DE1473899A1 - Ortungsgeraet fuer infrarote Strahlungsquellen - Google Patents

Description

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~LBISWERK ZURICH A.G.,
Zürich

Ortungsgerät für infrarote Strahlungsquellen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ortungsgerät für infrarote Strahlungsquellen zur Vermessung wenigstens einer Winkelkoordinate bezüglich der optischen Achse des Gerätes, das ein Objektiv zur Abbildung des Objektraumes auf dem Abtastorgan und einen Strahlungsdetektor aufweist, wobei das Abtastorgan derart ausgebildet ist, dass jedes infinitesimale Bildelement im Strahlungsdetektor eine mit einer sinusförmigen Schwingung frequenzmodulierte Schwingung mit hohem Modulationsindex erzeugt .

Ein Infrarot-Ortungsgerät zur automatischen Zielvermessung und Zielverfolgung vermisst den Winkel zwischen einer optischen Achse und einer Zielachse. Die optische Achse ist die geräteeigene Bezugsrichtung für die Ortung. Die Zielachse ist die Verbindungslinie zwischen dem Ortungsgerät und dem Wärmestrahler. Die Zielachse und die optische Achse schneiden sich im Vermessungsmittelpunkt, der sich nahe der Eintrittspupille

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eines Objektives für infrarote Strahlung befindet. Für die Auswertung der Information ist es zweckmässig, diesen Winkel in die Winkelkomponenten (Winkelkoordinaten) Azimut und Elevation zu zerlegen.

Eine entscheidende Eigenschaft eines Ortungsgerätes ist die Reichweite, in der ein Strahler ortbar ist. Dies ist eine Frage der Energie, die bis zu einem gewissen Grad durch die Wahl der Apertur des Objektives beeinflussbar ist. Eine Vergröseerung des Empfangsquerschnittes hilft, bis die Empfindlichkeit nicht mehr durch Eigenrauschen, sondern durch störende Einstrahlung begrenzt wird.

Neben der Eingrenzung des Strahlungsbereiches durch optische Spektralfilter ist die Raumfiltortechnik von Wichtigkeit. Mit der Raumfiltertechnik werden Kriterien der geometrischen Ausdehnung von Nutzstrahlern und Hintergrund zur Erhöhung der Reichweite zugezogen. Um der Wärmestrahlung Information zu entnehmen, hat sich eine eigene Technik entwickelt: Mit Hilfe einer Anordnung mechanisch bewegter Masken, den sogenannten AbtastOrganen, einer Sammeloptik und einer auf Wärmestrahlung empELndlichen Photozelle, dem sogenannten Strahlungsdetektor, wird das vom Fernrohr entworfene Wärmebild abgetastet. Entsprechend dem Bildinhalt erscheint an der Photozelle ein elektrisches Signal, das im elektronischen Auswertegerät auf vorhandene Information geprüft und zu elektrischen Grossen verarbeitet wird, die proportional zu den Winke!komponenten verlaufen.

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Das Abtastorgan besteht aus periodisch wiederkehrenden Abtastfiguren. Dies bewirkt bei stillstehendem Bildelement am Strahlungsdetektor ein periodisches elektrisches Signal. Die Abtastfigur lässt sich durch den zeitlichen Verlauf des Signals am Strahlungsdetektor unter Verwendung eines infinitesimalen Bildelementes charakterisieren.

Zur näheren Erläuterung kann ein ebenes, in der Bildebene liegendes und mit fester Beziehung zur optischen Achse stehendes Koordinatensystem auf die Abtastfigur bezogen werden. Die Richtungen der Koordinaten (f ,^) seien: für die J-Achse die umgekehrte Bewegungsrichtung der Abtastfigur und für die ty -Achse die dazu senkrecht stehende Ordinate. Wird ein Wärmebild an der Stelle ( ^j, ^k) mit der Leistungsdichte i ( ^j, ^k) = 1 und der Ausdehnung df , dfl durch die Abtastfigur abgetastet, so ist der zeitliche Verlauf des Signals am Strahlungsdetektor ^dU ( §J» "?^kf *)· ^Der zeitliche Verlauf dieser Funktion entspreche einer mit einer sinusförmigen Schwingung frequenzmodulierten Schwingung. Die Abtastfigur soll derart zusammengesetzt sein, dass die Lagekoordinaten (f j, ^fk) des Bildelementes als Modulationsparameter aus der modulierten Schwingung erkennbar sind:

Dabei bedeutet: w„ Kreisfrequenz der modulierten Trägerschwingung, m s Modulationsindex, u„ = Kreisfrequenz der Modulationsschwingung, φ_Ν = Phasenwinkel der Modulationsschwingung und φ_Η β Phasenwinkel der Trägerschwingung. Für die weitere Betrachtung soll mit einer Abtastfigur nur die ^ -Koordinate in

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den Modulationsparametern kodiert sein, und zwar soll der Phasenwinkel φ_Ν in einer linearen Beziehung zur Koordinate T} stehen. Damit lautet die obige Gleichung vereinfacht:

Zur Auswertung und Gewinnung der frequenzmodulierten Sinusschwingung muss die Frequenzmodulation demoduliert werden.

