DE69128903T2

DE69128903T2 - Optischer und elektromagnetischer halbkugelförmiger/kugelförmiger Mehrstrahlsensorsystem

Info

Publication number: DE69128903T2
Application number: DE69128903T
Authority: DE
Inventors: Howard Baller
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: AU634659B2; KR940002351B1; CA2044401A1; KR920001216A; AU7911391A; IL98515A0; EP0464647A3; IL98515A; DE69128903D1; JPH0770907B2; US5047776A; EP0464647A2; ES2112257T3; JPH04232486A; EP0464647B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem gemäß Anspruch 1, insbesondere ein Sensorsystem, das ein Luneburg-Objektiv verwendet.
Luneburg-Objektive wurden zuerst von R.K. Luneburg in den 40-ger Jahren vorgeschlagen und sind in seinem Lehrbuch "Mathematical Theory of Optics", R.K. Luneburg, University of Califomia Presss, Berkeley and Los Angeles, 1964, Library of Congress Catalog #64-1 9010, Seiten 187-188, vorgeschlagen. Das Luneburg-Objektiv kann einfach als eine Kugel beschrieben werden, deren Brechungsindex radial von ihrer Mitte zu der Außenfläche gemäß der Beziehung n(r) = (2-(r/ro)²)1/2) abgestuft ist. Das Luneburg- Objektiv hat die Eigenschaft, daß ebene Wellen von einer femliegenden Quelle auf das Ende des Durchmessers des Objektivs abgebildet werden, das sich in der Richtung der einlaufenden Welle befindet. Diese Eigenschaft ist in Fig. 1 dargestellt.
Einige Radarantennen mit Luneburg-Objektiven, die eine halbkugelförmige Überdekkung liefern, sind gebaut und für bodengebundenes Überwachungsradar mit ausgezeichneten Ergebnissen verwendet worden; die radiale Abstufung des Brechungsindex wurde durch dielektrisches Beladen eines Schaumstoffmediums mit niederer dielektrischer Konstante erreicht.
Eine spharisches Luneburg-Mikrowellenobjektiv mit abgestuftem Brechungsindex ist aus US 3 321 765 bekannt. Das Objektiv ist eine dielektrische Kugel, die aus einem festen Kugelkern und einer Anzahl hohler Halbkugelschalen aufgebaut ist, von denen eine in der anderen paarweise mit einem Kern in dem innersten Schalenpaar angepaßt ist. Die dielektrischen Konstanten der Schalen fallen fortschreitend nach außen in Übereinstimmung mit dem Luneburg-Objektiv ab. Um die dielektrische Konstante zu erhalten, die in dem mittleren Kugelkem und gewissen innersten Schalen verlangt wird, die aus Polystyren ohne Verdichtung des Materials hergestellt sind, wird das Polystyren mit einem Material geladen, wie Titandioxid.
Ein anderes Luneburg-Mikrowellenobjektiv ist aus der Veröffentlichung "Applied Optics, Band 7, Nr.5, Mai 1968, New York USA, Seiten 801-804" bekannt. Diese Druckschrift beschreibt ein Luneburg-Mikrowellenobjektiv, das aus Stufen von Glasschaum unterschiedlichen Brechungsindexes als eine Annäherung an einen kontinuierlichen Indexgra hergestellt worden ist. Das Glasschaumobjektiv ist besser als das Kunststoffobjektiv, da es gegenüber einer höheren Temperatur und daher höheren Leistungen beständig ist.
Die Technologie optischer Materialien mit niedrigem Brechungsindex ist untersucht worden, obgleich der Schwerpunkt der Anwendungen für den Zweck von isolierenden, transparenten Abstandsstücken für Hauswände und Fenster und kürzlich bei Materialien für Cerenkov Strahlungsdetektoren gewesen ist. Eine Klasse solcher Materialien ist als Aerogel bekannt. Vergleiche z.B. "Aerogels", J. Fricke, Scientific American, Mai 1988, Seiten 92-97. Eine Rayleigh-Lichtstreuung wird bei solchen Materialien beobachtet, die in einem Medium auftritt, das Inhomogenitäten enthält, die kleiner als die sichtbare Wellenlänge selbst sind. Dies gibt an, daß die mikroskopische Struktur dieser Materialien aus Hauptteilchen kleiner als ein Nanometer besteht. Das Herstellungsverfahren kann ein sehr leichtes Material erzeugen, dessen Dichte nur einige wenige Prozent von dem von normalem Glas ist, indem die bei der Herstellung verwendete Flüssigkeit verdampft und eine empfindliche Skelettstruktur aus Silicium zurückgelassen wird.
Die Eigenschaften von Aerogel sind sehr bemerkenswert. Die erreichbare Dichte kann klein verglichen mit üblichen Festkörpern sein. Sein Brechungsindex ist in Abhängigkeit von dem Herstellungsverfahren so niedrig wie 1,02 gemacht worden, oder kann größer als z.B. 2 gemacht werden, indem das Aerogelmaterial mit erhöhter Dichte hergestellt wird. Hauptsächlich als Wärmeisolator angewendet kann es ein Drittel der Leitfähigkeit einer silberbeschichteten Doppelglasscheibe aufweisen, die Argongas enthält und als sehr wirksam angesehen wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, ein neues Sensorsystem mit vorteilhaften Eigenschaften zu schaffen.
Diese Zielsetzung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.
Gemäß diesen Merkmalen arbeitet das neue Sensorsystem in weit getrennten Bereichen des Frequenzspektrums.
Gemäß einem Gesichtspunkt der Erfindung schließen die Sensorelemente photoempfindliche Halbleiterdetektorelemente ein, die entweder unmittelbar mit der Objektivoberfläche an den Brennpunkten verbunden sind oder mit den Brennpunkten durch optische Fasern und Sensoren für Millimeterwellen oder Mikrowellen gekoppelt sind, wie Metallhörner und HF-Diodendetektorelemente, die an bestimmten Brennpunkten befestigt sind.
