DE3329590A1 - Verfahren und vorrichtung zur harmonisierung mehrerer optisch/optronischer achsen einer zieleinrichtung auf eine gemeinsame bezugsachse - Google Patents

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Harmonisierung mehrerer optisch/ optronischer Achsen einer Zieleinrichtung auf eine gemeinsame Bezugsachs

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Harmonisierung mehrerer optisch/optronischer Achsen einer Zieleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Geräteanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es sind aus der gattungsgleichen DE-PS 30 48 809 und der DE-OS 31 04 318 Verfahren und Geräteanordnungen bekannt, bei denen ein Wärmebildgerät mit einem Lasersender so gekoppelt ist, daß das Wärmebildgerät als Empfangskanal für den Lasersender verwendet wird. Eine solche Kombination hat den Vorteil, daß teuere und räumlich ausgedehnte Baugruppen wie Infrarotoptik, Detektor und Kühler für die "Wärmebilddarstellung und die Entfernungsmessung gemeinsam verwendet werden und wegen der Verwendung des gleichen Spektralbereichs kompatibel, d.h. den gleichen atmosphärischen Transmissionsbedingungen unterworfen sind.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabe zugrunde

a) die optisch/optronischen Achsen von Wärmebildgerät, Laserentfer-

nungsmesser und einem Tagvisier zu harmonisieren oder - anders ausgedrückt - Tagzielmarke, Wärmebild-Zielmarke und Abstrahlrichtung des Lasersenders aufeinander auszurichten, um zu gewährleisten, daß das vom Tagvisier bzw. vom Wärmebildgerät anvisierte Ziel vom Laserentfernungsmesser vermessen und mit hoher Trefferwahrscheinlichkeit bekämpft werden kann,

b) die Möglichkeit einer Harmonisierung zu einer Kombination von Wärmebildgerät und Laserentfernungsmesser zu schaffen, bei der

ein ausgewähltes (und nicht ein spezielles)Element der Detektorreihenanordnung des Wärmebildgerätes als Laserempfangselement ver-

wendet wird und ein "Scan-Position-Sensor" (SPS) beim Abtastsensor durch Sensierung der Position des Abtastspiegels den Triggerpuls für die Auslösung des Lasersendeimpulses liefert und
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c) eine regelmäßige Überprüfung der Harmonisierungsgüte zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Hierbei wird davon ausgegangen, daß im Tagvisier eine feste Zielmarke integriert ist, deren Mittelpunkt der Durchstoßpunkt der Visierlinie (Bezugsachse) für die Harmonisierung ist und daß im Wiedergabeteil des Wärmebildgerätes eine zweite, bewegliche .Zielmarke erzeugt wird, die auf die Tagzielmarke, z.B. bei einer Feldjustage, ausgerichtet werden kann. Das kann dadurch geschehen, daß ein entferntes. Ziel mit dem Tagvisier genau ausgerichtet, unter Beibehaltung der Ausrichtung auf das Wärmebild umgeschaltet und mit Hilfe von Justierkeilen" im afokalen Strahlengang des Wärmebild-Wiedergabekanals die Wärmebild-Zielmarke genau auf das als Wärmebild dargestellte Ziel ausgerichtet wird. Damit sind Tagsichtkanal und Wärmebildgerät über die Zielmarken miteinander harmoni.siert.

Da Tagvisier und Wärmebildgerät getrennte Baugruppen sind und auf einem gemeinsamen Träger montiert sind, der als optische Bank wirkt, muß bei der beweglichen Wärmebild-Zielmarke mit einer Toleranz gerechnet werden, die im ungünstigsten Fall in Azimut und Elevation + 25% des Bildfeldwinkels entspricht. Um diesen Toleranzwinkel muß die Wärmebild-Zielmarke mit Hilfe des Justierkeilpaares bewegt werden können und nach Beendigung des Justiervorgangs eine Justierbeständigkeit innerhalb einer Toleranz von + 0,1 mrad gewährleistet sein.

Es wird bei der Aufgabenlösung weiterhin vorausgesetzt, daß die Visieranordnung so ausgestaltet ist, daß der Lasersender starr mit

