DE3522456B3

DE3522456B3 - Infrarot-Detektor

Info

Publication number: DE3522456B3
Application number: DE3522456.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lindner Friedrich; Dr. Kriz Helmut; Dipl.-Ing. Pleikies Reinhard
Original assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1985-06-22
Filing date: 1985-06-22
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2005-06-23
Also published as: GB8612825D0

Abstract

Ein Infrarot-Detektor (11) mit Anordnung zur Nutzsignal-Diskrimination durch Vergleich von spektral unterschiedlicher Wärmestrahlung (17) soll mit einer einfachen Auswerteschaltung (23) zur temperaturabhängigen Lieferung eines Blockiersignales (40) bei Falschziel-Auffassung ausgestattet werden. Dafür wird ein Falschzielkanal (49.14) mit Detektormaterialien (21.14) für höhere Strahlungstemperatur (T) und ein Echtzielkanal (49.15) mit Detektormaterialien (21.15) für dagegen niedrigere Strahlungstemperatur (T) ausgestattet, deren Signale (22) auf einen Vergleicher (42) geführt sind. Wenn in der aufgenommenen Wärmestrahlung (17) der oberhalb einer Grenztemperatur (To) liegende Spektralanteil dominiert, die durch den Schnittpunkt der Signal-Temperatur-Kennlinien (38) der eingesetzten Detektormaterialien (21) gegeben ist, wird ein Ausgangssignal (43) zum Generieren des Blockiersignales (40) abgegeben. Wenn der Vergleicher (42) als Quotientenbildner ausgelegt ist, liefert sein Ausgangssignal (43) eine absolute Temperaturinformation unabhängig von den momentanen Detektionsgegebenheiten wie Detektor-Füllfaktor und Wärmequellen-Strahlungskoeffizient.

