DE3005427C2 - Rundumsuchendes Ortungssystem - Google Patents

Description

a) der Detektor (H) aus zwei in Azimutalrichtung zueinander versetzt angeordneten Detektorzeilen (12,13) mit gleicher Anzahl von Detektorelementen (12.1,12.2,...; 13.1,13.2,...) besteht,

b) daß die von einem bestimmten, momentan abgebildeten Bildausschnitt zuerst erfaßte Detektorzeile (12) eine Signalverzögerungseinrichtung (14) aufweist, und

c) daß die Detektorelemente (12.1, 12.2,...; 13.1, 13.2 ...) mit einer Einrichtung (15) zur Bildung von Differenzsignalen aus den verzögerten Signalen der ersten und den Signalen der zweiten Detektorzeile verbunden sind.

2. Ortungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Laserentfernungsmesser mit einer zur gegenstandsseitigen optischen Achse (6) des Ortungssystems koaxialen Sende- und Empfangsrichtung, wobei im Strahlengang der ausgesendeten Laserstrahlung eine Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahles (Strahldeflektor 26) in Elevationsrichtung angeordnet ist, welche mit Hilfe der gewonnen Differenzsignale steuerbar ist.

3. Ortungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkung des Laserstrahles in diskreten Winkelabständen erfolgt, die dem Quotienten aus dem vertikalen Blickwinkel der Empfangsoptik (8) und der Zahl der Detektoreiemente (12.1 ... 12.Λ/; 13.1 ... i3.N) einer Detektorzeile (12,13) entsprechen.

4. Ortungssystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserentfernungsmesser eine Detektorzeile (22) aufweist, welche aus einer gleichen Anzahl von Detektorelementen (22.1 ... 22.A^ besteht wie eine der Detektorzeilen (12,13) des Ortungssystems.

5. Ortungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Detektorelement (22.1... 22.N) des Laserentfernungsmessers einem Ablenkwinkel des Strahldeflektors (26) zugeordnet ist

6. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserentfernungsmesser einen akusto-optischen Strahldeflektor (26) aufweist

7. Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis

6, gekennzeichnet durch infrarotempfindliche Detektoren (U, 21) sowie durch einen CO2-Laser (29) zur Entfernungsmessung.

8. Ortungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Detektoren (11,21) des Ortungssystems und des Laserentfernungsmessers eine Einrichtung zur wellenlängenselektiven Strahlenteilung (10.1) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft ein rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte mit einer Einrichtung zur Veränderung der gegenstandsseitigen optischen Achse in Elevation und Azimut, mit konstanter Winkelges schweindigkeit in Azimutalrichiung, mit Einrichtungen zur Bestimmung des Elevations- und Azimutalwinkels der optischen Achse, mit einer Empfangsoptik und mit einem in deren Brennebene angeordneten, strahlungsempfindlichen Detektor.

Die automatische Detektion ausschließlich sich in Bewegung befindlicher Objekte ist prinzipiell mit Hilfe von Korrelationsverfahren möglich (Applied Optics 18, 3307, 1979). Bei derartigen Korrelationsverfahren werden die Videosignale eines durch Abtastung des Gesamtsehfeldes aufgenommenen, vollständigen Einzelbildes in einen elektronischen Speicher eingelesen und anschließend mit den Videosignalen des nächsten Einzelbildes verglichen. Unterschiedliche Videosignale in ein und demselben Bildpunkt weisen dann auf ein bewegtes Objekt innerhalb des Gesamtsehfeldes hin.