dem Tagvisier gekoppelt ist und die Abstrahlungsachse des Lasersendestrahlenbündels auf besser + 0,1 mrad zur Tagvisierlinie justiert bleibt. Da der Laserimpuls mit einer Pulsdauer bei ca. 50 ns Verstärkerbandbreiten von mindestens 10 MHz fordert, die Ver-Stärkerbandbreiten für den Empfang der Wärmebildsignale jedoch bei max. 100 kHz liegen, müssen die für Laserstrahlung verwendeten Sensorelemente mit Vorverstärkern ausgestattet werden, die kurze Laserimpulse empfangen und gleichzeitig niederfrequente Wärmebildinformation verarbeiten können. Das kann erfindungsgemäß z.B. dadurch erreicht werden, daß ein Element bzw. wenige Elemente im mittleren Bereich der Detektorreihenanordnung für die Aufnahme der Laserstrahlung mit Breitbandvorverstärker mit sehr niedriger unterer Grenzfrequenz ausgerüstet werden und nach der Vorverstärkung über eine Frequenzweiche niederfrequente Wärmebildsignale und hochfrequente Laserimpulse getrennt nachverstärkt und weiterverarbeitet werden. Wegen des hohen technischen Aufwandes ist es hierbei von Vorteil, daß lediglich ein bis drei mittlere Elemente mit Breitbandvorverstärkern, Frequenzweichen und getrennten Nachverstärkern ausgerüstet werden. Auch lassen sich Justiermöglichkeiten vorsehen, die es ermöglichen, über dem vorhandenen Toleranzbereich von ca. + 7 mrad in Azimut und·Elevation die Achsharmonisierung zu erreichen, wobei diese Justierverfahren beim Wärmebildaufnahmekanal angesetzt werden. Um Tagzielmarke und Wärmebild-Zielmarke deckungsgleich zu machen, ist nach der Harmonisierung von Tag- und Wärmebild-Aufnahmekänal' .die Wärmebild-Zielmarke im Wärmebildwiedergabekanai auf das Zielbild einzustellen. Das geschieht zweckmäßigerweise ebenfalls durch ein Drehkeilpaar. Diese Maßnahmen haben zur Folge, daß Tagzielmarke und Wärmebild-Zielmarke im Durchstoßpunkt der Visierlinien deckungsgleich sind und durch Umschaltung Tag/Nacht der Harmonisierungszustand überprüft werden kann. Bei exakt gleichen Vergrößerungen und Randverzerrungen von Tagbild und Wärmebild ergibt sich sogar eine deckungsgleiche überlagerung vom Tagbild und Wärmebild in der Okularebene, wenn anstelle der Spiegelumschaltung Tag/Wärmebildgerät die Umschaltung eines teildurchlässigen und teil reflektierenden Strahlteilers gesetzt wird.

Um im Bedarfsfall z.B. unmittelbar vor der Bekämpfung des Zieles eine überprüfung der Harmonisierung der Achsen durchführen zu können, wird nach einem weiteren Erfindungsgedanken in einem Testmode die dem Laserempfangselement zugeordnete lichtemittierende Diode mit einem elektrischen Signal zum Leuchten angeregt, so daß im Wärmebild-Wiedergabekanal eine helle horizontale Linie erzeugt wird, die über die Mitte des anvisierten Zieles läuft, wenn Laserempfangskanal und Wärmebild-Zielmarke in der Elevation harmonisiert sind. Um die Harmonisierung im Azimut zu überprüfen, wird die gleiche lichtemittierende Diode durch den Tastimpuls des SPS periodisch in der Bildfolgefrequenz zum Leuchten angeregt, der normalerweise den Lasersendeimpuls triggert. Bei genauer Azimutharmonisierung leuchtet der Lichtpunkt an der anvisierten Stelle des Zieles auf. Im Falle einer Dejustage kann die Harmonisierung nach diesen Erfindungsgedanken in zwei Schritten erfolgen, die Vertikaljustage erfolgt durch den Drehkeil im parallelen Strahlengang zwischen IR-Teleskop und Scanner bei Dauerbeleuchtung der ausgewählten lichtemittierenden Diode, die horizontale Justage erfolgt über eine Änderung der Verzögerungszeit zwischen Nullstellung des SPS und periodisches Aussenden des Tastimpulses zur Ansteuerung der lichtemittierenden Diode, wobei die Verzögerungszeit etwa der Laufzeit der doppelten zu vermessenden Zielentfernung entspricht. Die Justage kann aber auch nur mit der gepulsten lichtemittierenden Diode erfolgen, wenn man die Vertikalablage wieder durch Drehung des Korrekturkeiles im Wärmebildaufnahmekanal korrigiert und die Horizontalkorrektur anschließend durch Änderung der Verzögerungszeit vornimmt.

Im folgenden werden anhand von Prinzipzeichnungen. Ausführungen der Erfindung näher erläutert, wobei in den einzelnen Figuren einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt

Big. 1 die schematische Darstellung einer Visieranlage, bestehend aus einem Tagsichtkanal, einem Wärmebild-Empfangskanal, dem Laserempfangskanal eines Laserent

fernungsmessers mit abgesetztem Lasersender, einer

Zielmarke und optischen Mitteln zur Harmonisierung der Visieranlage (a); eine perspektivische Darstellung der gleichen Anlage ohne Bildwiedergabe des Wärmebildkanals und ohne Tagvisier (b), ·

Fig. 2 die schematische Darstellung einer Detektorreihenanordnung von 2n Einzelelementen, bei denen beispielsweise die mittleren Elemente der Reihe n-1, η und n+1 mit einem gemeinsamen breitbandigen Vorverstärker zur Verstärkung des empfangenen Läsersignals und des Wärmebildsignals und jeweils zwei getrennten Nachverstärkern mit unterschiedlichen Bandbreiten zur Trennung des Lasersignals von dem Wärmebildsignal (a), und eine modifizierte Version mit Trennung der Signale unmittelbar am Detektorausgang und getrennten Vor- und Nachverstärkern (b),

Fig. 3 die schematische Darstellung mit nach Fig. 2a oder Fig. 2b modifizierten Detektorreihenanordnungen und Verstärkern, bei der als Harmonisierungseinrichtung für die Justage in Vertikalrichtung ein um eine·Achse drehbarer achromatischer Keil verwendet wird, der im afokalen Strahlengang hinter dem Teleskop des Wärmebildgerätes angeordnet ist (a), oder im konvergenten Strahlengang des

