NL194928C - Passieve afstandsmeter. - Google Patents

Description

1 194928

Passieve afstandsmeter

De uitvinding heeft betrekking op een passieve afstandsmeter voor het bepalen van de afstand tot een voorwerp, zoals een luchtvaartuig, raket of projectiel dat elektromagnetische straling afgeeft, voorzien van 5 middelen voor het vormen van een reëel beeld van een gezichtsveld.

Voor de identificatie en afstandsmeting van projectielen en luchtvaartuigen in oorlogsomstandigheden heeft passieve apparatuur, die werkzaam is door reactie op straling, welke inherent behoort bij de vlucht van het projectiel of luchtvaartulg, vanzelfsprekende voordelen.

De mogelijkheid van het bepalen van de afstand tot een luchtvaartuig door meting van de infrarode 10 straling daarvan is geopenbaard in het Amerikaanse octrooischrift 3.117.228. Dit octrooischrift openbaart uitvoeringen waarin de totale van een luchtvaartuig ontvangen infrarode straling wordt vergeleken met het deel van de ontvangen straling dat door een filter gaat dat straling afsnijdt binnen de absorptiebanden van atmosferische kooldioxide en stikstofoxide. Wanneer het luchtvaartuig zich op een betrekkelijk korte afstand bevindt in de orde van één kilometer of minder, zal er een beduidend verschil in deze metingen bestaan 15 omdat enig deel van de door het luchtvaartuig afgegeven straling binnen de absorptieband het waarneem-punt zal bereiken ondanks de atmosferische absorptie. Onder de aanname dat de initiêel geëmitteerde straling de spectrale verdeling van een Planck stralingskromme voor een zwart lichaam bij enige specifieke temperatuur heeft, openbaart dit octrooischrift werkwijzen en inrichtingen voor het afleiden van een afstandsmeting uit het verschil tussen de metingen. Bij grotere afstanden echter wordt de atmosferische 20 absorptie ongeveer gelijk aan de door het filter teweeggebrachte absorptie. Het verschil tussen de metingen wordt vergelijkendenvijs klein en ongevoelig voor een verdere toename in afstand of bereik.

De onderhavige uitvinding beoogt een passieve afstandsmeter te verschaffen die voor grote afstanden effectief is en die de brede elektromagnetische spectrale emissie van een doel benut.

De uitvinding verschaft daartoe een passieve afstandsmeter van de in de aanhef gedefinieerde soort, 25 welke gekenmerkt wordt, doordat de passieve afstandsmeter verder is voorzien van spectrofotometer-middelen met een invoeropening welke geplaatst is om ten minste een deel van het reële beeld op te nemen, dispersiemiddelen voor het scheiden van straling van verschillende golflengten en detectormiddelen voor het meten van het spectrum van uit verre delen van de invoeropening opgenomen straling, en . dataverwerkingsmiddelen voor het opnemen van stralingsmeetmiddelen uit de detectormiddelen, waarbij de 30 dataverwerkingsmiddelen zijn uitgevoerd om het ontvangen spectrale profiel aan een deconvolutie-bewerking te onderwerpen met een opgeslagen representatie van een afstandsafhankelijk atmosferisch transmissie spectraal profiel teneinde een representatie van het spectrale emissieprofiel van straling van het voorwerp te verkrijgen, om daaruit een karakteristieke emissietemperatuur en vervolgens een Planck emissiespectrum voor het voorwerp af te leiden, en om vervolgens de afstand uit het berekende emissie-35 spectrum en het waargenomen spectrum te bepalen.

Wanneer eenmaal een geschatte brontemperatuur is bepaald wordt vervolgens de exacte vorm van het emissiespectrum bepaald uit de wet van Planck en omdat dan de manier bekend is waarin het spectrum door atmosferische transmissie is gewijzigd moet het mogelijk zijn om het ontvangen spectrum te berekenen.

40 In tegenstelling tot de bekende inrichtingen maakt de bovenbeschreven uitvinding extra gebruik van spectrale informatie in de niet-absorptieve gebieden van de atmosferische transmissie of overdracht Deze metingen worden het minste beïnvloed door atmosferische absorptie en zijn derhalve het meest betrouwbaar bij de bepaling van de brontemperatuur en zijn daarom van belang bij de onderhavige uitvinding. De uitvinding is bijzonder bruikbaar in het infrarode spectrale gebied maar kan eveneens worden toegepast 45 overal waar geschikte componenten beschikbaar zijn, bijvoorbeeld: zichtbaar licht, ultraviolet, microgolf en straling.

