NO138230B - Fremgangsmaate og apparat for optisk maalfoelging - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår automatisk optisk målfølging under ut-

nyttelse av fra et mål reflektert eller utsendt lysstråling.

Med lysstråling skal det i denne forbindelse forstås all optisk stråling, dvs. fra ultraviolett stråling til infrarød stråling. Oppfinnelsen er spesielt anvendbar i forbindelse med såkalt lasermålfølging, hvorunder målet belyses kontinuerlig eller puls-

vis med en laserstråle og hvorved det f.eks. i visse ildlednings-systemer blir oppnådd fordeler sammenlignet med konvensjonell radarmålfølging.

Ved automatisk optisk målfølging avbildes målet ved hjelp av en

optikk på en lysfølsom detektor ved hjelp av den fra målet innfallende lysstråling. I avhengighet av målbildets stilling på detektorens overflate, som er oppdelt i et antall delflater, f.eks. i fire kvadranter, .blir det frembragt feilsignaler som utnyttes for innretning av optikken mot målet. Feilsignalenes størrelse avhenger av.forskjellen mellom de„ lysstrømmer som faller inn mot bes-temte kombinasjoner av delflåtene. For hver feilsignalkurve, dvs.

den kurve som. viser feilsignalet som funksjon av tilsvarende feil-vinkel mellom retningen til målet og optikkens akseretning, gjelder følgelig at dennes helning vil være avhengig av målbildets utstrekning': på detektorflaten, hvilken utstrekning for en gitt optikk er direkte avhengig.av målets størrelse og avstand. Således innebærer et i forhold til détektoroverflaten meget lite (punktformet) målbilde at feilsignalkurvens helning blir uendelig stor, mens et målbilde med større utstrekning enn détektoroverflaten vil gi en helning lik 0,

dvs. et dødområde, for små feilvinkler. Eftersom feilsignalkurvens helning kommer inn som en forsterkningsfaktor i et anvendt servo-system, er det vesentlig for å unngå ustabilitetsproblemer i så høy grad som mulig, å minske variasjonene i målbildets utstrekning på détektoroverflaten under et målfølgingsforløp. Dette kan natur-ligvis avstedkommes ved hjelp av-et såkalt zoom-objektiv som kan gi konstant billedareal under skarp avbildning for. varierende målavstand og målstørrelser. Denne løsning er imidlertid kostbar og

relativt komplisert.

Et spesielt eksempel på tidligere kjent teknikk er-å finne i

svensk patentskrift nr..91 592.

- Nærmere bestemt tar således denne oppfinnelse utgangspunkt i •optisk målfølging av den art som omfatter projisering av lys utsendt eller reflektert fra et mål, ved hjelp av et optisk system på en lysfølsom detektor anordnet i et detektorplan for å frembringe en avbildning av målet på detektorens overflate, og generering av styresignaler for å rette det optiske system mot målet for å følge dette i avhengighet av posisjonen av målbildet på detektorens overflate.

Formålet med denne oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for optisk målfølging, hvor ovennevnte problemer på "enkel og billig måte er eliminert ell-er i vesentlig grad redusert. Dette blir oppnådd ved hjelp av en fremgangsmåte og et apparat med de i patentkravene angitte nye og særegne trekk.

Den her angitte løsning medfører reduksjon av målbildets variasjoner under målfølgingen, på meget enkel og billig måte, dvs. uten å an-vende en zoom-linse. Ved å gjøre et lite målbilde diffust (bringe det ut av fokus) eller mer diffust i avhengighet av forholdene,

kan målbildets areal økes til en ønsket hensiktsmessig størrelse og eventuelt gis redusert størrelse.

Målbildets skarphet kan varieres på mange forskjellige måter. Graden av uskarphet kan f.eks. passende varieres slik at man ved store målavstander har en konstant, kraftig uskarphet, som siden minskes alt eftersom avstanden til målet minskes. Ved minste målavstand lar man hensiktsmessig målbildet være helt skarpt.

Graden av uskarphet kan også varieres i avhengighet av målbildets størrelse på détektoroverflaten. I visse tilfelle kan det være hensiktsmessig å variere graden av uskarphet i avhengighet av såvel målavstand som målbildets størrelse.

