DE69511216T2

DE69511216T2 - Thermische Justierungsreferenzquelle

Info

Publication number: DE69511216T2
Application number: DE69511216T
Authority: DE
Inventors: Charles N. Boyar; Lee J. Huniu
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1994-11-18
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1999-11-25
Anticipated expiration: 2015-11-16
Also published as: JPH08219890A; AU3771595A; US5479025A; AU677530B2; IL116041A0; EP0713075A1; IL116041A; CA2162195A1; EP0713075B1; JP2758150B2; DE69511216D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein eine thermische Justierungsreferenzquelle, die benutzt wird, um einen gleichmäßigen, langwelligen Infrarot-(LWIR)Strahl hoher Intensität innerhalb des 7,5-12 m Wellenbandes bereitzustellen, um eine Justierungsausrichtung der Sichtlinien eines Lasers und eines vorwärts schauenden Infrarot-(FLIR; forward looking infrared)Sensors zu gewährleisten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine thermische Justierungsreferenzquelle, die einen Keramikstab umfaßt, der von einem Nichrom-Draht erhitzt wird, wobei der Draht teilweise um den Keramikstab gewickelt ist und einen Pseudo-Schwarzkörper-Hohlraum bildet. Diese Erfindung ist in gleicher Weise auch für andere Infrarot-Wellenbänder, insbesondere für das 3-5 mm Wellenband verwendbar.

2. Beschreibung des betroffenen Standes der Technik

Die thermische Justierungsreferenzquelle der vorliegenden Erfindung wird in einem laserbestimmten und thermischen Abbildungs-System verwendet, das momentan als das AESOP-Prograznm bekannt ist, um eine von einem Bediener initiierte automatische Ausrichtung eines Lasers zu einem FLIR-Sensor zu ermöglichen, was zur genauem Verfolgung, Zielaufschaltung und Abfeuern von Raketen auf Ziele notwendig ist. Der Hochleistungsstrahl, der von der thermischen Justierungsreferenzquelle geliefert wird, ist erforderlich, da die reflektierte thermische Justierungsreferenzquellen-Öffnung an der FLIR-Eingangsöffnung auf 1/346-tel des Gebiets der FLIR-Eingangspupille begrenzt ist.
Andere momentan verfügbare Wärmequellen (Wärmeplatten, Hallogen-Glühlampen etc.) werden nicht heiß genug, um das gewünschte IR-Signal bereit zu stellen. CO&sub2;-Laser sind zu groß und zu teuer. IR-Laserdioden sind unpraktisch, da sie eine Abkühlung auf 77ºK benötigen. Globars sind zu groß und erfordern eine große Menge an Energie. Während Hallogenglühlampen für ähnliche Anwendungen früher verwendet wurden, ist die Temperatur einer Glühlampenhülle (um 120ºC) wesentlich geringer als die Temperatur, die durch die vorliegenden thermische Justierungsreferenzquelle geliefert wird, und geringer als diejenige, die in den Anwendungen, wie dem AESOP-System, erforderlich ist.
Das in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Keramikmaterial ist Macor, das einfach verarbeitbar ist. Bei einem Einsatz eines erhitzten Nichrom- Drahts selbst ohne einen Keramikstab fehlt die ausreichende Gleichmäßigkeit und das Emissionsvermögen für eine richtige Verwendung. Der einzige Weg, mehr Wärme (d. h. IR-Strahlleistung) als bei dem aktuelle Entwurf vorzusehen, besteht darin, Höhertemperatur-Keramiken zu verwenden, die viel schwieriger zu bearbeiten sind als Macor, und einen Wolfram- Erhitzerdraht zu verwenden, der eine Vakuumumgebung mit einem langwelligen Infrarot(LWIR)-Fenster erfordert. Dieser letztgenannte Entwurf würde jedoch deutlich teurer sein als die vorliegenden Erfindung.

Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Fallstricke der im Stand der Technik verwendeten Apparate. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine thermische Justie rungsreferenzquelle für optische Infrarotsysteme vorzusehen, die eine gleichmäßige LWIR-Strahlleistung hoher Intensität innerhalb des 7,5-12 m Wellenbandes liefern.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine billige Vorrichtung zu schaffen, die kein Vakuum verwendet, die einfach zu bearbeiten und schnell zusammenbaubar ist, die noch eine LWIR-Leistung hoher Intensität in dem 7,7 - 12 m Wellenband zur Benutzung als IR-Referenzquelle erzeugt.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine signifikante LWIR-Strahlleistung zu liefern, die als Referenzquelle notwendig ist, wobei die Quelle die Lasersichtlinie für den FLIR darstellt, indem eine Quelle mit großem Wärme- und Emissionsvermögen verwendet wird, wobei sich die thermische Quelle als ein Schwarzkörper-Hohlraum verhält.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, einen LWIR-Strahl mit einem hohen Grad an Präzision zu lokalisieren, die für optische Hochtechnologieanwendungen erforderlich ist, während diese Präzision auch in militärischen Erschütterungs- und Vibrations-Umgebungen aufrechterhalten wird.
Eine andere Aufgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermische Quelle vorzusehen, die klein ist und in der Lage ist, das Erfordernis einer hohen Packungsdichte zu erfüllen.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermische Quelle vorzusehen, die eine geringe Betriebsleistung benötigt.
Eine andere Aufgabe der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine thermische Quelle anzugeben, die schnell ihren Betriebszustand erreicht und diesen hält. Die Vorrichtung sollte eine kurze Aufwärmzeit von weniger als 20 Sekunden aufweisen.
Diese Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch die thermische Justierungsreferenzquelle der vorliegenden Erfindung verwirklicht. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine thermische Justierungsreferenzquelle, die ein LWIR-Signal hoher Intensität bereitstellen kann, dargestellt, wobei sie einen keramischen Stab und einen Erhitzerdraht aufweist, der aus Nichrom gefertigt ist und mit einer Vielzahl von Windungen um den Keramikstab teilweise gewickelt ist, wobei ein elektrischer Strom verwendet wird, um den Erhitzerdraht zu erhitzen und einen Pseudo-Schwarzkörper-Hohlraum zu bilden. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Keramikstab aus Macor- Glaskeramik hergestellt, hat der Erhitzerdraht 12 Windungen mit 0,008 Inches im Durchmesser und beträgt der Durchmesser des Keramikstabs beträgt 0,058 Inches. Die Schwarzkörper-Hohlraum- Geometrie wird erhalten, indem der Erhitzerdraht dicht um den Keramikstab gewunden wird und der Erhitzerdraht hitzebehandelt wird, um zu verhindern, daß der Erhitzerdraht von dem Keramikstab herunterspringt. Der Keramikstab ist fest mit einem Gehäuse der Justierungsquelle verbunden, indem ein Verspann-Draht durch eine Vielzahl von Löchern in dem Gehäuse der Justierungsquelle und dem Keramikstab gezogen wird. Der gleiche Verspann- Draht hält ein Ende des Erhitzerdrahtes an dem Gehäuse. Die untere Windung des Erhitzerdrahtes ist auch durch ein Loch von 0,013 Inch in dem Keramikstab hindurchgezogen. Ein letztes Mittel zum Halten des Erhitzerdrahtes an der Stelle besteht darin, die beiden Enden des Erhitzerdrahtes durch zwei schmale Gehäuseschlitze hindurch zuziehen. Der Keramikstab ist zwischen dem Bereich, wo der Erhitzerdraht gewunden ist, und dem Befestigungsbereich mit dem Gehäuse der Justierungsquelle dünner ausgeführt mit einem Durchmesser von 0,040 Inches. Der Keramikstab und die Erhitzer-Draht-Wicklung sind innerhalb eines großen Gehäuse-Hohlraums plaziert, um eine zweiten Schwarzkörper- Hohlraum zu bilden. Ein elektrischer Strom von etwa 1,4 A wird verwendet, um den Erhitzerdraht auf über 1000ºC zu erhitzen.
Die neuen Merkmale der Konstruktion und des Betriebs der Erfindung ergeben sich deutlicher im Verlaufe der nachfolgenden Beschreibung, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen eine bevorzugte Form der Vorrichtung der Erfindung dargestellt ist, und in der gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in den Zeichnungen bezeichnen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1A ist eine Ansicht von oben, einer thermischen Justierungsreferenzquelle, die gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
Fig. 1B ist eine Ansicht, die entlang der Linie 2-2 der Fig. 1A genommen wurde, und die die thermische Justierungsreferenzquelle der Fig. 1A im Querschnitt zeigt;
Fig. 2 ist ein schematisches Diagramm, das Details des AESOP-Systems darstellt, in dem die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die thermische Justierungsreferenzquelle, wie in Fig. 1 gezeigt, verwirklicht ist;
Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, das die Optik des AESOP-Sytems, wie in Fig. 2 gezeigt, in vereinfachter Form darstellt, um die Nützlichkeit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besser zu beschreiben.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die folgende detaillierte Beschreibung betrifft den momentan besten betrachteten Modus zur Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese Beschreibung ist nicht in einem beschränkenden Sinne zu verstehen, sondern ist alleine zum Zwecke der Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung vorgesehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermische Justierungsreferenzquelle, die zur Erzeugung von Infrarot-Signalen zur Selbstausrichtung des Lasers mit der Sichtlinie des FLIR verwendet wird. Bezugnehmend auf die Zeichnungen im Detail, in denen gleich Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, ist in Fig. 1A und in Fig. 1B eine bevorzugte Vorrichtung gezeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung entworfen wurde. Ferner zeigt Fig. 2 eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in dem AESOP-Projekt.
Fig. 1A und Fig. 1B zeigen die thermische Justierungsreferenzquelle 100 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in Systemen mit automatischer Ausrichtung Verwendung findet, um eine Referenzquelle mit geringer Betriebsleistung, mit einem schnellen Aufwärmen, niedrigen Konstruktionskosten, einer hohen Gleichmäßigkeit und mit einem LWIR- Strahl hoher Intensität in dem Wellenband zwischen 7,5 m und 12 m vorzusehen. Wie in Fig. 1A und 1B dargestellt, ist ein sehr kleiner Keramikstab I02 teilweise mit einer Vielzahl von Windungen eines Nichrom-Erhitzerdrahtes 104 umwickelt. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt der Keramikstab 102 etwa einen Durchmesser von 0,058 Inches, und der Nichrom-Erhitzerdraht 104 besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von 0,008 Inches und ist vorzugsweise spiralförmig um den Keramikstab 102 mit etwa 12 Windungen gewunden. Die geringe Masse des Keramikstabs 102 ermöglicht eine größere Gleichmäßigkeit, einen schnelleren Warmlauf und eine geringere Betriebsleistung in der in einer bevorzugten Form beschriebenen Einrichtung. Die obere Oberfläche des Keramikstabs 102 liefert ein sehr gleichmäßig erhitztes Ziel. Ein elektrischer Strom von etwa 1,4 A wird durch den Erhitzerdraht 104 geschickt, um sowohl den Keramikstab 102 als auch den Erhitzerdraht 104 auf etwa 1000ºC (Keramikstab 102 ist möglicherweise etwas kühler) zu erhitzen. Die bevorzugte Keramik Macor (eine maschinell bearbeitbare Keramik), wie weiter unten beschrieben und in dem Keramikstab 102 verwendet, besitzt ein durchschnittliches Emissionsvermögen von etwa 0,84 in dem Wellenband von 7,5-12 m.
Durch Hinzufügen zusätzlicher Windungen des Erhitzer- Drahtes 104, die sich oberhalb der oberen Keramikfläche des Keramikstabs 102, nachfolgend als ein Keramikboden 108 bezeichnet, erstrecken, wird ein kleiner Schwarzkörper-Hohlraum 106 gebildet. Dieser Schwarzkörper-Hohlraum 106 erhöht wirksam das Emissionsvermögen des Keramikbodens 108 von 0,84 auf nahezu 1,0. Der Teil des Erhitzerdrahtes 104, der sich oberhalb des Keramikbodens 108 erstreckt, bildet die zylindrische Seitenwand des Schwarzkörper-Hohlraums 106 der thermischen Justierungsreferenzquelle 100, und die flache Fläche des Keramikbodens 108 bildet den Hoden des Schwarzkörper-Hohlraums 106. Die heißesten oberen Windungen des Erhitzerdrahts 104 oberhalb des Keramikbodens 108 erzeugen zusätzliche Photonen in dem Strahl, nicht gezeigt, über eine Reflexion an der Oberfläche des Keramikbodens 108. Schließlich optimiert die Wicklungsstruktur des Erhitzerdrahtes 104 die Wärme an dem Keramikboden 102, indem Windungen oberhalb und unterhalb diesem vorgesehen sind.
Zusätzlich verhält sich der Gehäusehohlraum 114 der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 als ein Schild bzw. eine Abschirmung, wobei die teilweise reflektierende zylindrische Oberfläche des Gehäusehohlraums 116 einen heißeren Erhitzerdraht 104 erzeugt und damit eine heißere thermische Justierungsreferenzquelle 100. Die Abschirmung durch den Gehäusehohlraum 114 sowie die Wirkungen des Schwarzkörper-Hohlraums 106 erhöhen somit gemeinsam die Leistung des IR-Referenzsignals 202 bei minimaler Erhitzerbetriebsleistung.
Die Geometrie des Schwarzkörper-Hohlraums 106 wird dadurch erhalten, daß der Erhitzerdraht 104 dicht um den Keramikstab 102 gewunden wird und hitzebehandelt wird, um zu verhindern, daß der Erhitzerdraht 104 von dem Keramikstab 102 springt. Um einen engen Sitz um den Keramikstab 102 zu erzielen, wird der Erhitzerdraht 104 zuerst um einen Stab mit kleinerem Durchmesser gewunden, beispielsweise einer Bohrerspitze, mit einem Durchmesser von 0,54 Inch und wird dann auf den Keramikstab 102 übertragen. Die Hitzebehandlung des Erhitzerdrahts 104 vor dem Zusammenbau wird in einem Vakuumofen bei etwa 1065ºC für 30 Minuten durchgeführt, oder indem ein Strom von 1,5 A durch den Erhitzerdraht 104 für 60 Sekunden geschickt wird (es sei angemerkt, daß der Keramikstab 102 nicht in den Vakuumofen gesetzt werden kann, da die Macor-Keramik schmelzen würde, wenn die Temperatur zu lange über 1000ºC liegt). Ebenso erfolgt eine zweite Hitzebehandlung nach dem Zusammenbau mit dem Gehäusehohlraum 114, wobei ein Strom von 1,45 A durch den Erhitzerdraht 104 geschickt wird. Während beider Hitzebehandlungen wird der gewundene Erhitzerdraht 104 leicht gedrückt, um die Spalte zwischen den Windungen zu reduzieren. Ein Reduzieren dieser Spalte von Windung zu Windung hilft dabei, die Wandstruktur des Schwarzkörper-Hohlraums 106 aufrecht zu erhalten.
