- und Höhenzielkoordinaten über Leitung 74 und berechnet in Verbindung mit der Entfernung und der Entfernungsrate die Zieltrajektorie. Die Azimut und Höhenkoordi naten dienen zudem dazu, das Ziel anhand des Ortes zu identifizieren. Die Zielidentität und Trajektoriendaten werden von dem Computer 98 an eine Anzeige 102 ausgegeben, um Daten relativ zu jedem der von der Korrelationseinheit 58 (1) ausgewählten Ziele zur Analyse auszugeben. Die Anzeige 102 kann eine (nicht gezeigte) Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme der Daten umfassen.
Als Beispiel werden bei Benutzung des Spektrumanalysators 80 Emissionslinien von Natrium und Kalium durch Atomlinienfilter wie die Filter 46, 48 und 50 (1) und durch den Spektrumanalysator 80 in den heißen Schweifen von Raketen leicht unterschieden. Derartige Spektrallinien erleichtern die Identifizierung des Ziels. Die Benutzung eines Spektrumanalysators wie den Analysator 80 ist in dem oben erwähnten Artikel von S.H. Bloom et al. offenbart. Die Natrium- und die Kaliumspektrallinien sind als Beispiel dargestellt, und viele andere Linien können beobachtet werden, abhängig von der Chemie der Strahlungsquellen. In der Atomspektroskopie gibt es wohlbekannte in dem Spektrum auftauchende Doppellinien, welche ebenso dazu dienen, eine Strahlungsquelle zu identifizieren. Es ist ebenso bekannt, dass der Effekt der atmosphärischen Abschwächung mit dem Höhenwinkel variieren kann, und demnach werden die Zielkoordinaten auf der Leitung 74 ebenso benutzt, um den atmosphärischen Datenspeicher 100 zu adressieren, um ein atmosphärisches Abschwächungsprofil in Einklang mit einem spezifischen Wert der Zielhöhe auszuwählen.
3–5 zeigen die Abschwächung verschiedener Frequenzkomponenten von Zielstrahlung als Funktion der Entfernung von dem Ziel. Als Beispiel zeigt 3 eine stilisierte Darstellung der Strahlung, wobei das Strahlungsspektrum sowohl einen kontinuierlichen Teil als auch eine Menge von Spektrallinien aufweist. Dies ist das Spektrum, welches an dem Ort des Ziels, nämlich bei Entfernung null, gemessen würde. In dem kontinuierlichen Teil des Spektrums werden drei Komponenten durch die Legenden A, B und C beispielhaft bezeichnet. Die Frequenz der Komponente B ist größer als die Frequenz der Komponente A, und die Frequenz der Komponente C ist größer als die Frequenz der Komponente B. In 4 wurde das Spektrum vereinfacht, um nur den kontinuierlichen Teil mit den Komponenten A, B und C zu zeigen. 4 stellt die relative Abschwächung der Komponenten A, B und C in einer Entfernung von fünf Kilometern von dem Ziel beispielhaft dar.
Beim Vergleich der Graphen von 3 und 4 wird bemerkt, dass in 3 die Amplituden der Komponenten A, B und C gleich sind. In 4 ist aufgrund atmosphärischer Absorption Komponente B wesentlich kleiner als Komponente A, und Komponente C ist wesentlich kleiner als Komponente B. Somit wird beim Vergleich der Amplituden der verschiedenen Komponenten, wie beispielsweise dem Verhältnis von A zu B und dem Verhältnis von A zu C bemerkt, dass sich diese Verhältnisse, welche in 3 gleich eins sind, in 4 deutlich unterscheiden.
Aufgrund der selektiven Abschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre als eine Funktion der Frequenz ändert sich das Intensitätsverhältnis mit zunehmender Entfernung von dem Ziel. Dies ist in 5 dargestellt, wo die Linien die Amplitudenverhältnisse A/C und A/B darstellen. Die Abschwächung der Strahlung durch die Atmosphäre wird durch die Steigungen des Graphen von 5 beschrieben, wobei die Steigungen durch die atmosphärischen Abschwächungsfaktoren bestimmt sind. Informationen aus dem Speicher 84 (2) wird von dem Computer 94 (2) benutzt, um die Abschwächungsfaktoren zu berechnen. Die Abschwächungsfaktoren basieren auf einem experimen tellen Beleg wie in dem Speicher 84 gespeichert, worin Spektren für in verschiedenen Entfernungen von jeder einer Vielzahl von Strahlungsquellen durchgeführten Messungen gespeichert sind. Der Computer 94 berechnet dann die Amplitudenverhältnisse der ausgewählten Frequenzkomponenten des gemessen kontinuierlichen Spektrums aus dem Speicher 86, und verwendet die Amplitudenverhältnisse der Frequenzkomponenten, um die Zielentfernung zu berechnen.
