DE3805642C1

DE3805642C1 -

Info

Publication number: DE3805642C1
Application number: DE3805642A
Authority: DE
Inventors: Otto Dr. 8011 Kirchstockach De Hofmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-06-01
Also published as: US4984892A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum optischen Abtasten eines kugelförmigen Raumes.

Es sind bereits Erfassungssysteme bekannt, die zum Überwachen eines großen Raumwinkels dienen sollen (DE 29 51 592 C2, DE 30 46 744 A₁). Dabei reichen die abtastbaren Sehfeldgrößen jedoch nur höchstens bis 60°, in der anderen Richtung nur bis 7°.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kugelförmigen Raum mit einem opti schen Sensorsystem möglichst lückenlos abzutasten. Die Abtastung soll dabei sowohl räumlich als auch zeitlich in einem "kurzen" Rastermaßstab erfolgen, damit auch schnell im freien Raum sich bewegende Objekte erfaßt werden können. Mit anderen Worten sollte das Erfassungssystem in der Praxis lediglich durch den gewählten Sensor und die Art und Energie der Strahlung, die gemessen werden soll, beschränkt sein.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 charakterisierten Merkmale. Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen sowie der Beschreibung der Zeichnung und Aus führungsbeispielen enthalten.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1a eine Optik mit Wendeprisma und Spiegel

Fig. 1b eine Optik mit Doppelprisma (ohne Sensor)

Fig. 2 einen zu überwachenden Raum

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Zentraleinheit mit rechnerge stützter Steuerung und Regelung

Fig. 4 ein Zuordnungsschema der Datenerfassung zur Informations verarbeitung

Fig. 5 eine Optik mit Mehrfach-Sensorik in Modulbauweise.

Der Aufbau der Abtastvorrichtung geht aus Fig. 1a und 1b hervor. In der Bildebene eines Objektives 4 sind eine Anzahl von Detektoren 6 in einer Reihe angeordnet, z. B. hochempfindlicher IR-Detektoren. Zwischen der Bildebene und dem Objektiv ist ein Wendeprisma (z. B. Schmidt-Prisma) 5 um die optische Achse des Objektives drehbar gelagert. Vor dem Objektiv ist ein optisch ablenkendes Element, z. B. ein Spiegel 1 (Fig. 1a) oder ein Doppelprisma 7 (Fig. 1b), um die beiden Achsen 2 und 3 drehbar gelagert. Die Primärachse 3 liegt in der optischen Achse des Objektives 4, die Sekundärachse 2 im rechten Winkel dazu in der Spiegelebene. Eine Spiegel- bzw. Prismendrehung α um die Primärachse führt zu einer Azimut-Drehung α des ein- bzw. austretenden Parallelstrahlenbündels um die Primärachse 3. Damit wird auch eine Bilddrehung α der Sensoren um die optische Achse des Objektives 4 erzeugt. Diese Bild-Drehung α wird durch eine gleichzeitige Drehung α/2 des Wendeprismas 5 kompensiert, so daß die in der Bildebene angeordnete Detektor-Reihe objektseitig stets in der Ebene des Drehwinkels ϕ liegt.

Die Spiegel- bzw. Prismendrehung ϕ/2 umd die Sekundärachse 2 bewirkt eine Höhenrichtungsänderung des aus- bzw. eintretenden Strahlenbündels um den Winkel ϕ. Die Drehstellung ϕ/2 und α des ablenkenden Elementes, Spiegel 1 oder Prisma 7, werden von Winkelstellungsgebern, die fest mit den jeweiligen Drehachsen gekoppelt sind, direkt gemessen. Die α-Drehung um die Primärachse 3 wird mit dem Winkelgeber 17, die ϕ/2-Drehung um die Sekundärachse 2 wird mit dem Winkelgeber 10 gemessen (Fig. 3). Gegebenenfalls kann mit einem weiteren (nicht dargestellten) Winkelgeber direkt die Drehung α/2 des Wendeprismas 5 gemessen werden, um etwaige Fehler des Untersetzungsgetriebes 22 rechnerisch zu berück sichtigen.

