DE1959828B2 - Geraet zur sternbildmustererkennung mittels optischer filterung - Google Patents

Description

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also lichtundurchlässig werden, d. h. auch undurch- in der Bildebene der Auffang-Optik, also auf der pho-

liissig für das eingespiegelte kohärente (mono- tochromen Schicht, gegen die optische Achse in seiner

chromatische) Licht. translatorischen Orientierung verschoben ist, so be-

Das inkohärente Sternbildmusier, das von der deutet das keinen Nachteil, da hinter der Ebene der Satellitenoptik aufgefangen wurde, wird somit dann 5 Fourier-Hologramme eine Bildlinse derart angeordals kohärentes Lichtmuster über eine Linse auf ein net wird, daß deren vordere Brennebene die HoIo-Hologramm eines vorgegebenen Sternbildmusters gramm-Ebene ist. Wenn das von der Satellitengeworfen. Die Hologramme vorgegebener Sternbild- Optik aufgefangene Sternbildmuste.- auf der photomuster werden angefertigt von Sternbildmuster- chromen Schicht z. B. unterhalb der optischen Achse Photographien, die auf Umkehrfilm (Sterne weiß, to abgebildet wird (also nach unten verschoben ist in Hintergrund dunkel) oder Normalfilm (Sterne dunkel, seiner translatorischen Orientierung), so wird bei Hintergrund heil) aufgenommen wurden. Welche Sternbildmuster-Übereinstimmung der helle Licht-Art von Film man verwendet, hängt von der vor- fleck durch die Bildlinse in deren hintere Bildebene gesehenen photochromen Schicht ab. Das ein- nach oben verschoben abgebildet. Diese Ablage ist gespiegelte Laser-Licht stammt entweder von einem i₅ meßbar und kann zusammen zur Lagebestimmung Dauerstrich-Laser oder von einem Impuls-Laser. des Satelliten dienen. Die Ablage wird gemessen Beim Dauerstrich-Laser muß die Intensität auf entweder mit Hilfe von Photodetektor-Matrizen oder einen Wert eingestellt werden, derart, daß die optischen Fasern, an denen jeweils kleine Photophotochrome Schicht das Laser-Licht gerade noch detektoren angebracht sind.

absorbiert. Hierdurch wird die photochrome Schicht ao Ein prinzipielles Beispiel für die praktische Ausvorbelastet. Beim Betrieb mit dem Impuls-Laser führung eines Gerätes gemäß der Erfindung ist in hingegen kann man es so einrichten, daß die photo- der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im chrome Schicht an den Stellen der Sternabbildungen folgenden beschrieben.

durch das Sternlicht schon durchlässig ist, ehe der Mit der Ziffer 1 ist die optische Achse des Ge-

Licht-Impuls des Impuls-Lasers auf die Schicht auf- as rätes bezeichnet. Bei einem spinstabilisierten Satel-

fällt. Uten bildet die Satelliten-Optik 2 durch den halb-

Die photochrome Schicht liegt im vorderen durchlässigen Spiegel 6 ein Sternbildmuster auf die Brennpunkt einer Objektivlinse. Durch diese wird photochrome Schicht 7 ab (z. B. an der Stelle 1.6). von dem auf der photochromen Schicht kohärent Bei einem dreiachsenstabilisierten Satelliten hinleuchtenden Sternbildmuster in der hinteren Brenn- 30 gegen muß man wegen der rotatorischen Orientieebene die Fourier-Transformierte erzeugt. In der rung vor der Satelliten-Optik 2 ein Amici-Umkehrhinteren Brennebene dieser Objektivlinse werden prisma 3 (mit Abdeckung 3 α) setzen. Das Amiciaber Fourier-Hologramme vorgegebener Stern- Prisma 3 dreht sich um eine virtuelle Achse, die muster vorbeigeführt. Der Laserstrahl, mit welchem gleich der optischen Achse 1 ist. Ein Drehwinkelaus den Hologrammen die vorgegebenen Sternbild- 35 geber 4 mißt kontinuierlich den Drehwinkel des muster reproduziert werden können, ist durch das Amici-Prismas 3. Bei manchen photochromen aufgefangene Sternbildmuster modifiziert. Ein HoIo- Schichten ist es günstig, daß sie immer wieder gramm eines vorgegebenen Sternbildmusters wird dunkel gemacht oder dunkel gehalten werden könalso beleuchtet mit der Fourier-Transformierten nen. Diese photochromen Schichten werden nur an dieser Modifikation, dem kohärent leuchtenden 40 denjenigen Stellen hell und durchlässig, also aus-Sternbildmuster, welches auf die photochrome gebleicht, an denen das (sichtbare) Sternlicht aufSchicht von der Auffang-Optik abgebildet wurde. fällt. Deshalb kann eine Lampe 19 angebracht wer-Stimmt nun das aufgefangene mit dem vorgegebenen den, die in einem Spektralbereich strahlt, der von Sternbildmuster überein, so erscheint hinter der der photochromen Schicht 7 absorbiert wird, diese Bildlinse, die in ihrem Brennweiten-Abstand hinter 45 also dunkel wird. Die Lampe 19 arbeitet kontinuierder Hologramm-Ebene angeordnet ist, ein Licht- lieh oder im Impulsbetrieb. Wenn der Laser 5 ein fleck. Impuls-Laser ist, so kann die Lampe 19 z. B. mit