Berechnung der Zielentfernung kann erreicht werden durch (1) Feststellen eines anfänglichen Wertes der Amplitudenverhältnisse der essentiellen spektralen Komponenten bei Entfernung null wie auf der linken Seite von 5 dargestellt, (2) Feststellen des Verhältnisses der spektralen Komponenten bei einer Entfernung ungleich null wie bei fünf Kilometern wie in 5 dargestellt, (3) Feststellen der Steigung eines spezifischen Graphs von 5 aus vorhergehendem Wissen über die atmosphärischen Abschwächung, und (4) mathematisches Lösen der graphisch dargestellten Beziehung von 5 für die Fortpflanzungsdistanz entlang der horizontalen Achse von 5.
6 skizziert die essentiellen Schritte der obigen Prozedur, wobei in Block 104 das Wetter oder andere atmosphärische Bedingung vermerkt wird und in Block 106 das Spektrum eines geeigneten Ziels identifiziert wird. Die Wetterbedingungen von Block 104 werden in dem atmosphärischen Datenspeicher 100 (2) gespeichert, und die Identifizierung eines geeigneten Zielspektrums wird während den Erfassungs- und Verfolgungsbetriebsarten von 1 durch Betätigung der Korrelationseinheit 58 erlangt. In Block 108 wird eine Auswahl von Spektrallinien zur Benutzung beim Bilden der Verhältnisse gemacht, wobei die Auswahl durch den Computer 94 (2) vor genommen wird, welcher beispielsweise die stärksten Spektrallinien wie die drei stärksten Spektrallinien in dem kontinuierlichen Spektrum von 3 benutzt. Dann werden in Block 110 die Amplitudenverhältnisse der Spektrallinien für das in dem Speicher 86 (2) gespeicherte gemessene Spektrum gebildet. Die Verhältnisse werden in Block 112 verglichen, wobei das Vergleichen in dem Computer 94 vorgenommen wird. Dies wird von einer Berechnung der Entfernung in Block 114 gefolgt. Die Berechnung der Entfernung wird durch den Computer 94 folgend der oben unter Bezugnahme auf die Graphen von 5 skizzierten Prozedur bewerkstelligt. Damit hat die Erfindung die Erreichung der Zielentfernung durch eine passive Beobachtung von durch das Ziel emittierter Strahlung erreicht. Es wird bemerkt, dass die obige Messung der Entfernung durch Benutzung eines Wertes eines aus den Spektralkomponenten A und B oder aus den Spektralkomponenten A und C erhaltenen Wertes des Intensitätsverhältnisses erreicht werden kann. Alternativ können bei der Durchführung der Erfindung eine Vielzahl von Intensitätsverhältnissen für erhöhte Messgenauigkeit benutzt werden. Beispielsweise kann bei dem Betrieb des Computers 94 ein erste Entfernungsmessung unter Benutzung der spektralen Komponenten A und B erreicht werden, und eine zweite Entfernungsmessung kann durch die Benutzung der spektralen Komponenten A und C erreicht werden. Aus den zwei Messungen wird dann durch den Computer 94 der Durchschnitt gebildet, um einen Durchschnittswert der Entfernungsmessung zwecks verbesserter Genauigkeit bei der Bestimmung der Entfernung bereitzustellen. Wie oben bemerkt, stellen die Graphen der 3–4 als Beispiel drei Spektrallinien A, B und C dar, und zusätzliche Linien wie Linien D und E (nicht gezeigt) können zur Bestimmung von noch weiteren Intensitätsverhältnissen für zusätzliche Entfernungsmessungen benutzt werden. Irgendein Paar von Frequenzen, wie das Verhältnis von B und C, oder das Verhältnis von C und D, und das Verhältnis von A und D, kann benutzt werden, unter der Annahme, dass die Verhältnisse statistisch unabhängig sind. Somit stellen drei Spektrallinien zwei statistisch unabhängige Verhältnisse bereit, und vier Spektrallinien stellen beispielsweise drei statistisch unabhängige Verhältnisse bereit. Auf diese Weise kann die Benutzung einer Vielzahl von Verhältnissen sowohl aus dem empfangenen als auch aus dem Referenzspektrum zur Erhöhten Genauigkeit bei der Bestimmung der Entfernung benutzt werden.
