DE2450852A1

DE2450852A1 - Beobachtungseinrichtung, bestehend aus einem beleuchtungsgeraet und einem beobachtungsgeraet

Info

Publication number: DE2450852A1
Application number: DE19742450852
Authority: DE
Inventors: Winkle Todd Van Townsend
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1974-10-25
Publication date: 1975-05-28
Also published as: FR2251028B1; US3895388A; FR2251028A1; JPS50113122A; GB1454325A

Description

Amtliches Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

Neuanmeldung
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Beobachtungseinrichtung, bestehend aus einem Beleuchtungsgerät und einem Beobachtungsgerät ^^^^

Geräte dieser Art werden zur Entdeckung bewegter oder fester Objekte von einem beweglichen oder festen Beobachtungspunkt aus benutzt. Sie bestehen gewöhnlich aus einem Abtastgerät, etwa einer Fernsehkamera oder einem Bildwandler. Eine "aktive" Beobachtungseinrichtung besteht aus einem Abtaster und einer synchronisierten Beleuchtungseinrichtung für das zu beobachtende Objekt. Es ist, z.B. aus USP 3 380 358, bekannt, das zu beobachtende Objekt mit einem gepulsten Laserstrahl zu belichten und die Blende des Beobachtungsgeräts erst einige Zeit nach der Aussendung des Lichtimpulses zu öffnen. Es sollen mit dieser Maßnahme unerwünschte Reflexionen ausgeblendet werden. Wenn jedoch mit flachen Betrachtungswinkel gearbeitet werden muß, z.B. bei der Beobachtung aus einem niedrig fliegenden Flugzeug, einem Schiffsmast oder einer festen Beobachtungsstelle auf dem Land, dann entsteht ein verzerrtes Beleuchtungsprofil der horizontalen Beobachtungsebene. Außerdem ist die Beleuchtung des Beobachtungsfeldes sehr ungleichmäßig.

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'Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, für eine Beobachtungseinrichtung der genannten Art die Anwendung kleiner Einfallswinkel zu ermöglichen, das Signalstörverhältnis zu verbessern und eine gleichmäßige Feldausleuchtung zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen definierte Einrichtung gelöst.

; Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine gleichmäßige Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes erzielt, indem durch mehrere in gegenseitiger Abhängigkeit steuerbare Lichtquellen eines Beleuchtungsgeräts die den verschieden weit entfernten Beobachtungsfeldern zugeführte Lichtenergie variiert wird. Außer der räumlichen Steuerung des ausgesandten Lichts wird auch die zeitliche Steuerung so vorgenommen, daß das reflektierte Licht aus den verschiedenen Bereichen des

! Beobachtungsfeldes gleichzeitig am Beobachtungsgerät eintrifft; diese Maßnahme

erlaubt die Verkürzung der Blendenöffnung des Beobachtungsgerätes. Der zeitlichen und leistungsmäßigen Steuerung der Beleuchtung kann vorteilhafterweise noch eine allen Lichtquellen gemeinsame Steuerung zur Anpassung an die atmosphärischen Bedingungen überlagert werden.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Abbildungen beschrieben. Es zeigen >

Fig. 1 die geometrische Anordnung des Beobachtungsgeräts und des zu betrachtenden Geländes;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Beleuchtungs-Steuerung; ■

Fig. 3 die Anordnung der Beleuchtungs-Optik und

Fig. 4 ein ausführlicheres Blockdiagramm der Beleuchtungs-Steuerung.

Bei einem mit Bereichsausblendung versehenen, aktiven Beobachtungsgerät wird das zu betrachtende Objekt mit sehr kurzen Lichtimpulsen beleuchtet; die Blende des Beobachtungsgeräts bleibt geschlossen, bis das vom Objekt reflektierte Licht die Kamera erreicht. Das von näheren Objekten, wie Nebel, Dunst oder Regen, reflektierte Licht gelangt zum Beobachtungsgerät ehe die Blende Öffnet und wird deshalb nicht aufgenommen. Das Verhältnis Nutzsignal : Störsignal des vom Beobachtungsgerät während der Blendenöffnung aufgezeichneten Bildes ist deshalb wesentlich höher als bei Öffnung der Blende gleichzeitig mit dem Beginn der Lichtaussendung. Wie die schematische Darstellung der Fig. 1 zeigt, entsteht bei Beobachtung mit einem aktiven (d.h. selbstbeleuchtenden) Beobachtungsgerät bei flachem Einfallswinkel, etwa von einem Flugzeug 2 aus, ein langgestrecktes beleuchtetes Feld auf der horizontalen Ebene 3. Gebräuchliche Systeme haben einen Betrachtungswinkel θ von 3,5 ; bei einem mittleren Neigungswinkel von o(= 15 und einem Nenn-Meßbereich R von 3 km wird die horizontale Ebene auf

