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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Harmonisierung zwischen
einem Lasersendekanal und einem passiven Beobachtungskanal. Die
Harmonisierung besteht darin, die optischen Achsen dieser Kanäle parallel
auszurichten, damit sie eine gemeinsame Visierlinie aufweisen. Die
Erfindung betrifft insbesondere die Systeme zur Zieldesignation,
die einen Telemetrie- oder Beleuchtungs-Laserkanal und einen passiven
Beobachtungskanal mit einem Bildgebungsdetektor aufweisen, die die
Anzeige und die Verfolgung des Ziels ermöglichen. Sie betrifft auch die
aktiven/passiven Bildgebungssysteme, die einen Lasersendekanal mit
Abtastung und einen passiven Bildgebungskanal aufweisen. Allgemeiner
gesagt, betrifft sie jedes System, bei dem es notwendig ist, den
Lasersendekanal und den passiven Beobachtungskanal zu harmonisieren.
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Unter
erschwerten Umgebungsbedingungen, insbesondere bezüglich der
Temperatur und von Vibrationen, wird die Zieldesignation mittels
Laser vorteilhafterweise mit Hilfe eines "Pod" durchgeführt (dieser
Begriff bedeutet im Englischen Gondel), der als externe Fracht am
Luftfahrzeug angeordnet ist. Er kann einen Beobachtungskanal, der
einen Bildgebungsdetektor für
sichtbares Licht und/oder einen Bildgebungsdetektor mit Infraroterfassung
im Band II oder III enthält,
der es ermöglicht,
das Ziel zu lokalisieren, sowie einen Laserkanal aufweisen, dessen optische
Achse von derjenigen des Beobachtungskanals getrennt sein oder mit
ihr zusammenfallen kann, der zum Beispiel im nahen Infrarotbereich
sendet und auf dem Beobachtungskanal "verriegelt" ist. Diese Verriegelung setzt die perfekte "fluchtende Ausrichtung" zwischen den beiden
Kanälen
voraus, d.h. die perfekte Parallelität ihrer optischen Achsen (die
zusammenfallen oder nicht), wodurch dann eine gleiche Visierlinie
definiert wird. Diese Harmonisierung muss während des Einsatzes überprüft werden
können.
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Zum
Beispiel kann in einer Luft/Boden-Ausrüstung für eine Laserführung von
Munition die Harmonisierung zwischen dem Beleuchtungslaser und der
Visierachse des Bildgebungsdetektors auf verschiedene Weise durchgeführt werden,
und insbesondere, wenn der Detektor über ein Spektralband verfügt, das
mit der Wellenlänge
des Lasers kompatibel ist, indem ein Teil der vom Laser ausgesendeten Energie
in die Eingangspupille des Bildgebungsdetektors rückgeführt wird.
Die Position des Bilds des so erhaltenen Laserflecks im Vergleich
mit der Mitte des Felds des Bildgebungsdetektors zeigt dann den Harmonisierungsfehler
an. Um die Harmonisierung zwischen den Kanälen durchzuführen, ist
es notwendig, dass das zur Durchführung der Rückführung verwendete Mittel das
Licht in der Einfallsrichtung zurückstrahlt, zum Beispiel mit
Hilfe eines Spiegels in Form einer Würfelecke.
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1 stellt
in einem vereinfachten Schema ein Beispiel einer Harmonisierungsvorrichtung
gemäß dem Stand
der Technik dar. Der Beobachtungskanal mit der optischen Achse Δi (in durchgezogenem
Strich in 1) enthält in diesem Beispiel eine afokale
Vorrichtung AFO, ein Fokussierobjektiv OBJ, das es ermöglicht,
das Bild einer Szene auf einem Bildgebungsdetektor DET zu formen,
zum Beispiel ein Silicium-Detektor, der im sichtbaren Licht und
im nahen Infrarotbereich arbeitet. Der Laserkanal mit der Achse Δl (in abwechselnd
kurzen und langen Strichen) enthält
einen Beleuchtungslaser LAS, der im nahen Infrarotbereich sendet.
Eine Mischstufe MEL, deren Übertragung
und Reflexion an die Wellenlänge des
Lasers angepasst sind und die gleichzeitig das Maximum des von der
Szene gesendeten Flusses überträgt, ermöglicht es,
die beiden Kanäle übereinander
zu lagern. Die Harmonisierungsvorrichtung weist in diesem Beispiel
eine Würfelecke
CCB und einen Satz von Spiegeln 11, 12 auf, die
im Laserkanal stromaufwärts
vor der Mischstufe MEL angeordnet sind, wobei einer der Spiegel
drehbeweglich ist (Spiegel 11). Um die Harmonisierung durchzuführen, wird
der Spiegel 11 so ausgerichtet, dass er den Laserimpuls
zur Würfelecke
CCB schickt, der so wieder in den Bildgebungskanal Δi rückgeführt wird
(in gestrichelter Linie in 1 dargestellter
optischer Pfad). Eine Klappe (nicht dargestellt), die es ermöglicht,
den von der Szene stammenden Fluss zu unterbrechen, ist während der
Harmonisierungsphase geschlossen, und das Bild des Laserimpulses
auf dem Bildgebungsdetektor kann angezeigt werden, um die Harmonisierungsfehler
zu bestimmen, die den Winkelabweichungen zwischen der Achse der
Visierlinie des Detektors und der Stellung des Laserbilds entsprechen.
