METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING AND TRACKING AIR AND GROUND TARGETS

Abstract: 1. A method of detecting and tracking air and ground targets with the aid of a heat image instrument (1) wherein the infra-red portion of a scene is scanned by means of a first movable mirror (4) and is directed via an infra-red input objective (3) and a movable second mirror (5) disposed in the optical axis of this mirror, onto a series of detectors (7) disposed vertically in the image field, the detectors converting the infra-red signals into voltage signals which are amplified and made visible by image reproduction, characterized in that for detection a large field of vision is switched on, the first mirror (4) is caused to rotate about a vertical axis and an image erection system (12) is used so that scanning takes place in a horizontal plane, the second mirror (5) being in the meantime maintained in an inoperative position and, under these working conditions, being used as a deflecting mirror, and in that after the target has been picked up-by the operator or via an automatic target evaluating means-the first mirror is stopped and the objective (3) switched over to a small field of view for the identification process, and in that while the image erection system is being used, the second mirror sweeps over the series of detectors (7) in the horizontal direction of the image by the image angle of the small field of view.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und Verfolgung von Luft- und Bodenzielen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und Verfolgung von Luft- und Bodenzielen unter Zuhilfenahme eines Wärmebildgerätes, bei dem der IR-Strahlungsanteil einer Szene mittels eines ersten beweglichen Spiegels abgetastet und über ein IR-Eingangsobjektiv sowie einen mit diesem Spiegel achsgleich angeordneten beweglichen zweiten Spiegel auf einen Detektor gelenkt wird, der die IR-Signale in Spannungssignale umwandelt, die verstärkt und über eine Bildwiedergabe sichtbar gemacht werden. Eine solche Vorrichtung ist Gegenstand der DE-PS 1772 645. Bei dieser ansonsten durchaus brauchbaren Vorrichtung sind jedoch als Sichtgeräte zwei getrennte Einheiten, nämlich ein Tag- und ein Nachtsichtgerät vorgesehen, so dass dieses System insgesamt, d.h. einschliesslich dem Wärmebildgerät, aus drei Geräteeinheiten besteht. Sowohl die Verwendung mehrerer solcher Geräte als auch die hierbei erforderliche Harmonisierung der zugehörigen Visierlinien ist relativ aufwendig. Darüberhinaus ist die Kombination Tagsicht - Restlichtverstärker - Wärmebild -bzw. Wärmeorter durch die hochauflösenden Wärmebildgeräte technisch überholt. Die Aufgabe der Erfindung wird in der Verbesserung und Vereinfachung des gattungsgemässen Verfahrens sowie der hierbei zum Einsatz gelangenden Vorrichtung gesehen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass für die Detektion ein grosses Sehfeld eingeschaltet, der erste Spiegel in horizontaler Ebene in Rotation versetzt wird, der zweite Spiegel währenddessen in Ruhestellung gehalten und bei dieser Betriebsart als Umlenkspiegel benützt wird, dass nach der Zielerfassungdurch den Bediener oder über eine automatische Zielauswertung der erste Spiegel angehalten und für den Identifizierungsvorgang auf ein kleines Sehfeld umgeschaltet wird und dass mit dem zweiten Spiegel die Detektorreihe in horizontaler Ebene um den Bildwinkel des kleinen Sehfeldes abgetastet wird. Um bei jeder beliebigen festen Stellung des ersten Spiegels eine horizontale