DE2731739C2

DE2731739C2 - Wärmebildgerät

Info

Publication number: DE2731739C2
Application number: DE2731739A
Authority: DE
Inventors: Roderich 8000 München Rüger
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1977-07-14
Filing date: 1977-07-14
Publication date: 1984-07-12
Also published as: FR2399639B1; DE2731739A1; GB2002509B; NL7806489A; FR2399639A1; US4210807A; GB2002509A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmebildgerät mit einer Optik und einer in der Brennfläche der Optik befindlichen Detektoranordnung für Wärmestrahlung, wobei die Detektoranordnung auch aus mehreren Detektoren bestehen kann.

Wärmebildgeräte werden z. B. in Lenkständen für Panzerabwehrwaffen benutzt, um bei schlechter Sicht oder bei Nacht sonst nicht oder nur schlecht sichtbare Ziele, die jedoch Wärmestrahlung abgeben, erkennen und bekämpfen zu können. Die geometrische und die thermische Auflösung der Wärmebildgeräte soll dabei möglichst groß sein, um einerseits Ziele erkennen zu können, deren Temperatur sich nur geringfügig von der Umgebungstemperatur abhebt, und um andererseits auch Temperaturdifferenzen innerhalb des Zieles selbst aufzulösen, d. h. dieses Ziel auch identifizieren zu können.

Die Auflösungsgenauigkeit derartiger Wärmebildgeräte wird im allgemeinen mit Hilfe von Testzielen geprüft. Diese Testziele bestehen aus einer Balkenanordnung, wobei benachbarte Balken eine Temperaturdifferenz von etwa 2 K haben. Diese Testziele werden in einer bestimmten Entfernung vom Wärmebildgerät aufgestellt. Die Auflösungsgenauigkeit des Wärmebildgerätes ist dann dadurch bestimmt, ob und mit welchem Informationsinhalt das Testziel erkannt und identifiziert werden kann.

Die weiteren Ausführungen sollen an einem konkreten Beispiel erläutert werden.

Bei heute üblichen Wärmebildgeräten wird z. B. die Forderung gestellt, ein Teslziel mit 7 Balken auf 2,3 m Breite und 2 K Tempc-raturdifferenz zwischen den BaI-kcn in einer möglichst großen Entfernung aufzulösen.

Die Auflösung von optischen Geräten wird u. a. durch die Abbildungsgeometrie bestimmt, ist aber bei Wärmebildgeräten durch die relativ großen Wellenlängen stark durch Beugungseffekte beeinflußt, so daß ein im Unendlichen liegender Punkt nicht als ein solcher auf der optischen Achse des Wärmebildgerätes, sondern als Beugungsfigur als sog. Zerstreuungskreis abgebildet wird. Der Durchmesser d des Zerstreuungskreises — ausgedrückt in Milliradian — ist abhängig von der Wellenlänge A und dem Durchmesser D der verwendeten Optik und bestimmt sich zu

d =

λ- 2,44
D

Für eine in Wärmebildgeräten oft verwendete Optik mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Brennweite von ca. 330 mm ergibt sich für eine Wellenlänge von 10 μ ein Zersireuungskreisdurchmesser von 0,15 mrad oder — in Längeneinheiten umgerechnet — von 50 μ. Nahezu die gesamte von einer punktförmigen Wärmequelle im Unendlichen ausgehende Energie, und zwar etwa 85%, ist — soweit sie von der Optik erfaßt wird — in dem Zerstreuungskreis konzentriert.

Aufgrund dieser Überlegungen sind alle Wärmebildgeräte bisher so konzipiert, daß die einzelnen Detektoren in der Größe mindestens dem Zerstreuungskreis entsprechen, um so für die Detektion von Zielen den größtmöglichen Anteil der abgestrahlten Energie aufzufangen

