DE2730499B2 - Infrarot-Ortungssystem - Google Patents

Infrarot-Ortungssystem

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S.A. De Telecommunications, Paris
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Description

Die Erfindung betrifft ein Ortungssystem, um die Lage einer Infrarot-Strahlungsquelle gegenüber einer optischen Achse zu ermitteln, das ein Fokussierungsobjektiv, ein Abtastgerät für eine lineare Abtastung, einen in der Fokalebene des Objektivs liegenden Infrarotdetektor und ein Datenverarbeitungsgerät für die ι Ausgangssignale des Detektors umfaßt, um Signale zu erhalten, die für die Koordinaten X und V der Infrarotquelle in einem auf die optische Achse ausgerichteten Achsensystem charakteristisch sind.
Ein derartiges System wird insbesondere für iie zum Zwecke einer Fernlenkung dienenden Lagebestimmung
eines Projektils verwendet, wobei in diesem Fall die
Infrarotquelle von einem von dem Projektil getragenen
pyrometrischen Signalgeber gebildet wird
Ein bekanntes System dieser Art (J.M. Lloyd
ΐί »Thermal Imaging Systems« 1975, S. 329-337) enthält ein Fokussierungsobjektiv, ein Abtastgerät für eine lineare Abtastung und einen in der Fokalebene des
Objektivs liegenden Detektor, der aus einem Streifen
von Elementardetektoren gebildet ist, der quer zur
Abtastrichtung liegt. Der Moment, in dem der Detektor
die Strahlung der Strahlungsquelle empfängt und einen
Impuls abgibt, liefert nach einer entsprechenden Datenaufbereitung die Koordinate entsprechend der Abtastrichtung, und der Rand des die Strahlung
empfangenden Elementardetektors liefert die andere
Koordinate.
Der »Rang eines Elementardetektors« bestimmt in einem Mosaik aus diskreten Elementardetektoren eindeutig die Stellung der Ordnungsnummer senkrecht μ zur Abtastrichtung. Wenn man daher den Rang eines von der Strahlung beaufschlagten Elementardetektors kennt, läßt sich daraus die Koordinate der Strahlungsquelle entsprechend der Achse senkrecht zur Abtastrichtung ableiten.
Eine derartige Detektoranordnung ist aufwendig, da sie eine große Anzahl von Elementardetektoren aufweist.
Die derartigen Detektoren nachgeschalteten Elektronikschaltungen sind ebenfalls sehr komplex, da jeder Detektor seine eigenen Ausgangsansch/üsse benötigt.
Der Erfindung liegt die Aufgpbe zugrunde, ein Infrarot-Ortungssystem zu schaffen, welches nicht mit diesen Nachteilen behaftet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße System dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotdetektor zwei fadenförmige Detektorelemente aufweist, die weder zur Abtastrichtung noch untereinander parallel liegen, und daß das Abtastgerät Einrichtungen enthält, um dem Datenverarbeitiingsgerät zuführbare Impulse abzugeben, die den zeitlichen Anfangspunkt, das Ende einer Abtastperiode und einen Bezugsimpuls definieren, der von der Anordnung der Detektorelemente abhängig ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Prinzipschema des erfindungsgcmüßen Ortungssystems,
F i g. 2 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der Detektoranordnung, m> F i g. 3 in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform des Abtastgerätes,
F i g. 4 ein Blockschaltbild des numerischen Datenverarbeitungsgerätes, das die Lage der Strahlungsquelle angibt,
Fig.5 ein Blockschaltbild eines Filterkreises, der einen Teil des in Fig.4 dargestellten Datenverarbeitungsgerätes bildet und
F i g. 6 in dem Datenverarbeitungsgerät auftretende
verschiedene Signale bzw. Impulse.
