DE3041670C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren eines warmen Punktes in einer Landschaftsszene mit Hilfe von Infrarotstrahlung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 25 33 270 und insbesondere aus der DE-OS 26 33 368 bekannt. Danach werden zwei verschiedene, weit auseinander liegende Wellenlängenbänder verwendet, wobei das eine, kurzwellige Wellenlängenband verwendet wird, um den warmen Punkt zu verfolgen, und das andere, langwellige Wellenlängenband dient dazu, die Szene zu beobachten. Dies erfordert jedoch ein Abtastsystem und insbesondere ein Abbildungssystem, das den gesamten Wellenlängenbereich beider Bänder gleich gut erfaßt und abbildet, was jedoch sehr aufwendig ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die mit einem einzigen Wellenlängenband eine zuverlässige Detektion ermöglicht und einfach aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Leuchtdichte eines warmen Punktes im verwendeten Wellenlängenband mit zunehmenden Wellenlängen abnimmt, während die Leuchtdichte der Landschaftsszene in diesem Band praktisch konstant bleibt. Indem nun dieses Wellenlängenband in zwei Teilbänder mit Hilfe des Filtersytems unterteilt 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.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

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 Funktion der Wellenlänge für zwei verschiedene Temperaturen,

Fig. 3 im Detail eine Ausführungsform der elektrischen 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 verwendeten strahlungsempfindlichen Detektoren.

Fig. 1 zeigt ein System zur Lenkung eines Flugkörpers M zu einem Ziel C. Dieses 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 2 der Vorrichtung 1 bemerkbar macht. Der warme Punkt besteht hier aus einem Taster TR, der auf dem Auslaßventil des Flugkörpers M befestigt ist und praktisch eine Temperatur von 1500° K aufweist.

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 des Abtastsystems 4 entspricht und dessen Basis ein Rechteck R ist.

Zum Detektieren von Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge größer als 1 µm kann nicht eine "Vidikon"- Vorrichtung verwendet 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 L 1, ..., Ln, ... LM, ... in Fig. 1. Ein derartiges Abtastsystem ist z. B. in der französischen Patentschrift Nr. 22 45 970 (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. Eine Steuerschaltung 12 liefert die Steuersignale für das Abtastsystem 4 und für die Kathodenstrahlröhre 10, so daß das Abtasten der Landschaftszone und das Ablenken des Elektronenstrahls genau synchron verlaufen.

Zur Lenkung 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, zusammenfallen läßt. Die Achse OC in der Landschaftsszene entspricht der Mitte des Drähtekreuzes. Dieses Kreuz wird durch eine Abtastzeile LM und eine nach dem Anfang der Abtastzeile LM vergangene Zeit TC definiert. 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 M zu dem Ziel C mit Hilfe von Lenksignalen über eine Verbindung 15 zu lenken, die den Flugkörper M mit der Lenkschaltungsanordnung 14 verbindet.

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 und das Teilbündel 23 aus Strahlung mit Wellenlängen zwischen 10,5 und 13 µm. 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 Subtrahierschaltung 30 zugeführt.

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 40, deren Eingänge mit den Ausgängen der Detektoren 5 und 25 verbunden sind, liefert an ihrer Ausgangsklemme 11 ein Leuchtdichtesignal der Landschaftsszene.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Leuchtdichte L λ als Funktion der Wellenlänge λ 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 8-13 µm dar, in dem gearbeitet wird. Dieses Band ist in zwei Teilbänder BS 1 von 8 bis 10,5 µm und BS 2 von 10,5 bis 13 µm unterteilt. Die Leuchtdichte eines warmen Punktes auf 1500° K ändert sich von 1,5 · 10⁹ W · m ^-3 · sr ^-1 zu 6,25 · 10⁸ W · m ^-3 · sr ^-1 im ersten Teilband BS 1 und vom letzteren Wert zu 2,9 · 10⁸ W · m ^-3 · sr ^-1 im zweiten Teilband BS 2. Die Leuchtdichte 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. 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.

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 14 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 Schaltung 12 angeschlossen. 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. 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 jeder 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 M und denen des Zieles C bestimmt werden. Dazu ist das Element 62 einerseits mit dem Register 60 und anderseits mit dem Speicher 65 verbunden, in dem die Nummer der Abtastzeile LM, auf der die Mitte des Drähtekreuzes positioniert ist, gespeichert ist. Das Element 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. 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.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Vorrichtung nach 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 und 25 und den Eingängen des Differenzverstärkers 35, wobei der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 82 einstellbar ist. In dem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 82 geregelt wird, kann erzielt werden, daß das Signal am Ausgang des Differenzverstärkers 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. Es 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.

