DE4204165C1

DE4204165C1 - Opto-electronic snow fall detection method for guided missile - evaluating noise component in reflected laser light beam signal caused by reflection from individual snowflakes

Info

Publication number: DE4204165C1
Application number: DE4204165A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8898 Schrobenhausen De Motzko; Josef 8069 Rohrbach De Engl
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: TDW GESELLSCHAFT FUER VERTEIDIGUNGSTECHNISCHE WIRKS
Priority date: 1992-02-13
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2012-02-14

Abstract

The optoelectronic snow fall detection system uses emission of a modulated light beam and detection of the reflected light component, for evaluation of noise components caused by the individual reflections from snowflakes at different ranges, exhibiting different reflection factors. The detected noise components are compared with a constant background noise signal, to allow the snow fall to be identified. Pref. the laser light source provided the modulated beam is supplied with spaced trigger pulses, under control of a gating generator (3), simultaneously providing delayed control of a demodulator (4) for the received reflection signal. ADVANTAGE - Allows reliable distinguishing between snow and target.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optronischen Schneefalldetektion sowie eine Vorrichtung dafür.The present invention relates to a method for optronic snowfall detection as well as a Device for it.

Bei der Bestimmung der Auslöseentfernung von einem sich auf ein Ziel zubewegenden Flugkörper, insbesondere einem Hohlladungsträger in militärischem Einsatz ist es oftmals wünschenswert, die Gefechtskopfauslösung in einem bestimmten Abstand von dem Ziel vorzunehmen. So kann z. B. eine elektromagnetische Strahlung ausgesandt werden, deren Rückstrahlung einem Verstärker mit nachgeschaltetem Filter zugeführt wird, wobei letzterer bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts ein Auslösesignal erzeugt. Eine derartige Einrichtung eignet sich nur für einen Schönwettereinsatz, da Witterungseinflüsse sowohl die ausgesandte als auch die reflektierte Strahlung beeinträchtigen. When determining the trigger distance of one missile moving towards a target, in particular a hollow charge carrier in military It is often desirable to use the Warhead triggering at a certain distance from to make the goal. So z. Legs electromagnetic radiation are emitted, the Retroreflection an amplifier with a downstream Filter is supplied, the latter at Exceeding a predetermined threshold Trigger signal generated. Such a facility is only suitable for fair weather use, because Weather influences both the emitted as well affect the reflected radiation.

Aus der DE-PS 30 20 996 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Auslöseentfernung für einen bewegten Flugkörper bekannt, bei der eine genaue Feststellung der Entfernung auch bei schlechten Witterungsbedingungen, insbesondere Rauch, Nebel und Regen ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird eine Laufzeitmessung von reflektierten Laserimpulsen durchgeführt, die einem Entfernungstor zugeführt werden, wobei nicht nur das Entfernungstor, sondern auch ein diesem nachgeschalteter Integrator und ein Multiplexer von einem Zähler angesteuert werden, der seinerseits in Abhängigkeit von der Signalauswertung in einer Auswerteschaltung und einem Torgenerator dergestalt setzbar ist, daß in einem Speicher Signale vom Tor, das in variabel setzbaren Zeitabständen angesteuert wird, abgespeichert werden und in der Auswerteschaltung mittels Vergleich bewertet werden. Die Auswertung erfolgt dahingehend, daß die der Auswerteschaltung zugeführten Signale in analoger oder digitaler Form jeweils untereinander verglichen werden und sowohl feste als auch variable Abstände zwischen benachbart oder weiter voneinander entfernt aufgetasteten Signalintegratoren zur Erzeugung von Vor- oder Auslösesignalen ausgewertet werden.From DE-PS 30 20 996 a device for Determination of the release distance for a moving Missile known to make an accurate finding distance even with bad ones Weather conditions, especially smoke, fog and Rain is allowed. For this purpose, a Runtime measurement of reflected laser pulses performed that fed a removal gate be, not only the distance gate, but also a downstream integrator and a Multiplexers can be controlled by a counter that in turn depending on the signal evaluation in an evaluation circuit and a gate generator can be set in such a way that signals in a memory from the gate, which can be set at variable intervals is controlled, stored and in the Evaluation circuit can be evaluated by comparison. The evaluation is carried out in such a way that the Evaluation circuit fed signals in analog or digital form compared to each other and both fixed and variable distances between adjacent or further apart gated signal integrators for the generation of Pre or trigger signals are evaluated.