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In
der Praxis hat diese Harmonisierungsvorrichtung einige Nachteile,
die zu bescheidenen Leistungen führen.
Insbesondere führen
die Unvollkommenheiten der Würfelecke,
die mit den Herstellungsfehlern verbunden sind, zu Harmonisierungsfehlern. Wenn
andererseits die Würfelecke
vor die dem Laserkanal und dem Beobachtungskanal gemeinsame Pupille
gesetzt wird, wie es in 1 der Fall ist, kann sie (aus
Platzgründen)
nur einen Teil dieser Pupille abdecken, was zu einem Bild relativ
großer
Abmessung des Laserimpulses auf dem Detektor und zu einer begrenzten
Harmonisierungspräzision
führt. Wenn
außerdem
die Verteilung der Laserenergie nicht in der ganzen Pupille gleichmäßig ist,
kann die Tatsache, dass nicht die ganze Pupille abgedeckt wird,
zu Harmonisierungsfehlern führen.
In dem Fall, in dem die Würfelecke
nicht in der Mitte der Pupille des Detektors angeordnet ist, verschlechtert
schließlich
die Wirkung der Aberrationen das Bild und kann zu einem Positionierfehler
seines Schwerpunkts führen.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine sehr genaue Harmonisierungsvorrichtung vor, die die Nachteile
des Stands der Technik nicht aufweist. Sie besteht darin, mit Hilfe
des gleichen Bildgebungsdetektors, der zur bildlichen Darstellung
der Szene verwendet wird, das Bild des von der Szene selbst und nicht
mehr von einer Würfelecke
retroreflektierten Laserimpulses anzuzeigen. Hierzu verwendet die
Erfindung einen spezifischen Detektor, der gemäß zwei Modi arbeiten kann,
einem klassischen Bildgebungsmodus und einem Harmonisierungsmodus,
in dem der von dem retroreflektierten Laserimpuls kommende Fluss
im von der Szene gestreuten, kontinuierlichen Strom erfasst werden
kann.
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Genauer
gesagt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Harmonisierung
zwischen einem Kanal zum Senden eines Laserimpulses zu einer Szene und
einem passiven Beobachtungskanal der Szene, wobei der Beobachtungskanal
insbesondere ein Fokussierobjektiv zum Formen des Bilds der Szene
auf mindestens einem Bildgebungsdetektor aufweist, wobei die Vorrichtung
dadurch gekennzeichnet ist, dass sie aufweist
- – einen
schnellen Laserimpuls-Detektor, der es ermöglicht, den Zeitpunkt der Ankunft
des von der Szene auf den oder die Bildgebungsdetektor(en) retroreflektierten
Laserimpulses zu bestimmen,
- – einen
Harmonisierungsdetektor, der einen der Bildgebungsdetektoren bildet
und insbesondere eine Einheit von lichtempfindlichen Zonen im Spektralband
des Sendelasers aufweist,
- – Mittel
zum Steuern des Harmonisierungsdetektors im Bildgebungsmodus oder
im Harmonisierungsmodus, die das vom schnellen Detektor gelieferte
Signal empfangen und im Harmonisierungsmodus den Betrieb des Harmonisierungsdetektors
gemäß zweier
Phasen ermöglichen,
- – einer
ersten Wartephase, während
der die von der Umwandlung der von den lichtempfindlichen Zonen
empfangenen Photonen stammenden elektrischen Ladungen praktisch
durchgehend mit einer ausreichend kurzen Integrationszeit integriert
werden, um die Erfassung des von einem von der Szene retroreflektierten
Laserimpuls stammenden Flusses im von der Szene gestreuten kontinuierlichen
Fluss zu ermöglichen,
- – einer
zweiten Lesephase, ausgelöst
von dem vom schnellen Detektor zum Zeitpunkt der Erfassung eines
von der Szene retroreflektierten Laserimpulses empfangenen Signal,
was zur Sequentialisierung der integrierten Ladungen zum Zeitpunkt
der Erfassung des Impulses führt,
damit im so erhaltenen Bild die Position des entsprechenden Laserflecks
erfasst wird,
- – Rechenmittel,
die es ermöglichen,
ausgehend von der Position des Laserflecks im Bild die den Winkelabweichungen
zwischen der Achse des Beobachtungskanals und derjenigen des Lasersendekanals
entsprechenden Harmonisierungsfehler zu berechnen.
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Abgesehen
von der Tatsache, dass sie eine große Präzision erbringt, ermöglicht es
die erfindungsgemäße Vorrichtung,
die Harmonisierung in einer reellen Situation durchzuführen, da
der auf dem Detektor abgebildete Laserfleck der gleiche ist wie derjenige,
dem zum Beispiel eine lasergeführte
Waffe folgen muss. Sie ermöglicht
es außerdem,
auf die Verwendung einer Mischstufe zwischen dem Laserkanal und
dem Beobachtungskanal zu verzichten, deren Spezifikationen zwingend
sind.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand der Figuren hervor, die darstellen:
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1 (bereits
beschrieben) eine Harmonisierungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik zwischen
einem Laserkanal und einem Bildgebungskanal;
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2 das
Schaltbild der Struktur eines optischen Systems, das eine erfindungsgemäße Harmonisierungsvorrichtung
anwendet;
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die 3A und 3B Beispiele,
die die Position des Laserflecks im Bild vor und nach der Berichtigung
der Harmonisierungsfehler darstellen;
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4 ein
präzises
Beispiel eines Harmonisierungsdetektors;
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5 die
Geschwindigkeit des vom Impulsdetektor gelieferten Signals in Abhängigkeit
von der Zeit gemäß einem
Beispiel.