Das in F i g. 1 dargestellte Ortungs- bzw. Entfernungsmeßsystem, das zur Lagebestimmung einer Infrarot-Strahlungsquelle dient, umfaßt eine Fokussierungslinse 10, beispielsweise aus Germanium, einen Infrarotdetektor 12, der in der Brennebene der Linse 10 liegt und im folgenden noch beschrieben wird, ein Abtastgerät 11 für eine Abtastung in Richtung des Pfeiles ν und ein numerisches Datenverarbeitungsgerät 13, das, ausgehend von den Ausgangssignalen des Infrarotdetektors 12 und den von dem Abtastgerät erzeugten Bezugsimpulsen, elektrische Größen liefert, die proportional den Koordinaten X, Ydes Bildes Aider Infrarot-Strahlungsquelle in der Detektorebese sind
Die Detektoreinrichtung 12 ist mehr ins Detail gehend in Fig.2 dargestellt Sie umfaßt in ihrer allgemeinen Form zwei fadenförmige Detektorelemente 21 und 22, die beispielsweise aus HgCdTe bestehen und nicht parallel zueinander verlaufen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die fadenförmigen De'.ektorelemente 21 und 22 unier einem Winkel « = 45° gegeneinander geneigt und symmetrisch gegenüber der Achse Oy angeordnet, die senkrecht zur Abtastrichtung ν liegt Um einen allgemeinen bindruck zu vermitteln, wird darauf hingewiesen, daß der Abstand Afo von dem Koordinatennullpunkt O zu dem Schnittpunkt der Detektorelemente 21 oder 22 mit der Achse x'x, wobei dieser Schnittpunkt in der Mitte des jeweiligen Deteklorelementes liegt, in der Praxis in der Größenordnung von 1 mm ist.
Eine einfache Rechnung zeigt, daß die Koordinaten (X, Y) des Bildes der Quelle von den von den Detektorelementen 21 und 22 erzeugten Impulsen I1,12 abgeleitet werden.
Es wird davon ausgegangen, daß zum Ausgangszeitpunkt I = O das Abtastgerät einen Bezugsimpuls a0 aussendet bzw. abgibt.
Eine Quelle, deren Bild in der Ebene des Detektors gleich M (X, Y) ist, wird von dem Detektorelement 21 zum Zeitpunkt fi
X-(X0+ Vtg λ) = Wi.
und von dem Detektorelement 22 zum Zeitpunkt {2
X+(xo+ Vta λ) = Vi2
erfaßt bzw. angezeigt Im vorliegenden Fall bei« = 45° und somit tg α = 1 erhält man
2 K= vrf2-/1-2/0),
wobei Λο = v/o ist.
Die Berechnung von X und Y erfordert demzufolge zusätzlich zu den von dem Detektor 12 gelieferten Impulsen /1, /2 ..'inen Bezugsimpuls ao, der den Zeitnullpunkt gibt, einen Bezugsimpuls /0 zur Zeit / = ίο und schließlich einen Impuls If, um das Ende einer Abtastperiode zu definieren bzw. zu bestimmten.
Diese Impulse werden dem Datenverarbeitungsgerät 13 bei jeder Abtastperiode von dem Abtastgerät U geliefert, das im folgenden an Hand von Fig.3 beschrieben wird. Dieses Abtastgerät 11 liefert außerdem in vorteilhafter Weise an das numerische Verarbeitungsgerät einen Takt- bzw. Zeitgeberimpuls H.
Das Abtastgerät 11 umfaßt einen Diasporameteranalysator, der aus Prismen ?4, 25 höheren Index gebildet ist, die um die gleiche Achse in umgekehrter Drehrichtung angetrmben werden. Dem Diasporameter ist ein Imkvementalkodierer 26, der von einer mit einem der Prismen festverbundenen Lochscheibe gebildet ist, und eine optoelektronische Einrichtung zugeordnet, die aus einer Lichtquelle 27 und zwei Photodetektoren 28a und 286 besteht.
