EP0561163B1 - Bildaufnahmesystem - Google Patents

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EP0561163B1
EP0561163B1 EP93102363A EP93102363A EP0561163B1 EP 0561163 B1 EP0561163 B1 EP 0561163B1 EP 93102363 A EP93102363 A EP 93102363A EP 93102363 A EP93102363 A EP 93102363A EP 0561163 B1 EP0561163 B1 EP 0561163B1
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EP
European Patent Office
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missile
image
pickup system
axis
detectors
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EP93102363A
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EP0561163A1 (de
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Wladimir Sardanowsky
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
Daimler Benz Aerospace AG
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Publication date
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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 imaging system for a missile rotating about a main axis, according to the preamble of claim 1.
  • Imaging infrared imaging systems for missiles consist of an imaging optics fixed to the missile and an optoelectric detector mosaic which is likewise firmly connected to the missile and which is composed of detector elements which are distributed in two dimensions in the image plane of the imaging 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.
  • imaging infrared target search systems are known (DE-A-30 07 893; DE-A-30 48 496), 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 linear or circular image scanning is thereby achieved with a single row of detectors arranged in the image plane of the recording optics.
  • the mechanical effort for an exact control of the image movement and the computational effort for the correlation of the individual image signals to the corresponding pixels are considerable, especially if a current target search system is carried on board a rotating missile and the linear or circular image scanning is superimposed by the rotary motion of the missile .
  • a target detection device in which the target object is imaged as a singular image point in the image plane of the imaging optics and scanned there with the aid of one or more rows of detectors.
  • the size and direction of the target placement are determined from the position of the image point and a control command for a placement-reducing trajectory correction is generated if a predefined placement value is exceeded.
  • Such a seeker head system for detecting a singular target point in a missile-fixed coordinate system is not the subject of the invention.
  • the object of the invention is to provide an image-recording system of the type mentioned in such a way that it is structurally and signal-technically a space-stable, two-dimensional full image generation with high image quality is achieved in a simple manner.
  • each offset angularly with respect to the missile axis are provided, as a result of which frequency-selective image scanning can be carried out in a very simple manner by appropriate selection of the frequency sensitivity individual rows of detectors (claim 2) and / or an image scanning frequency (claim 3) which is higher than the rotational frequency of the missile.
  • the latter can preferably be pivoted with respect to the missile axis, while the detector arrangement is advantageously rigidly connected to the missile for reasons of structural simplification, and in the case of a swiveling imaging optics according to claim 6, each with a circular arc the center of the circle is formed in the pivot center of the receiving optics.
  • the detector arrangement is provided for infrared image scanning, it is shown as a further advantage of the invention that the high cooling effort otherwise required for imaging infrared recording systems with large-area or rotating detector arrangements is eliminated.
  • 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 about the missile axis A (in the direction of rotation R), there is a rotational 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 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 image field of the recording optics 6 is scanned once each time the missile 2 rotates, it is also easily possible to multiply the image sampling rate compared to the rotation frequency, for example by tripling it in accordance with FIG. 3, that instead of one only three detector rows 14 A, B and C running radially to the missile axis A with a uniform angular distance are provided.
  • the image can also be scanned in different frequency ranges, one for each frequency range or - in the case of an image scanning rate according to FIG. 4 that is higher than the rotation frequency - several detector rows 14, namely the detector rows 14.1 A ... C for one first and the detector rows 14.2 A ... C are provided for a second frequency range.
  • 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) are still rigidly connected to the missile, but are formed in a circular arc 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 swiveling 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 rotating continuously around a main axis, e.g. Torpedoes, usable.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein bilderzeugendes Aufnahmesystem für einen um eine Hauptachse rotierenden Flugkörper, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Es sind bilderzeugende Infrarot-Aufnahmesysteme für Flugkörper bekannt, die aus einer flugkörperfesten Aufnahmeoptik und einem ebenfalls mit dem Flugkörper fest verbundenen, optoelektrischen Detektormosaik bestehen, welches aus zweidimensional 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 bilderzeugende Infrarot-Zielsuchsysteme bekannt (DE-A-30 07 893; DE-A-30 48 496), bei denen das Sehfeld der Aufnahmeoptik mechanisch, etwa mit Hilfe eines oszillierenden Umlenkspiegels oder eines gyroskopischen Antriebs, über die interessierende Sehszene verschwenkt und dadurch eine lineare oder zirkulare Bildabtastung mit einer einzigen, in der Bildebene der Aufnahmeoptik angeordneten 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, vor allem wenn ein dertiges Zielsuchsystem an Bord eines rotierenden Flugkörpers mitgeführt und die lineare oder zirkulare Bildabtastung von der Drehbewegung des Flugkörpers überlagert wird.
