DE4204165C1

DE4204165C1 - Opto-electronic snow fall detection method for guided missile - evaluating noise component in reflected laser light beam signal caused by reflection from individual snowflakes

Info

Publication number: DE4204165C1
Application number: DE4204165A
Authority: DE
Inventors: Friedrich 8898 Schrobenhausen De Motzko; Josef 8069 Rohrbach De Engl
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: TDW GESELLSCHAFT FUER VERTEIDIGUNGSTECHNISCHE WIRKS
Priority date: 1992-02-13
Filing date: 1992-02-13
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2012-02-14

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optronischen Schneefalldetektion sowie eine Vorrichtung dafür.

Bei der Bestimmung der Auslöseentfernung von einem sich auf ein Ziel zubewegenden Flugkörper, insbesondere einem Hohlladungsträger in militärischem Einsatz ist es oftmals wünschenswert, die Gefechtskopfauslösung in einem bestimmten Abstand von dem Ziel vorzunehmen. So kann z. B. eine elektromagnetische Strahlung ausgesandt werden, deren Rückstrahlung einem Verstärker mit nachgeschaltetem Filter zugeführt wird, wobei letzterer bei Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts ein Auslösesignal erzeugt. Eine derartige Einrichtung eignet sich nur für einen Schönwettereinsatz, da Witterungseinflüsse sowohl die ausgesandte als auch die reflektierte Strahlung beeinträchtigen.

Aus der DE-PS 30 20 996 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Auslöseentfernung für einen bewegten Flugkörper bekannt, bei der eine genaue Feststellung der Entfernung auch bei schlechten Witterungsbedingungen, insbesondere Rauch, Nebel und Regen ermöglicht wird. Zu diesem Zweck wird eine Laufzeitmessung von reflektierten Laserimpulsen durchgeführt, die einem Entfernungstor zugeführt werden, wobei nicht nur das Entfernungstor, sondern auch ein diesem nachgeschalteter Integrator und ein Multiplexer von einem Zähler angesteuert werden, der seinerseits in Abhängigkeit von der Signalauswertung in einer Auswerteschaltung und einem Torgenerator dergestalt setzbar ist, daß in einem Speicher Signale vom Tor, das in variabel setzbaren Zeitabständen angesteuert wird, abgespeichert werden und in der Auswerteschaltung mittels Vergleich bewertet werden. Die Auswertung erfolgt dahingehend, daß die der Auswerteschaltung zugeführten Signale in analoger oder digitaler Form jeweils untereinander verglichen werden und sowohl feste als auch variable Abstände zwischen benachbart oder weiter voneinander entfernt aufgetasteten Signalintegratoren zur Erzeugung von Vor- oder Auslösesignalen ausgewertet werden.

Zwar ist für diese Signalverarbeitung nur ein geringer Schaltungsaufwand erforderlich, jedoch ist es damit nicht möglich, Schneefall vom eigentlich zu bekämpfenden Ziel zu unterscheiden, und damit auch nicht zwischen Nebel und Regen einerseits, und Schneefall andererseits zu differenzieren.

Die US-PS 39 98 552 bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung und Bearbeitung rückgestreuter elektromagnetischer Strahlung, z. B. Laserstrahlung, die ein mit Aerosolen, Nebel, Rauch oder anderen kleinen Teilchen angereichertes Fluid durchsetzt. Damit soll eine Bestimmung des optischen Transmissionsgrades des Fluides ermöglicht werden, nicht jedoch eine Schneefalldetektion erfolgen, die die einzelnen Aerosole im Fluid, z. B. der Atmosphäre, voneinander unterscheidet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optronischen Schneefalldetektion zu schaffen, die zuverlässig Nebel und Regen einerseits und Schneefall andererseits unterscheiden können und die zusätzlich eine grobe Diskriminierung der Flockengröße zulassen bei zugleich zuverlässiger Wirkungsweise sowie geringem Schaltungsaufwand.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß ein modulierter Lichtstrahl ausgesandt wird, daß der reflektierte Anteil des ausgesandten Lichtstrahls empfangen wird, daß der erhöhte durch Einzelreflexionen an Schneeflocken aus unterschiedlichen Entfernungen und damit unterschiedlichen Reflexionsfaktoren bedingte Rauschanteil gemessen wird und mit dem bekannten konstanten Eigenrauschen der Empfangsanordnung sowie dem Hintergrundrauschen verglichen wird.

