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"Vorrichtung zum Detektieren eines warmen Punktes in einer
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Landschaftsszene mit Hilfe von Infrarotstrahlung und mit einer derartigen
Vorrichtung versehenes Lenksystem für Flugkörper." Die Erfindung bezicht sich auf
eine Vorrichtung zum Detektieren eines warmen Punktes in einer Landsehaftsszene
mit Hilfe von Infrarotstrahlung in einem Infrarotwellenlängenband, die ein Abtastsystem,
ein strahlungsempfindliches Detektionssystem zur Umwandlung eines von dem Abtastsystem
stammenden Abtastbündels in ein elektrisches Signal und eine elektronische lTerarbeitungsscllaltung
für dieses Signal enthält.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Flugkörperlenksystem,
das mit einer derartigen Vorrichtung versehen ist.
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Die Infrarotstrahlung, von der hier die Rede ist, hat eine Wellenlänge
grösser als l/um. Zum Erhalten guter Beobachtungen muss die Durchlässigkeit der
Atmosphäre für diese Wellenlänge berücksichtigt werden. In der Praxis werden zwei
Wellenlängenbänder verwendet, von denen das erste zwischen 3,5 und 5/um und das
zweite zwischen 8 und 13/um liegt.
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Um einen warmen Punkt, der z.B. eine Temperatur von 1500°K aufweist,
in einer Landschaftsszene mit einer mittleren Temperatur von 300 Im zu detektieren,
könnte das erste Wellenlängenband verwendet werden. Der warme Punkt bei 1500°K weist
eine maximale Leuchtdichte L # auf. Dann ergibt sich aber ein zu grosser Kontrast
zwischen der Leuchtdichte des warmen Punktes und der Leuchtdichte der verschiedenen
andere Punkte der Landschaftsszene. Der warme Punkt führt ein Ausgangssignal des
Detektionssystems herbei, der zeitlich auf einem ausgedehnt ist und einen derartigen
Pegel hat, dass es die durch andere Teile der Landschaftsszene herbeigeführten Signale
maskiert. Der warme Punkt wird also als ein Fleck beobachtet, der die Details der
Landschaftsszene verdunkelt.
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Zur Beobachtung der Landschaftsszene könnte auch
das
zweite Wellenlängenband, in dem der Kontrast weniger gross ist, verwendet werden.
In diesem Falle nimmt jedoch, wenn der warme Punkt unter einem Winkel beobachtet
wird, der kleiner als die clementaren Felder ist, in die die Landschaftsszene von
dem Abtastsystem unterteilt wird, die Scheinleuchtdichte um das Quadrat des Abstandes
ab, so dass ein zu weit entfernter warmer Punkt sich nicht mehr unterscheiden last.
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Es ist auch möglich, wie in der deutschen Offenlegungsschrift Nr.
2.533.270 vorgeschlagen wurde, zwei Wellenlängenbänder zugleich zu verwenden, wobei
das erste nur zum Detektieren des warmen Punktes und das zweite zur Beobachtung
der Landschaftsszene verwendet wird. Im letzteren Falle ergeben sich Schwierigkeiten
mit dem Abtastsystem.
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Ein derartiges System, das auf befriedigende Weise zugleich in den
beiden Wellenlägenbändern arbeiten kann, lässt sich nämlich schwer verwirklichen.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Vorrichtung, in der
mit einem einzigen Wellenlängenband gearbeitet wird, zu schaffen, die eine zuverlässige
Detektion ermöglicht und eine einfache Bauart aufweist.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass
sich im Wege des Abtastbündels hinter dem Abtastsystem ein Filtersystem zum Aufspalten
des Abtastbündels in zwei Teilbündel befindet, wobei das erste bzw. das zweite Teilbündel
iiur Strahlung mit Wellenlängen in einem ersten bzw. zweiten Teilband des Wellenlängenbandes
des Abtastbündels enthält; dass das Detektionssystem aus zwei strahlungsempfindlichen
Detektoren besteht, wobei der erste bzw. der zweite Detektor die Strahlung mit Wellenlängen
im ersten bzw. im zweiten Teilband in ein elektrisches Signal umwandelt, und dass
die elektronische Verarbeitungsschaltung eine Subtrahierschaltung enthält, deren
Eingänge mit den Ausgängen der Detektoren verbunden sind und deren Ausgangssignal
das Vorhandensein eines warmen Punktes angibt.