  • Weiterhin ist aus der DE-A-33 00 709 eine Zielerfassungseinrichtung bekannt, bei der das Zielobjekt als singulärer Bildpunkt in der Bildebene der Aufnahmeoptik abgebildet und dort mit Hilfe einer oder mehrerer Detektorreihen abgetastet wird. Aus der Lage des Bildpunktes wird die Größe und Richtung der Zielablage ermittelt und bei Überschreiten eines vorgegebenen Ablagewertes ein Steuerkommando für eine ablageverringernde Flugbahnkorrektur erzeugt. Ein derartiges Suchkopfsystem zur Erfassung eines singulären Zielpunktes in einem flugkörperfesten Koordinatensystem ist nicht Gegenstand der Erfindung.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein bilderzeugendes Aufnahmesystem der eingangs genannten Art so auszubilden, daß auf baulich und signaltechnisch einfache Weise eine raumstabile, zweidimensionale Vollbilderzeugung mit einer hohen Bildqualität erzielt wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Aufnahmesystem gelöst.
  • Aufgrund der besonderen, polaren Signalauswertung in Kombination mit einer flugkörperfesten, radialen, aus vergleichsweise wenigen Einzelelementen bestehenden Detektoranordnung wird erfindungsgemäß unter Ausnützung der Flugkörper-Eigenrotation eine mechanisch und signalverarbeitungsmäßig sehr einfache, zweidimensionale Bilderzeugung erreicht, bei der auf eine komplizierte Schwingspiegelabtastung und/oder rotationsstabile Suchkopfaufhängung verzichtet und die Abtastsignale problemlos und ohne aufwendige Koordiantentransformation zu einem nicht-rotierenden, qualitativ hochwertigen Vollbild mit hoher Bildpixelzahl in Echtzeit verarbeitet werden können. Das erfindungsgemäße Aufnahmesystem ist wegen seiner einfachen Bauweise und seiner hohen Bildqualität hervorragend für rotierende Flugkörper, aber natürlich auch für andere bewegte Trägersysteme, die eine kontinuierliche Rotation um eine Hauptachse ausführen, geeignet.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß den Ansprüchen 2 und 3 anstelle einer einzigen vorzugsweise mehrere, jeweils bezüglich der Flugkörperachse winkelig versetzt zueinander angeordnete Detektorreihen vorgesehen, wodurch sich auf sehr einfache Weise eine frequenzselektive Bildabtastung durch entsprechende Wahl der Frequenzempfindlichkeit der einzelnen Detektorreihen (Anspruch 2) und/oder eine gegenüber der Rotationsfrequenz des Flugkörpers erhöhte Bildabtastfrequenz (Anspruch 3) erzielen läßt.
  • Um das Sehfeld der Aufnahmeoptik verändern zu können, ist diese gemäß Anspruch 4 vorzugsweise bezüglich der Flugkörperachse schwenkbeweglich einstellbar, während die Detektoranordnung aus Gründen einer baulichen Vereinfachung zweckmäßigerweise gemäß Anspruch 5 starr mit dem Flugkörper verbunden und im Falle einer schwenkbaren Aufnahmeoptik nach Anspruch 6 jeweils kreisbogenförmig mit dem Kreismittelpunkt im Schwenkzentrum der Aufnahmeoptik ausgebildet ist.
  • Ist, wie gemäß Anspruch 7 bevorzugt, die Detektoranordnung zur Infrarot-Bildabtastung vorgesehen, so zeigt sich als weiterer Vorteil der Erfindung, daß der sonst für bilderzeugende Infrarot-Aufnahmesysteme mit großflächigen oder rotierenden Detektoranordnungen erforderliche, hohe Kühlaufwand in Fortfall gerät.
  • Um sowohl die Gesamtszene als auch interessierende Szenenausschnitte mit hoher Bildpixelzahl abbilden zu können, empfiehlt es sich schließlich gemäß Anspruch 8, eine Aufnahmeoptik mit kontinuierlich veränderlicher Brennweite vorzusehen.
  • 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. Bilderzeugendes Aufnahmesystem für einen um eine Hauptachse rotierenden Flugkörper, mit einer Aufnahmeoptik, einer in der Bildebene der Aufnahmeoptik liegenden Detektoranordnung, bestehend aus einer oder mehreren, sich zur Flugkörper-Hauptachse hin erstreckenden Detektorreihen, sowie mit einer die elektrischen Abtastsignale der Detektoranordnung zur Bilderzeugung auswertenden Signalverarbeitung,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Detektoranordnung (8) und die Aufnahmeoptik (6) mit ihrer optischen Achse bewegungsgleich mit dem Flugkörper (2) um die Flugkörper-Hauptachse (A) rotierend angeordnet sind und eine polare, die elektrischen Abtastsignale der Detektoranordnung für eine nichtrotierende, zweidimensionale Bilderzeugung auswertende Signalverarbeitung (10) mit dem Abstand des jeweils abgetasteten Detektorelements (16) von der Flugkörperachse (A) als Radiusvektor und dem jeweiligen Drehwinkel des Flugkörpers (2) als Polarwinkel vorgesehen ist.
  2. Aufnahmesystem 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, 14.2) vorgesehen sind.
  3. Aufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    zur Erzielung einer gegenüber der Rotationsfrequenz erhöhten Bildabtastrate mehrere, auf den gleichen Frequenzbereich ansprechende, bezüglich der Flugkörperachse (A) winkelig versetzt zueinander angeordnete Detektorreihen (14A, 14B, 14C) vorgesehen sind.
  4. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Aufnahmeoptik (6) bezüglich der Flugkörperachse (A) schwenkbeweglich einstellbar ist.
  5. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Detektoranordnung (8) starr am Flugkörper (2) befestigt ist.
  6. Aufnahmesystem nach den Ansprüchen 4 und 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Detektoranordnung (8) eine oder mehrere, jeweils kreisbogenförmig mit dem Krümmungsmittelpunkt im Schwenkzentrum (20) der Aufnahmeoptik (6) ausgebildete Detektorreihen (14) enthält.
  7. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    als Detektorreihen (14) Infrarotdetektoren vorgesehen sind.
  8. Aufnahmesystem 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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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE4208516 1992-03-17
DE4208516A DE4208516C2 (de) 1992-03-17 1992-03-17 Bilderzeugendes Suchkopfsystem

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EP0561163A1 EP0561163A1 (de) 1993-09-22
EP0561163B1 true EP0561163B1 (de) 1997-05-28

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