Diese Anordnung erlaubt die Abtastung eines kugelförmigen Raumes, einer Kalotte oder eines Kugelabschnittes, wobei die Senor-Reihe objektseitig stets in Meridianrichtung ausgerichtet ist und die optischen Achsen der abgelenkten Strahlenbündel der Einzeldetektoren mit der primären Dreh achse 3 bzw. der Objektivachse in einer Ebene liegen. Der Ablenkbereich des Spiegels 1 bzw. des Prismas 7 bestimmt die Höhe h der Kugelzone bzw. der Kalotte (siehe Fig. 2).

Der Antrieb für die primäre Azimutdrehung α des Spiegels 1 bzw. des Prismas 7 erfolgt durch einen regelbaren Servomotor 16 (Fig. 3), wobei die Kompensationsdrehung α/2 des Wendeprismas 5 durch eine ent sprechend untersetzte Kopplung 22 bewirkt wird (Antrieb und Kopplung sind in der Fig. 1 nicht dargestellt). Der Antrieb für die Sekundär drehung ϕ/2 des Spiegels 1 bzw. des Ablenkprismas 7 erfolgt ebenfalls durch einen regelbaren Servomotor 9 (Fig. 3).

Bei einer Drehung α des Spiegels 1 bzw. Prismas 7 um die Primärachse 3 tasten die Detektoren 6 einen ringförmigen Kugelabschnitt ab, dessen Winkelbreite Δϕ durch die Länge s der Detektorreihe bzw. Anzahl i und Schwerpunktabstand a der Einzeldetektoren und die Objektivbrennweite f gemäß

bestimmt ist.

Wird gleichzeitig mit der Azimutdrehung α die Höhen-Richtung d des Abtaststrahlenbündels so geändert, daß sich bei einer Azimutdrehung α=360° die Höhenrichtung um den Betrag Δϕ ändert, so findet eine lückenlose Abtastung des Kugelraumes bzw. einer Kugelkalotte oder einer Kugelzone statt. Die Drehgeschwindigkeit des Höhenwinkels ϕ ist daher

wobei U _α die momentane Rotationsdrehzahl/s des Ablenkspiegels l um die Primärachse 3 darstellt.

Weiterhin ist zu gewährleisten, daß die Bildgeschwindigkeit am Detektor 6 stets konstant ist. Daraus ergibt sich, daß mit steigendem Höhenwinkel ϕ die Rotationsgeschwindigkeit von α um den Faktor 1/cos ϕ steigen muß, wie sich leicht nachweisen läßt.

Die Bildgeschwindigkeit v _b am Detektor ist

V _b = f · 2 π · U _α · cos ϕ (3)

wobei f die Brennweite des Objektivs 4 und U _α die momentane Rotationsgeschwindigkeit von α in Umdrehungen pro Sekunde darstellen.

Geht man von einer zu wählenden, konstanten Bildgeschwindigkeit v _b aus, dann ergibt sich für ϕ=0° eine nominale Rotationszahl

Ändert sich der Höhenwinkel ϕ, so muß die momentane Rotationszahl U _α

sein. Setzt man (5) in (3) ein, so ergibt sich, daß v _b=f · 2 π · U₀=konstant ist, wie gefordert.

Dementsprechend ändert sich auch die Drehgeschwindigkeit des Höhen winkels

Damit ist gewährleistet, daß die Detektoren 6 in gleichen Zeitinter vallen gleiche Raumwinkel bzw. Kugelflächen abtasten.

Diese Vorrichtung wird durch einen Elektronik- und Rechner-Modul ge steuert, dessen vereinfachtes Blockschaltbild in Fig. 3 dargestellt ist.

Eine zentrale Steuerung und Regelung mit Taktgeber 8 steuert und syn chronisiert sämtliche Funktionen. Sie treibt die Servomotoren 9 und 16 für die Drehungen ϕ/2 und α des ablenkenden Elementes 1 (Spiegel) bzw. 7 (Prisma) an. Die Drehungen werden von den zugeordneten Winkelstellungsgebern 10 bzw. 17 gemessen, von den zugeordneten Zählern 11 (d/2) und 15 (α) angezeigt und an die Steuereinheit 8 übertragen. Aus den Winkel- und Zeitdifferenzen aufeinanderfolgender Anzeigen werden dort die für die Drehzahlregelung der Servomotoren notwendigen Regelsignale gemäß den Formeln (5) und (6) abgeleitet.

