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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine passive optronische Überwachungsvorrichtung,
die insbesondere dazu bestimmt ist, in einem Luftfahrzeug installiert
zu werden, um die möglichen
Bedrohungen zu erfassen.
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Die
passiven optronischen Überwachungsvorrichtungen
sind aus operativer Sicht besonders interessant, da es Systeme sind,
die keine Strahlenemission erfordern und die folglich diskret sind.
Bei einem solchen System ist es notwendig, eine Beobachtung in einem
oft großen
Feld durchführen
zu können,
während
die frontale Optik der Vorrichtung ein begrenztes augenblickliches
Nutzfeld hat. Dies führt dazu,
Abtastmittel zu verwenden, um die Szene im gesamten Beobachtungsfeld
beobachten zu können, wobei
die Abtastmuster insbesondere in Abhängigkeit vom Gesamtbeobachtungsfeld
und der Tastgeschwindigkeit optimiert sind.
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Bei
den Infrarot-Überwachungssystemen
beruhen die üblicherweise
verwendeten Detektoren zum Beispiel auf Geometrien vom Typ Detektorenleiste,
die im 3–5 μm-Band oder
im 8–12 μm-Band empfindlich
sind. Bei den meisten existierenden Systemen handelt es sich um
Leisten von M × Q
empfindlichen Elementardetektoren, die auch Pixel genannt werden,
zum Beispiel 288 × 4
Pixel. Mit Hilfe der Abtastvorrichtung wird das zu beobachtende
Gesamtfeld von der Detektorenleiste analysiert, die im System ortsfest
bleibt. Durch Anordnen von Leisten mit M × Q Pixeln (288 × 4 im angegebenen
Beispiel) ist es möglich,
eine Analyse eines Elementarfelds mit M Punkten in einer Richtung
(zum Beispiel 288) durchzuführen,
und die von den Q Punkten (zum Beispiel 4) in der anderen Richtung
gegebenen Informationen zu kumulieren, so dass das Signal/Rausch-Verhältnis der
Erfassung verbessert wird, um eine größere globale Empfindlichkeit
und somit eine größere Erfassungsreichweite
zu erhalten.
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Der
mögliche
Kumulationsgrad wird aber von der Anzahl Q von Punkten begrenzt,
an denen die Kumulierung durchgeführt wird. Außerdem wird
das Gesamtnutzsignal von der Gesamtzeit begrenzt, während der
ein zu erfassendes punktförmiges
Ziel von einem Pixel der Leiste gesehen wird. Diese Zeit, auch Integrationszeit
genannt, ist insbesondere mit der Geschwindigkeit verbunden, mit
der die Szene abgetastet werden muss.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
es, die erwähnten
Nachteile zu beseitigen, indem eine passive optronische Überwachungsvorrichtung
vorgeschlagen wird, die die Verwendung eines Matrixdetektors anstelle
einer Leiste ermöglicht.
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Genauer
gesagt, schlägt
die Erfindung eine passive optronische Überwachungsvorrichtung vor, die
eine frontale Optik mit gegebenem momentanem Nutzfeld, Mittel zum
Abtasten einer Szene mit einem gegebenen Gesamtbeobachtungsfeld,
Mittel zum Formen des Bilds der Szene und Mittel zur Erfassung des
Bilds aufweist. Eine solche Vorrichtung, die im Oberbegriff des
Anspruchs 1 angegeben ist, ist aus der FR-A-2739192 bekannt. Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsmittel einen zweidimensionalen
Matrixdetektor aufweisen, wobei das Feld des Detektors gemäß jeder
der Dimensionen größer als
das oder gleich dem momentanen Nutzfeld der frontalen Optik gemäß dieser
Dimension ist, und für
jede Elementarzone der Szene, die dem momentanen Nutzfeld der frontalen
Optik entspricht, die Erfassung von N auf dem Detektor gebildeten
Miniaturbildern, mit N ≥ 1, mit
einer gegebenen Integrationszeit für jedes Miniaturbild ermöglichen,
und dass die Vorrichtung Mittel zum Gegen-Abtasten aufweist, die
es ermöglichen, die
Bewegungen des Bilds aufgrund des Abtastens der Szene während der
Erfassung der N Miniaturbilder zu kompensieren.