Dem Photodetektor 28a liegen drei Löcher 27a gegenüber, die jeweils dazu dienen, die Impulse a, /o und Ir zu erzeugen, und zwar im Hinblick darauf, daß eine vollständige Umdrehung eines Prismas einer Abtastperiode in einem bestimmten Sinn entspricht, wobei die Verteilung dieser Löcher auf der Scheibe 26 sich direkt von der Anordnung der Detektorelemente 21 und 22 ableitet, sobald einmal der zeitliche Nullpunkt festgelegt ist (in der Mitte der Abtastperiode gemäß F i g. 2). Man kann inan sich selbstverständlicher Weise ihre Größe variieren, um die Diskrimination bzw. Unterscheidung zwischen den am Ausgang des Photodetektors 28a erhaltenen Impulse zu erleichtern. (Schaltungen, die eine derartige Diskrimination bzw Unterscheidung bewirken, sind üblich und brauchet! daher nicht mehr beschrieben zu werden.)
Dem Photodetektor 286 liegt demgegenüber eine größere Anzahl von Löchern 276 gegenüber, die gleichmäßig verteilt sind, da die Ausgangsimpulse des Photodetektors 286 einen Takt- bzw. Zeitgeberimpuls H darstellen, der in der noch zu beschreibenden Weise in dem numerischen Verarbeitungsgerät 13 verwende! wird.
Jo Diese Vereinigung eines Diasporameters mit einer Kodierscheibe ist möglich, da ein Diasporameter bei einem sehr geringen Abtastfeld einen beträchtlichen Winkelbereich durchläuft. Indem man auf diese Weise einen internen Taktimpuls schafft, erhält man die
)j Genauigkeit für die berechneten Werte X und Y, und zwar unabhängig von der Stabilität bzw. von der Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit der Abtastgeschwindigkeit v. Wenn man andererseits für das Gerät 131 einen äußeren Taktimpuls verwenden würde, wurden
4(i Veränderungen dieser Abtastgeschwindigkeit die Genauigkeit nachteilig beeinflussen.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig.4 das numerische Verarbeitungsgerät 13 beschrieben, das die Koordinaten X und Y der aufzufindenden bzw. zu
Vi untersuchenden Quelle liefert.
Dieses Gerät 13 enthält an erster Stelle eine bistabile Schaltung 31, die den Impuls ao empfängt, zwei bistabile Schaltungen 32 und 33, die über die noch zu beschreibenden Filterkreise 70 bzw. 71 die Impulse /ι, h
V) empfangen, und eine bistabile Schaltung 34, die den Impuls /o empfängt, wobei alle bistabilen Schaltungen 31 bis 34 an ihrem Nullsiellungseingang den Impuls .7 empfangen. Die entsprechenden Ausgangssignale a, bo, 6|, 62 jind in Fig.6 dargestellt, wobei Udem Impuls U
« entspricht.
Diese Signale und die konjugierten Signale werden über den symbolisiert dargestellten Anschlußblock 38 in der in F i g. 5 dargestellten Weise den UND-Gattern 41, 4Γ, 42,42', 40 zugeführt.
ho Außer diesen Signalen empfangen die genannten Gatter auch die Signale c, d, e oder f, die von einem Ringzähler 45 stammen, der seinerseits den Impuls If empfängt. Diese Signale sind in F i g. 6 dargestellt, aus der man erkennt, daß es sich um Rechtecksignale mit
irf der Dauer einer At tastperiode handelt, wobei diese Signale jeweils gegeneinander versetzt sind. Die Folgefrequenz dieser Signale entspricht demzufolge einem Viertel der Abtastfrequenz.
Die Ausgangssignale Q, Ci der Gatter 41, 42 haben nur dann einen Rechteckimpuls, wenn U und h positiv sind, und die Ausgangssignale C'\, Ci der Gatter 41', 42' haben nur dann einen Rechteckimpuls, wenn t\ und h negativ sind. Bei dem dargestellten Beispiel (U <0 und f2>0) haben nur die Signale C\ und Ci Bereiche über dem logischen Niveau 1, während Q und C'i immer 0 sind.
