DE3122101C1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Hitzepunktes im Gelaende mittels IR-Strahlung und Lenksystem mit dieser Vorrichtung zum Lenken eines Flugkoerpers auf ein Ziel - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung eines Hitzepunktes im Gelände mittels IR-Strah­ lung, die mit einem Geländeabtastsystem zusammenarbeitet, das die von den verschiedenen Geländebereichen ausgehende IR- Strahlung zu einem Primärstrahl zusammenfaßt und diesen auf einen IR-empfindlichen Detektorkreis richtet sowie auf die Anwendung dieser Vorrichtung auf ein Lenksystem für einen Flugkörper.

Bei der in Frage kommenden IR-Strahlung handelt es sich um eine Strahlung im entfernten IR-Bereich mit Wellenlängen über 1 µm. Um gute Beobachtungen zu erhalten, muß man die Strahlendurchlässigkeit der Atmosphäre für diese Wellenlän­ gen berücksichtigen. In der Praxis verwendet man zwei Fre­ quenzbänder von 3,5-5 µm bzw. 8-13 µm.

Will man einen Hitzepunkt mit einer Temperatur von z. B. 1500 K in einem Gelände mit einer mittleren Temperatur von 300 K erfassen, so ergeben sich folgende Schwierigkeiten: Man kann das Gelände im ersten Wellenband beobachten. Der Hitzepunkt von 1500 K weist eine maximale Leuchtdichte L_λ auf. Dann ergibt sich jedoch ein zu starker Kontrast zwi­ schen der Leuchtdichte des Hitzpunktes und der Leuchtdichte der verschiedenen Geländepunkte. Der Hitzepunkt verursacht eine Reaktion des Detektorkreises, die sich zeitlich so stark ausbreitet, daß sie die Abbildung anderer Geländeteile über­ deckt. Infolgedessen nimmt man den Hitzpunkt als einen Fleck wahr, in dem die Geländemerkmale zusammenfließen.

Man kann das Gelände auch im zweiten Frequenzband beobachten, wo der Kontrast geringer ist. Wird jedoch dabei der Hitze­ punkt unter einem Winkel beobachtet, der kleiner als der Be­ trachtungswinkel des vom Geländeabtastsystems abgetasteten Primärfeldes ist, so nimmt die scheinbare Leuchtdichte des Fleckes mit dem Quadrat der Entfernung ab, so daß der Hitze­ punkt in größerer Entfernung nicht mehr wahrnehmbar ist.

Es besteht auch die Möglichkeit, auf beiden Frequenzbändern zu arbeiten, wobei das erste ausschließlich zur Erfassung des Hitzepunktes dient, während das zweite zur Geländebeob­ achtung eingesetzt wird. Im letzteren Falle entstehen die Schwierigkeiten beim Geländeabtastsystem. Es ist also schwie­ rig, ein System zu entwickeln, das zufriedenstellend auf bei­ den Frequenzbändern gleichzeitig arbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art vorzuschlagen, die Hitzepunkte hoher Tempe­ ratur ohne Überdeckung der Geländemerkmale sicher erfaßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine optische Filtereinrichtung, die in zeitlicher Folge den Primärstrahl in mindestens zwei Sekundärstrahlen zerlegt, die jeweils ei­ nem Teil des Spektrums des Primärstrahls entsprechen, und eine Signalvergleichsschaltung, deren Eingang mit dem Detek­ torkreis verbunden ist und deren Ausgang den Ausgang der Vor­ richtung bildet und die die Signale des Detektorkreises, die den verschiedenen empfangenen Sekundärstrahlen entsprechen, miteinander vergleicht und ein Hitzepunktsignal abgibt, wenn der Unterschied der verglichenen Signale einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.