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Detektor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und bezweckt insbesondere die weitere Ausgestaltung des Gegenstandes des älteren Patents P 34 10 942, zumal in Hinblick auf den Einsatz eines solchen Detektors im Rahmen einer Sensoreinrichtung nach der eigenen älteren Patentanmeldung P 35 02 186.1 vom 24.01.1985.
Aus der US-PS 4 397 429 ist es für die Fernsteuerung einer Rakete bekannt, eine Bahnverfolgung durch Infrarotbild-Darstellung des Zielgebietes, unter Berücksichtigung der momentanen Lage eines optisch erfaßten Heißpunktes an einer Rakete, vorzunehmen. Damit bei der Darstellung der Raketen-Heißpunkt die übrige Szenerie nicht überstrahlt, wird die gesamte aufgenommene Strahlungsenergie mittels Filtern in zwei getrennte Strahlenbündel nebeneinanderliegender Spektralbereiche aufgeteilt. Diese Spektralbereiche sind so gelegt, daß in ihnen die Empfindlichkeitskurve eines Detektormaterials für die Umgebungstemperatur ein breites Maximum durchläuft; während die Detektormaterial-Kennlinie für die Heißpunkt-Temperatur der Rakete im ausgewerteten Spektralbereich eine deutlich fallende Charakteristik, bei absoluten Werten oberhalb des erwähnten Maximums, aufweist. Durch Differenzbildung ist es deshalb in diesem Spektralbereich möglich, das aus dem Heißpunkt resultierende elektrische Signal auszublenden, so daß die Szenendarstellung nicht von der Heißpunktenergie überstrahlt wird.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Zusatzerfindung die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache und funktionstüchtige Schaltung für die Auswertung der von in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen empfindlichen Detektormaterialien gelieferten Signale bei einem Detektor gemäß dem Hauptpatent anzugeben.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Detektor im wesentlichen dadurch gelöst, daß er die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 aufweist.
Die Lösung beruht auf der Erkenntnis, daß typische Falschziele bereits abgeschossene und damit größtenteils brennende Fahrzeuge sind, also Strahlungsquellen darstellen, deren Temperatur deutlich über der Temperatur der Wärmestrahlung eines betriebsbereiten Fahrzeuges liegt, die ihrerseits über der typischen Umfeld-Temperatur des Zielgebietes liegt. Wenn nun ein Detektormaterial (durch Materialauswahl oder durch Filterung) für den einen Wellenlängenbereich und ein weiteres Detektormaterial entsprechend für den anderen Wellenlängenbereich optimiert gewählt wird, dann resultiert bei der zweikanaligen Auswertung aus der unterschiedlichen Steigung der Anstiegsflanke der beiden Detektorkennlinien ein Paar von Signal-Temperatur-Kennlinien, das sich bei einem typisch zwischen der Echtzieltemperatur und der Falschzieltemperatur gelegenen Temperaturwert kreuzt. Gemäß der vorliegenden Lösung wird nun durch Kennlinienvergleich ermittelt, ob das Wärmebild der momentan vom Detektor aufgenommenen Wärmestrahlung zu einem Detektor-Ausgangssignal führt, das in einem Kanal größer ist, als im anderen Kanal; oder umgekehrt. Diese Feststellung stellt eine eindeutige Aussage darüber dar, ob die Strahlungsquelle der momentan aufgenommenen Wärmestrahlung heißer oder kälter als die Schnittpunkt- oder Grenztemperatur des Kennlinienpaares ist, also einem Falschziel oder einem mit einem Suchzünder-Munitionsartikel tatsächlich zu bekämpfenden Echtziel zuzuordnen ist. Dabei ergibt sich, wenn der Vergleich als Quotientenbildung realisiert wird, die einfache Möglichkeit einer absoluten Temperaturmessung der im Spektrum momentan überwiegenden Strahlungsquelle.
Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich – auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung – aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:
1 im nicht-linearen Maßstab für unterschiedliche Detektormaterialien typische Leistungskurven über der Wellenlänge von Wärmestrahlung;
2 Spannungs-Temperatur-Abhängigkeiten des Ausgangssignales von Detektormaterialien entsprechend 1 und
3 eine Auswerteschaltung zur Ermittlung einer Falschziel-Information aus dem Kennlinienverhalten gemäß 2.
Wie insbesondere in der älteren Patentanmeldung P 35 02 186.1 näher erläutert, ist bei einer Suchzünder-Munition zweckmäßigerweise eine Echtziel-Falschziel-Diskrimination mittels eines Infrarot-Detektors 11 vorgesehen. Die Wärmestrahlung 17 von heißen Falschziel-Strahlungsquellen (17.14) und von dagegen kühleren Echtziel-Strahlungsquellen (17.15) führt über eine Optik 18 (vgl. DE-OS 33 26 876 ) zur Erzeugung eines Wärmebildes 19 in einer Detektionsebene 20 mit Detektormaterialien 21.14, 21.15 zur Lieferung elektrischer Falschziel-Signale 22.14 und Echtziel-Signale 22.15, vgl. die Hauptanmeldung P 34 10 942.0.
Bei Darstellung im zweiachsig-logarithmischen Maßstab (vgl. die nur qualitative Angabe in 1) zeigt jedes Detektormaterial 21 als Funktion E(λ) eine Empfindlichkeitskennlinie 37, die bei einer bestimmten Wellenlänge der Wärmestrahlung 17 ein Maximum durchläuft und zu kleineren Wellenlängen hin (also bei höherer Temperatur) steiler abfällt, als zu größeren Wellenlängen (niedrigerer Temperatur) Für den vorliegenden Anwendungsfall des Detektors 11 liegt das Maximum der Falschziel-Empfindlichkeitskennlinie 37.14 bei etwa 2,5 μ und das Maximum der Echtziel-Empfindlichkeitskennlinie 37.15 bei etwa 4,5 μ, mit Überschneidung beider Kennlinien im Bereiche von etwa 3 μ; wobei generell davon auszugehen ist, daß das Maximum der Empfindlichkeitskennl inie 37.14 eines Detektormaterials 21 für höhere Temperaturen höher liegt, als im Falle der Optimierung auf niedrigere Temperaturen (wie in 1 berücksichtigt). Als Detektormaterial 21.14 für höhere Temperaturen ist beispielsweise PbS geeignet, und als Detektormaterial 21.15 für niedrigere Temperaturen beispielsweise PbSe. Es kann aber auch vorgesehen sein, gleiches Detektormaterial 21 für beide Temperaturbereiche einzusetzen und die selektive Anpassung an die unterschiedlichen Frequenzbereiche der Wärmestrahlung 17 über vorgeschaltete Filtermaterialien zu realisieren.