Ferner wird der Erhitzerdraht 104 in Position gehalten, um die Schwarzkörpergeometrie zu bewahren, indem die untere Windung durch ein Loch, hier als Erhitzerdrahtloch 118 bezeichnet, in dem oberen Teil des Keramikstabs 102 hindurchgezogen wird. Schließlich werden auch zwei schmale Gehäuseschlitze 122 verwendet, um den Erhitzerdraht in Position zu halten.
Der Keramikstab 102 wird fest mit einem Gehäuse 110 der Justierungsquelle (Gehäuse 110 ist vorzugsweise ebenfalls aus eine Macor-Keramik gefertigt) verbunden. Der Keramikstab 102 ist in dem Gehäuse 110 der Justierungsquelle mittels eines engen Sitzes zwischen dem Bodendurchmesser des Keramikstabs 102 und einer Präzisionsbohrung innerhalb des Gehäuses 110 der Justierungsquelle präzise plaziert. Eine feste Anbringung des Keramikstabs 102 an dem Gehäuse 110 der Justierungsquelle wird erreicht, indem ein Stück des Verspann-Drahtes 102 durch das Gehäuse und das Keramikstabloch 112 durchgezogen wird. Dieses Gehäuse- und Keramikstabloch 112 erstreckt sich von einer Seite des Gehäuses 110 der Justierungsquelle durch das Bodenende des Keramikstabs 102 und schließlich durch die andere Seite des Gehäuses 110 der Justierungsquelle. Zusätzlich befestigt der gleiche Verspann-Draht 120 ein Ende des Erhitzerdrahtes 104 an dem Gehäuse, so daß die oberen Windungen des Erhitzerdrahtes 104 sich nicht bewegen können. Die thermische Justierungsreferenzquelle 100 ist leicht nacharbeitbar im Sinne, daß der Keramikstab 102 und der Erhitzerdraht 104 (diese beiden Komponenten sind höchst empfindlich gegen Beschädigung) sehr leicht durch Durchschneiden und Entfernen des Verspann-Drahts 102 ersetzt werden können.
Der Wärmeverlust wird auf einem Minimum gehalten, indem der Keramikstab 102 unterhalb des Bereichs, wo der Erhitzerdraht 104 gewunden ist, wie in Fig. 1B gezeigt, dünner gemacht wird, nämlich 0,12 Inch lang und 0,040 Inch im Durchmesser in der bevorzugten Ausführungsform, obgleich Wärme durch Wärmeleitung von dem Keramikboden 108 des Schwarzkörper-Hohlraums zu dem Boden des Gehäusehohlraums 114 verlorengeht. Der Keramikstab 102 ist in der bevorzugten Ausführungsform aus einer Macor-Glaskeramik, erhältlich bei Corning Glass Works, Corning. NY 14830, hergestellt.
Fig. 2 zeigt eine Anwendung der vorliegenden Erfindung in dem AESOP-System 200, in dem die Parallelität zwischen einem Laserstrahl 204 und einer FLIR-Sichtlinie, nachfolgend als ein FLIR-Eingangssignal 220 bezeichnet, aufrechterhalten werden muß, indem ein Referenzstrahl verwendet wird. Der Referenzstrahl, nachfolgend als Justierungsquelle-Infrarotreferenz signal 202 bezeichnet, wird von der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 erzeugt, die innerhalb des Lasers und der thermischen Referenzquelle 206 zu finden ist.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie das Justierungsquellen- Infrarotreferenzsignal 202 innerhalb des Lasers und der thermischen Referenzquelle 206 erzeugt wird. Die Infrarotenergie von der heißen thermischen Justierungsreferenzquelle I00 wird mittels Sammeloptiken 320 gesammelt und durch ein kleines Loch 326 in einer Sehfeldblende 324 abgebildet. Die Abbildung an dem kleinen Loch wird dann durch Kollimationsoptiken 322 parallel gerichtet. Das parallel gerichtet Signal an diesem Punkt hat einen Kreis im Durchmesser von 8 mrad, was einem Sehfeldblenden-Loch von 4 mils und einer effektiven Brennweite von 0,5 Inch (fc in Fig. 3) entspricht. In Fig. 2 sieht man das parallel gerichtete Signal, das den Laser und die thermische Referenzquelle 206 anregt und dann in ein Ziel mit einem 1,28 mrad (unverschwommen) Kreisinnendurchmesser transformiert wird, nachdem es durch den 6,25-fachen Strahlspreizer 216 (d. h. 1,28 mrad = 8 mrad/6,25) passiert hat.
In Fig. 2 oder 3 ist nicht gezeigt, daß das Justierungsquellen-Infrarotreferenzsignal 202 präzise mit einem Laserstrahl 204 innerhalb eines Lasers und der thermischen Referenzquelle 206 ausgerichtet wird. Betrachtet man die Fig. 2 weiter, erkennt man, daß dieser ausgerichtete Laserstrahl und das Justierungsquellen-Infrarotreferenzsignal 202 entlang des gleichen Wegs (aber nicht zur gleichen Zeit) laufen und von einem Zweiachs-Laserspiegel 214 reflektiert werden, die durch einen Strahlaufweiter 216, der in der bevorzugten Ausführungsform eine Spreizung um das 6,25-fache vornimmt, und durch ein Laser fenster 230 geleitet werden. Sowohl das FLIR-Eingangssignal 220 und der Laserstrahl 204 existieren nicht während des Justierungsbetriebs, wie in Fig. 2 gezeigt. Die potentielle Richtung (d. h. falls der Retroreflektor 218 nicht im Weg war) des FLIR- Eingangssignals 220 und des Laserstrahls 204 sind in Fig. 2 alleine aus Verständlichkeitsgründen des Ausrichtungsvorgangs gezeigt. Während des normalen Betriebs, nicht des Justierens, nicht gezeigt, wird die kardanisch gelagerte Kugel 230 weg von dem Retroreflektor 218 gedreht, so daß das eingehende FLIR- Eingangssignal 220 in das nicht blockierte FLIR- Teleskopobjektiv 228 eintreten kann. Der normale Betrieb ist dann, wenn das AESOP-System 220 ein Ziel verfolgen und sich auf dieses aufschalten und den Laserstrahl 204 abfeuern kann.
