DE3015845A1

DE3015845A1 - Infrarotueberwachungssystem

Info

Publication number: DE3015845A1
Application number: DE19803015845
Authority: DE
Inventors: John Banks Rexdale Ontario Driffield; Howard Steward Scarborough Ontario Kerr; John Robert Brampton Ontario Kettlewell
Original assignee: Spar Aerospace Ltd
Current assignee: Spar Aerospace Ltd
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1980-04-24
Publication date: 1981-11-12
Also published as: US4221966A; CA1127260A

Description

Infrarotüberwachungssystem

Die Erfindung betrifft Infrarotüberwachungssysteme.

Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einer optischen Anordnung für die Infrarotüberwachung von Targets und Infrarotdarstellungen*

Bekannte Infrarotüberwächungssysteme für die Ermittlung — der Targetpositionsinformation lassen sich in,zwei allgemeine Gruppen unterteilen, nämlich passive Systeme und aktive Systeme. Hiervon das häufigste ist das passive System, das die vom Target ausgesandte Strahlung benutzt, um das Eingangssignal zu liefern. Das kompliziertere aktive System bestrahlt das Target mit· einer Infrarothilfsquelle. Ein wichtiger Nachteil des aktiven Systems vom militärischen Standpunkt aus ist darin zu sehen, daß es dem Feind seinen Ort verraten kann. Obwohl die Erfindung anwendbar auf beide Systeme ist, ist das System nach der bevorzugten hier beschriebenen Ausführungsform ein passives System.

(^ Passive Infrarotüberwachungssysteme umfassen im wesentlichen

eine optische Abtasteinheit, welche die Infrarotemission von sämtlichen Objekten im Gesichtsfeld·empfängt, einen Infrarotdetektor der Gruppe von Materialien, die eine kleine elektromotorische Kraft proportional zur empfangenen Strahlung liefern und die Materialien wie Bleisulphid, Indiumantimonid, Quecksilbercaclmiumtcllurid, CCD-Detektoren und andere umfassen; ein elektronisches Verstärküngssystem mit einem Elektrofilter; einen Signalprozessor und ein visuelles Display oder Wiedergabesystem zur Positionsauf tragurtg der Signale. Der Hauptnachteil dieser bekannten Systeme ist in der dem Operator sich stellenden Schwierig-— keit zu sehen, zwischen den durch ein richtiges Tar-

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get beispielsweise einem Luftfahrzeug und Störsignalen erzeugten Signalen zu diskriminieren, d.h. Signalen, die durch Hintergrundgeräusche erzeugt werden und den Wiedergabeschirm störend beeinflussen. Solch ein "Geräusch" wird durch die Emission von der in der Atmosphäre in Suspension befindlichen Materie erzeugt, wie beispielsweise Wolken und dergleichen, die auch das Sonnenlicht reflektieren; außerdem gibt es zahlreiche unterschiedliche Quellen nahe dem Horizont.

Γ* Durch die Maßnahme nach der Erfindung soll vor allen Dingen eine verbesserte Diskriminierung zwischen dem Target und den Hintergrundsignalen gewährleistet werden.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß im wesentlichen-durch eine optische Anordnung für die Infrarotüberwachung im 3 bis 14 Mikrometerbereich mit einem asphärischen Sichtkorrektor, einem sphärischen Spiegel mit einer Brennweite, wobei der sphärische Spiegel so positioniert ist, daß er das durch den asphärischen Sichtkorrektur durchgelassene Licht empfängt, einem Detektorfeld mit einer Vielzahl von Detektorzellen mit wenigstens 50 Zellen, die so positioniert Jf^ sind, daß sie auf der Brennweite des Spiegels liegen, wobei die Detektorzellen auch so ausgebildet sind, daß sie einzelne elektrische Signale, abhängig von der hierdurch ermittelten Infrarotstrahlung, erzeugen; Einrichtungen zur Bewegung des Systemgesichtsfeldes im Azimut sowie Multiplexerausbildungen, die wirksam werden, um die individuellen Signale auf sequentielle Signalzüge zu reduzieren, wobei die Signalzüge durch eine Schleifringanordnung aus dem rotierenden System gebracht werden.

Vorzugsweise ist der asphiirische Sichtkorrektor ein asphärischer Germaniumkorrektor.

ORlGl_NAl

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Vorzugsweise ist ein doppelwandiges Vakuumdewar(gefäß) vorgesehen, das das Detektorfeld umschließt und das entfernbar ist, um Wartung der Detektorzellen zu ermöglichen. Ein Infrarotdurchlaßfenster öffnet sich durch die Wandungen des Dewars und ermöglicht es, daß die Infrarotstrahlung die Detektoren erreicht. Die ' Detektoren sind vom Dewar entfernbar, ohne die Vakuumintegrität des Dewars zu beeinflussen.

