DE2916195A1

DE2916195A1 - Anordnung zur bestimmung der koordinaten eines waermeobjekts

Info

Publication number: DE2916195A1
Application number: DE19792916195
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl Ing Hoffmann; Guenter Dr Ing Pusch
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1979-04-21
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1980-10-30
Also published as: FR2454628A1; FR2454628B1; GB2052907A; JPS55142203A; SE8002909L

Description

Philips Patentverwaltung GmbH, Steindamm 94, 2000 Hamburg

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'•/nor-dnung zur Bestimmung der Koordinaten eines Wärmeobjekts"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Bestimmen der Koordinaten eines Wärmeobjekts bei der Beobachtung eines Luftraumes in einem weiten Winkelbereich durch mehrere in einem Winkel zueinander angeordnete optische Kanäle mit je einem Objektiv, wobei die durch ein bewegtes Raster modulierten Bildfelder der optischen Kanäle sich in einer gemeinsamen Bildfeldebene befinden, in der den optischen Kanälen zugeo^v. : te IR-Detektoren liegen.

Eine derartige, aus der DE-OS 25 11 016 bekannte Anordnung arbeitet mit Bildfeldmodulation mittels eines regelmäßigen sogenannten Random-Raster, wodurch punktförmige Objekte aus einer großflächigen Hintergrundstrahlung herausgefiltert werden. Damit wird eine hohe Empfindlichkeit und damit eine hohe Reichweite erzielt, jedoch ist die Ortungsgenauigkeit nicht sehr hoch, da die einzelnen optischen Kanäle relativ große mechanische Ausdehnungen besitzen und deren Anzahl daher begrenzt ist. Bei einem vorgegebenen zu beobachtenden Raumwinkel umfasst daher jeder optische Kanal einen relativ großen Teilraumwinkel, der die Auflösung bzw. die Ortungsgenauigkeit bestimmt.

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Es sind auch Anordnungen bekannt, die ein Raster mit definiertem Muster verwenden. Durch Auswertung des zeitlichen Signalverlaufs des Detektorsignals kann dann das Wärmeobjekt einem Raumpunkt zugeordnet werden. Dabei hängt die Genauigkeit der Koordinatenbest5.mmung von der Bandbreite der das Detektor-eignal verstärkenden und auswertenden Elemente eb und * err .Inge rt sich sehr stark, wenn zur Premdsignal-· bi-,ΛΌ Rf/.iischunterdr'ücliiuag das Detektorsignal über längere /r.ji. aufintegj iert wird, um die Empfindlichkeii; zv>. erhöhen..

Aufgabe der· vor-J.legenden Erfindung ist es, bei einer Anordnung der eingange genannten Art eine hohe Ortungsgenauigkeit bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in jedem optischen Kanal eine Matrix von IR-Detektoren angeordnet ist und eine Auswertungseinrichtung abhängig von dem Signal entsprechend einem Wärmeobjekt liefernden IR-Detektoren die Koordinatenwerte dieses Wärmeobjekts erzeugt. Auf diese Weise wird die Ortungsgenauigkeit, d.h. die Genauigkeit der erzeugten Koordinatenwerte, entsprechend der Anzahl der IR-Detektoren in der Matrix erhöht.

Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt den Vorteil, daß die Anzahl der Kanäle mit dem komplizierten Aufbau aus vielen mechanischen Präzisionsteilen verringert werden kann, und dennoch kann die erreichte Genauigkeit gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich erhöht werden. Außerdem wird die Empfindlichkeit durch Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses verbessert, da nun das auf der Detektormatrix abgebildete Wärmeobjekt im Verhältnis zur Gesamtfläche eines IR-Detektors wesentlich größer ist. Die Erhöhung des Signal-Rausch-Abstandes folgt insbesondere daraus, daß eine großflächige Hintergrundstrahlung, die durch das Raster praktisch nicht moduliert wird, sich auf viele

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Detektorelemente verteilt, so daß die Rauschleistung verringert wird, während die Signalleistung unverändert bleibt.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert» Es zeigen:

το B'ig. 1 schematisch einen optischen Kanal

Fig. 2 eine stark vergrößerte Detektormatrix

Fig. 3 ein optisches Transformationssystem

Fig. 4 eine Auswertungseinrichtung mit einem Zähler.

Ein optischer Kanal, von denen mehrere in einem Gerät vorhanden sind, besteht nach Fig. 1 aus einer Objektivlinse 1, einem Umlenkspiegel 2, zwei Transformationslinsen 5 und 6 und einer Immersionslinse 7. In der Bildebene der Objektivlinse 1 befindet sich eine Modulationsrasterscheibe 3, die mittels eines Antriebs 4 durch das Bildfeld rotiert und beispielsweise ein Modulationsraster hat, wie es in der DE-OS 25 10 301 beschrieben ist, jedoch ohne die trapezförmigen Unterbrechungen, sondern mit einem gleichmäßig durchlaufenden Rastermuster.

