DE3616796C1 - Optoelektronisches Ortungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Ortungssystem für eine Strahlungsquelle mit einer abbildenden Optik, in deren Bildebene ein optoelektronischer Detektor angeordnet ist, sowie mit einem im Strahlengang zwischen der Optik und dem Detektor befindlichen Flüssigkristallelement zur Ausblendung von störenden Strahlungsquellen (Störstrahlern), wobei das Flüssigkristallelement matrixförmig angeordnete und mittels elektronischer Zeilen- und Spaltentreiber ansteuerbare Rasterelemente aufweist sowie ein Verfahren zur Ortung einer Strahlungsquelle mit einem optoelektronischen Ortungssystem.

Aus der DE-PS 27 22 018 ist eine sog. Flüssigkristallblende für optische Geräte bekannt, welche matrixförmig angeordnete und mittels eines elektronischen Zeilen- und Spaltentreibers ansteuerbare Rasterelemente aufweist. Dabei werden die Rasterelemente so angesteuert, daß jeweils mindestens ein lichtdurchlässiges oder lichtundurchlässiges Rasterelement von Rasterelementen gegenteiliger Transparenz umgeben ist. Auf diese Weise wird entweder ein optisches Fenster oder eine begrenzte, strahlungsundurchlässige Fläche erzeugt. Bei Verwendung dieser Flüssigkristallblende in einer Beobachtungsvorrichtung kann dann die ein Ziel möglicherweise umgebende Störstrahlung ausgeblendet werden. Bei Verwendung einer derartigen Flüssigkristallblende in einem automatischen Lenkvisier wird die Blende vor dem goniometerseitigen Modulator angeordnet und kann über das die Ablagen der Rakete vom Ziel bestimmende Goniometer gesteuert werden. Eine Konkretisierung dieses Vorschlagen ist jedoch der DE-PS 27 22 018 nicht zu entnehmen.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gesetzt, ein optoelektronisches Ortungssystem der obengenannten Art zu schaffen, bei welchem eine mittels entsprechend angesteuerter Rasterelemente erzeugte Blende dem Bild einer Strahlungsquelle auf einfache Weise nachgeführt wird. Das Ortungssystem soll weiterhin die Möglichkeit bieten, mehrere, im Blickfeld befindlichen beispielsweise störende Strahlungsquellen zu erfassen und auszublenden. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Ortung einer oder mehrerer Strahlungsquellen mit dem optoelektronischen Ortungssystem zu schaffen, mittels welchem das Einfangen und Verfolgen eines bestimmten, beispielsweise an einem Flugkörper befestigten Strahlers bei Ausblendung anderer im Blickfeld vorhandener störender Strahlungsquellen möglich ist. Diese Aufgaben werden durch ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildetes Ortungssystem, bzw. durch ein nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 4 bestimmten Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Ortungssystem macht sich die Verwendung eines sog. nichtunterteilten Positionsdetektors zunutze, welcher beispielsweise bei Dr. R. Seitner, Meß- und Regeltechnik GmbH, Herrsching unter der Typenbezeichnung "PSD S 1200" oder "PSD S 1300" bekannt ist. Ein derartiger Positionsdetektor ist prinzipiell aufgebaut wie eine großflächige PIN-Diode, deren P- und/oder N-Schicht als dünne Schicht sehr konstanten Flächenwiderstandes ausgeführt ist, die an zwei oder vier Kanten mit einem oder zwei Paaren von Elektroden versehen ist. Ein auf die Fläche auftreffender Lichtpunkt erzeugt an den Elektroden ein der Position des Lichtpunktes auf der Fläche entsprechendes Signal, welches in einer speziellen Positionselektronik aufbereitet wird und abgegriffen werden kann. Diese Ausgangssignale werden zur Steuerung der Zeilen- und Spaltentreiber einer Flüssigkristallblende verwendet, wobei zur Kennzeichnung der jeweiligen Strahlungsquelle die Rasterelemente in einem die jeweiligen Position der detektierten Strahlungsquelle einschließenden Bereich in einer vorbestimmten Kontrastdarstellung entweder in einen strahlungsdurchlässigen oder -undurchlässigen Zustand schalten. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn zwischen beiden Kontrastdarstellungen gewählt, also umgeschaltet werden kann. Dadurch wird entweder eine die Strahlungsquelle umgebende Blende erzeugt, welche das Licht der Strahlungsquelle durchläßt, oder diese ausblendet.