Opgemerkt wordt dat de Britse octrooiaanvrage GB-A-2.144.847 een passieve afstandsmeter openbaart die bij afstanden boven de 1 kilometer afstand kan meten. Een interval- of deelspectrumtechniek wordt gebruikt waardoor veranderingen nabij atmosferische absorptie-eigenschappen in het overgedragen 50 spectrum worden gemeten. De hoeveelheid uit deze gebieden van het spectrum ontvangen straling is afhankelijk van de afstand of het bereik en kan vrij gemakkelijk worden gemeten. Een dergelijke werkwijze maakt echter geen gebruik van het gehele door het doel afgegeven spectrum. Het hangt af van een spectraal profiel van onbekende vorm als gevolg van brontemperatuur en lijnverbreding door druk, collisie en temperatuur. De Britse octrooiaanvrage GB-A-2.144.847 openbaart een optische spectrum analyse-55 inrichting die het mogelijk maakt dat een volledig spectrum zeer snel wordt gemeten waardoor derhalve een geschikte inrichting wordt verkregen om ware tijdmetingen van het optische spectrum uit te voeren.

Bij voorkeur bevatten de dataverwerkingsmiddelen een iteratieve processor waardoor de temperatuur van 194928 2 het voorwerp en de afstand worden geoptimaliseerd. Derhalve worden de atmosferische transmissie en de Planck stralingskromme van het voorwerp gewijzigd totdat het gemeten spectrum is gereconstrueerd.

Bij voorkeur regelen de dataverwerkingsmiddelen een toegewezen waarde bij voor de emissiviteit van het voorwerp teneinde de aanpassing van het berekende spectrum bij de afstandsmeter aan het gemeten 5 spectrum te verbeteren.

Bij een bijzonder voordelige uitvoering wordt het ontvangen spectrum snel afgetast door middel van een snelle spectrumanalyse-inrichting zoals beschreven in de Britse octrooiaanvrage GB-A-2.144.847. In spectrale gebieden waarin er een vrijwel totale atmosferische absorptie bestaat kunnen data uit de processorberekeningen buiten beschouwing worden gelaten. Aan de andere kant kan, wanneer er weinig 10 absorptie is, een groter gewicht worden toegekend aan de metingen daar deze nauwkeurig de correcte Planck stralingskromme zullen aanduiden. Spectrale gebieden, waarin bijna een vrijwel totale atmosferische absorptie bestaat, worden bij voorkeur genegeerd en conventionele statistische werkwijzen worden gebruikt ' om de beste aanpassing aan de gemeten resultaten te verschaffen. De afstandsbepaling kan worden verbeterd door middel van in verschillende temperatuurgebieden van het doel uitgevoerde metingen waarbij 15 gebruik van verschillende Planck profielen wordt gemaakt. Verder kan het atmosferische absorptieprofiel voorafgaande aan gebruik worden gecalibreerd tegen doelen van bekende afstand. Een actieve afstandsmeter kan bijvoorbeeld voor de initiële calibrate in de heersende omstandigheden worden gebruikt

De uitvinding zal nu aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld worden beschreven met verwijzing naar de 20 bijbehorende tekeningen, waarin: figuur 1 een bekende snelle spectrumanalyse-inrichting toont; figuur 2 een blokschema van de spectrumanalyse-inrichting van figuur 1 toont welke opgenomen is in een onderhavige passieve afstandsmeter; figuur 3 grafieken van de golflengte in afhankelijkheid van de stralingsafgifte voor verschillende 25 karakteristieke brontemperaturen toont; figuur 4 de in figuur 3 aangegeven krommen voor een log-log schaal toont; figuur 5 een kenmerkend ontvangen signaalspectrum toont; figuur 6 een kenmerkende grafiek voor de golflengte in afhankelijkheid van atmosferische transmissie toont; 30 figuur 7 grafieken toont van de werking van de vergelijkerschakeling uit het blokschema van figuur 2; en figuur 8 de invloed toont van bronemlssiviteit op de stralingsafgifte krommen van figuur 4.