Abtastung des Detektors zu erreichen, wird das Bild im IR-Teil über ein Spiegelbildaufrichtesystem aufgerichtet, das die jeweils unterschiedlichen Stellungen der beiden Spiegel optisch ausgleicht. Die Verwendung eines Spiegelaufrichtesystems, das z.B. ein Dachkantprisma sein kann, bewirkt, dass die Bewegungen der beiden Spiegel voneinander unabhängig erfolgen können. Um von einem georteten Ziel festzustellen, inwieweit es dem Beobachter gefährlich werden und gegebenenfalls zum Abschuss freigegeben werden könnte, ist es vorteilhaft, dass ein hinsichtlich der optischen Achsen mit dem Wärmebildgerät harmonisiertes, nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitendes Laserentfernungsmessgerät zur Messung der Zielentfernung Verwendung findet. In diesem Zusammenhang ist es einmal sinnvoll, dass als Empfänger für das Laserentfernungsmessgerät ein von den Detektoren des Wärmebildgerätes getrennter und mit einem Breitbandverstärker ausgerüsteter weiterer Detektor verwendet wird. Zum anderen kann es sinnvoll sein, dass die von einer separat angeordneten Lasersendereinheit abgegebenen Impulse direkt oder über den vergrösserten ersten Spiegel ausgesendet werden und ein Teil der vom Ziel reflektierten Anteile über denselben Spiegel empfangen wird. Um zu erreichen, dass der Laserimpuls zu einem definierten Zeitpunkt und damit bei einer bestimmten Stellung des Abtastspiegels herausgeht, ist die Synchronisation zwischen Laserimpuls und Spiegel erforderlich. Der Laserdetektor, der im gleichen Dewar untergebracht sein kann, muss so gross sein, dass der rückgestreute Impuls beim Weiterbewegen des Spiegels immer noch auf den Detektor fällt. Wegen der wesentlich geringeren Gefährlichkeit des Gaslasers bietet sich dabei an, dass ein C02-Laser verwendet und von dem reflektierten Anteil nur der im Bereich von 10,6 /um Wellenlänge liegende für den Empfang durch den Entfernungsmessungsdetektor herausgefiltert wird. Da dieses Verfahren in der Regel aus gedeckter Sicht, z.B. äus dem Panzerinneren, über einen periskopischen Aufbau zum Einsatz gelangt, ist es in einem solchen Fall für die Orientierung erforderlich, dass das auf dem in horizontaler Ebene stillgesetzten zweiten Spiegel vorhandene Bild für die Bedienperson auf einem Radarschirm dargestellt und die Richtung des in diesem Bild vorhandenen Zieles mit Hilfe eines auf dem Schirm umlaufenden, elektronisch an die Stellung des ersten Spiegels gekoppelten Zeigers angezeigt wird. Für die Identifizierung kann aus diesem Bild zusätzlich ein Sektor dargestellt werden. Die Verbindung von Detektions- und Identifizierungsvorgang in einem Gerät in dieser Form hat den Vorteil, dass nur ein Gerät stabilisiert zu werden braucht, die Einweisung des Identifizierungssensors vom Detektionssensor schneller ist und keine Schleifringverbindung von ausserhalb des Panzers zum Kampfraum erforderlich ist. Es ist ferner in vorteilhafter Weise möglich, dass beim Identifizierungsvorgang, bei dem das Ziel in der Achse nachgeführt wird, nach der Vorverstärkung des Signals mit Hilfe elektrischer Filter, eventuell vorhandene Rotorschwingungen von Hubschraubern selektiert und zur Typenanalyse verwendet werden. Auf diese Weise lassen sich feindliche Hubschrauber mit grosser Wahrscheinlichkeit von eigenen unterscheiden. In diesem Zusammenhang kommt auch der Ausbildung des Detektors besondere Bedeutung zu, der, in einem sogenannten IR-Hot-Spot-Sensor eingebaut, die Aufheizung der Rotorblätter durch die Umdrehungsgeschwindigkeit erkennen und daher in seinem Mittelbereich mit