DE2409563A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die zielfuehrung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung fuer die zielfuehrung

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Description

Priorität vom I3. März 1973 in Schweden aufgrund der schwedischen Anmeldung Nr.73-Ο352Ο-6
Die Erfindung bezieht sich auf die automatische, optische Zielführung oder Targetabtastung unter Verwendung einer Lichtstrahlung, die von einer Auftreffplatte oder einem Target reflektiert oder emittiert wird, wobei unter Lichtstrahlung alle Arten von optischer Strahlung verstanden
-en
wßrd, d.h. vom ultravioletten bis zur Infrarotstrahlung. Die Erfindurg ist besonders anwendbar im Zusammenhang mit der sogenannten Laserzielführung - oder -targetabtastung, wobei das Target kontinuierlich oder pulsartig von einem Laser strahlbeleuchtet wird und beispielsweise bei gewissen Zündsteuersystemen im Vergleich zur herkömmlichen Radarzielfülffiung Vorteile erhalten werden.
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Für die automatische optische Zielführung oder Targetabtastung wird das Target mittels eines optischen Systems auf einen lichtempfindlichen Detektor unter Verwendung einer Lichtstrahlung vom Target projiziert. Je nach der Stellung des Targetbildes auf der Oberfläche des Detektors, der in einer Anzahl von Teilflächen unterteilt ist, beispielsweise in vier Quadranten, werden Fehlersignale erzeugt, die verwendet werden, um.das optische System gegen bzw.' auf das Target zu richten. Die Fehlersignalgrößen hängen von den Differenzen zwischen den auf spezielle Kombinationen der Teilflächen fallenden Lichtstrahlen ab. Für jede Fehlersignalkurve, d.h. diejenige Kurve, welche das Fehlersignal als Funktion des entsprechenden Fehlerwinkels zwischen der Richtung zum Target und der Richtung der Achse d.es optischen Systems zeigt, hängt daher die Neigung vom Bereich des Targetbildes auf der Detektoroberfläche ab, wobei dieser Bereich für ein spezielles optisches System direkt von der Größe und dem Abstand des Targets abhängt. Somit bedeutet ein äußerst kleines (punktförmiges) Targetbild in Beziehung zur Detektoroberfläche, daß die Neigung der Fehlersignalkurve un-endlich groß wird, während ein Targetbild mit einem größeren Bereich als die Detektoroberfläche zur Neigung Null führt, d.h. einer Totzone für kleine Fehlerwinkel. Da die Neigung der Fehlersignalkurve in ein Servosystem eintritt, welches in der Form eines Verstärkungsfaktors verwendet wird, um InstabilitätsSchwierigkeiten zu ver-
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meiden, ist es wesentlich, die Veränderungen im Bereich des Targetbildes auf der Detektoroberfläche während der Targetabtastung oder Zielführung minimal zu machen. Dies kann selbstverständlich dadurch bewerkstelligt werden, daß eine sogenannte Zoom-Linse verwendet wird, die in der Lage ist, für sich ändernde Abstände und Größen des Targets während der Erzeugung eines klaren Bildes einen konstanten Bildbereich zu geben. Diese Lösung ist jedoch teuer und relativ kompliziert.
Polglich ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Targetabtastung vorzusehen, mit dem die vorstehend genannten Schwierigkeiten beseitigt oder in einfacher und preiswerter Weise erheblich vermindert sind. Dies wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung durch Merkmale erreicht, die in den nachstehenden Ansprüchen definiert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß mindestens dann, wenn ein klares oder deutliches Targetbild in der Bildebene des optischen Systems im Vergleich zur Detektoroberfläche klein wäre, der Bereich des Targetbildes auf der Detektor— oberfläche dadurch vergrößert wird, daß das Targetbild unscharf gemacht wird, was leicht auf verschiedene Art und Weise bewerkstelligt werden kann.
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Der Grad der Unscharfe oder des verschwommenen Aussehens kann konstant sein, kann aber ebenso in zweckmäßiger Weise je nach dem Abstand zum Target verändert werden, so daß z.B. bei großen Targetabständen das Bild eine konstante, starke Unscharfe hat, die dann vermindert wird, wenn sich der Abstand zum Target verkleinert. Beim kleinsten Targetabstand ist das Bild vorzugsweise ganz scharf.
