DE3430670C1 - Detektoranordnung zur Signalsignaturgewinnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und dabei insbesondere eine Infrarot-Detektoranordnung.

Wirkungsweisen und bevorzugte Anwendungsgebiete derarti­ ger Detektoreinrichtungen, nämlich insbesondere in soge­ nannter intelligenter Munition zur selbsttätigen Ziel­ klassifizierung und Zielansteuerung, sind beschrieben beispielsweise in der Zeitschrift "WEHRTECHNIK" Heft 2/1984, Seiten 74 ff, dort Mitte der rechten Spalte von Seite 75 und Mitte der linken Spalte von Seite 76. Dort ist darge­ legt, daß auf diesem Gebiete mit einer echten Bildaus­ wertung aus Aufwandsgründen in absehbarer Zeit noch nicht zu rechnen ist; weshalb man sich für IR-Suchköpfe mit dem Einsatz von Sensoren begnügen muß, deren Zielobjekt-Auf­ lösung im wesentlichen auf eine Heißpunkt-Erkennung be­ schränkt ist. Diese Beschränkung eröffnet andererseits nicht die wünschenswerten Möglichkeiten zur Zielklassifi­ kation und somit zum taktisch effektiven Einsatz der kostenspieligen intelligenten Munition, weil damit keine hinreichend unterscheidungskräftigen Zielsignaturen ge­ wonnen werden können, der IR-Suchkopf also relativ leicht, beispielsweise durch Scheinziele, gestört bzw. abgelenkt werden kann.

Der mit einem wirklichen Bildvergleich einhergehende Aufwand ist etwa aus der DE 28 42 684 C2 ersichtlich, nach der eine komplexe Entscheidungs- und Lernlogik mit sehr unterschiedlichen aktuell gewonnenen und bereits abgespeicherten Zielinformationen gespeist werden muß und man bei der Auswertung dennoch eines Bedieners zur Zielakquisition bedarf. Die Komplexität rührt insbesondere daher, daß das gerade aufgenommene Ziel aus sehr unterschiedlichen Ansichten erfaßt werden kann und vorübergehend auch mehr oder weniger verdeckt erscheint.

Eine andere Vorrichtung zur Überprüfung der Formübereinstimmung eines Objektbildes mit einem vorgegebenen Schema ist aus der DE-AS 21 06 035 bekannt. Ihre Funktion beruht auf der Korrelation abgespeicherter und aktuell gewonnener Bildausschnitte, um den Daten­ verarbeitungsaufwand auf repräsentative Teilbilder beschränken zu können. Auch daraus ist wieder ersichtlich, daß die echte Bildaus­ wertung unvertretbar hohen Aufwand erfordert, wenn sie nicht sta­ tionär (und deshalb wiederholbar für unterschiedliche Aufgabenstel­ lungen) realisiert werden soll, sondern in Projektile zur Vernichtung von Zielobjekten einzubauen ist.

Angesichts dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine aussagekräftigere Zielsignatur­ gewinnung - nämlich hinsichtlich geometrischer Parameter der Flächenausdehnung eines strahlenden Zielobjektes - zu gewinnen, ohne dafür des Aufwandes einer echten Bild­ auflösung für geometrische Bilddatenverarbeitung zu be­ dürfen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen da­ durch gelöst, daß die gattungsgemäße Detektoranordnung die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 aufweist.

Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, daß eine flächen­ bezogene Zieltypen-Aussage ohne den Aufwand einer geome­ trischen Zielstruktur-Auswertung möglich ist, wenn die in die Detektorebene projizierte Abbildung des erfaßten Zielobjektes gleichzeitig, oder besser noch nacheinander, mit Detektorelementen in unterschiedlichen Ortsauflö­ sungen erfaßt wird. Dann ist jedes Detektorelement für sich betrachtet als Heißpunkt-Detektor wirksam, also in seiner Auslegung unkritisch; aber aus einem Vergleich der unterschiedlichen Detektor-Intensitätsausgangssignale, sowie aus deren jeweiligem zeitlichen Verlauf, lassen sich geometrische Erkenntnisse über die Flächenstruktur des erfaßten Zielobjektes (und somit über die Heißpunkt-Inter­ pretation weit hinausgehende Zielsignaturen) gewinnen, weil die Zielbild-Auflösung von der jeweiligen Detektor- Erstreckung relativ zur Zielbild-Erstreckung abhängt. So ergibt sich eine gute Breiten-Ortsauflösung, wenn ein schmales, langes Detektorelement quer zum Zielbild orientiert ist, dagegen eine gute Längenauflösung dort, wo das Zielbild mit seiner Längsachse in Längsrichtung eines langen (längeren) Detektorelementes projiziert ist. Detektorelemente, die vom aufprojizierten Zielbild vollständig überdeckt werden, liefern jeweils maximales Intensitätssignal; wobei dieses aus der Fläche des Detek­ torelementes resultierende Maximum von einem Signalan­ teil aufgrund der Eigenstrahlung des erfaßten Zielob­ jektes überlagert ist, die somit bei dieser Detektoran­ ordnung zusätzlich ausgewertet und zur Zielklassifikation herangezogen werden kann.