einer höheren geometrischen Auflösung versehen bzw. feinfühliger als in Aussenbezirken gegliedert sein sollte. Es ist deshalb von Vorteil, wenn eine in ihrem Mittelbereich für einen Mehrfachzeilensprung vorgesehene Detektorzeile Verwendung findet. Was die konstruktive Ausbildung der verwendeten Vorrichtung anbetrifft, sehen weitere Merkmale der Erfindung vor, dass das Eingangsobjektiv ein wellenlängenunabhängiges Spiegelobjektiv ist und der sich - im Verlauf des Strahlengangs anschliessende zweite Spiegel die Strahlung unter 450 über ein Detektorabbildungsobjektiv, einen in dessen Bildebene rotierenden und im Bereich der Rotorfrequenzen von Hubschraubern durchstimmbar laufenden Modulator sowie einen Immersionskörper auf dem Detektor abbildet. Durch die Art der Modulation wird erreicht, dass feststehende Punktziele von pulsierenden unterschieden werden. Hierbei ist es zweckmässig, dass die Rundumstrahlung im 8 bis 12 um-Bereich in einem Elevationsband von z.B. 10 bis 150 empfangen wird. Der Modulator kann dabei als Schlitzscheibe oder logarithmische Spirale ausgebildet sein, während sich der Detektor z.B. aus konzentrischen Ringen zusammensetzt, die abstandslos aneinandergrenzen und zusätzlich dergestalt sektorförmig unterteilt sind, dass die entstehenden Teilflächen insgesamt in der alternierenden Gliederung eines Schachbrettes aufgeteilt sind. Eine andere Möglichkeit der Detektorform sieht vor, dass er sich aus quadratisch verlaufenden, konzentrisch angeordneten und abstandslos aneinandergrenzenden Streifen zusammensetzt, von denen jeder in etwa gleichgrosse Flächen unterteilt ist. Dabei können die Felder zueinander parallel oder in Gegenrichtung verlaufend ausgebildet sein. Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechende Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 das Funktionsschema eines Wärmebildgerätes, Fig. 2 das Funktionsschema eines als Rundumdetektions und Identifizierungsgerät ausgebildeten Wärme bildgerätes, Fig. 3 eine mögliche Detektoranordnung eines Hot-Spot Sensors, Fig. 4 eine erfindungsgemässe Geräteanordnung, Fig. 5a eine runde Detektoranordnung mit Schlitzscheibe als Modulator, Fig. 5b eine quadratische Detektoranordnung und Fig. 6 einen spiralförmigen Modulator. Bei der Fig. 1 ist das Funktionsschema eines Wärmebildgerätes nach dem optischen Multiplexverfahren dargestellt. Die einfallende IR-Strahlung einer beliebigen Szene wird durch das IR-Eingangsobjektiv 3 afokal vom Abtastspiegel 5 umgelenkt, in horizontaler Richtung abgetastet und über das Abbi-ldungsobjektiv 6 auf dem Detektor 7 abgebildet. Die Sichtbarmachung dieser Strahlung geschieht über lichtemi tierende Dioden 8, die von den Detektorsignalen über Verstärker angesteuert werden. Die Linsen 9 und 10 deuten die Wiedergabeoptik an. Für die Umsetzung dieses Bildes auf einen Monitor kann eine Fernsehkamera 11 vorgesehen werden. In Figur 2 ist schematisch das Zusammenwirken der beiden Spiegel 4 und 5 dargestellt. Das Spiegelbild-Aufrichtesystem 12, das zwischen Objektiv 3 und Spiegel 5 oder zwischen diesem und dem Objektiv 6 angeordnet sein kann, gleicht die jeweils unterschiedlichen Stellungen der beiden Spiegel optisch so aus, dass die Detektorzeile immer vertikal im Bildfeld steht. Das Gerät besitzt zwei Sehfelder unterschiedlicher Grösse. Für den Detektionsvorgang ist das grosse Sehfeld eingeschaltet. Der Spiegel 4 wird in Rotationsbewegung versetzt. Der Spiegel 5 dient lediglich zur Umlenkung der IR-Strahlung. Sobald der Beobachter oder eine automatische Bild-Auswertung ein