Der Grad der Verschwommenheit kann ebenfalls in Abhängigkeit von der Größe des Targetbildes auf der Detektoroberfläche verändert werden. In gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein, den Grad der Verschwommenheit zu verändern, und zwar sowohl in Abhängigkeit vom Abstand des Targets als auch von der Größe des Targetbildes.
Ein bevorzugtes Verfahren, um das Targetbild unscharf zu machen, besteht darin, die Detektorebene aus der Bildebene des optischen Systems entlang der optischen Achse zu bewegm. Der Grad der Verschwommenheit, d.h. die Vergrößerung im Bereich des Targetbildes, verändert sich dann direkt mit dem Abstand zwischen der Bildebene des optischen Systems und der Detektorebene, und der Bereich des Targetbildes kann deshalb leicht auf verschiedene Targetabstände und Targetgrößen durch Verrücken der Detektorebene eingestellt werden. Die Verrückung oder Verschiebung der Detektorebene kann durch eine Targetabstands-
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information gesteuert werden, die in dem Targetabtastsystem oder an einem anderen Ort erhalten wird und/oder von DetektorSignalen abhängt, welche anzeigen, daß das Targetbild eine vorbestimmte Ausdehnung auf der Detektoroberfläche erreic-ht hat.
Ein anderer Weg, um das Targetbild unscharf zu machen, besteht darin, daß zwei oder mehr Bilder des Targets auf den DetektorOberflächen erzeugt werden, wobei diese Bilder zueinander verschoben sind. Jedes verschobene Bild kann einzeln scharf sein, aber trotzdem wird das kombinierte Bild verschwommen und verbreitert. Bei der Verwendung einer Detektoroberfläche, die in vier Quadranten geteilt ist, werden vorzugsweise vier Bilder des Targets auf der Detektoroberfläche erzeugt, wobei diese Bilder symmetrisch zueinander verschoben bzw. verrückt sind. Die Verschiebung ist vorzugsweise nicht größer als erforderlich, um einen unbeleuchteten Bereich bei der Mitte der Detektoroberfläche bei dem kleinstmöglichen Targetbild zu verhindern.
Ein anderer Weg, um das Targetbild unscharf zu machen, besteht darin, die auf die Detektoroberfläche von dem optischen System auffallende Lichtstrahl diffus zu streuen oder zu verteilen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung aufweist, die so angeordnet
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oder ausgebildet ist, daß das Targetbild auf der Detektor-
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oberfläche klar gemacht wird, wodurch der Bereich des Bildes auf der Detektoroberfläche vergrößert wird. Bei der einfachsten Ausführungsform weist diese Einrichtung eine Abstandseinrichtung auf, die vorzugsweise einstellbar ist, um die Detektorebene unter einem Abstand von der Bildebene des optischen Systems zu halten. Diese Einrichtung kann auch eine Strahlenstreuvorrichtung oder eine Vorrichtung zum Auseinanderziehen der Strahlen aufweisen, z.B. eine optische Prismenscheibe, um zwei oder mehrere Bilder des Targets auf der Detektoroberfläche zu erzeugen, die zueinander verschoben sind, oder eine Einrichtung zur diffusen Zerstreuung der Strahlen, z.B. eine.mattierte oder rauhe Platte, um ein ganz diffuses auseinandergeζοgenes Bild auf die Detektoroberfläche zu geben.
Pur die Möglichkeit der Einstellung des Grades der Unscharfe auf die Größe des Targetbildes kann die Detektoroberfläche in zwei vorzugsweise ringförmige Zonen um die optische Achse des Systems geteilt werden, wobei der Grad der Verschwommenheit und somit der Bereich des Targetbildes möglichst durch die ¥irkung dieser Einrichtung vermindert wird, wobei diese Wirkung bei einem bestimmten Niveau eines von der äußeren Detektorzone erhal tenen Signals reduziert oder ganz entfernt wird.
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Man erkennt, daß man ein oder mehrere der oben beschrie» .benen Verfahren zur Erzeugung einer Unscharfe des Targetbildes auf der Detektoroberfläche in eine und derselben Anordnung kombinieren kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen: -
Fig. 1 im Prinzip den Aufbau einer Vorrichtung zur automatischen Laser-Zielführung oder -targetabtastung und
Fig. 2 bis k schematisch verschiedene Verfahren, um eine Unscharfe in der Anordnung'gemäß Fig. 1 zu bewirken.