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In
diesen Figuren sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Zur
Darlegung der Erfindung stellt 2 die Gesamtstruktur
einer optronischen Ausrüstung
zur Bildgebung und zur Zielverfolgung in einer Luft/Boden-Konfiguration dar,
die mit einer Harmonisierungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgestattet
ist. Die verschiedenen in der Figur dargestellten Untereinheiten
sind in einen steifes Tragwerk montiert (nicht dargestellte, ausgerüstete optische
Bank), das selbst innerhalb einer von einem Luftfahrzeug getragenen
Hülle installiert
ist. Die Ausrüstung
enthält
einen Sendekanal (mit der optischen Achse Δl) für einen Laserimpuls, der von
einem Lasersender LAS gesendet wird, dessen Wellenlänge mit
der durchzuführenden
Funktion der Zielbeleuchtung kompatibel ist, wobei seine Kollimationsoptik COL
es ermöglicht,
einen Strahl geringer Breite in der Richtung Δl zu erhalten. Im Fall einer
Ausrüstung
zur Zielverfolgung handelt es sich zum Beispiel um einen Nd:YAG-Laser,
der Impulse von einigen zehn Nanosekunden mit 1,06 μm sendet.
Sie weist weiter einen Beobachtungskanal (mit der optischen Achse Δi) auf, der
in diesem Beispiel aus einem multispektralen Bildgenerator besteht,
der vorteilhafterweise mit einer katadioptrischen Fokussieroptik
OPT mit mehreren Spiegeln ausgestattet ist, deren Achromatismus die
zusätzliche
Einführung
von Harmonisierungsfehlern beschränkt. Im Beispiel der 2 unterscheidet sich
der Lasersendekanal vom Bildgebungskanal, was es ermöglicht,
den in den Bildgebungskanal rückgestreuten
Laserfluss zu begrenzen. Es ist aber möglich, ein System vorzusehen,
bei dem die Laserimpulse beim Senden in Höhe des afokalen Bereichs der
Optik des Bildgebungskanals in den Bildgebungskanal eingespeist
werden. Dies ermöglicht
es bei der Verwendung einer katadioptrischen Optik, die Einführung von
mit dem Chromatismus verbundenen Harmonisierungsfehlern zu begrenzen.
Im Beispiel der 2 handelt es sich um eine Optik
vom Typ "Cassegrain", die mittels zweier
Spiegel M1, M2 hergestellt wird. Ein dichroitischer Spiegel M3 trennt
den Beobachtungskanal in einen Infrarotkanal mit einer Achse ΔiIR und einen Kanal für sichtbares Licht/nahen Infrarotbereich
mit einer Achse ΔiVIS. Diese beiden Kanäle sind je mit einem im Infrarotbereich
empfindlichen Bildgebungsdetektor DETIR bzw.
mit einem für
sichtbares Licht und den nahen Infrarotbereich empfindlichen Bildgebungsdetektor
DETVIS versehen, auf denen die Fokussieroptik
OPT das Bild der Szene in jedem der Spektralbänder formt. Die optomechanische
Einheit wird in der Fabrik so montiert und eingestellt, dass die
Achsen Δl
und Δi parallel sind.
Trotz aller bei der Entwicklung, der Herstellung und der Einstellung
vorgenommenen Vorsichtsmaßnahmen
bleibt dieser Parallelismus bei der betrieblichen Nutzung im Allgemeinen
aber aufgrund der Umgebungszwänge,
denen die Ausrüstung
ausgesetzt ist und die Achsverschiebungen insbesondere in Höhe des Lasers
erzeugen, nicht mit einer ausreichend Präzision gültig. Es ist also notwendig,
während
des Flugs eine Harmonisierung durchzuführen.
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Erfindungsgemäß weist
die Vorrichtung zur Harmonisierung zwischen dem Laserkanal mit der Achse Δl und dem
Beobachtungskanal mit der Achse Δi
einen schnellen Laserimpulsdetektor DETIMP auf, der
es ermöglicht,
den Zeitpunkt der Ankunft des von der Szene retroreflektierten Laserimpulses
an dem oder den Detektor(en) des Beobachtungskanals zu bestimmen,
und der ein Signal S liefert. Im Beispiel der 2 ist
der schnelle Detektor DETIMP in einer Fokalebene
der multispektralen Optik OPT mit Hilfe eines Spiegels M4 positioniert, der im Kanal für sichtbares
Licht/nahen Infrarotbereich einen Teil des Flusses entnimmt. Sie
weist weiter einen Harmonisierungsdetektor, der einen der Bildgebungsdetektoren bildet
(im Beispiel der 2 handelt es sich um den Detektor
DETVIS), und Steuermittel MCD für den Harmonisierungsdetektor
auf, die das vom schnellen Detektor DETIMP gelieferte
Signal S empfangen. Erfindungsgemäß kann der von den Steuermitteln
MCD gesteuerte Harmonisierungsdetektor gemäß zwei Modi arbeiten, einem
klassischen Bildgebungsmodus und einem Harmonisierungsmodus, bei
dem der vom von der Szene retroreflektierten Laserimpuls kommende
Fluss im von der Szene gestreuten kontinuierlichen Fluss erfasst
werden kann, wodurch die Harmonisierungsfehler erfasst werden können.