Eine entsprechende Anordnung zur Feststellung von Veränderungen in einem zu überwachenden Gebiet ist beispielsweise aus der DE-AS 21 52 428 bekannt Auch hier werden die durch einen Abtastvorgang gewonnenen Signale in einer Speichereinrichtung gespeichert und in einer Einrichtung, die auf Differenzen zwischen den von den strahlungsempfindlichen Detektoren während zwei aufeinanderfolgender Abtastperioden gelieferter Signale anspricht, verglichen. Hierbei werden jedoch nicht die gespeicherten Signale mit den unmittelbar empfangenen Signalen verglichen, sondern die bei zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen gespeicherten Signale. Für den Fall, daß die Abtastperioden keinen Schwankungen unterworfen sind, wird die Verwendung von Verzögerungsleitungen in Erwägung gezogen, die eine Verzögerung liefern, die der Abtastperiode genau gleich ist. Damit sollen die während einer Abtastperiode erhaltenen Signale zum Zweck des Vergleiches mit Signalen, die während einer folgender. Abtastperiode empfangen werden, gespeichert werden. Es wird jedoch hierbei darauf hingewiesen, daß es sehr schwierig ist, den Abtastvorgang insbesondere über längere Betriebszeiten völlig konstant zu halten.

Ein grundsätzlicher Nachieil derartiger Korrelationsverfahren besteht darin, daß vollständige Einzelbilder elektronisch gespeichert und miteinander verglichen werden müssen. Dies ist jedoch ein relativ zeitaufwendiges Verfahren, da mit Rundumsuchern kaum mehr als zwei Umläufe pro Sekunde erreicht werden können, also zwei vollständige Einzelbilder erst nach etwa einer Sekunde verfügbar sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte zu schaffen, welches erheblich reaktionsschneller ist als die eben genannten Systeme.

Diese Aufgabe wird durch ein rundumsuchendes Ortungssystem gemäß Patentanspruch 1 gelöst
Bei dem erfindungsgemäßen Ortungssystem wird ein einzelner Bildpunkt aus dem Gesamtsehfeld kurz nacheinander zweimal erfaßt. Das von einem Detektorelement der ersten Detektorzeile abgegebene Signal wird auf bekannte Weise gespeichert, z. B. durch Digitalverfahren oder mittels einer Verzögerungsleitung, bis das entsprechende Detektorelement der zweiten Detektorzeüe denselben Bildpunkt ebenfalls abgetastet hat. Die korrespondierenden Videosignale aus beiden Detektorzeilen werden dann beispielsweise

mittels Differenzverstärker verglichen. Ein von Null verschiedenes Differenzvideosignal zeigt eine mechanische Bewegung, und zv/ar deren Tangential-Komponente, an. Die genaue Winkellage des bewegten Objektes ergibt sich aus den beispielsweise mittels Winkelgeber an den Stelleinrichtungen xut Veränderung der optischen Achse gemessene:'. Werten für den Elevations- und Azimutalwinkel im Moment der Erkennung des bewegten Objektes, wobei sich eine weitere Präzisierung des Elevationswinkels durch ι ο Bestimmung desjenigen Detektorelementes aus einer Detektorzeile ergibt, welches die Bewegung angezeigt hat.