Die Hologramme vorgegebener Sternbildmuster diesem alternierend pulsieren. Im Falle von photowerden am äußeren Umfang eines Rades angeord- chromen Schichten, die durch die Sternbildpunkte net, welches sich um eine Achse dreht, die parallel 50 durch das Sternenlicht dunkel, also undurchlässig zur optischen Achse des Gerätes angeordnet ist. Die werden, kann eine Lampe 19 vorgesehen werden, die optische komplexe Filterung ist nur dann anwend- in einem Spektralbereich strahlt, für welchen die bar, wenn das von der Satelliten-Optik aufgefangene, photochrome Schicht 7 hell, also ausgebleicht und auf die photochrome Schicht abgebildete Sternbild- durchlässig wird.

muster und das vorgegebene Sternbildmuster, wel- 55 Das kohärente, monochromatische Licht eines

ches holographisch aufgenommen ist, genau über- Dauerstrich- oder Impuls-Lasers 5 wird über den

einstimmen in ihrer rotatorischen Orientierung um Spiegel 6 auf die photochrome Schicht 7 geworfen.

die optische Achse des Gerätes. Bei einem drall- Ein von der Optik 2 dort (z. B. an der Stelle 16)

stabilisierten Satelliten, in welchem das Gerät starr abgebildetes Sternbildmuster leuchtet somit kohä-

eingebaut ist, so daß seine optische Achse in oder 60 rent. Mittels einer sphärischen Linse 8 wird in ihrer

parallel zu der Drallachse liegt, ist dieses Problem hinteren Brennebene (hintere Brennweite /₍₎) von

einfach zu lösen. Bei einem dreiachsenstabilisierten dem (ζ. Β. ;·η der Stelle 16) kohärent leuchtenden

Satelliten aber muß ein Amici-Umkehrprisma vor- Sternbildmuster die Fourier-Transformierte gebildet,

gesehen werden, welches z. B. vor der Satelliten- Die Schicht 7 liegt in der vorderen Brennweite der

Auffangoptik angeordnet ist. sieh um eine virtuelle 65 Linse 8 (vordere Brennweite /,/; /₍₎' = /₍₎). In der

Achse dreht, die gleich der optischen Achse des hinteren Brennebene der Linse 8 werden nun

Gerätes ist. Fourier-Hologramme 9 von vorgegebenen Sternbild

Wenn hingegen das aufgefangene Sternbildmuster mustern vorbeigeführt. Die Fourier-Hologramme 9

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sind auf dem Umfang eines Rades 10 angeordnet, das sich um eine Achse 11 dreht, die parallel zu der optischen Achse 1 des Gerätes liegt. Ein Drehwinkelgeber oder Zähler 12 gibt fortlaufend die Nummern der Hologramme 9 an. Stimmen nun das durch die Optik 1 aufgefangene und eines der in einem der Hologramme 9 vorgegebenen Sternbildmuster überein, so erscheint hinter dem betreffenden Fourier-Hologramm 9 bzw. hinter der Linse 13 ein Lichtfleck.

