DE2951592A1

DE2951592A1 - Verfahren und vorricntung zum ueberwachen eines grossen raumwinkels

Info

Publication number: DE2951592A1
Application number: DE19792951592
Authority: DE
Inventors: Georg 6901 Dossenheim Kurotschka; Dipl.-Ing. Dr. Hans 6901 Wiesenbach Siebecker
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1981-07-02
Also published as: FR2472191B1; FR2472191A1; DE2951592C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines großen Raumwinkcls, bei dem die von einem interessierenden Objekt abgestrahlte elektromagnetische Strahlung durch ein bewegtes Abtastelement, feststehende Umlenkelemente und ein Eingangsobjektiv - nach Art eines sogenannten Linescan-Systems - auf wenigstens ein Empfangselement geführt wird, das - nach einer optoelektronischen Umwandlung und Verstärkung - der Aufzeichnung eines Bildes dienende optische Signale liefert.

Ein solches Gerät ist Gegenstand der DE-PS l6 23 425. Das hierbei verwendete Abtastelement rotiert, so daß ein relativ großer Teil seiner Umdrehung auf die Totzeit entfällt und nur etwa ein Drittel für die Bilddarstellung ausgenutzt werden kann. Dadurch ergibt sich eine hohe elektronische Bandbreite für die Verstärkungscharakteristik, die die Empfindlichkeit des Systems herabsetzt. Ein ähnliches Gerät ist auch in der DT-PS 15 Ί7 272 enthalten, bei der ein im parallelen Strahlengang - das heißt ein in Strahlendurchtrittsrichtung vor dem Eingangsobjektiv - angeordneter Abtastspiegel Verwendung findet. Auch hier handelt es sich um einen um die Längsachse des Gerätes voll umlaufenden Spiegel. In der DE-AS 24 54 480 wird ein IR-Such- und Verfolgungsgerät behandelt, bei dem ein Kippspiegel Verwendung findet, dessen Kippfunktion den jeweiligen Unterschied der Flugbahn des Gerätes und damit der Strahleneinfallsrichtung zu der Richtung der durch den Spiegel umgelenkten Strahlung ausgleichen soll.

Die Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, für ein gnttungsgemäßes Verfahren eine Möglichkeit zu entwickeln, einmal das jeweilige Abtastelement mit individuell auslcgbarcm Drehwinkcl versehen zu können und zum anderen auf eine kurze Entfernung einen großen Bildwinkel zu erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das interessierende Objekt von dein Abtastelement mit einer periodischen Schwingbewegung abgetastet wird. Ein solches Abtastelement läßt sich hinsichtlich seines Vinkclausschlags von vornherein in dem gewünschten Ausmaß auslegen. Dips bringt den Vorteil eines günstigen Verhältnisses

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von der Zeit, die zur Bilddarsteilung benötigt wird, zu derjenigen Zeit, die als Totzeit "verloren" geht und damit eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit des Systems gegenüber dem z.B. in der DT-PS 1*5 Ί7 2?2 beschriebenen Lincscan-Vcrfahren. Für einen Bildwinkel von etwa 30 würde oich eine Totzeit von nur 10 % bis 15 % ergeben. Außerdem erfolgt innerhalb des Abtastwinkels keinerlei Vignettierung. Diese Totzeit ist durch die periodische Schwingung bestimmt und bleibt auch unverändert, wenn der Bildwinkel vergrößert oder verkleinert vird.

Zuweilen kann es von Vorteil sein, wenn mit dem Abtastelement gleichzeitig auch in einer zur Schwingbewegung senkrechten Ebene abgetastet wird. Jc nach den voj-gegcbencn Bedingungen wird als Abtastelement ein quadratisches Prisma, ein flaches Prisma oder auch ein entsprechend zusammengesetzter Spiegel Verwendung finden. Entscheidend ist meistens die Gcrätcöffnung, durch die hindurch die Abtastung erfolgen soll. Ihren Abmessungen müssen diejenigen des Abtastclemeiitcs geometrisch angepaßt werden, fofcrn man eine möglichst große Apertur der Optik erhalten will.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das Abtastelement auf einer in Gleit- oder Kugellagern gelagerten Drehachse oder auf der Achslagerung dienenden Kreuzfodcrgelcnken befestigt und ein kapazitiver Vegaufnchmcr zur Bestimmung der jeweiligen Schwingungslage vorgesehen ist. Insbesondere bei Verwendung von je einem Kreuzfedergelenk pro Lagcrstelle und einer entsprechenden Auslegung der Gelenke lassen sich sowohl sehr kleine al? auch - bei Kopplung mehrerer KrcuzfcJcrgclenkc - vergleichsweise große Drehwinkcl erzielen. Über die Anzahl der Gelenke läßt sich in einfacher Weise auch die Größe der Federkonstantc manipulieren.