Während des Justierungsbetriebs in Fig. 2 dreht sich die kardanische Kugel 232, um sich mit dem Retroreflektor 218 auszurichten, der eine 1,016 cm Öffnung in der bevorzugten Ausführungsform hat, der das Justierungs-IR-Referenzsignal 202 zurück zu dem FLIR 210 durch das FLIR-Teleskopobjektiv 228 auf einem Weg zurückschickt, der möglicherweise parallel zu dem Laserstrahl 204 ist (d. h. auf einem Weg parallel zu dem Laserstrahl 204, falls er an war, obwohl er in dieser speziellen Situation nicht an ist). Der FLIR 210 sieht das unverschwommene Justierungsquellen-IR-Referenzsignal 202 mit 1,28 mrad Durchmesser als ein unscharfes, verschwommenes Justierungsquellen-IR- Referenzsignal 212 mit 2,7 mrad Durchmesser. Die Unschärfe tritt aufgrund der Brechung auf, da der 1,28 mrad unverschwommene Durchmesser geringer ist als der Airy Disc Durchmesser von 2,314 mrad. Es sei angemerkt, daß der Airy Disc Durchmesser von 2,314 mrad dem 0,244 1/D entspricht, wobei 1 die Wellenlänge von nur 9,64 Mikron und D die Öffnung des Retroreflektors 218 von 1,016 cm ist.
Während des Justierungsbetriebs in Fig. 2 wird die thermische Justierungsreferenzquelle 100 für 30 Sekunden eingeschalter. Falls das Zentrum des unscharfen Justierungsquellen-IR- Referenzsignals 212 nicht in der Mitte der Verfolgungszielmaske ist (eine Box, die zur Lokalisierung und Aufschaltung des FLIR- Eingangssignals 220 auf das Ziel verwendet wird), wird dann die Verfolgungszielmaske bewegt, um dies zu erreichen. Zusätzlich wird eine Feinjustierung auf die Position des Zweiachs- Laserspiegels 210 durchgeführt, um das IR-Referenzsignal (und potentielle Laserstrahl 204) auf das potentielle FLIR- Eingangssignal 220 exakt auszurichten. Die Verfolgungszielmaskenposition und die Position des Zweiachs-Laserspiegels 214 werden dann mittels Software gesichert und werden beim Aufschalten und Abfeuern auf Ziele während des normalen Betriebs verwendet.
Um eine gute Nachführung der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 zu liefern, muß die Spitze des FLIR- Antwortsignals 226 von zumindest 125 mv entsprechend einer 2ºC Änderung in dem FLIR-Eingangssignal 220 in weniger als 20 Sekunden nach dem Einschalten erhalten werden, und das unscharfe Justierungsquellen-IR-Referenzsignal 220 muß weniger als 4 mrad im Durchmesser sein (gemessen an 10 Prozentpunkten). Die große Hitze und das Emissionsvermögen, das durch die thermische Justierungsreferenzquelle 100 bereitgestellt werden, sind erforderlich, im wesentlichen da die Öffnung (Dn in Fig. 3) des Retroreflektors 218 sehr viel kleiner ist als der Eingang der Pupille (Df in Fig. 3) des FLIR 210 (1/346 des Gebiets und da mit 1/346 des Signals). Beugungs- und Übertragungsverluste von dem optischen System 302 der Justierungsquelle, wie in Fig. 3 gezeigt und nachfolgend beschrieben, verschlechtern das FLIR- Antwortsignal 226 weiter um einen Faktor von zumindest 3,7. Das IR-Referenzsignal 202, das in der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 erzeugt wird, passiert ein Justierungsquellen- Optiksystem 302, wie in Fig. 3 dargestellt, das verwendet wird, um ein parallel gerichtetes IR-Referenzsignal 304 der Justierungsquelle zu erzeugen. Das Justierungsquellen-Optiksystem 302 umfaßt eine Sammeloptik 320, eine Kollimationsoptik 322, eine Sehfeldblende 324 mit einem kleinen Loch 326 und dem Strahlspreizer und dem Retroreflektorsystem 328. Das parallel gerichtete IR-Referenzsignal 304 der Justierungsquelle passiert die FLIR-Optik 306, die detailliert in Fig. 2 dargestellt ist, und ein Detektordewar 308 mit einem Dewarwindow 310 und einem Dewardetektorfeld 312. Das FLIR-Antwortsignal 226 (Antwort in x-Richtung gegenüber der Abtastzeit in y-Richtung) ist an dem Ausgang des Dewars 308 gezeigt. Das FLIR-Antwortsignal 226 ist das Ergebnis des Scanners 208, der durch die Mitte des unscharfen IR-Referenzsignal 212 der Justierungsquelle abtastet.
Die vorliegende Erfindung, die thermische Justierungsreferenzquelle für optische LWIR-Systeme, liefert eine gleichmäßige LWIR-Leistung hoher Intensität über das Wellenband zwischen 7,5 - 12 m. Der Strahl kann als ein IR-Referenzstrahl verwendet werden, der als Referenzsignal für das FLIR notwendig ist und die Richtung des Lasers in dem AESOP-System darstellt. Die Einrichtung ist billig, benötigt nicht die Verwendung eines Vakuums, benutzt eine Macor-Keramik, die leicht zu bearbeiten ist (insbesondere der Keramikstab 102, der zylindrisch ist) und ist schnell zusammenzubauen, da weniger als eine Stunde benötigt wird. Die Einrichtung liefert eine thermische Quelle, die klein ist und in der Lage ist, das Erfordernis einer hohen Packungsdichte, einer schnellen Antwort (weniger als 20 Sekunden nach Anlauf) erfüllt, und eine geringe Betriebsleistung von weniger als 10 Watt benötigt.
Indem die Quelle des Keramikstabs 102 fest an dem Gehäuse 110 der Justierungsquelle angebracht wird, ist die Einrichtung in der Lage, den LWIR-Strahl in Richtung des kleinen Lochs 326 präzise zu positionieren. Da ein Großteil des in dem FLIR 210 erzeugten Signals von einem Punkt mit 4 mil Durchmesser auf der Mitte eines gleichmäßig erhitzten Keramikbodens 108 mit einem Durchmesser von 48 mil stammt, wird die Bewegung der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 während Vibrationen oder Erschütterungen die Position des FLIR-Antwortsignals 126 nicht verändern.

