DE3843470A1 - Optischer sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor, der in Verbindung mit der Lenkung eines Flugkörpers in ein Ziel eingesetzt wird.

Für das Erfassen von Zielen sind optische Sensoren bekannt, die die innerhalb des Blickfeldes einer Optik liegende Objektszene auf einen flächigen Sensor scharf abbilden, der aus einer Vielzahl von in einer Matrix angeordneten Detektorelementen aufgebaut ist. In einer Auswerteschaltung werden aus den Signalen der Detektorelemente diejenigen ausgewählt, die eindeutig einem Ziel zugeordnet werden können. Der Flugkörper wird dann anhand dieser Auswertung auf das Ziel gesteuert.

Voraussetzung für eine solche Lenkung ist die Vorgabe eines Referenzkoordinatensystemes, in das sowohl die Eigenbewegungen des Flugkörpers, d.h. Rollen, Nicken, Gieren und Flugrichtung, als auch die Zielkoordinaten und Zielbewegungen projiziert werden.

Ein solches Referenzkoordinatensystem kann z.B. durch ein Trägheitsinertialsystem, etwa ein Kreiselsystem, innerhalb des Flugkörpers vorgegeben werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Eigenbewegung des Flugkörpers mit Hilfe eines fest installierten Sensors aus mehreren, z.B. in T-Form angeordneten Detektorzeilen, auf die nur ein Teil der Objektszene abgebildet wird, und einer Bildverarbeitungseinheit zu berechnen und aus dem flugkörperfesten Koordinatensystem in das Referenzkoordinatensystem zu projizieren; vgl. DE-OS 34 46 009. Die Detektorzeilen des Sensors liegen nicht in der Brennebene der Optik des Sensors, so daß ein im Unendlichen liegender Punkt der Objektszene über mehrere Detektorelemente "verschmiert" abgebildet wird, wonach dieses Bild hinsichtlich der räumlichen und zeitlichen Ableitungen der einzelnen Bildpunkte ausgewertet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfach gestalteten Sensor anzugeben, der für die Lenkung von Flugkörpern verwendet werden kann, und mit dem Signale ableitbar sind, die sowohl für die Eigenbewegung des Flugkörpers als auch für Zielbewegungen relevant sind.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Demgemäß werden die Aufgaben "Bestimmung der Eigenbewegung" und "Zielerfassung und Zielverfolgung" mit Hilfe von zwei abbildenden Teilsensoren gelöst, die als Gesamtsensor eine gemeinsame Optik aufweisen. Vorzugsweise arbeiten die beiden Teilsensoren bzw. die für diese Teilsensoren verwendeten Detektorelemente in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen, wobei der Detektor zur Zielerfassung vorzugsweise im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 5 Mikrometern und der zweite Detektor zum Erfassen der Eigenbewegung im Bereich zwischen 8 und 14 Mikrometern empfindlich ist.

Jeder Teilsensor ist an seine Aufgabe optimal angepaßt. Die Verschiebung der Objektszene aufgrund der Eigenbewegung des Flugkörpers wird mit dem einen Detektor direkt in der Bildebene gemessen. Diese Verschiebung kann rechnerisch kompensiert werden, so daß Änderungen in der Objektszene, so z.B. Bewegungen eines Fahrzeuges, erfaßt werden können. Bei konventionellen Verfahren wird die Eigenbewegung des Sensors z.B. mit Trägheitssystemen bestimmt und in die Bildebene umgerechnet, was wesentlich aufwendiger ist. Durch die Verwendung zweier flugkörperfester Teilsensoren ist der Gesamtaufwand für den Aufbau des Sensors erheblich geringer als bisher, wobei die Projizierung von Daten von dem flugkörperfesten Koordinatensystem in ein Referenzkoordinatensystem ebenfalls vereinfacht wird.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines optischen Sensors gemäß der Erfindung, der aus zwei Detektoren besteht und

Fig. 2 eine schematische Aufsicht auf den zweiten Detektor.

Ein in Fig. 1 dargestellter optischer Sensor 1 weist eine Optik 2 auf, deren optische Achse in der Z-Richtung eines rechtwinkligen Koordinatensystemes mit den Koordinaten X, Y und Z liegt. Die durch die Optik 2 hindurchtretende Strahlung fällt auf einen Strahlteiler 3 in Form eines halbdurchlässigen Spiegels. Dieser ist aus einem Material, das Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 8 bis 14 Mikrometern stärker reflektiert als Strahlung mit Wellenlängen zwischen 3 und 5 Mikrometern. Ein Großteil der Strahlung im 3 bis 5 Mikrometerbereich wird daher von dem Spiegel 3 hindurchgelassen und fällt auf einen ersten Detektor 4, der im folgenden Rechteckdetektor genannt wird. Der Rechteckdetektor besteht aus einer quadratischen oder rechteckigen Anordnung von Detektorelementen 5. Die Fläche des Detektors liegt direkt in der Brennebene der Optik 2, d.h. in der X-Y-Ebene, so daß die von der Optik aufgenommene Szene scharf auf diesem Detektor 4 abgebildet wird. Der Rechteckdetektor 4 dient zum Erfassen und Verfolgen eines Zieles und ggf. zur höheren Interpretation der von der Optik aufgenommenen Szene. Besonders günstig für das Erfassen von Bodenfahrzeugen aus der Luft sind IR-CCD-Detektoren, die für Licht mit Wellenlängen zwischen 3 und 5 Mikrometern empfindlich sind.

