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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung und Peilung einer
Strahlungsquelle. Wie ersichtlich, kann die Peilung im
einfachsten Fall bezüglich einer Bezugsachse erfolgen, wie z.B.
einer horizontalen oder vertikalen Bezugsachse, oder indem man
sowohl die Winkelstellung in Elevations- und horizontaler
Richtung hat, woraus sich die Richtung der Quelle bezüglich
der Vorrichtung ergibt, oder man erhält mit mindestens zwei
sich schneidenden Peilrichtungen schließlich den Ort der
strahlenden Quelle im Raum. Unter einer strahlenden Quelle
versteht man entweder eine weit entfernte Quelle oder eine
näherliegende Quelle geringerer Abmessungen, so daß sie einer
punktförmigen Quelle angenähert werden kann.
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Gemäß bekannten Techniken, siehe insbesondere das
französische Patent 2 399 033, wird eine Vorrichtung zur
winkelmäßigen Peilung von punktförmigen Lichtquellen hergestellt,
die eine optische Maske an der Vorderseite eines Gehäuses
enthält, an dessen Rückseite lineare Netze von
lichtempfindlichen Elementen in einer Ebene parallel zu dieser Maske liegen.
Die Maske ist mit lichtdurchlässigen Zonen in Form von
geradlinigen Schlitzen versehen, um die von der Quelle kommende
Strahlung in Richtung mindestens zweier einander schneidender
Ebenen zu begrenzen, deren Schnittgerade durch die aussendende
Quelle verläuft. Jeder Schlitz ist einer lichtempfindlichen
Leiste zugeordnet, deren Richtung bezüglich der des Schlitzes
geneigt ist, vorzugsweise senkrecht zum Schlitz. Auf diese
Weise ermöglichen die Schnittpunkte der Ebenen mit den
lichtempfindlichen Leisten die rechnerische Bestimmung der Lage der
Schnittgeraden der Ebenen, d.h. der richtungsmäßigen
Bestimmung der Quelle bezüglich der Vorrichtung. Verarbeitungskreise
für die erfaßten Signale führen zur Identifizierung der
sensibilisierten Elemente entsprechend den Schnittpunkten, und
angeschlossene Rechenkreise erarbeiten die Abweichungsdaten
der Quelle. Mit zwei Vorrichtungen kann man zwei
Peilrichtungen erhalten, die sich in der Quelle schneiden, und damit die
räumliche Lage der Quelle berechnen.
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Gemäß einer dieser bekannten Techniken, die in dem
Patent US-A-4 092 072 beschrieben ist, enthält die Maske zwei
ein V bildende, zueinander geneigte Schlitze und ist vor einem
linearen Netz von lichtempfindlichen Elementen angeordnet, um
zwei Schnittebenen und die richtungsmäßige Peilung der Quelle
zu definieren.
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Aufgrund der zunehmenden Verwendung von Lasern in
Waffensystemen (Fernmessung, Anstrahlung ...) wird es
notwendig, die Ausrüstung eines Fahrzeugs oder Flugzeugs für den
Fall einer Anstrahlung zu schützen. Entsprechende Anlagen,
Laseralarmdetektoren genannt, haben nur die Aufgabe, das
Vorliegen eines Angriffs zu erfassen, und zwar in einem großen
Bereich um den Träger, beispielsweise 360º in horizontaler
Richtung und 90º in Elevationsrichtung.
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Die erwähnten Peilvorrichtungen sind normalerweise
nicht für so weites Erfassungsfeld vorgesehen; beispielsweise
sind sie für Helmvisiersysteme bestimmt. Außerdem besitzen sie
für das Problem der Laseralarmerfassung eine unzureichende
Empfindlichkeit.
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Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur
winkelmäßigen Peilung einer punktförmigen Lichtquelle oder
einer quasi punktförmigen Lichtquelle anzugeben, die ebenfalls
eine optische Maske mit mindestens einer lichtempfindlichen
Leiste enthält und in der die Elemente so angeordnet sind, daß
sie die obigen Nachteile nicht mehr aufweisen und zugleich
eine genaue Peilung der Quelle gewährleisten.
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Erfindungsgemäß ist eine opto-elektrische Vorrichtung
zur Erfassung und Peilung einer strahlenden Quelle mit
mindestens einer Elementarsonde, die ein lineares Netz von
Photodetektorelementen und in einer Ebene parallel zu diesem Netz
eine optische Maske aufweist, wobei letztere mindestens eine
schmal begrenzte geradlinige Zone besitzt, um mit der Quelle
eine das zugehörige Netz schneidende Ebene zu bilden, mit
einem Signal-Verarbeitungskreis für die erfaßten Signale, der
auf einem ersten Kanal einen Rangermittlungskreis zur
Identifizierung des Rangs der in der Ebene liegenden Elemente des
Netzes und einen Rechenkreis zur Berechnung eines den Winkel
der Richtung der Quelle definierenden Peilparameters ausgehend
von den Ranginformationen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
die Maske mit Ausnahme der lichtundurchlässigen geradlinigen
Zonen völlig lichtdurchlässig ist und daß der
Signal-Verarbeitungskreis auf einem zweiten Kanal ein Summierglied für die
erfaßten Signale enthält, das an einen Schwellwertkomparator
gekoppelt ist, um die Erfassung der strahlenden Quelle durch
Übertragung eines Bestätigungssignals an die Peil- und
Rechenkreise zu bestätigen.