Im einzelnen besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß ein Torgenerator mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz angesteuert wird und die Lichtquelle mit zeitlich definierten Triggerimpulsen baufschlagt wird, daß die von den zu detektierenden Schneeflocken reflektierten und vom Empfänger abgegebenen Signale zeitlich verzögert durch die vom Torgenerator abgegebenen Triggerimpulse integriert werden, und daß sie einer Auswerteschaltung zugeführt werden, in der die durch Schneefall bedingten Rauschsignale von dem Hintergrundrauschen und dem Eigenrauschen des Empfängers getrennt und weiterverarbeitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die eine Lichtquelle und einen Empfänger aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist, der durch einen Modulator angesteuert wird, daß der Empfänger mit einem Demodulator verbunden ist, dem die Ausgangssignale des Modulators zugeführt werden, daß dem Demodulator eine Anordnung zur Mittelwertmessung nachgeschaltet ist und daß dem Demodulator eine Anordnung zur Effektivwertmessung nachgeschaltet ist, und zwar parallel zur Anordnung zur Mittelwertmessung.

Vorteilhafterweise ist der Laser ein gepulster Laser, während der Empfänger ein PIN-D-Empfänger ist; der Modulator ist dabei als zeitgesteuerter Torgenerator ausgestaltet und der D-Modulator als Torintegrator. Dem Empfänger kann zusätzlich ein Rotglasfilter oder ein Interferenzfilter vorgeschaltet sein.

Die Erfindung ermöglicht eine nachhaltige Verbesserung der Sensorleistung bei durch Schneefall beeinträchtigten Sichtweiten und unterscheidet sicher die Rückstreuung bei Nebel oder ähnlichen Streumedien von der Rückstreuung bei Schneefall, so daß eine Verhinderung der Fehlauslösung bei optronischen Sensorsystemen durch Schneefall ermöglicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzip - Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer praktischen Ausführung eines erfindungsgemäßen Schnee falldedektors und die

Fig. 3 bis Fig. 6 verschiedene Hochfrequenz signaturen bei unterschiedlichen Umwelt einflüssen, wobei jeweils an der Ordinate die Amplitude in mV des der Auswerte schaltung zugeführten Rohsignals und auf der Abszisse die Zeit in Nanosekunden aufgetragen sind.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei Schneefall die hohe Rückstreuung des ausgesandten Lichtstrahles ein hohes Signalrauschen erzeugt, bedingt durch die Einzelreflexionen von Schneeflocken in unterschiedlichen Entfernungen und mit unterschiedlichen Reflexionsfaktoren. Da diese Kriterien nur bei Schneefall auftreten, können sie, da sie das bekannte und konstante Eigenrauschen der Vorrichtung sowie das Hintergrundrauschen durch andere Umwelteinflüsse erheblich übersteigen, zu einer sicheren Detektion des Schneefalls verwendet werden.

Voraussetzung dazu ist eine gegebene Unempfindlichkeit der Empfangsanordnung gegen die Hintergrundstrahlung, sei es durch eine geeignete Schwellwertschaltung, sei es durch geeignete Auswahl der elektronischen Bauteile.

In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Prinzip - Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schneefalldetektion ist mit 1 eine Lichtquelle bezeichnet, z. B. ein gepulster Laser, mit 2 eine zugehörige Aussendeoptik und mit 3 ein Modulator zur Ansteuerung des Lasers. Der vom Laser 1 ausgesandte modulierte Lichtstrahl wird von den (schematisch mit * angedeuteten) Schneeflocken teilweise reflektiert und durch eine Empfangsoptik 6 und ein geeignetes Filter 9, hindurch z. B. einem Rotglasfilter oder einem Interferenzfilter, einem Empfänger 5 zugeführt, dem ein Demodulator 4 nachgeschaltet ist, dem auch die Abstandssignale des Modulators 3 zugeführt werden. Der Demodulator 4 ist zum einen mit einer Anordnung 7 zur Mittelwertmessung und mit einer parallel dazu geschalteten Anordnung 8 zur Effektivwertmessung verbunden.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen Schneefallsdetektors, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Mit 11 ist ein Mikroprozessor bezeichnet, der eine Zeitsteuerung 10 aufweist, durch die der als Torgenerator (Schieberegister) ausgebildete Modulator 3 mit einer definierten Wiederholfrequenz von z. B. 10 kHz angesteuert wird. Der Torgenerator 3 erzeugt einen zeitlich definierten Triggerimpuls für den gepulsten Laser 1, wobei das vom Laser emittierte Licht, dessen Pulsbreite z. B. 10 nsec beträgt, durch die Schneeflocken im Meßbereich reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen gelangen über die Empfangsoptik 6 zum Empfänger 5, z. B. einen PIN-D- Empfänger und von da zum Demodulator 4, der als Torintegrator ausgestaltet ist und zeitlich verzögert durch den Torgenerator 3 angesteuert wird, wodurch die Empfangssignale mit der Wiederholfrequenz und als Funktion der Zeitkonstante des Torintegrators 4 aufintegriert werden. Der Meßbereich ist dabei bestimmt durch die Breite der Lichtimpulse, die Torbreite und die Verzögerung zwichen der Triggerung des Lasers und der Toransteuerung durch den Torgenerator 3. Der Meßbereich liegt vorteilhafterweise im Nahbereich, d. h. in einem Bereich zwischen 0,5 und 4 m.