Testen der thermischen Justierungsreferenzquelle

Die Umsetzung der thermischen Justierungsreferenzquelle 100, die in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben ist, wurde durch Verwendung des AESOP-Systems 200 erreicht, wie in Fig. 2 dargestellt. Die neueste Version der thermischen Justierungsreferenzquelle 100, in der der Keramikstab 102 an dem Gehäuse 110 der Justierungsquelle angebracht ist, wurde nicht vollständig getestet. Allerdings wurde ein sehr ähnliches Design (der Hauptunterschied besteht darin, daß der Keramikstab 102 nicht an dem Gehäuse angebracht war), in den ersten beiden AESOP-Systemen 200 und in einem dritten Lasersystem getestet, und die erhaltenen Ergebnisse zeigen, daß sich die thermische Justierungsreferenzquelle 100 entsprechend den Spezifikationen und Anforderungen verhält.
Die Ziele der Tests bestanden darin, die Gesamtleistung der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 zu evaluieren. Der Test bestand aus dem Messen der Intensitätsspitze des FLIR- Antwortsignals 226, der Größe und der Gleichmäßigkeit des verschwommenen, unscharfen IR-Referenzsignals 212 der Justierungsquelle.
Die folgenden AESOP-Systemkomponenten und Testgeräte wurden verwendet:
1. Energieversorgungen für das FLIR 210 und die thermische Justierungsreferenzquelle 100:
2. AESOP-FLIR-Optiken 306, Scanner 208 und FLIR 210 (FLIR 210 ist tatsächliche die Abbildungsoptik, nicht gezeigt, Detektor 330 und Elektronik, ebenfalls nicht gezeigt), die auf der kardanischen Kugel 232 angebracht sind, AESOP- Digitalabtastkonverter, nicht gezeigt (zur Verarbeitung von Videosignalen);
3. Spiegel und HeNe-Laser zur Ausrichtung, nicht gezeigt;
4. Eines von drei nachfolgend aufgelisteten optischen Systemen;
5. Einstellbare Öffnung zur Simulation der Öffnung des Retroreflektors 218;
6. Herausnahmeboxen, nicht gezeigt, um das FLIR- Antwortsignal 226 vor der Videoverarbeitung abzufangen;
7. Oszilloskop, nicht gezeigt, um FLIR-Antwortsignal 226 in mV zu messen;
8. TV-Bildschirm, nicht gezeigt.
Tests, die die Spitze des FLIR-Antwortsignals 226 und den Durchmesser des verschwommenen Justierungsquellen-IR-Referenzsignals 2I2 bestimmen, werden wie folgt ausgeführt: Das FLIR 210 und die thermische Justierungsreferenzquelle 100 werden zunächst mit Leistung hochgefahren. Die kardanische Kugel 232 wird dann gedreht, bis das verschwommene Justierungsquellen-IR- Referenzsignal 212 in dem Video zentriert ist (innerhalb des Dewardetektorfeldes 312 Kanäle 61 bis 100 von 160 Detektordewarfeld-Kanälen 312) zentriert ist. Die richtigen Signale von der Herausnahmebox (Signale sind auch über Systemsoftware gesteuert) werden dann dem Oszilloskop zugeführt.
Die Testeinstellung zur Messung der Gleichmäßigkeit erfordert all das zuvor erwähnte plus die Überwachung des Verfolgungssignalfehlers, eines Signals, das von dem Videoverarbeitungsteil des Systems kommt, was nicht gezeigt ist. Der Verfolgungssignalfehler ist proportional zu dem Abstand zwischen dem Zentrum des unscharfen IR-Referenzsignals 212 der Justierungsquelle und der exakten Mitte des Videos. Im normalen Betrieb wird die Information aus dem Verfolgungssignalfehler verwendet, um die Zielmaske und die Position des Zweiachs-Laserspiegels 218 während des Justierungsbetriebs zu korrigieren.
Der Test wurde ausgeführt, indem drei unterschiedliche optische Einstellungen verwendet wurden, jedes Mal mit einer Öffnung am Pupilleneingang des FLIRs von 1,016 cm:
1. Einsatz von Optiken, um die Justierungsquellenoptik zu simulieren, wobei ein Simulator aus Sammeloptiken, Sehfeldblende und Kollimationsoptiken aufgebaut war;
2. Verwendung der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 des Lasers, der Sammeloptiken 320 und der Kollimationsoptiken 322 mit einem Sorell-Strahlspreizer, nicht gezeigt; und
3. Verwendung des aktuellen AESOP-Systems 200.