Aus den Kennlinien 37 gemäß 1 ergibt sich die Funktion U (T) der Kennlinien 38 in 2, nach der für Temperaturen oberhalb einer Grenztemperatur To das Falschziel-Signal 22.14 eine höhere Amplitude aufweist, als das Echtziel-Signal 22.15; während für die von beiden Detektormaterialien 21.14/21.15 aufgenommene Wärmestrahlung 17.15 mit Temperaturen unterhalb der Grenztemperatur To die Verhältnisse genau umgekehrt sind. Der in 2 gestrichelt eingetragene Verlauf der Signal-Temperatur-Kennlinien 38 zu sehr hohen Temperaturen hin soll andeuten, daß dort aufgrund Sättigungserscheinungen der Detektormaterialien 21 eine Auswertung nicht mehr sinnvoll wäre. Der Schnittpunkt der Kennlinien 38.14/38.15 unterteilt somit den Temperaturbereich in einen Falschzielbereich 39.14 und in einen Echtzielbereich 39.15. Wenn also der Detektor 11 Wärmestrahlung 17 aufnimmt, in der die kurzwellige heiße Strahlung einer Falschziel-Strahlungsquelle dominiert (während die Suchzünder-Munition nur eine dagegen kühlere, allerdings immer noch über der Umgebungstemperatur liegende Strahlungsquelle akquirieren soll), wird mittels der Auswerteschaltung 23 (3) aus der Verknüpfung der beiden Kennlinien 38.14 und 38.15 ein Blockiersignal 40 gewonnen. Dieses unterbindet vorübergehend die Suchzünder-Auswertung der Infrarot-Zielsignatur 41, da der Detektor 11 momentan offenbar ein brennendes, also nicht mehr als Angriffsobjekt interessierendes (Falsch-)Ziel erfaßt.
Die Auswerteschaltung 23 besteht im wesentlichen aus einem Vergleicher 42, dessen Ausgangssignal 43 angibt, ob die dominierende Strahlungsquelle für die aktuell erfaßte Wärmestrahlung 17 im Temperaturbereich 19.14 oberhalb oder im Temperaturbereich 19.15 unterhalb der Echtziel-Falschziel-Grenztemperatur To liegt.
Für den Fall, daß (gemäß der im Hauptpatent beschriebenen Ausbildung) die Falschziel-Detektormaterialien 21.14 – bezogen auf die Abtastrichtung über das Zielgebiet – vor den Echtziel-Detektormaterialien 21.15 liegen, ist für das kürzeren Wellenlängen (höherer Temperatur) zugeordnete Signal 22.14 eine Verzögerungsstufe 44 vorgesehen, damit die in der Relation ihrer Amplituden auszuwertenden Signale 22.14/22.15 gleichzeitig den Vergleicher 42 beaufschlagen; stattdessen kann aber auch eine Signalspeicherung in der Eingangsstufe des Vergleichers 42 vorgesehen sein (in der Zeichnung nicht ausgeführt).
Die einzelnen Abschnitte der Detektormaterialien 21 sind je Kanal 49.14/49.15 nach Vorverstärkung über eine Summierschaltung 50.14/50.15 zusammengeschaltet. Wenn am Vergleicher 42 aus dem für größere Wellenlänge optimierten Detektormaterial 21.15 ein Signal 22.15 anliegt, das kleiner ist als die Amplitude des kürzeren Wellenlängen zugeordneten Signales 22.14, dann liefert der Vergleicher 42 ein Ausgangssignal 43 zur Kennzeichnung der Tatsache, daß in der Wärmestrahlung 17 Falschzieltemperaturen überwiegen. Daraus wird über eine UND-Verknüpfung 45 mit dem auf niedrigere Temperaturen zurückzuführenden Signal 22.15 das Blockiersignal 40 ausgelöst; wenn das Signal 22.15 überhaupt nur eine Ansprechschwelle Ua (vgl. 2) übersteigt, was mittels eines Komparators 46 festgestellt wird. In 3 ist hinter der UND-Verknüpfung 45 noch eine Störimpuls-Unterdrückung 47 vorgesehen, bei der es sich im wesentlichen um die Kombination eines Zeitgliedes mit einer monostabilen Kippstufe handeln kann, wodurch dann und nur dann ein kontinuierliches Ausgangssignal als Blockiersignal 40 abgegeben wird, wenn die UND-Verknüpfung 45 über eine Mindestzeitspanne hinweg erfüllt blieb.
Von besonderem Vorteil ist die Gewinnung des Blockiersignales 40 gemäß 2/3, wenn der Vergleicher 42 als Quotientenbildner für die Signale 22.15/22.14 ausgelegt ist. Denn dann stellt sein Ausgangssignal 43 eine absolute Temperaturinformation dar, da es unabhängig ist von der momentanen Anregung des Detektors 11, nämlich insbesondere vom momentan gegebenen Überdeckungsgrad der Detektormaterialien 21 durch das in die Detektionsebene 20 projizierte Wärmebild. Die vom Detektor 11 abstandsabhängig erfaßte Zielfläche (also der Detektor-Füllfaktor) des als Strahlungsquelle im Zielgebiet erfaßten Objektes geht nämlich in die Falschzielunterdrückung dann nicht mehr ein, weil der Füllfaktor in die beiden miteinander zu vergleichenden Kennlinien 38 mit gleichem Proportionalitätsfaktor eingeht, bei der Quotientenbildung also herausfällt. Das gilt entsprechend für den in die Kennlinien 37 und damit 38 eingehenden Abstrahlungskoeffizienten der im Zielgebiet vom Detektor 11 gerade erfaßten Strahlungsquellen; wobei dieser Koeffizient für alle praktisch interessierenden Zielobjekte (nämlich mit angestrichenen metallischen Oberflächen) nahezu den gleichen Wert aufweist, aber sich signifikant gegenüber demjenigen des umgebenden Geländes unterscheidet. Da im zur Auswertung interessierenden Wellenlängenbereich keine der Kennlinien 37 ein Maximum durchläuft, gehört zu jeder Temperatur der Wärmestrahlung 17 eineindeutig ein bestimmter aus den Kennlinien 37.14/37.15 sich ergebender Differenzwert bzw. Quotientenwert, was über eine Schaltstufe 51 die eindeutige Unterteilung in einen Falschziel-Temperaturbereich 39.14 und einen Echtziel-Temperaturbereich 39.15 (gemäß 2) ermöglicht. Reflektierte Sonnenstrahlung, beispielsweise bei schneebedeckter Zielumgebung, verschiebt nur die Kennlinien 38 (2) zu höheren Pegeln der Signale 22 hin. Eine solche Kennlinienverschiebung läßt sich schaltungstechnisch relativ einfach durch Berücksichtigung einer Korrekturgröße, die bei einer Vergleichsmessung-gegen Sonnenlicht gewonnen wurde, kompensieren. Das ist in 3 symbolisch durch die Einspeisung eines einstellbaren Korrektursignales 48 in eine Summierschaltung 50 berücksichtigt, das stattdessen oder zusätzlich auch durch Einstellung der Verstärkungsfaktoren in den Kanälen 49.14/49.15, z. B. bei den Vorverstärkern 33, realisiert werden kann. Über solche Korrektursignale 48 läßt sich also für gegebene Detektormaterialien 21.14/21.15 die Temperatur To des Schnittpunkts der Kennlinien 38 und damit die Ausgabe des Blockiersignales 40 variieren.