Zwar ist für diese Signalverarbeitung nur ein geringer Schaltungsaufwand erforderlich, jedoch ist es damit nicht möglich, Schneefall vom eigentlich zu bekämpfenden Ziel zu unterscheiden, und damit auch nicht zwischen Nebel und Regen einerseits, und Schneefall andererseits zu differenzieren.There is only one for this signal processing little circuitry required, however it’s not possible to actually get snowfall from it distinguish fighting target, and therefore not between fog and rain on the one hand, and snowfall to differentiate on the other.

Die US-PS 39 98 552 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung und Bearbeitung rückgestreuter elektromagnetischer Strahlung, z. B. Laserstrahlung, die ein mit Aerosolen, Nebel, Rauch oder anderen kleinen Teilchen angereichertes Fluid durchsetzt. Damit soll eine Bestimmung des optischen Transmissionsgrades des Fluides ermöglicht werden, nicht jedoch eine Schneefalldetektion erfolgen, die die einzelnen Aerosole im Fluid, z. B. der Atmosphäre, voneinander unterscheidet.The US-PS 39 98 552 relates to a device for Measurement and processing of backscattered electromagnetic Radiation, e.g. B. laser radiation, the one with aerosols, Fog, smoke or other small particles enriched Fluid interspersed. This is intended to determine the optical Transmittance of the fluid are not allowed however, a snowfall detection can be done by the individual Aerosols in the fluid, e.g. B. the atmosphere, from each other differs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optronischen Schneefalldetektion zu schaffen, die zuverlässig Nebel und Regen einerseits und Schneefall andererseits unterscheiden können und die zusätzlich eine grobe Diskriminierung der Flockengröße zulassen bei zugleich zuverlässiger Wirkungsweise sowie geringem Schaltungsaufwand.The object of the present invention is a Method and device for optronic Snowfall detection to create that reliable Fog and rain on the one hand and snowfall on the other hand can distinguish and the additional allow a gross discrimination of the flake size with reliable operation as well as low switching effort.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein modulierter Lichtstrahl ausgesandt wird, daß der reflektierte Anteil des ausgesandten Lichtstrahls empfangen wird, daß der erhöhte durch Einzelreflexionen an Schneeflocken aus unterschiedlichen Entfernungen und damit unterschiedlichen Reflexionsfaktoren bedingte Rauschanteil gemessen wird und mit dem bekannten konstanten Eigenrauschen der Empfangsanordnung sowie dem Hintergrundrauschen verglichen wird.The method according to the invention is thereby characterized that a modulated light beam is sent out that the reflected portion of the emitted light beam is received that the increased by individual reflections on snowflakes different distances and therefore different reflection factors Noise component is measured and with the known constant intrinsic noise of the receiving arrangement as well is compared to the background noise.