interessantes Ziel ausgemacht hat, wird der erste Spiegel 4 angehalten. Gleichzeitig wird der zweite Spiegel 5 in Schwingung versetzt und optisch das kleine Sehfeld eingeschaltet. Das Gerät arbeitet jetzt als reines Wärmebildgerät, wobei der erste Spiegel 4 nur noch als Umlenkspiegel dient. Die Detektoranordnung kann dergestalt ausgebildet sein, dass z.B. 360 Elemente nebeneinander angeordnet sind, die für den Identifizierungsvorgang dadurch auf 180 Elemente umgeschaltet werden können, dass der zweite Spiegel 5 neben seiner Bewegung in Abtastrichtung (horizontal) eine zweite Bewegung als Zwischenzeilenfunktion beschreibt. Fig. 3 zeigt die Detektoranordnung eines Hot-Spot-Sensors, der im mittleren Bereich eine so hohe geometrische Auflösung hat, dass die Rotorblätter von Hubschraubern aufgelöst werden können. Fig. 4 zeigt den Geräteaufbau. Die Erfindung geht von der Annahme aus, dass der Hubschrauber auf grosse Entfernung ein Punktziel darstellt, bei dem die Information von den Rotorblättern im Rhytmus der Rotorfrequenz anfällt. Durch die Schlitzscheibe 13 als Modulator, die in der Bildebene variabel rotiert, werden Flächenziele und Hintergrundstrahlung unterdrückt. Wird die Drehzahl direkt mit dem Signal des Detektors 7 gekoppelt, ergibt sich bei der Rotorfrequenz zwangsläufig ein Maximum an Strahlung (Prinzip der Lichtgeschwindigkeitsmessung). Alle festen Punktziele können dadurch ausgefiltert werden, dass sie nur mit der konstanten Modulatorfrequenz moduliert werden. Wie Fig. 5 zeigt, kann die Struktur des Detektors 7 aus konzentrischen Ringen bestehen, die abstandslos aneinandergrenzen und insgesamt eine Kreisfläche darstellen. Dieselbe ist zusätzlich sektorförmig unterteilt. Die auf diese Weise entstehenden Felder 7' und 7" können abwechselnd mit Informationen versehen sein, was durch die schwarzen Felder 7' symbolisiert ist. Mit 13 ist der in diesem Fall als Schlitzscheibe ausgebildete Modulator und mit 15 ihr Antrieb angedeutet. Die Schlitzscheibe variiert in ihrer Drehzahl solange, bis auf den Detektor eine maximale Strahlungsleistung fällt. über die Detektorspannung wird die Drehzahl dann konstant gehalten. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Modulation elektrisch oder mit einem z.B. laut Fig. 6 in Form einer logarithmischen Spirale ausgebildeten Modulator erfolgen. Aber auch die geometrische Struktur des Detektors 7 kann anders ausgebildet sein, ohne dass dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So zeigt z.B. Fig. 5b einen Detektor quadratischer Formgebung. Die Ringe der Fig. 5a sind hier zu - aus einzelnen Streifen zusammengesetzten Vierecken "deformiert". Ihre einzelnen Felder 7' und 7" verlaufen zueinander parallel, jedoch von Streifen zu Streifen jeweils in Gegenrichtung. Auch kann eine ganze Detektorzeile zur Anwendung gelangen. Entsprechend Fig. 3 muss diese in ihrem Mittelbereich für einen Mehrfachzeilensprung feiner untergliedert sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel überwachen z.B. jeweils drei Detektorelemente einen Winkelbereich von 5 im Azimut. Für den Fall, dass das vorstehend beschriebene Rundum-Beobachtungsgerät zu einem Waffensystem ausgebaut wird, muss sein Wärmebildgerät 1 mit einem Laserentfernungsmessgerät 16, 17 dergestalt kombiniert werden, dass die optischen Achsen aufeinander abgestimmt sind. Dies erreicht man z.B. durch eine starre Verbindung zwischen Wärmebildgerät und Laserentfernungsmesser. Hierbei empfiehlt es sich, die Lasersendereinheit 16 (Fig. 2) an der Aussenseite des Wärmebildgerätes, z.B. über