Die Strahlungsmessungen der Detektoren 6 werden in der Signalverar beitungseinheit 13 verstärkt, gegebenenfalls digitalisiert und mit einem Schwellwertdiskriminator diskriminiert. Stehen diskriminierte Signale an, so werden diese und die zugeordneten Zeiten an das Signalregister 19 übertragen.

Die Winkelzähler-Register 11 und 15 enthalten die aktuellen Winkel stellungen von ϕ/2 und α und die Zeitregister 12 und 14 die zuge ordneten Zeiten. Es ist nicht notwendig, daß die Winkelgeber 10, 17 die hohe, für die Messung erforderliche Auflösung haben. Es genügt ein gröberes Anzeige-Intervall.

Da jedoch gleichzeitig sowohl für die Winkel-Anzeige als auch die Winkel signale eine Zeitmessung erfolgt, können die genauen Winkelmeßwerte aus den Zeitmessungen interpoliert werden. Um eine genaue, ausgleichende Interpolation zu ermöglichen, werden mehrere, z. B. n aufeinanderfolgende Anzeige- bzw. Zeitdaten in den Schieberegistern 18 und 20 gespeichert. Wird ein neuer Wert in die Register übernommen, so werden alle Daten jeweils ins nächste Register geschoben. Der Inhalt des letzten Registers geht verloren.

Mit den Detektorsignalen I wird in gleicher Weise verfahren, wobei zu beachten ist, daß zur gleichen Zeit jeweils i Signale der Detektor-Reihe parallel anstehen. Diese parallel anstehenden Signale I₁ . . . I _i werden in einem Zeittakt generiert und in das Schieberegister 19 übernommen, das der Winkelauflösung in Abtastrichtung entspricht. Das Schiebere gister 19 enthält m Plätze für die Signal- und Zeitwerte.

Werden jetzt Signale I diskriminiert, so erfolgt eine Übernahme der in den Registern 18 und 20 stehenden Daten in den Speicher bzw. Rechner 21 nicht nur bis zum letzten diskriminierten Signal, sondern jeweils noch n weitere Meßwerte darüber hinaus, so daß jeweils (n-1) Winkel- und Zeitmeßwerte ϕ/2, t _ϕ, α, t _α und (m-1) parallele Detek tor- und Zeitsignale I₁ . . . I _i, t _I vor dem ersten diskriminierten Signal I und jeweils (n-1) bzw. (m-1) Winkel- bzw. Detektorsignale nach dem letzten diskriminierten Meßwert I gespeichert sind. Die Winkelinter valle sind größer als die Signalintervalle, so daß den Detektorsignal werten stets registrierte Winkelwerte mit genügend großem Vor- und Nachlauf gegenüberstehen (Fig. 4).

Eine weitere Winkelmeß- und Registriereinrichtung für die Winkelmessung des Wendeprismas 5 kann im Bedarfsfall zusätzlich vorgesehen werden, um eventuelle Fehler der Bilddrehung eliminieren zu können. In der prak tischen Ausführung können die Funktionen des zentralen Taktgebers sowie des Steuer- und Regelmoduls 8 vom Rechner- und Speichermodul 21 mit übernommen werden.

Prinzipiell könnte mit dieser Vorrichtung der gesamte Halbkugelraum (siehe Fig. 2) abgetastet werden, vorausgesetzt, daß das Ablenkelement 1 bzw. 7 (Fig. 1a und 1b) einen Winkelbereich von ϕ=0° bis ϕ=90° erfaßt. Bei ϕ=90° müßten gemäß Formel (5) und (6) die Drehgeschwin digkeiten für a und ϕ unendlich groß werden. Praktisch ist daher ein gewisser Winkelraum in der Umgebung von ϕ=90° nicht erfaßbar.