Figuur 1 toont een spectrumanalyse-inrichting zoals beschreven in de Britse octrooiaanvrage 8.321.752, welke gepubliceerd is onder nummer GB 214.487. Evenwijdig licht 10, bijvoorbeeld elektromagnetische 35 straling, vanuit een gezichtveld valt in op een eerste lens 11 die het licht in het brandpunt van een tweede lens 13 focusseert. Evenwijdig licht van de lens 13 gaat door een akoesto-optische (A-O) cel 15 en wordt dan gefocusseerd door een derde lens 21 in een Fourier vlak 22 welke voorzien is van een buiten de as gelegen spleet 25. Het licht dat door de spleet 25 gaat wordt door de detector 24 gedetecteerd. Een veldstop 27 is in het brandpunt van de lens aangebracht.

40 De akoesto-optische cel 15 heeft een piëzo-elektrische ingangsomzetter 16 die door een oscillator 28 wordt aangedreven waarvan de frequentie door een zaagtangschakeling 29 wordt gezwaaid. De akoesto-optische cel 15 brengt een fase-vertraging in de baan van het licht teweeg in afhankelijkheid van de brekingsindex van het binnen de cel opgenomen transparante medium. Er zijn over de lengte van de akoesto-optische cel variaties in de fase-vertraging veroorzaakt door spanningsvariaties in de akoestische 45 golven waarvan de frequentie tijdafhankelijk is, aangedreven door de aan de omzetter 16 toegevoerde zwaaifrequentie. Een aangepaste akoestische belasting 17 verhindert akoestische golfreflecties. De uitvoering is zodanig dat uit de akoesto-optische cel 15 tredend licht Fourier getransformeerd wordt door de lens 21 zodanig dat er in het Fourier vlak 22 een reeks van brekingsorders verschijnt. De energieverdeling in het vlak 22 is daarom het spectrum van de elektromagnetische ingangsenergie 10.

50 Wanneer een monochromatische vlakke golf, zoals van een verre laser bron, op de akoesto-optische cel 15 invalt en er een sinusoidaal signaal aan de cel 15 wordt toegevoerd is het uit de akoesto-optische cel uittredende signaal het product van het invallende vlakke-golfsignaal en het toegevoerde sinusoidale signaal. Dit productsignaal wordt dan Fourier-getransformeerd, teneinde het invalssignaalspectrum in het Fourier vlak 22 te verschaffen. In het Fourier vlak zal er in aanvulling op de nul orde een positieve en een 55 negatieve brekingsorde zijn en de afstand tot de oorsprong van de positieve orde (bijvoorbeeld) is een functie van de golflengte van de laserbron. Wanneer het spectrum van de bron verbreed wordt zullen de eerste brekingsordes, overeenkomend met elke quasi-monochromatisch element van het bronspectrum, 3 194928 elkaar overlappen. Door de frequentie van het toegevoerde sinusoidale signaal te zwaaien kan het spectrum van een polychromatisch invalsignaal dan worden verschoven en aan de uitgang van een detector in het Fourier vlak 22 worden weergegeven.

De bovenbeschreven optische spectrumanalyse-inrichting kan het optische frequentiebereik snel aftasten 5 waardoor het mogelijk wordt werkelijke of ware tijdsveranderingen in brede-band bronspectra te meten.

Deze uitvoering is geschikt voor gebruik in de onderhavige passieve afstandsmeter.