Ein nach Patentanspruch 2 weitergebildetes Ortungssystem ermöglicht zusätzlich die Messung der Entfer- nung zu dem bewegten Objekt Die zusätzliche Ausrichtung des Laserstrahles in Elevationsrichtung mittels eines Strahldeflektors ermöglicht dabei die Verwendung relativ stark gebündelter Laserstrahlen mit hoher Energiedichte.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Das in der Figur dargestellte Ortungssystem weist einen beweglich gelagerten Spiegel 1 auf, welcher mittels Antrieben 2 und 3 höhen- und seitenverstellbar ist. Winkelgeber 4 und 5 zeigen den jeweiligen Elevations-bzw. Azimutalwinkel der gegenstandsseitigen optischen Achse 6 an. Die Azimutalbewegung des Spiegels erfolgt mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ω um die Achse 7. die vom Spiegel 1 erfaßte Strahlung gelangt über eine Empfangsoptik 8, ein mit halber Winkelgeschwindigkeit ""/2 rotierendes Umkehrprisma9 sowie einen Strahlenteiler 10 auf einen strahlungsempfindlichen Detektor 11. Der Detektor 11 weist zwei aus jeweils N Elementen aufgebaute Detektorzeilen 12 und 13 auf, welche in Azimutalrichtung versetzt nebeneinander angeordnet sind und jeweils einen schmalen vertikalen Bildausschnitt erfassen. Die Detektorzeilen sind so ausgerichtet, daß ein Bildpunkt, welcher beispielsweise das Detektorelement 12.1 trifft, bei einer azimutalen Drehung des Spiegels 1 exakt auf das korrespondierende Detektorelement 13.1 der zweiten Detektorzeile 13 gelangt. Zur Feststellung eines Bewegungsvorganges innerhalb des vom Spiegel erfaßten Gesichtsfeldes werden die Videosignale der Detektorelemente 12.1,12.2 ... 12./Vder Detektorzeile 12 in diskreten zeitlichen Abständen elektronisch abgetastet und stets zeitlich so lange gespeichert oder verzögert, bis der gleiche Bildausschnitt auch von der Detektorzeile 13 erfaßt und deren Videosignal abgetastet wurde. In einer geeigneten elektronischen Einrichtung 15, welche beispielsweise N Differenzverstärker aufweist, werden dann die zeitlich verzögerten Signale der Detektorelemente 12.1, 12.2 ... 12.Λ/ der ersten Detektorzeile 12 mit dem korrespondierenden Signalen der Detektorelemente 13.1, 13.2 ... 13./V der zweiten Detektorzeile 13 verglichen. Unterscheiden sich die Signale zweier korrespondierender Detektorelemente voneinander, so wird deren Differenzsignal einer Logik 16 zugeführt und dort mittels fester Entscheidungskriterien aus einem entsprechenden Speicher 17 nochmals überprüft. Auf diese Weise werden interessierende Geschwindigkeitsbereiche erfaßter Objekte ausgewählt b5 sowie Störungen oder mehrere Bewegungsvorgänge innerhalb eines momentan abgetasteten Bildausschnitte«; selektiert. Bei einem als bewegtes Objekt erkannten Ziel wird die augenblickliche Winkellage δ, φ der optischen Achse 6 gespeichert, wobei der Elevationswinkel noch näher durch Bestimmung des Detektorelementenpaares ermittelt werden kann, welches die Bewegung angezeigt hat

Eine mit den heute erhältlichen Detektorzeilen erzielbare Winkelauflösung ergibt sich aus nachstehendem Beispiel:

Zwei identische Detektorzeilen zum Empfang von Wärmestrahlung bestehen aus je 100 Detektorelementen, die in der Bildebene senkrecht nebeneinander angeordnet sind. Damit soll ein Gesamtsehfeld von 360° χ 6° abgetastet werden, so daß die Winkelausdehnung des momentanen Vertikalsehfeldes rund 1 mrad beträgt.