Der Leitgedanke der Erfindung beruht auf der Feststellung, daß die Leuchtdichte des Hitzepunktes im zweiten Frequenz­ band mit zunehmender Wellenlänge abnimmt, während die Leucht­ dichte des Geländes in diesem zweiten Frequenzband praktisch konstant bleibt. Wenn man also dieses Band mit Hilfe einer optischen Filtereinrichtung in zwei Teile aufteilt, wird die Signalvergleichsschaltung die Änderung der Leuchtdichte in Abhängigkeit von der Wellenlänge erfassen und somit ein dem Hitzepunkt entsprechendes Signal abgeben.

Bei Bedarf kann man natürlich auch mehrere Frequenzbänder für mehrere Sekundärstrahlen einsetzen.

Die nachstehende Beschreibung bezieht sich auf die als Anla­ gen beigefügten Zeichnungen; sie dient lediglich als Ausfüh­ rungsbeispiel zum besseren Verständnis der Erfindung.

Bild 1 zeigt das Lenksystem eines Flugkörpers, bestehend aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur IR-Erfassung eines Hitzepunktes im Gelände.

Bild 2 zeigt die Filterhalterung der Vorrichtung gemäß Bild 1.

Bild 3 zeigt die Leuchtdichtekurven.

Bild 4 zeigt eine Detaildarstellung einer Lenkschaltung die zu der Vorrichtung gemäß Bild 1 gehört.

Bild 5 zeigt eine erste Ausführungsform einer Signalver­ gleichsschaltung für die Vorrichtung gemäß Bild 1.

Bild 1 stellt das Lenksystem eines Flugkörpers M dar, der auf ein Ziel C gelenkt wird. Dieses System ist mit einer Vorrich­ tung 1 zur Erfassung eines Hitzepunktes ausgerüstet, so daß bei Erfassung eines Hitzepunktes ein Signal an der Ausgangs­ klemme 2 der Vorrichtung 1 anliegt. Im vorliegenden Falle dient als Hitzepunkt ein Leuchtsatz TR, der am Strahlrohr des Flugkörpers M befestigt ist und praktisch auf einer Tem­ peratur von 1500 K gehalten wird.

Der Flugkörper M und das Ziel C sind Bestandteile eines Ge­ ländeabschnittes, der in Bild 1 durch eine Pyramide 3 begrenzt wird, deren Spitze 0 dem optischen Mittelpunkt des Geländeab­ tastsystems 4 entspricht und dessen Grundfläche ein Recht­ eck R ist.

Zur Erfassung von IR-Strahlung im Wellenlängenbereich über 1 µm kann man keine Vorrichtung nach Art des Vidicons her­ anziehen, sondern man verwendet Detektorkreise, die aus einer begrenzten Anzahl strahlungsempfindlicher Elemente bestehen. Um auf der Grundlage dieser Strahlung ein Gelände wahrnehmen zu können, ist daher eine punktweise Abtastung des Geländes erforderlich.

Mit Hilfe des Geländeabtastsystems 4 wird nacheinander je­ weils ein von den verschiedenen Geländebereichen ausgehender Primärstrahl 6 auf einen Detektorkreis 5 konzentriert, der zunächst aus nur einem Element bestehen soll. Die Abtastung erfolgt bildweise, und jedes Bild wird zeilenweise, beginnend mit Zeile L₁,..., L_n,...,L_M,..., abgetastet; diese Zeilen bilden das Rechteck R. Ein derartiges Geländeabtastsystem ist in der im Namen der Antragstellerin angemeldeten französi­ schen Patentschrift Nr. 22 45 970 beschrieben. Der Detektor­ kreis 5 gibt ein Signal ab, dessen Amplitude proportional zur Leuchtdichte des erfaßten Objektes ist. Dieses Signal gestat­ tet z. B. die Betrachtung des Geländes auf dem Bildschirm ei­ ner Elektronenstrahlröhre 10, deren Kathode mit einer Aus­ gangsklemme 11 der Vorrichtung 1 verbunden ist; eine Steuer­ vorrichtung 12 liefert die Signale zur Ansteuerung des Gelän­ deabtastsystems 4 und zur Ablenkung des Elektronenstrahls der Röhre 10, so daß eine genaue Synchronisation zwischen der Ab­ tastung des Geländes und des Bildschirms der Elektronen­ strahlröhre gewährleistet ist.