Über die Transformationslinsen 5 und 6 und gegebenenfalls einer Immersionslinse 7 wird das bewegte Raster 3 auf eine Matrix 8 aus IR-Detektorelementen abgebildet, wie in Fig. vergrößert dargestellt ist. In Fig. 2 ist die Ansicht der Immersionslinse 7 von der Seite der Matrix 8 dargestellt, wo also die IR-Detektoren 8' in Reihen und Spalten angeordnet sind. Diese Detektormatrix, die gegebenenfalls aus mehreren hundert Einzeldetektoren 8' bestehen kann, wird bei Anwendung der Immersionslinse 7 direkt darauf aufgebracht. Sie kann jedoch auch, insbesondere bei Weglassen der Immersionslinse 7, auf einem gesonderten Träger angebracht sein.

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Für die IR-Detektoren 8', die beispielsweise Epitaxialdetektoren PbTe auf BaF₀ sein können, ist in Fig. 1 noch ein thermoelektrischer Kühler 9 vorgesehen, und die Detektormatrix 8 mit dem Kühler 9 ist in einem Gehäuse 10 untergebracht, das auch die Detektormatrizen der anderen optischen Kapsle aufnimmt. Die eine Linse 6 stellt gleichzeitig da.*? Fen^i-e.r dieses Detektorgehäuses 10 dar.

Das Raster· 3 besteht aus einer schachbrettförmigen Anordnung von strahlungsdurchlässigen und undurchlässigen Teilen, die zweckmäßig rautenförmige Form haben_s wobei die Begrenzungslinien der Rauten in einem Winkel von beispielsweise 30° bis 60° zur Bewegungsrichtung liegen. Die Abmessungen dieser Rauten liegen in der Größenordnung der Auflösung der optischen Anordnung, d.h. in der Größenordnung des Streukreises. Dadurch wird die Trennung der gesuchten punktförmigen Wärmeobjekte von der Hintergrundstrahlung am besten realisiert. Die einzelnen IR-Detektoren können dagegen wesentlich größer gewählt werden als die Rasterteilung, da deren Größe die Ortungsgenauigkeit bestimmt. Wenn beispielsweise angenommen wird, daß ein optischer Kanal einen Raumwinkel von 10OmR χ 10OmR erfasst, d.h. einen Raumwinkel von etwa 5° x 5°, und die Matrix 10x10 Elemente enthält, dann kann eine Ortungsgenauigkeit von + 0,25° erreicht werden.

Jedem IR-Detektor 8¹ der Matrix ist ein entsprechender Verstärker 11 nachgeschaltet, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Die Ausgänge dieser Verstärker 11 werden einer Auswertungseinrichtung 12 zugeführt, deren Ausgänge mit einer Feuerleiteinrichtung verbunden ist. Im einfachsten Falle enthält die Auswertungseinrichtung 12 nur direkte Durchverbindungen, so daß die Feuerleiteinrichtung die Koordinatenwerte, d.h. den Azimutwinkel und den Elevationswinkel, in einer 1 aus n-Darstellung erhält und daraus die entsprechenden Winkelwerte bestimmt. Dabei muß allerdings auch berücksichtigt werden, daß jeder optische Kanal eine

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solche Matrix von IR-Detektoren enthält, deren Signale dann alle der Feuerleiteinrichtung zugeführt werden. In einem praktischen Fall könnte dann beispielsweise ein Signal vom IR-Detektor Nummer 28 im Kanal 12 einem Azimutwinkel von 67° und einem Elevationswinkel von 4,5° entsprechen.

Bei einer direkten bzw. lediglich verstärkten Weitergabe der IR-Detektorsignale zur Feuerleiteinriohtung sind sehr viele Verbindungen notwendig. Um die Anzahl dieser Verbindungen zu verringern, ist es zweckmäßig, die der Feuerleiteinrichtung zuzuführenden Koordinatenwerte in eine kodierte Darstellung umzuwandeln _t z„B_c in Form von zwei Dualzahlen für die beiden Winkelwerte. Dies kann mit Hilfe eines bekannten Umkodiernetzwerkes geschehen, das aus Dioden bzw. Gatterschaltungen aufgebaut ist. Ein solches Netzwerk kann dann für jeden Kanal vorgesehen werden, \fobei die Nummer des Kanals in die Umkodierung einbezogen wird» Bei einer großen Anzahl von IR-Detektoren je Matrix und bei Verwendung vieler Kanäle steigt der Aufwand jedoch sehr stark an.

Eine zweckmäßige Ausführung der Auswertungseinrichtimg ist in Fig» 4 dargestellt. Darin ist ein Multiplexer 13 enthalten, der die Eingänge, die mit den Ausgängen der Verstärker 11 verbunden sind, nacheinander abtastet und . deren Signale seinem Ausgang zuführt» Dieser Multiplexer 13 wird von einem Zähler 14 gesteuert, der einen Zähltakt CL an seinem Zähleingang 17 erhält und damit nacheinander durch alle Zählerstellungen schaltet. Die Ausgänge der Zählstufen des Zählers 14 sind parallel mit den Steuereingängen des Multiplexers 13 verbunden, was durch die doppelt gezeichnete Verbindung angedeutet wird, und jeder Zählerstellung entspricht die Abtastung eines bestimmten Eingangs.