25- IR-Objektivs (b). Verwendung findet auch ein drehbarer Umlenkspiegel des rechteckig abgewinkelten IR-Objektives, der um eine 45° zur Spiegelfläche geneigte Achse gedreht werden kann (c) oder in einer anderen Version die letzte Linsengruppe des IR-Teleskopes, die senkrecht zur optischen Achse des Teleskopes und zur Drehachse des Abtastspiegels bewegt wird (d,- d¹). Nach der Harmonisierung werden in allen 4 Fällen a bis d die Justierglieder in der Justierstellung arretiert und

Fig. 4 anhand des Beispieles von Fig. 3a .in vereinfachter Form die Einspiegelung der Wärmebildzielmarke in den optischen Strahlengang des Wärmebild-Wiedergabekanals und

die Justagemöglichkeit der Wärmebild-Zielmarke zur nicht dargestellten Tagzielmarke durch geeignete Drehung des Drehkeilpaares vor der Optik des Zielmarkenprojektors.

In Fig. 1a ist eine optronische Visiereinrichtung mit dem Wärmebildlaser -Empfangskanal 1 in dem Gehäuse Γ, dem Lasersender 2 in dem Gehäuse 2' und dem optischen Tagsichtkanal 3 in dem Gehäuse 3¹ dargestellt. . ' ..

Der kombinierte Wärmebildlaser-Empfangskanal 1 ist mit dem Lasersender 2 so gekoppelt, daß die optische Achse 4 des Empfangskanals . und die optische Achse 5 des Lasersenders 2 mit Abweichungen unter 0,1 mrad, das heißt also praktisch parallel verlaufen. Die Laserstrahlung 6 wird in dem Resonator 7 erzeugt, durch die als Galilei-Fernrohr ausgebildete Sendeoptik 8 scharf gebündelt und in Pfeilrichtung abgestrahlt. Die vom nicht dargestellten Ziel reflektierte Laserstrahlung 9 tritt in Pfeilrichtung durch das als Empfangsoptik ausgebildete IR-Teleskop 10 hindurch, und zwar - bei guter Harmonisierung zwischen Sender- und Empfangseinheit - parallel zur optischen Achse des Empfangskanals 1. Durch die gleiche Eintrittspupille des IR-Teleskops 10 tritt auch die Ziel- und Umgebungseigenstrahlung 11, dargestellt durch drei Pfeile, die den verarbeiteten Bildfeldwinkel symbolisieren. Beide Strahlungen, von denen die Laserstrahlung eine Linienstrahlung und die Wärmestrahlung von Ziel und. Hintergrund eine Breitbandstrahlung von z.B. 8-12 pm ist, verlassen das Teleskop als parallele Strahlenbündel, treffen auf den beidseitig verspiegelten Abtastspiegel 12 und werden auf den Sensor 13 fokussiert, der sich in der Bildebene des IR-Objektives 14 befindet - umgeben von dem Dewar-Gefäß 15 und abgekühlt durch den Kühler 16, dessen Kühlfinger 17 die Sensoren auf tiefe Temperaturen bringt. Die Rückseite des Abtastspiegels 12 wird zur Wiedergabe des optoelektronisch umgewandelten Wärmebildes verwendet. Der Abtastspiegel 12 ist für den Wärmebild-Aufnahmekanal erforderlich, dessen Sensor 13 eine Reihenanordnung von bis zu 200 Einzeldetektoren besitzt, die nach Fig. 1b senkrecht zur Abtastrichtung angeordnet sind und in der Regel untereinander einen Abstand von einer Detektorbreite besitzen. Dadurch

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ist es möglich, mittels eines Zeilensprungverfahrens mit η Sensorelementen 2n Zeilen zu schreiben. Jeder Einzeldetektor 13' sieht zu jedem Zeitpunkt je nach Stellung einen anderen Teil der in der Bildebene dargestellten Szene, wobei der Vorgang sich mit der Periode der harmonischen Schwingbewegung des Spiegels wiederholt. Die einfallende Laserstrahlung 9 unterscheidet sich von der passiven Wärmestrahlung 11 dadurch, daß sie bei exakter Harmonisierung der Visieranlage parallel zur optischen Achse 4 des Empfangskanals als Signalpuls mit einer Pulsdauer von ca. 50 ns einfällt und damit Frequenzanteile im MHz-Bereich enthält, während Wärmestrahlung im gesamten, dujrch den Abtastwinkel des Abtastspiegels 12 festgelegten .Bildwinkelbereich des Wärmebildgerätes einfällt und Frequenzanteile von einigen Hz bis ca. 100 kHz umfaßt. Insoweit handelt es sich um an sich bekannten Stand der Technik.