Iu vors tehcndeui Zusammenhang kann es sinnvoll sein, daß zwei Paare von jeweils zwei über eine Hülse miteinander verbundenen Krcuzf edorgel cnkeii mit ihren einander abgekehrten Enden in einem Rahmen und mit ihren einander zugekehrten Enden in einer entsprechenden Ausnehmung des Abtastclcments befestigt sind. Diese

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Anordnung ist besonders günstig, weil sich mil je einem Pnnr Krcuzfcdergclcnkc pro Lngcrstclle der Drchwinkel gegcniüjcr der Verwendung von nur einem einzelnen Kreuzfedergelenk pro Lagcrstellc verdoppeln läßt.

Außci-dcm ergibt sicli durch die im Spicgclkörpcr integrierte Drehachse - im FnIl dci- KrcuzfcJergelcnke - eine verkürzte Dnulnngc der gesamten Vorrichtung.

Von Vorteil ist es ferner, κοηη an einem durch die Ausnehmung zugänglichen Teil der Krcuzfcdergelcnke oder des Ab ta:;tclcmcnts das Rotorsegment eines kapazitiven 1/egaufnehmcrs befestigt ist, das beim Schwingvorgang mit der gegenüberliegenden und ii.i Rahmen befestigten Statorplnttc zusammenwirkt. Hierbei In"t sich der Wegaufnchmcr konzentrisch zur Drehachse ausbilden, so daß nur eine geringe Mikrophonio entstellt b/w. die hinsichtlich der Vibration des Systems nachteiligen Überlagcrungsfrequenvr.en wcitgchcnd vermieden werden.

Bezüglich der konstruktiven Lösung ist es vorteilhaft, daß den zwei wirksamen Spiegelflächen des Abtastelemonts vier starr angeordnete weitere Spiegel gegenüberliegen, die dio abgetastete Strahlung über einen in Einfallsrichtung zwischen Abtastelement und Eingangsobjcktiv zentrisch angeordneten Auflcnpolygonnlspiegel auf da? Empfangs el erneut umlenken. Eine solche Konzeption ermöglicht einen kompakten symmetrischen Aufbau. Das Enipfang;·- elcuiciit ist hierbei von einem über einen Joule-Thomson-K^{ihlfingcr kühlbarcn Dewargefäß umgeben. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Abtastelement über den Rahmen in einer Gabel kardanisch aufgehängt sein. Diese Art der Aufhängung bietet sich an, um im Fall einer Verwendung in einem Suchkopf-Trägerkörper eventuelle »iickbcwcgungen auszugleichen.

Im folgenden wird an Hand der Zeichnung ein Au = f iihrungsbcispiel der Erfindung näh«r erläutert, wobei die in den beiden Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen.

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Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des die Erfindung enthaltenden Geratetcils - teilweise im Schnitt und

Fig. 2 eine - bezogen auf Fig. 1 - um 90 gedrehte weitci-e Seitenansicht des die Erfindung enthaltenden Geriitcteils - ebenfalls teilweise im Schnitt.