Die Bildlinse 13 (vordere Brennweite f_s', hintere Brennweite /_ß; /_ß' = /_ß) bildet den Lichtfleck auf der Bildebene 14 ab, z. B. auf die Stelle 17, wenn auf der Schicht 7 die Stelle 16 durchlässig war.

Mit Hilfe von Detektormatrizen 15 oder von optischen Fasern, an denen jeweils kleine Photodetektoren hängen, läßt sich eine Ablage α bestimmen. Wenn ein Lichtfleck auf die Bildebene 14 abgebildet wird, so wird über eine Verrechnungsanordnung 18 ausgegeben:

1. Vom Drehwinkelgeber oder Zähler 12 die Nummer des Hologramms 9, womit ein vorgegebenes Sternbildmuster als erkannt gekennzeichnet ist.

2. Die Ablagen aus der Detektoranordnung 15.

3. Bei einem dreiachsenstabilisierten Satelliten vom Drehwinke'.geber 4 der Drehwinkcl des Amici-Umkehrprismas 3. Bei einem spinstabilisierten Satelliten der Spinwinkel.

Mit den unter 2. errechneten Daten erhält man die translatorische, mit 3. die rotatorische Orientierung des aufgefangenen Sternbildmusters in bezug

ao auf den Satelliten.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß einmal die eingangs genannte Aufgabe gelöst wird, ein einfaches Gerät zu schaffen, das tür spin- sowie dreiachsenstabilisierte Satelliten ge eignet ist, und daß die zweidimensionale Bildverar beitung zu schnellem und sicherem Erkennen für Sternbildmuster führt. Zum anderen hat man eir verhältnismäßig kompaktes Gerät, welches weni^ Platz und Gewicht erfordert. Weiterhin erhält mar beim Erkennen eines Sternbildmusters dessen rotatorische und translatorische Orientierung in bezuj auf den Satelliten. Das Gerät eignet sich gleicher maßen für schiff- und luftfahrtnavigatorischi Zwecke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

der Lagebestimmung des Satelliten (NASA Techn. Patentansprüche: Notes d 4740 und D 4742, T. M. Walsh et. al., 1968). Ein weiteres Verfahren sieht vor, einen Himmels-

1. Gerät zur Erkennung von Sternbildmustem ausschnitt mittels einer Fernsehkamera abzutasten, mittels optischer Filterung, dadurch ge- 5 nachdem man deren Fadenkreuz auf einen »Zentralkennzeichnet, daß die von der (Satelliten-) stern« ausgerichtet hat. Die gemessenen Radial-Optik auf eine photochrome Schicht abgebildeten abstände — und eventuell — Winkeldifferenzen der inkohärenten Sternbildmuster kohärent gemacht umliegenden Sterne (bis zu einer bestimmten werden, indem kohärentes, monochromatisches Größenklasse) werden dann mit entsprechenden Ko-Laser-Licht auf die photochrome Schicht einge- io ordinaten verglichen, die im Bordrechner gespeichert spiegelt wird und daß die kohärent leuchtenden sind (deutsche Offenlegungsschrift 1 448 564). Ein Sternbildmuster Hologramme vorgegebener Stem- weiterer Vorschlag, welcher auf der Verwendung bildmuster durchstrahlen. von Detektorstreifen beruht, deren Elemente ausles-

2. Gerät zur Erkennung von Sternbildmustem bar sind, ist für spinstabilisierte Satelliten geeignet, mittels optischer Filterung nach Anspruch 1, da- 15 Eine Optik, deren Achse parallel der Drallaclise durch gekennzeichnet, daß der Laser im Dauer- exzentrisch zu dieser angeordnet ist, tastet den strich in Verbindung mit einer pulsierenden Himmel durch die Spinbewegung ab (NASA Contr. Lampe oder daß der Laser als Impuls-Laser in Rep. CR-92671, P. M. Grant und J. M. Hanlet, Verbindung mit einer zu ihm alternierend pulsie- 1966).

renden Lampe, die in einem anderen Spektral- 20 im allgemeinen sind diese Verfahren entweder nur

bereich strahlt als der Laser betrieben wird. für dreiachsenstabilisierte oder für spinstabilisierte