Mit einem derartigen Ortungssystem ist es dann möglich, beispielsweise einen Flugkörper mit einer rückseitigen Strahlungsquelle zu verfolgen und zu lenken, wobei bereits vor dem Start die im Blickfeld erscheinenden, möglicherweise störenden Strahlungsquellen ausgeblendet werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger, in den Figuren teilweise schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 den Aufbau eines Ortungssystemes mit einer Flüssigkristallblende;

Fig. 1a eine Ablaufsteuerung;

Fig. 2a und 2b den Zustand der Flüssigkristallblende in positiver und negativer Kontrastdarstellung;

Fig. 2c den Zustand der Flüssigkristallblende bei Invertierung des Zustandes gemäß Fig. 2b;

Fig. 2d den Zustand der Flüssigkristallblende in der Einfangphase einer Strahlungsquelle;

Fig. 3 eine Schaltung für die Ansteuerung einer Flüssigkristallblende mit Umschaltmöglichkeit von positiver zu negativer Kontrastdarstellung und umgekehrt;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine integrierte Einheit aus Positionsdetektor und Flüssigkristallblende und

Fig. 5 eine Flüssigkristallblende mit Steuerelektronik zur Ortung und Verfolgung einer Strahlungsquelle.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich in der Zwischenbildebene einer Empfangsoptik 1 ein aus matrixförmig angeordneten Rasterelementen angeordnetes Flüssigkristallelement 2. Das in der Ebene des Flüssigkristallelementes 2 entstehende Zwischenbild wird über eine Optik 3 auf einem nichtunterteilten Positionsdetektor 4 abgebildet. Ein derartiger Positionsdetektor ist an sich nur in der Lage, den Ort einer einzigen Strahlungsquelle detektieren zu können.

Die Signale des Positionsdetektors 4 gelangen in die zugehörige Positionselektronik 5, die als Ausgangssignal die Koordinaten x und y sowie die Intensität I als analoge Ausgangssignale einer auf dem Detektor abgebildeten Strahlungsquelle liefert. Diese Signale werden für die weitere Signalverarbeitung in Analog-Digital- Wandlern 6 und 7 in digitale Signale transformiert.

Bei Geräten, die dem Ziel nachgeführt werden oder die in der Hand gehalten werden ist eine Schaltung 8 mit zwei Beschleunigungssensoren oder zwei bis drei, sich am Erdmagnetfeld orientierenden Magnetsensoren vorgesehen, deren Ausgangssignale x _B und y _B mittels eines Analog-Digital-Wandlers 9 in die digitale Signale umgewandelt werden. Mit den Beschleunigungssensoren oder Magnetsensoren werden die Bewegung der optischen bzw. optoelektronischen Elemente 1, 2, 3 und 4 gemessen. Die Positionsdaten x und y der Ortungselektronik 5 werden mit Hilfe der Signale x _B und y _B aus den Beschleunigungssensoren oder Magnetsensoren in einem ROM- oder EPROM-Baustein 10, welches als sogenannte Look-up-Table verwendet wird, entsprechend der gemessenen, bewegungsbedingten Ablage korrigiert.

Die korrigierten Werte X und Y gelangen dann über einen später beschriebenen ROM-Baustein 17 in einen Prozessor 11, der die Funktionen eines Fenstergrößengenerators 14, einer anschließenden Fenstersteuerung 15 sowie eines Prediktors 13, welches im wesentlichen einen Kalman-Filter beinhaltet und eine Ablaufsteuerung 12 umfaßt. Die Ansteuerung der Flüssigkristallzelle geschieht dann über eine Treiberschaltung 16, die von dem Prozessor 11 gesteuert wird und die eine Kontrastumkehrung, wie unter Fig. 3 beschrieben, beinhaltet.