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Dic Erfindung liegt ctie Erkenntnis zugrunde, dass die Leuchtdichte
des warme Punktes im verwendeten Wellen-
längenband mit zunehmenden
Wellenlängen abnimmt, während die Leuchtdichte der Bandschaftsszene in diesem Band
praktisch konstant bleibt. Indem nun dieses Wellenlängenband in zwei Teilbänder
mit Hilfe des Filtersystems unterteill wird und die von der Strahlung in jedem dieser
Teilbänder hervorgerufenen elektrischen Signale voneinander subtrahiert werden,
kann der warme Punkt auf zuverlässige Weise detektiert werden.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein Flugkörperlenksystem,
das mit einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zum Detektieren
eines warmen Punktes in einer Landschaftsszene versehen ist, Fig. 2 den Verlauf
der Leuchtdichte als Funktionder Wellenlängse für zwei verschiedene Temperaturen,
Fig. 3 im Detail eine Ausführungsform der elektronischen Schaltung, die in der Vorrichtung
nach Fig. 1 verwendet wird, Fig. 4 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung nach
der Erfindung, und Fig. 5 eine Ausführungsform der in der Vorrichtung nach der Erfindung
verwendet strahlungsempfindlichen Detektoren.
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Fig. 1 zeigt ein System zur Lenkung eines Flugkörpers M zu einem
Ziel C. l)ieses System ist mit einer Vorrichtung 1 zum Detektieren eines warmen
Punktes versehen, wobei sich das Vorhandensein eines warmen Punktes durch ein Signal
an der Ausgangsklemme ) der Vorriell-Lung 1 bemerkbar macht. Der warme Punkt besteht
hier aus einem Taster TR, der auf dem Auslassventil des Flugkörpers N befestigt
ist und praktisch eine Temperatur von 1500 0K aufweist.
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Der Flugkörper M und das Ziel C befinden sich in einem Abtastfeld,
das von einem Pyramid 3 begrenzt wird, dessen Spitze 0 der optischen Mitte te des
Abtastsystems 4 entspricht und dessen Basis ein Rechteck R ist.
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Zum Detektieren von Infrarotstrahlung mit einer
Wellenlänge
grösser als 1 µm kann nicht ein "Vidikon"-Vorrichtung verwende t werden und der
Detektor besteht dann aus einer beschränkten Anzahl strahlungsempfindlicher Elemente.
Zur Beobachtung der ganzen Landschaftsszene muss diese punktweise abgetastet werden.
Dazu wird das Abtastsystem 4 benutzt, das ein Strahlungsbündel 6, das von verschiedenen
aufeinanderfolgenden Gebieten der Landschaftsszene stammt, auf einen strahlungsempfindlichen
Detektor 5 richtet. Das Abtasten erfolgt gemäss den Zeilen L1, ..., Ln, ... LM,
. . . jii Ii". 1. Ein derartiges Abtastsystem ist z.B. in der französischen Patentschrift
Nr. 2.245.970 (PHN 7224) im Namen der Anmelderin beschrieben. Der Detektor 5 liefert
ein Signal, dessen Amplitude der Leuchtdichte des beobachteten Gegenstandes entspricht.
Dieses Signal ermöglicht es, die Landschaftsszene z.B. auf dem Schirm einer Kathodenstrahlröhre
10 sichtbar zu machen, deren Kathode mit dem Ausgang 11 der Vorrichtung 1 verbunden
ist.
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Eine Steuerschaltung 12 liefert die Steuersignale für das Abtastsystem
4 und für die Kathodenstrahlröhre 10, so dass das Abtasten der Landschaftsszene
und das Ablenken des Elektronenstrahls genau synchron verlaufen.