Die Erfassung eines Halbkugelraumes zur Gänze mit nur einem Sensor stößt unter gewissen Umständen auf praktische Schwierigkeiten. Zum einen ist mit einem Ablenkelement der Höhenwinkelbereich von ϕ=90° nicht oder nur schwer möglich. Zum anderen kann die Forderung bestehen, daß die Abtastung innerhalb einer bestimmten Zeit erfolgen muß. Wenn sich beispielsweise ein bewegtes Ziel mit großer Geschwindigkeit bewegt und es möglichst oft oder in bestimmten Zeitintervallen detektiert werden soll, dann ergibt sich die Notwendigkeit, die Abtastung eines Halbkugel raumes mit mehreren derartigen Sensoren vorzunehmen (Fig. 5), wobei von jedem Sensor eine bestimmte Kugelzone erfaßt wird. Dabei wird man für die unteren Zonen mit kleineren Höhenwinkeln ϕ z. B. die Sensoran ordnung mit einem Ablenkspiegel (Fig. 1a) und für größere Höhenwinkel ϕ z. B. eine Sensoranordnung mit einem Ablenkprisma (Fig. 1b) wählen.

Die Forderung nach gleich häufiger Abtastung sämtlicher Zonen bei gleicher partieller Abtast- bzw. Bildgeschwindigkeit führt dazu, daß die Kugelzonen jeweils die gleiche Höhe h haben müssen (siehe Fig. 2). Dann sind nämlich auch sämtliche Teilflächen der Zonen gleich, und jeder Sensor tastet im gleichen Zeitraum die gleiche Fläche ab. Die Abtastung kann in zweierlei Weise geschehen. Entweder erfolgt die Höhenwinkel änderung pendelnd zwischen den beiden jeweiligen Grenzwerten ϕ₁ und ϕ₂ (Fig. 2) unter der Berücksichtigung der Formel (6), oder sie erfolgt nach Art der Repetition stets in einer Richtung, z. B. von ϕ₁ und erneuter Abtastung nach ϕ₂, usw.

Für die Auslegung des Systems, die Zahl der Zonen und der Abtastge schwindigkeit ist z. B. bei Erfassung eines schnell bewegten Ziels darauf zu achten, daß die Winkelgeschwindigkeit des Höhenwinkels ϕ größer ist als die Winkelgeschwindigkeit ω des zu detektierenden Objektes, da andernfalls in bestimmten Fällen Abtastlücken entstehen können.

Da die Winkelgeschwindigkeit ω eines Zieles, vom Sensor aus gesehen mit abnehmender Entfernung E immer schneller wird, gibt es praktisch eine untere Entfernungsgrenze für die sichere Detektion des Zieles. Sie errechnet sich aus

wobei v _v die Geschwindigkeitskomponente eines Zieles, wie Flugkörper darstellt, die parallel zur Bewegungsrichtung des Höhenwinkels ϕ verläuft. Die obere Grenze der Entfernung ergibt sich aus der Empfindlichkeit und dem Auflösungsvermögen des Sensors bzw. der Detektoren und der Strah lungsstärke des Objektes.

Sind mehrere Sensormodule gewählt, um den gesamten Kugelhalbraum abzu tasten und die nötige Abtastgeschwindigkeit zu erreichen, müssen die einzelnen Sensormodule zueinander so angeordnet werden, daß sie sich nicht gegenseitig die Sehfelder beschneiden. Erfolgt z. B. die Abtastung in 4 Zonen, so betragen die Höhen der einzelnen Zonen bei dem Kugelhalb messer r₀=1 jeweils 0.25 (Fig. 2).

Die Grenzwinkel ϕ der Zonen sind dementsprechend

ϕ₀ = 0°
ϕ₁ = arc sin 0.25 = 14.5°
ϕ₂ = arc sin 0.50 = 30°
ϕ₃ = arc sin 0.75 = 48.6°

In Fig. 5 ist ein Beispiel für eine Anordnung von vier Sensormodulen mit den o. g. Winkelbereichen dargestellt.

Die Sensormodule können neben- oder übereinander angeordnet werden, je nachdem wie es z. B. Stabilität, Raum- und Platzverhältnisse usw. zu lassen.

Sind die Sensormodule übereinander angeordnet, wie z. B. die Module 1 und 2 in Fig. 5, so besteht gegebenenfalls die Notwendigkeit, beide miteinander zu verbinden. Die Verbindungselemente müssen dann so ausge bildet sein, daß eine möglichst geringe Vignettierung der rotierenden Strahlenbündel stattfindet.