In Fig. 1a ist beispielhaft die Minimalkonfiguration einer Ablaufsteuerung 12, einer Fenstersteuerung 15 und eines Fenstergrößengenerators 14 ausgeführt. Die Ablaufsteuerung 12 besteht aus einem Taktgenerator 12.1, einem Programmzähler 12.2 und einem Programm-ROM 12.3. Der Programmzähler steuert über das Programm-ROM den Funktionsablauf und gibt die notwendigen Steuersignale C, D, Clock 1, 2, 3 für die Schaltung gemäß Fig. 3, sowie für die Fenstersteuerung 15 und den Fenstergenerator 14. Das Kalman-Filter 13 vergleicht die ablagenkorrigierten Positionsadressen X und Y sowie die Intensität I mit vorausberechneten Werten. Liegen die Abweichungen innerhalb vorgegebener Grenzen, so liefert das Kalman- Filter 13 ein "True"-Signal an das Programm ROM. Die Fenstersteuerung 15, die im wesentlichen aus Analogschaltern besteht, gibt die X- und Y-Adresse aus dem ROM 17 von Fig. 1 an den Fenstergenerator 14 weiter. Letzterer besteht aus einem Daten-ROM, das jeder Adresse X bzw. Y einen Datensatz in Abhängigkeit von der Zeit und/oder vom Ort (d. h. der Adresse X und Y) zuordnet. Die auf diese Weise generierten Datenadressen werden in ein Schieberegister eingelesen, dessen Länge der Summe aus Zeilen- und Spaltenzahl entspricht. Die so aufbereiteten Datensignale gelangen dann zur Treiberschaltung gemäß Fig. 3.

Bei einem fehlenden Intensitätssignal I aus der Positionselektronik 5 liefert die Ablaufsteuerung 12 aus dem Kalman-Filter des Prediktors 13 eine Vorhersage über die Position der zu detektierenden Strahlungsquelle an die Fenstersteuerung 15. Zur Fenstergrößensteuerung werden entweder die Ablagen X und Y oder die Intensitätsinformation I herangezogen. Ist die Strahlungsquelle ein Flugkörper, der von außen in das Bildfeld hereinkommt, so wird der Betrag des X- oder des Y-Signals als Multiplikator für die minimale Fenstergröße herangezogen.

Die oben erwähnte Umschaltmöglichkeit zwischen positivem und negativem Kontrast, also die sog. Kontrastumkehr ist vorteilhafterweise in der Treiberschaltung 16 integriert und in Fig. 3 dargestellt. Durch die hier angegebene Treiberschaltung wird eine Umschaltung der Kontrastdarstellung erreicht, wie sie einmal in Fig. 2a (positive Kontrastdarstellung) und 2b (negative Kontrastdarstellung) gezeigt ist. Üblicherweise erreicht man bei statischer Ansteuerung, also nicht bei Multiplexbetrieb, durch Invertierung der Datensignale X und Y eine Kontrastumkehrung, die z. B. von einer Darstellung gem. Fig. 2b in eine Darstellung gem. Fig. 2c umschalten kann. Eine Darstellung gem. Fig. 2c ist jedoch für die hier beschriebene Anordnung nicht erwünscht, da mehr Rasterelemente als unbedingt notwendig abgedunkelt werden. Bei einer im wesentlichen punktförmigen Strahlungsquelle, also z. B. einem Flugkörper, der sich von außen zur Mitte des Bildfeldes bewegt, muß unbedingt die Bildfläche am Rand freigehalten werden (sh. Fig. 2d). Dies wird jedoch durch eine Kontrastumkehrung durch Invertierung der Datensignale, wie oben beschrieben, nicht erreicht. Demgegenüber ermöglicht die in Fig. 3 dargestellte Schaltung alle Darstellungsmöglichkeiten der Fig. 2a, b und d.