Wenn das Objektiv ein halbkugelförmiges Sichtfeld haben soll, befinden sich die Brennpunkte der Sensorelemente auf einer Halbkugelfläche des Objektivs, wobei ein zweiter Halbkugeloberflächenabschnitt des Objektivs unversperrt gelassen wird, auf den die elektromagnetische Energie einfällt. Das Objektiv kann auch ausgebildet werden, daß es ein im wesentlichen sphärisches Sichtfeld hat, indem die Brennpunkte über die gesamte Oberfläche des Objektivs verstreut werden, ohne einen großen Bereich der Empfangsöffnung zu sperren.
Die elektrischen Sensorausgänge können verarbeitet werden, um das Bündel oder die Bündel auszuwählen, die für eine bestimmte Anwendung verlangt werden. Beispielsweise können die Signale von allen Sensoren selektiv unter der Steuerung eines Musterabtastkontrollers abgetastet werden, z.B. um Randerfassungs- oder Punktlichtmusterabtastungen oder eine vollständige halbkugelförmige oder sphärische Abtastung auszuführen. Die ausgewählten Signale werden dann in digitale Form umgewandelt und von einem digitalen Computer verarbeitet, der eine Verfahrensfunktion für die besondere Anwendung ausführt, wie eine Bildverfolgung, Mustererkennung, Merkmalserkennung oder andere Bildverarbeitungsalgorithmen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Sensorelemente durch Wandlerelemente ersetzt, die einer aktiven Übertragung und eines Empfangs elektromagnetischer Energie fähig sind. Mit geeigneten Sende- und Empfängerelementen kann das System ein Radarsystem umfassen, das gleichzeitig eines optischen und Mikrowellen Mehrbündelbetriebs fähig ist.
Das Objektiv kann deshalb verwendet werden, eine Mehrzahl gleichzeitig wirkender Empfangsbündel über ein haibkugelförmiges oder sphärisches Feld zu liefern. Wenn es in Verbindung mit auf der sphärischen Oberfläche angebrachten, opischenlhochfrequenten Erfassungselementen verwendet wird, kann das Objektiv ein passives Zielerfassungssystem mit einer einzigartigen Gebietsüberdeckung und Empfindlichkeit umfassen. Der Sensor kann einen Eingang zu einem digitalen Signalprozessor liefern, um solche Funktionen auszuführen, wie automatische Bild- und Mustererkennung für Sensorsysteme. Des weiteren, wenn es in Verbindung mit Sendeelementen betrieben wird, kann das Objektiv einen zweifachen (elektro-optischen und HF) Betrieb mit einer einzigen Öffnung bereitstellen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform von ihr offensichtlicher, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist und denen:
Fig. 1 die Fokussierungseigenschaft des Luneburg-Objektivs dargestellt ist.
Fig. 2A eine seitliche Querschnittsansicht ist, die durch ein Luneburg-Objektiv genommen ist, das aus konzentrischen Aerogelschalen hergestellt ist.
Fig. 2B die ideale fortlaufende Änderung des Brechungsindex für das Objektiv der Fig. 1 zeigt.
Fig. 2C und 2D mögliche Auswahlen der Anzahl der Schalen für das Objektiv der Fig. 2A und die einzelne Dicke jeder konzentrischen Schicht darstellen, die bei jeder individuellen Anwendung ausgewählt werden, um optimale Ergebnisse bei den Kosten und der erreichten Auflösung vorzusehen.
Fig. 3 eine schematische Ansicht ist, die die gleichzeitige Mehrbündelfokussierungsfähigkeit eines Luneburg-Objektivs darstellt.
Fig. 4 ein schematisches Diagramm ist, das den Signalprozessor zeigt, der verwendet wird, die Daten in analoge oder digitalisierte Form von den Signalaufnahmeeinrichtungen an der Oberfläche des Luneburg-Objektiv zu verarbeiten.
Fig. 5A ein optisches Luneburg-Objektiv zeigt, das verwendet wird, gleichzeitig mehrere Bündel mit einem halbkugelförmigen Sichtfeld zu bilden, und Halbleiteraufnahmeeinrichtungen verwendet. Fig. SB zeigt eine Einzelheit der Fig. 5A. Fig. 5C ist ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems, das das Luneburg-Objektiv der Fig. 5A verwendet.
Fig. 6A ein gleichzeitiges halbkugelförmiges Sichtfeld eines optischen Objektivs mit Sensoren für mehrere Bündel zeigt, wobei optische Faserverbindungen mit Halbleiter- oder photoelektrischen Erfassungseinrichtungen als die Aufnahmeeinrichtungen verwendet werden. Fig. 6B ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems zeigt, das das optische Objektiv der Fig. 6A verwendet.
Fig. 7 ein optisches Luneburg-Objektiv mit einem sphärischen Sichtfeld zeigt, das gleichzeitig mehrere Bündel bilden kann.
Fig. 8A eine Objektivkonstruktion zeigt, die eines gleichzeitigen Betriebs mit mehreren optischen und Millimeterwellen- oder Mikrowellen Bündeln fähig ist.
Fig. 8B eine Mikrowellenaufnahmeeinrichtung zeigt, die zur Verwendung an dem Objektivsensor der Fig. 8A geeignet ist.
Fig. 9A zeigt ein optisches und Millimeterlmikrowellen-Mehrbündelradarobjektiv mit einem haibkugelförmigen Sichtfeld. Fig. 9B ist ein schematisches Blockdiagramm eines Millimeter-Radarloptischen Radar-Systems, das das Objektiv der Fig. 9A für Sende- und Empfangsfokussierung verwendet und das in einer der beiden Betriebsarten oder gleichzeitig in beiden arbeiten kann.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im einzelnen