Infolge ihrer Kombination mit den Signalen c, d, e, f haben die Signale C\ und Ci, so wie es in F i g. 6 dargestellt ist, nur alle vier Perioden einen Rechteckimpuls, und das Signal G> hat alle vier Perioden zwei aufeinanderfolgende Rechteckimpulsc aufgrund dessen, daß das Gatter 40 das Signal empfängt, das von dem ODER-Gatter 48 stammt, dem die Signale e und f zugeführt werden.
Die Ausgangssignale der UND-Gatter werden über den symbolisiert dargestellten Anschlußblock 49 den Zäiiieiii 50 uiiu 60 für Vurwäiis- und Rückwäriszähiung zugeführt, wobei diese Ausgangssignale in geeigneter Weise mittels der ODER-Gatter 52, 53 und 62, 63 kombiniert werden.
Die Zähler 50 und 60 empfangen den Takt- bzw. Zeitgeberimpuls H. der von dem in F i g. 3 dargestellten Abtastgerät erzeugt wird. Die Taktimpulse werden nur addiert oder subtrahiert, wenn der jeweilige Zähler 50 (oder 60) dazu von den von dem sogenannten ODER-Gattern stammenden Signalen autorisiert ist.
Die Signale C\ und Ct, die, wie man gesehen hat, nur dann Rechteckimpulse aufweisen, wenn t\ oder I2 positiv sind, werden an die Addiereingangsklemme 55 des Zählers 50 angelegt. Umgekehrt werden die Signale C\, C'2, die die Rechtecke bilden, wenn t\ und ^ negativ sind, an die Subtrahiereingangsklemme 56 angelegt.
Wenn man voraussetzt, daß bei dem beschriebenen Beispiel fi negativ ist, ermöglicht das Signal C\ während der ersten Abtastperiode (Rechteckimpuls des Signals c) einen Subtrahierschritt. Dabei ist zu berücksichtigen, daß C\ = 0 ist, wenn t\ negativ ist. Während der zweiten Periode (Rechteckimpuls des Signals J) ermöglicht das Signal C2 einen Addierschritt.
Der Zähler 50 bewirkt insgesamt die algebraische Addition t\ + !2, d. h. er liefert die Koordinate X in Form einer bestimmten Impulsanzahl, und zwar alle vier Abtastperioden.
Der Zähler 60 führt in vergleichbarer Weise für jede Berechnung von Ydie Operation t2-U-2tn durch. Er empfängt während der ersten Abtastperiode das Signal C'\ an seiner Addierklemme 65 und das Signal C\ an seiner Subtrahierklemme 66. Während der zweiten Periode empfänpt er das Signal C2 an seiner Addierklemme und Signal C'2 an seiner Subtrahierklemme. Er empfängt demzufolge während der dritten und vierten Perioden (Rechteckimpulse der Signale e und f) ah seiner Subtrahierklemme das Signal Co-
Die Zähler 50 und 60 liefern auf diese Weise in numerischer Form die Koordinaten X und Y, was für eine eventuelle Datendarstellung interessant ist oder im Hinblick auf Rechnungen mittels numerischer Rechner.
Es wird nunmehr der Filterkreis 70 beschrieben, der den Impuls I\ empfängt und der der bistabilen Schaltung 32 vorgeschlatet ist. Der Filterkreis 71, der den Impuls /2 empfängt ist mit dem Filterkreis 70 identisch.
Der Filterkreis 70 läßt den Impuls /1 nur dann passieren, wenn er im Inneren von zeitlich genau festgelegten Echtheits- bzw. Gültigkeitsfenstern ausgesendet wird, derart, daß allein die Infrarot-Strahlungsquelle, die man verfolgt, in der Praxis von der
Vorrichtung bzw. dem System erfaßt wird.