Anwendung der Erfindung: Erfassung bewegter Objekte im freien Raum. Abwandlungen der Ausführungsbeispiele können selbstverständlich vom Fachmann vorgenommen werden, ohne hierdurch den Erfindungsgedanken zu verlassen, wie er insbesondere in den Ansprüchen zum Ausdruck kommt.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Abtastung eines kugelförmigen Raumes oder einer Kugelzone, mit

a) in der Bildebene eines Objektives (4) auf der optischen Achse (3) angeordnetem Detektor (6) oder symmetrisch zur optischen Achse (3) angeordneten Detektoren (6).
b) zwischen Objektiv (4) und dessen Bildebene um die optische Achse (3) drehbar gelagertem Wendeprisma (5) und
c) einem optisch ablenkendem Element (1, 7) das vor dem Objektiv (4) im Strahlengang um zwei Achsen (2, 3) drehbar gelagert ist, wobei die Primärachse (3) in der optischen Achse des Objektives (4) liegt und die Sekundärachse (2) im rechten Winkel zur Primärachse angeordnet ist, und das ablenkende Element (1, 7) um die Primärachse (3) rotierend antreibbar ist und diese Drehung mit der Unter setzung 2 : 1 auf das Wendeprisma (5) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Zuordnung einer feststehenden Detektorreihe (6), des Wende prismas (5) und die Stellung der Sekundärachse (2) des ablenken den Elements (1, 7) so getroffen ist, daß die optischen Achsen der von dem ablenkenden Element (1 bzw. 7) abgelenkten Strahlenbündel der einzelnen Detektoren (6) mit der Objektivachse bzw. der Primär achse (3) des Ablenk-Elements (1, 7) in einer Ebene liegen.
e) das um die Sekundärachse (2) drehbar gelagerte ablenkende Element (1 bzw. 7) rotierend antreibbar ist,
f) die Rotation α des Ablenkelements (1, 7) um die Primärachse (3) von einem Winkelstellungsgeber (17) gemessen uns so geregelt wird, daß die Umdrehungszahl/Zeiteinheit in Abhängigkeit von dem Höhenwinkel ϕ den Wert annimmt, wobei ϕ den Höhenwinkel des Meßstrahlenbündels und U₀ die Umdrehungszahl für ϕ=0° darstellen.
g) die Drehung des Ablenkelements (1, 7) um die Sekundärachse (2) von einem zweiten Winkelstellungsgeber (10) gemessen und so geregelt wird, daß die Drehgeschwindigkeit den Wert annimmt, wobei den Winkelbereich der Detektorreihe unds die Länge der Detektorreihe,
f die Objektivbrennweite,
i die Zahl der Einzeldetektoren,
a ihren Schwerpunktabstanddarstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Zentraleinheit (8), wie Rechner, die synchronen Signal-, Winkel stellungs- und Zeitwerte I, t _I, ϕ/2, α, t _α erfaßt und in einem Speicher abgelegt werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel- und Zeitmeßwerte α, t _α, ϕ/2, t _ϕ der Winkel zähler- und Zeitregister (11, 12, 14, 15) ins Schieberegister (18 bzw. 20) mit jeweils n Plätzen und die Detektorsignale I und zugeordneten Zeitmeßwerte t _I in Schieberegister (19) mit m Plätzen übernommen werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß von einem Diskriminator (13) die Signale I geprüft und im Falle der Diskriminierung (z. B. Überschreitung eines Schwell wertes) ein Triggersignal erzeugt wird, das die Übernahme der in den Schieberegistern (18, 19 und 20) gespeicherten und durchlaufenden Signal- und Zeitdaten (I und t _I) in einen Speicher (21) ausgelöst, daß die Übernahme der Detektorsignale aus dem Signal-Schieberegister (19) beendet wird, nachdem (m-1) Detektorsignalreihen nach dem letzten diskriminierten Signal durchgelaufen sind und daß die Übernahme der Winkel- und Zeitdaten α, t _α, ϕ/2, t _ϕ beendet wird, nachdem jeweils (n-1) Winkel- und Zeitdaten aus den Winkeldaten-Schieberegistern (18 und 20) in den Speicher (21) übernommen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleichartige Sensoren mit verschiedenen Winkelmeßbereichen angeordnet sind, so daß ein Kugelhalbraum abtastbar ist.

6. Verfahren zur optischen Abtastung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildgeschwindigkeit (abzutastende Fläche/Zeit) oder Abtastfrequenz gleichbleibend ist.