eine Schwalbenschwanzführung, anzuflanschen. Sofern ein Laser von 1,06 /um Wellenlänge verwendet wird, strahlt der Sender direkt auf das Ziel ab, weil das Wärmebildgerät in einem anderen Wellenlängenbereich (10 (10,6 /um) arbeitet, das dann von dem reflektierten Anteil nur den in seinem Wellenlängenbereich liegenden Teil zur Weiterverarbeitung herausfiltert. Wird dagegen ein Laser im Wellenlängenbereich von 8 bis 12 /um gewählt, kann über denselben Spiegel 4 abgestrahlt und empfangen werden. Für die Entfernungsinformation kann derselbe Detektor 7 beim Beobachtungsvorgang verwendet werden. Es kann aber auch eine nur dem Lasersender 16 zugeordnete getrennte Empfängereinheit 17 Verwendung finden, der ein Breitbandverstärker 18 nachgeschaltet ist. Die Entfernungsangabe ist für eine Gefährdungsanalyse, beispielsweise durch einen Hubschrauber, erforderlich: Da verschiedene Hubschraubertypen vor allem ganz spezifische und hochkonstante Rotordrehzahlen aufweisen, kann nach dem Verstärkungsvorgang eines empfangenen Signals mit Hilfe elektrischer Filter eine eventuell in diesem Signal enthaltene Triebwerks- und/oder Rotorschwingung selektiert werden, um eine Freund/Feind-Kennung durchzuführen. Für den Fall, dass hierbei auf Feine erkannt wird und eine funktionelle Verbindung zur eigentlichen Schusswaffe besteht, wird dieselbe automatisch in die entsprechende Richtung ausgerichtet und abgefeuert. Wenn sich die Bedienungsperson in gedeckter Stellung befindet, wird das von dem Spiegel 4 wiedergegebene, im IR Bereich aufgerichtete Bild auf einem für sich bekannten und daher nicht gezeichneten Radarschirm dargestellt. Die Positionierung des Spiegels 4 bzw. des auf ihm festgehaltenen Bildes wird mit Hilfe eines auf dem nachleuchtenden Schirm umlaufenden Zeigers angezeigt.

Claims: PATENTANSPRUCHE 1. Verfahren zur Detektion und Verfolgung von Luft- und Bodenzielen unter Zuhilfenahme eines Wärmebildgerätes, bei dem der IR-Strahlungsanteil einer Szene mittels eines ersten beweglichen Spiegels abgetastet und über ein IR-Eingangsobjektiv sowie einen mit diesem Spiegel achsgleich angeordneten beweglichen zweiten Spiegel auf einen Detektor gelenkt wird, der die IR-Signale in Span nungssignale umwandelt, die verstärkt und über eine Bildwiedergabe sichtbar gemacht werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass für die Detektion ein grosses Sehfeld eingeschaltet, der erste Spiegel (4) in horizontaler Ebene in Rotation versetzt wird, der zweite Spiegel (5) währenddessen in Ruhestellung gehalten und bei dieser Betriebsart als Umlenkspiegel benützt wird, dass nach der Zielerfassung durch den Bediener oder über eine automatische Zielauswertung der erste Spiegel an gehalten und für den Identifizierungsvorgang auf ein kleines Sehfeld umgeschaltet wird und dass mit dem zwei ten Spiegel die Detektorreihe in horizontaler Ebene um den Bildwinkel des kleinen Sehfeldes abgetastet wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mit Hilfe eines zwi schen das Eingangsobjektiv (3) und den zweiten Spie gel (5) oder zwischen diesen Spiegel und den Detek tor (7) geschalteten und an die Stellung des ersten Spiegels gekoppelten Spiegelbildaufrichtesystem (12) die jeweils unterschiedlichen Stellungen der beiden Spiegel optisch ausgeglichen und die einfallenden Bilder aufgerichtet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein hinsichtlich der optischen Achsen mit dem Wärmebildgerät (1) harmonisiertes, nach dem Impulslaufzeitverfahren ar beitendes Laserentfernungsmessgerät (16, 17) zur Mes sung der Zielentfernung Verwendung findet. 