DE2408266C3 - Vorrichtung zur laufenden Überwachung eines Luftraumes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur laufenden Überwachung eines Luftraumes von mehreren Steradiant auf sichtbare und infrarote Lichtstrahlung unter Verwendung einer Vielzahl von auf einer gekrümmten Fläche angeordneten Überwachungskanälen, denen Strahlung von derr. in kleine Raumwinkel zerlegten Luftraum zugeführt wird und die je aus einem Sensor mit Sammelsystem, einem Feldlinsensystem sowie einem Objektiv bestehen.

Es sind Verfahren, vor allem aus der Radartechnik und der ECM-Technik, bekannt, bei denen große Wir.keiräume mit Hilfe von Empfangssystemen überwacht werden, die aus mehreren Empfangskanälen mit je einer Richtantenne und einem Empfänger bestehen, und bei denen die einzelnen Antennen so ausgerichtet sind, dcß sich die Überwachungsbereiche überlappen und eine dauernde lückenlose Überwachung erzielt wird.

Aus der DT-OS 20 31971 ist es bekannt, einen Raumwinkel von 120 χ 45° mit Hilfe von auf einer Kugelkalotte angeordneten optischen Elementen und Sensoren zu überwachen, die nach Art einer Bienenwabe einen sechseckigen Facettcnschhff aufweisen.

Die einzelnen Kanäle sind geradsichtig angeordnet, ohne daß eine Möglichkeit /um Abknicken der optischen Achsen vorgesehen wäre. Die Aufweitung des Überwachungsbereichs wird vielmehr durch die Kugelkalottenanordnung des Gesamtsystems erreicht. Linsen mit einem solchen Facettenschliff sind äußerst schwierig zu realisieren, weil sie alle einen bestimmten Winkel zum Kugelmittelpunkt aufweisen müssen. Um bei einem sphärischen Schliff die Achsen der Linsen in die Achsen des optischen Systems zu bekommen, müssen die Linsen zunächst plangeschliffen, zentrie-t und anschließend rundgeschliffen werden; danach erhalten sie an ihrem Außenumfang die Sechseckform und abschließend den optischen Profilschliff. Bei der Vielzahl der für ein Gerät benötigten Linsen ist dies daher ein, insgesamt gesehen, komplizierter und kostspieliger Herstellungsprozeß, der überdies für die nahtlose Abdeckung einer Kugelkalotte allein aus regelmäßigen sechseckigen Facetten nicht zu realisieren ist. Wenn auf der Kugelkalotte keine Zwischenräume entstehen sollen, müssen entweder unregelmäßige Facettenformen verwendet werden oder aber die gleichgroßen regelmäßigen Sechseckfacetten müssen mit anderen gleichgroßen regelmäßigen Facettenformen, 7. B. Fünfeckfacetten, kombiniert werden. Diese Herstellungsverfahren sind aber zu kostspielig als daß sie jemals realisiert würden.

Außerdem ist aus der DT-OS 22 20 316 ein Modulationsverfahren bekannt, mit dem es möglich ist, eine Punkt/Flächen-Trennung im Bildfeld durchzuführen und das Vorhandensein von Punktzielen mit speziellen Charakteristiken in einem definierten Winkelraum anzuzeigen.

Ferner ist es aus der DT-PS 7 24 604 bekannt, eine Vielzahl von auf Licht-, Wärme- und Schallwellen ansprechenden Richtstrahlempfängern halbkreisförmig oder geradlinig aneinanderzureihen und das so entstan-

dene Gebilde fächerförmig zu verschwenken oder um seine Symmetrieachse rotieren zu lassen. Beide Bewegungsarten ergeben gleichzeitig auch eine Modulation der Impulse. Auf diese Weise lassen sich von der Bodenstation aus konzentrisch bzw. parallel zueinander verlaufende Streifen der Himmelshalbkugel nach Flugobjekten abtasten. Der grundsätzliche Nachfeil dieses Prinzips beruht in der Abhängigkeit der Überwachung von der Bewegung des ganzen Gerätes. Abgesehen von dem mechanischen Verschleiß in Schleifringen und Lagern sowie den dadurch bedingten Fehlern, ist die Genauigkeit auch von der Frequenz und der Art der durchgeführten Bewegung abhängig: Wenn die Empfänger in Richtung der einen Endstellung verschwenkt sind, kann auf der gegenüberliegenden Seite ein Flugobjekt unbemerkt durchfliegen. Der Aufwand an Pendel- oder Drehenergie sowie der Aufbau aus jeweils praktisch zwei kompletten Geräte einheiten sind weitere Nachteile dieses Prinzips.