eine Strecke von etwa 700 m beleuchtet und der Vordergrund empfängt mehr als 50 % mehr Strahlung als der Hintergrund. Das Ergebnis ist eine stellenweise Überbelichtung. Wenn die Beleuchtungsimpulse eine Dauer von 1 jus haben, müßte die Blende des Beobachtungsgeräts zur Abbildung des ganzen Bereichs für 5,6 us geöffnet werden.

Fig. 2 zeigt das variable Beleuchtungssystem, bei dem die segmentierte Beleuchtungsquelle 4 eine Anordnung von Galliumarsenid-Laserdioden enthält, die nacheinander vom Zeitgeber 8 erregt werden; die Dioden beleuchten immer kleinere

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Bereiche; die Impulse sind um die Zeit T verzögert. Dabei gilt T_n = 2 (R₁ - R_n)/C und R_n = h ■ cosec·

h ist die Höhe des ©eobachtungspunktes; R ist der Strahl zu einem beleuchteten

Flächenelement a auf der horizontalen Ebene; i> ist der Winkel des Strahles R ; η ^Γη η

C ist die Lichtgeschwindigkeit; T ist die Verzögerung in Sekunden für die Erregung der η-ten Diode gegenüber dem Erregungszeitpunkt der ersten Diode. Der Winkel ώ ist mit dem Winkel O( und dem Betrachtungswinkel θ verbunden durch die Gleichung

j,_n= <*-Jb/2- (n- 1) / (N- 1) oj .

Die Arbeitsweise der variablen Beleuchtung geschieht folgendermaßen: Ein Startimpuls kann von der Bedienungsperson verursacht oder aus dem horizontalen Synchronisierimpuls des Beobachtungsgeräts 14 (z. B. Fernsehkamera) abgeleitet werden. Der Zeitgeber 8 erhält von der horizontalen Bezugsebene 32a, auf der die Beleuchtungsquelle 4 sitzt, die Neigungswinkel-Information. Auf Leitung 40 liefert der Höhemesser 40a die Höhenangabe. Der Zeitgeber verarbeitet diese Angaben und liefert Treiberimpulse über die Leitungen 6 zur Diodenanordnung; dadurch werden nacheinander die entsprechenden Bereiche auf der horizontalen Ebene entsprechend den obengenannten Gleichungen beleuchtet. Nach einer Verzögerungszeit T = 2R../C nach dem Startimpuls der Leitung 50 wird vom Zeitgeber 8 über die Leitung 64 zum Beobachtungsgerät ein Aufblend-Impuls gegeben, durch den die Blende des Beobachtungsgerätes für eine dem Startimpuls gleiche Zeitdauer geöffnet wird.

Eine mehr ins einzelne gehende Darstellung der variablen Beleuchtungseinrichtung ist in Fig. 3 wiedergegeben. Die aufeinanderfolgenden Treiber impulse über die Leitungen 6 erregen nacheinander die Galliumarsenid-Laserdioden 22a bis 22n; das Licht für die Beleuchtung des Vordergrundes der betrachteten Fläche wird demnach später erzeugt als das für den Hintergrund. Die von der betrach-

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-teten Fläche reflektierten Strahlen erreichen also das Beobachtungsgerät 14 alle etwa zur gleichen Zeit, so daß die Ausblendzeit des Beobachtungsgeräts kürzer sein kann als es normalerweise möglich ist. Im Zeitgeber 8 wird zum Ausgleich · des Neigungswinkels des Beobachtungsgeräts automatisch die Verzögerung der Treiber in Übereinstimmung mit den obengenannten Gleichungen vorgenommen, so daß jeweils die reflektierten Strahlen ohne Einwirkung der Bedienungsperson gleichzeitig eintreffen. Jede Laserdiode 22a bis 22n des Aufbaus 20 besteht aus einer Galliumarsenid-Diode für Lichtaussendung im infraroten Bereich. Die Anordnung enthält außer den Dioden 22 optische Integratoren 24a bis 24n. Die Lichtaussendung der Laserdioden gelangt zu den Integratoren, deren Ausgangsöffnung eine gleichförmige Lichtintensität liefert. Die Linse 5 wirft die Strahlung jedes der Integratoren 24a bis 24n auf die nebeneinanderIlegenden Bereiche al