Der Tagsichtkanal 3 ist über sein Gehäuse 3¹ so mit der übrigen Visieranlage verbunden, daß die optische Achse 18, die gleichzeitig Visierlinie ist, im harmonisierten Zustand parallel zu den übrigen optischen Achsen 4 und 5 verläuft. Die durch drei Pfeile gekennzeichnete sichtbare Strahlung aus der Szene 19 wird durch das Objektiv 20 in der Zielmarkenebene 21 abgebildet, durch die Kollimator· linse 22 kollimiert und bei ausgeklapptem Umlenkspiegel 23 (nicht dargestellt) über das Okular 2.4 beobachtet. Für die Beobachtung und Ziel bekämpfung mit dem Wärmebildgerät wird die Leuchtdiöden-Reihenanordnung 25 über das Objektiv 26, die Rückseite des Abtastspiegels 12, den festen Umlenkspiegel 27, das Strahlteilerprisma 28, den unter 45° in den optischen Strahlengang des Tagsichtkanals um den Schwenkpunkt 23' in Pfeilrichtung eingeklappten Umlenkspiegel 23 und das Okular 24 auf der Netzhaut des Beobachters abgebildet.. Dabei wirddie Tagzielmarke 21 durch die Wärmebild-Zielmarke 29 des Zielmarkenprojektors 29 bis 31 ersetzt, wobei die Zielmarke durch die Lampe 30 beleuchtet sowie über die Kollimatoroptik 31 und die tei!reflektierende Strahlteilerschicht 32 des Strahlteilerprismas in den Wärmebild-Wiedergabekanal eingespiegelt und dem Wärmebild überlagert wird. Im harmonisierten Zustand, wenn in nicht dargestellter Weise optische Achsen von Tagsichtkanal und Wärmebildgerät

parallel sind, wird die justierbare Wärmebildzielmarke 29 so verschoben, daß sie bei eingeklapptem Umlenkspiegel 23 an der Position der Tagzielmarke erscheint. Dabei wird vorausgesetzt, daß die optischen Achsen 5 bzw. 18 von Lasersender 2 und Tagsichtkanal 3 genau parallel verlaufen.

In Fig. 1b sind Baugruppen der Visieranordnung nach Fig. 1a - ausgenommen den Tagsichtkanal 3 - perspektivisch dargestellt, um die Erzeugung des Auslöseimpulses für den Lasersendeimpuls zu beschreiben.

Sie enthält gegenüber Fig. 1a die zusätzlichen Baugruppen Entfernungsmeßauslöseschalter 33, Scan-Positipn-Sensor (kurz SPS) 34 und variables Verzögerungsglied 35. Nach Bedienung des Auslöseschalters 33 durch den Richtschützen wird mit Hilfe des SPS 34 optoelektronisch die Position des Abtastspiegels 12 festgestellt, zu dem der Wärmebildempfänger eine definierte Position gegenüber der optischen Achse 5 des Lasersenders 2 einnimmt und ein Auslöseimpuls für den Lasersendeimpuls über das variabel einstellbare· Verzögerungsglied 35 auslöst, den der Lasersender über das Sendeteleskop 8 aussendet. Die Verzögerungszeit kann so eingestellt werden, daß der vom Ziel reflektierte Anteii des Laserimpulses 9 zu einem Zeitpunkt über das Teleskop 10 in den Wärmebildaufnahmekanal eintritt, zu dem der Abtastspiegel 12 eine solche Position einnimmt, daß der Laserimpuls über das IR-Objektiv 14 auf das für. die Verarbeitung des extrem kurzen Impulses vorbereitete Element (z.B. Element n) der Detektorreihenanordnung 13 fokussiert wird.

In Fig. 2a ist als Beispiel der Aufbau der Detektorreihenanordnung 13 mit 2n Einzeldetektoren 13', die in einer senkrechten Reihe angeordnet sind und untereinander einen Abstand von einer Detektorbreite haben, dargestellt. In dem Beispiel sind drei der mittleren Detektoren 36 mit Breitbandvorverstärkern 37 mit Bandbreiten von mehreren MHz verbunden. Sie verstärken die Laser- und Wärmebildsignale; ihre Ausgänge sind parallel mit den Eingängen von 2 Nachverstärkern 38 und 39 verbunden, von denen der eine Nachverstärker 38 eine obere Grenzfrequenz von ca. 100 kHz besitzt und das Wärmebildsignal verstärkt, während der zweite Nachverstärker 39 mit

einer unteren Grenzfrequenz von ca. 100 kHz und einer oberen Grenzfrequenz von einigen MHz Bandpaßcharakter hat, sowie das Lasersignal verstärkt und weiterleitet.

Die Darstellung nach Fig. 2b unterscheidet sich von Fig. 2a dadurch, daß Lase'signal und Wärmebildsignal durch getrennte Vorverstärker 40 und 41 mit Tiefpaß- und Bandpaßcharakteristik verarbeitet und in getrennten Nachverstärkern 42 und 43 weiterverstärkt werden.

