EP0561163A1 - Bildaufnahmesystem - Google Patents

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EP0561163A1
EP0561163A1 EP93102363A EP93102363A EP0561163A1 EP 0561163 A1 EP0561163 A1 EP 0561163A1 EP 93102363 A EP93102363 A EP 93102363A EP 93102363 A EP93102363 A EP 93102363A EP 0561163 A1 EP0561163 A1 EP 0561163A1
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missile
image
axis
rows
recording system
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Wladimir Sardanowsky
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Airbus Defence and Space GmbH
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Deutsche Aerospace AG
Daimler Benz Aerospace AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2253—Passive homing systems, i.e. comprising a receiver and do not requiring an active illumination of the target
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/222—Homing guidance systems for spin-stabilized missiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2273—Homing guidance systems characterised by the type of waves
    • F41G7/2293—Homing guidance systems characterised by the type of waves using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to an image recording system for a missile rotating about a main axis, according to the preamble of claim 1.
  • Infrared image recording systems for missiles which consist of a missile-fixed recording optics and an opto-electrical detector mosaic which is likewise firmly connected to the missile and which is composed of detector elements which are distributed across the image plane of the recording optics and are scanned line by line.
  • Such recording systems require a very high number of detector elements for satisfactory image resolution and are accordingly expensive.
  • infrared recording devices are known (DE 30 07 893 A1; DE 30 48 496 C1) in which the field of view of the recording optics is pivoted mechanically, for example with the aid of an oscillating deflecting mirror or a gyroscopic drive, over the visual scene of interest and thereby linear or circular image scanning is achieved with a single row of detectors extending over the image field of the recording optics.
  • the mechanical effort for an exact control of the image movement and the computing effort for the correlation of the individual image signals to the corresponding pixels are considerable.
  • the object of the invention is to design the image recording system of the type mentioned at the outset in such a way that in a structurally and signal-technically simple manner and with comparatively few detector elements, perfect image quality with high image resolution is achieved.
  • a complicated mechanical image control is dispensed with through a targeted use of the self-rotation of the missile in connection with the detector arrangement which is radial to the missile axis and consists of comparatively few individual elements in a structurally very simple manner with continuous image rotation in the manner with a polar image scan with respect to the missile axis achieved that a non-rotating image of the visual scene of interest is obtained from the image signals in accordance with the respective rotational position of the missile and the radial distance of the individual detector elements from the missile axis of rotation with little computation effort and a high image resolution.
  • the image recording device according to the invention is outstandingly suitable for rotating missiles, but of course also for other moving carrier systems which carry out a continuous rotation about a main axis.
  • each angularly offset with respect to the missile axis are provided, as a result of which a frequency-selective selection is very simple, namely by appropriate selection of the frequency sensitivity of the individual rows of detectors Image scanning (claim 2) and / or an image scanning frequency increased compared to the rotational frequency of the missile can be achieved.
  • the latter can preferably be pivotably moved with respect to the missile axis, while the rows of detectors are expediently rigidly connected to the missile for reasons of structural simplification, and in the case of a pivotable fastening of the imaging optics preferably according to claim 6 are each formed in a circular arc with the center of curvature in the swivel center of the receiving optics.
  • the detector arrangement according to the invention consisting of one or at most a few missile-fixed detector rows, is provided for infrared image scanning, then it is a further advantage of the invention that complex cooling measures, such as are otherwise used for infrared imaging devices with large or rotating surfaces Detector arrangements are required.
  • infrared imaging optics 6 which is coaxial with its optical axis to the missile axis and consists of individual elements fixed to the missile. which has a variable focal length in the manner of a multi-lens zoom lens, and an infrared detector arrangement 8 which is likewise fixed in the missile in the image plane of the recording optics 6 and which is connected to electronics 10 for processing the electrical image signals generated by the detector arrangement 8 and a central cyrostatic cooling Owns 12.