Die Aufgabe der Erfindung wird unter Umgehung der aufgezeigten Mängel vor allem darin gesehen, daß beim Überwachen von insbesondere sehr ausgedehnten Winkelräumen, bei denen eine aufeinanderfolgende Abtastung nicht praktikabel ist, auch extrem kurzzeitig wirksame Wärmestrahlungsquellen von etwa 0.5 bis 5 see sicher geortet und identifiziert werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß die optischen Komponenten und Sensoren einschließlich ihnen in Einfallsrichtung vorgeschalteter und eine definierte Abknickung der optischen Achsen bewirkender Prismen auf kreiszylindrischen und zueinander konzentrischen Mantelflächen angeordnet sind und mit einem hierzu gleichfalls konzentrisch angeordneten Bildfeldmodulator funktionell zusammenwirken. Abgesehen davon daß sich ein Zylinder einfacher als eine Kugel herstellen läßt, ist vor allem von Vorteil, daß alle optischen Komponenten der einzelnen Überwachungskanäle geometrisch identisch ausgebildet werden können, so daß sich ein Baukastensystem anbietet, bei dem sich die einzelnen Kanäle wegen der Standardisier rung preisgünstig herstellen lassen. Darüber hinaus wird die zylindrische Gesamtkonzeption durch die vorgeschalteten Prismen in relativ einfacher Weise dem nach allen Seiten hin offenen Raum angepaßt.

Bezüglich der Reihenfolge der einzelnen Mantelflächen ist es sinnvoll, daß der Mantelfläche für das Feldlinsensystem innenseitig je eine Mantelfläche für den Lichtleitkonus bzw. Immersionskörper sowie eine Mantelfläche für die Sensoren und außenseitig eine aus einer Modulationstrommel bestehende M.iiitelfläche sowie je eine Mantelfläche für die Objektive und die Prismen benachbart sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor. daß die sich aus den optischen Komponenten, den Sensoren und dem Bildfeldmodulator zusammensetzenden Überwachungskanäle in mehreren Ebenen übereinanderliegend angeordnet sind. Aus Fertigungsgründen werden hierbei die einzelnen Überwachungskanäle in der Regel in zueinander parallel und konzentrisch verlaufenden Ebenen angeordnet sein. Ohne zusätzliche optische Maßnahmen würden jedoch nur bei allen übereinander angeordneten Systemen die optischen Achsen in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse verlaufen. Deshalb ist es von entscheidendem Vorteil. wenn vor den Objektiven der einzelnen Überwachungs- t>5 kanäle jeweils wenigstens ein eine definierte Abknikkung der optischen Achse bewirkendes Prisma angeordnet ist. Erst dadurch wird fir.c ganz bestimmte, auf das jeweilige Erfordernis abgestimmte Auswahl des Überwachungswinkelbereiches möglich. Es ist allerdings auch denkbar, daß die optischen Achsen in sich mit der Symmetrieachse deckenden Ebenen abknickbar sind.

Bezüglich der Bildfeldmodulation sehen weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung vor, daß die Sensoren auf der Zylindermantelfläche eines zur Modulatortrommel konzentrisch angeordneten Dewargefäßes angeordnet sind und das Moduiationsgitter auf optisch transparentem Material aufgebracht und die Modulatorfläche gleichzeitig als Interferenzfilter für gegebene Spektralbereiche verwendbar ist. Es kann ferner auch zweckmäßig sein, daß jedem einzelnen Kanal eine Anzeigevorrichtung zugeordnet ist und die einzelnen Anzeigen so kombiniert sind, daß aus ihrer Anordnung die räumliche Anordnung der Kanäle und die überwachten Winkelbereiche eindeutig erkennbar sind.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht ferner vor, daß benachbarte Überwachungskanäle ausgangsseitig logisch verknüpft sind und die empfangenen Ausgangssignale der Steuerung von Warntafeln dienen, die optische Informationen über das Vorhandensein und/oder die Art der Bedrohung und/oder die Richtung liefern, aus der die Bedrohung kommt. Eine zusatzliche Sicherheit wird dadurch erreicht, wenn die optischen Informationen in kodierter Form auf den Warntafeln angezeigt werden.

Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispicl der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Hezugszahlcn aufweisen. Es

zeigt

F i g. 1 einen Schnitt Aflgeniäß F i g. 2. F i g. 2 die Seitenansicht eines Gerätes mit Überwachungskanälen in nur einer Ebene — teilweise im Schnitt gezeichnet,

F i g. 3 die Prinzipski/ze eines Gerätes mit Überwachungskanälen in mehreren parallel und konzentrisch zueinander angeordneten Ebenen und

F 1 g. 4 eine von mehreren möglichen Aperturflachen. Für das Orten bzw. Identifizieren beispielsweise von Raketenboostern, die charakteristische Temperaturen. Spektralbereiche der Wärmeabstrahlung und Zeitläufe des Abbrandes aufweisen, werden die Raumwinkcl oj in der Elevation je nach Überwachungswinkelbcrcich und gewünschter Zielortungsgenauigkeit mit etwa ±2.5 bis ±5' gewählt. Diese Raumwinkel sind so klein, daß das im folgenden zu beschreibende optische System innerhalb des Raumwinkels noch die geforderte optische Abbildungsqualität besitzt und außerdem wenigstens grob die Winkelposition der zu detektierenden Strahlungsquelle gegenüber einer räumlichen Referenzachse angibt.

Aus der Zeichnung geht nun hervor, daß die einzelnen Überwachungskanäle 1' so aneinandergereiht sind, daß die optischen Komponenten 5, 7, 8 und 14 sowie die Sensoren 9 jeweils auf konzentrisch zylindrischen Mantelflächen angeordnet sind. Die Linsen der einzelnen Kanäle Γ sind so beschnitten, daß ein lückenloses Aneinanderreihen möglich ist. In dem in F1 g. 4 gezeichneten Ausführungsbeispiel ist die Aperturfläche ein Quadrat. In einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch auch eine rceiiteckförmige Apertur oder eine zweiseitig beschnittene Kreisfläche denkbar. |edem Sensor 9 ist hierbei in nicht dargestellter Weise ein Verstärkerkanal und eine Anzeigevorrichtung zugeordnet.

Aus Fig. 2 sind an optischen Komponenten im wesentlichen das Objektiv 5 sowie ein aus Lichtleiikonus bzw. Immersionskörper 7 und Feldlinsen 8 bestehendes System ersichtlich, mit dem die Eintrittspupille des Objektivs 5 auf dem Sensor 9 abgebildet wird. Zu dem Überwachungskanal Γ gehört ferner ein in der Bildfeldebene des Objektivs 5 angeordneter und im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Trommel ausgebildeter Bildfeldmotulator 6. In seiner Mantelfläche ist ein speziell geformtes, zeichnerisch nicht dargestelltes Modulationsgittcr aus strahlungsdurchlässigen und -undurchlässigen Flächen beispielsweise durch Bedampfen aufgebracht. Geschieht dies nach bekannten Herstellungsverfahren für Interferenzfilter mit einer dielektrischen Vielfachschicht, so kann die Modulatorfläche auch als Interferenzfilter für ausgewählte Spektralbcreiche ausgebildet sein. Innenseitig ist der Aufbau nach Art eines Dewargefäßes gestaltet: Die Feldlinsen 8 sind in ein zylindrisches Gehäuse 10 vakuumdicht eingebaut, wobei der Zwischenraum zwischen diesem Gehäuse und der ebenfalls zylindrischen Grundfläche 11 evakuiert oder mit einem speziellen Schutzgas 17 gefüllt ist und der verbleibende Hohlraum um die Zylinderachse 15 (Fig. 1) zur Aufnahme der Kühlflüssigkeit 12 (I ig. 3). die z.B. flüssiger Stickstoff sein kann, oder eines thermoelektrischen Kühlers verwendet wird.

In einem anderen, in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel soll auch in der Elevation ein größerer Bereich überwacht werden, und zwar unter Beibehallung der Bildwinkclbcrcichc von ±2.5' bis ±5 .

