DE2220316C3

DE2220316C3 - Modulationsverfahren für Wärme- Aufklärungsgeräte und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2220316C3
Application number: DE19722220316
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. 6922 Meckesheim Enders
Original assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Eltro Gesellschaft fur Strahlungstechnik 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1972-04-26
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1982-08-12
Also published as: FR2181726A1; DE2220316A1; FR2181726B1; DE2220316B2; GB1431792A

Description

Die Erfindung betrifft ein Modulationsverfahren für ein Wärme-Aufklärungsgerät unter Verwendung eines schachbrettartigen Bildmusters sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE-AS 11 91 119 ist eine Einrichtung der eingangs näher bezeichneten Gattung bekannt. Dabei findet unter anderem eine in gleichgroße Sektoren eingeteilte Modulationsscheibe Verwendung, wobei die einzelnen Sektoren durch konzentrisch verlaufende Kreise nochmals unterteilt werden, so daß insgesamt ein schachbrettartiges Bildmuster entsteht Ferner ist aus der DE-AS 12 94 042 ein Zielverfolgungsgerät bekannt, das ebenfalls ein Wärmeaufklärungsgerät beinhaltet. Letzteres besitzt ein mit einem Streifenmuster versehenes endloses Band, das bei Rotation das Streifenmuster unter einem Winkel durch das Bildfeld bewegt Schließlich beschreibt die US-PS 3i 44 555 auch noch ein Wärmeaufklärungsgerät, bei dem verschiedene Filter zur Analyse der empfangenen Strahlung benutzt werden.

Ferner sind aus den US-PS 3106 642, 3151247, 24 36 178, 26 59 828, 32 19 642, 30 81 632 und 28 77 356 Modulationsscheiben bekannt, die in verschiedenen radialen Abständen vom Mittelpunkt Ringe mit unterschiedlich großen und zum Teil auch hinsichtlich der Anzahl der Schwarz-weiß-Übergänge unterschiedlichen Bildmusterelementen aufweisen. Da sich Lichtpunkte in bezug auf die geometrische Ausbildung der Elemente senkrecht bewegen, wirken die einzelnen Ringe einer Modulationsscheibe unabhängig von den Ringen größeren oder kleineren Durchmessers. Die beiden US-PS 26 59 828 und 32 19 642 weisen darüber hinaus optische Spektralfilter auf. Ein Bildmuster nach Art eines Schachbretts enthält keine dieser Ausführungsformen; auch läßt sich mit ihnen kein konstanter Winkel erzeugen.

Die US-PS 29 43 204 zeigt eine Modulationsscheibe mit einem spiralenförmigen Bildmuster, dessen Anzahl

von schwarzen Elementen zu weißen Elementen sich verhält wie ³A zu '/4. Die Signalauswertung bzw. verfügbare Energie ist demzufolge wenig befriedigend. Das Bildmuster nimmt ferner nur einen kreisförmigen Ausschnitt der Modulationsscheibe ein und führt zusätzlich zu der Rotation der Scheibe bzw. unabhängig von dieser Rotationsbewegungen aus. Die überlagerten Bewegungen lassen keinen konstanten Winkel zu.

Die US-PS 35 51 680 schließlich zeigt und beschreibt ein Bildmuster, das sich aus Rechtecken unterschiedlicher Größe und Transparenz zusammensetzt Es ist demzufolge nicht nach Art eines Schachbretts ausgebildet und ist vor dem Schirm einer Foto-Multiplyer-Röhre eines Sternbeobachtungsgerätes angeordnet. Das interessierende Sternbild wird hierbei mit Hilfe eines Schwingspiegels auf die Röhre übertragen und bewegt sich auf dem Bildmuster unter 45°. Bei diesem spezieilen Winkel erhält man zwei gleiche Frequenzen, deren Gleichkomponenten sich nicht für jeden Z veck eignen. Aufklärungsgeräte dieser Art filiern heiße punktförmige Ziele, die sich in größerer Entfernung vom Aufklärungsort befinden, aus einem irgendwie wärmemäßig strukturierten Hintergrund heraus und bringen ihre ungefähre Winkellage in Azimut und Elevation zur Anzeige. Es fehlt jedoch bisher ein Verfahren bzw. eine entsprechende Einrichtung, die diese für sich bekannten Merkmale zusammenfaßt, sie konstruktiv so auswertet und anschließend zum Einsatz bringt, daß hinsichtlich der Trennung punktförmiger Ziele von einem flächen- oder linienförmig strukturierten Hintergrund ein optimaler Effekt erzielt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Trennen punktförmiger Ziele von der flächen- oder linienförmigen Struktur unter Ausnutzung der ungefähren Temperatur dieser Ziele — die meistens in einem anderen Bereich als die Hintergrundtemperatur liegt — zu verbessern. Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das schachbrettartige Bildmuster in einem Winkel χ zwischen 15 und 30° durch das Bildfeld bwegt wird und vor oder hinter dem Bildmuster wenigstens ein Spektralfilter in an sich bekannter Weise die Beobachtung in wenigstens zwei Spektralbereichen ermöglicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sehen vor, daß die Modulation zeitweise unterbrochen wird und während der Unterbrechung der Strahlungsfluß durch das Bildfeld entweder vollkommen unterbrochen werden kann oder mittels einer halbdurchlässigen Schicht auf mindestens die Hälfte reduziert wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die Phasenlage des gewonnenen Modulationssignals mit der eines von der Drehung der Modulationsscheibe abgeleiteten Signals verglichen und damit die azimutale Lage des Zielpunktes im Bildfeld bestimmt werden. Dadurch wird es möglich, die azimutale Lage des Zieles im Bildfeld auf etwa 1 bis 2° genau zu bestimmen, um die . nachfolgenden Verfolgungsgeräte genau einweisen zu können.