Im einzelnen besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß ein Torgenerator mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz angesteuert wird und die Lichtquelle mit zeitlich definierten Triggerimpulsen baufschlagt wird, daß die von den zu detektierenden Schneeflocken reflektierten und vom Empfänger abgegebenen Signale zeitlich verzögert durch die vom Torgenerator abgegebenen Triggerimpulse integriert werden, und daß sie einer Auswerteschaltung zugeführt werden, in der die durch Schneefall bedingten Rauschsignale von dem Hintergrundrauschen und dem Eigenrauschen des Empfängers getrennt und weiterverarbeitet werden.The method according to the invention exists in detail in that a gate generator with a predetermined Repetition frequency is controlled and the Light source with time-defined trigger pulses is charged that of those to be detected Snowflakes reflected and from the receiver emitted signals delayed by the from Gate generator emitted trigger pulses integrated and that they are fed to an evaluation circuit in which the snowfall caused Noise signals from the background noise and the Separate noise of the receiver and to be processed further.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Lichtquelle und einen Empfänger aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist, der durch einen Modulator angesteuert wird, daß der Empfänger mit einem Demodulator verbunden ist, dem die Ausgangssignale des Modulators zugeführt werden, daß dem Demodulator eine Anordnung zur Mittelwertmessung nachgeschaltet ist und daß dem Demodulator eine Anordnung zur Effektivwertmessung nachgeschaltet ist, und zwar parallel zur Anordnung zur Mittelwertmessung.The device according to the invention, the one It has a light source and a receiver characterized that the light source is a laser, which is controlled by a modulator that the Receiver is connected to a demodulator, the the output signals of the modulator are supplied, that the demodulator an arrangement for Average measurement is connected downstream and that Demodulator an arrangement for RMS measurement is connected downstream, in parallel to the arrangement for measuring the mean value.

Vorteilhafterweise ist der Laser ein gepulster Laser, während der Empfänger ein PIN-D-Empfänger ist; der Modulator ist dabei als zeitgesteuerter Torgenerator ausgestaltet und der D-Modulator als Torintegrator. Dem Empfänger kann zusätzlich ein Rotglasfilter oder ein Interferenzfilter vorgeschaltet sein.The laser is advantageously a pulsed laser, while the recipient is a PIN-D recipient; the The modulator is a time-controlled gate generator designed and the D-modulator as a gate integrator. A red glass filter or be preceded by an interference filter.

Die Erfindung ermöglicht eine nachhaltige Verbesserung der Sensorleistung bei durch Schneefall beeinträchtigten Sichtweiten und unterscheidet sicher die Rückstreuung bei Nebel oder ähnlichen Streumedien von der Rückstreuung bei Schneefall, so daß eine Verhinderung der Fehlauslösung bei optronischen Sensorsystemen durch Schneefall ermöglicht wird.The invention enables sustainable Improve sensor performance in case of snowfall impaired visibility and distinguishes safely backscattering in fog or similar scattering media from the backscatter when there is snow, so that a Prevention of false tripping in optronic Sensor systems made possible by snowfall.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.In the following the invention with reference to the drawing explained in more detail in an advantageous Embodiment is shown.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 ein Prinzip - Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; Fig. 1 is a schematic - Block diagram of a device according to the invention;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführung eines erfindungsgemäßen Schnee falldedektors und die Fig. 2 is a block diagram of a practical embodiment of a snow fall detector according to the invention and the

Fig. 3 bis Fig. 6 verschiedene Hochfrequenz signaturen bei unterschiedlichen Umwelt einflüssen, wobei jeweils an der Ordinate die Amplitude in mV des der Auswerte schaltung zugeführten Rohsignals und auf der Abszisse die Zeit in Nanosekunden aufgetragen sind. Fig. 3 to Fig. 6 different high-frequency signatures in different environments, where the amplitude in mV of the raw signal supplied to the evaluation circuit and the time in nanoseconds are plotted on the ordinate.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Schneefall die hohe Rückstreuung des ausgesandten Lichtstrahles ein hohes Signalrauschen erzeugt, bedingt durch die Einzelreflexionen von Schneeflocken in unterschiedlichen Entfernungen und mit unterschiedlichen Reflexionsfaktoren. Da diese Kriterien nur bei Schneefall auftreten, können sie, da sie das bekannte und konstante Eigenrauschen der Vorrichtung sowie das Hintergrundrauschen durch andere Umwelteinflüsse erheblich übersteigen, zu einer sicheren Detektion des Schneefalls verwendet werden.The invention is based on the knowledge that at Snowfall the high backscattering of the emitted Generates a high signal noise, due to the individual reflections of snowflakes at different distances and with different reflection factors. This one Criteria only occur when there is snow, they can because they have the familiar and constant intrinsic noise of the Device as well as the background noise significantly exceed other environmental influences used for reliable detection of snowfall will.