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit
Hilfe der beiliegenden Figuren hervor.
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Figur 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Peilvorrichtung.
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Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der elektronischen
Kreise der Vorrichtung.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen vereinfachte Darstellungen
des von der Vorrichtung erfaßten Feldes.
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Figur 5 zeigt eine Variante der Vorrichtung, um die
Richtungspeilung der Quelle durch eine Verdopplung der
Elementarsonde zu erlauben.
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Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung und Peilung.
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Figur 7 zeigt ein Schema betreffend die Messung der
Richtungsabweichung, die von der Vorrichtung gemäß Figur 6
durchgeführt wird.
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Figur 1 zeigt die einfachste Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die aber doch eine winkelmäßige
Bestimmung erlaubt, beispielsweise den horizontalen Peilwinkel
ΘG wie im dargestellten Beispiel. Die Vorrichtung zur
Erfassung
und Peilung enthält ein Gehäuse 1, um die
Erfassungselemente vor der Umgebungsstrahlung zu schützen. Das Gehäuse
enthält zwei feste und parallele Ebenen 2 und 3 und kann, wie
dargestellt, rechteckigförmig sein. Die Vorderseite 2 ist ein
transparentes Fenster, das die mit einer beschränkten
lichtundurchlässigen geradlinigen Zone 4 versehen ist, um eine
optische Maske zu bilden, die den Durchlaß des einfallenden Lichts
im Bereich der lichtundurchlässigen Zone 4 unterbricht. Die
Rückseite 3 enthält im Inneren des Gehäuses den
Erfassungsteil, der aus einer einzigen Leiste 5 von
Photodetektorelementen gebildet wird. Es sei X die Richtung der Leiste,
beispielsweise eine waagrechte Richtung, und Z die senkrechte
Richtung über dem Zentrum O der Leiste. Der Punkt O entspricht
der Projektion des Punkts O' der Zone 4, wobei die Richtung
OO' senkrecht auf der Ebene 3 steht und die dritte kartesische
Richtung, also die Bezugsrichtung Y für die Messung des
Winkels bildet. Die Richtung Y ist die Richtung einer Abweichung
0, bezüglich der die Messung der Winkellage ΘG der strahlenden
Quelle S erfolgt. Die Leiste 5 kann aus einer
Ladungstransfervorrichtung bestehen, die auch CCD-Kreis (Charge Coupled
Device) genannt wird.
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Die elektronischen Verarbeitungs- und Rechenkreise
wurden durch den Block 7 angedeutet. Diese Kreise können mit
sehr kleinen Abmessungen als Festkörperkreis ausgebildet sein
und zumindest teilweise in dem Gehäuse hinter der Seite 3
untergebracht werden. Die Rechenkreise könnten in den
komplexeren Fällen einer Verwendung mehrerer Sonden 1 für eine
Richtungs- oder Raumpeilung weiter weg angeordnet sein und Teil
eines Rechners sein. Die Auswahl der Nutzstrahlung, d.h. der
Strahlung, die von der zu peilenden Quelle S kommt, erfolgt in
bekannter Weise mit lichtempfindlichen Leisten, die in den den
zu erfassenden Quellen entsprechenden Strahlungspektren
ansprechen. Der spektrale Auswertungsbereich kann im Fall der
Erfassung eines Peilstrahls im nahen oder fernen
Infrarotbereich liegen. Es ist nicht ausgeschlossen, daß zusätzlich auf
der Strecke der übertragenen Strahlen ein optisches Filter
liegt, das durch eine Schicht auf dem Fenster 2 realisiert
werden kann.
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Der Betrieb geht aus Figur 1 hervor. Man betrachtet
eine entfernt liegenden punktförmige Quelle S, deren Strahlung
in Form eines parallelen Strahls an der Sonde 1 ankommt. Die
geradlinige lichtundurchlässige Zone 4 projiziert einen
Schatten 40 auf die Rückseite des Gehäuses, während der Rest der
Ebene 3 von der Strahlung der Quelle durch die
lichtdurchlässigen Zonen des Fensters hindurch beleuchtet wird. Dieser
Schatten 40 schneidet die Leiste 5 in einem Abszissenpunkt XJ,
der die horizontale Winkelabweichung gemäß der Gleichung XJ =
Xo+D.tgΘG- ergibt, wobei Xo die Abszisse im Mittelpunkt O der
Leiste, ΘG die Winkelabweichung der Quelle S in horizontaler
Richtung und D den Abstand OO' angibt.