Der Simulator verwendet eine größere Lochsehne und Optiken mit mehr als der doppelten Übertragung des aktuellen Systems, was zu einem sehr viel größeren FLIR-Antwortsignal 126 führt. Indem der Simulator und das AESOP-FLIR 210 verwendet werden, wurde ein FLIR-Antwortsignal 226 von etwa 830 mv erreicht. Der verwendete Strom und die Spannung des Erhitzerdrahts 104 der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 betrugen 1,4 A und 5 V, was 7 Watt entspricht. Indem der Sorell-Strahlspreizer verwendet wird, wurde ein FLIR-Antwortsignal 226 von etwa 220 mv für die ersten zwei AESOP-Systeme 200 und von 270 mv für den dritten Laser ("Laser" im Verlauf dieses Abschnitts des Tests bezieht sich auf die thermische Justierungsreferenzquelle 100, die Sammeloptik 320 und die Kollimationsoptik 322) erreicht. Dieser Signalanstieg ergibt sich daraus, daß der dritte Laser eine Vignettierungsquelle beseitigt hat, die in den beiden ersten Systemen vorhanden waren. Die Amplitude des FLIR- Antwortsignals 226, die in den ersten beiden AESOP-Systemen gesehen wurde, betrug etwa 128 mv. Das System, das den dritten Laser verwendet, würde wahrscheinlich eine Amplitude von etwa 206 mv erreichen, basierend auf der Verbesserung, die mit dem dritten Laser gesehen wird. Es sei angemerkt, das in jedem Fall zumindest 90% des Signals in 20 Sekunden erreicht waren.
Das neueste Design, das in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt wurde und den Keramikstab 102 angebracht an dem Gehäuse 110 der Justierungsquelle besitzt, wird wahrscheinlich zu einem Signal führen, das 10% geringer ist als das FLIR-Antwortsignal 226, das mit dem dritten Lasersystem erzielt wurde, aufgrund des Wärmeverlustes, der durch Anbringung des Keramikstabs 102 an dem Boden des Gehäuses 110 der Justierungsquelle herbeigeführt wurde. Die Befestigung ist jedoch notwendig, um die Wärmequelle bei der Herstellung präzise zu plazieren. Diese Schätzung basierte auf einem ungefähren Verlust von 20%, der gesehen wird, wenn das neueste Design (mit der Ausnahme, daß der Durchmesser des Keramikbodens 108 0,07 Inch anstelle von 0,058 Inch betrug, und die Länge des dünneren Bereichs des Keramikstabs 102 0,10 Inch anstelle 0,12 Inch betrug) mit dem Design verglichen wird, das in dem AESOP- System 200 verwendet wird. Der Test benutzte die Optik im Februar 1994 in der ersten Einstellung.
Der Strom kann auf 1, 5 A erhöht werden, falls eine Erhöhung des Sensorausgangsignals gewünscht ist, aber dies wird zu einer Erhöhung der Temperatur der Macor-Keramik auf deren Schmelzpunkt von 1040º führen und wird die Nichrom- Drahttemperatur auf über 1000º erhöhen, was über die empfohlene Temperatur zur Verhinderung übermäßiger Oszillation hinausgeht. Selbst ohne die Modifikationen ist es klar, daß die minimalen Anforderungen der thermischen Justierungsreferenzquelle 100 mit einem FLIR-Antwortsignal von zumindest 125 mv, was für eine gute Verfolgung erforderlich ist, leicht erreicht werden. Mit einem ähnlichen Design wurden etwa 128 mV demonstriert. Dieser Wert war aufgrund von Vignettierung gering, die in den ersten beiden Systemen auftrat. Detailliertere Berechnungen, die hier nicht gezeigt sind, ergeben, daß 200 mv das momentane theoretische Maximum darstellen.
Um die Gleichmäßigkeit des Justierungsquellenziels zu testen, wurde zusätzlich die thermische Justierungsreferenzquelle 100 um 29 mils vor und zurück bewegt, was mehr ist als jemals durch Erschütterung oder Vibration auftreten sollte, während der Zentrumsverfolgungsfehler beobachtet wurde. Verfolgungsfehler wurden beobachtet, die weniger als 20 mrad entsprechen.
Folglich hat die Vorrichtung und der Test bewiesen, daß die thermische Justierungsreferenzquelle 100 der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung leicht herzustellen und zu benutzen ist und eine geringe Wartung erfordert, während eine schnelle Anlauf-Fähigkeit in einem nahezu nicht-manuellen ("hands-off") Justierungsbetrieb geliefert wird.
Die zuvor beschriebene Erfindung läßt natürlich eine Vielzahl von Variationen, Modifikationen und Änderungen zu, die alle innerhalb der Fähigkeiten eines Durchschnittsfachmanns liegen. Die zuvor erwähnte thermische Justierungs-Infrarot- Referenzquelle kann über eine Vielzahl von Wellenlängenbändern, einschließlich dem 3-5 mm Band angewendet werden. Die thermische Justierungsreferenz kann beispielsweise in Verbindung mit einem FLIR-Betrieb in dem 3-5 mm Band und einem damit verbundenen Laserentfernungsmesser/Bestimmer verwendet werden.