Die Anordnung gemäß Fig. 1 weist einen Laserübertrager und einen Laserempfänger auf, die in der Form separater Einheiten stationär zueinander angeordnet und in herkömmlicher Weise auf einem Rahmen, z.B. einer Lafette, befestigt ist, die sowohl hinsichtlich Azimut als auch Höhenwinkel mittels Servoeinrichtungen einstellbar ist, d.h. bezüglich des Seitenwinkels (la) bzw. Höhenwinkels (ea). Der Laserübertrager weist eine Laserlichtquelle 1 auf, die durch eine Impulseinheit 2 gesteuert ist und
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periodisch Laserlxchtxmpulse emittiert und durch eine Kühlvorrichtung 3 gekühlt wird, wobei ferner auch eine Zoomlinse h vorgesehen ist, um eine geeignete Strahlungslappenbreite einzustellen.
Der Laserempfänger weist ein derart angeordnetes optisches Aufnahmesystem 5 auf, dass ein Bild des Targets auf einem photoelektriscten Detektor 6 mittels Laserlicht aufgegeben wird, welches vom Target reflektiert wird. Ein Schmalbandfilter 7» welches Licht der Laserfrequenz durchläßt, ist im Bestrahlungsweg des optischen Systems angeordnet. Der Detektor 6, der von der Art eines Halbleiters ist, insbesondere mit einer Photolawinendiode, weist eine lichtempfindliche Oberfläche auf, die in vier Quadranten oder Teilflächen 6a, 6b, 6c und 6d aufgeteilt ist, welche voneinander elektrisch isoliert sind und jeweils ein elektrisches Impulssignal erzeugen, welches proportional zu derjenigen Lichtmenge ist, die bei jedem empfangenen, vom Target reflektierten Lichtimpuls auf entsprechende Quadranten fällt. Die Quadranten 6a-6d sind einzeln elektrisch an einen eine Summe und Differenz bildenden Schaltkreis 8 angeschlossen, der ein Seitenwxnkelfehlersignal Δ. la auf einen ersten Ausgang 9 dadurch erzeugt, daß er die Summe der Signale von den Quadranten 6a und 6d von der Summe der Signale von den Quadranten 6b und 6c subtrahiert, und der ein Höhenwinkelfehlersignal Δea auf einem zweiten Ausgang 10 dadurch erzeugt, daß er
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_ Q —
die Summe der Signale von den Quadranten 6a und 6b von der Summe der Signale von den Quadranten 6c und 6d subtrahiert, und auch ein Summensignal ο auf einem dritten Ausgang 11 erzeugt, wobei das Summensignal gleich der Summe der Signale von den vier Quadranten ist. Die drei impulsformigen Ausgangssignale von dem Schaltkreis 8 werden in Verstärkern 12, 13 und 14 verstärkt, nachdem sie zu einem Zeitgatter und einem Halteschaltkreis 15 zugeführt sind, der die Signale von den Verstärkern 12-14 nur durchläßt, wenn der Schaltkreis ein vom Targetabstand abhängiges Zeitgattersignal empfängt, txnd in herkömmlicher Weise so angeordnet ist, um die impulsförmigen Fehlersignale in kontinuierliche ServoSteuersignale umzuwandeln, die in normaler Weise dazu verwendet werden, den Laserübertrager und den Laserempfänger so zu richten oder zu leiten, daß die Fehlersignale gegen Null tendieren.
Der Gesamtsignalimpuls vom Verstärker 14 wird über den Schaltkreis 15 durch das Zeitgattersignal für die Übertragung auf einen Abstandsschaltkreis 17 getaktet, bei dem der Abstand zum Target dadurch berechnet wird, daß die Zeit gemessen wird, die vom Laserimpuls benötigt wird, um das Target zu erreichen und wieder zurückzukehren, d.h. durch Messen der Zeit zwischen einem Laserlichttriggerimpuls -von der Impulseinheit 2, wobei dieser Impuls dem Abstandschaltkreis 17 über die Verbindung 18 zugeführt wird, und dem zugeordneten Gesamtsignalimpuls in dem Aufnahmegerät. Auf dem- Abstand zum Target, der im Abstands-
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schaltkreis berechnet ist, basierend wird eine Schätzung angestellt, wann der nächste Läserimpuls, der vom Target reflektiert ist, aufgenommen werden wird, und somit das nächste Zeitgattersignal zum Schaltkreis 15 über den Anschluß 19 übertragen wird.