Bei Verwendung einer rotierenden Modulationsscheibe oder Modulationstrommel, die mit einem streifenförmigen Bildmuster versehen durch das Bildfeld bewegt wird, ist es zweckmäßig, daß das streifenförmige Bildmuster dergestalt schachbrettartig ausgebildet ist, daß die Parallelen einer Richtung einen Winkel /?von 60

ι bis 75° mit der Bewegungsrichtung einschließen und vor , oder hinter dem Bildmuster mindestens ein gleichfalls . rotierendes, die Beobachtung in zwei Spektralbereichen ermöglichendes Spektralfilter angeordnet ist.

Eine möglichst volle Demodulation der Signalfunktion ergibt sich, wenn das schachbrettartige Muster aus Rechtecken besteht, deren Kantenverhältnis größer als 1 :1,5 und kleiner als 1 :4 ist Ein noch günstigerem Signal-Rausch-Verhältnis als bei reiner Schachbrettmodulation sowie eine optimale Punktflächentrennung wird erzielt, wenn das schachbrettartige Muster aus Parallelogrammen besteht, deren Schräglage so gewählt ist, daß der Spitzen winkel /dopelt so groß ist wie ίο der Winkel oc, in dem das Bildmuster durch das Bildfeld bewegt wird. Eine im Hinblick auf die optimale Punktflächentrennung vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, daß der kleinere Abstand der schachbrettförmigen Konfiguration gleich dem Streukreisdurchmesser der optischen Abbildung ist

Zweckmäßig kann es auch sein, daß die Größe der Spektralfilter annähernd der Größe des Bildfeldes entspricht. Weitere Merkmale der Erfindung sehen vor, daß zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Modulationsfeldern sich ein Bereich befindet, in dem keine Modulation stattfindet, und daß die Filter an denjenigen Stellen, an denen die Modulation unterbrochen ist, entweder eine Schicht aufweisen, die den Strahlungsfluß durch das Bildfeld vollkommen unterbricht, oder aber eine lediglich halbdurchlässige Schicht aufweisen, die den Strahlungsfluß durch das Bildfeld auf mindestens die Hälfte reduziert.

Sofern durch irgendeinen Zufall eine Kontur des Hintergrundes eine Modulation der Grundwelle hervorrufen sollte, so wird diese Modulation in einem der beiden Filter nicht auftreten und es ergibt sich ein weiteres Kriterium für die Punktflächentrennung, wenn die Winkellage β der Parallelogramme in den einzelnen Modulationsfeldern verschieden ist. Dabei können die einzelnen Felder zweckmäßigerweise so aufeinander abgestimmt sein, daß das Integral über die gesamte Bildfeldstrahlung des Hintergrundes bei den verschiedenen Gittern gleich ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sieht schließlich auch noch vor, daß die Modulationsfelder nicht größer sind als das Bildfeld des optischen Systems und das dahintergeschaltete Filter aus mindestens zwei verschiedenen Spektralfiltern zusammengesetzt ist.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