Schließlich kann ein Kältefluid-Kühlsystem vorgesehen sein, um Filter und Zellen zu kühlen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Diese zeigen in

eine schematische Darstellung eines Infrarotüberwachungssystemes;

eine teilgeschnittene Darstellung einer optischen Infraroteinheit nach einer Ausführungsform der Erfindung; einen vergrößerten Detailschnitt des in λ Fig. 2 gezeigten Detektors;

eine vergrößerte üetaildarstellung eines TeiLs der Detektoranordnung der Fig. 3; einen Schnitt in Richtung des Pfeiles 5-5 der Fig. 4, wobei gezeigt ist, wie die Detektorchips gelagert sind und wie das Filter vor den Detektorchips angebracht ist;

- Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Infrarotüberwachungssystems nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 ein Displayfo'rmat des Infrarotüberwachungssystems;

Fig. 8 ein Diagramm, in dem ein alternatives Displayformat zu sehen ist; und

Fig. 9 ein Diagramm, welches die Definition des Ausdrucks FWHM (volle Breite halbes Maximum)

1300*6/0(13*

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Fig.	1
Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4
Fig.	5

definiert, so wie es am SpektralfiJtcr zur Anwendung kommt.

In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 schematisch ein Infrarotüberwachungssystem nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das System umfaßt eine allgemein mit 10 bezeichnete Abtasteinheit. Die Abtasteinheit 10 umfaßt einen optischen Empfänger 12, der auf einer stabilen Plattform 14 angebracht ist. Die stabile Plattform 14 besitzt einen Drehantrieb, wodurch die Abtasteinheit sich im Azimut drehen kann. Die elektrischen Signale des optischen Empfängers 12 werden an einen Infrarotprozessor und eine Displaybaugruppenanordnung 16 durchgelassen, die ihrerseits für einen Ausgang an ein Befehls- und Regelcomputersystem 18 sorgt. Die stabile Plattform 14 wird durch eine Kontrollkonsole 20 geregelt. Ein örtlicher vertikaler Bezug 22 wird verwendet, um die vertikale Orientierung der Abtasteinheit 10 beizubehalten.

Die stabile Plattform 14 ist so gelagert, daß sie drehbar um orthogonal angeordnete Achsen X, Y und Z mittels kippender Antriebsmotoren 24 und 26 angetrieben werden kann; das optische System wird im Azimut um eine Verbindung 28 angetrieben, die einen Azimutantriebsmotor sowie eine Schleifringanordnung - in Fig. 6 gezeigt - enthält. Die Kontrollkonsole 20 dient auch dazu, die geforderte vertikale Orientierung der Abtasteinh'eit 10 für sämtliche Positionen der Trägerkonstruktion 30 aufrechtzuerhalten. Die Trägerkonstruktion 30 kann integralen Bestandteil ■ an einer Überwachungskonstruktion bilden und kann stationär sein, wobei in diesem Fall die stabile Plattform 14 nicht erforderlich ist oder beweglich sein kann und an Land oder auf der See vorgesehen sein kann. Der optische Empfänger 12 ist in einem Deckel 32 mit einem nach — außen öffnenden Sichtfenster 34 untergebracht, wobei

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letzteres sich mit dem optischen limp fänger I2 dreht.

Nach Fig. 2 besteht der optische Empfänger 12 aus einem optischen Gehäuse 36 mit einem asphärischen Gehäuse 38 an einem Ende und einem sphärischen Spiegel 40 am anderen Ende. Das asphärische Gehäuse 38 sowie der sphärische Spiegel 40 sind lösbar bezüglich des optischen Gehäuses 36 durch Klemmbänder 42 bzw. 44 befestigt. Ein Paar von Trägersäulen 46, von denen nur eine dargestellt ist, gehen von der stabilen Plattform 14 zu beiden Seiten des optischen Gehäuses 36 nach oben. Ein Lager 48 ist am oberen Ende jeder Trägersäule 46 angebracht. Ein Paar querliegender Trägerwellen 50 lagern zu beiden Seiten des optischen Gehäuses 36, und zwar in den Lagern 48. Die Wellen 50 haben eine Längsachse 52. Das optische Gehäuse ist um die Achse 52 mittels eines Hub- und Kippeinstellmechanismus beweglich, der allgemein mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet ist. Der Hub- und Kippmechanismus 54 ist mit einem Ende mit Bezug auf die stabile Plattform 14 befestigt und mit dem anderen Ende am optischen Gehäuse 36 fest. Der Höhen- und Kippeinstellmechanismus ist ausfahrbar und zurückziehbar, wodurch das optische Gehäuse 36 um die Achse 52, wie für den Gebrauch nötig, verschwenkt.

Ein asphärischer Korrektor 56 ist am vorderen Ende des · asphärischen Gehäuses 38 gelagert. Vorzugsweise besteht der asphärische Korrektor 56 aus optischem Germanium oder Silizium. Andere geeignete Materialien zur Verwendung als «!.sphärischer Korrektor umfassen Materialien, wie Irtan 1 und Zinkselenid. Der asphärische Korrektor 56 wirkt als Sichtfenster für den optischen Infrarotempfänger 12 und ist so ausgebildet, daß er das Schmidtoptische System für sphärische Fehler korrigiert.