Diese Echtheits- bzw. Gültigkeitsfenster sind wie folgt definiert: Wenn man als In den Zeitraum bezeichnet, der zwischen dem Aussenden eines Impulses s l\ während der /Men Abtastperiode und dem folgenden Impuls I/ liegt, wobei die Größe In die Position von I, charakterisiert, wird der erwartete Wert für /„+1 gleich
tn+(tn-t)
sein, wobei die Größe bzw. Breite des auf diesen Wert ausgerichteten Fensters im beschriebenen Beispiel proportional zu
ist und
ff*-in-1)
2(t„-tn ,)
beträgt. Dieser Wert hat den Vorteil, daß er in einfacher Weise numerisch behandelt werden kann. Es ist zu erwähnen, liaB ein derartiges Fenster sehr schmal im und demzufolge eine ausgezeichnete Filterung gewährleistet. Eine derart geringe Größe ist nur möglich, weil der für das Funktionieren der Schaltung notwendige Taklimpuls von dem Abtastgerät 11 geliefert wird, so daß man Veränderungen in der Abtastgeschwindigkeit
> ι nicht zu berücksichtigen braucht.
Die Gültigkeit bzw. Echtheit von /1 wird sichergestellt durch ein Echtheits- bzw. Gültigkeitssignal A. das währen,» der Dauer eines Fensters die Größe »Eins« und außerhalb davon die Größe »Null« hat. Dieses
»ι Signal A wird dem Gültigkeits-UND-Gatter 75 zugeführt, das auch den Impuls l\ empfängt.
Die für das Güitigkeits- «zw. Echtheitsfenster gegebene Definition führt zu einer Begrenzung des Fensters zwischen den Momenten i„und
'' tn+2(t„-t„-l).
Um das Signal A zu erhalten, genügt es demzufolge, einer bistabilen Schaltung 80 zwei Impulse jeweils zu den Momenten i„und
4" 1, + 2(In-In-,)
zuzuführen.
Diese Impulse werden in der folgenden Weise mittels der dargestellten Schaltung erhalten.
Die bistabile Schaltung 32 liefert das Signal 61. das. wie es in Fig.6 dargestellt ist, zwischen A und //den Zustand »Eins« einnimmt, d. h. während der Zeit In. Das Signal b\ setzt einen Zähler 81 in Bereitschaft, der seine Takt- bzw. Zeitgeberimpulse H von dem Abtastgerät 11
ίο empfängt.
Die Funktionsweise der Einzelelemente des r ilterkreises 70 wird andererseits durch die Signale c. J, e. f synchronisiert, die von dem Ringzähler 45 des in F i g. 4 dargestellten Kreises stammen und in F i g. 6 dargestellt sind.
Die Schaltung umfaßt drei Register 82, 83, 84, in denen jeweils die Werte In, 2t„ und 2f„+i gespeichert sind, eine Weiche bzw. Abzweigung 85 und zwei Zähler 86 und 87 für Vorwärts- und Rückwärtszählung, die
bo ebenfalls die von dem Abtastgerät stammenden Taktbzw. Zeitgeberimpulse empfangen. Die Betriebsweise ist wie folgt: Während der Dauer des Signals c zählt bzw. berechnet der Zähler 81 die Größe In. Am Ende des Signals c wird der Wert t„ in das Register 82 übertragen und der Wert 2f„ in das Register 82, welches an das Register 84 den Wert 2f„_i entsprechend der vorangegangenen Abtastperiode überträgt.
Die Weiche bzw. Abzweigung 85 ist an alle diese Register angeschlossen und wird von den Signalen c, d. e. f derart gesteuert, daß In während (c und d, 2t„ während e^und 2t„-\ während /übertragen wird.
Während des Signals d subtrahiert der Zähler 86 ausgehend von 2tm und der Zähler 87, der an seiner Addierklemme C das Signal d empfängt, zählt von Beginn des Signals (/bis zum Nulldurchgang des Zählers 86.
Während des Signals e subtrahiert der Zähler 86 ausgehend von /m und der Zähler 87, Her an seiner Addierklemme das Signal ..· empfängt, zählt vom Beginn des Signals c bis /um Nulldurchgang des Zählers 86. Während des Signals f subtrahiert der Zähler 86 ausgehend von 2r„ \. und der Zähler 87, der an seiner
Subtrahicrklcmmc Ddas Signal /empfängt, subtrahiert vom Beginn des Signals f bis zum Nulldurchgang des Zählers 86.