Zur Lenkung des Flugkörpers M ist ein Fadenkreuz vorgesehen, das dem dargestellten Bild überlagert ist; der Schnittpunkt des Fadenkreuzes wird mit dem auf dem Bildschirm beobachte­ ten Ziel in Deckung gebracht. Die Achse OC im Gelände ent­ spricht diesem Schnittpunkt des Fadenkreuzes. Dieser Schnitt­ punkt wird durch die Abtastzeile L_M und durch die Zeitdauer T_C nach dem Beginn der Abtastzeilen bestimmt.

Der dem Flugkörper entsprechende Hitzepunkt wird auf einer anderen Abtastzeile und zu einem anderen Zeitpunkt erfaßt, so daß man mit Hilfe einer Lenkschaltung 14, die die Koordi­ naten des Hitzepunktes bestimmt, den Flugkörper M auf das Ziel C lenken kann, indem man Lenksignale über einen Draht 15, der den Flugkörper M mit dem Lenkkreis 14 verbindet, übermittelt.

Die Vorrichtung 1 zur Erfassung eines Hitzepunktes umfaßt eine optische Filtereinrichtung 20, die in zeit­ licher Folge den Primärstrahl in zwei Sekundärstrahlen auf­ teilt, die jeweils einem Teil des Spektrums des Hauptstrahls mit Wellenlängenbereich von 8-13 µm entsprechen (wobei der erste Sekundärstrahl den Bereich von 8-10,5 µm und der zweite den Bereich von 10,5-13 µm umfaßt), sowie eine Vergleichsschaltung 30, deren einer Eingang mit dem Detek­ torkeis 5 verbunden ist und deren Ausgang den Ausgang 2 der Vorrichtung bildet; diese Schaltung 30 dient zum Vergleich der Detektorsignale, die den verschiedenen empfangenen Sekun­ därstrahlen entsprechen.

Die optische Einrichtung 20 umfaßt eine kreisförmige Filter­ halterung 31. Bild 2 zeigt die Filterhalterung in Vorderan­ sicht, während sie in Bild 1 im Profil dargestellt ist. Diese Filterhalterung wird durch einen Motor 32 angetrieben, der halbe Umdrehungen im Drehsinn des Pfeils F ausführt. Infolge­ dessen stellen sich die am Umfang der Filterhalterung 31 an­ geordneten Filter 33 und 34 abwechselnd in den Strahlengang des Primärstrahls und bilden zwei Sekundärstrahlen, die auf den Detektorkreis 5 gerichtet sind. Der vom Filter 33 aus­ gehende Sekundärstrahl umfaßt den Spektralbereich von 8-10,5 µm und der vom Filter 34 ausgehende Sekundär­ strahl den Bereich von 10,5-13 µm, während der Detektor­ kreis für den Gesamtbereich von 8-13 µm empfindlich ist. Die optische Einrichtung wird wie folgt betrieben: Ein Bild wird vom Detektorkreis über das Filter 33 erfaßt, das zweite Bild über das Filter 34, das nächste Bild über das Filter 33, usw.