Ein wesentliches Merkmal der Schaltung gemäß Fig. 3 ist die Umschaltung der Bezugspotentiale 16.91 bzw. 16.92 der Treiber-IC 16.1 und 16.2 durch die elektronischen Schalter 16.3, 16.4 und 16.5. Die auskommenden Datensignale für die Treiber werden immer dann in das Schieberegister der Treiber-IC 16.1 und 16.2 übernommen, wenn an den elektronischen Schaltern 16.4 und 16.5 das Bezugspotential, also Ground, der Logik 16.6 anliegt.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung verwendet handelsübliche LCD-Treiber (z. B. Hughes 064), welche 5 V-Spannungsversorgungen 16.94 und 16.96 für die interne Logik und Treiberspannungen 16.93 und 16.95 von z. B. -20 V benötigen. Im Gegensatz zu der sonst üblichen Beschaltung, müssen in der Schaltung in Fig. 3 die Versorgungsspannungen 16.93, 16.94 und 16,95, 16,96 potentialfrei, z. B. über in Fig. 3 nicht dargestellte Übertrager, vorliegen. Erst dann ist es möglich, die Bezugspotentiale der Treiber über die Schalter 16.4 und 16.8 um die in 16.91 oder 16.92 festgelegte Spannung zu verschieben. Durch diese Maßnahme wird zum einen der Spannungshub an der aus Zeilen 16.13 und Spalten 16.12 bestehenden Matrixzelle um den in 16.91 bzw. 16.92 eingestellten Spannungsbetrag erhöht und zum anderen wird die für die Ansteuerung einer LCD-Matrix notwendige sog. U/3-Ansteuermethode ermöglicht. Die U/3 Ansteuermethode ist z. B. in "Funkschau 1984, Heft 11, S. 55 bis 61" ausführlich beschrieben. Bei der Umschaltung der Bezugspotentiale mit der Taktfrequenz "Clock 1" müssen noch einige weitere Treiberlogik-Signale phasenrichtig umgeschaltet werden. Dies ist in Fig. 3 symbolisch mit Hilfe der Inverter 16.10 und 16.11 angedeutet. Die Datenpulse für die Treiber werden mit Clock 2 in das in der Treiberschaltung integrierte Schieberegister eingelesen.

Die Kontrastumschaltung erfolgt über den Schalter 16.3 In der in Fig. 3 gezeigten Stellung des Schalters werden z. B. die mit logisch 1 selektierten Zeilen und Spalten im jeweiligen Kreuzungspunkt hell geschaltet, während die übrigen Elemente der Matrix 16.12 und 16.13 dunkel bleiben. Wird der Schalter umgelegt, so bewirkt die zusätzlich zu 16.92 aufaddierte Spannung 16.91 eine Kontrastumkehrung, d. h. die vorher transparent geschalteten Matrixelemente werden dunkel.

Einige Detektoranordnungen, wie z. B. Photoleiterdetektoren, benötigen zum Betrieb eine modulierte Strahlungsquelle. Dieser Forderung wird konventionellerweise dadurch Rechnung getragen, daß vor den Detektor eine elektromechanisch angetriebene Modulatorscheibe gesetzt wird, die mit einer festen, der Empfindlichkeit des Detektors angepaßten Frequenz angetrieben wird. Dieser Aufwand entfällt bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung, da die LCD-Zelle 2 eine Modulation der ankommenden Strahlung durch den in Fig. 3 dargestellten Schalter 16.14 bewirken kann. Der Schalter 16.14 wird hierbei mit der Taktfrequenz "Clock 3", die einer ganzzahligen Vielfachen der Taktfrequenz "Clock 1" entspricht, laufend betätigt. Die Taktfrequenz "Clock 3" kann z. B. in der Ablaufsteuerung 12 generiert werden.