Die durch das als Kugelkalotte ausgebildete Fenster 1 eintretende elektromagnetische Strahlung eines Ziels und seiner Umgebung wird durch das mit zwei senkrecht zueinander stehenden wirksamen SpiegelfInchon Ί und h' versehene Abtastelement 2 aufgeteilt und über die fest mit dor Wand des Rahmens 15 verbundenen Umlenkspiegel 5 bis G¹, die den .insgesamt vier Spiegelflächen 'f bis Ί¹¹¹ des Abtastelement.·? gegenüberliegen, in Pf eilrich tung auf den unterhalb des Abtastelciuciits zentrisch angeordneten Außcnpolygonalspiegcl 7 umgelenkt. Von hier aus gelangt die Strahlung über das gestrichelt gezeichnete Objektiv 8 auf das in seiner Bildebene angeordnete Empfangs element 9> das aus einem einzelnen Detektor oder aus einer Reihenanordnung von Detektoren bestehen kann. Der Detektor ist in einem Dewargefäß 10 integriert und wird übci· den Joule-Thomson-Kühlfinger 11, der durch die flexible Druckleitung 13 mit gasförmigem Stickstoff versorgt wird, abgekühlt. Die Vorverstärker- und Signolvcrarlcitungsclektronik ist in Fona eines kreiszylindrischen Rohres 23 um das Dewargefäß herum angeordnet.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Abtastelement 2 ein quadratischer Polygonnlspicgcl, der in einem ΙΙϊ-Suchkopf f'ir einen azimutalen Y.'inkclber eich von etwa - 30 vorgesehen i=t. Der Antrieb erfolgt ^;iber die elektromagnetische Schwingspule i'l und eine i;.i folgenden erläuterte Anordnung von ICreuzf edergelenken als Schwingsystem. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Abtastelement auch

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ORIGINAL INSPECTED

in einer Tosien Bodenstation installiert sein unj η us cinc-r: quadratischen oder einem flachen Prisma bestehen. Die Lagerung dei den Spiegel, oder das Prisma tragenden Achse ?.h kann auch in Gleit- oder Ku^«·¹. lagern erfolgen.

Der Polygonalspiegel 2 besitzt eine zcntrischc Ausnehmung 19 von kr ei S--run dem Querschnitt, in der die .«.'einer Aufhängung dienenden Xrcuzfcdcrgcleiikc befestigt sind. Hici-bci sind jeweils zwei solcher Gelenke in ei nor Hülfe 21 (Fig. 2) gefaßt und dadurch miteinander soi.-.usagen "in Serie" ge.-schal tct. «Jeder dieser Serienzweige ist ciiicncnds in einem Gehäuseteil und andeienends in dor Ausnehmung 19 befestigt, so daß sich insgesamt zwei untereinander parallel geschaltete Zweige ergeben. Zwischen diesen beiden Zweigen kann - je nach Länge dos Spiogelkürpers - ein mehr oder minder großer Zwischenraum verbleiben, der bei anderen Ausführungsbeispiel en «auch Raum zur Kopplung mit weiteren Kreuzfedcrgelcnken bietet.

Am - in Blickrichtung - unteren Teil des Polygonalspicgcls 2 oder an einem durch eine entsprechende Spi ogclausnchi.;r.ng hindurch zugänglich gemachten Bereich des im Spiegelkörper integrierten Krcuzf edcT-gel enkt eil s ist das Rotor ~'^-rn t eines VTegaufnchniors 22 befestigt. Beim Schvingvorgmg v.-irkt dieser Segment mit der gegenüberliegenden gehäusesei tig befestigten Statorplatte zusammen. Mit der Bezugszahl 1'· irt die im Ilahr.-.cn 15 befestigte, den Antrieb des Spiegels bewirkende elektromagnetische Schwing?pul^ sowie der rugohöri gc Fcrniarion ti;; .->£,:: ο t bezeichnet. Letzterer ist als Fcr-tsitz in dem Zp icgi Ikörpcrmatcrial neben dem Rotorsegment befestigt.