Die Signal- zu Rauschverhältnisse eines FM-Demodulators sind oberhalb einer kritischen Signalschwelle um so besser, je höher der Modulationsindex ist. Bei gegebener sinusförmiger Modulationsschwingung muss die notwendige Uebertragungsbandbreite ungefähr proportional zum Modulationsindex zunehmen, was zur Folge hat, dass bei gegebener Signalleistung mit zunehmender Uebertragungsbandbreite die Rauschleistung zunimmt, sofern das Rauschen von der Detektorzelle oder den ersten Verstärkerstufen herrührt. Das Verhältnis von Rauschleistung zu Signalleistung vor dem Frequenzmodulator steigt unter dieser Voraussetzung ungefähr mit der Wurzel der Uebertragungsbandbreite. Es zeigt sich, dass im selben Mass auch die kritische Signalschwelle steigt, oberhalb dor die Rauschminderung des Systems wirksam ist.

"Sowohl in der Infrarot-Ortungstechnik als auch in der Uebertragungstechnik ist os erwünscht, Verfahren zu finden, die bei gegebenem Modulationsindex die kritische Signalschwelle gegenüber der üblichen Frequenzmodulationstechnik senken, ohne dass die günstigen Rauscheigenschaften oberhalb dieser Schwelle beeinträchtigt werden. Solche Lösungen sind bei-

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spielsweise als sogenanntes FM-Gegenkopplungsverfahren bekannt, Das FM-Gegenkopplungsverfahren ist ziemlich allgemein wirksam und setzt lediglich voraus, dass der Modulationsindex für die höchste zu übertragende Frequenz viel grosser als 1 ist.

Der Zweck der Erfindung ist, bei einem eingangs beschriebenen Ortungsgerät für infrarote Strahlungsquellen die Erkenntnisse des FM-Gegenkopplungsverfahrens anzuwenden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Ortungsgerät eine Strahlungsquelle vorhanden ist, die über dasselbe Abtastorgan in einem zweiten Strahlungsdetektor eine zweite mit einer sinusförmigen Schwingung frequenzmodulierte Schwingung erzeugt, deren Phasenlage bezüglich der Phasenlage der aus der IR-Strahlung gewonnenen Schwingung durch Verschieben der Strahlungsquelle einstellbar ist, dass eine Mischstufe zur Mischung der beiden Schwingungen vorgesehen ist, an die sich ein schmalbandiges Filter zur Aussiebung eines modulierten Mischproduktes und ein erster Frequenzdiskriminator zur Demodulation dieses Mischproduktes anschliesst, dass ein zweiter Frequenzdiskriminator zur Demodulation der zweiten Schwingung dient, dass ferner ein Phasendiskriminator zur Messung des Phasenwinkels zwischen den beiden demodulierten Schwingungen vorgesehen ist, dessen Ausgangsspannung zur Steuerung der Lage der Strahlungsquelle dient, dass eine Additionsstufe vorhanden ist, die das Summensignal der beiden demodulierten Schwingungen bildet, und dass dieses Summensignal das Mass für die Winkelkoordinate ist.

An Hand der beiliegenden Figur wird nachfolgend die Erfindung

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in einem AusfUhrungsbeispiel näher erläutert.

Die infrarote Strahlungsquelle wird mit einem Objektiv 0 auf ein Abtastorgan A mit unterschiedlich durchlässigen Zonen abgebildet. Die vom Abtastorgan A durchgelassene Strahlung gelangt durch eine Sammeloptik S auf einen Strahlungsdetektor SD1. Dieses Abtastorgan A weist Abtastfiguren auf. Diese Abtastfiguren modulieren die Intensität der auf den Strahlungsdetektor gelangenden infraroten Strahlung derart, dass die einem Bildelement zugeordneten Winke !komponenten als Module·* tionsparameter aus der modulierten Schwingung erkennbar sind. Im Anwendungsbeispiel kann das aus dem Strahlungsdetektor SDI entnommene elektrische Signal als eine Trägerschwingung SI, die mit einer Sinusschwingung f1 frequenzmoduliert ist, angesehen werden. In einer ersten Mischstufe M1 wird die Tragerschwingung SI mit einer höherfrequenten Schwingung aus einem Oszillator OS gemischt.