Die Größe des Gesamtsignalimpulses wird durch einen AGC-Schaltkreis 20 abgetastet und konstant gehalten, der automatisch die Verstärkung sowohl im Verstärker 14 für den Gesamtsignalkanal als auch in den Verstärkern 12 und I3 für die Fehlersignalkanäle steuert. Somit stört die Abhängigkeit der empfangenen Signalstärke, beispielsweise vom Abstand zum Target, nicht die Neigung der Fehlersignalkurven .
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Einrichtung auf, um das Targetbild unscharf zu machen. Die Figuren 2 bis h zeigen schematisch, wie eine solche Einrichtung ausgestaltet und angeordnet sein kann. Das optische Aufnahmesystem ist zur Vereinfachung in der Form einer einzigen positiven Linse gezeigt, wobei der Strahlenweg vereinfacht oder ganz fortgelassen ist.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 weist der Detektor eine Detektorplatte 21 auf, die in voneinander isolierte Teilflächen geteilt ist. Die Detektorplatte ist dauernd rechtwinklig zur optischen Achse des optischen Empfänger-
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systems 22 auf einem Halter 23 befestigt, der von -einer Führung getragen wird, die parallel zur optischen Achse angeordnet ist, wobei der Halter 23 mittels einer Schraube 25 entlang der Führung verschiebbar ist. Die Schraube 25 arbeitet mit einem mit Gewinde versehenen Teil 26 auf dem Halter zusammen und kann von einem Motor 27 gedreht werden. In der in der Figur dargestellten Position ist die Detektorplatte so verschoben, daß die Detektorebene 28 von der Bildebene 29 des optischen Systems entlang der optischen Achse
verschoben ist. Wie durch die schematisch angezeigten Lichtstrahlen veranschaulxcht, wird daher jeder in der Bildebene fokussierte Bildpunkt aufgrund der Unscharfe auf der Detektorplatte über einen größeren Bereich ausgebreitet oder zerstreut.
Der Halter 23Ast kontinuierlich zwischen zwei Endstellungen verschiebbar, einer ersten Endstellung, in welcher die Detektorebene 28 mit der Bildebene 29 des optischen Systems zusammenfällt, und eine zweite Endstellung, in der eine vorbestimmte maximale Unscharfe erhalten wird.
In der Anordnung gemäß Fig. 3a ist eine kreisförmige Detektorplatte 31» die in vier Quadranten geteilt ist, so befestigt, daß die Bildebene des optischen Systems 32 und die Detektorebene zusammenfallen. Vor bzw. gegenüber dem optischen System befindet sich eine optische Prismenscheibe 33» die auch in vier symmetrische Quadranten geteilt ist, die in Übereinstimmung mit den vier Quadranten
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der Detektorplatte angeordnet sind, wobei jeder ein Bild des Targets erzeugt, welches in den entsprechenden Detektorquadranten verschoben ist, wie durch. Fig. 3c gezeigt ist, unter Darstellung der Detektor ober fläche von. vorn bei der Aufnahme oder dem Empfang eines kreisförmigen Targetbildes. So wie die Prismascheibe 33 von vorn erscheint, kann man aus Fig. 3b sehen. Die Prismenscheibe kann so angeordnet sein, daß sie wahlweise in den Strahlenweg vor (bzw. gegenüber) dem optischen System einbringbar und von dort entfernbar ist und entlang der optischen Achse beispielsweise in der in Verbindung mit dem Halter 23 in Fig. 2 beschriebenen Weise verschiebbar ist.
Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 ist das Bild auf der Detektorplatte 4i, die in der Bildebene fest ist, dadurch unscharf gemacht, daß eine mattierte Glasplatte 43 senkrecht zur optischen Achse in den Strahlenweg zwischen dem optischen System 42 und den Detektor 41 eingebracht ist. Die mattierte Glasplatte 43 ist relativ dicht an der Detektorplatte 41 angeordnet und gibt auf der Detektorplatte ein diffuses, vergrößertes Bild.