Es wird nun auf Fig. 2A Bezug genommen&sub1; wobei ein Aerogel-Luneburg-Objektiv 20 als eine ineinandergesetzte Gruppe sphärischer, dielektrischer Schalen konstruiert ist, die eine Zentralkugel 22 einhüllen. Die Zentralkugel 22 ist aus einem Material mit einem Brechungsindex von ungefähr 2 konstruiert. Die Schalen 24A-24N sind aus einem dielektrischen Aerogel-Material gebildet, dessen Brechungsindex gesteuert wird, daß er die Änderung der Gleichung annähert: Brechungsindex (2-(r/r&sub0;)²)1/2)
wo r der Radius einer jeder Schale ist und r&sub0; der Radius der äußersten Schale ist. Es ist offensichtlich, daß, je kleiner die Dicke jeder Schale ist, um so besser die Annäherung des Objektivs 20 an ein ideales Luneburg-Objektiv ist und um so genauer die Bündelbildungseigenschaften sind.
Aerogele sind aus vielen dielektrischen Materialien hergestellt worden, einschließlich Kieselerde, Zellulose und Gelatine.
Ein beispielhaftes Material, das zur Verwendung der Zentralkugel geeignet ist, wird von Airglass A.B. in Schweden in der Form von Formsteinen hoher Porösität vertrieben. Formsteine mit höherer Dichte werden bei Lawrence Livermore National Laboratory hergestellt, wobei ein abgeändertes, gewerbliches Verfahren verwendet wird. Im allgemeinen ist die Homogenität der Aerogel-Formsteine so gut, daß Röntgen eine unzureichende Auflösung hat, es zu charakterisieren. Eine einfachen Beziehung, die als das Dale- Gladstone-Gesetz bekannt ist, gibt es zwischen der Dichte p und dem Brechungsindex, d.h., n = 1 + k , weil eine Messung des Brechungsindex auch ein Maß der Massendichte gibt. Die Konstante k ist aus bekannten Werten von 5i0&sub2; mit n und p gleich 0,21 bestimmt worden. Somit ist = (n-1) +0,21 die Beziehung zwischen der Massendichte und dem Brechungsindex n für Silicaaerogel. "Optical Characteristics of Aerogel Glass", L.W. Hrubesh, Report UCRL 53794, Juli 1987, auf den Seiten 1 und 23, Lawrence Livermore National Laboratory, ist von National Technical Information Service, U.S. Departement of Commerce, Springfield, Virginia 22161 erhältlich.
Die für diese Erfindung verlangten Brechungsindexwerte können durch Herstellung des Aerogels mit Werten der Dichte p gemäß der obigen Formel erreicht werden. Die Dichte des Aerogelmaterials wird durch den Druck gesteuert, der bei dem Brenn- und Trocknungsverfahren bei der Herstellung verwendet wird; ein erhöhter Druck gibt eine erhöhte Dichte.
Die Zentralkugel 22 und die konzentrischen dielektrischen Schalen 24A-24N können jeweils aus einem Formstein dielektrischen Aerogelmaterials der geeigneten Dichte gearbeitet werden, um die notwendige dielektrische Konstante zu erreichen.
Fig. 28 ist eine Kurve, die den Brechungsindex als eine Funktion von ri/r&sub0; für ein ideales Luneburg-Objektiv zeigt. In Fig. 2C ist der Brechungsindex als eine Funktion von ri/r&sub0; für eine beispielhafte Objektiv aufgetragen, die fünf Aerogelschalen hat, die die Zentralkugel umgeben. In Fig. 2D ist der Brechungsindex als eine Funktion von rir&sub0; für eine zweite, beispielhafte Objektiv mit neun Aerogelschalen aufgetragen, die die Zentralkugel umgeben.
Es wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen, wo auf der Außenseite des Objektivs 20, so dicht wie benötigt, um die Anzahl der erwünschten Bündel für eine bestimmte Anwendung zu erhalten, optische oder Hochfrequenz-Erfassungseinrichtungen 30 angebracht sind. Ein Teil des Sichtfelds für eine sphärische Überdeckung ist durch die Erfassungseinrichtungen gesperrt; dies ist keine Beschränkung der halbkugelförmigen Überdekkung, obgleich zwei getrennte Objektive für einige sphärische Überdeckungssysteme verlangt werden mögen. Die räumliche Verteilung der Erfassungseinrichtungen 30 für die Objektivoberfläche wird durch die Anforderungen des Systems gemäß der Anzahl der erwünschten Bündel bestimmt.
Die Signale von jeder Erfassungseinrichtung 30 sind für den Bündelausgang für das bestimmte Bündel repräsentativ, das auf die Erfassungseinrichtung fokussiert wird. Dies ist in Fig. 3 dargestellt, die Bündel zeigt, die durch die Mitteistrahlen o, a, b, c gezeigt sind, die auf das Objektiv 20 auftreffen und an Brennpunkten f&sub0;, fa, fb, fc fokussiert werden. Die Anzahl der verfügbaren Bündel ist nur durch die Größe der Aufnehmer beschränkt, die sich an der Oberfläche der Brennpunkte befinden. Die Signale werden weiter in einem Universal- oder speziellen Computer verarbeitet.