Aufgrund der erwähnten Beugungseffekte ist das Auflösungsvermögen von Wärmebildgeräten jedoch beschränkt. Nach dem oben angegebenen Konzipierungsverfahren kann für das z. B. gewählte Gerätekonzept eine geometrische Auflösung von höchstens 0,15 mrad erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebildgerät so zu verbessern, daß bei gleichem Aufwand und unveränderter Baugröße, insbesondere der Optik, die thermische Auflösung wesentlich gesteigert wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Größe der einzelnen Detektoren kleiner als der Zerstreuungskreis der Optik und so gewählt ist, daß das Produkt aus Detektorgröße und Modulationsübertragungsfunktion des Wärmebildsystems für die gewünschte, durch die Ortsfrequenz bestimmte Auflösung des Wärmebildgerätes ein Maximum ist; hierbei ist als Ortsfrequenz die Anzahl von in gleichen Abständen aufeinanderfolgenden Strahlungsmaxima und Strahlungsminima eines angepeilten Testzieles pro Milliradian und als Modulationsübertragungsfunktion des Wärmebildsystems bzw. des Detektors der Anteil des von allen Komponenten des Wärmebildsystems, wie Optik oder Detektor, aufgelösten Informationsinhalts der jeweils einfallenden Wärmestrahlung definiert.

Gemäß der Lehre der Erfindung ergibt sich das überraschende Ergebnis, daß die Detektorgröße sehr wohl kleiner als der Zerstreuungskreis sein kann, und daß dabei trotzdem die thermische Auflösung des Wärmebildsystems größer ist als bei bekannten Wärmebildgeräten.

Es wird demnach gemäß der Erfindung bewußt darauf verzichtet — und insoweit ein Vorurteil der Fachwelt überwunden —, den Inhalt der in das Wärmebildgerät einfallenden Wärmestrahlung innerhalb des Zerstreuungskreises mit dem Detektor aufzufangen und auszuwerten, da hierdurch, wie im folgenden gezeigt wird, die thermische Auflösung des Wärmebildgerätes und damit die Zielerkennungsreichweite überraschen-

derweise verbessert wird.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß die Optik und der Detektor jeweils unterschiedliche geometrische Auflösungsvermögen und damit unterschiedliche Modulationsübertragungsfunktion;n aufweisen. Diese Tatsche ist zwar als solche bekannt, vgl. z. B. Lloyd »Thermal Imaging Systems«, Plenum Press N. Y. 1975, S. 99 ff; in diesem Buch sind auch die im folgenden zitierten Gleichungen, zumindest teilweise, abgeleitet, so daß hier auf die entsprechenden Seiten in diesem Buch verwiesen wird. Die hieraus gemäß der Erfindung gezogenen Schlußfolgerungen gehen jedoch daraus nicht hervor.

In Fig. 1 ist die Modulationsübertragungsfunktion MTFo, einer beugungsbegrenzten Optik mit den oben angegebenen Daten, d. h. mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Brennweite von 330 mm, in Prozentwerten für eine Wellenlänge von 10 μ über der Ortsfrequenz, dargestellt als Anzahl der Strahlungsmaxima und Strahlungsminima bzw. der Balken eines Vestzieles pro mrad (Lp/mrad) aufgetragen. Zur Verdeutlichung sind unterhalb der Abszisse noch die Testgitterbalkenbreite in Milliradian (mrad/L) und die Testgitterentfernung in Metern aufgetragen.

In F i g. 2 ist die (räumliche) Modulationsübertragungsfunktion MTF₀ von Detektoren für verschiedene in Milliradian ausgedrückte Detektorgrößen ebenfalls über der Ortsfrequenz, der Testgitterbalkenbreite und der Testgitterentfernung aufgetragen.

Für in Wärmebildgeräten mit der genannten Optik üblicherweise verwendete Detektoren mit einer Detektorgröße von >0,15 mrad, entsprechend einer Kantenlänge von >50μ, ist aus den Diagrammen der Fig. 1 und 2 zu ersehen, daß die Nullstelle der Modulationsübertragungsfunktion bei einer Ortsfrequenz von etwa 6,6 Lp/mrad entsprechend 0,075 mrad Testgitterbalkenbreite liegt.