Speziell bei Positionsdetektoren im Wechselstrombetrieb, bei denen die Signalverarbeitung von den Detektorausgängen durch Kondensatoren abgetrennt ist, kann die Anordnung gemäß Fig. 1 vorteilhaft eingesetzt werden. Hierbei weden nur diejenigen Rasterelemente der Flüssigkristallzelle 2 moduliert, die der Strahlungsquelle im Bildfeld zugeordnet sind, während die übrigen Rasterelemente unmoduliert bleiben. Die modulierten Rasterelemente wandern mit der Strahlungsquelle synchron mit. Als Darstellung kann dann sowohl die positive als auch die negative Kontrastdarstellung gewählt werden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß mit relativ einfachen elektronischen Mitteln mehrere Strahlungsquellen gleichzeitig verfolgt werden können. Dies wird z. B. dadurch erreicht, daß der Ablaufsteuerung 12 ein RAM-Baustein 17 zugeordnet ist, in den die Ablagen X und Y der Strahlungsquellen eingeschrieben werden. Die Positionen dieser Strahlungsquellen werden nacheinander abgerufen und dem Fenstergrößengenerator 14 sowie der Fenstersteuerung 15 zugeführt, die die entsprechenden Rasterelemente mit einer vorgewählten Frequenz, z. B. mit Clock 3, 4, 5, die ein ganzzahliges Vielfaches der Clockfrequenz 1 in Fig. 3 ist, moduliert. Weiterhin ist eine Gewichtung der verschiedenen Strahlungsquellen dadurch möglich, daß diese unterschiedlich oft angewählt werden.

Ist eine Strahlungsquelle z. B. ein Flugkörper, der von außen in das Bildfeld hineinwandert, so wird - gesteuert von der Ablaufsteuerung 12 - vor dem Abschluß des Flugkörpers das Bildfeld nach Stör-Strahlungsquellen abgesucht und die Ablagen dieser Strahlungsquellen im RAM 17 abgespeichert. Dabei führt jede Bewegung der die optische Achse definierenden Bauteile 1 bis 4 durch die mit Beschleunigungssensoren oder Magnetsensoren ausgestattete Elektronik 8 zu einer Korrektur dieser Ablagen. Nach Beendigung dieser Abtastprozedur, die von der Ablaufsteuerung kontrolliert wird, werden nur die Rasterelemente am Bildrand moduliert, die der Erwartungsposition des Flugkörpers nach dessen Abschluß entsprechen. Ist der Flugkörper erfaßt worden, so findet anschließend eine Verfolgung des Flugkörpers durch Modulation des oder der Rasterelemente statt, das oder die der Position des Flugkörpers entspricht bzw. entsprechen.

Fig. 5 zeigt eine vereinfachte analoge Schaltung entsprechend der digitalen Schaltung gemäß Fig. 1 ohne Verwendung von Beschleunigungs- bzw. Magnetsensoren 8 und ohne Kalman-Filter 13. Die Elemente 1 bis 5 entsprechen denen der Fig. 1, ebenfalls die Treiberschaltung 16, die der Fig. 3 entspricht. Die Ablaufsteuerung 12 erzeugt wie in Fig. 1a ebenfalls die notwendigen Steuersignale für die Treiberschaltung 12 und den Fenstergenerator 14.