Een blokschema van de afstandsmeter is in figuur 2 aangegeven. Een spectrumanalyse-inrichting 201 zoals aangegeven in figuur 1 produceert respectievelijk X en Y signalen die overeenkomen met de uitwendige zwaarfrequentie toegevoerd aan de akoesto-optische cel 15 en de gemeten variatie van 10 gedetecteerde signaalamplitude. Een aftastinrichting 202 is aan dé ingang naar de spectrumanalyse-inrichting 201 aangebracht teneinde het gezichtsveld te variëren. De X en Y signalen worden in de processor 203 verwerkt teneinde het optische spectrum van het geanalyseerde licht teweeg te brengen. Dit gedetecteerde spectrum is equivalent aan het optische spectrum van een lichtbron in het gezichtsveld gemoduleerd door de afstand- en golflengte-afhankelijk atmosferische absorptiefunctie. Het ontvangen 15 spectrum uitgangssignaal van de processor 203 wordt toegevoerd aan een ingang van een deconvolutie inrichting. Een atmosferische transmissiefunctie overeenkomend met een bepaalde gekozen afstand of bereik R wordt vanaf een transmissiefunctïegeheugen 205 toegevoerd aan een tweede ingang 204 van de deconvolutie inrichting 204. De deconvolutie inrichting 204 wekt een uitgangsspectrum op overeenkomend met het bronemissiespectrum voorafgaande aan de transmissie over de atmosferische afstand R. Dit 20 uitgangsspectrum van de deconvolutie-inrichting 204 wordt toegevoerd aan een tweede verwerkings-schakeling 206 die uit het spectrum een karakteristieke brontemperatuur afleidt. Deze karakteristieke temperatuur wordt dan in een schakeling 207 verwerkt teneinde een met de temperatuur overeenkomend Plack emissiespectrum te geven. Het Planck bronspectrum en het aan de deconvolutiebewerking onderworpen ontvangen spectrum worden vervolgens door een vergelijker 208 vergeleken. De vergelijker 208 wekt 25 een uitgangssignaal op dat overeenkomt met verschillen tussen de vergeleken spectra. Het uitgangssignaal wordt toegevoerd aan het atmosferische overdrachtfunctiegeheugen 205 zodanig dat een andere atmosferische overdrachtfunctie, overeenkomend met een verbeterde afstand/brontemperatuur/emissiviteitschatting, wordt toegevoerd aan de deconvolutie-inrichting 204. Door een iteratief proces produceert de passieve afstandsmeter een meting van afstand en brontemperatuur welke bruikbaar zijn voor zowel afstandsmeting 30 als identificatie van doelen.

Wanneer eenmaal een belangwekkend doel is geTdentificeerd kan de optische aftasting worden overbrugd. Bij geschikte grote doelen kan, na afstandsmeting op een deel van het doel met een karakteristieke temperatuur T1t een afstandsmeting worden uitgevoerd op een tweede deel met een verschillende karakteristieke temperatuur T2. Deze twee delen zullen verschillende Planck emissiespectra hebben maar 35 dezelfde afstand en derhalve kan een tweede iteratief afstandsmeetproces op hetzelfde doel worden uitgevoerd. Signalen die de gemeten afstand en karakteristieke temperatuur van het doel representeren worden toegevoerd aan een weergeefinrichting 209.

De werking van de passieve afstandsmeter zal nu in meer detail worden beschreven. Figuur 3 toont de Planck stralingskrommen van stralende afgifte (W. cm'V1 ten opzichte van golflengte in micron voor 40 bronnen van verschillende temperaturen T, tot T4. Elke kromme heeft een piek bij verschillende golflengte bepaald door de verplaatsingsregel van Wien. Op de lineaire schaal zoals aangegeven in figuur 3 definieert de Wien-verplaatsingsregel de kromme 301. Wanneer de Planck krommen op een log-log schaal zijn getekend, zoals aangegeven in figuur 4, zullen de krommen alle dezelfde vorm hebben en is de Wien-verplaatsingsregel een rechte lijn 401. De passieve afstandsmeterprocesor 207 gebruikt de log-log relatie 45 waarbij een maatvorm van de kromme 402 wordt verschoven langs de lineaire Wien-regel kromme 401 om willekeurige van de vereiste profielen te genereren. De positie van elke temperatuurkromme kan gevonden worden door de piek voor welke absolute temperatuur dan ook te berekenen met behulp van de Wien relatie: max T = 2897,9 p°k.