Mittels der oben beschriebenen Anordnung ist es somit möglich, dem auf der liclitempfindlichen Oberfläche des Detektors erzeugten Targetbild einen konstanten oder veränderlichen Grad von Unscharfe oder Verschwommenheit zu geben,
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wodurch zu einem großen Maß die durch den Targetabstand und die Targetgröße hervorgerufene Empfindlichkeitsveränclerung des Systems reduziert wird. Ferner bedeutet die Einführung der Unscharfe des Targetbildes auf der Oberfläche des Detektors, welche zu den Bildkonturen führt, die nicht mehr scharf sind, daß der Einfluß der sogenannten intermittierenden Zielreflektion, das ist die Verschiebung des "Schwerezentrums" des Targetbildes, beachtlich reduziert ist.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1 .J Verfahren zur optischen Zielführung bzw. optischen Targetabtastung, bei welchem das Target durch ein optisches System auf einen lichtempfindlichen Detektor projiziert wird, der in einer Detektorebene angeordnet ist, und zwar mittels einer Lichtstrahlung, -die von einem Target emittiert oder reflektiert wird, und bei dem je nach der Stellung des Targetbildes auf der Detektoroberfläche Steuersignale erzeugt werden, um das optische System gegen das Target zu richten, dadurch, gekennzeichnet,." daß mindestens dann, wenn ein klares oder deutliches Targetbild in der Bildebene des optischen Systems im Vergleich zur Detektoroberfläche klein ist, der Bereich des Targetbildes auf der Detektoroberfläche dadurch vergrößert wird, daß man dem Targetbild eine Unscharfe erteilt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetbild dadurch unscharf gemachtwild, daß man die Detektorebene von der Bildebene des optischen Systems bewegt.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetbild dadurch unscharf gemacht wird-, daß
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    man zwei oder mehr Bilder des Targets auf der Detektoroberfläche erzeugt, wobei die Bilder zueinander verschoben sind.
    h. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Targetbild dadurch unscharf gemacht wird, daß man diffus die Lichtstrahlung zerstreut oder auseinanderzieht, die von dem optischen System auf die Detektoroberflache auffällt.
    5· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des Targetbildes auf der Detektoroberfläche in Abhängigkeit vom Abstand zum Target vergrößert wird.
    6. Verfahen nach den Ansprüchen 2 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Bildebene des optischen Systems und der Detektorebene in Abhängigkeit von dem A.bstand. zum Target verändert wird.
    7· Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auseinanderziehung oder Zerstreuung des Targetbildes auf der Detektoroberfläche in Abhängigkeit von der Größe des Targetbildes vergrößert wird.
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    8. Vorrichtung zur optischen Zielführung bzw. optischen Targetabtastung nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem optischen S3>-stem (5> 22, 32, ^-2), welches mittels einer Lichtstrahlung, die von dem Target reflektiert oder emittiert wird, ein Bild des Target auf der Oberfläche eines lichtempfindlichen Detektors (6, 21, 311 ^O erzeugt, der in einer Detektorebene angeordnet ist, und einer Einrichtung (8) zur Erzeugung von Steuersignalen in Abhängigkeit von der Stellung des Targetbildes auf der Detektoroberfläche, um das optische System auf oder gegen das Target zu richten, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung so angeordnet ist, daß sie mindestens dann ein unscharfes Targetbild auf der Detektoroberfläche gibt, wenn ein scharfes Targetbild in der Bildebene des optischen Systems bezüglich der Detektoroberfläche klein ist.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (23-27) vorgesehen ist, mit welcher die Detektorebene (28) in einem Abstand von der Bildebene (29) des optischen Systems (22) gehalten wird.
    10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwisehen der Detektorebene (28) und der Bildebene (29) veränderbar ist.
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    11. Vorrichtung nach, einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, beispielsweise eine optische Prismenscheibe (33)i m^ ^β:Γ zwei oder mehrere Bi.lder des Targets erzeugbar sind, die zueinander auf der Detektoroberfläche verschoben sind.
    12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung, vorzugsweise eine mattierte Glasscheibe (43) vorgesehen ist, mit welcher die auf die Detektoroberfläche von dem optischen System (42) fallende Lichtstrahlung diffus verteilt bzw. auseinandergezogen wird.
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