Die Erfassungselemente 30 liefern parallele gleichzeitige Signale an einen Eingang zu einem digitalen Signalprozessor 40, entweder unmittelbar in analoger Form oder nach Digitalisierung in einem Analog/Digitalwandler. Fig. 4 stellt die Signale von den verschiedenen Signalaufnahmeeinrichtungen in analoger oder digital umgewandelter Form zu einem digitalen oder analogen Signalprozessor 40 dar. Die besonderen von dem Prozessor 40 ausgeführten Funktionen hängen von der besonderen Anwendung ab und können solche beispielhaften Funktionen einschließen, wie automatische Zielerkennung oder Bildverarbeitung. Die verarbeiteten Ausgangssignale von dem Prozessor 40 werden dann von der besonderen Verwendungseinrichtung verwendet, wie einem Flugzeug-, Raum-, Boden- oder Schiffssystem oder einem Flugzeugzusammenstoßwarnsystem. Die Ausgangssignale können auch verwendet werden, die Erfassungsempfindlichkeit zu verbessern und eine Mehrsensorverschmelzung mit anderen Sensoren auszuführen oder durch gemeinsame, gleichzeitige Verarbeitung der optischen und Radarerfassungen, die gleichzeitig durch das Objektivsystem selbst ausgeführt werden.
Fig. 8A-8B stellen ein System 200 gemäß der Erfindung dar, das ein gleichzeitiges optisches und Millimeterwellen- oder Mikrowellen-Mehrbündelobjektiv 204 verwendet. Bei dieser Ausführungsform hat das System ein haibkugelförmiges Sichtfeld, obgleich ein System mit einem sphärischen Sichtfeld auch konstruiert werden könnte, wobei das Befestigungsteil der Fig. 7 verwendet wird. In diesem System ist eine Mehrzahl von Millimeterwellen- oder Mikrowellensensoren 210 und optischen Sensoren 212 über die Halbkugeloberfläche 208 des Objektivs 204 verteilt. Die optischen Sensoren 212 sind vom gleichen Typ Sensoren, wie sie in bezug auf eine andersartige Ausführungsform der Fig. 5 und 6 gezeigt sind. Ein beispielhaftes Millimeterwellen- oder Mikrowellen-Sensorelement 210 ist in Fig. 8B gezeigt. Der Sensor 210 umfaßt ein Metallhorn mit einer Diodenerfassungseinrichtung 214. Signalleitungen 216 verbinden die Erfassungsdiode 214 mit einem Signalabtaster und einem Analogldigitalumwandlungs- und Verarbeitungselement, wie in Fig. 5A-5C. Die entsprechenden Ausgänge von den optischen Sensoren werden auch in einer Weise verarbeitet, die zu der ähnlich ist, die bei der Ausführungsform der Fig. 5A-5C beschrieben worden ist.
Die Fig. 9A-9B zeigen ein Millimeterwellen/Mikrowellen und optisches Radarsystem 250 gemäß der Erfindung, das ein Aerogel-Luneburg-Objektiv 252 verwendet. Das Objektiv 252 ist dem in Fig. 8A gezeigten dahingehend ähnlich, daß es optische Sensor- und Wandlereinheiten 253 sowie Millimeterwellen- oder Mikrowellensensoreinheiten 255 umfaßt. Die optischen Sensoreinheiten 2538 können mit Laserlicht übertragenden Elementen ausgerüstet sein, in denen eine Laserdiode auf der sphärischen Objektivoberfläche angebracht ist oder Laserlichtenergie zu einem Punkt auf der Oberfläche durch eine optische Faser von einer entfernt angeordneten Laserquelle transportiert wird. Die optischen Empfangssensoren 253A sind, wie es für die Ausführungsformen der Fig. 6A-6C erörtert worden ist, unter den Sendeelementen 2538 verteilt. Somit kann das System 250 einen Fokussierungsvorgang übertragen und empfangen und kann in beiderleiweise arbeiten.
Das System 250 enthält allgemein das Objektiv 252, einen Sendelempfangsschalter 254, eine Modulator- und Sendeeinrichtung 265 der optischen und Mikrowellensignale und eine Empfänger- und Signalverarbeitungseinrichtung 258 zum Empfang und Verarbeiten der optischen und Mikrowellenempfangssignale.
Der Schalter 254 ist funktional einem einpoligen Umschalter äquivalent. In einer Stellung überträgt er Laserenergie zu einem Punkt auf der Oberfläche und in der anderen Position überträgt er das Licht an diesen Punkt zurück zu der Empfangssensormehrfachanordung. Wenn die Senderelemente getrennt und unter den Empfangselementen verteilt sind, wird die Sendefunktion durch einen elektrischen Hauptschalter zu der Laserquelle eingeschaltet und ausgeschaltet, wenn die Schaltung der Empfangssensormehrfachanordnung aktiviert wird. Es ist eine übliche Funktion, die in gepulsten Radar-, gepulsten Laser- und gepulsten Ultraschallentfernungsmessern verwendet wird.