4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Empfänger für das Laserentfernungsmessgerät (16, 17) ein von den Detek toren (7) des Wärmebildgerätes (1) getrennter und mit einem Breitbandverstärker (18) ausgerüsteter weiterer Detektor (17) verwendet wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von einer separat angeordneten Lasersendereinheit (16) abgegebenen Im pulse direkt oder über den vergrösserten ersten Spie gel (4) ausgesendet werden und ein Teil der vom Ziel reflektierten Anteile über denselben Spiegel empfangen wird. 6. Verfahren nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein C02-Laser verwendet und von dem reflektierten Anteil nur der im Bereich von 10,6 um Wellenlänge liegende für den Empfang durch den Entfernungsmessungsdetektor (17) mit vorge schaltetem Spektralfilter herausgefiltert wird. 7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das auf dem in horizontaler Ebene stillgesetzten zweiten Spiegel (5) vorhandene Bild für die Bedie nungsperson auf einem Radarbildschirm dargestellt und die Richtung des in diesem Bild vorhandenen Zie les mit Hilfe eines auf dem Schirm umlaufenden, elektronisch an die Stellung des ersten Spiegels (4) gekoppelten Zeigers angezeigt wird. 8. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass beim Identifizierungsvorgang, bei dem das Ziel in der Achse nachgeführt wird, nach der Vorverstärkung des Signals mit Hilfe elektrischer Filter eventuell vor handene Rotorschwingungen von Hubschraubern selektiert und zur Typenanalyse verwendet werden. 9. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Detektoranordnung bei einem Identifizierungs sensor derart gestaltet ist, dass eine in ihrem Mit telbereich für einen Mehrfachzeilensprung vorgesehene Detektorzeile Verwendung findet. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h ¯ g e k e n n z e i c h ne t , dass das Eingangsobjek- tiv (3) ein wellenlängenunabhängiges Spiegelobjektiv ist und der sich - im Verlauf des Strahlengangs - an schliessende zweite Spiegel (5) die Strahlung unter 45o über ein Detektorabbildungsobjektiv (6), einen in dessen Bildebene rotierenden und im Bereich der Rotor frequenzen von Hubschraubern durchstimmbar laufenden Modulator (13) sowie einen Immersionskörper (14) auf dsm dem Detektor (7) abbildet. 11. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rundumstrahlung im 8 bis 12 um-Bereich in ei nem Elevationsband von z.B. 10 bis 150 empfangen wird und der Modulator (13) als Schlitzscheibe oder logarithmische Spirale ausgebildet ist (Fig. 3, 5a und 6). 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der Detektor (7) aus konzentrischen Ringen zusammensetzt, die ab standslos aneinandergrenzen und zusätzlich derge stalt sektorförmig unterteilt sind, dass die ent stehenden Teilflächen (7'; 7") insgesamt in der alternierenden Gliederung eines Schachbrettes auf geteilt sind (Fig. 5a). 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der Detektor aus quadratisch verlaufenden, konzen trisch angeordneten und abstandslos aneinandergren zenden Streifen zusammensetzt, von denen jeder in etwa gleichgrosse Flächen unterteilt ist und die Fel der (7'; 7") eines Streifens zueinander parallel und im Vergleich mit denjenigen des angrenzenden Streifens in Gegenrichtung verlaufend ausgebildet sind (Fig. 5b).

Inventors: KLINK, PAUL
Applicants: ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FUR STRAHLUNGSTECHNIK
Application year: 1981
Main classification: G01S3
IPC codes: G01S17, G01S3