  • the detector arrangement 8 consists of a single, linear row 14 of individual detector elements 16, which extends radially outward from the missile axis A to the edge of the image field of the imaging optics 6, that is to say in terms of its length and number of elements, approximately half a line of the image field covering detector mosaic corresponds to the same image resolution. Since the row of detectors 14 rotates in the same direction as the missile 2 around the missile axis A (in the direction of rotation R), there is a rotary image movement of the fixed scene image relative to the detector row 14 with a polar image scan such that the scene image is scanned by the individual detector elements 16 on circles which are concentric with one another .
  • the assigned image points can be determined on the basis of a polar coordinate representation in a very simple manner in terms of signal processing technology in accordance with the radial distance of the respective detector element 16 from the missile axis A and the rotational position of the missile 2 and thus the detector row 14 at the time of reading.
  • an image reproduction of the visual scene of interest, unaffected by the missile rotation - shown in detail in FIG. 2 - is achieved, for example in visual form on a screen or by data transmission to an automatic image monitoring device.
  • the receiving optics 6 are arranged on a missile-fixed carrier 18 such that they can be adjusted in an angularly movable manner about a swivel axis 20 lying on the missile axis A, while the row of detectors (s) continue to be rigidly connected to the missile, but is designed to be circular in shape concentrically to the swivel axis 20 and are extended so far in the pivoting direction S of the receiving optics 6 that they extend to the outer edge of the image field in each setting position of the receiving optics 6.
  • the scanned visual scene can be changed or a target area once sighted can be kept in the field of view of the optical system 6 by a swivel position adjustment of the optical system 6, even if the flight direction and / or the spatial orientation of the missile axis A changes during the flight.
  • the image recording system according to the invention is not necessarily tied to rotating missiles, but equally also for other carrier systems that continuously rotate about a main axis, e.g. Torpedoes, usable.

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Abstract

Um bei einem Bildaufnahmesystem für einen um eine Hauptachse (A) rotierenden Flugkörper (2) welches eine Aufnahmeoptik (6) und eine in der Bildebene der Aufnahmeoptik liegende Detektoranordnung (8) zur Erzeugung von elektrischen, unter Berücksichtigung der jeweiligen Drehlage des Flugkörpers (2) verarbeiteten Bildsignalen besitzt, auf mechanisch und signalverarbeitungstechnisch sehr einfache Weise eine hohe Bildauflösung zu erzielen, sind die Detektoranordnung (8) und die Aufnahmeoptik (6) mit ihrer optischen Achse bewegungsgleich zum Flugkörper (2) um die Flugkörper-Hauptachse (A) rotierend angeordnet und die Detektoranordnung (8) besteht aus einer oder mehreren, sich vom Bildfeldrand der Aufnahmeoptik (6) zur Flugkörperachse (A) hin erstreckenden Detektorreihen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildaufnahmesystem für einen um eine Hauptachse rotierenden Flugkörper, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es sind Infrarot-Bildaufnahmesysteme für Flugkörper bekannt, die aus einer flugkörperfesten Aufnahmeoptik und einem ebenfalls mit dem Flugkörper fest verbundenen, opto-elektrischen Detektormosaik bestehen, welches aus flächig in der Bildebene der Aufnahmeoptik verteilten, zeilenweise abgetasteten Detektorelementen zusammengesetzt ist.
    Derartige Aufnahmesysteme erfordern für eine zufriedenstellende Bildauflösung eine sehr hohe Anzahl von Detektorelementen und sind dementsprechend kostspielig.