In den Fig. 3 bis 6 ist jeweils das erhaltene Rohsignal über der Zeit aufgetragen. In jeder der Figuren betrug die Zielentfernung 48 m und der Remisionsfaktor 0,3.

Die in Fig. 3 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 1°C, einer Luchtfeuchte von 95%, bei Bodenebel und einer Sichtweite von 40 m.

Die in Fig. 4 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von -5°C, einer Luftfeuchte von 80% und einem Schneefall mit großen Flocken.

Die in Fig. 5 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 0°C, einer Luftfeuchte von 95% und bei auftretendem Schneefall mit kleinen Flocken.

Die in Fig. 6 dargestellte Kurve wurde erhalten bei einer Temperatur von 6°C, einer Luftfeuchte von 91% und sonnigem und klarem Wetter.

Die Schneefalldetektion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nicht nur mit einem Laserimpulsverfahren möglich, sondern auch mit einem Dauerstrichlaser oder auch trigonometrisch im IR-Bereich, wenn folgende Voraussetzungen erfüllt sind:

1. Definierte Meßstrecke zur Kalibrierung der Niederschlagsmenge;
2. Messung des Mittelwertes als Maß für die rückgestreute Leistung (z. B. durch ein RC-Glied);
3. Messung des durch den Schneefall generierten Rauschanteils durch eine Effektivwertmessung oder Gleichrichterschaltung als Kriterium für den Schneefall und als mittleres Maß für die Flockengröße;
4. Eine Kalibrierung des Systems durch theoretische Simulation mit entsprechenden Streuphasenfunktionen und Verifizierung mit praktischen Versuchen.

Claims

1. Verfahren zur optronischen Schneefalldetektion, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Aussenden eines modulierten Lichtstrahles, Empfangen des reflektierten Anteils des ausgesandten Lichtstrahles, Messen des erhöhten durch Einzelreflexionen an Schneeflocken aus unterschiedlichen Entfernungen und damit durch unterschiedliche Reflexionsfaktoren bedingten Rauschanteils und Vergleichen mit dem bekannten konstanten Rauschen der Empfangsanordnung sowie dem Hintergrundrauschen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Torgenerator mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz angesteuert wird und die Lichtquelle mit zeitlich definierten Triggerimpulsen beaufschlagt, daß die von den zu detektierenden Schneeflocken reflektierten und vom Empfänger abgegebenen Signale zeitlich verzögert durch die vom Torgenerator abgegebenen Triggerimpulse integriert werden, bevor sie einer Auswerteschaltung zugeführt werden, in der die durch Schneeflocken bedingten Rauschsignale von dem Hintergrundrauschen und dem Eigenrauschen des Empfängers getrennt und weiterverarbeitet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 und 2 mit einer Lichtquelle und einem Empfänger, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Laser ist, der durch einen Modulator angesteuert wird, daß der Empfänger mit einem Demodulator verbunden ist, dem die Ausgangsignale des Modulators zugeführt werden, daß dem Demodulator eine Empfangsanordnung zur Mittelwertmessung nachgeschaltet ist, und daß dem Demodulator eine Anordnung zur Effektivwertmessung nachgeschaltet ist, und zwar parallel zur Anordnung zur Mittelwertmessung.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein gepulster Laser ist, daß der Empfänger ein PIN-D-Empfänger ist, daß der Modulator ein zeitgesteuerter Tormodulator ist, und daß der Demodulator ein Torintegrator ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Empfänger ein Rotglasfilter angeordnet ist.

6. Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Empfänger ein Interferenzfilter angeordnet ist.