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Die Abtastung ist cine Sinusbewegung mit einer Frequenz von etwa IO bis 20 Hz. Der Elevationswinkel des Suchkopfes wird durch die Reihenanordnung von Detektoren auf etwa - 1 begrenzt. Um eine Szenenabtastung am Horizont trotz Nickbewegungen des Trägerflugkörpers zu ermöglichen, sind die Spiegel- und Lagerelemente 2 bis 6 von dem Rahmen 15 umgeben, der in der Gabel l6 montiert und um die zur Längsachse des Gerätes senkrecht angeordnete Drehachse 17 in einem Winkelbereich von etwa - 7 schwenkbar ist. Auf diese Weise ist der Spiegel 2 über den Rahmen 15 in der Gabel l6 kardanisch gelagert. Auf der einen Seite der Gabel befindet sich der Antriebsmotor und auf der gegenüberliegenden der Synchronmotor für die Winkelabstimmung. Beide Motoren sind zeichnerisch - aus Gründen der Übersicht nicht dargestellt. Zum Ausgleich der Rollbewegung ist der gesamte Suchkopf mit Hilfe des Motors l8 (Fig. 2) um die Flugkörperrollachse drehbar, so daß er am Horizont mit Hilfe einer gleichfalls zeichnerisch nicht dargestellten Trägheitsplattform einen Bildwinkel von etwa - 30°im Azimut und etwa - 1 in der Elevation nach Zielen abzusuchen in der Lage ist.

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Claims

79/12

18. December 1979 Mn/Kr/'i96

ELTIlO GTuBIl, GLSELLSCIIAFT FÜR STKAIiLUNGSTECILMK 69OO Heidelberg, Kurpfalzring 106

Vorfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines groftcn Raurawinkcls

PATENTANSPRÜCHE

1. Optoelektronisches Verfahren zum Überwachen eines groiien Rauinwinkels, bei dem die von einem interessierenden Objekt abgestrahlte elektromagnetische Strahlung durch ein elektromotorisch bewegtes Abtastelement, feststehende Umlenkclcmentc und ein Eingangsobjektiv - nach Art eines sog. Linescan-Sys tems - auf wenigstens ein Empfangs element go?~ führt wird, das - nach einer optoelektronischen Umwandlung und Verstärkung - der Aufzeichnung eines Bildes dienende optische Signale liefert, d a d u r c h gekennzeichnet , daf¹· das interessierende Objekt von dorn Abtastelement (2) mit einer periodischen Schwingbewegung abgetastet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß mit dem Abtastelement (2) gleichzeitig auch in einer zur Schwingbewcgung renkrechten Ebene abgetastet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtastelement (2) ein quadratisches Prisma, ein flaches Prisma oder entsprechend zusammengesetzte Spiegel Verwendung finden.

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h. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , daß das Abtastelement (2) auf einer in Gleit- oder Kugellagern gelagerten Drehachse (2'l) oder auf der Achslagerung dienenden Kreuzfcdergelcnkcn (3) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche , d a durch gekennzeichnet, daß zwei Paare von jeweils zwei über eine Hülse (21) miteinander verbundenen KreuzfcJergclenkcn (3) mit ihren einander abgekehrten. Enden in einem Rahmen (15) und mit ihren cin.iiuif r zugekehrten Enden in einer entsprechenden Ausnclur.<iiig ( . j J- Abtastelement .s (2) befestigt sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem durch die Ausnehmung (19) zugänglichen Teil der Kreuzfedcrgelenkc (3) oder des Abtast elcmcnts (2) das Rotorsegment eines kapazitiven ITegaufnehmers (22) befestigt ist, das beim Schwingvorgang mit der gegenüberliegenden und im Rahmen (15) befestigten Statorplattc zusammenwirkt.

7· Vorrichtung nach einem der vorausgehenden .'.:i^;-r^;iclic, dadurch gekennzeichnet, daß den zwei wirksamen Spiegelflachen (Ί,Ί¹; der Abtastelement? (2) vier starr angeordnete weitere Spiegel (5 bis 6¹) gegenüberliegen, die die abgetastete Strahlung über einen in Einfallsrichtung zwischen Abtast el erneut (2) und Eingangsobjektiv (8) zentrisch angeordneten Außenpolygonspiegel (7) auf das Empfangselement (9) lenken.

8. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpfangsclcmcnt (9) von einem über einen Joulc-Thomson-K'"hlfinger (ll) kühlbarcn Dewargefäß (10) umgeben ist.

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9· Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (2) über den Rahmen (15) in einer Gabel (l6) kardanisch aufgehängt ist.

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