En foretrukken måte å bibringe målbildet uskarphet på, innebærer at man fjerner detektorplanet fra optikkens "billedplan langs den optiske akse. Graden av uskarphet, dvs. økningen av målbildets utbredning, varierer herunder direkte med avstanden mellom optik-

kens billedplan og detektorplanet, hvorved målbildets utbredning' enkelt kan tilpasses efter forskjellige målavstander og målstør-

relser ved forskyvning av detektorplanet. Forskyvningen av detektorplanet kan styres av målavstandsinformasjon som blir opp-

nådd i målfølgesystemet eller fra annet hold, og/eller i avhengig-

het av detektorsignaler som viser at målbildet har nådd en forutbestemt utbredning på détektoroverf laten.

En annen måte å bibringe målbildet uskarphet på, innebærer at

man på détektoroverflaten frembringer to eller flere i forhold til hverandre forskjøvne bilder av målet. Hvert forskjøvet bilde kan i og for seg være skarpt, men det sammensatte målbilde blir til tross for dette uskarpt og utbredt. Ved anvendelse av en i fire kvadranter inndelt détektoroverflate frembringes det fortrinnsvis fire i forhold til hverandre symmetrisk forskjøvne bilder av målet på détektoroverflaten. ' Forskyvningen velges fortrinnsvis ikke stør-

re enn at man ved det minste tenkbare målbilde ikke får et ubelyst område i sentrum av détektoroverflaten.

En ytterligere måte å. bibringe.målbildet uskarphet på, inne-

bærer /at man diffust, sprer den mot détektoroverflaten fra optikken innfallende lysstråling.

Apparatet ifølge oppfinnelsen omfatter en anordning eller organer

til å variere skarpheten på ovennevnte måter. For å muliggjøre tilpasning av graden av uskarphet til målbildets størrelse, kan détektoroverflaten være inndelt i to fortrinnsvis ringformede soner om systemets optiske akse, slik at det ved et forutbestemt nivå av et fra den ytre detektorsone oppnådd signal skjer en minskning av graden av uskarphet og.dermed av målbildets utbredelse ved at innvirkningen av ovennevnte anordning eller organ minskes, eventuelt helt elimineres.

Det er åpenbart at en eller flere av de ovenfor beskrevne måter

for å avstedkommé uskarphet i målbildet på détektoroverflaten,

kan kombineres i en og'samme anordning.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning

til tegningen. På denne viser:

fig. 1 den prinsipielle oppbygning av et anlegg for automatisk lasermålf ølging,- mens

"'fig.-:-2—4 skjematisk illustrerer forskjellige måter til å avsted-komme uskarphet på.

På fig. 1 er det vist en lasersender og en lasermottager som er ut-ført som separate, men i forhold til hverandre fast anordnede en-heter og som på konvensjonell måte er plassert på et stativ, f.eks. en lavett, som er innstillbar ved hjelp av servoer så vel i eleva-sjon som i asimut. Lasersenderen omfatter en laserlyskilde 1 som styrt av en pulsenhet 2, periodisk utsender laserpulser og som kjøles ved hjelp av en kjøler 3 samt en zoom-optikk 4 for innstil-ling av passende lob-bredde.