In den schematischen Darstellungen von Fig. 3a bis 3d sind vier verschiedene Vorrichtungen gezeigt, bei denen die optische Achse 4 des Wärmebild-Empfangskanals 1 durch getrennte Justagevorgänge in Azimut- und Elevationsrichtung so zu Lasersender 2 (Fig. 1) und Tagsichtkanal 3 justiert werden, daß die vom Ziel reflektierte Laser.-strahlung 9 den präparierten mittleren Detektor η 36 der Detektorreihenanordnung 13 trifft und der Laserimpuls über Vorverstärker 37 (Fig. 2a) und Nachverstärker 39 der Auswerteelektronik zugeführt wird. Diese "dynamische" Harmonisierung wird dadurch erreicht, daß ein starr mit dem Gehäuse des Abtastspiegels 12 verbundener Scan-Position-Sensor 43' Strahlung der punktförmigen Lichtquelle 44 über den 1:1-Strahlteilerspiegel 45 und die Optik 46 auf eine der beiden Spiegelflächen, im Beispiel die wiedergabeseitige Spiegelfläche des Abtastspiegels 12, wirft und die reflektierte Strahlung über die gleiche Optik 46 und den teildurchlässigen Strahlteilerspiegel 45 durch die Loch- oder Schlitzblende 47 hindurchtritt und bei dem Detektor 48 ein Triggersignal erzeugt, wenn durch die Winkelposition des Abtastspiegels 12 momentan Autokollimation hergestellt wird. Dieser Triggerimpuls wird zur Auslösung des Laserimpulses verwendet. Durch Wahl der Verzögerungszeit über das variable Verzögerungsglied 35 (Fig. 1b) wird erreicht, daß die vom Ziel reflektiert Laserstrahlung 9 dann durch das IR-Teleskop 10 einfällt, wenn der Abtastspiegel 12 so ausgerichtet ist, daß die Laserstrahlung auf die Detektorreihenanordnung 13 fällt, d.h. die horizontale Harmonisierung erreicht ist. Die vertikale Harmonisierung, die gewährleistet, daß die einfallende Laserstrahlung den ausgewählten η-ten Detektor 36 trifft, erfolgt in Fig. 3a über dem Drehkeil 49,

der um die Drehachse 50 senkrecht zur optischen Achse 4 und zur Abtastspiegeldrehachse 51 angeordnet ist.

In Fig. 3b ist zur vertikalen Harmonisierung eine Planplatte52 im konvergenten Strahlengang des IR-Objektives 14 drehbar angeordnet.

In Fig. 3c wird der Umlenkspiegel 53 des IR-Objektivs 14 zur Harmonisierung um die Achse 54 gedreht.
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Nach Fig. 3d wird das Hinterglied 68 des IR-Teleskops 10 in Pfeilrichtung 55 und parallel zur Drehachse 51 des Abtastspiegels bewegt .

In allen vier zuletzt beschriebenen Fällen erfolgt die Horizontalharmonisierung in .der beim Ausfiihrungsbeispiel gemäß Fig. 3a erläuterten Weise.

In Fig. 4 wird anhand des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 3a die Harmonisierung des Wärmebildaufnahmekanals zu Tagsichtkanal'3 und Lasersender 2 sowie die Ausrichtung der Wärmebild-Zielmarke 29 des Wärmebild-Wiedergabekanals 12 und 23 bis 28 auf die Tagvisierlinie dargestellt.

Bei der in Fig. 1a dargestellten Visiereinrichtung wird die Harmonisierung zwischen den verschiedenen Kanälen dadurch realisiert, daß ein definierter Zielpunkt in ausreichender Entfernung mit dem Tagsichtkanal bei ausgeklapptem Spiegel 23 anvisiert wird und durch Einklappen des Spiegels 23 über das Okular 24 das Wärmebild der gleichen Szene beobachtet wird. Dann wird die Wärmebildzielmarke 29 mit Hilfe von Justiermitteln, z.B. zwischen dem Strahlteilerprisma 28 und dem Zielmarkenprojektor 29 bis 31 angeordneten Drehkeilen,so ausgerichtet, daß das Punktziel in der Mitte der Wärmebild-Zielmarke 29 erscheint. Damit ist der Wärmebild-Wiedergabekanal 12 und 23 bis 28 auf den Tagkanal 3 und den Lasersender 2 harmonisiert. Es ist aber noch nicht gewährleistet, daß das ausge-

wählte Detektorelement η 36 der Detektorreihenanordnung 13 die vom Ziel reflektierte Laserstrahlung empfängt. Dazu ist nach Fig. 4 folgendes Harmonisierungsverfahren anzuwenden:

Die Wärmebild-Zielmarke 29 wird über das Drehkeilpaar 57 auf das im Wärmebild dargestellte Punktziel harmonisiert, wobei jeder Drehkeil durch einen getrennten Antrieb 58, 59 angetrieben und seine Position durch integrierte Winkelgeber 60, 61 bestimmt werden kann. Wenn das Punktziel im Zielmarkenmittelpunkt abgebildet ist, wird der Vorverstärker 37 (bzw. 40) des η-ten Detektorelementes durch den Signalgenerator 62 über den Schalter 63 mit einem Dauerstrichvideosignal beaufschlagt,, das über den Nachverstärker 38 das n-te Element der Leuchtdioden-Reihenanordnung 25 hellsteuert und damit die n-te Zeile des Wärmebildes zum Leuchten bringt. Durch Drehen des zwischen IR-Teleskop 10 und Abtastspiegel 12 vorgesehenen Justierkeiles 49 um dessen Achse 50 wird das Wärmebild senkrecht zur Abtastrichtung so verschoben, daß die n-te Zeile mit dem Zielpunkt zusammenfällt. Dann wird durch Betätigung des Schalters 63 die Signalquelle 62 abgeschaltet und vom SPS 43 ein extrem kurzer Impuls periodisch mit der Abtastfrequenz des Abtastspiegels 12 erzeugt, wenn dieser in Autokollimation ist. Dieser Impuls wird in dem Impulsverstärker 64 verstärkt und über die steuerbare Verzögerung schaltung 65 dem Nachverstärker 38 zugeführt, der das n-te Element der Leuchtdioden-Reihenanordnung 25 periodisch kurzzeitig hell tastet und damit bei konstanter Verzögerung einen definierten Punkt der η-ten Zeile aufleuchten läßt.. Das gleiche Signal wird auch zur Triggerung des Lasersenders 2 verwendet. Mit Hilfe der Einstellvorrichtung 66 wird die Verzögerungszeit der Verzögerungsschaltung 65 so eingestellt, daß das n-te-Element der Leuchtdioden-Reihenanordnung genau dann aufleuchtet, wenn der n-te Detektor 13' genau auf das Punktziel ausgerichtet ist. Dann ist der Wärmebild-Empfangskanal .als Laserempfangskanal zu Tagsichtkanal 3 und Lasersender 2 harmonisiert und gleichzeitig Tagzielmarke 21 und Wärmebild-Zielmarke 29 deckungsgleich.

Das gleiche Harmonisierungsverfahren kann angewendet werden, wenn man anstelle des Justierkeils 49/die" Planplatte 52 (Fig. 3b), den drehbaren Umlenkspiegel 53 (Fig. 3c) oder das verschiebbare Hinterglied 68 des Teleskopes 10 (Fig. 3d) zur Vertikalharmonisierung einsetzt.

In Fig. 4 ist weiterhin schematisch die integrierte Bedieneinheit 67 für die Harmonisierung mit den Bedienelementen A bis E und den entsprechenden Ausgängen A¹ bis E¹ zur Durchführung der verschiedenen Harmonisierungsschritte, die im vorhergehenden Text beschrieben wurden, dargestellt.

Mit den Bedienelementen A und B werden die Justierkeile 57 getrennt eingestellt, C schaltet die Signalquelle 62 ein und aus, D steuert über die Einstellvorrichtung 66 das variable Verzögerungsglied 65 und E dient zur Vertikalharmonisierung durch Drehung des Drehkeils ' 49 um seine Achse 50.

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Claims (18)

ELTRO GMBH GESELLSCHAFT FÜR STRAHLUNGSTECHNIK 6900 Heidelberg, Kurpfalzring 106 Patentansprüche

1. Verfahren zur Harmonisierung mehrerer optisch/optronischer Achsen einer Zieleinrichtung, die sich u.a. aus einem Lasersender und einem Wärmebildgerät mit zueinander parallel ausgerichteten optischen Achsen zusammensetzt, deren gemeinsamer Wärmebild/Laser-Empfangskanal in Strahleneinfallsrichtung aus einem IR-Teleskop, einem in Ruhestellung unter 45° angeordnetem Abtastspiegel sowie einer gekühlten Detektorreihenanordnung mit vorgeschaltetem IR-Objektiv besteht, wobei ein über die Rückseite des Abtastspiegels in der Bildebene eines Okulars dargestelltes Wärmebild einer Szene so verschiebbar ist, daß die optische Achse des gemeinsamen Wärmebild'/Laser-Empfangskanals auf das Ziel ausgerichtet ist, und mit Hilfe des Spiegels einerseits Szenenabschnitte fortlaufend und zeitlich nacheinander, andererseits Laserimpulse nur bei definierter Winkelposition des Spiegels auf die Detektorreihenanordnung gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein zum Lasersender und zum gemeinsamen Wärmebild/Laser-Empfangskanal (1) bzw. zu deren optischen Achsen (4; 5) parallel ausgerichteter Tagsichtkanal (3) mit seiner optischen Achse (18) sowie einer Zielmarke (21) als Hauptzielmarke der Zieleinrichtung verwendet wird,

b) als Sensor zur Aufnahme der Laserstrahlung (9) und der Wärmestrahlung (11) aus der Szene wenigstens ein Element aus der Mitte der Detektorreihenanordnung (13) ausgewählt wird,

c) die empfangene Laser- und Wärmestrahlung (9; 11) zur Laserentfernungsmessung und Wärmebilddarstellung in getrennte elektrische Signale umgewandelt werden,

d) im Wärmebild-Wiedergabekanal (12 und 23 bis 28) eine auf das Wärmeziel justierbare Wärmebildzielmarke (29) erzeugt bzw. eingespiegelt wird,

e) die Elemente der Detektorreihenanordnung (13) mit jeweils unterschiedlichen Richtmitteln auf die Achse (5) des Lasersenders (2) sowie die Wärmebildzielmarke (29) auf die Tagzielmarke (21) ausgerichtet werden und

f) zum Zweck der Überprüfung und/oder Korrektur der Harmonisierung des Wärmebild-Wiedergabekanals (12 und 23 bis 28) in bezug auf den Tagsichtkanal (3) Wärme- und Tagbild mit ihren jeweils eingeblendeten Zielmarken (29; 21) einander zeitweilig überlagert werden.