Vor dem Feuern 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 Addierschaltung 40 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 Vervielfacherschaltung 87 kann eine Spannung angelegt werden, die das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 35 auf Null setzt.

Diese Spannung stammt von einem Sägezahngenerator 90, dessen Ausgang über einen Schalter 92 in geschlossener Lage mit einem Speicherkondensator 94 verbunden ist. 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 dem Ausgang des Verstärkers 35 über einen Schalter 98 in geschlossener Lage verbunden. Das Ausgangssignal des Detektors 96 steuert den Schalter 92. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 82 wird also derart geregelt, daß das Signal am Ausgang des Verstärkers 35 bei der Temperatur To des wärmsten Punktes der Landschaftsszene Null ist.

Während des Feuerns werden die Schalter 88 und 98 geöffnet, so daß der Taster TR ein negatives Signal hervorruft, das sich gut unterscheiden läßt.

Bisher wurde angenommen, daß die Detektoren 5 und 25 nur ein einziges strahlungsempfindliches Element enthalten. Diese Detektoren können aber auch mehrere strahlungsempfindliche Elemente enthalten. Der Detektor 5 kann z. B., wie in Fig. 5 angegeben ist, durch eine Reihe von strahlungsempfindlichen Elementen E 1, ... 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 F 1, F 2, ... F 6 bestehen, die je eine Zeile in der Mitte der Landschaftsszene, das Gebiet, in dem sich der Flugkörper bewegt, abtasten. Durch Regelung der Verstärkung des Verstärkers 82 kann immer das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 35 gleich Null gemacht werden.

Um die Strahlungsintensität in den zwei Wellenlängenbändern gesondert detektieren zu können, ist es nicht erforderlich, einen dichroitischen Bündelteiler zu benutzen. Die zwei Detektoren 5 und 25 können hintereinander im Wege des Bündels 6 angeordnet werden. Der ersten Detektor muß dann für diejenigen Wellenlängen durchlässig sein, für die der zweite Detektor empfindlich ist. Dabei können Cadmiumquecksilbertelluriddetektoren verwendet werden, bei denen das Verhältnis zwischen Cadmiumtellurid und Quecksilbertellurid passend gewählt ist. Die spektrale Trennung wird dann durch passende Wahl des Empfindlichkeitsbereiches der Detektormaterialien vorgenommen.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Detektieren eines warmen Punktes in einer Landschaftsszene mit Hilfe von Infrarotstrahlung, die ein Abtastsystem, ein strahlungsempfindliches Detektionssystem zur Umwandlung eines von dem Abtastsystem stammenden Abtastbündels in ein elektrisches Signal und eine elektronische Verarbeitungsschaltung für dieses Signal enthält, wobei sich im Wege des Abtastbündels hinter dem Abtastsystem ein Filtersystem zum Aufspalten des Abtastbündels in zwei Teilbündel befindet, und das Detektionssystem aus zwei strahlungsempfindlichen Detektoren besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastbündel nur Strahlung in einem einzigen Infrarotwellenlängenband enthält und das erste bzw. das zweite Teilbündel nur Strahlung mit Wellenlängen in einem ersten bzw. in einem zweiten Teilband des Wellenlängenbündels des Abtastbündels enthält, und 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, deren Eingänge mit den Ausgängen der Detektoren verbunden sind, eine Subtrahierschaltung, deren Ausgangssignal das Vorhandensein eines warmen Punktes angibt, und eine Addierschaltung, deren Ausgangssignal die Leuchtdichte der Landschaftsszene darstellt, enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgängen der Detektoren und den Eingängen der Subtrahierschaltung elektronische Elemente zur Änderung der Pegel der der Subtrahierschaltung zugeführten Signale angebracht sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der elektronischen Elemente vom Ausgangssignal der Subtrahierschaltung gesteuert wird, wobei das Ausgangssignal für diese Schaltung bei einer bestimmten Temperatur eines beobachteten Gegenstandes auf Null gesetzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Subtrahierschaltung beim Detektieren des wärmsten Punktes der Landschaftsszene auf Null gesetzt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wellenlängenband des Abtastbündels zwischen etwa 8 µm und etwa 13 µm liegt.