Unter üblichen Umständen ist ein Sende- und Empfangsvorgang nicht gleichzeitig. Obgleich ein solcher Vorgang durch Frequenzmodulation des Senders ausgeführt werden kann, was erlaubt, daß Signale empfangen werden, während ein Sendevorgang auftritt.
Alternative Ausführungsformen werden nun erörtert. Die Fig. 5A-5C zeigen ein gleichzeitiges Mehrbündelsensorsystem 100 mit einem halbkugelförmigen Sichtfeld. Das System 100 enthält ein Luneburg-Objektiv 102, wie es in bezug auf die Fig. 24 oben beschreiben worden ist. Das Objektiv 102 ist in seiner Lage durch ein Befestigungsoberflächenelement 104 befestigt, so daß eine erste, halbkugelförmige Oberfläche 103 von ihm den einlaufenden Signalen ausgesetzt wird, die allgemein durch Bündel 106 angegeben sind und potentiell aus allen Richtungen des haibkugelförmigen Sichtfelds kommen.
Eine Mehrzahl von photoempfindlichen Halbleitererfassungselementen 108 ist an der zweiten, halbkugelförmigen Oberfläche 110 des Objektivs 20 unterhalb der Befestigungsoberfläche 104 angebracht. Wie es vollständiger in Fig. 58 gezeigt ist, sind die Erfassungseinrichtungen 108 mit der äußeren Oberfläche der äußersten Aerogelschale verbunden, die das Objektiv 102 umfaßt. Ausgangssignalleitungen 112 verbinden die entsprechenden Erfassungschips 108 mit dem elektronischen Signalabtaster 120 (Fig. 5C). Die Erfassungschips 108 reagieren auf die interessierende besondere Wellenlänge oder Wellenlängen, z.B., Infrarotstrahlung. Für Infrarotstrahlung empfindliche Halbleitererfassungseinrichtungen sind im Handel erhältlich. Für sichtbare Strahlung empfindliche Photoerfassungseinrichtungen sind ebenfalls im Handel erhältlich.
Die Aufgabe des elektronischen Signalabtaster 120 ist, ein oder mehrere einzelne Bündel von den Erfassungseinrichtungen 108 unter der Steuerung des Musterabtasters 130 auszuwählen. Der Musterabtaster 130 kann die Abtasteinrichtung 120 steuern, um z.B. eine Randerfassung oder Punktlichtmusterabtastungen oder eine vollständige Halbkugelabtastung auszuwählen. Die von dem Signalabtaster 120 ausgeführten Funktionen schließen jene ein, die unten aufgeführt sind, sind aber nicht auf diese beschränkt:
a. Spitzenerfasssung: Diese Funktion wählt das größte Signal aus denjenigen aus, die von allen Sensorerfassungseinrichtungen verfügbar sind, und liefert eine Winkelinformation über die Richtung dieses Signals.
b. Randerfassung: Diese Funktion wählt eine gerade Linie oder gekrümmte Ränder aus, die einen leeren Bereich des Sichtfelds von einem Bereich mit vielen Signalen trennen; diese Algorithmen tasten üblicherweise ein quadratisches Feld von Elementen ab, und können durch Addition und Subtraktion der Singalamplituden Ränder erkennen. Die Form des Randes (gradlinig, gekrümmt oder zackig) wird verwendet, um die Art des Gegenstands zu identifizieren. Flugzeuge werden bspw. durch Vergleich der Randprofile mit bekannten Formen erkannt.
c. Trennung von Störzeichen oder Hintergrundsignalen von dem Ziel: Diese Funktion wird ausgeführt, indem die Signale einer statistischen Analyse ausgesetzt werden, bei der die Statistik von Störflecken in bezug auf die Winkel- oder Zeitverteilung zufälliger und weniger strukturiert als Signale von erwünschten Zielen ist. Durch dieses Mittel können interessierende Gegenstände gegenüber einem Störhintergrund, wie Bäume, Wolken oder Ozean gesehen werden.
d. Punktlichtabtastung: Diese Funktion ermöglicht eine detaillierte Ansicht eines kleinen Bereiches des Betrachtungsfeldes, wenn die Anfangsabtastung keine Erkennung durch irgendeine der obenerwähnten oder durch andere Funktionen liefert.
e. Verfolgung eines sich bewegenden Gegenstands: Diese Funktion verarbeitet Signale, indem die beobachtete Ansicht zu einem Zeitpunkt mit einer späteren Beobachtung verglichen wird. Wenn sich der Hintergrund langsam ändert, können das Vorhandensein eines sich bewegenden Ziels und Informationen über seine Geschwindigkeit durch Vergleich mit nachfolgenden Beobachtungen bestimmt werden.
Die von dem Signalabtaster 120 ausgeführten Funktionen sind bekannt auf dem Gebiet von Radar, Videokamera, Wetteranzeige und anderen graphischen Bildschirmsteuerungen, optischen Kartenbildern, optischen Verfolgungseinrichtungen und Bildkoordinatentransformationen.