2. Verfahren nach Anspruch -1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Harmonisierungszustand der Visieranlage mit Testprogrammen überprüft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1und2, dadurch gekennzeichnet, daß für Wärmebildgerät und Tagsichtkanal (3) eine gemeinsame Zielmarke verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeic-hnet, daß der zur Auslösung des Lasersendeimpulses vorgesehene Triggerimpuls - für die Zeit der Entfernungsmessung - zum Betreiben der für den Laserstrahlungsempfang ausgewählten Einzeldetektoren - z.B. im Minority Carrier Sweep out Mode (= Beseitigen des Rauschens von Minoritätsträgern durch Anlegen einer geeigneten Spannung) verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Harmonisierungszustand in periodischen Abständen automatisch überprüft wird.

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6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebild-Aufnahmekanal auf den Lasersender (2) und der Wärmebild- Wieder-

. gabekanal (12 und 23 bis 28) auf die Wärmebild-Zielmarke (29) · durch folgende Verfahrensschritte harmonisiert wird:

a) der n-te Einzeldetektor der Detektorreihenanordnung (13) wird durch ein Dauerstrich-Videosignal so angesteuert, daß ein ihm zugeordnetes n-tes Leuchtdiodenelement aufleuchtet und auf dem Wärmebild eine helle horizontale Linie erzeugt, sofern der Abtastspiegel (12) periodisch um seine Achse bewegt wird,

b) die leuchtende Zeile wird durch vertikale Bewegung des Wärmebildes mit Hilfe von im Wärmebild-Aufnahmekanal vorgesehenen Richtmitteln vertikal ausgerichtet,

c) das Dauerstrich-Videosignal wird abgeschaltet und das n-te

Leuchtdiodenelement wird durch einen elektrischen-Impuls

Scan-Position-Sensor

periodisch angesteuert, der von einem/($PS)auf der Wiedergabeseite des Abtastspiegels (12) bei Autokollimation erzeugt wird und das n-te Leuchtdiodenelement periodisch aufleuchten läßt,

d) der Wärmebild-Aufnahmekanal wird durch Einstellen der Verzögerungszeit des elektrischen Impulses über eine variable Verzögerungsschaltung auf ein Wärme-Punktziel horizontal ausgerichtet, und zwar bis die Leuchtdiode direkt auf dem Punktzielbild periodisch aufleuchtet und

e) die Wärmebild-Zielmarke (29) wird durch Richtmittel für horizontale und vertikale Verschiebung von Wärme- oder Zielmarkenbild auf das Punktzielbild im Wärmebild-Wiedergabekanal (23 bis 32) ausgerichtet.

7. Geräteanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Gehäuse (2¹) des Lasersenders (2) und das Gehäuse (3¹) des Tagsichtkanals (3) in dem Gehäuse (1) des Wärmebild/ Laser-Empfangskanals (1) sowohl in konstruktiver als auch in einer die zugehörigen optischen Achsen (4; 5; 18) parallel ausrichtenden Weise integriert sind,

b) die in den Wärmebild/Laser-Empfangskanal (1) einfallende Laserstrahlung (9) sowie die Ziel- und Umgebungseigenstrahlung (11) auf die Detektorreihenanordnung (13) und die in den Tagsichtkanal einfallende sichtbare Strahlung (19) aus der Szene auf ein Okular (24) gelangt und

c) in Einfallsrichtung vor dem Okular (24) ein Umlenkspiegel (23) in den Strahlengang klappbar ist, der in eingeklapptem Zustand außer der sichtbaren Strahlung (19) die von Leuchtdioden (25) - nach optoelektronischer Umwandlung - sichtbar gemachten Signale der Detektorreihenanordnung (13) über den Wärmebild-Wiedergabekanal (12 und 23 bis 28) auf das Okular, lenkt.

8. Geräteanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ,daß der Tagsichtkanal (3) in Strahlendurchtrittsrichtung aus einem Objektiv (20) besteht, das die einfallende Strahlung (19) der Szene in der Ebene der Zielmarke'.(21) ⁽ abbildet und aus einer Kollimatorlinse (22), die die Strahlung bei ausgeklapptem Umlenkspiegel (23) auf das Okular (24) lenkt.

9. Geräteanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmebild-Wiedergabekanal (12 und 23 bis 28) in Strahlenverlaufsrichtung aus der Leuchtdioden-Reihenanordnung (25) besteht, die die optoelektronisch umgewandelten Signale über ein Objektiv (26), die Rückseite des Abtastspiegels (12),bedarfsweise einen festen Umlenkspiegel (27),

ein Strahlteilerprisma (28), den in den Strahlengang eingeschwenkbaren Umlenkspiegel (23) und das Okular (24) auf der Netzhaut des Beobachters abbildet.

10. Geräteanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Wärmebild-Wiedergabekanals (12 und 23 bis 28) die Wärmebild-Zielmarke (29) mittels einer Lampe (30) beleuchtet sowie über eine Kollimatoroptik (31) und eine Strahlteilerschicht (32) des Strahlteilerprismas (28) dem Wärmebild überlagert wird.

11. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch· gekennzeichnet, daß die ausgewählten Empfängerelemente (36) der Detektorreihen-. anordnung (13) zur Aufnahme der Laserstrahlung (9) und Wärmebildstrahlung (11) jeweils mit einem breitbandigen Vorverstärker (37) mit einer oberen Grenzfrequenz von mehreren MHz zusammengeschaltet ist und daß jeweils der Ausgang dieser Vorverstärker mit zwei parallelen Nachverstärkern (38; 39) gekoppelt ist, von denen der Nachverstärker (38) eine obere Grenzfrequenz von ca. 100 kHz besitzt und Wärmebildsignale verstärkt, während der andere Nachverstärker (39) Bandpaßcharakter hat, mit einer unteren Grenzfrequenz von ca. 100 kHz und einer oberen Grenzfrequenz von einigen MHz das Lasersignal verstärkt und weiterleitet (Fig. 2a).

12. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem-der vorausgehenden' Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung (9) und die Wärmebildstrahlung (11) durch getrennte Vorverstärker (40; 41) mit Bandpaß- bzw. Tiefpaßcharakteristik verarbeitet und in getrennten Nachverstärkern (42; 43) weiter verstärkt werden.

13. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
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a) ein Scan-Position-Sensor (SPS) (43) so mit dem Abtastspiegel (12) gekoppelt ist, daß bei einer definierten Stellung des Abtastspiegels die Autokollimationsbedingungen erfüllt sind und von einer Punktlichtquelle (44) herrührendes Licht von einem weiteren Strahlteiler (45) abgespiegelt, durch eine weitere Optik (46) kollimiert und durch die Spiegelfläche des Abtastspiegels so reflektiert wird, daß die durch eine Schlitzblende (47) hindurchtretende Strahlung über einen weiteren Detektor (48) ein elektrisches Signal generiert, das die Autokollimation anzeigt und für Harmonisierungszwecke Verwendung findet und

b) im afokalen Strahlengang des Wärmebild-Aufnahmekanals zwischen IR-Teleskop (10) und Abtastspiegel (12) ein IR-durchlässiger Drehkeil (49) installiert ist, der um seine Drehachse (50) senkrecht zur Abtastspiegelachse (51) und zur optischen Achse (4) gedreht werden kann, wodurch eine vertikale Bewegung des Szenenbildes ermöglicht wird. (Fig. 3a).

14. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur vertikalen Verschiebung des Wärmebildes eine Planplatte (52) verwendet wird, die im konvergenten Strahlengang eines IR-Objektives (14) vor der Detektorreihenanordnung (13) eingefügt ist und um eine Achse senkrecht zur Abtastspiegelachse (51) und zur optischen Achse (4) drehbar ist (Fig. 3b).

15. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur vertikalen Verschiebung des Wärmebildes und dadurch

bewirkten Ausrichtmöglichkeit des ausgewählten Detektorelements (36) auf das Punktziel ein Umlenkspiegel (53) des rechtwinklig abgeknickt ausgebildeten IR-Objektivs (14) um seine Drehachse (54) senkrecht zur Abtastspiegelachse (51) und zur optischen Achse (4) drehbar ist (Fig. 3c).

16. Geräteanordnung zur Harmonisierung von Wärmebild-Aufnahmekanal zu Tagsichtkanal und Lasersender nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur vertikalen Verschiebung des Wärmebildes ein Hinterglied (^:68 ) des IR-Teleskopes (10) senkrecht zur optischen Achse (4) und parallel zur Drehachse (51) verschiebbar ausgebildet ist (Fig. 3d).

17. Geräteanordnung zur Harmonisierung des Wärmebild-Wiedergabekanals auf die Wärmebild-Zielmarke, dadurch- gekennzeichnet, daß

a) zwischen Spektra1teilerwürfel (28) und Kollimatoroptik (31) ein durch getrennte Antriebe (58; 59) antreibbares Drehkeilpaar (57) vorgesehen ist,

b) dem Drehkeilpaar (57) integrierte Winkelgeber (60; 61) für die Positionsbestimmung zugeordnet sind,

c) ein Signalgenerator (62) über einen Schalter (63) den ausgewählten Detektor der Detektorreihenanordnung (13) mit einem Videosignal beaufschlagt,

d) eine Verzögerungsschaltung (65) mit konstanter und/oder variabler Verzögerungszeit für die Aufbereitung des Synchronisationsimpulses vom SPS (43) für die Auslösung des Sendeimpulses des Lasersenders (2) vorgesehen ist, und

e) eine Bedieneinheit (67) über Bedienelemente A bis E verschiedenen Harmonisierungsvorgänge durch manuelle Bedienschritte steuert (Fig. 4).

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18. Geräteanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß

a) den getrennten Antrieben (58; 59) der Drehkeile des Dreh· keilpaares (57) die Bedienelemente A und B,

b) dem Ein-/Ausschalten des Signalgenerators (62) das Bedienelement C

c) der Steuerung der variablen Verzögerungsschaltung (65) eine Einstellvorrichtung (66) mit dem Bedienelement D und

d) der Verstellung des Harmonisierungsgliedes für die Vertikalharmonisierung das Bedienelement E zugeordnet ist (Fig. 4).