Bei dieser Ortsfrequenz hat die Optik jedoch noch eine Modulationsübertragungsfunktion ca. 48%. Für einen Detektor mit der halben Kantenlänge, entsprechend einem Detektordurchmesser von 0,075 mrad, liegt die Nullstelle der Modulationsübertragungsfunktion bei der doppelten Ortsfrequenz, nämlich bei ca. 13,3 Lp/_mrad entsprechend 0,035 mrad Testgitterbalkenbreite. Für diese Ortsfrequenz ist die Modulationsübertragungsfunktion der Optik etwa 9%. Dies bedeutet, daß die Modulationsübertragungsfunktion von Detektoren für eine bestimmte Ortsfrequenz in Richtung kleinerer Detektorgrößen größer wird. Dieser Erhöhung der Modulationsübertragungsfunktion muß jedoch dem Verlust des Übertragungsinhalts, d. h. dem Signal-Rauschverhältnis durch die Verkleinerung des Detektors, gegenübergestellt werden.

Hierzu ist es notwendig, einige Gleichungen aufzustellen. So ist die Modulationsübertragungsfunktion des Detektors bestimmt durch (a. a. o. S. 89, Gl. 3.31) NET =

al- M*

Hierin ist

Ad die Detektorfläche,
AB die rauschäquivalente Bandbreite, Do der Optikdurchmesser,

M* die Detektorkennzahl, die die Empfindlichkeit des ίο Detektors und des Wärmebildgerätes bestimmt.

Die Gleichung (3) beschreibt lediglich die apparative rauschäquivalente Temperaturauflösung, wobei nicht berücksichtigt ist, daß das Wärmebildgerät die aufgelö-

sten Signale auf einen Bildschirm überträgt, der von einer Bedienungsperson beobachtet wird. Die Bedienungsperson hat, wie bekannt, die Fähigkeit, die auf dem Bildschirm erscheinenden Signale durch die räumlichen und zeitlichen Integrationseigenschaften des Auges

nochmals auszuwerten. Dies kann berücksichtigt werden, wenn die Verknüpfung der rauschäquivalenten Temperaturauflösung NET und der Modulationsübertragungsfunktion des Detektors als Funktion der Detektorgröße durch die minimal auflösbare Temperatur-

differenz AtffiTausgedrückt wird (a. a. o. S. 190, Gl. 5.58):

MRT

3-NET-a_D- f_T

In dieser Gleichung bedeuten:

F die Bildfrequenz des Wärmebildgerätes,

fr die Ortsfrequenz des Zieles.

AB die rauschäquivalente Bandbreite,

die Verweilzeit des Detektorelementes im mom. Sehfeld (Dwelltime),

MTFs die Modulationsübertragungsfunktion des aus Optik und Detektor und weiteren Komponenten, wie Elektronik etc., bestehenden Wärmebildsystems,
die Augenintegrationszeit (ca. 0,2 see)

Setzt man in die Gleichung (4) die Formel für die rauschäquivalente Temperaturauflösung NETaus Gleichung (3) und für die dort vork· »mmende rauschäquivalente Bandbreite AB den Ausdruck

A_R- \ —

N-F 2 ■ η

ein, wobei mit η die Detektoranzahl der gesamten Detektoranordnung und mit N die Zahl der Bildpunkte sowie mit Fdie Bildfrequenz des Wärmebildgerätes bezeichnet ist, so ergibt sich für die minimal auflösbare Temperaturdifferenz MRTd\e Gleichung

MTF_D

sin (π ■ g_D- f_T) π- a_D- f_T

MRT =

const. ■ f ■ /τ

Dh -Vn-M*- MTF_S ■

In dieser Gleichung ist mit tx_D die Detektorgröße im Winkelmaß, d. h. in Milliradian und mit f_T die Ortsfrequenz des Zieles bezeichnet. Das obenerwähnte Signal-Rauschverhältnis ist umgekehrt proportional zur rauschäqiiivalenten Temperaturauflösung NET, die durch folgende bekannte Gleichung bestimmt ist (a. a ο S. 176):

Hierbei ist berücksichtigt, daß der Ausdruck AB ■ m eine Konstante und die Winkelausdehnung des Detektors

mit /;i!s Brennweite der Optik ist.

Aus dieser Gleichung geht hervor. d;iß dir minim:>l

auflösbare Temperaturdifferenz am kleinsten wird, wenn \i~Äo ■ MTFe'in Maximum wird.

Die optimale Detektorgröße ergibt sich also für eine bestimmte Ortsfrequenz, wenn der Ausdruck

MTFs

(7)

ein Minimum wird.