Besonders einfache Verhältnisse hinsichtlich der Aus­ wertung der aufeinanderfolgenden Intensitätssignale, also der Möglichkeiten einer Zielsignaturgewinnung, er­ geben sich, wenn sämtliche nacheinander vom Zielbild er­ faßten Detektorelemente gleiche Fläche aufweisen; und ins­ besondere als Rechtecke mit stetig sich verändernden Sei­ tenverhältnissen ausgelegt sind. Abschätzungen haben er­ geben, daß sich vorzügliche Möglichkeiten der Zielsigna­ turerkennung bereits ergeben, wenn die Seitenverhältnisse der Detektorelemente zwischen etwa 1 : 5 und 5 : 1 sich ste­ tig verändern, verteilt über eine Anzahl von Detektor­ elementen, die in der Größenordnung um 7 liegt. Eine größere Anzahl von Detektorelementen bedingt zwar größeren apparativen Aufwand, erbringt aber den Vorteil einer größeren Anzahl nacheinander vollständig überdeck­ ter Detektorelemente, also maximaler Intensitätssig­ nale; was die Auswertung der überlagerten Eigenstrah­ lungs-Information des erfaßten Zielobjektes erleichtert.

Das auf die Detektionsebene projizierte Zielbild wird vor­ zugsweise entfernungsunabhängig normiert; so daß sich für jede Überflug-Höhe über ein Zielobjekt stets die glei­ chen geometrischen Relationen zwischen Zielbild und Detektorelement-Fläche einstellen, was die Auswertung bzw. den Vergleich von Zielsignaturen aus dem zeitab­ hängigen Verlauf der einzelnen Intensitätssignale er­ leichtert. Da auch der Verlauf der aufeinanderfolgenden Intensitätssignal-Maxima bei Verlagerung des Zielbildes über die einzelnen Detektorelemente eine Zielsignatur- Information beinhaltet, ist es zweckmäßig, ungeachtet der unterschiedlichen Erstreckungen der einzelnen Detek­ torelemente in Zielbild-Abtastrichtung zwischen den be­ nachbarten Detektorelementen stets gleiche Abstände ein­ zuhalten.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie wei­ tere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark vereinfacht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur er­ findungsgemäßen Lösung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Reihe von rechteckigen Detektorelementen unterschiedlicher Seitenverhältnisse hinter einer Abbildungsoptik und

Fig. 2 in grafischer Zuordnung die Intensitätsver­ läufe der Detektorelement-Ausgangssignale als Folge des in Fig. 1 angenommenen Zielbild- Durchganges.

Die in Fig. 1 skizzierte Detektoranordnung 11 weist in einer Abbildungsebene 12 hinter einer Abbildungsoptik 13 eine Anzahl von Detektorelementen 14 untereinander ähnlicher Geometrie in Abtastrichtung 15 nebeneinander auf. Die Abtastrichtung 15 entspricht der örtlichen Ver­ lagerung eines mittels der Abbildungsoptik 13 aufgefaßten und auf die Abbildungsebene projizierten Zielbildes 16 aufgrund beispielsweise einer Abtast-Schwenkbewegung der Abbildungsoptik 13 oder eines ihr vor- oder nachgeschal­ teten Abtastelementes (z. B. eines Schwenkspiegels, in der Zeichnung nicht berücksichtigt) - insbesondere bei stationärer Orientierung zwischen der Detektoranordnung 11 und einem erfaßten Zielobjekt (in der Zeichnung nicht be­ rücksichtigt) -; oder aber aufgrund einer Relativbewegung zwischen Detektoranordnung 11 und Zielobjekt, beispiels­ weise aufgrund Zielgebiet-Überfluges.