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Hierzu
weist der Harmonisierungsdetektor insbesondere eine Einheit von
lichtempfindlichen Zonen im Spektralband des Sendelasers auf. Die
Mittel MCD steuern den Harmonisierungsdetektor im Bildgebungsmodus
oder im Harmonisierungsmodus. Sie empfangen das vom schnellen Detektor
gelieferte Signal S und ermöglichen
im Harmonisierungsmodus den Betrieb des Harmonisierungsdetektors
in zwei Phasen. In einer ersten Wartephase werden die von der Umwandlung
der von den lichtempfindlichen Zonen empfangenen Photonen stammenden
elektrischen Ladungen praktisch durchgehend mit einer ausreichend
kurzen Integrationszeit integriert, um die Erfassung des von einem
von der Szene retroreflektierten Laserimpuls stammenden Flusses
im von der Szene gestreuten kontinuierlichen Fluss zu ermöglichen.
In einer zweiten Lesephase, die von dem vom schnellen Detektor im
Zeitpunkt der Erfassung eines von der Szene retroreflektierten Laserimpulses
empfangenen Signal S ausgelöst
wird, werden die im Zeitpunkt der Erfassung des Impulses integrierten Ladungen
sequentialisiert, um im so erhaltenen Bild die Position des entsprechenden
Laserflecks zu erfassen. Im weiteren Verlauf der Beschreibung werden
Beispiele von Detektoren ausführlicher
beschrieben, die für
die erfindungsgemäße Harmonisierungsvorrichtung
anwendbar sind.
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Vorteilhafterweise
werden optische Filterungsmittel FLTIMP und
FLTHAR, deren Übertragungen auf das Spektralband
des Sendelasers zentriert sind, vor dem Impulsdetektor DETIMP bzw. während der Harmonisierungsphase
vor dem Harmonisierungsdetektor (DETVIS im
Beispiel der 2) positioniert, um die Ansprechempfindlichkeit
dieser Detektoren für die
Wellenlänge
des Lasers zu verbessern. Die Filterungsmittel FLTIMP sind
ortsfest, während
die Filterungsmittel FLTHAR vorteilhafterweise
lösbar
sind, um im klassischen Bildgebungsmodus außerhalb der Perioden des Betriebs
im Harmonisierungsmodus entfernt werden zu können.
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Die
erfindungsgemäße Harmonisierungsvorrichtung
weist außerdem
Rechenmittel MCL auf, die es ermöglichen,
ausgehend von der Position des Laserflecks im Bild, die Harmonisierungsfehler
zwischen der Achse Δi
des Beobachtungskanals und der Achse Δl des Lasersendekanals zu berechnen, wobei
diese Fehler den Winkelabweichungen δx, δy zwischen der Mitte des Bilds
und der Position des Laserflecks entsprechen, der das Bild des von
der Szene über
die Fokussieroptik OPT retroreflektierten Laserimpulses ist. 3A stellt
so durch ein Beispiel die Position des Laserflecks IML im Bild und
die Abweichungen δx, δy zwischen
dem Laserfleck IML und dem Bildzentrum IMC dar, das der Achse Δi der Visierlinie
des Harmonisierungsdetektors entspricht. Zum Beispiel im Fall einer
Ausrüstung
zur automatischen Zielverfolgung entspricht das Bildzentrum IMC dem
Verfolgungszentrum, und die Korrektur des Harmonisierungsfehlers
besteht dann zum Beispiel darin, das automatische Verfolgungszentrum
um den der gemessenen Abweichung entgegengesetzten Wert elektronisch
zu verschieben. Während
der normalen Betriebsphase, d.h. im Bildgebungsmodus, werden also
die Filterungsmittel FLTHAR entfernt, und der
Punkt des Ziels, auf den der Bildgebungsdetektor gerichtet ist,
fällt dann,
wie in 3B zu sehen, mit dem Auftreffpunkt
IML des Laserimpulses zusammen.
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Die
erfindungsgemäße Harmonisierungsvorrichtung
ermöglicht
so eine sehr genaue Harmonisierung zwischen der Achse der Visierlinie
des Lasers und dem Bezugszentrum des Bildgebungsdetektors des Beobachtungskanals,
da sie direkt das Bild des Laserflecks verwendet, der auf der beobachteten Szene
gebildet wird, was es ermöglicht, über die bestmögliche Auflösung zu
verfügen.
Sie ermöglicht es,
eine sehr genaue Harmonisierung zwischen. dem Beleuchtungslaser
und der Position des automatisch in der Szene verfolgten Punkts
zu erhalten, was eine sehr große
Auftreffpräzision
der Munition im Fall eines Waffenschusses mit Laserführung oder
eine sehr große
Präzision
bei der Lokalisierung für
die Beobachtungs- oder Überwachungsausrüstungen
erlaubt.