Voraussetzung dazu ist eine gegebene Unempfindlichkeit der Empfangsanordnung gegen die Hintergrundstrahlung, sei es durch eine geeignete Schwellwertschaltung, sei es durch geeignete Auswahl der elektronischen Bauteile.A prerequisite for this is a given Insensitivity of the receiving arrangement to the Background radiation, be it by a suitable one Threshold switching, be it through a suitable selection of the electronic components.

In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Prinzip - Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schneefalldetektion ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, z. B. ein gepulster Laser, mit 2 eine zugehörige Aussendeoptik und mit 3 ein Modulator zur Ansteuerung des Lasers. Der vom Laser 1 ausgesandte modulierte Lichtstrahl wird von den (schematisch mit * angedeuteten) Schneeflocken teilweise reflektiert und durch eine Empfangsoptik 6 und ein geeignetes Filter 9, hindurch z. B. einem Rotglasfilter oder einem Interferenzfilter, einem Empfänger 5 zugeführt, dem ein Demodulator 4 nachgeschaltet ist, dem auch die Abstandssignale des Modulators 3 zugeführt werden. Der Demodulator 4 ist zum einen mit einer Anordnung 7 zur Mittelwertmessung und mit einer parallel dazu geschalteten Anordnung 8 zur Effektivwertmessung verbunden.In the principle shown schematically in FIG. 1 - block diagram of an inventive device for snowfall detection, 1 denotes a light source, e.g. B. a pulsed laser, with 2 an associated transmission optics and with 3 a modulator for controlling the laser. The modulated light beam emitted by the laser 1 is partially reflected by the snowflakes (indicated schematically with *) and passed through a receiving optics 6 and a suitable filter 9 , e.g. B. a red glass filter or an interference filter, a receiver 5 , which is followed by a demodulator 4 , to which the distance signals of the modulator 3 are also supplied. The demodulator 4 is connected on the one hand to an arrangement 7 for measuring the mean value and to an arrangement 8 connected in parallel thereto for measuring the effective value.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen Schneefallsdetektors, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Mit 11 ist ein Mikroprozessor bezeichnet, der eine Zeitsteuerung 10 aufweist, durch die der als Torgenerator (Schieberegister) ausgebildete Modulator 3 mit einer definierten Wiederholfrequenz von z. B. 10 kHz angesteuert wird. Der Torgenerator 3 erzeugt einen zeitlich definierten Triggerimpuls für den gepulsten Laser 1, wobei das vom Laser emittierte Licht, dessen Pulsbreite z. B. 10 nsec beträgt, durch die Schneeflocken im Meßbereich reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen gelangen über die Empfangsoptik 6 zum Empfänger 5, z. B. einen PIN-D- Empfänger und von da zum Demodulator 4, der als Torintegrator ausgestaltet ist und zeitlich verzögert durch den Torgenerator 3 angesteuert wird, wodurch die Empfangssignale mit der Wiederholfrequenz und als Funktion der Zeitkonstante des Torintegrators 4 aufintegriert werden. Der Meßbereich ist dabei bestimmt durch die Breite der Lichtimpulse, die Torbreite und die Verzögerung zwichen der Triggerung des Lasers und der Toransteuerung durch den Torgenerator 3. Der Meßbereich liegt vorteilhafterweise im Nahbereich, d. h. in einem Bereich zwischen 0,5 und 4 m. Fig. 2 shows an embodiment in the form of a block diagram of a snow detector according to the invention, wherein like parts are provided with the same reference numerals. 11 with a microprocessor is designated, which has a time control 10 , through which the modulator 3 designed as a gate generator (shift register) with a defined repetition frequency of z. B. 10 kHz is driven. The gate generator 3 generates a time-defined trigger pulse for the pulsed laser 1 , the light emitted by the laser, the pulse width of which, for. B. is 10 nsec, is reflected by the snowflakes in the measuring range. The reflected light rays pass through the receiving optics 6 to the receiver 5 , for. B. a PIN-D receiver and from there to the demodulator 4 , which is designed as a gate integrator and is controlled with a time delay by the gate generator 3 , whereby the received signals with the repetition frequency and as a function of the time constant of the gate integrator 4 are integrated. The measuring range is determined by the width of the light pulses, the gate width and the delay between the triggering of the laser and the gate control by the gate generator 3 . The measuring range is advantageously in the close range, ie in a range between 0.5 and 4 m.