  • Ferner sind Infrarot-Aufnahmegeräte bekannt (DE 30 07 893 A1; DE 30 48 496 C1) bei denen das Sehfeld der Aufnahmeoptik mechanisch, etwa mit Hilfe eines oszilierenden Umlenkspiegels oder eines gyroskopischen Antriebs, über die interessierende Sehszene verschwenkt und dadurch eine lineare oder zirkulare Bildabtastung mit einer einzigen, sich über das Bildfeld der Aufnahmeoptik erstreckenden Detektorreihe erreicht wird. Der mechanische Aufwand für eine exakte Steuerung der Bildbewegung und der Rechenaufwand für die Korrelation der einzelnen Bildsignale zu den entsprechenden Bildpunkten sind erheblich.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das Bildaufnahmesystem der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf baulich und signaltechnisch einfache Weise und mit vergleichsweise wenigen Detektorelementen eine einwandfreie Bildqualität mit einer hohen Bildauflösung erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Bildaufnahmesystem gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird unter Verzicht auf eine komplizierte, mechanische Bildsteuerung durch eine gezielte Ausnutzung der Eigenrotation des Flugkörpers in Verbindung mit der zur Flugkörperachse radialen, aus vergleichsweise wenigen Einzelelementen bestehenden Detektoranordnung auf konstruktiv sehr einfache Weise eine kontinuierliche Bilddrehung mit einer hinsichtlich der Flugkörperachse polaren Bildabtastung in der Weise erreicht, daß aus den Bildsignalen nach Maßgabe der jeweiligen Drehlage des Flugkörpers sowie des radialen Abstands der einzelnen Detektorelemente von der Flugkörper-Rotationsachse mit geringem Rechenaufwand und einer hohen Bildauflösung eine nicht-rotierende Abbildung der interessierenden Sehszene erhalten wird. Das erfindungsgemäße Bildaufnahmegerät ist wegen seiner einfachen Bauweise und seiner hohen Bildqualität hervorragend für rotierende Flugkörper, aber natürlich auch für andere bewegte Trägersysteme geeignet, die eine kontinuierliche Rotation um eine Hauptachse ausführen.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß den Ansprüchen 2 und 3 anstatt einer einzigen, vorzugsweise mehrere, jeweils bezüglich der Flugkörperachse winkelig versetzt zueinander angeordnete Detektorreihen vorgesehen, wodurch sich auf sehr einfache Weise, nämlich durch entsprechende Wahl der Frequenzempfindlichkeit der einzelnen Detektorreihen, eine frequenzselektive Bildabtastung (Anspruch 2) und/oder eine gegenüber der Rotationsfrequenz des Flugkörpers erhöhte Bildabtastfrequenz erzielen läßt.
  • Um das Sehfeld der Aufnahmeoptik verändern zu können, ist diese gemäß Anspruch 4 vorzugsweise bezüglich der Flugkörperachse schwenkbeweglich einstellbar, während die Detektorreihen aus Gründen einer baulichen Vereinfachung gemäß Anspruch 5 zweckmäsßigerweise starr mit dem Flugkörper verbunden und im Falle einer schwenkbaren Befestigung der Aufnahmeoptik vorzugsweise gemäß Anspruch 6 jeweils kreisbogenförmig mit dem Krümmungsmittelpunkt im Schwenkzentrum der Aufnahmeoptik ausgebildet sind.
  • Ist, wie gemäß Anspruch 7 bevorzugt, die erfindungsgemäße, aus einer oder allenfalls wenigen flugkörperfesten Detektorreihen bestehende Detektoranordnung zur Infrarot-Bildabtastung vorgesehen, so zeigt sich als weiterer Vorteil der Erfindung, daß aufwendige Kühlmaßnahmen, wie sie sonst für Infrarot-Bildgeräte mit großflächigen oder rotierenden Detektoranordnungen erforderlich sind, entfallen.
  • Um sowohl die Gesamtszene wie auch interessierende Szenenausschnitte mit hoher Bildauflösung abbilden zu können, empfiehlt es sich schließlich gemäß Anspruch 8, eine Aufnahmeoptik mit kontinuierlich veränderlicher Brennweite zu verwenden.