BiIdI ein Schachbrettmuster mit quadratischen Einzelfeldern,

Bild la und Ib die Modulationskurven gemäß BiIdI,

B i I d 2 ein Schachbrettmuster mit rechteckigen Einzelfeldern,

Bild 2a, 2b und 2c die Modulationskurven gemäß B i I d 2,

B i I d 3 ein Schachbrettmuster mit Einzelfeldern in Form von Parallelogrammen,

B i 1 d 3a und 3b die Modulationskurven gemäß Bi Id 3,

B i 1 d 4 ein aus verschiedenen parallelogrammförmigen Schachbrettmustern bestehendes Modulationsband, bei dem zwischen je zwei Modulationsfelder ein nicht modulierendes, halbdurchlässiges Feld geschaltet ist und B11 d 5 und 6 den Gesamtaufbau einer Modulationsanlage.

in BiIdI sind durch das aus quadratischen Einzelfeldern 11 bestehende Schachbrettmuster zwei in der Bewegungsrichtung laufende Geraden a und b eingezeichnet, die verschiedene Lagen des Streukreises

10 im Modulationsfeld darstellen. BiIdIa gibt die Modulationskurven für die Gerade a, BiIdIb die Modulationskurven für die Gerade b wieder. Die Signalfunktion ist jeweils mit 1 bezeichnet. Aus den Abbildungen ist zu ersehen, daß sich eine Grundwelle 2 mit der halben Schachbrettfrequenz ausbildet und eine Harmonische 3, die gleich ¹Ii der Schachbrettfrequenz ist.

Obwohl der Modulationsgrad der gesamten Signalfunktion 1 je nach Lage des Streukreises 10 im Bildfeld sich von etwa 60 auf 100% ändert, bleibt der Modulationsgrad der Grundwelle 2 bzw. deren 3. Harmonischen 3 mit je etwa 50% konstant, da sich beim Bewegen des Streukreises durch das Bildfeld die Phasenlage beider Frequenzen zueinander ändert. Die beiden extremen Funktionen sind in den Bildern la und Ib aufgezeichnet, wobei der Streukreisdurchmesser gleich dem Abstand der Quadrate 11 gemacht wurde.

Eine volle Durchmodulation der Signalfunktion 1 ergibt sich bei der Verwendung von Rechtecken als Modulations-Einheiten; jedoch erst dann, wenn das Seitenverhältnis der Modulations-Rechtecke mindestens 1 :1,5 gemacht wird. B i 1 d 2 zeigt ein schachbrettartiges Muster mit Rechtecken 12, deren Seitenverhältnis 1 :2 beträgt. Die hier entstandenen Modulationskurven zeigen die B i I d e r 2a bis 2c In diesem Falle sind die Kurven exakt gleich, nur phasenverschoben und haben konstanten Modulationsgrad. Wegen der komplizierten Kurvenformen — der Abstand der Signalspitzen bewegt sich um 3:4 — ist aber ein verhältnismäßig breiter Verstärker notwendig, was den Nachteil starker Rauschempfindlichkeit des gesamten Systems hat

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird ein Parallelogramm-Muster zur Modulation benutzt, dessen Schräglage so gewählt ist, daß der spitze Winkel γ der Parallelogramme 13 doppelt so groß ist wie der Winkel «, in dem das Bildmuster durch das Bildfeld bewegt wird (BiId3). In diesem Fall wird der Signalkreis unter gleichen Winkeln geschnitten und es ergibt sich eine Signalfunktion 1 nach den Bildern 3a und 3b. Eine Fourrier-Analyse zeigt, daß der Anteil der Grundwelle 2 etwa 80% der Gesamtmodulation ist und die Oberwelle 3 um den Faktor 3 kleiner geworden ist. Man erhält also mit dieser Modulation ein wesentlich günstigeres Signalrausch-Verhältnis als mit der reinen Schachbrettmodulation, und die Punktflächen-Trennung wird ebenfalls optimal. Wird der Signalkreis nur doppelt so groß wie der Streukreisdurchmesser, der hier einer Schmalbreite des Parallelogramms entspricht, so geht das Signal um etwa den Faktor 4 bis 5 zurück, was auf eine sehr gute Punktflächen-Trennung hindeutet Auch Längskanten des strukturierten Hintergrundes werden, da sie nicht auf der Frequenz der Grundwelle, d.h. der halben Frequenz der Modulation durch die Schmalseite des Parallelogramms liegen, weitgehend unterdrückt

Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die Modulationsfelder nur so groß zu machen wie das Bildfeld des optischen Systems und hinter diese Spektralfilter zu schalten, die Zonen verschiedener Spektralbereiche enthalten, so dafi abwechselnd Strahlungen verschiedener Wellenlänge durchmoduliert werden. Wird beispiebweie das atmosphärische Fenster von 33 bis 4,2 μ Wellenlänge in zwei Teilbereiche von 3,2 bis 3J μ (Feld 4) und von 37 bis 4,2 μ (FeJd S) geteilt, so ergibt sich bei Zielen verschiedener Temperatur ein anderes Ampfituden-VerhäTtms zwischen diesen beiden Spektralbereichen. Bei Zielen mit 300⁰K ist das Verhältnis der Amplitude 1 des niederen Spektralbereichs zur Amplitude 2 des höheren Spektralbereichs kleiner als 1, bei Zielen um 1000° K jedoch größer als 1. Ziele von 6000° K, wie reflektiertes Sonnenlicht, haben ein sehr großes Verhältnis zwischen diesen beiden Amplituden. Durch geignete Speicher und Amplitudensiebe kann nun die spezifische Zielstrahlung analysiert und die Temperatur des Zieles als Kriterium benutzt werden.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Gedanke ist, zwischen diesen beiden Modulationsfiltern eine nicht modulierte Strahlung des gesamten Hintergrundes durch ein halbdurchlässiges Filter 6 hindurchzulassen. Damit ist gesichert, daß nicht beide Filter gleichzeitig bei der Modulation sich im Bildfeld befinden können und in der Zwischenzeit eine Gesamtgleichstrahlung auf den Wärmeempfänger gelangt, die dem idealen Mittelwert der Modulationsfilter entspricht Durch diese Maßnahme wird der Gleichstromanteil, der sich bei derartigen Modulationsarten immer ausbildet nicht moduliert und bleibt annähernd konstant. B i I d 4 zeigt das Prinzip dieser Modulations-Anordnung.

Bei Aufklärungsgeräten wird weiterhin gefordert, daß die azimutale Lage des Zieles im Bildfeld auf etwa 1 bis 2° genau bestimmt werden muß, um die nachfolgenden Verfolgungsgeräte genau einweisen zu können.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung wird dies durch die Phasenlage der Modulations-Spannung bewirkt, die je nach der azimutalen Lage des Punktes im Bildfeld die Modulation gegenüber der Drehung des Modulators zu einem anderen Zeitpunkt beginnt. Wird von der Rotation des Modulators eine entsprechende Sinus- oder Rechteck-Spannung abgeleitet, so kann die Phasenverschiebung der Modulations-Spannung als,

Kriterium für die Lage des Punktes im Bildfeld benutzt

werden. Ist z. B. das Bildfeld 10° groß, so kann eine

Bestimmung der azimutalen Lage des Bildpunktes

kleiner als 1° mit Sicherheit erfolgen.

Wird, wie in Bild4 gezeigt die Schräglage der

Parallelogramme zwischen den beiden Filtern von/ft auf fii geändert, so wird, wenn durch einen Zufall eine Kontur des Hintergrundes eine Modulation der Grundwelle hervorrufen sollte, diese Modulation in einem der beiden Filter mit Sicherheit nicht auftreten, so daß hierdurch ein weiteres Kriterium für die Punktflächentrennung gegeben ist

Die Anordnung der Modulations-Einrichtung im Wärme-Aufklärungsgerät und ihr Zusammenwirken mit -den anderen Teilen des Geräts ist aus den Bildern 5

so und 6 zu ersehen. Das Gehäuse 8 ist an einem Teil seines Umfangs aufgeschnitten. In diesem Ausschnitt sind über- und nebeneinander Linsen 9 von äußerlich rechteckiger Form so angeordnet, daß ihre Grundflächen eine Kugelkalotte bilden. Die äußeren Oberflächen sind jede für sich entsprechend der gewünschten Brennweite geschliffen, so daß sich äußerlich das Bild eines Facettenauges ergibt Unmittelbar hinter den äußeren Linsen (im Sinne des Lichtstrahls gesehen) ist eine zweite Gruppe von linsen 19 angeordnet deren innere Flächen konkav geschliffen sind. Jeweils ein Paar der Linsen 9,19 badet eic Objektiv, dessen Brennweite auf das zugehörige Empfangselement abgestimmt ist Im Inneren des Gehäuses sind auf einer Zwischenwand 25 in ähnlicher Weise FeMBnsen 15 angeordnet und hinter den Feküinsen auf einer weiteren Zwischenwand 24 Empfangszelten 14. EMe Objektiv-Linsen 9, 19, die Fekffinsen 15 and die Emmpfangszeflen 14 sind jeweils so angeordnet, daß immer zwei Objektivlinsen, eine

Feldlinse und eine Empfangszelle auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen.