In den Fig. 3 bis 6 ist jeweils das erhaltene Rohsignal über der Zeit aufgetragen. In jeder der Figuren betrug die Zielentfernung 48 m und der Remisionsfaktor 0,3.In FIGS. 3 to 6, the raw signal obtained is plotted over time, respectively. In each of the figures, the target distance was 48 m and the remission factor was 0.3.

Die in Fig. 3 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 1°C, einer Luchtfeuchte von 95%, bei Bodenebel und einer Sichtweite von 40 m. The curve shown in Fig. 3 was obtained at a temperature of 1 ° C, a humidity of 95%, with ground fog and a visibility of 40 m.

Die in Fig. 4 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von -5°C, einer Luftfeuchte von 80% und einem Schneefall mit großen Flocken.The curve shown in Fig. 4 was obtained at a temperature of -5 ° C, a humidity of 80% and a snowfall with large flakes.

Die in Fig. 5 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 0°C, einer Luftfeuchte von 95% und bei auftretendem Schneefall mit kleinen Flocken.The curve shown in FIG. 5 was obtained at a temperature of 0 ° C., an air humidity of 95% and with snow flakes occurring with small flakes.

Die in Fig. 6 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 6°C, einer Luftfeuchte von 91% und sonnigem und klarem Wetter.The curve shown in Fig. 6 was obtained at a temperature of 6 ° C, a humidity of 91% and sunny and clear weather.

Die Schneefalldetektion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht nur mit einem Laserimpulsverfahren möglich, sondern auch mit einem Dauerstrichlaser oder auch trigonometrisch im IR-Bereich, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind:Snow detection according to the invention Method and with the device according to the invention is not only possible with a laser pulse process, but also with a continuous wave laser or also trigonometric in the IR range if following Requirements are met:

1. Defined measuring section for calibration of the Amount of precipitation;
2. Measurement of the mean as a measure of the backscattered power (e.g. through an RC link);
3. Measurement of the generated by the snowfall Noise component through an effective value measurement or Rectifier circuit as a criterion for the Snowfall and as a medium measure for the Flake size;
4. A calibration of the system by theoretical Simulation with corresponding scatter phase functions and verification with practical tests.

Claims

1. Method for optronic snowfall detection, characterized by the following method steps:
Sending out a modulated light beam, receiving the reflected portion of the emitted light beam, measuring the increased noise component caused by individual reflections on snowflakes from different distances and thus due to different reflection factors, and comparing with the known constant noise of the receiving arrangement and the background noise.

2. The method according to claim 1, characterized in that that a gate generator with a given Repetition frequency is controlled and the Light source with time-defined trigger pulses acts on that of those to be detected Snowflakes reflected and from the receiver emitted signals delayed by the from Gate generator emitted trigger pulses integrated are fed to an evaluation circuit in which those caused by snowflakes Noise signals from the background noise and the Separate noise of the receiver and to be processed further.

3. Device for performing the method according to Claims 1 and 2 with a light source and a Receiver, characterized in that the Light source is a laser by a modulator is controlled that the receiver with a Demodulator is connected to which the output signals of Modulators are supplied that the demodulator Reception arrangement for mean value measurement is connected downstream, and that the demodulator Arrangement for RMS measurement is connected downstream and that parallel to the arrangement for Average measurement.

4. The device according to claim 3, characterized characterized that the laser is a pulsed laser is that the receiver is a PIN-D receiver that the modulator is a time-controlled gate modulator, and that the demodulator is a gate integrator.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized characterized that in front of the recipient Red glass filter is arranged.

6. Device characterized in that before An interference filter is arranged in the receiver.