Die ausgewählten Bündel werden dann zu der Analogldigitalsignalwandler- und Formatierungsschaltung 135 geschickt. Die sich ergebenden, umgewandelten und formatierten Signale werden dann zu dem digitalen Computer 140 geschickt, um solche Funktionen auszuführen, wie Bildmustererkennung, Verfolgung, Merkmalserkennung, Randbestimmung oder andere Bildverarbeitungsalgorithmen, wie sie von der besonderen Systemanwendung verlangt werden.
Fig. 6A-6B zeigen ein System, das dem System der Fig. 5A-5C mit der Ausnahme ähnlich ist, daß die Sensorerfassungselemente 108, die mit der äußeren Oberfläche des Objektivs 102 verbunden sind, durch optische Fasern 160 ersetzt sind, die die einfallende Lichtenergie an einem bestimmten Brennpunkt auf der Oberfläche des Objektivs zu einem mosaikförmigen Plattenfeld 164 von optischen Halbleitersensoren lenken. Optische Fasern können mit kleinerem Querschnitt als optische Erfassungseinrichtungen hergestellt werden und sperren weniger Licht. Optische Fasern liefern auch ein Verfahren, viele Signale in einem relativ kleinen Bündel zu einem zweiten Ort zu transportieren, wo sie von Licht in einen elektrischen Ausgang mit größerer Bequemlichkeit und weniger Möglichkeit elektromagnetischer Störung als mit Drahtleitungen umgewandelt werden können, die mit den Erfassungselementen an der Objektivoberfläche verbunden sind.
Die erste, halbkugelförmige Oberfläche 153 des Aerogel-Luneburg-Objektivs 152 wird einfallender Lichtenergie ausgesetzt. Die Befestigungsoberfläche 156 legt die entsprechende erste und zweite, halbkugelförmige Oberfläche 153 und 154 des Objektivs 152 fest. Ein Ende von jeder der optischen Fasern 160 ist an dem besonderen, erwünschten Brennpunkt der zweiten Oberfläche 154 des Objektivs 152 befestigt und erhält die an dem bestimmten Brennpunkt einfallende Lichtenergie. Optische Fasern können mit dem Objektiv einzeln oder in Gruppen durch dünnes, lichtdurchlässiges Verbindungsmaterial verbunden werden, oder wenn ausreichend Platz vorhanden ist, durch eine mechanische Klemme, die die einzelne Faser oder ein passendes Faserbündel an die sphärische Oberfläche klemmt.
Die Fasern 160 führen die empfangene Lichtenergie zu der mosaikförmigen Platte 164, die ein Feld getrennter, photoempfindlicher Halbleitererfassungselemente umfaßt. Somit ist das andere Ende jeder Faser 160 an der Sensorfeldplatte 164 derart befestigt, daß der aktive Bereich des entsprechenden optischen Erfassungselements mit der empfangenen Lichtenergie beleuchtet wird.
Die mosaikförmige Feldplatte 164 in der Brennebene ist ein flacher Halbleiterchip mit einzelnen Sensorelementen, üblicherweise im Muster eines Schachbretts. Solche Feldplatten sind in optischen Überwachungssystemen mit Feldern im Betriebseinsatz, die tausende von Elementen enthalten. Informationen werden aus diesen Elementen, die das Felod der Brennebene umfaßt, unter der Steuerung elektronischer Signale, häufig durch zeilenweise, sequentieller Abtastungen, ausgelesen, wie jene, die in Heimfernsehsystemen verwendet werden. Das mosaikförmige, ebene Feld kann auf andere Weise durch geeignete Signale abgetastet werden, die von dem Signalabtaster 120 gelenkt werden. Optische Faserbündel werden auch auf diese Weise verwendet, Fernsehbilder auf einem Videobildschirm anzuzeigen, z.B. auf im Handel erhältlichen, medizinischen Sigmoid-Colonoscopie-Instrumenten.
Das Sensorfeld 164 wird durch einen Musterabtastkontroller 170 gesteuert, um das Bildelementmuster in dem erwünschten Muster abzutasten. Der abgetastete Ausgang des Feldes 164 wird zu dem Analog/Digitalwandler 172 gekoppelt, und die umgewandelten Signale gehen zu dem digitalen Computer 174, der ähnliche Funktionen wie jene ausführt, die von dem Computer 140 der Fig. 5A-5C ausgeführt werden.
Fig. 7 stellt ein optisches Luneburg-Objektiv 180 mit einem sphärischen Sichtfeld dar. Das Objektiv 180 ist von einer mechanischen Halterung 182 gehalten, die konstruiert ist, sowenig, das sphärische Sichtfeld des Objektivs 180 zu sperren, wie möglich. Bei dieser Ausführungsform können die optischen Aufnahmeelemente entweder photoempfindliche Halbleiterelemente umfassen, die mit der Oberfläche des Objektivs verbunden sind, wobei sie über Leitungen mit dem Signalabtaster, wie in Fig. 5A-5C, oder durch optische Fasern verbunden sind, die die an einem bestimmten Brennpunkt empfangene Lichtenergie zu einer Erfassungsfeldplatte führen, wie in Fig. 6A-6B.