  • Die Erfindung wird nunmehr anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung
    • Fig. 1
    einen Längsschnitt eines am Bugende eines Flugkörpers angeordneten Bildaufnahmesystems;
    Fig. 2
    eine einzelne Detektorreihe des Bildaufnahmesystems gemäß Fig. 1 mit polarer Bildabtastung sowie einen Ausschnitt einer sich hieraus ergebenden Abbildung;
    Fig. 3
    eine Anordnung mehrerer, im gleichen Frequenzbereich empfindlicher Detektorreihen zur Erhöhung der Bildabtastfrequenz;
    Fig. 4
    eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer sowohl zur Erhöhung der Bildabtastfrequenz als auch zur Bildabtastung in unterschiedlichen Freuqenzbereichen aus mehreren Detektorreihen bestehenden Detektoranordnung; und
    Fig. 5
    eine Modifikation des Bildaufnahmesystems gemäß Fig. 1 mit einer schwenkbeweglich einstellbaren Aufnahmeoptik.
  • Das Bildaufnahmesystem gemäß Fig. 1, welches am vorderen Ende eines um seine Längsachse A-A rotierenden Flugkörpers 2 im Schutze einer Infrarot-Kuppel 4 angeordnet ist, enthält als Hauptbestandteile eine mit ihrer optischen Achse zur Flugkörperachse koaxiale, aus flugkörperfesten Einzelelementen bestehende Infrarot-Aufnahmeoptik 6, die nach Art eines mehrlinsigen Zoomobjektivs eine veränderliche Brennweite besitzt, sowie eine in der Bildeebene der Aufnahmeoptik 6 ebenfalls flugkörperfest angeordnete Infrarot-Detektoranordnung 8, die an eine Elektronik 10 zur Verarbeitung der von der Detektoranordnung 8 erzeugten, elektrischen Bildsignale angeschlossen ist und eine zentrale kyrostatische Kühlung 12 besitzt.
  • Gemäß Fig. 2 besteht die Detektoranordnung 8 aus einer einzigen, linearen Reihe 14 aus einzelnen Detektorelementen 16, die sich von der Flugkörperachse A radial nach außen bis zum Bildfeldrand der Aufnahmeoptik 6 erstreckt, also in ihrer Länge und Elementenanzahl etwa einer Halbzeile eines das Bildfeld flächig abdeckenden Detektormosaiks gleicher Bildauflösung entspricht. Da die Detektorreihe 14 bewegungsgleich zum Flugkörper 2 um die Flugkörperachse A (in Drehrichtung R) umläuft, entsteht eine rotative Bildbewegung des raumfesten Szenenbildes relativ zur Detektorreihe 14 mit einer polaren Bildabtastung derart, daß das Szenenbild von den einzelnen Detektorelementen 16 auf zueinander konzentrischen Kreisen abgetastet wird. Aus dem von den Detektorelementen 16 erzeugten Bildsignalen lassen sich auf der Basis einer Polarkoordinatendarstellung auf signalverarbeitungstechnisch sehr einfache Weise die zugeordneten Bildpunkte nach Maßgabe des Radialabstandes des jeweiligen Detektorelements 16 von der Flugkörperachse A und der Drehlage des Flugkörpers 2 und damit der Detektorreihe 14 im Ablesezeitpunkt ermitteln. Auf diese Weise wird eine von der Flugkörperrotation unbeeinflußte - in Fig. 2 ausschnittweise dargestellte - Bildwiedergabe der interessierenden Sehszene, etwa in visueller Form auf einem Bildschirm oder durch Datenübermittlung an ein automatisches Bildüberwachungsgerät, erreicht.
  • Während bei Anordnung einer einzelnen Detektorreihe 14 das Bildfeld der Aufnahmeoptik 6 bei jedem Umlauf des Flugkörpers 2 je einmal abgetastet wird, ist es ohne weiteres auch möglich, die Bildabtastrate gegenüber der Rotationsfrequenz zu vervielfachen, etwa gemäß Fig. 3 dadurch zu verdreifachen, daß anstelle einer einzigen drei radial zur Flugkörperachse A mit gleichförmigem Winkelabstand verlaufende Detektorreihen 14 A, B und C vorgesehen sind. Wahlweise oder gemäß Fig. 4 zusätzlich kann die Bildabtastung auch in unterschiedlichen Frequenzbereichen erfolgen, wobei für jeden Frequenzbereich eine oder - bei einer gegenüber der Rotationsfrequenz erhöhten Bildabtastrate gemäß Fig. 4 - mehrere Detektorreihen 14, nämlich die Detektorreihen 14.1 A ... C für einen ersten und die Detektorreihen 14.2 A ... C für einen zweiten Frequenzbereich vorgesehen sind.