Hierbei wurde die zutreffende Annahme vorausgesetzt, daß die Bildpunktanzahl Nproportional IM», d. h. proportional zur umgekehrten Detektorfläche ist.

Bei etwa 3000 m Reichweite und bei einem Testziel mit 7 Balken auf einer Breite von 2,3 m hat die durch die Detektorgeometrie gegebene Modulationsgröße für einen Detektor mit 0,15 mrad, entsprechend 50 μ Detektorkantenlänge, den Wert Null, vgl. Fig. 2; für 0,1 mrad, entsprechend 35 μ, 10%; für 0,075 mrad, entsprechend 25 μ, 40%; für 0,05 mrad. entsprechend 17,5 μ, 70% und für 0,0375 mrad, entsprechend 12,5 μ, 82%. Berechnet man das Produkt aus der Wurzel der Detektorfläche, d. h. der Kantenlänge des Detektors in Milliradian, und der Modulationsübertragungsfunktion des Wärmebildsystems für diese Werte, so sieht man, daß dieses Produkt ein Maximum bei etwa 0,05 mrad hat.

In Fig.3 ist für eine Optik mit den obengenannten Daten derjenige Detektordurchmesser in Milliradian über der Ortsfrequenz aufgetragen, für die das erwähnte Produkt jeweils ein Maximum hat. Der Verlauf der Kurve in Fig.3 ist abhängig vom Verlauf der MTFs-Funktion; hier ist diiese als Produkt der MTF-Funktion des Detektors und derjenigen der Optik aufgenommen.

Aus dieser Figur ist z. B. ersichtlich, daß für eine Ortsfrequenz 6, was einer Testgitterentfernung von 2 km entspricht, der optimale Detektordurchmesser etwa 0,075 mrad beträgt. Dieser Durchmesser ist demnach nur ungefähr halb so groß wie der bisher in Wärmebildgeräten mit einer Optik mit den obengenannten Daten verwendete. Gleichwohl wird hierdurch die thermische Auflösung des Wärmebildgerätes verbessert.

Durch die Anpassung der Detektorgröße gemäß der Erfindung kann daher die Reichweite von Wärmebildgeräten bei unveränderter Baugröße und ohne höheren Aufwand beträchtlich erweitert werden. Lag bei einem Detektor mit 0,15 mrad Durchmesser die Reichweite bisher bei etwa 1700 m, wenn man annimmt, daß das Wärmebildgerät noch einen Informationsinhalt von lO°/o der ursprünglichen Information auswerten kann, so liegt bei einem Wärmebildgerät gemäß der Erfindung mit einem Detektordurchmesser von 0,075 mrad diese Reichweite bei etwa 3000 m_T wie man aus den Fig. 1 und 2 jeweils durch Multiplikation der entsprechenden Werte für die Modulationsübertragungsfunktion der Optik und derjenigen des Detektors entnehmen kann.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmebildgerät mit einer Optik und einer in der Brennfläche der Optik befindlichen, aus einem oder mehreren Detektoren bestehenden Detektoranordnung für Wärmestrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe (A_D) der einzelnen Detektoren kleiner als der Zerstreuungskreis der Optik und so gewählt ist, daß das Produkt aus Detektorgröße (Ad) und Modulationsübertragungsfunktion (MTFs) des Wärmebildsystems für die gewünschte, durch die Ortsfrequenz (f) bestimmte Auflösung des Wärmebildgerätes ein Maximum ist; hierbei \tx als Ortsfrequenz die Anzahl von in gleichen Abständen aufeinanderfolgenden Strahlungsmaxima und Strahlungsminima eines angepeilten Testzieles pro Milliradian (Lp/mrad) und als Modulationsübertragungsfunktion (MTF)des Wärmebildsystems bzw. des Detektors der Anteil des von allen Komponenten des Wärmebildsystems, wie Optik oder Detektor, aufgelösten Informationsinhalts der jeweils einfallenden Wärmestrahlung definiert

2. Wärmebildgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsübertragungsfunktion (MTFs) des Wärmebildsystems angenähert ist durch das Produkt der Modulationsübertragungsfunktionen der Optik (MTFo) und des Detektors (MTFd).

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