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Die
Verwendung einer den beiden Kanälen für nahes
Infrarot und für
Infrarot gemeinsamen multispektralen Optik, wie es im Beispiel der 2 der Fall
ist, ermöglicht
es der Ausrüstung, über diese
Fähigkeit
der sehr genauen Harmonisierung sowohl bei Tag-Betrieb als auch
bei Nacht-Betrieb zu verfügen. Tatsächlich kann
die Harmonisierungsvorrichtung tagsüber aufgrund der Verwendung
des spezifischen Harmonisierungsdetektors sogar bei sehr starker
Beleuchtung arbeiten, und sie kann auch nachts arbeiten. In diesem
Fall wird der Harmonisierungsdetektor (Bildgebungsdetektor nahes
Infrarot im Beispiel der 2) während der Harmonisierungsphase
verwendet, um den Laserfleck in der Szene zu lokalisieren, wie dies
vorher beschrieben wurde, während
der Infrarotdetektor zum Beispiel die Verfolgung des Ziels durchgehend
durchführt,
ohne von der Harmonisierungsphase gestört zu werden. Am Ende jedes
Harmonisierungszyklus wird die Korrektur automatisch an die Position
des Verfolgungszentrums des Infrarotdetektors DETIR angewendet,
was es ermöglicht, die
Harmonisierung permanent bei jedem Schuss durchzuführen. Um
die Zielverfolgung nicht zu stören,
ist es tagsüber
auch möglich,
die Verfolgung im Infrarotbereich durchzuführen, möglicherweise mit einer etwas
weniger guten Auflösung,
während
der Detektor für
nahes Infrarot verwendet wird, um die Harmonisierung durchzuführen. Nach
der Harmonisierungsphase kann man zur Verfolgung im nahen Infrarotbereich
zurückkehren,
indem man den Harmonisierungsdetektor im klassischen Bildgebungsmodus
arbeiten lässt,
um ggf. von der diesem Spektralband inhärenten besseren Auflösung zu
profitieren.
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Es
ist anzumerken, dass es bei diesem Anwendungsbeispiel der Harmonisierungsvorrichtung notwendig
ist, dass die beiden Kanäle
für Infrarot
und für
nahes Infrarot perfekt harmonisiert werden, um auf dem Infrarotkanal
die Harmonisierungsabweichung übertragen
zu können,
die auf dem Kanal für nahes
Infrarot gemessen wurde. Dies ist relativ einfach, da diese beiden
Kanäle
die gleiche multispektrale Optik verwenden und da der die Optik
und den Bildgebungsdetektoren tragende, gemeinsame Aufbau ziemlich
kompakt und somit sehr steif sein kann. Wenn trotzdem in Gegenwart
von thermischen Gradienten in Höhe
dieses Aufbaus Fluchtungsfehler zwischen diesen beiden Kanälen auftreten
können, kann
man diese Gradienten mit Hilfe von Temperaturfühlern messen, die in bestimmten
Bereichen des Aufbaus angebracht sind, und Harmonisierungskorrekturen
durchführen,
die aus einer Tabelle von Werten stammen, die vorher durch thermische
Verhaltenssimulationen des Aufbaus erstellt wurden. In jedem Fall
bleiben diese Korrekturen, wenn sie notwendig werden, zweitrangig
im Vergleich mit den mit Hilfe des Harmonisierungsdetektors der
erfindungsgemäßen Harmonisierungsvorrichtung
gemessenen Korrekturen.
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Nun
werden im Einzelnen Beispiele von Harmonisierungsdetektoren beschrieben,
die in Zuordnung zum Impulsdetektor den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglichen.
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Ein
erstes bevorzugtes Beispiel besteht darin, als Harmonisierungsdetektor
einen Bildgebungsdetektor mit Integration und Übertragung vom Typ CCD (Initialen
von "Charge Coupled
Device" in der englischen
Terminologie) zu verwenden, der genau in der Fokalebene des Fokussierobjektivs
des Beobachtungskanals angeordnet ist und eine Einheit von lichtempfindlichen
Zonen aus Silicium (oder "Pixeln" gemäß der englischen
Terminologie) aufweist, die in einer im Wesentlichen quadratischen
Matrix von typischerweise 100 × 100
Pixeln organisiert sind. Die Verwendung eines lichtempfindlichen
Materials im sichtbaren und im nahen Infrarotspektrum, zum Beispiel
Silicium, ist besonders geeignet für die Erfassung eines Lasers
wie der Nd:YAG-Laser,
der im nahen Infrarot mit 1,06 μm
sendet. Erfindungsgemäß wird der
CCD-Detektor von den Steuermitteln MCD so gesteuert, dass er gemäß einem
klassischen CCD-Modus, wenn der Harmonisierungsdetektor im Bildgebungsmodus
ist, und gemäß einem
so genannten "Förderband"-Modus arbeitet,
wenn der Detektor im Harmonisierungsmodus ist. Im klassischen Betriebsmodus
(Bildgebungsmodus) erfasst der CCD-Detektor die Szene (Umwandeln
der empfangenen Photonen in Ladungen und dann Integrieren der freigegebenen
Ladungen in Potentialsenken proportional zur während einer vorbestimmten Integrationszeit,
typischerweise in der Größenordnung
von 20 msec, empfangenen Beleuchtung), und dann werden die Ladungen
spaltenweise übertragen
und durch Zeile-für-Zeile-Multiplexierung
abgetastet, um sequentielle Signale zu bilden, die das Anzeigesignal bilden
(Lesephase des Bilds), und dies während der Erfassung des folgenden
Bilds. Eine Empfindlichkeitsrechnung zeigt, dass in Abwesenheit
von Rauschen aufgrund des Szenenhintergrunds das System Laserimpulse
mit guten Leistungen erfasst. Tagsüber stört dagegen der Beitrag des
Sonnenlichts das Signal stark, selbst nach Filterung um die Wellenlänge des
Lasers herum, da die Integrationszeit des Bilds im Vergleich mit
der Dauer des Impulses lang ist. Der im Patent
FR 2 740 558 im Namen der Anmelderin beschriebene "Förderband"-Modus ermöglicht die Erfassung des vom
von der Szene retroreflektierten Laserimpuls stammenden Flusses
im von der Szene gestreuten kontinuierlichen Fluss.