Bei wehrtechnischer, Anwendungen eines beispielsweise im Infrarotbereich arbeitenden rundumsuchenden Ortungssystems muß meist nicht nur die Winkellage, sondern auch die Entfernung des bewegten Objektes bekannt sein. Dies ist insbesondere zur Bestimmung der tatsächlichen Geschwindigkeit des Objektes erforderlich, weiche in die oben erwähnten Entscheidungskriterien eingehen kann. Zu diesem Zweck ist mit dem Ortungssystem ein Laserentfernungsmesser verbunden, welcher im wesentlichen einen Laser 20 sowie einen im entsprechenden Spektralbereich empfindlichen Detektor 21 aufweist. Sobald in einem Bildpunkt des Ortungssystems ein Differenzsignal festgestellt worden ist, wird von der Logik 16 über eine Treiberstufe 18 der Güteschalter 20.1 des Lasers angesteuert Gleichzeitig wird ebenfalls von der Logik 16 über eine Treiberstufe 19 ein Strahldeflektor 26 so angesteuert, daß der abgestrahlte Laserimpuls auf den Punkt im Raum gelangt, der dem die Bewegung anzeigenden Bildpunkt des Ortungssystemes entspricht. Hierzu wird der durch den Strahldeflektor 26 in Elevationsrichtung abgelenkte Laserstrahl über ein mit halber Azimutalwinkelgeschwindigkeit rotierendes Umkehrprisma 23 sowie ein Umlenkprisma 24 in den Strahlengang des Ortungssystems eingekoppelt und über den Schwenkspiegel 1 abgestrahlt. Der relativ scharf gebündelte Laserstrahl gelangt innerhalb des vom Spiegel 1 momentan erfaßten Gesichtsfeldes lediglich auf den Bildausschnitt, der von dem die Bewegung anzeigenden Detektorelement erfaßt wird. Die von dem erfaßten Objekt reflektierte Laserstrahlung gelangt dann wieder über den Spiegel 1 sowie die Empfangsoptik 8 und das Umkehrprisma 9 in den Strahlenteiler 10. Hier wird die Laserstrahlung mittels eines Reflexionsfilters 10.1 aus dem übrigen Spektrum herausgefiltert und umgelenkt. Die derart selektierte Laserstrahlung gelangt dann auf den Detektor 21, der ebenfalls eine Detektorzeile 22 mit einer gleichen Anzahl N von Detektorelementen wie eine Detektorzeile des Detektors 11 aufweist. Die Detektorzeile 22 erfaßt den gleichen Bildausschnitt wie eine der Detektorzeilen 12 und 13 des Detektors 11. So existiert zu jedem Detektorelementenpaar 12.1, 13.1 bzw. 12.2, 13.2 bzw. ... ein korrespondierendes Detektorelement im Laserentfernungsmesser.

Die Funktionsweise von Laserentfernungsmessern, insbesondere solchen mit einer piezoelektrischen Strahlablenkung, ist an sich bekannt (DE-AS 22 29 887) und soll hier nicht weiter erläutert werden. Der Unterschied des hier zur Anwendung kommenden Laserentfernungsmessers besteht jedoch darin, daß die Ablenkung des Laserstrahles durch den Strahldeflektor 26 in diskreten Winkelabständen erfolgt, die dem Quotienten aus dem vertikalen Blickwinkel der

Empfangsoptik und der Zahl der Detektorelemente 22.1 ... 22.Λ/ entsprechen, wobei je ein Detektorelement einem konkreten Ablenkwinkel des Strahldeflektors zugeordnet ist. Da der maximale Winkelbereich des Strahldeflektors im allgemeinen nicht dem von der Detektorzeile erfaßten Bildwinkel entspricht, ist zwischen dem Strahldeflektor 26 und dem Schwenkspiegel 1 eine Linse zur Ausdehnung des Winkelbereichs vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Ortungssystem setzt eine

gleichbleibende Drehbewegung der optischen Achse in Azimutalrichtung, zumindest jedoch die Kenntnis der exakten Winkelgeschwindigkeit voraus. Dazu ist der Azimutalstellmotor 3 über eine Drehzahlregelung mit der Logik 16 elektrisch verbunden. Die Drehbewegung der Umkehrprismen 9 und 23 mit halber Azimutwinkelgcschwindigkeit kann durch entsprechende mechanische Kopplung mit Hilfe des Azimutmotors 3 erfolgen.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Rundumsuchendes Ortungssystem für bewegte Objekte mit einer Einrichtung zur Veränderung der gegenstandsseitigen optischen Achse in Elevation und Azimut, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Azimutalrichtung mit Einrichtungen zur Bestimmung des Elevations- und Azimutalwinkels der optischen Achse, mit einer Empfangsoptik und mit einem in deren Brennebene angeordneten, strahlungsempfindlichen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß