DE3828766C2 - Elektrooptisches System zur Erkennung von Flugkörpern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches System zur Erkennung von Flugkörpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bisher bekannt waren hauptsächlich zwei Such- und Erkennungsprinzipien:

• a) Passiv
  Zum Suchen und Erkennen eines Flugkörpers wurden Strahlendetektoren verwendet, die im sichtbaren und im infraroten Spektralbereich ar­ beiteten, um ein Ziel zu erkennen.
  Ein Beispiel einer solchen passiven Zielsuchanordnung ist in der Deutschen Patentschrift C1 30 14 906 angegeben. Das dort beschriebene Arbeitsprinzip ist jedoch auf Reihenanordnungen von Detektoren und deren Abtastung - zeitlich nacheinander - beschränkt. Die Anzahl anwendbarer Einzeldetektoren ist bei einer solchen Anordnung be­ grenzt und die Art der Zielsuche ist durch Zeitvergleich und Ver­ zögerungsglieder ebenso wie die Auswertung erschwert.
• b) Aktiv
  Aktive Systeme sind z. B. Radarsysteme oder allgemein solche Systeme, bei denen elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird und die re­ flektierte Strahlung eines derart beleuchteten Flugobjekts mit geeigneten Sensoren empfangen und analysiert wird. Die Sensoren werden auch als elektrooptische Sensoren genannt, siehe z. B. Mikrowave Journal Sept. 1983 Heft 9 Seite 121 ff. Der Nachteil eines solchen Systems ist, daß seine markante Eigenemission vom Gegner detektiert werden kann.

Ein elektrooptisches Erkennungssystem der eingangs genannten Art ist aus der US H 101 bekannt. Bei dem dortigen System befindet sich in der Bildebene einer Eingangsoptik ein flächenhafter, bildgebender Sensor, der sowohl im UV- als auch im IR-Spektralbereich empfindlich ist. Die beiden spektral unter­ schiedlich empfindlichen Teile des Sensors befinden sich hintereinander in konfokaler Anordnung. Als Material für den UV-empfindlichen Sensorteil ist Kadmiumsulfid vorgesehen. Ansonsten sind der spektralen Empfindlichkeit im UV-Bereich keine Grenzen gesetzt. Die einwandfreie Funktion des Erken­ nungssystems, das auch auf Flugkörper angewandt werden soll, setzt voraus, daß die Auswertung in beiden genannten Spektralbereichen erfolgt. Ein Flug­ körper wird erkannt, wenn an der entsprechenden Stelle des Bildes ein hohes IR-Signal und gleichzeitig ein niedriges UV-Signal auftritt. Es wird also im UV-Bereich ein Schatten vor der UV-Hintergrundstrahlung beobachtet. Das System funktioniert nur bei Tag, wenn eine UV-Hintergrundstrahlung, verur­ sacht durch die Sonne, vorhanden ist, jedoch nicht nachts, wenn ein derartiger Strahlungshintergrund fehlt.

Aus der US 4,286,760 ist ein Erkennungssystem unter anderem für Flugkörper bekannt, bei dem in der Bildebene einer Eingangsoptik ein flächenhafter, je­ doch nicht bildgebender Sensor in Form eines Vier-Quadranten-Detektors an­ geordnet ist. Obwohl dort eingangs erwähnt ist, daß bei der Zielverfolgung op­ tischer Kontakt im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Licht gehalten werden kann, wird bei der Konkretisierung unter Verwendung des Vier- Quadranten-Detektors nur mehr auf den infraroten Spektralbereich abgestellt. Aufgrund der speziellen Ausbildung des Sensors kann lediglich die räumliche Richtung eines einzigen Flugkörpers ermittelt werden, und die aus der Mög­ lichkeit einer intelligenten Bildverarbeitung bei Anwendung eines bildgebenden Sensors sich ergebenden Vorteile für eine sichere und differenzierte Erkennung können nicht genutzt werden. Hinsichtlich des lediglich allgemein angespro­ chenen ultravioletten Spektralbereiches sind keine Grenzen vorgegeben.

Aus der EP 0 199 447 A2 ist ein Erkennungssystem auch für Flugkörper be­ kannt, welches stets von einer Kombination unterschiedlicher Sensoren Ge­ brauch macht, wobei mindestens zwei IR-Sensoren und ein UV-Sensor vor­ handen sein müssen, darüber hinaus aber auch von einem Radar- und/oder einem dritten IR-Sensor Gebrauch gemacht werden kann. Alle Sensoren detek­ tieren im wesentlichen punktförmig. Die Anwendung eines flächenhaften, bild­ gebenden UV-Sensors allein ist dort nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrooptisches Erkennungs­ system der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit hoher Sicherheit gegen Störeinflüsse arbeitet und eine große Reichweite aufweist, und das insbesondere mit möglichst wenig Sensoren auskommt und sowohl im Tag- als auch im Nachteinsatz verwendet werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindungen sind weiteren An­ sprüchen sowie der Beschreibung und Zeichnungen zu Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Die wesentlichsten Vorteile der Erfindung sind:
Die sichere Identifizierung von Flugkörpern in großer Entfernung kann bei einem Warn- oder Alarmsystem zur Erstellung einer Bedrohungsanalyse und zu ggf. daraus abzuleitenden halb- oder vollautomatischen Gegenmaß­ nahmen angewandt werden.

Durch die Erfassung der Eigenemission des Flugkörperabgasstrahles (Plume-Signatur) im ultraviolettem Spektralbereich, mit gegenüber künst­ lichen und solaren UV-, Licht- und Wärmequellen blinder Sensorik, ist das erfindungsgemäße System wesentlich störsicherer als die bekannten Infrarotwarnsysteme, welche durch alle andersgearteten oder an anderen Orten befindlichen Wärmestrahlungsquellen getäuscht werden können.

Bei der Erfindung liegt das Nutzsignal, wie es vom Sensor erfaßt wird schon in Quasi-Binärform vor (z. B. hell oder grau gegenüber dem homogen dunklen Hintergrund). Durch den Einsatz eines Flächensensors mit hoher Pixelzahl ist eine optimale Hintergrundunterdrückung bei hoher Ortsauf­ lösung ohne bewegten Scanner gegeben.

Das erfindungsgemäße Erkennungssystem dient der Identifizierung, Verfolgung, Anflug-Koordinatenbestimmung und Warnung vor bestimmten Flugkörpern mit aktivem Triebwerk, insbesondere Raketen, Düsen- oder anderem Rückstoß- oder Strahltriebwerk oder auch Geschossen mit z. B. pyrotech­ nischen Stoffen und Schweif oder Feuerschein, Flamme oder ähnlichen Zünd- oder Verbrennungserscheinungen. Die Warnung vor einem solchen aktiv angreifenden Flugkörper erfolgt durch ein passives, elek­ trooptisch abbildendes System hoher örtlicher und zeitlicher Auflösung, das in einem speziellen Wellenlängenbereich (Solarblind) durch Kopplung mit einem Bildverarbeitungssystem das anfliegende Objekt fehlerfrei er­ kennt und daraus in Quasi-Echtzeit optimale Gegenmaßnahmen einzuleiten gestattet.

Besonders bewährt hat sich bei dem erfindungsgemäßen Erkennungssystem eine spektrale Bildwandlung vom ultravioletten Bereich in den sichtbaren Bereich unter gleichzeitiger elektrooptischer Verstärkung, elektronisch regelbarer Belichtung aus Auslesung der Bildinformation über einen CCD-Chip, der diese Information in elektronischer, vorzugsweise digitaler Form an einer Schnittstelle der Bildverarbeitungsstufe zur Verfügung stellt.

Von besonderem Vorteil ist die Verwendung einer Mikrokanalplatte für den elektrooptischen Teil des Erkennungssystems mit hoher örtlicher Auflösung. Weiter von Vorteil ist die gleichzeitige Elektronenvervielfachung (Faktor <10⁴), wobei auf die Eingangsseite der Vervielfacherröhre eine Photokathode vorhanden sein kann und auf der Ausgangsseite eine phosphoreszierende Beschichtung oder ein anderer Leuchtschirm für die Bilderzeugung zur Verfügung steht. Eine direkte Kopplung des CCD′s an den Ausgang der Mikrokanalplatte ist ebenfalls möglich.

Von der Photokathode können mit Vorteil ein oder mehrere Filter zur An­ wendung gelangen, die den auszuwertenden Spektralbereich in gewünschter Weise einengen. Die erreichbare Auflösung der Elektrooptik liegt bei mehr als 30 lp/mm.

Weiterhin vorteilhaft bei der Erfindung ist eine elektronische Kurzzeitbe­ lichtung, durch die bei genügend großem Dynamikbereich der Verstärkung eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses und damit eine Reich­ weitenvergrößerung sowie eine verbesserte Abbildungsqualität und eine Stabilisierung der Bildinformation erreicht wird.

Besonders geeignet für die elektronische Belichtung ist eine Taktung, d. h. ein elektronisch regelbarer Zeittakt bzw. eine Zeitdauer zur Erzeugung pulsförmiger Taktsignale. Bisher verwendet man z. B. Trigger-Signale, Pulsbreitenmodulation, Periodendauer, Frequenzmodulation oder Zählen eines Taktes in vorgegebenem Zeitfenster und dergleichen mehr. Bei gleich­ zeitiger Taktung mehrerer Komponenten müssen Zeitdauer und Einschalt­ zeitpunkt der Einzelkomponenten aufeinander abgestimmt sein.

Die Zeitdauer und die Zeitpunkte der oben angeführten Belichtung der Einzelkomponenten lassen sich durch die Kopplung an einen Lichtsensor, einen Schwingungssensor, einen Lage- oder Beschleunigungssensor noch weiter verbessern, d. h. hier bezüglich der Erkennungssicherheit oder Identifizierung

Bei Verwendung eines Sensors mit Drehspiegelanordnung oder Anwendung und Zusammenfassung mehrerer Sensoren in später noch zu erläuternder Art und Weise läßt sich das Blickfeld oder Gesichtsfeld des Erkennungssystems bis hin zur Rundumsicht vergrößern. Für Anwendungen im Weltraum, z. B. auf Satelliten, ist die Kombination der großen Reichweite mit der hohen zeit­ lichen und örtlichen Auflösung bei fehlender atmosphärischer Extinktion besonders von Vorteil.

Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand der Ausführungsbei­ spiele erläutert, ohne daß die Erfindung hierauf beschränkt wäre. Abwand­ lungen hiervon sind für den Fachmann jederzeit möglich. Es zeigt

Fig. 1 den ultravioletten Sensor des Erkennungssystems;

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines Flugkörperwarnsystems mit Sensoren nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Bildauswerteschema mit Hilfe regelbarer Belichtungszeit;

Fig. 4 die Kombination der Auswertung von Nutzsignalen des UV-Sensors (obere Hälfte) und eines Vibrationssensors (untere Hälfte);

Fig. 5 - obere Hälfte: die Anordnung eines elektrooptischen Zooms und
- untere Hälfte: den Einbau des elektrooptischen Zooms in den elektrooptischen Teil des Erkennungssystems einschl. Bildwandler und Bildausleser;

Fig. 6 im oberen Teil eine Mikrokanalplatte, im mittleren Teil die Elektronenvervielfacherröhre in Ansicht und im unteren Teil das Funktionsprinzip einer einzelnen Mikrokanalröhre im Längsschnitt;

Fig. 7 eine intelligente Anwendung des Sensors zur Bilddarstellung in verschiedenen Spektralbereichen.

Wie Fig. 1 zeigt, läßt sich aus der Querschnittszeichnung der Ultravio­ lettsensor und die wichtigsten seiner Einzelkomponenten erkennen. Diese Komponenten sind die Ultraviolett-Optik 1, eine Bildwandler 2, der Licht aus dem ultravioletten in den visuellen oder sichtbaren Spektralbereich wandelt, ein Bildverstärker 3 und ein Koppler 4, der den Bildver­ stärker 3, z. B. mittels Faserkoppler, an einen CCD-Chip und an die Bild­ auswertestufe ankoppelt.

Der neue UV-Sensor gemäß der Erfindung weist ein sehr viel geringeres Detektorrauschen auf als z. B. bekannte IR-Detektoren. Bekannte IR-Detek­ toren müssen gekühlt werden und sind einzeln abzutasten, und dies erfordert komplexe und bewegliche Teile, die nicht schockfest genug sind.

IR-Bilder sind kontrastärmer und flauer als UV-Bilder, wegen der bis zu einem Faktor 50 größeren Wellenlänge, was auch proportional größere Ein­ gangsoptiken bedingt.

Die Infrarotsensoren haben ferner ein hohes Hintergrundrauschen, da die Plancksche Strahlung von normaler Umgebungstemperatur (300K) ihr Maximum bei 10 Mikrometer hat. Bekannte IR-Focal-Plane-Array-Detektoren sind noch sehr teuer und in der Auflösung weit unterhalb der der Bildsensoren im ultravioletten Wellenlängenbereich. Sie müssen gekühlt werden und weisen einen nur geringen dynamischen Arbeitsbereich auf. Täuschkörper mit hoher Intensität im IR-Fenster sind leicht herstellbar (Flares). Die Reichweite von Infrarotdetektorsystemen ist ebenfalls durch atmosphä­ rische Extinktion eingeschränkt.

Mit dem erfindungsgemäßen UV-Sensor, z. B. nach Fig. 1, läßt sich ein Frühwarnsystem schaffen, das optimal im Weltraum einsetzbar ist und vor feindlichen aktiven Flugkörpern warnt, die eindeutig nachgewiesen werden können mit niedrigen Fehlalarmraten. Der angegebene UV-Sensor läßt nicht nur den "Plume" des Abgasstrahls des Flugkörpers erkennen, sondern er läßt auch Aussagen über die Art des Flugkörpers und dessen Flugrichtung zu, die verfolgt (nachgeführt) werden kann. Die Richtung des Anflugs kann vom bekannten oder erwarteten Ursprung her durch Koordinatenbestimmung erfolgen, die Art des Flugkörpers kann durch Vergleich mit vorbe­ kannten gespeicherten Daten von Rückstoßtriebwerken ermittelt werden, wobei z. B. die Größe (Durchmesser) des Abgasstrahls, seine Länge, seine Spektrallinie bzw. sein Spektralwellenlängenbereich und/oder seine Farbtem­ peratur erkannt werden.

Der erfindungsgemäße UV-Sensor weist eine hohe Dynamik auf, und die Vorrichtung hat auch bei Blickrichtung entgegen der Sonne eine hohe Reichweite zur Folge durch Anti-Blooming. Der Aufbau des UV-Sensors ohne beweg­ liche Teile und ohne Kühlung, in einem gemeinsamen Gehäuse mit Optik untergebracht, vermeidet Schockempfindlichkeiten. EMP (Elektromag­ net-Puls)-Festigkeit kann durch Glasfaser-Signalleitung zwischen UV-Sensor und Bildverarbeitung erhöht werden, wobei sich der Sensor an der Oberfläche, die Bildverarbeitung und Elektronik im geschützten inneren Teil des Waffensystems, z. B. Hubschrauber oder Flugzeug befindet. Durch eine zeitliche Korrelation - online mit dem Informationsfluß des Erkennungssystems - läßt sich nicht nur eine Warnung oder ein Alarm erzeugen, sondern es können auch optimale operationelle zeitliche, ört­ liche und mengenmäßige Gegenmaßnahmen nach dem Erkennen eines feind­ lichen Flugkörpers aus dessen Ursprung, der Anflugrichtung-, Anflugge­ schwindigkeit und/oder der Art des Triebwerks erfolgen. Die Entschei­ dung über die Gegenmaßnahmen erfolgt zweckmäßig nach einer in Quasi- Echtzeit erstellten Bedrohungsanalyse, insbesondere welcher Flugkörper mit welcher Geschwindigkeit von welchem Startort in welche Richtung fliegt, und die Antwort auf die Bedrohung kann sofort erfolgen, z. B. durch Führen eines entgegenzusteuernden Abwehrflugkörpers, der unter Vermittlung des dem Erkennungssystem inerten Koordinatensystems in die betreffenden Abwehrposition und gegebenenfalls Abwehrflugbahn gebracht wird. Ein mit dem Warnsystem verbundener Zentralrechner kann jedoch auch die Flugbahn des angreifenden aktiven Flugkörpers vorausberechnen, ein Ausweichmanöver initiieren und/oder den zeitlichen, örtlichen und mengen­ mäßigen Einsatz der Abwehr berechnen und einleiten, je nachdem wie und wo eine Zerstörung oder Unschädlichmachung des anfliegenden feindlichen Flugkörpers geplant ist.

Fig. 2 zeigt drei UV-Sensoren 5, die insgesamt so einander zugeordnet sind, daß sie einen Blickwinkel von 360° ermöglichen. Wie das Block­ schaltbild der Fig. 2 weiter zeigt, sind die UV-Sensoren 5 mit einer Signalaufbereitungsstufe 6 über Datenbus verbunden, diese ihrerseits mit der Bildverarbeitungsstufe 7 und einem Rechner. Der Rechner der Stufe 7, der auch hiervon getrennt ausgeführt sein kann, ist optionell mit einer Anzeige 8, einem UV-Punktdetektor 9 und/oder weiteren Sensoren, wie Schwingungssensoren 10, und einer Stufe 11 für die eventuelle Auslösung von Gegenmaßnahmen verbunden. Der Sensor ist mit einem Bildspeicher ver­ bunden und wird angesteuert durch Takten und Zoomen. Am analogen-digitalen Ausgang der Stufe 6 ist diese über Bus verbunden mit der Bildverar­ beitungsstufe 7 und dem Rechner. Der Rechner, auf dem die Bedrohungsanalyse erstellt wird, kann seinerseits mit einer Anzeige- und Bedieneinheit 8, vorzugsweise einem Farbmonitor mit Tastatur, verbunden sein, auf dem eine Bedrohung angezeigt und ein Menü für Gegenmaßnahmen dargeboten wird. Je nach Bedrohung können unter Umständen manuell Gegenmaßnahmen eingeleitet werden, bevorzugt jedoch menügesteuert halbautomatisch oder automatisch, in Quasi-Echtzeit, optimal gemäß gespeichertem Programm der zur Verfügung stehenden Abwehrmaßnahmen und mit Hilfe von Aktoren, die die Gegenmaßnahmen auslösen und ebenfalls vom Rechner 7 des Erkennungs­ systems gesteuert oder von einem anderen Rechner (Zentralrechner), der mit ersterem verbunden ist, geführt werden.

Der passive elektrooptisch abbildende Teil des Erkennungssystems gemäß der Erfindung verfügt über eine Weitwinkel-Eingangsoptik mit einer spek­ tralen Transmission, die im Wellenlängenbereich über beispielsweise 200 nm das Gesichtsfeld auf eine lichtempfindliche Fläche - die Photokathode abbildet. Die auf dieser Fläche vorliegende Bildinformation wird vom ultravioletten zum sichtbaren Wellenlängenbereich (grün) über den Bild­ wandler 2 transformiert und mittels Bildverstärker 3 bei möglichst ge­ ringer Verfälschung intensitätsverstärkt weitergegeben, über einen z. B. taper-fasergekoppelten CCD-Chip 4 ausgelesen und in Form von Video­ bildern an die Bildverarbeitungsstufe 7 weitergegeben. Befindet sich kein Flugkörper im Anflug, so ergibt sich für die Bildverarbeitung ein homogen dunkles Bild, da UV-Strahlenquellen fehlen.

Es wird, wenn der UV-Plume des Abgasstrahls eines Flugkörpers in das Ge­ sichtsfeld des Erkennungssystems gelangt, dieser Plume im Videobild als heller Lichtfleck auftauchen, in dem Wellenlängenbereich (UV), für den das erfindungsgemäße Erkennungssystem geschaffen wurde. Die an sich bekannte Bildverarbeitungsstufe ändert die Bildinformation des Videobildes nun dergestalt, daß der Flugkörper im Vergleich zum Hintergrund noch besser erkennbar ist, d. h. sie verbessert das Bild, korrigiert Bild­ fehler usw.

Die Änderung der Koordinaten beim Anflug des Flugkörpers innerhalb des Gesichtsfeldes der Sensoren werden in Quasi-Echtzeit registriert, und die Signatur des Abgasstrahls bezüglich seiner Größe, Intensität, Form, Schwerpunkt, Richtung, Kontinuität ausgewertet und erkannt.

Dabei werden Fehlalarm und Täuschmöglichkeiten weitestgehend ausgeschaltet, indem man den vom Sensor erfaßten Flugbahnverlauf, Helligkeits- und Flächenzunahme und sonstige typische Plume-Eigenschaften vergleicht mit den gespeicherten Eigenschaften bekannter Muster, die dem typischen Ver­ halten von fliegenden Objekten entsprechen.

Mehrere UV-Sensoren können bei überlappendem Gesichtsfeld den einmal erkannten Flugkörper bzw. das Objekt ohne Nachführung der Optik in Rund­ umsicht verfolgen. Das Linsensystem mit einer Kombination geeigneter Materialien wird in seiner optischen Qualität für die Abbildung so ge­ wählt, daß über den gesamten in betracht kommenden Wellenlängenbereich die Bildinformation in hoher Qualität abgebildet wird und so das Bild auf der Photokathode besser oder gleich gut ist wie die sich daran an­ schließende elektrooptische Verstärkung und Abbildung (z. B. lp/mm, Transmission, Apertur, Gesichtsfeldgröße, Verzeichnung).

Im lichtoptischen Teil des Erkennungssystems werden ein oder mehrere Filter für die wellenlängenspezifische Auswahl des vom Gesichtsfeld ein­ fallenden Lichtes so eingesetzt, daß die UV-Signatur des Raketenplumes optimal transmittiert wird, bei maximaler Filterung (Absorption) aller sonstigen Wellenlängen des vorhandenen Lichtes. Der Einsatz kann dabei sowohl bei hellem Hintergrund (Tageinsatz) oder noch besser bei relativ dunklem Hintergrund (Nachteinsatz) erfolgen. Beim Nachteinsatz kann die Filterung eventuell entfallen, wenn das Hintergrundrauschen nicht ins Gewicht fällt. Es kann auch eine spezielle Photokathode aus z. B. CsJ, RbTe oder CsTe Einsatz finden, die nur im UV-Spektralbereich empfindlich ist, oder eine breitbandig (200-1000 nm) empfindliche Photokathode, wie z. B. Bialkali, GaAs, in Kombination mit geeigneten Filtern.

Der elektrooptische Teil 5, 6 liefert ein Videosignal an die Bildverar­ beitungsstufe 7 mit Rechner und geeigneter Schnittstelle. Bevorzugt werden Videosignale erzeugt durch Betrieb des Sensors mittels Takten oder Zoomen, d. h. die Belichtung und das Gesichtsfeld des Sensors werden elektronisch geregelt. Weist der elektrooptische Teil mehrere taktbare Komponenten auf, so müssen Zeitdauer und Einschaltzeitpunkt der einzelnen Komponenten aufeinander abgestimmt sein. Solche Sensoren sind z. B. Bildwandler, Bildverstärker oder SIT-Röhren (Silicon Intensifier Target vgl. Fig. 5 und 6). Geeignet sind Bildwandler des Nahfokustyps (Proxifier) mit entsprechender Photokathode, eine Verstärkungsstufe mit eventuell kaskadiertem Bildverstärker und einer Bildauslesung, direkt gekoppelt oder über Abbildungsoptik oder Taperfaserankopplung an CCD-Chip′s mit genügender Auflösung und Dynamik z. B. wie von der Firma Dalsa Inc., Canada unter der geschützten Marke PHOTOFET vertrieben.

Die elektronische Kurzzeitbelichtung erreicht durch die große vorhandene Dynamik eine Reichweitenvergrößerung und eine verbesserte Abbildungs­ qualität beim sehr rasch ablaufenden Abbildungsvorgangs (Einfrieren im Mikro- bis Nanosekunden-Bereich) und damit eine erleichterte Bildver­ arbeitung, wie Fig. 3 zeigt. Die Belichtungszeit wird dabei vom Bildwandler 2 und Bildverstärker 3 derart eingestellt, daß nur zwischen der Be­ lichtungszeit T₂ und T₃ ein Bildgehalt vorliegt, um die Bildaussage zu optimieren. Eine Stabilisierung der Bildinformation bzgl. Verwackelung wird erreicht durch eine Koppelung der Belichtungszeit an einen zu­ sätzlichen Schwingungssensor wie Fig. 4 zeigt. Dort ist der Zusammenhang zwischen der optimalen Öffnungszeit der Belichtung T₂ bis T₃ des UV-Sensors (oben) und dem Schwingungsverhalten des vibrierenden Sensors (unten) zu entnehmen. Der Schwingungssensor 10 ist optionell in Fig. 2 darge­ stellt. Gleiches gilt für einen UV-Punktdetektor 9, der zusätzlich Schutz vor Blendung oder Beschädung durch stark einfallende Strahlungsinten­ sität bietet.

Die Belichtungszeiten können bis in den Nanosekundenbereich für Bild­ verstärker abgesenkt werden.

Der Bildwandler wird z. B. zur Zeit T₁ aktiviert, die nachfolgende Stufe (z. B. BIV) bei T₂<T₁, da ersterer eine Ein­ schwing- und Abfallphase hat, in der der Bildinhalt nicht optimal ist. Durch die kürzere Bildverstärkungsphase T₂ bis T₃ innerhalb des aktiven Zeitfensters des Bildwandlers T₁ bis T₄ werden Anstiegs- und Abfallkanten beschnitten. Daraus resultiert bei Hintergrundbegrenzung eine erhöhte Reichweite. Die UV-Signatur eines schnell bewegten Flug­ körpers ist durch die große Relativgeschwindigkeit innerhalb des Ge­ sichtsfeldes (Blickfeldes) verwaschen. Die Flugkörper-Signatur kann in einer Belichtungszeit von z. B. 20 ms einen Großteil des Bildfeldes durch­ laufen und ist deshalb schwer zu analysieren. Bei Kurzzeitbelichtung sind dagegen diese Größen auswertbar, z. B. durch die beschriebene Taktung, und ermöglichen die Erkennung des Flugkörpers. Das gleiche gilt für den Fall des sich bewegenden Erkennungssystems. Hier wäre ohne Taktung die Bildinformationen verwaschen. Die Steuerung des Taktens kann gemäß Fig. 4 mittels Schwingungs-, Lage- oder Beschleunigungssensor er­ folgen. Solche Sensoren, wie z. B. piezoelektrische Sensoren, sind im Handel erhältlich, sind sehr klein und leicht und geben ein Signal ab, das proportional der Beschleunigung ist, sei es durch Vibration des Gerätes, auf dem sie sich befinden, oder durch Schwenken des Sensors selbst. Dieses Signal wird verstärkt und steht in Form einer Wechsel­ spannung zur Auswertung zur Verfügung. Vibrationen, die z. B. von der Sensor­ plattform herrühren, werden typisch von einem Schwingungssensor registriert, z. B. in Form einer Sinuskurve, die evtl. durch bekannte Filter geglättet werden kann. Für die Taktung ist entscheidend, daß innerhalb der Sinusschwingung, die eine Störung verursacht, ein Fenster für die Belichtung ausgewählt wird (siehe Fig. 4) zwischen T₂ und T₃. Das Einschaltfenster T₂ bis T₃ soll möglichst groß sein und innerhalb dieser Aktivzeit möglichst wenig Richtungsänderungen erfahren.

Für den abstrahierten Fall der Sinus-Schwingung darf alle λ/2-Wellen­ längen das Fenster mit seinem zeitlichen Mittelpunkt am Minimum/Maximum- Durchgang des Sinus-Signals des zusätzlichen Sensors gemäß Fig. 4 unten offen gehalten werden. Wie weit das Fenster um den Minimum/Maximum- Punkt der Sinus-Kurve ausgedehnt werden kann, läßt sich leicht experimentell bestimmen. Für den Fall einer nicht sinus-förmigen Vibra­ tionsstörung kann der Signalverlauf, z. B. durch Filterung, FFT oder ähnliches, vorbearbeitet werden, bevor die Rückkopplung mit der Verschluß­ zeit stattfindet.

Bei Anwendung des Erkennungssystems mit Belichtungszeitsteuerung vom Beschleunigungssensor können auch andere sich schnell ändernde Ereignisse besser überwacht werden, weil es hierbei möglich wird, eine Bild­ stabilisierung bei jeglicher Art von bewegter Kameraführung zu er­ reichen, d. h. immer dann, wenn es darauf ankommt, den Bildinhalt von örtlichen Schwankungen zu befreien (auch allgemein bei Robotik anwend­ bar).

Anstelle der Taktung oder zusätzlich dazu kann auch eine elektronische Gesichtsfeldänderung (Zoom) gemäß Fig. 5 angewandt werden.

Das elektrooptische Zoom-Teil kann ebenso wie der Bildverstärker sowohl hintereinander und zwischen Bildwandler und CCD-Auslesung angeordnet sein, als auch integriert sein, z. B. als integrierter elektrooptischer Baustein. Variiert man die Gesichtsfeldgröße durch das Zoomen innerhalb der verfügbaren Zeit so ergibt sich eine Erhöhung der Aussagekraft - hier der Erkennungssicherheit. Beim Nachweis von ultravioletten Strah­ lenquellen im Rundumsicht-Mode sind diese einzeln durch Vergrößerung des kleinen UV-Ereignisses zu betrachten und eindeutig zu identifizieren. Bei Nichtidentifizierung eines Flugkörpers ist die nächste UV-Strahlen­ quelle in Nahbetrachtung, wie oben beschrieben, abzuarbeiten usw., bis alle UV-Lichtquellen des Gesichtsfeldes betrachtet wurden. Bei Flugkörper- Identifizierung ist dieser zu verfolgen, und die Bedrohung durch ihn ist zu analysieren. Wenn die Gesichtsfeldänderung kontinuierlich erfolgt, so ist der elektrooptische Zoom in der Lage, einen beliebigen Teil des Gesichtsfeldes innerhalb festgesetzter Randbedingungen zu verändern und zentral darzustellen.

Ein Ausführungsbeispiel mit elektronischem Zoom ist in Fig. 5 darge­ stellt. Dabei wird durch Anlegen geeigneter elektromagnetischer Felder nur ein Teil der 1. Bildfeldebene auf die folgende Bildfeldebene (Phosphor) abgebildet. Um die Photokathode 50 am Strahlungseingang ist die Vergrößerungsspule 10 und hinter diesen sind Fokussierungs- und Ablenkspulen 20 um die Röhre 60 zur Elektronen-Vervielfachung herum angeordnet. Mit 30 ist die Mikrokanalplatte innerhalb der Röhre 60 bezeichnet, und mit 40 die phosphoreszierende Scheibe als Strahlungsausgang. Die elektroop­ tische Zoom-Vorrichtung ergibt einen Gewinn an Orts- und Intensitätsauf­ fassung durch Variation der angelegten elektromagnetischen Felder. Die elektronischen Ein- und Ausschaltzeiten sind ähnlich wie beim Takten bis in den ms-Bereich möglich. Bevorzugte Zeiten für das Ein- und Ausschalten von Gesichtsfeldänderungen sind im Bereich der Belichtungszeit von einigen Bildern, d. h. im Bereich von ca. 50 ms. Die Dauer der Vergrößerung hängt von der Zeit ab, die zur Analyse mittels Bildverarbeitung be­ nötigt wird.

Anstelle oder zusätzlich zum elektrooptischen Zoom kann auch eine Signal- Rausch-Verhältnis-Verbesserung erreicht werden durch Zoomen im Bild­ verarbeitungsteil des Erkennungssystems. Durch geeignete Algorithmen mit Subpixelberechnungen läßt sich dann die Aussage des Bildinhaltes verbessern.

Das Erkennungssystem der Erfindung kann nicht nur im ultravioletten, sondern auch im sichtbaren Bereich und dem diesem Spektralbereich nahen Infrarot eingesetzt werden (200 nm bis etwa 1000 nm).

Bei dieser Variante der Erfindung wird die bisher beschriebene Photo­ kathode durch eine andere ersetzt, die in dem gewünschten erweiterten Spektralbereich empfindlich ist, z. B. Bialkali, S20, GaAs. Dadurch wird das Erkennungssystem der Erfindung zu einem multispektralen Sensor. Durch eine Filterscheibe mit geeigneten Filtern vor der Photokathode, die mechanisch in Drehung versetzt werden kann, lassen sich die speziell gewünschten Spektralbereiche einfach vorwählen. Dies geschieht bevorzugt rechnergesteuert über Aktoren, die den Filterscheibenantrieb beeinflussen. Wird die Filterscheibe rotiert wie ein Chopper, so läßt sich z. B. jedes gerade Bild mit UV-Filter auf dem 1. Monitor, jedes un­ gerade Bild mit IR-Filter auf einem 2. Monitor als IR-Bild darstellen. Durch Koinzidenz von bekannten UV- und IR-Plumesignaturen verbessert sich die Falschalarmrate und Aussagekraft. Die Bildverarbeitung geschieht wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen. Das Analysieren ist im sicht­ baren Spektralbereich schwieriger. Eine einfache Bildverbesserung kann durch Kontrastanhebung, elektronische Filterung usw. erreicht werden, bei Tageinsatz muß die einfallende Lichtintensität wegen der dann hohen Empfindlichkeit des Erkennungssystems abgeschwächt werden. Bei Nachtein­ satz dient das Erkennungssystem als Nachtsichtgerät mit obigen Eigen­ schaften.

Das Erkennungssystem gemäß der Erfindung eignet sich für operative Ein­ sätze je nach Sensorzusammenstellung und für ein Gesichtsfeld, das bis zur Rundumsicht reicht.

Durch Einsatz mehrerer Sensoren mit festem Gesichtsfeld, die in ver­ schiedene, sich nur knapp überlagernde Richtungen blicken, kann der ge­ samte Raum abgedeckt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Reichweitenanforderung an das Gesamtsystem abhängt von der Auflösung der Einzelsensoren. Für ein Frühwarnsystem gemäß Fig. 2 ist eine Rundumsicht in Azimut gewährleistet. Die Abdeckung in Elevation ist an den Polkappen nur bedingt gegeben, kann aber durch zusätzliche Sensoren oder Erweiterung des Gesichtsfeldes der Einzelsensoren auch dahingehend erweitert werden, wenn es der operationelle Einsatz erfordert.

Bei mehreren Sensoren muß die Bildverarbeitung die Bildinformation der Einzelsensoren sequentiell oder parallel abarbeiten. Bei Identifikation eines Flugkörpers in einem Sensor muß dieser weiterbearbeitet werden, auf Kosten der anderen Sensoren. Um eine Überlastung der Rechenkapazität der Bildverarbeitung zu vermeiden, werden nur interessierende Bildin­ halte der Einzelsensoren an die Zieltracker weitergeleitet. Der Großteil der Bildinhalte ist ohne Flugkörper-Signatur und konstant in seinem In­ formationsgehalt und braucht deshalb nicht weiterverarbeitet zu werden. Der Fall, daß gleichzeitig aus konträren Richtungen ein Flugkörper-An­ griff erfolgt, ist relativ unwahrscheinlich, d. h. mit anderen Worten, daß bei einem prinzipiellen Aufbau gemäß Fig. 2 oder einem ähnlichen Aufbau ausreichende Erkennungssicherheit gegeben ist, zumal etwaige Startorte und Anflug­ richtungen vorbekannt sind oder vermutet werden können als Vorgabemuster, z. B. aus einem Festwertspeicher abrufbar sind, was auch für andere Trieb­ werksparameter und Flugkörperparameter gilt. Anflugwinkel, Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit und anderes können mit der Sensoranordnung und Auswerteeinrichtung erkannt werden. Zusätzlich ist unter Umständen eine (laseroptische) Entfernungsmessung und eine an sich bekannte Freund- Feind-Erkennung anwendbar.

Fig. 7 zeigt ein Erkennungssystem mit von einem Motor, insbesondere Elektromotor, antreibbaren Filterrad zur Auswertung verschiedener Spek­ tralbereiche, steuerbar vom Rechner 7, der mit der Bildauslesung 6 und dene Monitoren 8 verbunden ist.

Dabei wird die Filterraddrehgeschwindigkeit mit der Bildauslesung rech­ nergestützt elektrisch verknüpft. Z. B. wird bei jedem dritten Bild, wenn man es auf drei auszuwertende Spektralbereiche bezieht der IR-Filter in der optischen Achse des Systems vor der Photokathode angeordnet.

Die Auslesesequenz ändert sich mit der Anzahl der Filterscheiben. Diese kann auch einen Tag-Nacht-Auswerte-Mode bzw. Stellung umfassen. Bei intelligenter Auswertung kann auf eine Monitordarstellung verzichtet werden, indem der Rechner 7 die Bildinhalte verschiedener Spektralbe­ reiche vergleicht mit vorbekannten Mustern signifikanter Objekte aus einem Speicher. Bei gewünschter Anwendung kann das Kamerasystem als Sichthilfe und bei Nachteinsätzen als intelligente Restlichtkamera abge­ wandelt bzw. entsprechend angepaßt werden.

Claims (13)

1. Elektrooptisches Erkennungssystem für Flugkörper, mit einer Eingangsoptik sowie einem in deren Bild­ ebene angeordneten, flächenhaften, bildgebenden, im ultravioletten Spektralbereich empfindlichen Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Eigenemission des Flugkörperabgasstrahles die spektrale Transmission der Eingangsoptik, gegebenen­ falls unter Verwendung entsprechender Filter, und/oder die spektrale Empfindlichkeit des Sensors so abgestimmt sind, daß die durch Eingangsoptik und Sensor gegebene Sensorik solar blind ist, und daß eine Kopplung mit einem Bildverarbeitungssystem vorgesehen ist, durch welches vom Sensor er­ faßte Daten bezüglich Flugbahnverlauf sowie Hel­ ligkeits- und Flächenzunahme des abgebildeten Ab­ gasstrahls mit bekannten, dem typischen Verhalten anfliegender Flugkörper entsprechenden Daten ver­ glichen werden.

2. Erkennungssystem nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Sensor eingangsseitig eine Photokathode auf­ weist.

3. Erkennungssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Photokathode aus CsJ, RbTe oder CsTe.

4. Erkennungssystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine spektral breitbandig empfindliche Photokathode mit vorgeschaltetem Filter mit schmalbandiger Transmission.

5. Erkennungssystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Photokathode aus Bialkali oder GaAs.

6. Erkennungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine spektrale Bildwandlung vom ultravioletten in den sichtbaren Be­ reich.

7. Erkennungssystem nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige elektrooptische Verstärkung.

8. Erkennungssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Auslesung der Bildinformation über ein CCD-Chip.

9. Erkennungssystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine gleichzeitige Elektronenvervielfachung mittels einer Mikrokanalplatte.

10. Erkennungssystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen ausgangsseitig angeordneten Leuchtschirm.

11. Erkennungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die elektrooptische Verstärkung und dem CCD-Chip ein Koppler, beispielsweise Faserkoppler, eingeschaltet ist.

12. Erkennungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einem elektronischen Zoom ausgestattet ist.

13. Erkennungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß um eine Elektronenvervielfacherröhre mit eingangsseitiger Photokathode und ausgangsseitigem Leuchtschirm herum Vergrößerungs-, Fokussierungs- und Ablenkspulen und vor dem Leuchtschirm eine Mikrokanalplatte angeordnet sind.