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4 zeigt
ein Schaltbild eines Betriebsmodus eines CCD-Detektors im Förderbandmodus.
Es handelt sich in diesem Beispiel um eine so genannte Erfassungsmatrix
mit Rasterübertragung,
die in klassischer Weise eine Bildzone 40 und eine Speicherzone 41 aufweist.
Um die Figur zu vereinfachen, besteht die Bildzone aus 4 × 4 1ichtempfindlichen
Zonen (oder Pixeln) Pi, und die Speicherzone bildet eine Multiplexschaltung
CCD, bestehend aus Elementarspeichern Mi, die in einer integrierten CMOS-Schaltung
hergestellt sind. Der Detektor weist weiter ein Ausgangsregister
R und eine Verstärkerstufe
A auf. Er wird von den Steuermitteln MCD der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gesteuert, die mit dem schnellen Impulsdetektor DETIMP verbunden sind.
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Der
an eine CCD-Matrix mit Rasterübertragung
angewendete Förderbandbetrieb
ist in zwei Phasen aufgeteilt: eine Phase des Wartens auf die Erfassung
und eine Phase des Lesens nach der Erfassung. In der ersten Wartephase
ist das vom schnellen Detektor DETIMP gelieferte
Signal S Null, was die Abwesenheit eines Impulses bedeutet. Während dieser
Zeit ist der CCD in permanentem Übertragungsmodus
mit hoher Taktfolge, was sich in einer im Vergleich mit der Integrationszeit
im Bildgebungsmodus stark reduzierten Integrationszeit (typischerweise
250 μsec) äußert. Aufgrund
der hohen senkrechten Übertragungstaktfolge
ist die Erfassung des Hintergrundsignals also auf eine minimale
Zeit reduziert, daher das minimale zugehörige Rauschen, was die Impulserfassung
auf sehr niedrigem Pegel ermöglicht.
Wenn in der zweiten Phase der von der Szene retroreflektierte Laserimpuls
vom schnellen Detektor erfasst wird, wird die Zeilenübertragung
mit hoher Taktfolge dann fortgesetzt, bis die Bildzone in die Speicherzone
gebracht wird, und dann wird die Speicherzone mit einer normalen
Taktfolge gelesen, wobei die Lesephase die Ladungsübertragung
zur in den Detektor integrierten Multiplexschaltung und zum Ausgangsregister
R enthält,
um nach der Verstärkung
durch die Verstärkerstufe
A ein Bild zu formen, das einem Anzeigesignal SV im gewünschten Videostandard
entspricht.
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Die
Rechenmittel MCL der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die durch
einen den Steuermitteln MCD gemeinsamen Prozessor gebildet werden
können,
ermöglichen
es dann, ausgehend von der Position des oder der im Bild durch den
Laserimpuls beleuchteten Pixel(s) die Harmonisierungsfehler zu berechnen,
die den Winkelabweichungen zwischen der Achse der Visierlinie des
Harmonisierungsdetektors und der Achse des Lasersendekanals entsprechen.
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Anderer
Betriebarten eines CCD-Detektors im Förderbandmodus sind möglich. Man
kann zum Beispiel den Rasterübertragungsdetektor,
wie er in 4 dargestellt ist, durch einen
so genannten "Vollbild"-Detektor ("full frame array" in der englischen Terminologie) ersetzen,
bei dem die Pixel praktisch die ganze Oberfläche der Matrix besetzen und
bei dem die Übertragung
zeilenweise genannt wird, wobei die Ladungen einer gleichen Zeile
gleichzeitig von Zeile zu Zeile übertragen
werden. Wie vorher enthält der
Betrieb im Förderbandmodus
eine erste Wartephase, während
der die Übertragung
mit hoher Taktfolge erfolgt, und dann eine Lesephase, nachdem ein Impuls
vom schnellen Detektor DETIMP erfasst wurde.