Dasselbe Abtastorgan A wird noch von einer punktförmigen Licht quelle L bestrahlt, deren Licht über eine Sammeloptik S auf eine Photozelle SD2 gelangt. Das Ausgangssignal dieser Photozelle ist ebenfalls eine Trägerschwingung S2, die alt einer Sinusschwingung f1* frequenzmoduliert ist.

In einer zweiten Mischstufe M2 wird das Signal aus der ersten Mischstufe MI und das Signal aus der Photozelle SD2 gemischt. In einem Filter F wird ein Mischprodukt ausgefiltert. Dieses Mischprodukt erscheint am Ausgang als neues Signal MS, das einem Frequenzdiskriininator DI zur Demodulation zugeführt wird.

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Die Schwingung aus der Lichtquelle L wird Ihrerseits einem Frequenzdlskrlmlnator D2 zur Demodulation zugeführt. Das Signal aus dem Frequenzdlskrimlnator DI sei mit f1-f1* bezeichnet und das Signal aus dem Frequenzdiskriminator D2 mit f1*. Diese beiden Signale werden einem Phasendlskriminator PD zugeführt, dessen Ausgangsspannung als Steuerspannung für das Nachlaufsystem NS der Lichtquelle L benutzt wird. Zugleich werden die beiden Signale f1-f1* sowie f1* in einer Additionsschaltung U addiert, so dass eine der Winkelkoordinate entsprechende Spannung V entsteht. Diese Spannung V wird am Ausgang K entnommen und anschliessend in einem nicht dargestellten Nachlaufverstärker verstärkt und in bekannter Weise zur Richtungskorrektur der optischen Achse verwendet.

Mit dieser Anordnung lässt sich nun eine Senkung der kritischen Signalschwelle erzielen. Die vom Strahlungsdetektor SD1 abgegebene frequenzmodulierte Schwingung wird in einer Mischstufe M1 mit Hilfe eines Oszillators OS auf eine Zwischenfrequenz transponiert. Diese Zwischenfrequenz ist zweckmässig höherfrequent als die Trägerschwingung des Signals. Dieses erste zwischenfrequente Signal wird mit dem Signal des internen Strahlers gemischt; durch Filterung entsteht eine zweite zwischenfrequente Schwingung MS. Eine geeignete Lage der Strahlungsquelle L bewirkt, dass die Frequenzmodulation auf der zweiten Zwischenfrequenz MS praktisch verschwindet oder zumindest stark reduziert wird, also genau der Effekt, der mit dem Prinzip der Gegenmodulation erreicht wird.

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Der Zwischenfrequenzverstärker, der In der Figur nur durch ein Filter F dargestellt ist, kann wesentlich schmalbandiger sein als das vom Signal Sl eingenommene Frequenzband. Die Rauschleistung, bezogen auf die Signalleistung wird durch die Bandbreitereduktion auf der Zwischenfrequenz verringert,und die kritische Schwelle sinkt. Natürlich sinkt durch diese Massnahme die Signalspannung nach dem Frequenzdiskriminator D1, indem die Gegenmodulation den Modulationsindex der frequenzmodulierten Schwingung verringert. Damit ist nichts von der ursprünglichen Information verloren. Am Ausgang des Diskriminators DI entsteht die Differenz der beiden die Lage der georteten Strahlungsquelle bestimmenden NF-Sinusschwingungen. Zu dieser Differenzschwingung muss nun wieder die Sinusschwingung aus der Strahlungsquelle L addiert werden, die die Lage des internen Strahlers angibt. Diese zweite Sinusschwingung wird am Diskriminator D2 erhalten, der das störungsfreie frequenzmodulierte Signal der internen Strahlungsquelle L demoduliert. Es ist dabei nicht wesentlich, ob die Lage des internen Strahlers genau so ist, dass sich die beiden Modulationen auf der zwischenfrequenten Schwingung MS exakt aufheben. Wichtig ist nur, dass der Frequenzhub soweit reduziert wird, dass nach Möglichkeit nur die ersten beiden Seitenbänder der resultierenden Frequenzmodulation vorhanden sind.