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Zur Lenkkung des Flugkörpers M wird ein Drähtekreuz auf dem sichtbar
gemachten Bild positioniert, wobei man die Mitte des Kreuzes mit dem Ziel, das auf
dem Schirm beobachtet wird, zusaiiimenfallcn lässt. Die Achse OC in der Landschaftsszene
entspricht der Mitte des Drähtekreuzes.
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Dieses Kreuz wird durch eine Abtastzeile LM und eine nach dem Anfang
der Abtaslzeile LA1 vergangene Zeit TC definiert.
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Der warme Punkt, der also dem Flugkörper entspricht, wird in einer
anderen Zeile und in einer anderen Zeitspanne definiert. Mit Hilfe einer Lenkschaltungsanordnung
14, in der die Koordinaten des warmen Punktes bestimmt werden, ist es dann möglich,
den Flugkörper AL zu dem Ziel C mit Hilfe von Lenksignalen über eine Verbindung
15 zu lenken, die den Flugkörper M mit der Lenkschaltungsanordnung 14 verbindet.
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Nach der Erfindung ist die Vorrichtung 1 zum Detektieren eines warmen
Punktes mit einem optischen Filter
20 versehen, das das Strahlungsbündel
6 in Teilbündel 22 und 23 aufspaltet, die je einen Teil des Wellenlängenbandes des
Bündels 6 enthalten, wobei dieses Band zwischen 8 und 13 µm liegt. Das Teilbündel
22 besteht aus Strahlung mit Wellenlängen zwischen 8 und 10,5 µm ud das Teilbündel
23 aus Strahlung mit Wellenlängen zwischen 10,5 und 13/um. Im Strahlungsweg des
Teilbündels 23 ist der Detektor 5 angeordnet; während im Wege des Teilbündels 22
ein zweiter strahlungsempfindlicher Detektor 25 angeordnet ist. Die Ausgangssignale
dieser Detektoren werden den zwei Eingängen einer Substrahierschaltung 30 zugeführt.
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Das optische Filter 20 kann durch einen dichroitischen Spiegel gebildet
werden, der Strahlung, deren Wellenlänge zwischen 8 und 10,5 µm liegt, reflektiert
und Strahlung, deren Wellenlänge grösser als 10,5 µ ist, durchlässt. Die Subtrahierschaltung
30 kann aus einem Differenzverstärker 35 und einer sich daran anschliessenden Schwellenschaltung
36 bestehen. Eine Addierschaltung 'r0, deren Eingänge rni-t den Ausgängen der Detektoren
5 und 25 verbunden sind, liefert an ihrer Ausgangsklemme 11 ein Leuchtdichtesignal
der Landschaftsszene.
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In Fig. 2 ist der Verlauf der Leuchtdichte L1 als Funktion der Wellenlänge
# für die Temperaturen von 300°K und 1500°K dargestellt. Für die Koordinaten sind
logarithmische Massstäbe gewählt. Die Leuchtdichtekurven werden durch die bekannte
Plancksche Formel gegeben. Die schraffierte Zone stellt das Gesamtwellenlängenband
von 8 - 13µm dar, in dem gearbeitet wird. Dieses Band ist in zwei Teilbänder BS1
von 8 bis 10,5 µm und BS2 von 10,5 bis 13 µm unterteilt. Die Leuchtdichte eines
warmen Punktes auf 1500°K ändert sich von 1,5 . 10-9 W.m-³.sr-¹ zu 6,25 . 108 W.,-3.sr-1
im ersten Teilband BS1 und vom letzteren Wert zu 2,9 . 108 W.m-3 . sr-1 im zweiten
Teilband BS2. Die Leuchtedicllte eines Punktes auf 300°K, die der mittleren Temperatur
entspricht, ändert sich von 9,08 . 106 W.m-³. sr-¹ zu 9,79 . 106 W.m-3 . sr-¹ im
ersten Teilband und vom letzteren Wert zu 8,2 . 106 W.m-3.sr-¹ im zweiten Teilband.