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Vorteilhafterweise
werden mehrere Miniaturbilder für jede
Elementarzone der Szene erfasst, was es ermöglicht, das Signal/Rausch-Verhältnis des
erfassten Bilds zu erhöhen.
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Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung werden die Miniaturbilder in
verschiedenen Zonen des Matrixdetektors gebildet, um die Gefahr
eines Irrtums aufgrund möglicher
Fehler des Matrixdetektors zu verringern.
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Weitere
Vorteile und Merkmale gehen klarer aus der nachfolgenden Beschreibung
hervor, die in den beiliegenden Figuren dargestellt ist. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Beispiels einer passiven Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung;
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die 2A und 2B schematische
Darstellungen, die in Abhängigkeit
von der Zeit die Bewegungen der Abtastmittel und der Gegen-Abtastmittel
in einem gegebenen Beispiel zeigen;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4 ein
Beispiel eines Matrixdetektors der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 stellt
das Schema eines Beispiels einer passiven Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung
dar. Es handelt sich zum Beispiel um eine Infrarot-Überwachungsvorrichtung zur
Erfassung von weit entfernten Gegenständen, die durch ihre Infrarotsignatur
gekennzeichnet sind. Die Überwachungsvorrichtung
weist eine frontale Optik 1 mit einem gegebenen momentanen
Feld und Abtastmittel 2 auf, die die Beobachtung einer
Szene mit einem gegebenen Gesamtfeld erlauben. Die Abtastmittel,
deren Verwendung im Stand der Technik bekannt ist, werden von einer
Verarbeitungseinheit 5 gesteuert und ermöglichen
das Abtasten der Szene gemäß Abtastmustern
und mit einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit, die vom zu beobachtenden
Feld und anderen Betriebsparametern abhängen. Im Fall einer multispektralen
Erfassung können
die frontale Optik und die Abtastmittel in bekannter Weise von einem
katadioptrischen System gebildet werden. Die Überwachungsvorrichtung weist
ebenfalls Mittel 3 zum Formen des Bilds und Erfassungsmittel 4 mit
einem Detektor 41 auf.
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Im
Fall einer Infrarot-Überwachungsvorrichtung
handelt es sich zum Beispiel um einen im 3–5 μm-Band oder im 8–12 μm-Band empfindlichen
Detektor, der gemäß den bekannten
Techniken gekühlt wird.
In beiden Fällen
kann ein aus Quecksilber, Cadmium und Tellur (HgCdTe) zusammengesetztes
Material verwendet werden (mit für
die beiden Bänder angepassten
Zusammensetzungen). Es können auch
andere Materialien verwendet werden, wie die Vielfachquantenwell-Materialien
in den Verbindungen Galliumarsenid/Galliumaluminiumarsenid (GaAs/AlGaAs).
Die Verbindung Indiumantimonid (InSB) kann ebenfalls verwendet werden,
aber nur im 3–5 μm-Band.
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Erfindungsgemäß ist der
Detektor 41 ein zweidimensionaler Matrixdetektor, wobei
das Feld des Detektors in jeder der Dimensionen größer als das
oder gleich dem momentanen Nutzfeld der frontalen Optik in dieser
Dimension ist. Außerdem
gewährleisten
die Erfassungsmittel die Erfassung für jede Elementarzone der Szene,
die dem momentanen Nutzfeld der frontalen Optik entspricht, von
N Miniaturbildern, die in dem Detektor gebildet werden, mit N ≥ 1, mit einer
gegebenen Integrationszeit für
jedes Miniaturbild. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem Gegen-Abtastmittel 6 auf,
die es ermöglichen,
die Bewegungen des Bilds aufgrund des Abtastens der Szene während der
Erfassung der N Miniaturbilder zu kompensieren. Zum Beispiel synchronisiert
die Verarbeitungseinheit 5 die Erfassung der Miniaturbilder
durch die Erfassungsmittel mit der Bewegung der Gegen-Abtastmittel 6.