Hierbei sind mehrere der beschriebenen zylindrischen Systeme gemäß F ι g. 2 aus kreisförmig aneinandergereihten Kanälen Γ in koaxial übereinanderliegenden Ebenen 1 bis 4 angeordnet, wobei sinnvollerweise der Bildfeldmoclulaior 6 und die Sensoren 9 mit dem Dewargefäß 18 und dem Feldlinsensystem 8 je eine Einheit für die Kanäle Γ aller Ebenen 1 bis 4 bilden. Ohne zusätzliche optische Maßnahmen würden alle übereinander angeordneten Systeme ihre optischen

ίο Achsen 13 in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse haben, wie dies durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Das Abknicken der optischen Achsen zur Realisierung eines möglichst großen Überwachungsbereichs in der Elevalionsrichtung, wie dies durch die ausgezogenen Pfeile in F i g. 3 angedeutet ist, wird erst durch das Vorschalten geeigneter Prismen 14 vor die einzelnen Objektive 5 der Kanäle Γ im telezentrisehen Strahlengang erreicht, wobei der Keilwinkel und der Brechungsindex der Prismen 14 den Ablenkwinkel

jo bestimmen.

Bei den angeführten Beispielen ist die Anordnung der Überwachungskanäle dadurch festgelegt, daß in einer Richtung eine Rundumaufklärung erforderlich ist. weshalb die Teilsysteme rotationssymmetrisch ausgebildet sind. Sobald jedoch — wie z. B. beim Tailwarning für Flugzeuge — eingeengte Teilwinkelbereiche zu überwachen sind, ermöglicht das Baukastenprinzip grundsätzlich auch jede andere Konfiguration. In diesen Fällen wird dann nur die zylindrische Form des Modulators und des Dewargefäßes für die Detektoren beibehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur laufenden Überwachung eines Luftraumes von mehreren Steradiant auf sichtbare und infrarote Lichtstrahlung unter Verwendung einer Vielzahl von auf einer gekrümmten Fläche angeordneten Überwachungskanälen, denen Strahlung von dem in kleine Raumwinkel zerlegten Luftraum zugeführt wird und die je aus einem Sensor mit Sammelsystem, einem Feldlinsensystem «° sowie einem Objektiv bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Komponenten (5, 7,8) und Sensoren (9) einschließlich ihnen in Einfallsrichtung vorgeschalteter und eine definierte Abknirkui.g der optischen Achsen (13) bewirkender Prismen (14) auf kreiszylindrischen und zueinander konzentrischen Mantelflächen (16) angeordnet sind und mit einem hierzu gleichfalls konzentrisch angeordneten Bildfeldmodulator (6) funktionell zusammenwirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelfläche für das Feldlinsensystem (8) innenseitig je eine Mantelfläche (16) für den Lichtleitkonus bzw. Immersionskörper (7) sowie eine Mantelfläche für die Sensoren (9) und außenseitig eine aus einer Modulatortrommel (6) bestehende Mantelfläche sowie je eine Mantelfläche für die Objektive (5) und die Prismen (14) benachbart sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich aus den optischen Komponenten (5,7,8,14), den Sensoren (9) und dem Bildfeldmodulator (6) zusammensetzenden Überwachungskanäle (Y) in mehreren Ebenen (1 bis 4) übereinanderliegend angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Objektiven (5) der einzelnen Überwachungskanäle (Y) jeweils wenigstens ein eine definierte Abknickung der optischen Achse (13) bewirkendes Prisma (14) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen (13) in sich mit der Symmetrieachse (15) deckenden Ebenen abknickbar sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (9) auf der Zylindermantelfläche (16) eines zur Modulatortrommel (6) konzentrisch angeordneten Dewargefäßes (18) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationsgitter auf optisch transparentem Material aufgebracht und die Modulatorfläehe gleichzeitig als Interferenzfilter für gegebene Spektralbereiche verw endbar ist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem einzelnen Kanal (Y) eine Anzeigevorrichtung zugeordnet ist und die einzelnen Anzeigen so kombiniert sind, daß aus ihrer Anordnung die räumliche Anordnung der Kanäle (1 bis 4) und die überwachten Winkelbereiche eindeutigerkennbar sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Überwachungskanäle (Y) ausgangsseitig logisch verknüpft sind und die empfangenen Ausgangssignale der Steuerung von Warntafeln dienen, die optische Informationen über das Vorhandensein und/oder die Art der Bedrohung und/oder die Richtung liefern, aus der die Bedrohung kommt