Vorzugsweise sind die Detektorelemente 14 untereinander unterschiedlicher Geometrie derart nebeneinander grup­ piert, daß sich eine stetige Veränderung der Detektor­ element-Geometrien in Abtastrichtung 15 ergibt, beispiels­ weise, wie dargestellt, eine Folge von rechteckigen Detek­ torelementen 14 derart unterschiedlicher Seitenverhältnisse a : b, daß am Anfang und Ende der Reihe von Detektorelementen 14 gestreckte, rechtwinklig zueinander orientierte Formen und in der Mitte dieser Reihe eine wenigstens angenähert quadratische Form vorliegen. Sämtliche dieser rechtecki­ gen Detektorelemente 14 weisen vorzugsweise gleichen Flächeninhalt a·b auf; zweckmäßigerweise sind trotz un­ terschiedlicher Erstreckung der einzelnen Detektorele­ mente 14 in Abtastrichtung 15 die einzelnen Abstände zwischen einander benachbarten Detektorelementen 14 un­ tereinander gleich.

Um unabhängig vom momentanen Abstand zum Zielobjekt (also beispielsweise unabhängig von der momentanen Zielüberflug Höhe) für ein Zielobjekt bestimmter Flächenausdehnung stets in der Abbildungsebene 12 ein Zielbild 16 konstanter Größe zu erzielen, ist eine Abbildungsoptik 13 mit Zoom- Einrichtung vorgesehen, die von einem (aktiven oder passiven) Entfernungsmesser 17 zur Normierung auf höhen­ unabhängige Abbildungsgröße des Zielbildes 16 nachsteuer­ bar ist.

Bei den Detektorelementen 14 handelt es sich vorzugs­ weise um auf Strahlungsenergie im Infrarotbereich an­ sprechende Materialen, die in als solcher bekannter Wei­ se unmittelbar (hybrid-integriert) mit einem Vorverstär­ ker 18 zur Abgabe eines Intensitätssignales i aufgebaut sein können. Das Intensitätssignal i ist desto größer, je größer der ausdehnungsmäßige Überdeckungsgrad des Detektorelementes 14 vom in seine Sensor-Ebene projizier­ ten Zielbild 16 ist. Je länger ein bestimmter derartiger Überdeckungsgrad beibehalten bleibt, desto zeitlich ge­ dehnter (über der Zeit t konstant beibehalten) fällt das Intensitätssignal i über der Zeit t aus. Dieses Zeit­ verhalten ist also bei ansonsten gegebenen geometrischen Verhältnissen hinsichtlich des Zielbildes 16 und der Detektorelemente 14 durch die Wanderungsbewegung des Zielbildes 16 längs der Abtastrichtung 15 gegeben; die - wie erwähnt - durch eine Abtastoptik hervorgerufen werden kann, oder aber durch Bewegung der Detektoranord­ nung 11 relativ zum Zielobjekt längs eines Abtastweges s, beispielsweise aufgrund Zielobjekt-Überfluges.

Zur Darstellung der Gegebenheiten gemäß Fig. 2 in Ver­ hältnis zu Fig. 1 der Zeichnung ist stark abstrahiert-ver­ einfachend angenommen, daß das Zielbild 16 nicht nur zeitlich konstant, sondern auch deckungsgleich mit einem mittleren Detektorelement 14µ (im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel also nahezu quadratisch; mit nur gering­ fügig größerer Länge der Seite a parallel zur Abtast­ richtung 15) ist. Aufgrund der anwachsenden und wieder abfallenden Überdeckungsgrade beim Durchgang des Ziel­ bildes 16 durch die jeweiligen Detektorelemente 14µ resultiert daraus der in Fig. 2 skizzierte trapezförmige Verlauf des Intensitätssignales i, der in dem Sonder­ fall des deckungsgleichen Detektorelementes 14µ in Rich­ tung der Zeitachse zum exakt dreieckförmigen Verlauf des Intensitätssignales iµ zusammenschrumpft.