Zum Beginn des folgenden Signals c wird /„ in den Zähler 86 übertragen, und die Zähler 86 und 87 subtrahieren dann bzw. werden dann im Sinne einer Rückwärtszählung tätig. Die dem Nulldurchgang der Zähler 86 und 87 entsprechenden Impulse werden demzufolge zu den Zeiten /„und
l„ + 2t„-2l„-,
gesendet b/.w. weitergeleitet. Diese Impulse werden der bistabilen Schaltung 80 zugeführt, die das Gültigkeitsbzw. Echtheitssignal A abgibt.
} Hkiu Zci

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Ortungssystem, um die Lage einer Infrarot-Strahlungsquelle gegenüber einer optischen Achse zu ermitteln, das ein Fokussierungsobjektiv, ein Abtastgerät für eine lineare Abtastung, einen in der Pokalebene des Objektivs liegenden Infrarotdetektor und ein Datenverarbeitungsgerät für die Ausgangssignale des Detektors umfaßt, um Signale zu erhalten, die für die Koordinaten X und Y der Infrarotquelle in einem auf die optische Achse ausgerichteten Achsensystem charakteristisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarotdetektor (12) zwei fadenförmige Detektorelemente (21,22) aufweist, die weder zur Abtastrichtung noch untereinander parallel liegen, und daß das Abtastgerät (11) Einrichtungen enthält, um dem Datenverarbeitungsgerät (13) zuführbare Impulse abzugeben, die den zeitlichen Anfangspunkt, das Ende einer Abtastperiode und einen Bezugsimpuls definieren, der von der Anordnung der Detektorelemente (21, 22) abhängig ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenverarbeitungsgerät (13) Einrichtungen, um Rechteckimpulse zu erzeugen, die jeweils den von den Detektorelementen abgegebenen Impulsen und dem Bezügsimpuls zugeordnet sind, wobei diese Signale eine Dauer haben, die gleich dem Intervall ist, welches die jeweiligen Impulse von dem zeitlichen Anfangsimpuls trennt, wobei diese Rechtecksignale jeweils in einer anderen Abtastperiode liegen, zwei Zähler (50, 60) für Vorwärts- und Rückwärts .ählung, und Einrichtungen enthält, um die genannten Rechtecksignale zu kombinieren und jeweils der» '.ählern (50,60) für die Berechnung der Koordinaten X und Y zuzuführen.
3. System nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastgerät (11) einen Diasporameter-Analysator enthält, der einen Inkrementalkodierer (26) in Rotation versetzt, wobei die von diesem Inkrementalkodierer gelieferten Impulse als Taktbzw. Zeitgeberimpulse für die Zähler (50,60) dienen.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es einen dem Detektor (12) zugeordneten Filterkreis (70) umfaßt, um den Impuls zu sperren, der von dem Detektor während der /-ten Abtastperiode abgegeben wird, wenn der Abgabezeitpunkt t„ außerhalb eines zeitlichen Fensters liegt, das diese /-te Abtastperiode begrenzt, wobei das der (n+l)-ten Periode zugeordnete Fenster auf den Zeitpunkt
tn + (tn-tn\)
ausgerichtet ist und eine Größe k (t„-1„.\) aufweist, wobei k eine positive Zahl ist, und daß die Zeitpunkte t„.\, („und /„+) innerhalb der jeweiligen Abtastperiode berechnet bzw. gezählt werden, und daß der Filterkreis (70) von dem Inkrementalkodierer (26) mit Takt- bzw. Zeitgeberimpulsen speisbar ist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wert k gleich 2 zugrunde gelegt ist
DE2730499A 1976-07-08 1977-07-06 Infrarot-Ortungssystem Expired DE2730499C3 (de)

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FR7620947A FR2357864A1 (fr) 1976-07-08 1976-07-08 Dispositif d'ecartometrie infra-rouge
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DE2730499A1 DE2730499A1 (de) 1978-02-16
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