Claims

Infrarot-Detektor (11) mit Anordnung zur Nutzsignal-Diskrimination durch Vergleich der von unterschiedlichen spektralen Wärmestrahlungen gelieferten elektrischen Signale (22), insbesondere zur Zielkriterien-Gewinnung bei sensorgeführten Munitionsartikeln nach Patent P 34 10 942, dadurch gekennzeichnet, daß ein Falschzielkanal (49.14) mit Detektormaterialien (21.14), die auf eine höhere Temperatur (T) optimiert sind, mit einem Echtzielkanal (49.15) mit Detektormaterialien (21.15), die auf eine niedrigere Temperatur (T) optimiert sind, auf einen Vergleicher (42) zusammengeschaltet sind, der ein Falschziel-Ausgangssignal (43) liefert, wenn das Echtziel-Signal (22.15) einen kleineren Pegel als das Falschziel-Signal (22.14) aufweist.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicher (42) als Quotientenbildner ausgelegt ist.
Detektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kanal (49) eine Summiererschaltung (50) für getrennte Abschnitte der Detektormaterialien (21.14 bzw. 21.15) aufweist.
Detektor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einem der Kanäle (49) die Einspeisung eines Korrektursignales (48) zur Verschiebung der Temperatur-Kennlinie (38.14 bzw. 38.15) vorgesehen ist.
Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Falschziel-Detektormaterial (21.14) und danach das Echtziel-Detektormaterial (21.15) von der Wärmestrahlung (17) beaufschlagt ist und daß im Falschzielkanal (49.14) vor dem Vergleicher (42) eine Verzögerungsstufe (44) vorgesehen ist.
Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergleicher-Ausgangssignal (43) und das Signal (22.15) des Echtzielkanals (49.15) auf eine UND-Verknüpfung (45) geschaltet sind.
Detektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der UND-Verknüpfung (45) ein Komparator (46) für das Echtzielsignal (22.15) und für eine vorgebbare Ansprechschwelle (Ua) vorgeschaltet ist.
Detektor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störimpulsunterdrückung (47) zur Abgabe eines Blockiersignales (40) dem Vergleicher (42) oder der UND-Verknüpfung (45) nachgeschaltet ist.