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Der Ausgang des Multiplexers ist mit einer Stufe 18 verbunden, die insbesondere einen Schwellwertdetektor enthält, dem jedoch noch ein analoger Verstärker vorgeschaltet werden kann, se daß die Verstärker 11 nur eine gerin- gere Vorverstärkung sowie die bekannten integrierenden Eigenschaften, st "Ve- is en müssen. Der Multiplexer 13 enthält selb.stver*i-!-;.ea>d'·. (■:--■ i_z,aloge Schalter. Sobald nun in der Stufe- IS ein oigi-sA festgestellt wird, das über dem Schwellwert 'JJ-^f'-. de- einer gerade sicheren Objekterkennung entspricht; gibt die Stufe 18 ein Ausgangssignal an das Mehrfach-UND-Gatter 15 ab und schaltet damit die Ausgänge der Zählstufen des Zählers 14, die diesem Gatter 15 zugeführt sind, auf den Ausgang 16 durch, der mit der Peuerleiteinrichtung verbunden ist. Wenn für jede IR-Matrix der einzelnen optischen Kanäle eine solche Vorrichtimg nach Fig. 4 verwendet wird, kann die Nummer des Kanals durch einen zusätzlichen Mehrfacheingang N beim Gatter 15 berücksichtigt werden, oder der Zähler 14 beginnt erst von einer Stellung entsprechend der Kanalzahl an zu zählen. Es ist jedoch auch möglich, die Auswertungseinrichtung 12 für mehrere oder alle Kanäle zu verwenden, wobei der Multiplexer 13 dann entsprechend viele Eingänge aufweisen muß, da die Abtastfolge der einzelnen IR-Detektoren 8¹ bzw. deren zugeordneten Verstärker nur langsam ist, während die Abtastgeschwindigkeit des Multiplexers 13 wesentlich schneller sein kann. Bei passender Wahl der Matrixgröße, d.h. der Anzahl IR-Detektoren je Matrix, und der Kanalzahl im Zusammenhang mit dem beim Zähler 14 verwendeten Zählkode kann die auf der Leitung 16 abgegebene Dualzahl bei Unterteilung in zwei Zahlen direkt die dualkodierten Koordinatenwerte angeben.

Die Stufe 18 kann auch mehrere Schwellwertdetektoren bzw. einen Schwellwertdetektor mit mehreren Stufen enthalten, wobei das Überschreiten der einzelnen Stufen auf der Leitung 19 ausgegeben wird, so daß daraus ein Hinweis über die Entfernung des Wärmeobjektes zu entnehmen ist.

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Claims

Philips Patentverwaltun^ until, Steindamm 94, 2000 Hamburg

PATENTANSPRÜCHE PHP 79-043

Anordnung zur Bestimmung der Koordinaten eines Wärme-Objektes bei der Beobachtung eines Luftraumes in einem weiten Wirikelbereich durch mehrere in einem Winkel zueinander angeordnete optische Kanäle mit je einem Objektiv, wobei die durch ein bewegtes Raster modulierten Bildfelder der optischen Kanäle sich in einer gemeinsamen Bildfeldebene befinden, in der den optischen Kanälen zugeordnete IR-Detektoren liegen, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem optischen Kanal eine Matrix (8) von IR-Detektoren (8¹) angeordnet ist und eine Auswertungseinrichtung (12) abhängig von dem ein Signal entsprechend einem Wärmeobjekt liefernden IR-Detektor die Koordinatenwerte dieses Wärmeobjekts erzeugt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung (12) ein elektronischer Umkodierer ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung (12) die Ausgänge der IR-Detektoren (8¹) nacheinander abtastet und aus dem Abstand vom Beginn der Abtastung bis zum Abtasten des Signals von einem IR-Detektor (8¹) entsprechend einem Wärmeobjekt dessen Koordinatenwerte erzeugt.

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4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zähler (14) in der Auswertungseinrichtung (12) die Abtastung der IR-Detektoren (8¹) durch einen Multiplexer (13) steuert und. daß ein. Ausgangs signal des Multiplexers beim Abtasten des Signals die Zählerstellung als Koordinatenwerte auf den Ausgang (16) der Auswertungseinrichtung (12) durcb. α haltet.
b. Anordnung nach Anspruch i üümf einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, d&ß die.- IR-Detektoren (8^!) um ein Vielfaches größer- al& die Teilung der Rasterung auf dem bewegten Raster (3) sind*
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormatrix (8) auf eine Immersionslinse (7) aufgebracht ist, die ein Glied einer Bildfeldtransformationsoptik (5,6,7) im optischen Kanal ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Detektoren (8¹) Epitaxialdetektoren PbTe auf BaF₂ sind.

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