Bei der obigen Analyse wurde angenommen, dass die spektralen Komponenten des kontinuierlichen Spektrums gleiche Amplitude aufweisen. In dem Fall, dass diese spektralen Komponenten sich bezüglich der Amplitude unterscheiden, treten derartige Amplitudenunterschiede in dem von dem Speicher 84 dem Computer 94 bereit gestellten Referenzspektrum auf. In solch einem Fall führt der Computer 94 einen zusätzlichen multiplikativen Faktor für jede der Amplitudenverhältnisse der ausgewählten Frequenzkomponenten ein, um die Amplitudenunterschiede der spektralen Komponenten bei Entfernung null zu kompensieren.
Bezugnehmend auf 7 kann das System 10 durch Beobachtung von Strahlungsenergie, welche von dem Ziel 12 emittiert und von einer Wolke 116 über Strahlungsstrahlen 118 reflektiert ist Strahlung von dem Ziel 12 in einer Situation sehen, bei der das Ziel 12 jenseits des Erdhorizonts angeordnet ist. Typischerweise ist das System 10 auf der Erdoberfläche angeordnet, wie mit durchgezogenen Linien angedeutet, oder es ist als von einem Flugzeug 120 getragenes Luftsystem 10' bereitgestellt, wie in durchsichtiger Darstellung angedeutet. 7 zeigt die Situation, in der das Ziel 12 eine Rakete 122 ist, welche einen Schweif 124 emittiert, welcher eine Strahlungsquelle 126 darstellt, die über die Strahlen 118 von der Wolke 116 reflektiert wird, um von dem System 10 oder dem System 10' betrachtet zu werden.
8 ist ein Diagramm einer Anwendung, bei der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung passiv eine Entfernung zu einem Ziel bestimmt, welches Sonnenstrahlung oder eine andere geeignete Strahlungsquelle, wie ein Suchlicht oder einen abstimmbaren Laser, reflektiert. Bei dieser Anwendung muss das Ziel nicht selbstleuchtend sein, da die Sonnenstrahlung das während der Zielerfassung benutzte elektromagnetische Spektrum bereit stellt.
Im Falle der Benutzung der Sonne als Strahlungsquelle ist die Position der Sonne 150 innerhalb des Zeitrahmens der Messung statisch. Die Sonne 150 beleuchtet ein Ziel 154 und einen Punkt 156 neben einem Sensor (d. h., die vorliegende Erfindung benutzende optische Anordnung) an einer bekannten Position, beispielsweise auf einem Panzer 158. Sonnenstrahlung 152 wird von dem Ziel 154 reflektiert und wird als reflektierte Strahlung 160a dargestellt. Sonnenstrahlung 152 wird weiterhin von dem benachbarten Punkt 156 reflektiert und wird als reflektierte Strahlung 160b dargestellt. Der Sensor in dem Panzer 158 misst die reflektierte Strahlung 160a und 160b und berechnet eine differenzielle Abschwächung zwischen den zwei Spektren.
Der Panzer 158 vergleicht unter Benutzung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung das Absorptionsspektrum von dem benachbarten Punkt 156 (z. B. Boden) mit der reflektierten Strahlung 160a von dem Ziel 154 somit unter Benutzung von Beers Abschwächungsgesetz und der bekannten Abschwächung der Atmosphäre. Wenn in höheren Höhen gearbeitet wird, muss die Beachtung der niedrigeren Absorption der höheren Atmosphäre in Betracht gezogen werden. Es sollte verstanden werden, dass es, da die Sonne 150 den benachbarten Punkt 156 beleuchtet und die Sonne 150 und der benachbarte Punkt 156 beide an bekannten Positionen sind, es für die vorliegende Erfindung möglich ist, die Sonnenstrahlungsspektren zu berechnen, anstatt sie zu messen. Wenn jedoch die Messung des benachbarten Punkts 156 durchzuführen ist, kann ein kleiner Drehspiegel in der optischen Anordnungsvorrichtung benutzt werden, um den Sichtwinkel zwischen dem Ziel 154 und dem benachbarten Punkt 156 umzuschalten.