Ungeachtet des Abstandes von dem warmen
Punkt liefert dieser Punkt
in beiden Bändern einen verschiedenen Energiebeitrag, während der Energiebeitrag
von Punkten auf 300°K in beiden Bändern praktisch gleich ist.
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Der Unterschied in Energiebeiträgen kann mit Hilfe des Differenzverstärkers
35 detektiert werden. Die Schwellenschaltung 36 wird ein Signal liefern, sobald
ein bestimmter Unterschied detektiert wird.
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In Fig. 3 ist die Lenkschaltungsanordnung 14 im Detail dargestellt.
Die von der Steuerschaltung 12 stammenden Signale, die den Anfang der Abtastung
der Landschaftsszene und der Abtastung der Kathodenstrahlröhre sowie den Anfang
der Zeilenabtastungen angeben, werden der Schaltungsanordnung 1 über die Leitung
50 bzw. 51 zugeführt. In einem ersten Zähler 55 der Schaltungsanordnung 14 wird
die Anzahl abgetasteter Zeilen gezählt. Der Zähleingang des Zählers 55 ist über
die Verbindung 51 an die Schaktung 12 angesclossen. Der Zähler wird vom Signal an
der Leitung 50 auf Null zurückgesetzt. Ein zweiter Zähler 56 gibt ein Mass der Zeit,
die vom Anfang einer Abtastzeile an vergeht.
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Dazu zählt dieser Zähler die Signale eines Taktgebers 57, deren Frequenz
in bezug auf die Frequenz der Abtastzeilen hoch ist. Der Zähler 56 wird am Anfang
je der Abtastzeile vom Signal an der Leitung 51 auf Null zurückgesetzt. Die Schaltungsanordnung
14 enthält weiter zwei Register 60 bzw. 61, deren Eingänge mit den Ausgängen des
Zählers 55 bzw. 56 verbunden sind. Die Steuereingänge der Register 60 und 61 sind
mit der Ausgangsklemme 2 der Subtrahierschaltung 30 verbunden. Sobald an der Ausgangsklemme
2 ein Signal erscheint, wird der Inhalt der Zähler 55 und 56 auf die Register 60
und 61 übertragen. Mit Hilfe von Subtrahierelementen 62 und 63 kann der Unterschied
zwischen den Koordinaten des Flugkörpers N nnd denen des Zieles C bestimmt werden.
Dazu ist das Element 62 einerseits mit dem Register 60 und andererseits mit dem
Speicher 65 verbunden, in dem die Nummer der Abtastzeile LM, auf der die Mitte des
Drähtekreuzes posit einert ist, gespeichert ist. Das ilement 63 ist einerseits mit
dem Register 61 und andererseits mit dem Speicher 66 verbunden, in dem der Wert
der Zeit TC,
der zu der Mitte des Drähtekreuzes gehört, gespeichert
ist.
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Die digitalen Signale der Elemente 62 und 63 werden von zwei Digital/Analog-Umsetzern
68, 70 in analoge Signale umgesetzt, die über die Verbindung 15 auf den Flugkörper
M übertragen werden, so dass letzterer seine Bahn derart korrigieren kann, dass
das Ziel C erreicht werden kann.
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Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung vach der
Erfindung. Diese Ausführungsform enthält Mittel zur Einstellung der Pegel der Signale,
die von den Detektoren 5 und 25 geliefert werden. Diese Mittel bestehen aus Verstärkern
80 und 82 zwischen den Detektoren 5 isnd 25 und den Eingängen des Differenzverstärkers
35, wobei der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 82 einstellbar ist. Indem der Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 82 geregelt wird, kann erzielt werden, dass das Signal am Ausgang
des Differenzvserstärkers 35 bei einer bestimmten Temperatur To Null ist, so dass
bei einer Temperatur T > To das Ausgangssignal negativ und bei einer Temperatur
T < To das Ausgangssignal positiv ist. is sei bemerkt, dass die Unterteilung
von dem Abstand von der Strahlungsquelle unabhängig, aber nur von den spektralen
Eigenschaften der Strahlung abhängig ist. Indem To passend gewählt wird, ist es
möglich, ohne Schwierigkeiten die Strahlung des Tasters von der Strahlung der Landschaftsszene
zu trennen. In der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung wird in zwei Zeitspannen gearbeitet,
und zwar vor dem Feuern und während des Feuerns.