  • Gemäß der in Fig. 5 gezeigten Modifikation ist die Aufnahmeoptik 6 an einem flugkörperfesten Träger 18 um eine auf der Flugkörperachse A liegende Schwenkachse 20 winkelbeweglich einstellbar angeordnet, während die Detektorreihe(n) weiterhin starr mit dem Flugkörper verbunden, aber konzentrisch zur Schwenkachse 20 kreisbogenförmig ausgebildet und in Schwenkrichtung S der Aufnahmeoptik 6 soweit verlängert sind, daß sie in jeder Einstellage der Aufnahmeoptik 6 bis zum äußeren Bildfeldrand reichen. Durch eine Schwenklagenverstellung der Aufnahmeoptik 6 kann die abgetastete Sehszene verändert oder ein einmal anvisiertes Zielgebiet weiter im Sehfeld der Aufnahmeoptik 6 gehalten werden, selbst wenn sich die Flugrichtung und/oder die räumliche Ausrichtung der Flugkörperachse A während des Fluges verändert.
  • Das erfindungsgemäße Bildaufnahmesystem ist nicht unbedingt an rotierende Flugkörper gebunden, sondern gleichermaßen auch für andere, kontinuierlich um eine Hauptachse rotierende Trägersysteme, z.B. Torpedos, verwendbar.

Claims (8)

  1. Bildaufnahmesystem für einen um eine Hauptachse rotierenden Flugkörper,
    mit einer Aufnahmeoptik und einer in der Bildebene der Aufnahmeoptik befindlichen Detektoranordnung zur Erzeugung von elektrischen, unter Berücksichtigung der jeweiligen Drehlage des Flugkörpers verarbeiteten Bildsignalen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (8) und die Aufnahmeoptik (6) mit ihrer optischen Achse bewegungsgleich zum Flugkörper (2) um die Flugkörper-Hauptachse (A) rotierend angeordnet sind und die Detektoranordnung aus einer oder mehreren, sich zur Flugkörperachse hin erstreckenden Detektorreihen (14) besteht.
  2. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur frequenzselektiven Bildabtastung mehrere, jeweils auf unterschiedliche Frequenzbereiche ansprechende, bezüglich der Flugkörperachse (A) winkelig versetzt zueinander angeordnete Detektorreihen (14.1 und 14.2) vorgesehen sind (Fig. 4).
  3. Bildaufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer gegenüber der Rotationsfrequenz erhöhten Bildabtastrate mehrere, auf den gleichen Frequenzbereich ansprechende, bezüglich der Flugkörper-Achse (A) winkelig versetzt zueinander angeordnete Detektorreihen (14 A, 14 B, 14 C) vorgesehen sind (Fig. 3).
  4. Bildaufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeoptik (6) bezüglich der Flugkörperachse (A) schwenkbeweglich einstellbar ist (Fig. 5).
  5. Bildaufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorreihen (14) starr am Flugkörper (2) befestigt sind.
  6. Bildaufnahmesystem nach den Ansprüchen 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorreihen (14) jeweils kreisbogenförmig mit dem Krümmungsmittelpunkt im Schwenkzentrum (20) der Aufnahmeoptik (6) ausgebildet sind (Fig. 5).
  7. Bildaufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß als Detektorreihen (14) Infrarotdetektoren vorgesehen sind.
  8. Bildaufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeoptik (6) eine kontinuierlich veränderliche Brennweite aufweist.
EP93102363A 1992-03-17 1993-02-16 Bildaufnahmesystem Expired - Lifetime EP0561163B1 (de)

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