Die Vergleichsschaltung führt den Vergleich zweier aufeinan­ derfolgender Bilder durch, von denen das eine durch das er­ ste Filter und das andere durch das zweite Filter erfaßt wurde. Zur Durchführung dieses Vergleichs ist die Vergleichs­ schaltung mit einem Speicher 35 ausgerüstet, in dem alle In­ formationen der Bilder gespeichert werden, die über z. B. das Filter 33 erfaßt werden; der Eingang dieses Speichers 35 ist mit dem Detektorkreis 5 über einen Kontakt des Umschal­ ters 36 verbunden. Der erste Eingang eines Subtraktionsglieds 37 ist ebenfalls mit dem Detektorkreis 5 über einen anderen Kontakt des Umschalters 36 verbunden. Der Umschalter 36 wird durch Steuersignale der Steuerschaltung 12 synchron mit der Filterhalterung 31 betätigt, so daß bei Einschaltung des Fil­ ters 33 der Eingang des Speichers 35 und bei Einschaltung des Filters 34 der erste Eingang des Subtraktionsglieds 37 mit dem Detektorkreis 5 verbunden ist. Die Kapazität des Spei­ chers ist so bemessen, daß er sämtliche Elemente eines Bildes aufnehmen kann. Nach jeweils zwei Bildern erzeugt das Sub­ traktionsglied 37, dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des Speichers 35 verbunden ist, den Unterschied zwischen den entsprechenden Bildelementen der beiden Bilder. Wenn dieser Unterschied einen bestimmten Schwellwert überschreitet, der von dem Schwellwertkreis 38 bestimmt wird, bedeutet dies, daß der Hitzepunkt erfaßt ist.

Zur Erklärung der Funktionsweise der Vorrichtung 1 zeigt Bild 3 verschiedene Kurven der Leuchtdichte L_λ in Abhängig­ keit von der Wellenlänge λ bei Temperaturen von 300 K und 1500 K. Für die Koordinaten wurde ein logarithmischer Maß­ stab gewählt. Diese Leuchtdichtekurven sind durch die bekann­ te Plancksche Formel bestimmt. Der schraffierte Bereich ent­ spricht dem Band BP des Spektrums von 8-13 µm, das hier ausgenutzt wird; dieses Band ist in zwei Teile oder Sekundär­ bänder BS1 von 8-10,5 µm und BS2 von 10,5-13 µm unter­ teilt. Betrachtet man die Leuchtdichte eines Hitzepunktes von 1500 K, so stellt man fest, daß sie im ersten Sekundärband BS1 von 1,5 × 10⁹ W × m^-2 × sr^-1 bis 6,25 × 10⁸ W × m^-2 × sr^-1 und im zweiten Sekundärband BS2 vom letztgenannten Wert bis 2,9 × 10⁸ W × m^-2 × sr^-1 schwankt, während die Schwankungsbreite eines Punktes mit einer Temperatur von 300 K, entsprechend der mittleren Geländetemperatur, im ersten Sekundärband BS1 von 9,08 × 10⁶ W × m^-2 × sr^-1 bis 9,79 × 10⁶ W × m^-2 × sr^-1 und im zweiten Sekundärband vom letztgenannten Wert bis 8,2 × 10^-6 verläuft. Infolgedessen liegt es auf der Hand, daß der Hitze­ punkt ohne Rücksicht auf seine Entfernung in den beiden Bän­ dern einen unterschiedlichen Energiebeitrag leistet, während der Energiebeitrag der Punkte mit einer Temperatur von 300 K in beiden Bändern im wesentlichen gleich ist. Die Vergleichs­ schaltung 30 macht diese unterschiedlichen Energiebeiträge deutlich. Der Schwellwertkreis 38 gibt das Hitzepunktsignal ab, sobald ein deutlicher Unterschied festgestellt wird.

Bild 4 zeigt Einzelheiten der Lenkschaltung 14. Die Steuer­ schaltung 12 gibt die Rasteranfangssignale, entsprechend dem Beginn der Abtastung eines Bildes, und die Zeilenanfangs­ signale ab. Diese Signale, die über die Leitungen 50 bzw. 51 anliegen, werden von der Lenkschaltung 14 verarbeitet. Diese Schaltung umfaßt einen ersten Zähler 55, der die Zeilen zählt. Zu diesem Zweck ist sein Zählereingang mit der Leitung 51 verbunden, und seine Rückstellung auf Null erfolgt durch die über die Leitung 50 anliegenden Signale. Ein zweiter Zäh­ ler 56 mißt die seit Beginn des Zeilenanfangs abgelaufene Zeit. Zu diesem Zweck zählt er die Signale eines Zeitgebers 57, dessen Frequenz im Vergleich zur Zeilenfrequenz hoch ist.