50 Na de overdracht of transmissie over een diepte R (afstand) van de atmosfeer ondergaat het spectrale profiel van de door een bron uitgezonden straling een wijziging als gevolg van de selectieve transmissie eigenschappen van de atmosfeer. Een kenmerkend ontvangen signaal, zoals aangegeven in figuur 5, is het resultaat van convolutie van het Planck emissiespectrum met de atmosferische transmissiefunctie zoals bijvoorbeeld in figuur 6 aangegeven. Wanneer de ware atmosferische transmissiefunctie bekend is wordt 55 door deconvolutie van het ontvangen spectrum met de atmosferische transmissiefunctie een van de temperatuurprofielen van figuur 4 teweeggebracht. Wanneer het atmosferische spectrale profiel (figuur 6) teweeggebracht door het geheugen 205 en de van de processor verkregen brontemperatuur T exact zijn zal 194928 4 vervolgens het gedeconvolueerde ontvangen spectrumuitgangssignaal van de deconvolutie-inrichting 204 uitgezet tegen het Planck bronspectrum uitgangssignaal van de eenheid 207 resulteren in een rechte lijn 701 zoals aangegeven in figuur 7. In dit geval zal de vergelijker 208 tot gevolg hebben dat de afstand R en T weergegeven wordt. Wanneer de brontemperatuur T te laag zou zijn met als gevolg de selectie van een 5 foutieve Planck kromme uit figuur 4 zal de resulterende vergelijkingskromme aan een zijde van de lijn 701 liggen bijvoorbeeld een van de twee lijnen 702 of 703 in afhankelijkheid van de temperatuurfout Wanneer de geschatte temperatuur T te hoog is, zal de resulterende kromme boven de lijn 701 (bijvoorbeeld 704, 705) liggen en zal er een piekafwijking ten opzichte van de rechte lijn, bijvoorbeeld 706 of 707, zijn hetgeen zal aanduiden waar de ware temperatuurpiek (van figuur 4) ligt. Derhalve geven de afwijkingen ten opzichte 10 van de rechte lijn 701 de grootte en richting van de temperatuurfout aan en door een iteratief proces kan de vorm (een van 702-705 bijvoorbeeld) uitgevoerd worden om naar de ware lijn 701 te ’’komen".

De bronemissiviteit, een andere onbekende, ligt tussen 0 en 1. Terwijl temperatuur veranderingen leiden tot golflengte-verplaatsingen van de afgiftekrommen (figuur 4) veroorzaken, verschuiven veranderingen in de emissiviteit alleen de karakteristieke afgiftekrommen naar boven of naar beneden. Dit is in figuur 8 15 aangegeven.

De stralingsafgiftekrommen 801-803 zijn voor verschillende brontemperaturen T,-T3 aangegeven onder aanname van een emissiviteit = 1. Voor dezelfde brontemperatuur T, wordt nu, door de emissiviteit 1 te maken, de kromme 801 gelijk aan 804. Dit zal resulteren in een geheel verschillende en duidelijke afwijking in de vergelijker 208 ten opzichte van de rechte lijn 701. Derhalve zal de ’’knobbel” of bump op een geheel 20 verschillende plek verschijnen en zal aangegen dat de emissiviteitswaarde moet worden bijgeregeld teneinde het mogelijk te maken dat de gemeten vergelijkingskromme zich zal ’’ontspannen of afnemen” naar de rechte lijn 701. Derhalve kan een onjuiste brontemperatuur onderscheiden worden van een correctie die aan doelemissiviteit moet worden toegepast. Derhalve kan de afstandsmeter ook worden uitgevoerd om behalve afstand en temperatuur de doelemissiviteit weer te geven.

25 Wanneer het atmosferische transmissieprofiel van de eenheid 208 een fout heeft in een bepaald spectraal gebied, zoals bijvoorbeeld door onder- of overschatting van de absorptie van een van de atmosferische samenstellende delen, zal de afwijking ten opzichte van de lijn 701 dan weer herkenbaar zijn daar deze optreedt bij een golflengte van bekende gasabsorptie en hiertegen kan een onderscheid worden ingëvoerd teneinde aangrenzende gebieden van de vergelijker kromme onbeïnvloed te laten.

30 In de praktijk zal een microprocessor de noodzakelijke opgeslagen gegeven hebben teneinde het mogelijk te maken dat de iteratieve verwerking van het ontvangen optische spectrum de vereiste bronparameters afleidt

De in de Britse octrooiaanvrage 8.310.933, welke gepubliceerd is onder nummer GB 2.323.730, beschreven uitvoering maakt geen gebruik van spectrale informatie die verkregen is uit de niet-absorptie 35 gebieden van atmosferische transmissie of uit gebieden die verschillende absorptie effecten hebben uit de huidig toegepaste samenstellende delen (dat wil zeggen oxiden van koolstof en stikstof). Punten op de vergelijker kromme (702-705), waar geen of weinig absorptie optreedt, duiden echter aan waar de correctie bronparameters zijn en helpen dus het iteratieve proces voor het corrigeren van de onder- of overgeschatte punten.