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Der allgemein mit dem Bczugszcichcn 58 bezeichnete Detektormechanismus ist in einer Wandung des optischen Gehäuses 36 so gelagert, daß seine Lage bezüglich des sphärischen Spiegels in Längsrichtung und Winkelrichtung einstellbar ist. Ein Durchlaß 60 ist offen durch die Wand des optischen Gehäuses 36; eine Trägerplatte 62 über dem Durchlaß 60 -angeordnet. Die Trägerplatte hat einen durchgehenden Durchlaß 64 (Fig. 3). Zwei Führungsschienen 66 sind auf dem optischen Gehäuse 36 angebracht und reichen· über die Trägerplatte 62 unter Abstand hierzu. Ein Ende jeder der Führungsschienen befindet sich in der radial abgehenden Fläche 68 des optischen Gehäuses 36; die anderen Enden hierfür gehen durch den radial weisenden Flansch 70 und sind durch Muttern 72 gesichert. Ein Dichtungsring 74 befindet sich in einem kreisförmigen Kanal,, der um den Durchlaß 64 der Trägerplatte 62 sich erstreckt. Ein Gleitelement 76 besitzt eine Unterseite 78, mit der es auf der Oberfläche der Trägerplatte 62 ruht und gegen den Dichtungsring 74 anliegt. Das Gleitelement 76 hat zwei Paare von Klötzen 80, die von beiden Seiten nach außen vorstehen. Die Klötze 80 haben Durchlässe 82, die so ausgebildet sind, daß sie die Führungsschienen unter engem Gleitsitz aufnehmen. Das Gleitelement 76 ist kürzer als die Führungsschienen 66, so daß es in Längsrichtung hiervon beweglich ist. Eine Stirnplatte 84 ist am vorderen Ende des Gleitelements 76 befestigt und durch Halteschrauben 86 hieran befestigt. Die Stirnplatte 84 besitzt einen durchgehenden Schraubkanal 88.

Der Einstellmechanismus zum Einstellen der Längsstellung des Gleitelements 76 ist im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 90 in Fig. 3 gezeigt. Der Einstellmechanismus 90 besteht aus einem röhrenförmigen Gehäuse 92, das mit einem Ende auf dem Flansch 70 angebracht ist. Das Gehäuse

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92 besitzt eine durchgehende Öffnung 94. Der äußere Endteil 96 der durchgehenden Öffnung 94 besitzt Innengewinde entgegengesetzter Steigung zu der in der Öffnung 88 der Stirnplatte 84. Eine angetriebene Welle hat einen Gewindeteil 100 an einem Ende, der so ausgebildet ist, daß er unter Verschrauben die Schrauböff-. nung der Stirnplatte 84 aufnimmt. Die Welle 98 besitzt auch einen Schraubteil 102 benachbart dem anderen Ende, der unter Verschrauben in einem Gewindestirnteil 96 des Gehäuses 92 vorgesehen ist. Ein Handrad 104 ist am äußeren Ende der Welle 98 vorgesehen. Die Antriebswelle 98 bildet eine Differentialschnecke, die bei Drehung des Handrades 104 das Gleitelement 96 bewegt, wodurch der Detektor 58 sich auf den sphärischen Spiegel zu bzw. von diesem fort bei der Verwendung bewegt. Das Gleitelement 76 hat an der Oberfläche 106 eine von vorne nach hinten gehende gewölbte Krümmung. Ein Kanal 108 ist durch das Gleitelement 76 geführt.

Das allgemein mit dem Bezugszeichen 110 bezeichnete Dewargefäß besitzt oberhalb des Gleitelements 76 einen Flansch 112. Die Unterseite des Flansches ist λ mit einer Krümmung entsprechend der Krümmung der Oberseite 106 des Gleitelements 76 versehen. Eine federnde Dichtung 116 reicht um das Dewar 110 unterhalb des Flansches 112 und besitzt eine gewölbte Unterseite, die auf der gewölbten Oberseite 106 des Gleitelements 76 ruht. Eine Vielzahl von vorne nach hinten länglicher Schlitze 118 sind im Flansch 112 vorgesehen; der Flansch I12 bezüglich des Glcitclemcnts 76 ist mittels Schrauben 120 befestigt, die durch die Öffnungen 118 gehen und unter Verschrauben im Gleitelement 76 vorgesehen sind. Die Winkelstellung (Verkippen) des Dewargefäßes 110 kann einstellbar sein, indem die Klemmschrauben 120 gelöst werden und der Flansch 112

relativ zum Gleitelement 76 längs der Bogenbahn bewegt wird, die durch die Oberseite 106 des Gleitelements gebildet ist.

Das Dewar 110 besitzt einen Kopfteil 122, eine innere zylindrische Wandung 124 sowie eine äußere zylindrische Wandung 126. Die Wandungen 124 und 126 haben Fensteröffnungen 128 bzw. 130, innerhalb deren die Fenstereinheiten 132 und 134 untergebracht sind. Die Fenstereinheiten I32 und 134 sind Germaniumfenstereinheiten (3-14 jum) oder Saphirfenster (3-5yam), wodurch die Infrarotstrahlung durchgehen kann. Die Fensterrahmen 128 und 130 sind vorzugsweise an rostfreie Stahlwände des Vakuumdewars, innerhalb dessen sie gelagert sind, gelötet. Die Kammer 136 zwischen den Wandungen 124 und 126 wird über einen Unterdruckanschluß 138 evakuiert. Die Kammer 140» die innerhalb der Innenwandung 124 sich befindet, wird mit einem inerten Gas (Stickstoff) - hierauf nicht beschränkt - gefüllt. Die Kühlanordnung wird über eine Leitung 144 mit einem geeigneten Kompressor verbunden, Die Kältemaschine 142 lagert auf einer Plattform 146, die ihrerseits von der Stirnplatte 148 getragen ist, die auf der Platte 150 lagert, welche auf dem oberen Endteil 122 des Dewars ruht. Eine röhrenförmige Sonde 152 ist auf der Plattform 146 angebracht und erstreckt sich von dieser nach unten in die Kammer 140. Die Sonde 152 wird durch Zirkulieren eines Kühlmittels durch diese gekühlt, so daß die Trägerbrücke 156 und die Gruppe von Detektoren 166 und Filtern 186 gekühlt wird. Ein stirnseitiger Träger 154 ist am unteren linde der röhrenförmigen Sonde 152 angebracht. Ein Brückenelement 156 ist an einem lindträger 154 vorgesehen und erstreckt sich in Längsrichtung hiervon in Ausrichtung zu den Fenstern •132 und 134 des Dewars. Wie Fig. 4 der Zeichnungen erkennen läßt, besitzt das Brückenträgerelement 156 einen

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U-förmigcn Kanal 158 auf der Außenseite und einen U-rörmigen Kanal 160 auf der Innenseite. Ein Steg 162 bildet die Basis der U-förmigen Kanäle 158 und 160. Eine Vielzahl von Kanälen 164 sind durch den Steg 162 zur Verwendung bei der Lagerung der Detektorzellenchips, beispielsweise des Chips 174 nach Fig. 5, offen. Die Detektorgruppe 166 besteht aus einer einzigen Oberflächenüberwachungsdetektoranordnung (Bilddetektoranordnung) 168 einschließlich der Chips 172 und einer Vielzahl von Oberflächenüberwachungschips 174 in dem Feld 170. Das Oberflächenüberwachungsdetektorfeld 168 befindet sich am unteren Ende der Brücke 156 und die Brückenüberwachungsdetektoranordnung 170 umfaßt Chips 174, die eines auf dem anderen über die Länge der Brücke 156 vorgesehen sind. Die Anzahl von Luftüberwachungschipelemcnten wird festgelegt durch den Bogen der Höhenabtastung, wenigstens zehn Detektorzellen pro Höhengrad sind bei der Benutzung erforderlich» Die Detektor.chips 172 des Oberflächenbildüberwachungsdetektors168 sind auf der Brücke 176 gelagert, befinden sich also in der gleichen Brennebene. Die Luftüberwachungsdetektoren 174 arbeiten im 3-5/um Bereich und können aus photovoltaischem Indiumantimonid (InSb) oder dergleichen hergestellt sein. Die Oberflächenüberwachungs(bild)detektoren 168 bestehen vorzugsweise aus HgCdTe (MCT) oder PbSnTe (photovoltaisch). Die Feldkombinat ion der Oberflachen(bild)detektoren 172 (Fig. 4) und der Oberflächenüberwachungsdetektoren 174 auf der gleichen Brennebene der Brücke ermöglichen es der Vorrichtung nach der Erfindung nach zwei verschiedenen Arten zu arbeiten, d.h. sowohl als Oberflüchcnüberwachungs-(bLld)cinrichtung und als Lu rtiibeiwachiingso i nri ch tung. Die Detektoren 172 und 174 sind mit flachen Leiterkabcln 176 und I78 an sich gegenüberliegenden Seiten der Brücke 156 angeschlossen. Trägerblöcke 180 und 182 dienen dazu, die flachen Kabel 176 und 178 gegen die Seite der Brücke 156 zu klemmen. Die flachen Kabel 176 und 178

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erstrecken sich innerhalb der Kammer I40 nach oben und öffnen sich von dieser nach außen durch die Platte 14 8 und werden elektrisch mit dem SignnLnusgangskabcL I84 verbunden.

Praktische Verwirklichungen nach der Erfindung arbeiten mit Detektorchips der CCD-Bauart mit einer Winkelauflösung von 0,5 Milliradians oder besser. Einhundertfünfzig bis zweihundert Detektoren werden zur Zeit verwendet; man nimmt jedoch an, daß diese Zahl sich in absehbarer Zukunft, um eine noch bessere Auflösung zu erreichen, verdoppelt.

Ein extrem schmalbandiges Spektralfilter 186 (Fig. 5) ist zwischen den Detektoren 174 und einer inneren Fensterausbildung 132 vermittels einer_; Trägerkonsole 188 angeordnet, die auf Trägerelementen 180 bzw. 182 durch Halteschrauben 192 bzw.194 gelagert ist. Das extrem schmalbandige Spektralfilter (weniger als 3 % FWHM, Fig. 9) liefert eine extreme Hintergrundunterdrückung für die Targetvergrößerung bei Luftüberwachungsmode. Das Spektralfilter 186 ist an der Brücke 156 befestigt, die, wie vorher beschrieben, gekühlt ist; da das Filter gekühlt ist, wird eine Rauschen äquivalente Strahlungsleitung (NEI) des Systems wegen des niedrigeren Hintergrundphotonengeräusches verbessert. , welches durch das Filter selbst auf das Dctektorfcld abgestrahlt wird. Hierdurch wiederum wird eine größere Targetreichweitenleistung für das System als Ganzes geliefert.

Typische Parameter für ein Infrarotüberwachungssystem nach einer Aus Cüh rungs form der Erfindung werden in der untenstehenden Tabelle dargelegt:

TABHhLIi 1 1RSS SYSTLiMl¹ARAMIiTI-R (TYP I SCH

LUF-TÜBERWACHUNGSDETEKTORUNTERANORDNUNG

Parameter

Abtastungsrate Öffnungsdurchmesser D F/Zahl N
Detektorart Kühlsystem

Detektortemperatür Spektralfilter AX

Gesamtes Elevationsfeld

Auflösungsazimut Höhe/Elevation Anzahl der Detektoren 30 - 40 UPM

10 englische Zoll (25,4 cm)

1,0

photovoltaisch-.Indiumantimonid CInSb)

Gifford-McMahon Closed Cycle Mechanical Cooler

77°K

im 3-5jum Bereich (1 bis 20 I) bei 50 % Punkten

variabel abhängig vom Anwendungsfall

-< 2 mr

variabel bis zu 3 mr

variabel abhangig vom Elevationsfeld, 'notwendig sind jedoch wenigstens IO Detektorzellen pro Grad des nievationsfeld.es

OBERFLÄCHENÜBERWACHUNGS- UND BiLDANORDNUNGSSYSTEM

Parameter Detektorart

Spektralfilter A λ Gesamtes TUcv.'itions feld Az iinutiiu ("lösung Elevation

Anzahl der Detektoren Wert

HgCdTe (MCT) oder PbSnTe (photovoltaisch)

8 - 14 yum
vii ri abei

1 mr -

ntutfbUM

variabel bis zu 2 mr

variabel, wenigstens jedoch 32 Detektoren erforderlich. Bei Verwendung einer Bauart, die 0,5 Milliradianswinkelauflösung gibt, würden 3 2 soldier Detektoren etwa 0,92 Grad des Elevationsfelds überdecken. Bei einem praktischen Feld würden etliche 100 solcher Detektore: .Lld hoher Auflösung geben.

BAD ORiQINAL

Im Betrieb werden die Dctcktorzcl1 cn 172 und 174 längs eines· gekrümmten Flächenfeldes angeordnet, das auf der Brennweite des optischen Systems durch Einstellung 104 der Lage des Dewars, wie vorher beschrieben, liegen soll. Die Elevation des optischen Empfängers 12 kann so eingestellt werden, daß die Rlcvationsabdcckung durch Einstellen des Mechanismus 54 ausgedehnt wird. Die Abtasteinheit 10 wird in Drehung versetzt, wodurch der optische Empfänger im Azimut abtastet. Vom asphärischen Korrektor 56 durchgelassene· Signale werden vom sphärischen Spiegel 40 durch das Fenster 134 und 132 des Dewars und durch das Schmal bandspektral filter 186 reflektiert und fallen auf die Detektoren 172 und 174. Die Ausgangssignale aus den Detektoren 172 und 174 werden mittels flacher Leiterkabel 176 und 178 sowie des Kabels 184 übertragen, wodurch die auf dem- optischen Gehäuse angebrachten Vorverstärker und elektrischen Filter getrennt werden.

Diese Signale werden dann zum Infrarotprozessor und dem Displayuntersystem 16 (Fig. 1) multiplexiert.

Nach einem wichtigen Merkmal der Erfindung sind sowohl Detektoren 174 für die Luftüberwachungsmode als auch Detektoren 172 für die Oberflächenüberwachungsmode in einem kombinierten Feld vorgesehen, das auf der gleichen Fokalfläche des sphärischen Spiegels liegt. Hierdurch kann die Vorrichtung sowohl nach der Oberflächenübcrwachungsmodc wie nach tier Ober Π ächeninode verwendet werden, um in der Luft befindliche Targets bzw. Oberflächentargets zu orten.

Zweckmäßig wird ein gekühltes Filter 186 zwischen Spiegel und Detektoren vorgesehen. Das Filter wird aufgrund der Tatsache gekühlt, daß es an der Brücke 156 befestigt ist,

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welche durch die vorher beschriebene Kühl sonde 152 gekühlt wird. Im Betrieb wird die Detektor/l'üter-Brücke 156 gekühlt, um bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs (77⁰K) zu arbeiten. Das Spektralfilter 186 kann ein extrem schmales Band (X 3°s) sein oder sich über Breitband erstrecken..

Der Aufbau des doppelten Dewars ist wichtig. Insbesondere ist dör Aufbau des Dewars derart, daß die Detektoren aus der Kammer 140 ohne Einbruch in das Vakuumsystem entfernt werden können. Das doppelwandige Vakuumdewar wird evakuiert und liefert eine hohe thermische Isolierungsabschirmung um die Detektoranordnung; das Vakuumdewar 11 ist völlig getrennt von der Detektoranordnung. Wie vorher angegeben, wird die Kammer 140 mit einem Inertgas (trockener Stickstoff) bei einer Atmosphäre gefüllt. Aufgrund der Konstruktion von Dewar und Detektoranordnung kann die Detektoranordnung vom Dewar für Wartungszwecke entfernt werden und hierin nach der Wartung ersetzt werden; erforderlich ist es lediglich, daß die Kammer 140 mit trockenem Stickstoff gereinigt wird, um das System voll arbeitsfähig zu machen. Diese Technik, das Vakuumdewar völlig vom Detektorfeld zu trennen, ermöglicht hohe Ausheiz- oder Entgasungstemperaturen während des Hochvakuumarbeitens des Dewars mit dem Ergebnis, daß das Dewar ein langlebiges statisches Hochvakuumsystem ist. Die Wandungen 124 und 126 des Dewars werden vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt.

Wie vorher erläutert, bestehen die Fenster 132 und 134 vorzugsweise aus Germanium (3-14jum) oder Saphier (3-5Jim)', wodurch die Infrarotstrahlung durch die Detektoren gehen kann. Vorzugsweise sind die Fenster 132 und 134 in ihre Rahmen 128 bzw. 130 gelötet.

BAD ORIGINAL

In der oben angegebenen Weise läßt die Kältemaschine 142 das Kältemedium durch die Kühlsonde 152 zum Kühlen der Brücke 156 zirkulieren. Uns Kühlsystem dient auch dazu, das Strukturfilter 186 zu kühlen. Das Kühlsystem arbeitet mit Ilcliumkühlung und ist von der Art wie von der Firma CRYOGENIC'TECHNOLOGY INC., Walthan, Massachusetts unter dem Handelsnamen CRYOGENIC vertrieben.

Signale aus den Detektoren werden zu den Vorverstärkern außerhalb des Dewars unter Verwendung der flachen Leiterkabel 176 und 178 herausgeführt. Die flachen Leiterkabel sind so ausgelegt, daß sie eine hohe Kabeldichte sowie niedrige Wärmeverluste zur Detektorkaltsondc 152 aufweisen. Darüber hinaus ist ihr Abstand und ihre Herausführungsgröße so, daß geringes Übersprechen und eine Erdabschirmung gewährleistet sind. Hierzu werden die Herausführungen sandwichartig ausgebildet, wodurch Mikrophonieerscheinungen und elektromagnetische Störungen herabgesetzt werden. Die flachen Leiterkabel sind mit den Detektormodulen verbunden, die auf der Detektorbrücke vermittels üblicher Lötverfahren angebracht sind. Gesonderte Leitungen werden für j eden' Detektor bei einer gesonderten Masseleitung für jeden Detektormodul verwendet. Die Herausführungen für die Luftüberwachungsund Oberflächendetektoren sind mit ihren jeweiligen außerhalb des optischen Gehäuses angeordneten Vorverstärkern verbunden.

Das Schmalbandfilter 186 besteht aus einer Vielzahl flacher auf den Trägerelcmcntcn 188 angebrachter Filterelemente. Das Filter hat ein extrem schmales Band (weniger als 3 % FWIlM) um eine vorbestimmte Wellenlänge im 3-5 Mikrometerband und reduziert aufgrund seiner niedrigen Temperatur das durch Photonen induzierte Hintergrundsgeräusch i in Detektormateri al. Breitbandbetri eb im 3-5 /um

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Bereich kann auch vei'wcndet werden. Bin gesondertes Filter für den 8-14yum Bereich wird oberhalb des Oberflächenüberwachungsdetektors 168 angebracht.

Vorzugsweise werden das optische Gehäuse 36 sowie das asphärische Gehäuse' 38 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt; der Mechanismus für thermische Kompensation und Fokussierung besteht aus rostfreiem Stahl und Vespel (engl.: vespel). Der sphärische Spiegel 40 besteht vorteilhaft aus Beryllium oder Aluminium. Die optische Fläche des sphärischen Spiegels 40 ist mit einem Nickelphosphid (elcktrodenloscs Nickel) überzogen, ist geschliffen und poliert, aluminiert (oder mit Gold überzogen) , worauf ein weiterer Überzug aus Siliziummonoxyd (letzteres wird für den Goldüberzug nicht verwendet) zum Zwecke' eines maximalen Reflektierungsvermögens im Wellenlängenbereich 3-5 und 8-14 Mikrometer aufgebracht wird. Ist der Spiegel aus Aluminium und das Hauptgehäuse aus Aluminium hergestellt, so bleibt die Lage des Brennpunktes an der Auslegestelle auf sämtlichen Wärmeniveaus aufgrund des thermischen Ablöseeffekts (due to thermal scaling effect). In diesem Falle ist eine thermische _ Kompensation nicht erforderlich. Ist der Spiegel aus Beryllium hergestellt, so wird eine thermische'Kompensation erforderlich und diese ist in die Fokusi ereinstellelnrichtung 90, wie unten dargelegt, eingebaut. Das asphärische Gehäuse 38 ist aus Aluminium hergestellt und der asphärische Korrektor 56 besteht aus optischem Germanium oder Silizium. Das optische Silizium und Germanium haben eine lünsctzwclLcnlängc von etwa I bzw. 2 Mikrometer. Strahlung mit geringerer Wellenlänge ist beim System durch den asphärischen Korrektor ausgeschlossen und hierdurch werden eine Detektorstörantwort ebenso wie Gleichstromhintergrundphotonenpegel vermindert.

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BAD ORfGiPtAL

Die eLektronische Verstärkung des Sifinalprozesscs ist im Schaltbild der Fig. 6 deutlich gemacht. Gesonderte Vorverstärker werden für jedes Paar von Luftüberwachungsund Oberflächcnüberwachungsdctektorzellon verwendet. Die Vorverstärker umfassen auch zwei wählbare Frequenzbandfilter, die eine Hintergrundabweisung (Clutter Unterdrückungsmode)und Breitband-(keine Cluttermode) -Filterung gewährleisten, wobei letztere eine größere Targetreichweitenleistung für klare Hintergrundbedingungen liefern.

Die einzeln(Mi Analogsignale werden auf dem Feld genommen und dann zyklisch inn 11 i pl ext., so daß die einzelnen Zellensignale auf sequentielle Signalzüge zur Übertragung durch die Drehtischverbindungsschleifringanordnung reduziert und dann an den Infrarotsignalprozessor sowie die Displaykonsole geliefert werden.

Der Infrarotsignalprozessor sorgt für eine elektronische Verarbeitung auf dem multiplexierten Video, so daß die Hintergrund(clutter)signale weiter vermindert werden, indem man die CFAR-Techniken (konstante Falschalarmrate) und Korrelationstechniken zur Anwendung bringt.

Die im Infrarotüberwachungssystem nach der Erfindung verwendete Displaydarstellung kann zwei Formen haben. Diese Formen sind in Fig. 7 und 8 der Zeichnungen wiedergegeben. Bei der einen handelt es sich um ein modifiziertes PPI oderp0(rho theta) Format, wo der Azimutwinkel der Polarkoordinatenwinkel 6 ist und die Elevation die Radiuskoordinato D , gemessen von der AuiJcnkaiite der Displayfläche (Fig. 7), ist. Der äußere Rand ist der Horizont (in etwa) und im Falle einer Installation auf einem Schiff stellt der Kopf des Displaysdie wahren Norddaten dar. Der Operator kann einen Target bezeichnen, indem er einen Kursor um den Punkt auf dem Display anordnet, der selbst-

tätig Targetkoordinaten an das Fcucrlcitsystem gibt. Beim Wechseldisplay, das in ähnlicher Weiso bezüglich der Targetbestimmung arbeitet, handelt es sich um eines mit X, Y Koordinaten oder vertikalem und horizontalem Abtastungsformat. Dies ist in Fig. 8 deutlich gemacht. .

In beiden Displaysystemen beträgt die Rahmenzeit für eine vollständige Azimutabtastung etwa 1 bis 1,5 Sekunden. Diese Rahmen können auf einem TV-Display unter Verwendung eines Abtastkonverters wiedergegeben werden. Es führt zu einer Wiedergabe·, die unter höheren Umgebungslichtbedingungen verwendet werden kann.

Zusätzlich zu den oben genannten Displays kann das System auch ein Auszieh(zoom)display sein, um nach der Oberflächenüberwachungsmode zu arbeiten.

Leerseite

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4690 Herne 1,

Schoolerotrnße 18 Postfach 1140

Pot.-Am*. Herrmonn-Tf«nUpohl Fernsprecher: 0 23 a / 5 10 13 51014

Telegrammanschrlll: Bahrpatente Herne Telex 08 229 8S3

Dlpl.-lrrg Π-H.:Be>.r. .'.··'. Dipl.-PKys. Eduard Betzier " Dipl.-lng. W. Herrmann-Trentepohl

PATENTANWÄLTE

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Elnonaohor Slrnflo 17

Γ Po»l(»ch 400369

Pal.-Anw. Bctzlar Fernsprecher: 089 / 36 3011 33 3012 38 3013

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München

24. April 1980

SPAR AEROSPACE LIMITED 825 Caledonia Road
Toronto, Ontario, Kanada

INFRAROTÜBERWACHUNGSSYSTEM

PATENTANSPRÜCHE

I 1./ Optische Anordnung hoher Auflösung zur Ermittlung eines Gegenstandes durch Ortung von dessen Infrarotstrahlung in einem breiten Wellenlängenband innerhalb von 3 bis 14 Mikron, gekennzeichnet durch

a) optische Einrichtungen zum Fokussieren der Strahlung auf einer Brennfläche mit einem sphärischen Spiegel, der um seine Brennweite von der Fläche entfernt angeordnet ist und einen asphärischen Schmidt-Korrektor zwischen Objekt und Spiegel aufweist;

b) ein Strahlungsdetektorfeld mit wenigstens 50 Strahlungsdetektorzellen, die so positioniert sind, daß sie in dieser Brennfläche liegen und deren von jeder Zelle abgehende elektrische Verbindungen geson-

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derte Signale abhängig von der auf die Einzelzellen fokussierten Strahlung liefern;

c) Systemträgereinrichtungen, die wirksam werden, um die optischen Einrichtungen bezüglich des Azimuts zu bewegen, wobei die Trägereinrichtungen eine Schleifringanrodnung umfassen, die wirksam sequentiell Signale von den elektrischen Anschlüssen an einen Ort außerhalb der Trägereinrichtung überführen; und

d) eine angeschlossene Multiplexerausbildung, die die elektrischen Verbindungen in einem sich wiederholen-

** den Zyklus abtastet, um die gesonderten Signale von

den Detektorzellen auf sequentielle Züge von mit der Schleifringanordnung verbundenen Signalen zu reduzieren.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen zur Bewegung der optischen Anordnungen eine kontinuierliche Drehung bei einer Geschwindigkeit von wenigstens 30 Umdrehungen pro Minute hervorruft.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e ^ kennzeichnet , daß der asphärische Korrektor ein asphärischer Germaniumdetektor mit hoher Brechungszahl ist, der in dem Krümmungsmittelpunkt des Spiegels angeordnet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Spiegel ein mit Überzug versehener Aluminiumspiegel ist, der maximal im Wellenlängenbereich zwischen 3 und 14 Mikrometer reflektiert.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Detektorfeld ein

Indiumantimonidfeld, das im 3 bis 5 Mikrometerbereich

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wirksam ist, für eine Luftüberwachungsmode aufweist.
6. Optische Anordnung'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das DctektorfeJd ein Quecksilberkadmiumtelluridfeld, das im 8 bis 14 Mikrometerwellenbereich wirksam ist, umfaßt und für eine Oberflächenüberwachungsmode sorgt.
7. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Detektorfeld aus einem Indiumantimonidfeld und einem Quecksilberkadmiumtelluridfeld besteht, die zusammen in einem 3 bis 14 Mikrometerwellenbereich wirksam sind und sowohl für eine Luft- wie eine Oberflächenüberwachungsmode sorgen.
8. Optische Anordnung nach Anspruch 1 mit Spektralfilterausbildungen zwischen dem Detektorfeld und dem Spiegel, gekennzeichnet durch Kältemitteleinrichtungen zum Kühlen des Spektralfilters

und des Detektorfeldes auf eine Temperatur, wo Störungen von Photonen, die auf die Detektorzellen von den Filterausbildungen auftreffen, vermieden werden und die Rauschen λ äquivalente Strahlungsleistung der Anordnung verbessert wird.
9. Optische Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Spektralfilter einen Spektralbandpaß von weniger als 3 % von Volle-Breite-Halbes-Maximum (FWHM) und eine Hintergrundab-"weisung zur Targetverdeutlichung der Luftüberwachungsmode aufweist.
10. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß diese Strahlungsdetektor-

— zellen CCD-Detektoren sind, die im 3 bis 5 Mikrometer-

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und 8 bis 14 Mikromcterspektralbcrci ch wirksam sind.
11. Optische Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Träger für diese Detektorzellen, wobei die Zellen in einer Vielzahl von je eine Vielzahl von Detektorzellen umfassenden Moduleinheiten angeordnet sind, wobei jede Moduleinheit einzeln und · auswechselbar auf dem Träger angebracht ist.
12. Optische Anordnung nach Anspruch 1,. g e k e η η -

' zeichnet durch ein doppelwandiges Vakuumdewar(gefäß)

mit einer.Innenwandung und einer Außenwandung, wobei die Innenwandung das Detektorfeld umschließt und die Außenwandung die Innenwandung umschließt und der Raum zwischen Innen- und Außenwandungen evakuiert ist; durch infrarotdurchlassende Fenster, die durch die Innen- und Außenwandungen gehen und es der Infrarotstrahlung ermöglichen, das Detektorfeld zu erreichen, wobei das Detektorfeld in einem inerten Gas bei einem Druck von etwa einer Atmosphäre angeordnet ist und das Dewar Einrichtungen aufweist, um das üetektorfeld vom Dewar zu entfernen, ohne die Vakuumintegrität des Dewars zu beeinflussen;

f^\ und durch Einrichtungen zum Kühlen des Inertgases.
13. Infrarotüberwachungssystem mit einer optischen Anordnung zur Infrarotüberwachung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch elektronische Datenverarbeitungseinrichtungen, die mit der Schleifringanordnung verbunden sind und Signalzüge empfangen, wobei die Datcnverarbeitungscinrichtungcn Mittel aufweisen, um die Targetdaten mit hoher Auflösung und Genauigkeit als F^;unkt.ion von Targetazimut und Tn rgctc'I cvat i on wiederzugeben .

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14. Optische Anordnung nach Anspruch 1, g e k e η η -

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zeichnet durch Hinrichtungen zur Wiedergabe eines Bildes des Objektes mit einer vertikalen und horizontalen Abtastung, wobei die Strahlungsdetektorzellen jeweils eine Winkelauflösung von 0,5 Milliradians oder besser umfassen und eine hohe ßi 1 d;iu ("lösung liefern und in einer schmalen im wesentlichen vertikalen Reihe längs der Brennfläche angeordnet sind, wobei die Multiplexereinrichtungen nacheinander die elektrischen Verbindungen abtasten und ein Synchronisiersignal der vertikalen Abtastung für das Display liefern; und daß die Systemträgereinrichtungen die optischen Ausbildungen im Azimut bewegen und ein Azimutbezugssignal zum Synchronisieren der horizontalen Abtastung des Displays liefern.
15. Optische Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Wiedergabe eines Bildes des Objekts mit einerP θ Abtastung, wobei die Strahlungsdetektorzellen jeweils eine Winkelauflösung von 0,5 Milliradians oder mehr haben und eine hohe Bildauflösung liefern und in einer schmalen im wesentlichen vertikalen Reihe längs der Brennfläche angeordnet sind, wobei die Multiplexereinrichtung sequentiell die elektrischen Verbindungen abtastet und ein D Abtastungssynchronisiersignal für das Display liefern; und daß die Systemträgereinrichtung die optischen Einrichtungen im Azimut bewegt und ein Azimutbezugssignal zur Synchronisierung der θ Abtastung des Displays liefert.

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