Der Rückstelleingang des Zählers 56 ist mit der Leitung 51 verbunden, damit der Zähler bei jedem neuen Zeilenanfang auf Null zurückgestellt wird. Es sind zwei Register 60 und 61 vor­ gesehen, deren parallele Eingänge mit den Ausgängen der Zäh­ ler 55 bzw. 56 verbunden sind. Die Registereingänge sind mit der Klemme 2 für das Hitzepunktsignal verbunden, so daß bei Auftreten dieses Signals der Inhalt der Zähler 55 und 56 auf die Register 60 und 61 übertragen wird. Die Subtraktionsglie­ der 62 und 63 gestatten die Bestimmung der Ablage der Koordi­ naten des Flugkörpers M vom Ziel C aus dem Wert, der der Zeile L_M entspricht, auf die der Schnittpunkt des Fadenkreu­ zes gerichtet ist, und dem Wert, der der Zeit T_C entspricht, auf den der Schnittpunkt des Fadenkreuzes ebenfalls gerichtet ist. Diese Werte sind in den Speichern 65 und 66 gespeichert. Zwei Digital-Analog-Umsetzer 68 und 70 wandeln die Ausgangs­ signale der Subtraktionsglieder 62 und 63 um und übertragen sie über den Draht 15 zum Flugkörper M, so daß dieser seine Flugbahn verändern kann, um sein Ziel C zu erreichen.

Die in Bild 5 gezeigte Vergleichsschaltung 30 enthält im vor­ liegenden Fall einen Digitalspeicher 35. Er liefert die Hitze­ punktinformationen mit einer schnelleren Wiederholfrequenz als die in Bild 1 gezeigte Schaltung. Die vom Detektorkreis 5 ab­ gegebenen Signale werden durch einen Verstärker 81 verstärkt und sodann von dem Analog-Digital-Umsetzer 83 in Digital­ signale umgewandelt. Dieser Speicher 35 verhält sich wie ein Schieberegister; er weist einen Eingang 85 zur Übernahme der Daten vom Ausgang des A/D-Wandlers 83 und einen Ausgang 86 auf, an dem die zuvor registrierten Daten erscheinen. Die Kapazität des Speichers 35 entspricht auch hier der Anzahl der pro Bild verarbeiteten Bildpunkte. Ein Umschalter 88 gestattet in sei­ ner ersten Stellung die Übertragung der Ausgangssignale des A/D-Wandlers 83 auf die ersten Eingänge des Subtraktionsglie­ des 37 und der Ausgangssignale des Speichers 35 auf die zwei­ ten Eingänge des Subtraktionsgliedes 37, und in seiner zweiten Stellung die Übertragung der Ausgangssignale des Speichers 86 auf die ersten Eingänge des Subtraktionsgliedes 37 und der Ausgangssignale des A/D-Wandlers 83 auf die zweiten Eingänge des Subtraktionsgliedes 37; die Stellungen dieses Umschalters werden durch den Zustand des Flip-Flops 90 bestimmt. Dieses Flip-Flop 90 kippt bei Erscheinen jedes über die Leitung 50 übertragenen aktiven Signals um. Darüber hinaus weist die Vergleichsschaltung 30 gemäß Bild 5 einen Zeitgeber 92 auf, der das Schieben im Speicher 35 steuert.