Das von dem halbdurchlässigen Spiegel 3 umgelenkte Licht fällt auf einen zweiten Detektor 6, im folgenden Kreuzdetektor genannt, der aus zwei sich senkrecht kreuzenden Sensorbalken 7 und 8 besteht, die sich entlang der X′- bzw. Y′-Achse erstrecken. Diese Achsen stehen senkrecht auf der durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 umgelenkten optischen Achse des Sensors, die hier mit Z′ bezeichnet ist. Jeder Balken 7 und 8 des Kreuzdetektors 6 besteht aus drei parallelen Reihen von Detektorelementen 9, wie dieses schematisch in Fig. 2 dargestellt ist.

Der Brennpunkt der Optik 2 für die Strahlung im 8 bis 14 Mikrometer-Bereich liegt auf der optischen Achse Z′ vor dem Kreuzdetektor 8 und ist in Fig. 1 mit F bezeichnet. Hierdurch wird ein im Unendlichen liegender Punkt der von der Optik 2 erfaßten Szene unscharf auf dem Kreuzdetektor 6 abgebildet, so daß das in Fig. 2 schematisch angedeutete Bild B mehrere Detektorelemente 9 überdeckt. Mit diesem Kreuzdetektor werden die räumlichen und zeitlichen Ableitungen der Intensität an mehreren Punkten längs der Achsen X′=0 und Y′=0 berechnet, wie dieses im einzelnen in der DE-OS 34 46 009 beschrieben ist. Aus diesen Berechnungen kann dann die Eigenbewegung des Flugkörpers bestimmt werden. Zur Bildung der räumlichen und zeitlichen Ableitungen der Intensität sind für jeden Sensorbalken 7 bzw. 8 mindestens drei parallele Detektorzeilen notwendig. Die Genauigkeit der Bestimmung der Eigenbewegung des Flugkörpers kann durch eine Erhöhung der Anzahl der Detektorzeilen noch gesteigert werden. Auch die Detektorelemente 9 dieses Kreuzdetektors sind bevorzugt im Infrarotbereich zwischen 8 und 14 Mikrometern empfindliche CCD-Elemente. Bei diesen Wellenlängen ist der Kontrast des Hintergrundes stark genug, um die erforderlichen räumlichen und zeitlichen Ableitungen zu ermitteln.

Claims (7)

1. Optischer Sensor zum Erfassen von Zielen und zum Bestimmen der Eigenbewegung eines ein Ziel anfliegenden Flugkörpers, mit folgenden Merkmalen:
Eine Optik (2) die die im Blickfeld der Optik (2) gelegene Szene auf zwei Detektoren (4, 6) abbildet;
der erste Detektor (4) ist aus einer Vielzahl von in einer flächigen Matrix angeordneten Detektorelementen (5) aufgebaut, auf die die das Ziel enthaltene Szene scharf abgebildet wird;
der zweite Detektor (6) ist aus zumindest zwei sich schneidenden Sensorbalken (7, 8) aus jeweils einer Gruppe von Detektorelementen (9) aufgebaut und außerhalb der Brennebene (F) der Optik gelegen, so daß das Bild (B) eines sich im Unendlichen befindlichen Objektpunktes auf mehreren Detektorelementen (9) abgebildet wird.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Optik (2) und den beiden Detektoren (4, 6) ein Strahlteiler (3), vorzugsweise nach Art eines halbdurchlässigen Spiegels, vorgesehen ist.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Detektor (6) zwei senkrecht zueinander angeordnete Sensorbalken (7, 8) aus jeweils mehreren parallelen Zeilen von Detektorelementen (9) aufweist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensorbalken (7, 8) aus zumindest drei parallelen Zeilen von Detektorelementen (9) aufgebaut ist.

5. Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Detektoren (4, 6) in unterschiedlichen Spektralbereichen empfindlich sind.

6. Optischer Sensor nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (3) Strahlung des ersten Spektralbereiches bevorzugt auf den ersten Detektor (4) und Strahlung des zweiten Spektralbereiches bevorzugt an den zweiten Detektor (6) weitergibt.

7. Optischer Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Detektor (4) für Strahlung mit Wellenlängen zwischen 3 bis 5 Mikrometern und der zweite Detektor (6) für Strahlung mit Wellenlängen zwischen 8 und 14 Mikrometern empfindlich ist.