Die Wand 24 ist auf ihrer Vorderseite kugelkalottenartig gekrümmt, so daß die Empfangszellen 14 unmittelbar an ihr angekittet werden können. Sie bildet auf der Innenseite mit einer weiteren (nicht dargestellten) trommelartigen Wand einen Hohlraum 28, in dem das Kühlmittel untergebracht ist.

Vor den Feldlinsen IS ist eine Modulationstrommel 16 angeordnet. Diese Trommel enthält die bereits erwähn-

ten Modulationsfelder, von denen hier die mit 13 bezeichneten dargestellt sind. Unmittelbar hinter den Modulationsfeldern sind Filterscheiben 23 angebracht, die Modulationen auf verschiedenen Wellenlängen ermöglichen. Die Trommel 16 wird von einem Ring 7 getragen, der seinerseits unter Zwischenschaltung zweier Kugellager 17 in dem Stützring 18 gelagert ist. Der Ring 7 ist an seinem unteren Teil mit einer Innenverzahnung versehen und wird über diese von einem (nicht dargestellten) Elektromotor angetrieben.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Modulationsverfahren für ein Wärme-Aufklärungsgerät unter Verwendung eines schachbrettarti- s gen Bildmusters, dadurch gekennzeichnet, daß das schachbrettartige Bildmuster in einem Winkel zwischen 15 und 30° durch das Bildfeld bewegt wird und vor oder hinter dem Bildmuster wenigstens ein Spektralfilter in an sich bekannter Weise die Beobachtung in wenigstens zwei Spektralbereichen ermöglicht.

2. Modulationsverfahren nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation zeitweise unterbrochen wird.

3. Modulationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Unterbrechung der Modulation der Strahlungsfluß durch das Bildfeld mittels einer halbdurchlässigen Schicht auf mindestens die Hälfte reduziert wird.

4. Modulationsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Unterbrechung der Modulation der Strahlungsfluß durch das Bildfeld vollkommen unterbrochen wird.

5. Modulationsverfahren nach einem der Anspriiehe 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenlage des gewonnenen Modulations-Signals mit der eines von der Drehung der Modulationsscheibe abgeleiteten Signals verglichen und damit die azimutale Lage des Zielpunktes im Bildfeld bestimmt wird.

6. Einrichtung zur Durchführung des Modulationsverfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche und unter Verwendung einer rotierenden Modulationsscheibe oder Modulationstrommel, die mit einem streifenförmigen Bildmuster versehen durch das Bildfeld bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das streifenfö-mige Bildmuster dergestalt schachbrettartig ausgebildet ist, daß die Parallelen einer Richtung einen Winkel [J?) von 60 bis 75° mit der Bewegungsrichtung einschließen und vor oder hinter dem Bildmuster mindestens ein gleichfalls rotierendes, die Beobachtung' abwechselnd in zwei Spektralbereichen ermöglichendes Spektralfilter (23) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das schachbrettartige Muster aus Rechtecken (12) besteht, deren Kanten-Verhältnis größer als 1 : 1,5 und kleiner als 1 :4 ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das schachbrettartige Muster aus Parallelogrammen (13) besteht, deren Schräglage so gewählt ist, daß der Spitzenwinkel (γ) doppelt so groß ist als der Winkel (λ), in dem das Bildmuster durch das Bildfeld bewegt wird.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der kleinere Abstand der schachbrettförmigen Konfiguration gleich dem Streukreisdurchmesser der optischen Abbildung (10) ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Spektralfilter (23) annähernd der Größe des Bildfeldes entspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Modulationsfeldern (4,5) sich ein Bereich (6) befindet, in dem keine Modulation stattfindet.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch

gekennzeichnet, daß die Filter an den Stellen, an denen die Modulation unterbrochen ist, eine halbdurchlässige Schicht aufweisen, die den Strahlungsnuß durch das Bildfeld auf mindestens die Hälfte reduziert

13. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter an den Stellen, an denen die Modulation unterbrochen ist, eine Schicht aufweisen, welche den Strahlungsfluß durch das Bildfeld vollkommen unterbricht

14. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkellage (ß) der Parallelogramme in den einzelnen Modulationsfeldern (4,5) verschieden ist

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Felder so aufeinander abgestimmt sind, daß das Integral über die gesamte Bildfeldstrahlung des Hintergrundes bei den verschiedenen Gittern annähernd gleich ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1,6 und 10 bib 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Mqdulationsfelder nicht größer sind als das Bildfeld des optischen Systems und daß das dahinter geschaltete Filter aus mindestens zwei verschiedenen Spektralfiltern zusammengesetzt ist