bis a auf der horizontalen Ebene 3.
η ·

Die Fig. 4 zeigt eine ausführlichere Blockdarstellung der variablen Beleuchtungsquelle. Diese sitzt auf einer horizontalen Bezugsebene 30, die eine kardanische Aufhängung und Einrichtungen zur Winkelabfühlung haben kann. Gegenüber dieser Bezugsebene werden die Beleuchtungsquellen so eingestellt, daß die Mittellinie der Beleuchtungsrichtung, die in Fig. 1 mit R_ß angegeben.ist, wählbare Winkel annehmen kann. Die von der Winkelabfühlung gegenüber der Bezugsebene kommenden Analogsignale, welche die Neigungswinkel ^₁ - ^_n darstellen, laufen über die Leitungen 32a bis 32n zu den Analog-Digitalwandlern 34a bis 34n. Die Ausgangssignale der letzteren werden den Tabellenspeichern 36a bis 36n zugeführt, welche die entsprechenden Cosecans-Werte zu den Digital-Analog-Wandlern 38a bis 38n leiten. Die gelieferten Analogsignale sind proportional dem trigonometrischen Wert.

Auf Leitung 40 kommt der Wert für die Höhe des Beobachtungspunktes herein und die Multiplizierer 42a bis 42n bilden das Produkt aus Höhe und Cosecans-Wert. Der Ausgang des Multiplizierers 42a ist der Strahl R. zwischen dem Beobachtungspunkt und dem entferntesten, beleuchteten Bereich a* auf der horizontalen Ebene 3. Der Ausgangswert des Multiplizierers 42b ist entsprechend der Strahl R~ zum zweitweit entferntesten Bereich a_. Das gleiche gilt für die übrigen Multiplizierer. In der Subtraktionsschaltung 44b wird der Wert R₂ vom Wert R₁ abgezogen,

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die Differenz gelangt zum Multiplizierer 46b, wo sie mit dem Betrag 2/c multipliziert wird. Der Ausgangswert des Multiplizierers 46b ist der Analogwert für die Verzögerungszeit T„ , welche ihrerseits zweimal die Laufzeit des Lichts für die Entfernung R₁ - R_ darstellt. Entsprechendes gilt für die Subtrahier- '

schaltungen 44c bis 44h und die Multiplikationsschaltungen 46c bis 46n der ·

Fig. 4. ν ,

Die Ausgangssignale aus den Multiplikationsschaltungen 46b bis 46njsind !

Analogsignale, die zu den steuerbaren Verzögerungen 48b bis 48n gelangen. j

Die Verzögerungsschaltungen können ein auf Leitung 50 eintreffendes Signal j

jeweils verzögern um den Betrag, der von der Größe des Analogsignals T» bis T abhängt. Das Signal auf der Leitung 50 dauert so lange wie die Blende j

des Beobachtungsgeräts 14 geöffnet werden soll. Diese Zeitdauer kann dieselbe sein wie die Leuchtdauer der Dioden. Das jeweils entsprechend verzögerte j

Signal auf Leitung 50 wird von den Treibern 52a bis 52n auf den für die Dioden ]

24a bis 24n erforderlichen Wert verstärkt. Aufgrund der Verzögerungen beim |

Auslösen der Lichtimpulse gelangt das von den Bereichen unterschiedlicher Entfernung reflektierte Licht als eine gemeinsame Wellenfront gleichzeitig auf das Beobachtungsgerät 14.