Claims

1. Ein Sensorsystem sowohl für optischen als auch für Radiofrequenzbetrieb mit: einem sphärischen Objektiv (20; 102; 152; 180; 204; 252) mit einer Vielzahl von konzentrischen Schalenelementen (24A - 24N), die um eine zentrale Kugel (22) aus einem Material mit einem Brechungsindex von ungefähr 2 angeordnet sind, wobei der jeweilige Brechungsindexwert jedes Schalenelements (24) eine Annäherung an die Formel (2- (r/r&sub0;)²)1/2 ist, wobei r&sub0; der äußere Objektivradius und r der Radius des entsprechenden Schalenelements ist, wobei ebene elektromagnetische Wellenfronten (0, a-c), die auf das Objektiv (20; 102; 152; 180; 204; 252) von einer bestimmten entfernten Quelle einfallen, an einem bestimmten Brennpunkt (f&sub0;, fa-fc) auf der Objektivoberfläche an dem Ende des Durchmessers des Objektivs in der Richtung der einfallenden Wellenfronten abgebildet werden; und wobei die Schalen (24A - 24N) aus einem Aerogel-Material hergestellt sind, wobei das Objektiv (20; 102; 152; 180; 204; 252) geeignet ausgebildet ist, die Sammlung sowohl von optischen als auch von Radiofrequenzwellen zu gestatten;

einer Vielzahl von Sensorelementen (30; 108; 160; 164; 210; 253; 255), die jeweils auf die an einem gewünschten Brennpunkt auf der äußeren Oberfläche des Objektivs abgebildete Energie ansprechen und ein elektrisches Signal schaffen, und

einem Signalbearbeitungsmittel (40; 140; 174; 258), das auf die elektrischen Sensorsignale anspricht, zum Bearbeiten der Signale;

wobei die Sensorelemente sowohl optische als auch Radiofrequenzdetektorelemente umfassen.

2. Ein Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei die zentrale Kugel (22) ebenfalls aus einem Aerogel-Material ist.

3. Das Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optischen Detektorelemente optische Halbleiterdetektorelemente (108; 212; 253) umfassen, die mit der äußeren Oberfläche des Objektivs an den bestimmten Brennpunkten verbunden sind.

4. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Detektorelemente optische Fasern (160) umfassen, die zum Leiten des an den Brennpunkten abgebildeten Lichts zu den optisch empfindlichen Detektorelementen (164) angeordnet sind, und zwar eine für jeden Brennpunkt.

5. Das Sensorsystem nach Anspruch 4, wobei die optisch empfindlichen Sensorelemente ein monolithisches Feld von Halbleiterdetektoren (164) umfassen, die auf einem gemeinsamen Substrat in entfernter Lage von der sphärischen Oberfläche hergestellt sind, wobei Signale zu diesen durch optische Fasern (160) übertragen werden.

6. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Radiofrequenzdetektor eine Vielzahl von Millimeterwellen- oder Mikrowellendetektorelementen (210; 255) umfaßt, die auf die Millimeterwellen- oder Mikrowellenenergie ansprechen, die an den Brennpunkten auf der äußeren Oberfläche des Objektivs abgebildet wird.

7. Das Sensorsystem nach Anspruch 6, wobei die Radiofrequenzdetektorelemente eine Detektordiode (212) und ein Mikrowellenmetallhorn (210) umfassen.

8. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Objektiv gekennzeichnet ist durch ein halbkugelförmiges Gesichtsfeld, wobei die Sensorelemente (108) so angeordnet sind, daß sie auf über einen haibkugelförmigen Teil (110) des Objektivs einfallende Strahlen ansprechen.

9. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Objektiv gekennzeichnet ist durch ein im wesentlichen spharisches Gesichtsfeld, wobei die Sensorelemente für auf das Objektiv über die kugelförmige Oberflache des Objektivs einfallende Strahlen angeordnet sind.

10. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 93 wobei das Bearbeitungsmittel (40; 140; 174; 258) Mittel umfaßt zum gleichzeitigen Verarbeiten von Signalen von den Sensorelementen.

11. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bearbeitungsmittel ein Mittel (120) zum Abtasten der von den Sensorelementen erzeugten elektrischen Signalen unter Steuerung von Mustersteuerungssignalen zur Schaffung abgetasteter Sensorsignale, ein Mittel (130) zum Erzeugen der Mustersteuersignale zur Steuerung der Abtastung der elektrischen Signale zum Abtasten der jeweiligen Strahlausgaben auf eine gewünschte Weise, und ein Mittel (135) zum Digitalisieren der abgetasteten Sensorsignale und einen digitalen Computer umfaßt, der auf die digitalisierten Signale anspricht, zur Verarbeitung der durch das Objektiv (102) empfangenen Daten.

12. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 103 wobei das Signalverarbeitungsmittel umfaßt:

ein Mittel (120; 170) zum Abtasten der elektrischen Signale von einem oder mehreren ausgewahlten Sensorelementen in Erwiderung auf Abtaststeuersignale zur Abtastung des Ansprechens auf einen oder mehrere ausgewahlte Strahlen, die an den bestimmten ausgewahlten Richtungen fokussiert werden;

ein Mittel (135,172) zum Umwandeln der abgetasteten Signale in digitale Signalabtastwerte; und

einen digitalen Computer (140; 174) zum Bearbeiten der digitalen Signalabtastungwerte.

13. Das Sensorsystem nach Anspruch 1, wobei das Signalverarbeitungsmittel weiter eine Musterabtastvorrichtung (130) umfaßt zur Erzeugung der Abtaststeuersignale, um ein oder mehrere bestimmte Abtastmuster zu erzielen.

14. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 mit:

einer Vielzahl von Radiofrequenzenergiewandlern (2101 255), die an einer Vielzahl von Brennpunkten bei wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche des Objektivs gelegen sind, wobei die Energiewandler zur Umwandlung von an den Brennpunkten empfangener Radiofrequenzenergie in elektrische Signale und umgekehrt vorgesehen sind;

einem Sender (256), der an die Wandler gekoppelt ist, zum selektiven Anregen eines oder mehrerer Wandler zur Erzeugung eines oder mehrerer Übertragungsstrahlen, die jeweils einem bestimmten Wandler entsprechen; und

einem Empfänger (258) und einer Signalverarbeitungsvorrichtung, die an die Wandler gekoppelt sind, um selektiv Antwortsignale von den einen oder mehreren Wandlern zu empfangen und die Signale zu bearbeiten.

15. Das Sensorsystem nach Anspruch 14, wobei sich der Teil der äußeren Objektivoberfläche, um die die Wandler herum gelegen sind, über eine Halbkugel der Objektivoberflache erstreckt, wobei das System gekennzeichnet ist durch ein halbkugelförmiges Gesichtsfeld.

16. Das Sensorsystem nach Anspruch 14, wobei die Wandler (210, 255) über der sphärischen Oberfläche des Objektivs verteilt sind, wobei das System gekennzeichnet ist durch ein im wesentlichen sphärisches Gesichtsfeld.

17. Das Sensorsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 mit: einer Vielzahl von optischen Detektoren (253A), die an einer Vielzahl von Sensorbrennpunkten über wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche des Objektivs gelegen sind, wobei die optischen Detektoren zur Umwandlung von optischer Energie in elektrische Signale, die die an den Brennpunkten empfangene Energie anzeigen, vorgesehen sind;

einer Vielzahl von optischen Wandlern (253B) zum Emittieren von Lichtenergie an bestimmten Übertragungsbrennpunkten, die unter den Sensorbrennpunkten verteilt sind, zur Emission von optischer Lichtenergie in Erwiderung auf elektrische Wandlersignale;

einem Sender (256), der ein Mittel zum Erzeugen der elektrischen Wandlersignale umfaßt, zur selektiven Anregung eines oder mehrerer Wandler zur Erzeugung eines oder mehrerer Übertragungsstrahlen, die jeweils einem bestimmten Wandler entsprechen; und

einem Empfänger und einer Signalverarbeitungsvorrichtung (258), die an die optischen Sensoren gekoppelt sind, um selektiv Signale von einem oder mehreren Detektorelementen zu empfangen und die Signale zu verarbeiten.

18. Das Sensorsystem nach Anspruch 17, wobei der Teil der äußeren Objektivoberfläche, an der die Detektoren und Wandler (253) gelegen sind, sich über eine Halbkugel der Objektivoberfläche erstreckt, wobei das System gekennzeichnet ist durch ein halbkugelförmiges Gesichtsfeld.

19. Das Sensorsystem nach Anspruch 171 wobei die optischen Detektoren und optischen Wandler (253) auf der sphärischen Oberfläche des Objektivs verteilt sind, wobei das System gekennzeichnet ist durch ein sphärisches Gesichtsfeld.

20. Das Sensorsystem nach Anspruch 17, weiter mit einer Vielzahl von Radiofrequenzenergiewandlern (255), die an einer Vielzahl von Radiofrequenzbrennpunkten gelegen sind, die über wenigstens einem Teil der äußeren Oberfläche des Objektivs (252) vorgesehen sind, wobei die Energiewandler zum Umwandeln von Radiofrequenzenergie, die an den Radiofrequenzbrennpunkten empfangen wird, in elektrische Signale und umgekehrt vorgesehen sind;

einem Radiofrequenzsender (256), der an die Radiofrequenzwandler gekoppelt ist, zum selektiven Anlegen eines oder mehrerer Wandler zur Erzeugung eines oder mehrerer Übertragungsstrahlen, die jeweils einem bestimmten Wandler entsprechen; und

einem Radiofrequenzempfänger und einer Signalverarbeitungsvorrichtung (258), die an die Radiofrequenzwandler gekoppelt sind, zum selektiven Empfangen von Radiofrequenzantwortsignalen von einem oder mehrerer Wandlern und zur Verarbeitung dieser Signale.

21. Das Sensorsystem nach Anspruch 19, wobei die optischen Wandler (253) jeweils ein Mittel zum Emittieren von Laserlichtenergie umfassen.