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Vor dem Fcuern wird die Temperatur des wärmsten Punktes der Landschaftsszene
bestimmt. Dazu enthält die Vorrichtung einen Spitzendetektor, der durch eine Diode
84 und einen Kondensator 86 gebildet wird, der mit dem Ausgang der Addiersch;Lltunt
1 über einen Schalter 88 in geschlossener Lage verbunden ist. Die Spannung über
dem Kondensator 86 wird einem der Eingänge einer Vervielfacherschaltung 87 für analoge
Signale zugeführt, deren Ausgang mit dem Steuereingang des einstellbaren Verstärkers
82 verbunden ist. An den anderen Eingang der Vervielfacherschaltune 87 kann eine
Spannung angelegt werden, die das Aus -gangssignal des Differenzverstärkers 35 auf
Null setzt.
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Diese Spannung stammt von einem Sägezahngenerator 90, dessen Ausgang
über einen Schalter 92 in geschlossener Lage mit einem Speicherkondensator 94 verbundenist.
Der Schalter 92 wird geöffnet, sobald das Signal am Ausgang des Differenzverstärkers
35 Null wird, was von einem Nulldurchgangsdetektor 96. detektiert wird. Der Eingang
des Detektors 96 ist mit dern Ausgang des Verstärkers 35 über einen Schalter 98
in geschlossener Lage verbunden. Das Ausgangssignal des Detsektors 96 stseuert den
Schalter 92. Der Verstärkungsfaktor des clcs tärkers t wird also derart geregelt,
dass das Signal am Ausgang des Verstärkers 35 bei der Temperatur To des wärmsten
Punktes der Landschaftsszene Null ist.
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Während des Feuerns werden die Schalter 88 und 98 geöffnet, so dass
der Taster TR ein- negatives Signal hervorruft, das sich gut unterscheiden lässt.
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Bisher wurde angsenommen, dass die Detektoren 5 und 25 nur ein einziges
strahlungsempSindliches Element enthalten. Diese Detektoren können aber auch mehrere
strahlungsempfindliche Element enthalten. Der Detektor 5 kann z.13., wie in Pig.
5 angegeben ist, durch eine Reihe von strahlungsempfindlichen Elementen E1, ...
En gebildet werden, die je eine bestimmte Zeile abtasten, so dass durch eine einzige
Abtastung in einer Richtung die ganze Landschaftsszene abgetastet wird. Der Detektor
25 kann aus einer kleineren Anzahl strahlungsempfindlicher Elemente F1, F2, ...
F6 bestehen, die je eine Zeile in der Mitte der Landschaftsszene, das Gebiet, in
dem sich der Flugkörper bewegt, abtasten. Durch Regelung der Verstärkung des Verstärkeres
82 kann immer das Ausgangs signal' des Differenzverstärkers 35 gleich Null gemacht
werden.
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Um die Strahlungsintensität in den zwei Wellenlängenbändern gesondert
detektieren zu können, ist es nicht erforderlich, einen dichroitischen Bündelteiler
zu benutzen.
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Die zwei Detektoren 5 und 25 können hintereinander im Wege des Bündels
6 angeordnet werden. Der erste Detektor muss dann für diejenigen Wellenlängen durchlässig
sein, für die der zweite Detektor empfindlich ist. Dabei können Gadmium-
quecksilbertelluriddetektoren
verwendet werclen, bei denen das Verhältnis zwischen Cadmiumtellurid und Quecksilbertellurid
passend gewählt ist. Die spektrale Trennung wird dann durch passende Wahl des Er
Empfindlichkeitsbereiches der Detektormaterialien vorgenommen.
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