Der aus der Multiplizierschaltung 42a austretende Analogwert R, wird zur Multiplizierschaltung 60 geleitet, welche den Wert R- χ 2/c bildet und als Analogsignal T die Blenden-Verzögerung des Beobachtungsgerätes darstellt (es ist die doppelte Laufzeit des Lichtes über den Strahl R₁). Der Wert T ist ein Eingangssignal für die steuerbare Verzögerung 62, welche das Signal auf Leitung 50 um die Dauer von T verzögert; das Ausgangssignal der Verzögerung 62 gelangt auf Leitung 64 zur Steuerung der Blende zum Beobachtungsgerät 14. Diese Blende öffnet damit beim Eintreffen der Wellenfront von den Flächenelementen al bis a ; die Blende bleibt offen, solange der Impuls auf Leitung 64 anliegt.

Außer dem Ausgleich der Licht-Laufzeit von den verschiedenen Bereichen al bis a der horizontalen Ebene kann die variable Beleuchtungsquelle auch Unerschiede in der Beleuchtungsstärke ausgleichen, die zu den einzelnen

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Bereichen der horizontalen Ebene gelangen. Das wird erreicht durch die Leistungssteuerung 58; diese erhält von den Multiplizier-Schaltungen 42a bis 42n die Analogwerte R₁ bis R für die verschiedenen Strahlen vom Beobachtungspunkt zu den betreffenden Bereichen a- bis a Die Beleuchtungsstärke E, die auf ein Flächenelement der horizontalen Ebene a fällt, ist

2
proportional l/R ; dabei ist I die Lichtstärke der Lichtquelle. Um die Unter-

, schiede auf den verschiedenen Strahlen R- bis R auszugleichen, läßt die ; Leistungssteuerung 58 die Ausgangssignale der Treiber 52a bis 52n mit der ' zweiten Potenzier Länge der Strahlen R, bis R variieren. Das vom Beobachtungspunkt aus betrachtete Blickfeld auf der Ebene 3 ist also gleichmäßig ausgeleuchtet.

• Eine zusätzliche Korrektur der Bestrahlungsstärke für jedes Flächenelement j kann zum Ausgleich für Übertragungsverluste in der Atmosphäre, z.B. Streuung oder Absorption, nötig werden. Die Strahlung würde durch diese

-KR
Effekte etwa um den Faktor e ⁿ reduziert werden, wobei K der atmosphäri-

. sehe Absorptionskoeffizient ist. Durch die Verstärker 52a bis 52n kann, ge-

' 2KR

steuert von der Leistungssteuerung 58, ein Korrekturfaktor e ⁿ zugefügt

' werden; dadurch wird eine Erhöhung der Ausgangsleistung der Dioden 24a \ bis 24n hervorgerufen und der Einfluß der Atmosphäre vermindert.

Die Dauer der Blendenöffnung des Beobachtungsgerätes kann in dem vorliegenden System variiert werden, um den Beobachtungsbereich zu verändern. Die variable Beleuchtungseinrichtung ist ja synchronisiert mit der Horizontalablenkung des als Beobachtungsgerät verwendbaren Fernsehgeräts.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Beobachtungseinrichtung, bestehend aus einem Beleuchtungsgerät mit gesteuerter Beleuchtungsdauer und einem Beobachtungsgerät mit gesteuerter Öffnungsdauer der Blende,

dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unabhängig steuerbare Beleuchtungsgeräte (22a - 22n) vorgesehen sind, die unterschiedliche Bereiche des Beobachtungsfeldes beleuchten, daß die Beleuchtungsgeräte mit einer vom Winkel zwischen Beobachtungsrichtung (R ) und Beobachtungsfeld (a ) veränderlichen Verzögerung aktiviert werden und daß die Blende des Beobachtungsgerät! mit einer Verzögerung gegenüber dem Beginn der Beleuchtung geöffnet wird, die der doppelten Laufzeit des Lichts von der Beleuchtungsquelle (24n) zum entferntesten Beobachtungsfeld (a ) entspricht.

Beobachtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsgeräte (22a - 22n) mit solcher gegenseitigen zeitlichen Verzögerung betätigt werden, daß da: von den Beobachtungsfeldern (a ) unterschiedlicher Entfernung reflektierte Licht am Beobachtungsgerät gleichzeitig eintrifft.

Beobachtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärke der einzelnen Beleuchtungsgeräte (22a - 22n) abhängig von ihrem Abstand (R ) zu den zugeordneten Beobachtungsfeldern (a ) gesteuert wird.

Beobachtungseinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstärke aller Beleuchtungsgeräte (22a - 22n) abhängig von den atmosphärischen Bedingungen gemeinsam gesteuert wird.

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