Claims

1. Thermische Justierungsreferenzquelle (100), die ein IR-Signal hoher Intensität liefern kann, mit einem hohlen Justierungsquelle-Gehäuse (110);

einem Keramikstab (102), der im inneren Abschnitt des Justierungsquelle-Gehäuses (110) angebracht ist; und

einem Erhitzerdraht (104), der zumindest teilweise den Keramikstab (102) spiralförmig umgibt und eine Vielzahl von Windungen besitzt, die sich von einem oberen Ende des Keramikstabs (102) nach außen erstrecken, um einen Schwarzkörper-Hohlraum darin aus der Vielzahl der sich nach außen erstreckenden Windungen und dem Keramikstab (102) zu bilden.

2. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Keramikstab (102) und das Justierungsquelle-Gehäuse (110) aus einem verarbeitbaren Glaskeramikmaterial hergestellt sind.

3. Thermische Justierungreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Erhitzerdraht (104) aus Nichrom gefertigt ist und einen Durchmesser von etwa 0, 006 bis 0,10 Inches aufweist und spiralförmig mit 12 Windungen gewunden ist, wobei zumindest einige dieser Windungen sich von einem Ende des Keramikstabs (104) nach außen erstrecken und damit einen Schwarzkörper-Hohlraum (106) ausbilden.

4. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser des Keramikstabs (102) 0,038 bis 0,068 Inches beträgt, um die Spitze des Keramikstabs (102) bei minimaler Erhitzerleistung gleichmäßiger zu erhitzen.

5. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei ein elektrische Strom von etwa 1,4 A verwendet wird, um den Erhitzerdraht (104) und das obere Ende des Keramikstabs (102) auf etwa 1000ºC zu erhitzen.

6. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Erhitzerdraht (104) eng um den Keramikstab (102) gewunden ist und hitzebehandelt ist, um zu verhindern, daß der Erhitzerdraht (104) aus einem Kontakt mit dem Keramikstab (102) springt.

7. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 6, wobei der Erhitzerdraht (104) vor dem Zusammenbau in einem Vakuumofen bei etwa 1065ºC für 30 Minuten hitzebehandelt wird, während beide Enden des gewundenen Erhitzerdrahts gedrückt werden, um die Spalte zwischen den Windungen zu beseitigen.

8. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 6, wobei der Erhitzerdraht (104) hitzebehandelt wird, indem ein elektrischer Strom von etwa 1,5 A durch den Erhitzerdraht (104) für etwa 60 Sekunden geschickt wird, während beide Enden des gewundenen Erhitzerdrahts gedrückt werden, um die Spalte zwischen den Windungen zu beseitigen.

9. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Keramikstab (102) und ein Ende des Erhitzerdrahts (104) fest mit dem Justierungsquellen-Gehäuse (110) für eine genaue Plazierung verbunden sind, indem sie eng angepaßt sind, und um eine Bewegung des Erhitzerdrahtes (104) und des Keramikstabs (102) zu verhindern.

10. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 9, wobei die feste Anbringung des Keramikstabs (102) an dem Justierungsquelle-Gehäuse (110) dadurch erreicht wird, daß ein Verspann-Draht durch eine Vielzahl von Löchern (112), die in dem Justierungsquelle-Gehäuse (110) und dem Keramikstab (102) ausgebildet sind, hindurchgezogen wird.

11. Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 9, wobei ein Ende des Erhitzerdrahts (104) eng an dem Justierungsgehäuse (110) gehalten wird, indem der Verspann- Draht über den führenden Abschnitt des Erhitzerdrahts gewickelt wird.

12, Thermische Justierungsreferenzquelle (100) nach Anspruch 1, wobei der Keramikstab (102) und der Erhitzerdraht (104) in einem zweiten Gehäusehohlraum plaziert werden, der geeignet ist, um zumindest teilweise eine Abschirmung zu liefern.