Aufgrund der Verwendung eines Matrixdetektors mit einer großen Anzahl
von Pixeln ist das momentan beobachtete Feld größer, und man kann so die beim
Abtasten gewonnene Zeit nutzen, um mehrere Miniaturbilder des gleichen
Elementarfelds zu erfassen. Vorteilhafterweise ermöglichen
es Verarbeitungsmittel, die Informationen der verschiedenen Miniaturbilder
zu kumulieren, die den gleichen zu erfassenden Punkt "gesehen" haben. Da diese
Informationen von mehreren unabhängigen
Miniaturbildern stammen, ermöglicht dies,
die Fehlalarme zu verringern, die zum Beispiel durch das durch die
Elektronik eingeführte
Rauschen erzeugt werden können.
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Die
Gegen-Abtastmittel 6 ermöglichen es, die Bewegungen
des Bilds der beobachteten Szene aufgrund der Abtastung der Vorrichtung
während
der Erfassung der N Miniaturbilder zu kompensieren. Genauer gesagt,
da die Erfassungszeit des Miniaturbilds einerseits aus einer Integrationszeit
Ti durch den Detektor und andererseits aus
einer Zeit Tt zusammengesetzt ist, die zum
Lesen der vom Matrixdetektor gelieferten Information notwendig ist,
ermöglichen
es die Gegen-Abtastmittel, die beobachtete Zone während der
ganzen Zeit, die für
die Integration des Signals notwendig ist, ortsfest im Detektor
zu halten und so eine "verschwommene" Wirkung auf dem Miniaturbild
zu vermeiden.
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2A zeigt
gemäß einem
Beispiel die Winkelbewegungen der Abtastmittel 2 und der
Gegen-Abtastmittel 6 in
einer gegebenen Richtung in Abhängigkeit
von der Zeit. 2B ist eine Vergrößerung einer
Zone aus 2A, die durch einen Kreis gekennzeichnet
ist. In 2A ist eine erste Kurve 21 gezeigt,
die die Winkelbewegung der Abtastmittel 2 in Abhängigkeit
von der Zeit darstellt. In diesem Beispiel beträgt die Amplitude des Gesamtbeobachtungsfelds
in der Abtastrichtung mehr oder weniger 6°. Die Kurve 22 zeigt
die Winkelbewegung der Gegen-Abtastmittel 6 in der gleichen
Richtung in Abhängigkeit
von der Zeit. Diese Bewegung ist in 2B genauer
dargestellt. In diesem Beispiel wird angenommen, dass für jede Elementarzone
der Szene entsprechend einem momentanen Feld der frontalen Optik
von 1,5° sechs
Miniaturbilder von den Erfassungsmitteln erfasst werden. Die Gegen-Abtastmittel gewährleisten
eine Drehbewegung entgegengesetzt zu den Abtastmitteln und ermöglichen
es so, jedes Miniaturbild während
der Zeit Ti (2B) der
Integration eines Miniaturbilds ortsfest auf dem Matrixdetektor
zu halten. Nach der Erfassung der sechs Miniaturbilder kommen die
Gegen-Abtastmittel
in die Anfangsstellung zurück,
um den Prozess mit der folgenden Elementarzone der Szene erneut
zu beginnen, deren Feld ebenfalls 1,5° beträgt.
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Da
vorteilhafterweise das Feld des Matrixdetektors 41 gemäß mindestens
einer der Abtastrichtungen strikt größer ist als das momentane Nutzfeld der
frontalen Optik gemäß dieser
Dimension, ermöglichen
die Gegen-Abtastmittel
die Formung der Miniaturbilder in verschiedenen Zonen des Matrixdetektors;
zum Beispiel sind diese Zonen gemäß dieser Dimension um ein oder
mehrere Pixel des Detektors verschoben. Dies ermöglicht es, sich von Fehlern
zu befreien, die aus Fehlern des Detektors entstehen könnten (Ungleichmäßigkeiten,
fehlerhafte Pixel, usw.). Man nutzt die Lesezeit Tl der
Miniaturbilder, um diese Verschiebung durchzuführen. In 2B ermöglicht die
Winkelbewegung θl der Gegen-Abtastmittel während der Lesezeit Tl eine Verschiebung eines Miniaturbilds bezüglich des
vorhergehenden auf dem Matrixdetektor um eine gegebene Anzahl von Pixeln,
zum Beispiel um ein Pixel.