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Man erkennt, daß die Lage in Z-Richtung, die für die
geradlinige Zone 4 dargestellt ist, nicht als beschränkend
angesehen werden darf, wobei als einzige Bedingung gilt, daß
der Schatten die Leiste schneidet und die Zone 4 also nicht
parallel zur Leiste verläuft, sondern bezüglich dieser geneigt
ist. Die Anordnung mit einem Richtungsabstand von 90º zwischen
den Elementen 4 und 5 ist jedoch zu bevorzugen.
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Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Diagramm einer
möglichen Ausführungsform der elektronischen Kreise. Die erfaßten
Signale werden an einen Ranglokalisierkreis 11 angelegt, der
gemäß Techniken konzipiert sein kann, die aus denen abgeleitet
werden, die in dem bereits erwähnten Patent FR-A-2 399 033
beschrieben sind. Die Ranginformation wird hier die des Rangs
des oder der nicht von der Quelle beleuchteten Elemente, die
durch einen Ausgangssignalpegel unterhalb einer gegebenen
Schwelle bestimmt werden können. Diese Ranginformation wird
dann an Rechenkreise 12 gemeldet, um die Information ΘG- der
Winkelabweichung in horizontaler Richtung zu berechnen, die
aus der einfachen obengenannten Formel abgeleitet wird. Die
elektronischen Kreise können außerdem, wie angegeben, einen
zweiten Kanal am Eingang aufweisen, mit einem Summierglied 13
für die n von den n Einzelelementen der Leiste 5 erfaßten
Signale, wobei diese Summe an einen Schwellwertkomparator 14
übertragen wird, um die Peilung der Quelle S zu bestätigen.
Das Bestätigungssignal wird an die Peilungs- und Rechenkreise
11 und 12 übertragen, um die Verarbeitungs- und
Berechnungsoperationen zu bestätigen. Man erkennt, daß mit Ausnahme eines
oder einiger Elemente, die sich im Schnittpunkt des Schattens
40 mit der Leiste 5 befinden, alle anderen Elemente der Leiste
ein Erfassungssignal liefern, was der Vorrichtung eine große
Empfindlichkeit verleiht.
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Die Figuren 3 und 4 zeigen das Beobachtungsfeld HS in
Elevationsrichtung und HG in waagrechter Richtung für die
Vorrichtung. Ist der Abstand D klein, dann erhält man große
Werte für diese Felder, beispielsweise von ±45º in
Elevationsrichtung und ebensoviel in horizontaler Richtung. Um eine
vollständige Panorama-Überdeckung in horizontaler Richtung von
360º zu gewährleisten, genügt es, mehrere Sonden,
beispielsweise vier Sonden mit je 90º Beobachtungsfeld, miteinander zu
kombinieren. Die Auflösung, die von der Anzahl n von
Detektorelementen abhängt, kann leicht einige Grad erreichen. Diese
verschiedenen Merkmale ermöglichen es, vorzugsweise die
Vorrichtung zur Erfassung und Peilung von Peillasern anzuwenden.
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Die große Zahl von beleuchteten Detektoren, die der
Gesamtzahl n nahekommt, entspricht einer deutlichen
Vergrößerung der Erfassungsoberfläche und damit des Signal-Rausch-
Verhältnisses. Man verringert so erheblich die falschen
Alarme, da gleichzeitig die n-p beleuchteten Elemente erfaßt
werden, wobei p gleich der Anzahl der Elemente im Schatten 40
ist. Mit einer schmalen lichtundurchlässigen Zone 4 erhält man
einen Schatten 40, der im wesentlichen der Abmessung eines
Detektorelements entspricht (in diesem Fall gilt p = 1). Die
lichtundurchlässige Zone 4 wird vorzugsweise auf die Rückseite
des Fensters 2 aufgebracht. In diesem Beispiel werden alle
Detektorelemente mit einer Ausnahme beleuchtet, es sei denn,
man befindet sich im Übergang zwischen zwei Detektorelementen
und die Erfassung erfolgt dann durch die n-1 oder n-2
aktivierten Detektorelemente. Die Peilung erfolgt durch Ermittlung
des oder der beiden nicht beleuchteten Detektoren. Die
Vorrichtung kann in einem beliebigen spektralen Frequenzband
verwendet werden und sowohl kontinuierlich als auch gepulst
arbeiten. Die Abwesenheit von Sammellinsen führt gleichzeitig
zu einem weiten Beobachtungsfeld und einer großen Pupille,
wobei letztere nur mit der Abmessung des Detektors 5 in
Verbindung steht. Im Fall einer Laseralarmerfassung,
beispielsweise im Bereich von 1,06 Mikrometer, ist es möglich, genormte
Siliziumdetektorleisten 5 von 32 Elementen oder mehr zu
finden, die zu einer Peilgenauigkeit von einigen Grad RMS führen
(ROOT MEAN SQUARED).