Lasermottageren omfatter en mottageroptikk 5 som er innrettet til å gi et bilde av målet på en fotoelektrisk detektor 6 ved hjelp, av fra målet reflektert laserlys. Et smalbåndfilter 7 som slipper gjennom"lys av laserfrekvensen, er anordnet i optikkens strålegang. Detektoren 6, som er av halyledertypen, spesielt av foto-lavine-diodetypen, har sin lysfølsomme overflate oppdelt i fire kvadranter eller delflater 6a, 6b, 6c og 6d som er elektrisk isolert fra hverandre og som hver enkelt frembringer et elektrisk pulssignal som er proporsjonalt med den lysmengde som faller inn på vedkommende kvadrant for hver mottatt lyspuls som reflekteres fra målet. Kvadrantene 6a-6d er separat elektrisk forbundet .med en sum- og differansedannende krets 8 som på en første utgang 9 frembringer et asimutfeilsignal Asv ved å subrahere summen.av signalene fra kvadrantene 6a og 6d fra summen av signalene fra kvadrantene 6b og 6c og på en annen utgang 10 frembringer et ele-vasjonsfeilsignal Ahv ved å subtrahere summen av signalene fra kvadrantene 6a og 6b fra summen av signalene fra kvadrantene 6c og 6d samt på en tredje utgang 11 frembringer et sumsignal Z, som er summen av signalene fra de fire kvadranter. De tre puls-formede utgangssignaler fra kretsen 8 forsterkes i forsterkere 12, 13 og 14, hvorefter de føres til en samplings- og holdekrets 15 som er innrettet til dels bare å slippe gjennom signaler fra for-sterkerne 12-14 når kretsen mottar et målavstandsavhengig port-styringssignal, dels på konvensjonell måte å omvandle de pulsforme-

de feilsignaler til kontinuerlige servostyresignaler, som på vanlig måte utnyttes for.innretning av lasersenderen og -mottageren, slik

at feilsignalene går mot 0.

Sumsignalpulsen fra forsterkeren 14 portstyres gjennom kretsen

15 av portstyringssignalet for overføring til en avstandskrets

17 i hvilken avstanden til målet b.eregnes ved bestemmelse av laser-pulsenes gangtid frem og tilbake fra målet, dvs. bestemmelse av tiden mellom en laserlysutløsende puls fra pulsenheten 2, hvilken puls tilføres avstandskretsen 17 gjennom ledningen 18, og den til-hørende sumsignalpuls i mottageren; Ved hjelp av den i avstandskretsen fastlagte avstand til målet beregnes det når neste laser-lyspuls reflektert fra målet, vil bli mottatt og således neste port-styringssignal som skal overføres til kretsen 15 gjennom ledningen 19.

Sumsignalpulsens størrelse avføles-og holdes konstant av en AFR-krets 20 som automatisk regulerer forsterkningen så vel i sum-signalkanalens forsterker 14 som i- feilsignalkanalens forsterkere 12 og 13. Derved blir det oppnådd at den mottatte signalstyrkes avhengighet av f.eks. avstanden til. målet ikke kommer til å påvirke feilsignalkurvenes helning.

Ifølge oppfinnelsen omfatter anordningen organer for å bibringe målbildet uskarphet. På fig. 2-4 vises skjematisk hvordan slike organer kan være utført og anordnet, hvorved mottageroptikken for tydlighets skyld er antydet i form av en enkelt positiv linse, og strålegangen er. forenklet eller helt utelatt.

Ved arrangementet ifølge fig. 2 dannes detektoren av en detektorplate 21 inndelt i delflater som er isolert fra hverandre, hvilken detektorplate 21 er fast anordnet vinkelrett på mottageroptikkens 22 optiske akse på en holder 23 som bæres av en med den optiske

akse parallell føring 24 og er forskyvbar langs denne føring ved hjelp av en skrue 25 som samvirker med en gjenget del 26 på holderen og som kan dreies ved hjelp av en motor 27. I den på figuren viste stipling er detektorplaten forskjøvet slik at detektorplanet 28 er forskjøvet fra optikkens billedplan 29 ut langs den optiske akse. Som illustrert ved hjelp av de skjematisk antydede lysstråler vil derved hvert billedpunkt som er fokusert i billed-

planet, bli spredd ut over en større overflate på detektorplaten på grunn av uskarphet. -Holderen 23 er kontinuerlig f orskyvbar. mellom to e_ndestillinger, nemlig- en første stilling i-hvilken detektorplanet 28 faller sammen med optikkens billedplan 29, og en annen i hvilken det blir oppnådd -en forutbestemt maksimal uskarphet.