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Der
allgemeine Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand
der ausführlichen
Beschreibung des folgenden Beispiels besser verstanden.
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Es
wird angenommen, dass das Gesamtbeobachtungsfeld 18° × 7,5° und die
Abtastgeschwindigkeit 22°·sec–1 in
der Richtung des größten Felds (in
diesem Beispiel die Richtung, in der 18° abgedeckt werden müssen) beträgt. Der
Matrixdetektor weist Standardabmessungen von 240 × 320 Pixeln auf.
In diesem Beispiel ist das momentane Nutzfeld der frontalen Optik
auf 1,5° × 7,5° begrenzt,
was 64 × 320
Pixeln des Matrixdetektors entspricht. Die Integrationszeit pro
Miniaturbild beträgt
typischerweise 3 msec (2 msec Integrationszeit, 1 msec Lesezeit).
Die Beobachtungszone wird in aufeinanderfolgenden Feldern von 1,5 × 7,5° beobachtet,
wodurch 12 aufeinanderfolgende Elementarzonen gebildet werden. Da
die Abtastgeschwindigkeit 22°·sec–1 beträgt, verfügt man über 66 msec
pro Elementarzone. Es ist also möglich,
22 Miniaturbilder pro Elementarzone zu erfassen. Das heißt also,
dass man den zu erfassenden Punkt auf dem Matrixdetektor 22 mal "sehen" und Signalverarbeitungsvorgänge, wie
zum Beispiel die Integration der Signale, mit dem Ziel durchführen kann,
das Rauschen zu verringern. Dieser Vorgang kann gemäß bekannten
Techniken durchgeführt
werden, und in diesem Fall kann eine Verstärkung um einen Faktor 221/2 im Signal/Rausch-Verhältnis erhalten werden. Die
Erfassung jedes Miniaturbilds wird durch die Verwendung der Gegen-Abtastmittel
ermöglicht,
die das Bild während
der Integrationszeit der Matrix (2 msec) stabilisieren. Vorteilhafterweise positionieren
sich die Gegen-Abtastmittel
während der
Lesezeit des Miniaturbilds (1 msec) neu, was zum Beispiel auf dem
Matrixdetektor zu einer Verschiebung um ein Pixel von einem Miniaturbild
zum anderen führt.
In diesem Fall ist nach 22 Miniaturbildern der zu erfassende Punkt
um 22 Pixel auf dem Detektor verschoben. Die Anzahl von Miniaturbildern,
die pro Elementarzone kumuliert werden können, hängt so direkt von der Abtastgeschwindigkeit und
dem abzutastenden Gesamtfeld ab.
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Wieder
mit Bezug auf das vorhergehende Ausführungsbeispiel sieht man, dass
selbst in dem Fall, in dem 22 Miniaturbilder mit einer jeweiligen
Verschiebung um ein Pixel erfasst werden, die Größe der verwendeten Matrix 64
+ 22, d.h. 86 Pixel beträgt. Anders
gesagt, von 240 Pixeln werden 86 verwendet, um eine Elementarzone
des Gesamtfelds zu analysieren. Gemäß einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der der Matrixdetektor ein Feld aufweist, das größer ist
als p mal das momentane Nutzfeld der frontalen Optik gemäß mindestens
einer seiner Dimensionen, wobei p eine ganze Zahl größer als
oder gleich 2 ist, weist die Überwachungsvorrichtung
Mittel zur Projektion des Bilds einer Elementarzone der Szene auf
p unterschiedliche Zonen des Matrixdetektor auf. Im vorhergehenden
Beispiel ist es so möglich,
das Bild einer Elementarzone auf drei unterschiedliche Zonen des
Matrixdetektor zu projizieren. So können verschiedene Zonen der
Matrix verwendet werden, um die Erfassungsleistungen zu verbessern.
Zum Beispiel können
Eigenattribute des Flusses, der von den in der Szene vorhandenen
Objekten emittiert wird, wie zum Beispiel die spektrale Signatur
oder die Polarisation, verwendet werden, um die Leistungen der Erfassung
zu verbessern.