Bei Detektorelementen (beispielsweise 14.1), bei denen die Längsachsen bezüglich derjenigen des Zielbildes 16 rechtwinklig zueinander stehen, ergeben sich bei konstan­ ter Abtastbewegung in Abtastrichtung 15 kürzere Überdeckungszeiten und somit schmalere Intensitätsverläufe i (t), als bei Erfassung des Zielbildes von Detektorelementen (bei­ spielsweise 14n), bei denen die Längsrichtungen überein­ stimmen und dazu noch mit der Abtastrichtung 15 zusammen­ fallen, so daß sich eine längere Beibehaltung des maxima­ len Überdeckungsgrades bei der Wanderung des Zielbildes 16 über das Detektorelement 14.n ergibt. Intensitätskurven i (t) mit der maximalen Amplitude (in Fig. 2 als 100% einge­ tragen) stellen sich beispielsweise dann ein, wenn das Zielbild 16 eine Aufeinanderfolge kleinerer Detektorele­ mente 14 überstreicht; so daß jedes ein maximales Inten­ sitätssignal i über eine längere Zeitspanne liefert als im Falle des dreieckförmigen Verlaufes iµ für den für Fig. 1 angenommenen Sonderfall einer exakten geometrischen Überdeckung von Zielbild 16 mit dem Detektorelement 14µ. Wo die Hauptachse des Zielbildes 16 mit der Hauptachse von Detektorelementen 14 übereinstimmt (so in der rechten Hälfte von Fig. 1), ergeben sich größere flächenmäßige Überdeckungsgrade und damit höhere Amplituden des maxi­ malen Intensitätssignales i als bei geneigt oder sogar quer zueinander orientierten Hauptachsen (wie es links in Fig. 1 der Fall ist). Je nach den geometrischen Ge­ gebenheiten bei der zunehmenden und dann wieder ab­ nehmenden Überdeckung eines Detektorelementes 14 vom da­ rüber hinweg-wandernden Zielbild 16 ergeben sich unter­ schiedliche Kurvenformen für die Anstiegs- und Abstiegs- Flanken der Intensitätsverläufe i (t); wobei die linea­ ren Trapez-Flanken gemäß Fig. 2 sich beim für Fig. 1 an­ genommenen Sonderfall gegenseitig achsparalleler Orien­ tierungen von Detektorelementen 14 und Zielbild 16 ein­ stellen.

Bei vorgegebener, also bekannter Geometrie der Detektor­ elemente 14 stellen die Intensitätsverläufe i (t) für ein jedes dieser Detektorelemente 14, sowie der (in Fig. 2 strichpunktiert interpolierte) resultierende Amplituden­ verlauf der Folge dieser einzelnen Intensitätskurven i (t), also eine Signatur über das erfaßte und als Zielbild 16 über die Detektorelemente 14 verschobene Zielobjekt dar. Das ermöglicht eine von der Zielgeometrie abhängige Zielklassifizierung, ohne detektorseitig den Aufwand für eine geometrische Strukturerfassung des Zielobjektes treiben zu müssen. Zugleich ermöglicht dieser Intensitätsverlauf eine Größenabschätzung des Zielobjektes, wenn die relative Überfluggeschwindigkeit und die optischen Daten der Abbildungs­ optik 13 bekannt sind und das Zielbild 16 bei etwa senkrechter Zielerfassung aus bekannter Höhe aufgenommen wird.

In Fig. 2 ist bei den mittleren Kurvenverläufen berücksichtigt, daß die Intensitätssignale i (t) in der Praxis nicht den ideal­ isierten Verlauf aufweisen, sondern insbesondere noch von der Eigenstrahl-Information 19 des erfaßten Zielobjektes über­ lagert sind. Deren statistische Auswertung vermag einer zu­ sätzlichen Beitrag zur Signaturanalyse zu liefern.

Claims (7)

1. Detektoranordnung (11) mit in einer Abbildungsebene (12) angeordneten Detektorelementen (14) zur Zielsignaturge­ winnung, insbesondere aus der Infrarot-Strahlung eines erfaßten Zielobjektes, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektorelemente (14µ) unterschiedlicher Geometrie in Abtastrichtung (15) nebeneinander ange­ ordnet sind.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Detektorelemente (14µ) mit gegeneinander stetig veränderter Geometrie nebeneinander angeordnet sind.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Detektorelemente (14µ) gleiche Flächeninhalte aufweisen.

4. Detektoranordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (14µ) rechteckig begrenzt sind.

5. Detektoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteck-Seiten (a, b) zwischen den Seitenver­ hältnissen 1 : n und n : 1 - mit n mindestens 5 - variieren und mehr als n Detektorelemente (14µ) vorgesehen sind.

6. Detektoranordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen zwei einander benachbarten Detektorelementen (14µ; 14µ+1) untereinander gleich sind.

7. Detektoranordnung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abbildungsebene (12) für das Zielbild (16) eine hinsichtlich ihres Brennpunktes zielentfernungs­ abhängig gesteuerte Abbildungsoptik (13) vorgesehen ist.