Die Vergleichsschaltung 30 arbeitet wie folgt: Jedem Auftreten eines aktiven Signals auf der Leitung 50 entspricht eine halbe Umdrehung der Filterhalterung 31, so daß der Detektorkreis 5 wie bereits beschrieben bei jeder vollen Umdrehung die Strahlen aus den Filtern 33 und 34 emp­ fängt. Es sei angenommen, daß der Zeitpunkt, an dem ein akti­ ves Signal auf der Leitung 50 anliegt, zeitlich mit einer halben Umdrehung der Filterhalterung 31 zusammenfällt, so daß der Filter 33 in den Strahlengang des Primärstrahls 6 zu lie­ gen kommt. Die durch den Filter 33 erfaßten Bildinformationen sind in dem Speicher 35 gespeichert. Sodann erscheint auf der Leitung 50 ein weiteres aktives Signal, das zeitlich mit der Einschaltung des Filters 34 zusammenfällt. Im ersten Zustand des Flip-Flops 90 sind die ersten Eingänge des Subtraktions­ gliedes 37 über den Umschalter 88 an die Ausgänge des A/D- Wandlers 83 angeschlossen, und die zweiten Eingänge sind an die Ausgänge 86 des Speichers 35 angeschlossen. Das Subtrak­ tionsglied 37 subtrahiert die durch den Filter 34 aufgenom­ menen Bildinformationen von den durch den Filter 33 aufgenom­ menen und im Speicher 35 gespeicherten Bildinformationen. Wenn auf der Leitung 50 noch ein aktives Signal anliegt, ist der Speicher 35 mit den durch den Filter 34 aufgenommenen Da­ ten gefüllt, und das Flip-Flop kippt in seinen zweiten Zustand um, so daß die ersten Eingänge des Subtraktionsgliedes 37 mit den Ausgängen 86 und die zweiten Eingänge mit den Ausgängen des A/D-Wandlers 83 verbunden sind, und es findet der gleiche Subtraktionsvorgang statt.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Erfassung eines Hitzepunktes im Gelände mittels IR-Strahlung, die mit einem Geländeabtast­ system zusammenarbeitet, das die von den verschiedenen Ge­ ländebereichen ausgehende IR-Strahlung zu einem Primärstrahl zusammenfaßt und diesen auf einen IR-empfindlichen Detektor­ kreis richtet, gekennzeichnet durch eine optische Filterein­ richtung (20), die in zeitlicher Folge den Primärstrahl (6) in minde­ stens zwei Sekundärstrahlen zerlegt, die jeweils einem Teil des Spektrums des Primärstrahls entsprechen, und eine Signal­ vergleichsschaltung (30), deren Eingang mit dem Detektorkreis(5) ver­ bunden ist und deren Ausgang den Ausgang (2) der Vorrichtung bil­ det und die die Signale des Detektorkreises (5), die den verschie­ denen empfangenen Sekundärstrahlen entsprechen, miteinander vergleicht und ein Hitzepunktsignal abgibt, wenn der Unter­ schied der verglichenen Signale einen vorgegebenen Schwell­ wert überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsschaltung (30) einen Speicher (35) zur Speicherung der nach Empfang eines Sekudärstrahls vom Detektorkreis (5) ab­ gegebenen Informationen, ein Subtraktionsglied (37) zur Bestim­ mung des Unterschieds zwischen den gespeicherten Informatio­ nen und den nach Erfassung des zweiten Sekundärstrahls vom Detektorkreis (5) abgegebenen Informationen und einen Schwell­ wertkreis (38) enthält, der an den Ausgang des Subtraktionsglieds (37) angeschlossen ist und einen über einem Schwellwert liegenden Unterschied der Informationen feststellt und eine Information über den Hitzepunkt liefert.

3. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 für ein System zur Lenkung eines Flugkörpers auf ein Ziel, wobei der Flugkörper mit einem Leuchtsatz ausgerüstet ist, der den Hitzepunkt bildet und die Vorrichtung im Weg der Primär- oder Sekundärstrahlen ein Fadenkreuz aufweist, das auf das Ziel gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lenkschaltung (14) aus dem Hitzepunktsignal die Ablage der Koordinaten des Flug­ körpers (M) vom Ziel (C) ermittelt und dem Flugkörper (M) zuführt.