Es ist wünschenswert, dass die differenzielle Abschwächung zwischen der reflektierten Strahlung von dem benachbarten Punk 160b und der reflektierten Strahlung 160a von dem Ziel 154 groß ist. Eine große differenzielle Abschwächung führt zu einer größeren Empfindlichkeit als eine kleine differenzielle Abschwächung.
9 stellt einen Graphen bereit, welcher relative Amplituden zwischen Spektren der reflektierten Strahlung 160b von dem benachbarten Punkt 156 und der reflektierten Strahlung 160a von dem Ziel 154 darstellt. Die interessanten Wellenlängen liegen zwischen λ₁ und λ₂. Bei λ_A wird die Entfernung von dem benachbarten Punkt 156 (nicht absorbierte Strahlung) zu dem Ziel 154 (absorbierte Strahlung) als Funktion von Entfernung und Winkel, F(R, Θ, Φ) bestimmt. Relative Abschwächung der Komponenten A und B kann in der oben dargestellten Weise bestimmt werden. Weiterhin kann Rate und Winkel ebenso in einer oben dargestellten Weise bestimmt werden.
Es sollte verstanden werden, dass das oben beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung nur veranschaulichend ist, und dass Modifikationen davon für Fachleute offensichtlich sind. Demgemäß soll diese Erfindung nicht als auf das hier offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt betrachtet werden, sondern nur wie durch die angehängten Ansprüche definiert beschränkt sein.

Claims

Anordnung zur passiven Bestimmung der Entfernung eines reflektierenden Objekts (154), umfassend: eine optische Vorrichtung (10) zum Empfangen von sich von einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission über einen ersten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung (10) fortpflanzender Strahlung, wobei die Atmosphäre selektive Abschwächung von Spektrallinien der Strahlung als Funktion der Frequenz der Spektrallinien bereitstellt, und zum Empfangen von von dem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt reflektierter Strahlung, ein Computermittel (94, 96, 98) und wirksam mit dem Computermittel gekoppelte Mittel (84) zum Speichern eines bekannten Spektrums der Strahlung wie von der Quelle (150) emittiert, wobei zumindest ein Teil des bekannten Spektrums kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, wirksam mit dem Computermittel (94, 96, 98) gekoppelte Mittel (80) zum Analysieren eines empfangenen Spektrums der von dem benachbarten Punkt (156) und von dem reflektierenden Objekt (154) reflektierten Strahlung, wobei das empfangene Spektrum zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, wobei die ersten und zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums aus den ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums durch eine Entfernung zwischen dem System und dem reflektierenden Objekt veränderbar sind, wobei die Anordnung weiterhin Mittel (100) zum Bereitstellen von spektralabhängigen Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre für das Computermittel (94, 96, 98) umfasst, wobei das Computermittel (94, 96, 98) eine Vielzahl von Amplitudenverhältnissen von Frequenzkomponenten berechnet, wobei eine der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponente des bekannten Spektrums und ein zweites der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponente des empfangenen Spektrums ist, und das Computermittel (94, 96, 98) weiterhin in Betrieb ist, um die Entfernung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf den Amplitudenverhältnissen und auf den Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend mit dem Computermittel (94, 96, 98) gekoppelte Mittel (96), um die Entfernungsrate von dem reflektierenden Objekt (154) aus einer Abfolge von Entfernungsmessungen des reflektierenden Objekts (154) zu berechnen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Computermittel (94, 96, 98) in Betrieb ist, um das empfangene Spektrum mit dem bekannten Spektrum zur Identifizierung des reflektierenden Objekts zu korrelieren.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrichtung (10) einen Signaturspeicher (14) und Mittel (58) zum Korrelieren des empfangenen Spektrums mit einem Referenzspektrum des Signaturspeichers (14) umfasst, um die Anwesenheit des reflektierenden Objekts (154) zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei sich das reflektierende Objekt (154) relativ zu der optischen Vorrichtung (10) bewegt und die optische Vorrichtung (10) Mittel (70) zum Verfolgen des reflektierenden Objekts (154) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Bestimmung der Entfernung des reflektierenden Objekts (154) eine erste Entfernungsmessung darstellt, das bekannte Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst und das empfangene Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst, und das Computermittel (94, 96, 98) arbeitet, um eine zusätzliche Entfernungsmessung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf der dritten Frequenzkomponente des bekannten Spektrums und der dritten Frequenzkomponente des empfangenen Spektrums bereitzustellen, wobei das Computermittel (94, 96, 98) weiterhin arbeitet, um einen Durchschnittswert der ersten Entfernungsmessung und der zusätzlichen Entfernungsmessung bereitzustellen.
Verfahren zur passiven Bestimmung der Entfernung eines reflektierenden Objekts (154) unter Benutzung einer optischen Vorrichtung (10) zum Betrachten einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission, umfassend die Schritte: Empfangen von Strahlung, welche sich von der Quelle (150) über einen ersten atmosphärischen Pfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung (10) fortpflanzt, wobei die Atmosphäre für selektive Abschwächung von Frequenzkomponenten der Strahlung als eine Funktion der Frequenz der Frequenzkomponenten sorgt, Empfangen von von einem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt (154) reflektierter Strahlung, Speichern eines bekannten Spektrums der Strahlung wie von der Quelle (150) emittiert, wobei zumindest ein Teil des bekannten Spektrums kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und mindestens eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, Analysieren eines empfangenen Spektrums der Strahlung wie durch die optische Vorrichtung (10) von dem benachbarten Punkt (156) und dem reflektierenden Objekt (154) empfangen, wobei das empfangene Spektrum zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, wobei die ersten und zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums aus der ersten und zweiten Frequenzkomponente des bekannten Spektrums eine Distanz zwischen der optischen Vorrichtung und dem reflektierenden Objekt (154) veränderbar sind, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: Erlangen spektralabhängiger Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre, Berechnen mehrerer Amplitudenverhältnisse der Frequenzkomponenten, wobei eines der Amplitudenverhältnisse das Verhältnis von Amplituden der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums und ein Zweites der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und der zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums ist, und Bestimmung der Entfernung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf den Amplitudenverhältnissen und den Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das bekannte Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst und das empfangene Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: Bestimmen der Entfernung basierend auf Berechnung von zusätzlichen Amplitudenverhältnissen mit dritten Frequenzkomponenten, um die Entfernung des reflektierenden Objekts (154) bereitzustellen, und Bilden der Durchschnitte der in beiden Entfernungsbestimmungsschritten bereitgestellten Entfernungen des reflektierenden Objekts (154).
Anordnung zur passiven Bestimmung der Entfernung eines Objekts (154), umfassend: eine optische Vorrichtung zum Empfangen von Strahlung, welche sich von einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission über einen atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung fortpflanzt, wobei die Atmosphäre selektive Abschwächung von Spektrallinien der Strahlung als Funktion der Frequenz der Spektrallinien bereitstellt, und zum Empfangen von von einem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt (154) reflektierter Strahlung, mindestens einen Computer (94, 96, 98) und ein wirksam mit dem mindestens einen Computer (94, 96, 98) verbundenes Datenspeichermedium (84), welches bekannte atmosphärische Abschwächungsdaten für zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente speichert, wobei die erste Frequenzkomponente durch Fortpflanzung über eine bekannte Entfernung in der Atmosphäre abgeschwächt wird und die zweite Frequenzkomponente durch Fortpflanzung über dieselbe Entfernung in der Atmosphäre in geringerem Maß abgeschwächt wird, einen wirksam mit dem mindestens einen Computer (94, 96, 98) verbundenen Spektrumanalysator (80), welcher ein empfangenes Spektrum der von dem benachbarten Punkt (156) und dem reflektierenden Objekt (154) reflektierten Strahlung wie durch die optische Vorrichtung (10) empfangen analysiert, wobei das empfangene Spektrum zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, wobei die ersten und zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums aus den ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums durch eine Entfernung zwischen der Anordnung und dem reflektierenden Objekt veränderbar sind, wobei die Anordnung weiterhin eine Atmosphäreninformationseinheit (100) umfasst, welche den mindestens einen Computer (94, 96, 98) mit spektralabhängigen Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre versorgt, wobei der mindestens eine Computer (94, 96, 98) mehrere Amplitudenverhältnisse der Frequenzkomponenten berechnet, wobei eines der Amplitudenverhältnisse das Verhältnis der Amplituden der ersten und der zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums und ein zweites der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und der zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums ist, und der mindestens eine Computer (94, 96, 98) weiterhin arbeitet, um die Entfernung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf den Amplitudenverhältnissen und den Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 9, weiterhin umfassend eine mit dem mindestens einen Computer (94, 96, 98) gekoppelte Entfernungsratenberechnungseinheit (96), welche Entfernungsraten des reflektierenden Objekts (154) aus einer Abfolge von Entfernungsmessungen des reflektierenden Objekts (154) berechnet.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Computer (94, 96, 98) arbeitet, um das empfangene Spekt rum mit dem bekannten Spektrum zur Identifizierung des reflektierenden Objekts (154) zu korrelieren.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die optische Vorrichtung (10) einen Signaturspeicher (14) und einen Korrelator (58) umfasst, um das empfangene Spektrum mit einem Referenzspektrum aus dem Signaturspeicher (14) zu korrelieren, um die Anwesenheit des reflektierenden Objekts (154) zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei sich das reflektierende Objekt (154) relativ zu der optischen Vorrichtung (10) bewegt und die optische Vorrichtung (10) eine Verfolgungseinheit (70) zum Verfolgen des reflektierenden Objekts (154) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Bestimmung der Entfernung des reflektierenden Objekts (154) eine erste Entfernungsmessung darstellt, das bekannte Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst und das empfangene Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst, und der mindestens eine Computer (94, 96, 98) arbeitet, um eine zusätzliche Entfernungsmessung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf der dritten Frequenzkomponente des bekannten Spektrums und der dritten Frequenzkomponente des empfangenen Spektrums bereitzustellen, wobei der mindestens eine Computer (94, 96, 98) weiterhin arbeitet, um einen Durchschnittswert der ersten Entfernungsmessung und der zusätzlichen Entfernungsmessung bereitzustellen.
Anordnung zur passiven Bestimmung der Entfernung eines Objekts (154), umfassend: eine optische Vorrichtung (10) zum Empfangen von Strahlung, welche sich von einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission über einen atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung (10) fortpflanzt, wobei die Atmosphäre selektive Abschwächung von Spektrallinien der Strahlung als Funktion der Frequenz der Spektrallinien bereitstellt, und zum Empfangen von von einem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt (152) reflektierter Strahlung, wobei die optische Vorrichtung (10) weiterhin umfasst: mindestens einen breitbandoptischen Detektor, um einen Teil des empfangenen Spektrums der Strahlung von zumindest dem reflektierenden Objekt (154) wie von der optischen Vorrichtung empfangen von optischer Energie in ein elektrisches Teilspektrumsignal umzuwandeln, wobei der Teil des empfangenen Spektrums zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, erste und zweite schmalbandige optische Detektoren (52, 54), um die Strahlung, welche sich von zumindest dem reflektierenden Objekt (154) über den atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) und reflektiert von dem benachbarten Punkt (156) zu der optischen Vorrichtung (10) fortpflanzt, von optischer Energie in erste bzw. zweite elektrische Schmalbandsignale umzuwandeln, wobei der erste schmalbandige optische Detektor (52) durch einen entsprechenden Spektrallinienfilter (46) die erste Frequenzkomponente, aber nicht die zweite Frequenzkomponente empfängt, und der zweite schmalbandige optische Detektor (54) durch einen entsprechenden Linienfilter (48) die zweite Frequenzkomponente, aber nicht die erste Frequenzkomponente empfängt, eine mit dem mindestens einen breitbandoptischen Detektor gekoppelte Spektrumanalysatoreinheit (80), um das elektrische Teilspektrumsignal zu analysieren, wobei der Spektrumanalysator (80) weiterhin mit den ersten und zweiten schmalbandigen optischen Detektoren (52, 54) gekoppelt ist und nur auf eine Anzeige für die Anwesenheit der ersten und zweiten Frequenzkomponente basierend auf den ersten und zweiten elektrischen Schmalbandsignalen hin aktiviert wird, einen Computer (94, 96, 98) und ein wirksam mit dem Computer (94, 96, 98) gekoppeltes computerlesbares Speichermedium (84), wobei das computerlesbare Speichermedium (84) ein bekanntes Spektrum der Strahlung wie von der Quelle emittiert speichert, wobei zumindest ein Teil des bekannten Spektrums kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und zumindest die erste Frequenzkomponente und die zweite Frequenzkomponente umfasst, wobei der Computer (94, 96, 98) mehrere Amplitudenverhältnisse von Frequenzkomponenten berechnet, wobei eines der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums und ein zweites der Amplitudenverhältnisse das Verhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des Teilspektrums ist, und der Computer (94, 96, 98) weiterhin arbeitet, um die Entfernung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf den Amplitudenverhältnissen und den Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre zu bestimmen.
Anordnung nach Anspruch 15, weiterhin umfassend eine mit den ersten und zweiten schmalbandigen optischen Detektoren gekoppelte Korrelationseinheit (58), wobei die Korrelationseinheit (58) eine beste Übereinstimmung zwischen eingehenden spektralen Daten der sich von dem reflektierenden Objekt (154) fortpflanzenden reflektierten Strahlung und dem bekannten Spektrum der in dem computerlesbaren Medium (84) gespeicherten Quellenstrahlung ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 16, weiterhin umfassend einen Faraday-Filter (66) mit einer von der Stärke eines magnetischen Feldes des Faraday-Filters (66) abhängigen optischen Passierbande, wobei die magnetische Feldstärke von einem Passierbandensignal gesetzt wird, welches von der Korrelationseinheit (58) entsprechend der Detektion (52, 54) einer Spektrallinie bei zumindest einem der schmalbandigen optischen Detektoren ausgegeben wird.
Anordnung nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: eine ein Feld von ladungsträgergekoppelten Schaltungen umfassende Detektoranordnung (68), welche eine zweidimensionale Ansicht eines Teils der reflektierten Strahlung bereitstellt, und eine Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit (72), welche elektrisch mit der Detektoranordnung (68) gekoppelt ist, wobei die Detektoranordnung (68) ein Mittelachsenfehlersignal an die Erfassungsbetriebsartelektronikeinheit (72) ausgibt, welche wiederum elektrische Signale an die optische Vorrichtung (22) zum Repositionieren bereitstellt.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei die ersten und zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Teilspektrums der reflektierten Strahlung aus den ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums durch Dopplerfrequenzverschiebung aufgrund Bewegung des reflektierenden Objekts veränderbar sind.
Anordnung nach Anspruch 15, weiterhin umfassend eine Atmosphäreninformationseinheit (100), welche den mindestens einen Computer (94, 96, 98) mit spektralabhängigen Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre versorgt.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei der kontinuierliche im Wesentlichen konstante Teil des Spektrums ermöglicht, dass die Verhältnisse unabhängig von Dopplerfrequenzverschiebung sind.
Anordnung nach Anspruch 15, weiterhin umfassend eine mit dem mindestens einen Computer (94, 96, 98) gekoppelte Entfernungsratenberechnungseinheit (96) zum Berechnen einer Entfernungsrate des reflektierenden Objekts (154) aus einer Abfolge von Entfernungsmessungen des reflektierenden Objekts (154).
Anordnung nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Computer (94, 96, 98) arbeitet, um das empfangene Teil spektrum der reflektierten Strahlung mit dem bekannten Spektrum zu korrelieren, um das reflektierende Objekt (154) zu identifizieren.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei die optische Vorrichtung einen Signaturspeicher (14) und einen Korrelator (58) umfasst, um das empfangene Spektrum der reflektierten Strahlung mit einem Referenzspektrum des Signaturspeichers (14) zu korrelieren, um die Anwesenheit des reflektierenden Objekts (154) festzustellen.
Anordnung nach Anspruch 15, wobei das bekannte Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst und das empfangene Spektrum der reflektierten Strahlung eine dritte Frequenzkomponente umfasst, wobei der mindestens eine Computer (94, 96, 98) weiterhin verwendet wird, um: basierend auf einer Berechnung von zusätzlichen Amplitudenverhältnissen mit den dritten Frequenzkomponenten die Entfernung zu bestimmen, um die Entfernung des reflektierenden Objekts bereitzustellen, und einen Durchschnitt aus den in beiden entfernungsbestimmenden Schritten bereitgestellten Entfernungen zu bilden.
Verfahren zur passiven Bestimmung der Entfernung eines Objekts (154), umfassend: Empfangen von Strahlung, welche sich von einer Quelle (150) bekannter spektraler Emission über einen atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160b) von einem benachbarten Punkt (156) reflektiert zu einer optischen Vorrichtung (10) fortpflanzt, wobei die Atmosphäre selekti ve Abschwächung von Spektrallinien der Strahlung als Funktion der Frequenz der Spektrallinien bereitstellt, Empfangen von reflektierter Strahlung, welche von einem reflektierenden Objekt (154) in einem Strahlungspfad von der Quelle (150) über einen zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu dem reflektierenden Objekt (154) reflektiert wird, Speichern eines bekannten Spektrums der Strahlung wie von der Quelle (150) emittiert, wobei zumindest ein Teil des bekannten Spektrums kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und zumindest eine erste Frequenzkomponente und eine zweite Frequenzkomponente aufweist, Umwandeln eines Teils des empfangenen Spektrums der reflektierten Strahlung, welche von dem reflektierenden Objekt (154) über den zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu der optischen Vorrichtung (10) reflektiert wird, von optischer Energie in ein elektrisches Teilspektrumsignal mittels eines breitbandoptischen Detektors in der optischen Vorrichtung (10), wobei der Teil des empfangenen Signals dem spektralen Teil entspricht, welcher kontinuierlich mit im Wesentlichen konstanter Amplitude ist und zumindestens die erste Frequenzkomponente und die zweite Frequenzkomponente aufweist, Umwandeln der reflektierten Strahlung, welche durch das reflektierende Objekt (154) über den zweiten atmosphärischen Fortpflanzungspfad (152, 160a) zu der optischen Vorrichtung (10) reflektiert wird, von optischer Energie in erste und zweite elektrische Schmalbandsignale mit tels ersten (52) und zweiten (54) schmalbandigen optischen Detektoren in der optischen Vorrichtung (10), wobei der erste schmalbandige optische Detektor (52) durch einen entsprechenden spektralen Linienfilter (46) die erste Frequenzkomponente, aber nicht die zweite Frequenzkomponente empfängt, und der zweite schmalbandige optische Detektor (54) durch einen entsprechenden spektralen Linienfilter (48) die zweite Frequenzkomponente, aber nicht die erste Frequenzkomponente empfängt, Analysieren des spektralen elektrischen Teilsignals, welches dem von dem breitbandoptischen Detektor umgewandelten Teil des empfangenen Spektrums der von dem benachbarten Punkt (156) und dem reflektierenden Objekt (154) reflektierten Strahlung entspricht, als Antwort auf die Feststellung, dass die ersten und zweiten Frequenzkomponenten in dem empfangenen Teilspektrum der reflektierten Strahlung vorhanden sind, Berechnung von mehreren Amplitudenverhältnissen von Frequenzkomponenten, wobei eines der Amplitudenverhältnisse das Amplitudenverhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums ist und ein zweites der Amplitudenverhältnisse das Verhältnis der ersten und zweiten Frequenzkomponenten des spektralen Teils der reflektierten Strahlung ist, und Bestimmung der Entfernung des reflektierenden Objekts (154) basierend auf den Amplitudenverhältnissen und auf den Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 26, weiterhin umfassend das Erlangen einer besten Übereinstimmung zwischen den eingehenden spektralen Daten der durch das reflektierende Ob jekt (154) reflektierten Strahlung und dem bekannten Spektrum der Quellenstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die ersten und zweiten Frequenzkomponenten des empfangenen Spektrums der reflektierten Strahlung aus den ersten und zweiten Frequenzkomponenten des bekannten Spektrums durch Dopplerfrequenzverschiebung aufgrund von Bewegung des reflektierenden Objekts (154) veränderbar sind.
Verfahren nach Anspruch 26, weiterhin umfassend Schritte des Erlangens spektralabhängiger Abschwächungscharakteristiken der Atmosphäre.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der kontinuierliche im Wesentlichen konstante Teil des Spektrums ermöglicht, dass die Verhältnisse unabhängig von Dopplerfrequenzverschiebung sind.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das bekannte Spektrum eine dritte Frequenzkomponente umfasst und der empfangene spektrale Teil des reflektierten Spektrums eine dritte Frequenzkomponente umfasst, wobei das Verfahren weiterhin umfasst: Bestimmen der Entfernung basierend auf Berechnung zusätzlicher Amplitudenverhältnisse mit den dritten Frequenzkomponenten, um die Entfernung des reflektierenden Objekts (154) bereitzustellen, und Bildung des Durchschnitts der in beiden der entfernungsbestimmenden Schritte bereitgestellten Entfernungen des reflektierenden Objekts (154).
Anordnung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Spiegel zum Reflektieren von Sonnenlicht zu der optischen Vorrichtung (16).
Anordnung nach Anspruch 32, wobei der Spiegel ein Drehspiegel ist.
Anordnung nach Anspruch 33, wobei der Drehspiegel ausgelegt ist, zwischen dem Reflektieren von Strahlung von dem benachbarten Punkt (156) und dem Reflektieren von dem reflektierenden Objekt (154) reflektierten Strahlung zu der optischen Vorrichtung (10) umzuschalten.