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Ein
anderes Beispiel eines Detektors kann an die erfindungsgemäße Vorrichtung
angepasst werden. Es handelt sich um eine Matrix von Photodetektoren,
wobei jeder Photodetektor mit einer Leseschaltung der Steuermittel
MCD der Matrix über
eine Eingangsschaltung verbunden ist, die für den mit ihr gekoppelten Photodetektor
die Funktionen der Polarisation und der Integration des lichtelektrischen
Signals gewährleistet,
wobei die Leseschaltung das Multiplexieren der gelieferten Signale
zur Bildung eines Videosignals ermöglicht. In einer besonderen
Betriebsart dieser Matrix, die im Patent
FR 2 762 082 im Namen der Anmelderin
beschrieben ist, ist es möglich,
einen kurzen Laserimpuls im von der Szene gestreuten kontinuierlichen
Fluss zu erfassen. Die Matrix von Photodetektoren ist ausgelegt,
um den Harmonisierungsdetektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu bilden,
der in einem klassischen Bildgebungsmodus und in einem Harmonisierungsmodus arbeiten
kann.
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Im
Harmonisierungsmodus weist der Betrieb der Matrix von Photodetektoren
wie vorher zwei Phasen auf, eine Phase des Wartens auf eine Erfassung, während der
das von jedem Photodetektor erzeugte lichtelektrische Signal kontinuierlich
integriert wird, und eine Bildlesephase nach der Erfassung des von der
Szene retroreflektierten Laserimpulses durch den schnellen Detektor
DETIMP. Die Wartephase weist für jeden
Photodetektor eine Folge von sehr kurzen Integrationszyklen auf
(in der Größenordnung
einer Mikrosekunde). Während
jedes Integrationszyklus integriert der Photodetektor nur eine infinitesimale
Menge von Ladungen, die in einen Pufferspeicher übertragen und gespeichert wird,
bis das Ende des folgenden Zyklus naht, und dann ohne vorheriges
Lesen zurückgewiesen
wird, wenn kein vom schnellen Detektor stammendes Signal erfasst
wird. Wenn ein Laserimpuls vom schnellen Detektor erfasst wird,
lösen die
Steuermittel MCD in jedem Photodetektor das Summieren des integriert
werdenden Signals mit dem Inhalt der zugeordneten Speicherzelle
aus, wodurch jeder Informationsverlust vermieden werden kann. Jede
Speicherzelle enthält
dann ein vernachlässigbares
Signal, das vom Szenenhintergrund stammt, mit Ausnahme derjenigen,
die dem Photodetektor zugeordnet ist, der den Laserimpuls empfangen
hat und bei dem das Hintergrundsignal von dem vom Impuls kommenden
erfassten Signal beherrscht wird. Die Steuermittel MCD lösen dann
die zweite Phase aus, die dem Lesen der Speicherinhalte mit normaler
Taktfolge (typischerweise einige Millisekunden) entspricht und die
ein Bild liefert, ausgehend von dem man die Position des Laserflecks
auf dem von der Matrix von Photodetektoren gebildeten Harmonisierungsdetektor
kennen kann. Die Rechenmittel MCL ermöglichen dann die Auswertung
der Harmonisierungsfehler.
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Im
Bildgebungsmodus erzeugen die Rechenmittel MCD eine wesentlich längere Integrationszeit
für jeden
Photodetektor (zum Beispiel in der Größenordnung einer Millisekunde)
und lösen
dann die Lesephase aus, wodurch der Erhalt eines normalen Bilds
der Szene möglich
wird.
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Die
Matrix von Detektoren ist komplexer und teurer in der Anwendung
als der Detektor mit "Förderband", da jeder Photodetektor
seine eigene Ladungs-Integrationsschaltung
hat (Eingangsschaltung). Sie hat aber im Vergleich mit dem CCD-Detektor
mehrere Vorteile. Insbesondere ermöglicht die Wahl der Photodetektoren,
vorzugsweise vom photovoltaischen Typ, die Anpassung an andere Wellenlängen des
Sendelasers. Für
die übliche
Wellenlänge von
1,06 μm
oder 1,56 μm
zum Beispiel für
die Telemetrie-Anwendung, werden die aus InGaAs, InSb oder auch
HgCdTe hergestellten Detektoren bevorzugt und können je nach ihrer Beschaffenheit
und den gesuchten Leistungen stark, wenig oder nicht gekühlt arbeiten.
Für die
Wellenlängen,
die sich im fernen Infrarot befinden, werden Detektoren vom Typ HgCdTe
oder stark gekühlte
AsGa-Multiquantenwells bevorzugt. Wenn das für den Detektor gewählte Material
mit einer Bildgebung im Infrarotbandbereich kompatibel ist, ist
es nicht notwendig, einen zweiten Infrarot-Bildgebungsdetektor hinzuzufügen, wie
es im Beispiel der 2 der Fall ist, es sei denn,
man will eine völlige
Gleichzeitigkeit zwischen den Harmonisierungs- und Bildgebungsmodi
erreichen. Die Verwendung einer Matrix aus Photodetektoren als Harmonisierungsdetektor
ermöglicht
es auch im Harmonisierungsmodus, die verwendeten Photodetektoren auf
diejenigen zu beschränken,
die sich in der Nähe der
Mitte des Felds des Detektors befinden (Fensteraufteilung der Matrix
zentriert auf die Zielachse des Beobachtungskanals). Da es sich
um die Harmonisierung handelt, sind die Abweichungen zwischen den
Sichtlinien des Beobachtungskanals und des Laserkanals tatsächlich a
priori gering, und der Laserimpuls, den man erfassen will, kann
nicht im zentralen Bereich des Felds erscheinen. Dies ermöglicht es,
die Verarbeitungskomplexität
des Detektors im Harmonisierungsmodus etwas zu verringern.