' 40 Moeilijke gebieden van het spectrum kunnen worden geëlimineerd door gegevens uit die gebieden te verwijderen en conventionele statistische methoden worden aangenomen om de "beste aanpassingen” op te leveren.

Door bij verscheidene verschillende temperatuurgebieden aan een doel waarnemingen uit te voeren kunnen meer nauwkeurige resultaten worden verkregen daar het geregistreerde spectrum successievelijk 45 door verschillende Planck krommen aan een deconvolutie-bewerking wordt onderworpen.

De beschreven inrichting heeft het voordeel van een snelle spectrale waarneming waardoor metingen gedaan kunnen worden op bewegende doelen.

Wanneer het doel een ware Planck straler is, is het emissiespectrum continu en volgt deze Planck regel. Wanneer het doel echter een chemisch doel is zullen er karakteristieke spectrale lijnen optreden. De pieken 50 van deze lijnen zullen echter op de Planck kromme liggen en zo zal de beschreven techniek hierin nog steeds werkzaam zijn.

Claims (7)

1. Passieve afstandsmeter voor het bepalen van de afstand tot een voorwerp, zoals een luchtvaartuig, raket of projectiel dat elektromagnetische straling afgeeft, voorzien van middelen voor het vormen van een reëel 5 beeld van een gezichtsveld, met het kenmerk, dat de passieve afstandsmeter verder is voorzien van spectrofotometermiddelen met een invoeropening welke geplaatst is om ten minste een deel van het reële beeld op te nemen, dispersiemiddelen voor het scheiden van straling van verschillende golflengten en detectormiddelen voor het meten van het spectrum van uit verre delen van de invoeropening opgenomen straling, en dataverwerkingsmiddelen voor het opnemen van stralingsmeetmiddelen uit de detectormiddelen, 10 waarbij de dataverwerkingsmiddelen zijn uitgevoerd om het ontvangen spectrale profiel aan een deconvolutie-bewerking te onderwerpen met een opgeslagen representatie van een afstandsafhankelijk atmosferisch transmissie spectraal profiel teneinde een representatie van het spectrale emissieprofiel van straling van het voorwerp te verkrijgen, om daaruit een karakteristieke emissietemperatuur en vervolgens een Planck emissiespectrum voor het voorwerp af te leiden, en om vervolgens de afstand uit het berekende 15 emissiespectrum en het waargenomen spectrum te bepalen.

2. Passieve afstandsmeter volgens conclusie 1, waarin de dataverwerkingsmiddelen een iteratieve processor bevatten waardoor de temperatuur van het voorwerp en de afstand worden geoptimaliseerd.

3. Passieve afstandsmeter volgens conclusie 1 of 2, waarin de dataverwerkingsmiddelen een toegewezen waarde voor de emissiviteit van het voorwerp bijregelen teneinde de aanpassing van het berekende 20 spectrum bij de afstandsmeteraan het gemeten spectrum te verbeteren.

4. Passieve afstandsmeter volgens één der voorgaande conclusies, waarin absorptiedata van de processor-berekeningen in spectrale gebieden, waarin er een vrijwel totale atmosferische absorptie is, buiten beschouwing worden gelaten.

5. Passieve afstandsmeter volgens één der voorgaande conclusies, waarin in spectrale gebieden, waarin er 25 weinig absorptie is, meer gewicht wordt gegeven aan de metingen aangezien deze nauwkeurig de correcte Planck strallngskromme zullen aanduiden.

5 194928

6. Passieve afstandsmeter volgens één der voorgaande conclusies, waarin in spectrale gebieden, waarin er vrijwel totale atmosferische absorptie optreedt, de metingen in deze spectrale gebieden worden genegeerd en conventionele statistische werkwijzen worden toegepast om de beste aanpassing aan de metingen te 30 verschaffen.

7. Passieve afstandsmeter volgens één der voorgaande conclusies, waarin middelen zijn aangebracht om uit twee gebieden van een doel bij verschillende temperaturen de afstand te bepalen waarbij gebruik wordt gemaakt van verschillende Planck profielen. Hierbij 5 bladen tekening