Fig. 4 zeigt den Aufbau einer integrierten Detektor- Flüssigkristall-Einheit. Auf eine einer Empfangsoptik zugewandten Glasplatte 20 werden zuerst die Schichten 21 bis 25 zur Erzeugung einer Flüssigkristallzelle mit ansteuerbaren Rasterelementen aufgebracht, die mittels einer transparenten Isolierschicht 26 von den Schichten 27 bis 29 eines Positionsdetektors getrennt sind. Die Flüssigkristallzelle wird gebildet durch die transparenten Spaltenelektroden 21, eine Orientierungsschicht 22 aus langkettigen Polymeren ohne Seitenverzweigung, den Flüssigkristall 23, einer weiteren Orientierungsschicht 24 sowie der Zeilenelektroden 25. Hinter der Isolierschicht 26 beispielsweise aus SiO₂ oder Polyamid, sind die vier Außenelektroden 27 des Positionsdetektors aufgebracht. Mit diesen in Kontakt steht eine lichtdurchlässige Widerstandsschicht 28 aus Indium- Zinnoxid oder dotiertem Halbleitermaterial, gefolgt von einer lichtempfindlichen Schicht 29 aus Bleisulfid oder einem anderen Halbleitermaterial, auf welche die Grundelektroden 30 folgen. Abschließend ist wiederum eine Platte 31 aus Glas oder Silizium angeordnet, die als Träger für die Schichten 26-30 und für die Flüssigkristallschicht dient. Durch diese Anordnung entfällt eine Zwischenabbildung, also die Optik 3 gemäß Fig. 1.

Claims (8)

1. Optoelektronisches Ortungssystem für eine Strahlungsquelle mit einer abbildenden Optik, in deren Bildebene ein optoelektronischer Detektor angeordnet ist, sowie mit einem im Strahlengang zwischen der Optik und dem Detektor befindlichen Flüssigkristallelement zur Ausblendung von störenden Strahlungsquellen (Störstrahlern), wobei das Flüssigkristallelement matrixförmig angeordnete und mittels elektronischer Zeilen- und Spaltentreiber ansteuerbare Rasterelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Detektor ein nichtunterteilter Positionsdetektor (4) mit einer Positionselektronik (5) ist, deren Ausgangssignale den Zeilen- und Spaltentreiber (16) steuern und, daß zur Kennzeichnung einer Strahlungsquelle die Rasterelemente in einem die jeweilige Position einer detektierten Strahlungsquelle einschließenden Bereich ständig oder in modulierender Weise entweder, in positiver Kontrastdarstellung, strahlungsundurchlässig oder, in negativer Kontrastdarstellung, strahlungsdurchlässig sind und die übrigen Rasterelemente eine jeweils gegenteilige Transparenz aufweisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Schaltung (Fig. 3) zur Umschaltung zwischen den beiden Kontrastdarstellungen vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor und die Flüssigkristallelemente eine integrierte Einheit bilden (Fig. 4).

4. Verfahren zur Ortung einer Strahlungsquelle mit einem optoelektronischen Ortungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Ortung einer Strahlungsquelle in einer zu beobachtenden Szene bei zumindest abschnittsweise transparentem Flüssigkristallelement.
• b) Ausblendung der Umgebung um die zu verfolgende Strahlungsquelle durch Ansteuerung der Rasterelemente in negativer Kontrastdarstellung mit den Positionsdaten der zu verfolgenden Strahlungsquelle.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 4a und 4b folgende Verfahrensschritte eingefügt werden:

• a) Ausblendung der störenden Strahlungsquelle durch Ansteuerung der Rasterelemente in positiver Kontrastdarstellung mit den Positionsdaten der störenden Strahlungsquelle,
• b) Ortung der zu verfolgenden Strahlungsquelle bei lediglich die störende Strahlungsquelle ausblendendem, im übrigen transparentem Flüssigkristallelement.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausblendung mehrerer störender Strahlungsquellen durch Ansteuerung der Rasterelemente in positiver Kontrastdarstellung mit den Positionsdaten der störenden Strahlungsquelle im Bildmultiplexbetrieb erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Rasterelemente mit den Positionsdaten mindestens einer zu ortenden Strahlungsquelle in modulierter Weise mit unterschiedlichen, der oder den zu ortenden Strahlungsquellen eindeutig zugeordneten Frequenzen erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Bewegungen des Ortungssystems erfaßt und die Positionsdaten von detektierten Strahlungsquellen entsprechend dem durch die Bewegung verursachten Bildversatz korrigiert werden.