Ved arrangementet på fig. 3a er en sirkulær detektorplate 31, som er oppdelt i fire kvadranter, fast anordnet slik at optikkens 3 2 billedplan og detektorplanet faller sammen. Foran optikken er det anordnet en optisk prismeskive 33 som likeledes er oppdelt i fire symmetriske kvadranter anordnet i overensstemmelse med detektor-platens fire kvadranter og hver innrettet til å frembringe et i tilsvarende detektorkvadrant forskjøvet bilde av målet, slik som illustrert på fig. 3c, som viser détektoroverflaten forfra ved mottagning av et sirkulært målbilde. Utseendet av prismeskiven 33 forfra fremgår av fig. 3b. Prismeskiven kan være innrettet til selektivt å kunne føres inn i og ut av strålegangen foran optikken og tilrå-.kunne forskyves langs den optiske akse, f.eks. på den måte som gjelder for- holderen 23 på fig. 2.

Ved Arrangementet , på fig. 4 bibringes bildet på den fast i billed-planet: anordnede detektorplate 41 uskarphet ved at en mattglass-skive 43 er innført vinkelrett på den optiske akse i strålegangen mellom optikken 42 og detektoren 41. Mattglasskiven 43 er plassert forholdsvis nær detektorplaten 41 og gir et diffust forstørret bilde på detektorplaten.

Ved hjelp av det ovenfor beskrevne arrangement er det således mulig å bibringe det på detektorens lysfølsomme overflate frem-bragte målbilde en konstant eller variabel uskarphet som i høy grad minsker systemets følsomhetsvariasjon på grunn av målavstand og mål-størrelse. Dessuten vil innføringen av uskarphet i målbildet på detektorens overflate, hvorved bildets konturer ikke lenger blir skarpe, innebære at innvirkningen av såkalt glint, dvs. forskyvning av målbildets "tyngdepunkt" vesentlig reduseres-

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for optisk målfølging, omfattende projisering av lys utsendt eller reflektert fra -et mål-, ved hjelp av et optisk system på en lysfølsom detektor anordnet i et detektorplan for å frembringe en avbildning av målet på detektorens overflate, og generering av -styresignaler for å rette det optiske system mot målet for å følge dette i avhengighet av posisjonen av målbildet-på detektorens overflate, karakterisert ved at - skarpheten av målbildet på détektoroverflaten varieres som funksjon av målavstanden og/eller målstørrelsen, slik at variasjoner i målbildets utstrekning på détektoroverflaten under et målfølgings-forløp reduseres vesentlig.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at skarpheten av målbildet varieres ved å forskyve detektorplatene i forhold til optikkens billedplan.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,_ karakterisert ved at skarpheten av målbildet varieres ved på détektoroverflaten å frembringe to eller flere i forhold til hverandre forskjøvne bilder" av målet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav i, karakterisert ved at skarpheten av målbildet varieres ved på diffus måte å spre den fra optikken mot détektoroverflaten innfallende lysstråling.

5. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge kravene 1-4, omfattende en lysfølsom detektor (6,21,31,41), et optisk system (5,22,32,42) som er påvirkbart av lysstrålingen fra et mål for frem-bringelse av et bilde av målet på overflaten av detektoren som er anordnet i et detektorplan (28,31,41) , en anordning (8) for frem-bringelse av styresignaler som avhenger av posisjonen av målbildet på détektoroverflaten, hvilke styresignaler tjener til å innrette det-optiske system mot målet for å følge dette, karakterisert ved en anordning (23-27,33,43) til å variere skarpheten av målbildet på détektoroverflaten (28,31,41) under målfølgingen i avhengighet av en endring i målavstanden og/eller målstørrelsen, slik at variasjoner i målbildets utstrekning på détektoroverflaten under et målfølgingsforløp kan reduseres vesentlig.

6. Apparat ifølge krav- 5, karakterisert ved at anordningen til å variere skarpheten omfatter organer (23,27) til å variere avstanden fra detektorplanet (28) til optikkens (22) billedplan (-29) .

7. Apparat ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at anordningen til å variere skarpheten omfatter organer (33) for på détektoroverflaten (31) å frembringe to eller flere i forhold til hverandre forskjøvne bilder av<:>målet.

8. Apparat ifølge et av kravene 5, 6 eller 7, ka-xakterisert ved at anordningen til å variere skarpheten omfatter organer (43) for på diffus måte å spre den fra optikken (42) mot détektoroverflaten innfallende lysstråling.