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Zum
Beispiel weisen die Projektionsmittel ein Beugungsgitter auf, das
im Wesentlichen in der Pupille der Bildformungsmittel angeordnet
ist. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die Projektionsmittel
von Prismen 31 gebildet werden, die im Wesentlichen in
der Pupille der Bildformungsmittel 3 angeordnet sind und
es erlauben, das Bild einer Elementarzone der Szene auf verschiedene
Zonen des Matrixdetektor 41 zu projizieren.
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Gemäß einer
Variante ermöglichen
es die so definierten Zonen des Matrixdetektors, unterschiedliche
Spektralbänder
des beobachteten Gesamtspektralbands zu erfassen. 4 zeigt
so im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel
unterschiedliche Spektralzonen 42, 43, 44.
Um Zonen mit unterschiedlichem Spektralband zu erhalten, weisen
die Erfassungsmittel zum Beispiel Bandpassfilter auf, die in den
Zonen des Matrixdetektors positioniert sind und die Erfassung von
Bildern gemäß gegebenen
Spektralbändern
ermöglichen.
Der Matrixdetektor kann ebenfalls in jeder der Zonen eine andere
spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Zum Beispiel erfasst die zentrale
Zone (Zone 42 in 4) das ganze
Band, und die beiden Seitenzonen (43, 44) erfassen
den unteren bzw. den oberen Bereich des Empfindlichkeitsbands des
Matrixdetektors. Gemäß einer
Variante können
die Mittel zur Projektion auf unterschiedliche Zonen des Matrixdetektors
ebenfalls sowohl die Winkeltrennung als auch die Wellenlängen-Filterung durchführen, indem
sie Hologramme oder dichte Gitter verwenden, deren Eigenschaften
für die
Wellenlänge
empfindlich sind. Bei der Verwendung von Prismen als Projektionsmittel
(siehe 3) können Bandpassfilter
ebenfalls auf den Prismen selbst hergestellt werden.
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Insbesondere
im Fall der Infrarot-Überwachung
können
die erfassten Spektralbänder
so gewählt
werden, dass sie die Beschaffenheit des zu erfassenden Objekts feiner
charakterisieren. Zum Beispiel kann ein vom Menschen hergestelltes
Objekt andere spektrale Eigenschaften aufweisen als ein bewegliches
oder unbewegliches natürliches
Objekt. Die erfassten Spektralbänder
können
ebenfalls gemäß einem
bekannten Verfahren (siehe zum Beispiel die französische Patentanmeldung
FR 2 305 503 ) ausgewählt werden,
um eine Bewertung der Entfernung des Objekts am Anfang der Erfassung
zu ermöglichen.
Dies kann zum Beispiel wichtig sein, um ein Objekt kleiner Abmessungen,
das sich in geringer Entfernung befindet, von einem Objekt größerer Abmessungen
zu unterscheiden, das sich in wesentlich größerer Entfernung befindet.
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Ein
anderes Attribut, das verwendet werden kann, ist die Polarisationscharakteristik
des empfangenen Flusses. In diesem Fall erfassen die Zonen des Matrixdetektors,
zum Beispiel drei Zonen, verschiedene Komponenten der empfangenen
Polarisation. Dies kann es ermöglichen,
ebenfalls ein natürliches
Objekt von einem künstlichen
Objekt (zum Beispiel metallisch) zu unterscheiden. Die gleiche Konfiguration
wie die in 3 gezeigte kann verwendet werden,
um die Polarisationsattribute zu analysieren, indem Polarisationsanalysatoren
in die Ablenkungsprismen 31 eingefügt werden.
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Es
können
andere Varianten in Betracht gezogen werden, um die Erfassung zu
verbessern. Man kann zum Beispiel die Aspekte Spektralbänder und Polarisation
koppeln.
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In
einer zusätzlichen
Variante der Erfindung sind die Projektionsmittel einziehbar, so
dass man von einem Betriebsmodus Monoattribut zu einem Betriebsmodus
Multiattribut übergehen
kann.