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Die durch die Basissonde gemäß Figur 1 erzeugte
eindimensionale Abstandsmessung kann ergänzt werden, um eine
zweidimensionale Abstandsmessung zu ergeben und damit eine
Richtungspeilung gemäß dem Prinzip der in Figur 5 gezeigten
Anordnung, die zwei Elementarsonden 10A und 10B kombiniert, um
die Winkelabweichung ΘS- in Elevationsrichtung und ΘG- in
horizontaler Richtung für eine entfernte punktförmige Quelle S
anzugeben. Jede geradlinige lichtundurchlässige Zone 4A und 4B
bestimmt mit der Quelle S eine Ebene P1 bzw. P2, die die
entsprechende Leiste 5A und 5B schneidet.
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Berücksichtigt man die bekannten Daten für die
relative Lage der Sonden 10A und 10B, dann kann der Rechner 12 die
Richtung der Schnittgeraden der Ebenen P1 und P2 berechnen,
die durch die Quelle S verläuft. Mit einer dritten Sonde 10C
könnte man auch mit dem Paar 10A und 10C oder dem Paar 10B und
10C eine zweite Richtung bestimmen oder sogar eine dritte
Richtung, die durch den Punkt S geht, und damit diese Quelle
lokalisieren. Diese Technik ist aus dem französischen Patent
FR-A-2 399 033 bekannt und wird hier nicht im einzelnen erneut
dargelegt.
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Figur 6 zeigt eine andere Ausführungsform, gemäß der
das Fenster 2 zwei geradlinige Schlitze 4.1 und 4.2 in
V-förmiger Anordnung symmetrisch bezüglich der Richtung Z aufweist.
In der Detektorebene 3 findet man die Leiste 5. Die beiden
Zweige des V definieren mit der Quelle S zwei Ebenen, die sich
entlang der durch die Spitze des V verlaufenden Geraden
schneiden.
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Figur 7 zeigt den Schatten 40.A im Fall einer
Abweichung von 0º in horizontaler Richtung und 40.B im Fall einer
Abweichung, die nicht Null ist. Die Spitze des V liegt auf
einer Abszisse Xo für eine Nullabweichung und auf einer
Abszisse XK für eine von Null verschiedene Abweichung. Der Wert
der Abweichung wird durch die Gleichung L = Lo + 2.tgC.D tgΘS
gegeben. Der Parameter L steht für den Abstand zwischen den
nicht beleuchteten Elementen in der Position 40.B. Der
Parameter Lo bezeichnet den Abstand zwischen den nicht beleuchteten
Elementen in der Bezugsposition 40.A. Der Winkel C ist der
Halbwinkel zwischen den Zweigen des V. ΘS ist der
Abweichungswinkel in Elevationsrichtung. Diese erste Gleichung führt zur
Bestimmung der Abweichung ΘS der Quelle S in
Elevationsrichtung bezüglich der Bezugsachse Y.
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Die Mitte des Segments mit der Breite L folgt der
Gleichung X = Xo + D.tgΘG, wie oben anhand der Figur 1
dargelegt wurde. Diese Vorrichtung erlaubt die zweidimensionale
Peilung mit einer einzigen Leiste. Der Detektor 5 kann ein
genormter Typ sein, der in mehreren Spektralfrequenzbändern
gleichzeitig verwendbar ist. Der Verarbeitungskreis ist so
ausgebildet, daß er die beiden Schattenzonen am Schnittpunkt
des projizierten V mit der Leiste 5 erfassen kann. Das
Abzählen der Anzahl von Elementen zwischen diesen Zonen um den Rang
der nicht beleuchteten Elemente ergibt den Parameter L.
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Man kann so wie vorher mehrere Elementarsonden gemäß
Figur 6 kombinieren, um die räumliche Peilung der Quelle S
oder um eine Erweiterung des Überwachungsfeldes in
horizonta-1er Richtung zu erzielen.
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Im Fall eines Laseralarmdetektors reicht die Peilung
in horizontaler Richtung aus, und die bevorzugte
Ausführungsform ist die der Figur 1, die einfach und wirtschaftlich ist.
Es sei bemerkt, daß sich ein großes Beobachtungsfeld für einen
geringen Abstand D zwischen dem Fenster 3 und dem Detektor 5
ergibt, d.h. für eine kompakte Ausführungsform der
Vorrichtung.