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Obwohl
die oben beschriebenen Harmonisierungsdetektoren bevorzugte Beispiele
für die
Anwendung der erfindungsgemäßen Harmonisierungsvorrichtung
sind, ist diese nicht auf diese Beispiele beschränkt. Man kann sich andere Bildgebungsdetektoren
vorstellen, wenn sie zusätzlich
zu ihrer Bildgebungsfunktion in einem besonderen Betriebsmodus und
in Zuordnung zu einem schnellen Impulsdetektor einen Laserimpuls
in einem kontinuierlichen Hintergrundfluss erfassen können, um
die Harmonisierung zwischen dem Sendelaserkanal und dem Beobachtungskanal
unter reellen Bedingungen durchzuführen, d.h. mit Hilfe des von
der Szene selbst retroreflektierten Laserimpulses.
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Aus
dem gleichen Grund wie oben erwähnt kann
vorteilhafterweise die Erfassungsoberfläche des schnellen Detektors
DETIMP bezüglich des Gesamtfelds des Bild
reduziert werden, indem sie auf die Achse der Visierlinie des Beobachtungskanals zentriert
wird. Die Wahrscheinlichkeit der Erfassung des von der Szene retroreflektierten
Impulses während
des Harmonisierungsverfahrens ist nämlich im zentralen Bereich
des Felds maximal. Indem man die empfindliche Zone des Detektors
reduziert, erhöht man
seine Ansprechempfindlichkeit, was die Leistungen der Harmonisierungsvorrichtung
noch verbessert. Indem man so die Ansprechempfindlichkeit des schnellen
Detektors verbessert, kann man außerdem diesen gleichen Detektor
ggf. als Telemetrie-Detektor verwenden.
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Vorteilhafterweise
weist die erfindungsgemäße Harmonisierungsvorrichtung
außerdem
elektronische Hochpass-Filterungsmittel für das vom Impulsdetektor DETIMP gelieferte Signal auf, die es ermöglichen,
das dem von der Rückstreuung
des gesendeten Laserimpulses in die Atmosphäre erzeugten Lichtfluss entsprechende
Signal zu unterbrechen. Bei einem Harmonisierungsverfahren wird
nämlich ein
Laserimpuls zur Szene gesendet, und dann wird der von der Szene
retroreflektierte Fluss erfasst, wie dies oben beschrieben wurde,
um die möglichen
Harmonisierungsfehler zu berechnen. Man hat gesehen, dass es die
Funktion des Impulsdetektors ist, den Augenblick der Ankunft des
retroreflektierten Impulses im Harmonisierungsdetektor zu erfassen,
um die Lesephase auszulösen,
in der das Auftreffen des Lasers zu sehen ist. Je nach den Wetterbedingungen
ist es aber möglich,
dass es beim Austritt des Laserimpulses aus der Ausrüstung zu
einer Rückstreuwirkung
dieses Laserimpulses durch die Atmosphäre kommt, was zu einer unerwünschten
Erfassung von Lichtfluss auf der Wellenlänge des Sendelasers durch den
schnellen Detektor DETIMP führt. Der
vom schnellen Detektor DETIMP erfasste und
der Rückstreuung
in die Atmosphäre
entsprechende Fluss hat jedoch eine sehr viel längere Dauer als die Dauer des Impulses. 5 stellt
so gemäß einem
Beispiel die Geschwindigkeit des vom schnellen Detektor gelieferten
Signals in Abhängigkeit
von der Zeit dar. Der Zeitursprung entspricht dem Augenblick des
Sendens des Laserimpulses. Das dem von der Atmosphäre rückgestreuten
Fluss entsprechende Signal S1 hat eine vorbestimmte
Zeitdauer T1, deren Länge mit der Entfernung korreliert
ist, über
die der Laserimpuls zur Ausrüstung
rückgestreut
werden kann. Diese Zeit, die einige Zehn Mikrosekunden betragen
kann, ist deutlich länger
als die Zeit T2 des Signals S2,
das der Dauer des von der Szene retroreflektierten Impulses entspricht.
Die elektronischen Filterungsmittel der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ermöglichen
es so, das Niederfrequenz-Störsignal
S1 zu unterbrechen und nur das Nutzsignal
S2 zu behalten, das dem von der Szene retroreflektierten
Impuls entspricht. Ein anderes Mittel, sich davon zu befreien, besteht darin,
am Ausgang des schnellen Detektors DETIMP elektronische
Mittel zum Hemmen des vom Impulsdetektor gelieferten Signals während einer
vorbestimmten Zeit nach dem Senden eines Laserimpulses und entsprechend dem
Lichtfluss vorzusehen, der von der Rückstreuung des gesendeten Laserimpulses
in die Atmosphäre
erzeugt wird. Diese Hemmzeit, während
der das gelieferte Signal nicht von den Steuermitteln MCD berücksichtigt
wird, kann zum Beispiel einige Zehn Mikrosekunden betragen.