Die infrarote Strahlungsquelle kann sich im Gesichtsfeld beliebig bewegen: Somit muss die interne Strahlungsquelle dieser Bewegung nachgeführt werden. Dies könnte durch eine automatische Servosteuerung erreicht werden. Die Steuerspannungen zu dieser

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Servosteuerung lassen sich sehr einfach gewinnen. Da Modulation und Gegenmodulation vom selben Abtastorgan hergeleitet werden, sind die Beträge der Spannungsvektoren der demodulierten Signale f1-f1*, f1* gleich gross. Für kleine Phasenwinkel, und nur solche sind zulässig, steht der Differenzvektor der resultierenden Frequenzmodulation ungefähr senkrecht auf dem Vektor der Gegenmodulation. Er kann jedoch auf die eine oder andere Seite gerichtet sein. Da eine korrekte Nachführung der internen Strahlungsquelle L auf eine Regulierung des Winkels zwischen den beiden Vektoren gegen Null hinausläuft, kann eine Steuerspannung mit Hilfe eines Phasendiskriminators gewonnen werden, wenn dieser mit der Spannung der Gegenmodulation als Referenz und mit der Spannung des demodulierten Mischsignals MS gespiesen wird. Weil bei der Ortung der externen Strahlungsquelle ein kleiner Phasenwinkel keinen Fehler bringt, kommt die unvermeidliche Zeitverzögerung der Servosteuerung nicht als Informationsverzögerung in die eigentliche Ortung hinein.

Selbstverständlich kann die Frequenzumsetzung anstelle der Umsetzung im Signalpfad der vom IR-Strahlungsdetektor SDI gewonnenen Signale mit der Mischstufe M1 ebensogut im Signalpfad der von der Photozelle SD2 gewonnenen Signale vorgenommen werden.

Wh/Luh

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   .) Ortungsgerät für infrarote Strahlungsquellen zur Vermessung wenigstens einer Winkelkoordinate bezüglich der optischen Achse des Gerätes, das ein Objektiv (θ) zur Abbildung des Objektraumes auf ein Abtastorgan (a) und einen Strahlungsdetektor (SDi) aufweist, wobei das Abtastorgan (a) derart ausgebildet ist, dass jedes infinitesimale Bildelement im Strahlungsdetektor (SD1) eine mit einer sinusförmigen Schwingung (fi) frequenzmodulierte Schwingung (si) mit hohem Modulationsindex erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass im Ortungsgerät eine Strahlungsquelle (l) vorhanden ist, die über dasselbe Abtastorgan (a) in einem zweiten Strahlungsdetektor (SD2) eine zweite mit einer sinusförmigen Schwingung (fi*) frequenzmodulierte Schwingung (S2) erzeugt, deren Phasenlage bezüglich der hasanlage der aus der XR-Strahlung gewonnenen Schwingung (Si) durch Verschieben der Strahlungsquelle (l) einstellbar ist, dass eine Mischstufe (m) zur Mischung der beiden Schwingungen (SI, S2) vorgesehen ist, an die sich ein schmalbandiges Filter (f) zur Aussiebung eines modulierten Mischproduktes (MS) und ein erster Frequenzdiskriminator (DI) zur Demodulation dieses Mischproduktes MS anschliesst, dass ein zweiter Frequenzdlskrimlna« tor (D2) zur Demodulation der zweiten Schwingung (S2) dient, dass ferner ein Phaeendiskriminator (PD) zur Messung des Phasenwinkels zwischen den beiden demodulierten Schwingungen (f1-f1*, f1*) vorgesehen ist, dessen Ausgangespannung zur Steuerung der Lage der Strahlungsquelle (l) dient, dass eine

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   Additionsstufe (υ) vorhanden ist, die das Summonsignal (SU) der beiden demodulierten Schwingungen (f1-f1*, fi*) bildet und dass dieses Summensignal (SU) das Mass für die Winkelkoordinate ist.
2. 2. Ortungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzmodulierte Schwingung (Si) aus dem infraroten Strahlungsdetektor (SD1) vor der Mischung mit der zweiten frequenzmodulierten Schwingung in der Frequenz umgesetzt wird.

   3· Ortungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frequenzmodulierte Schwingung (S2) aus der Photozelle (SD2) vor der Mischung mit der Frequenzmodulierten Schwingung aus dem infraroten Strahlungsdetektor (SDi) in der Frequenz umgesetzt wird.

   k. Ortungsgerät nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzumsetzung in ein höheres Frequenzgebiet erfolgt .

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