3. Gerät zur Erkennung von Sternbildmustern Satelliten geeignet. Die Bild-Datenverarbeitung gemitteis optischer Filterung nach den Ansprüchen 1 schieht eindimensional sequentiell anstatt sofort und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HoIo- zweidimensional. Der technische Aufwand ist vergramme vorgegebener Sternbildmuster auf dem 25 hältnismäßig groß. Es sind außerdem erhebliche Umfang eines Rades angeordnet sind, das sich Maßnahmen gegen das optische und elektrische um eine Achse parallel zur optischen Achse Rauschen notwendig.

dreht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein

4. Gerät zur Erkennung von Sternbildmustern einfaches Gerät zu schaffen, welches gleichermaßen mittels optischer Filterung nach den An- 30 für dreiachsen- sowie spinstabilisierte Satelliten gesprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eignet ist, weitestgehend die Bildverarbeitung zweidie rotatorische Orientierung eines erkannten dimensional durchführt, verhältnismäßig rasch ar-Sternbildmusters in bezug auf den Satelliten ent- beitet und zu Ja- oder Nein-Entscheidungen fähig weder durch den gemessenen momentanen Dreh- ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das inwinkel des Amici-Umkehrprismas oder durch den 35 kohärente Licht eines Stembildmusters kohärent gegemessenen momentanen Spinwinkel des Satel- macht wird und das kohärente Sternbildmusterlicht Uten und die translatorische Orientierung durch durch ein komplexes optisches Filter geleitet wird.
Photo-Detektormatrizen bzw. optische Fasern mit Das erfindungsgemäße Gerät zur Erkennung von anhängenden Photodetektoren bestimmt werden. Sternbildern ist dadurch gekennzeichnet, daß die

40 von der (Satelliten-)Optik auf eine photochrome Schicht abgebildeten inkohärenten Sternbildmuster kohärent gemacht werden, indem kohärentes, mono-

chromatisches Laser-Licht auf die photochrome

Schicht eingespiegelt wird und daß die kohärent 45 leuchtenden Stembildmuster Hologramme vorgegebener Sternbildmuster durchstrahlen. Hierzu wird

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Erkennung von der Optik des Satelliten ein Stembildmuster, das von Sternbildmustern mittels optischer Filterung. sich gerade im öffnungswinkel der Optik befindet,

Die Erkennung von Sternbildern ist seit altersher auf eine spezielle (photochrome) Schicht abgebildet, eine Voraussetzung zur Navigation. Zu navigatori- 50 Das Licht jedes einzelnen Sternes, das auf die Optik sehen Zwecken und auch zur Lagebestimmung für auffällt, ist, wie auch seine Abbildung durch die die unbemannte Raumfahrt, insbesondere für Satel- Optik, kohärent. Das auf die Optik auffallende Uten, werden Geräte oder Einrichtungen benötigt, Licht eines ganzen (in einem Gesichtswinkel von die Sternbilder erkennen können. Da die Himmels- z.B. +5° liegenden) Stembildmusters dagegen ist koordinaten der Sterne am Fixsternhimmel bekannt 55 nicht kohäreni. Um das durch die Optik ausgebildete sind, liefert die Erkennung oder Identifikation von Sternbildmuster nun kohärent zu machen, wären Sternbildern die Grundlage für den weiteren Prozeß Abmessungen der optischen Anordnung erforderder automatischen Navigation (Positionsbestimmung, lieh, die insbesondere in Satelliten unrealistisch in Verbindung mit anderen Größen auch der Lage- sind. Deshalb wird von der Seite ein kohärentes bestimmung). 60 Laser-Licht auf die Schicht eingespiegelt. Die

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse sind verschie- Schicht wird voll vom Laser-Licht ausgeleuchtet, dene Verfahren bekanntgeworden. So wurde bei Wird nun durch die Optik das Licht des Sternbildcincm Projekt »Scanner« durch eine zur Drallachse musters auf die Schicht abgebildet, so wird diese eines spinstabilisierien Satelliten senkrechte Optik gerade an den Sternbildpunkten lichtdurchlässig, der Himmel abgetastet. Die Auswertung, welche 65 d. h. auch durchlässig für das eingespiegelte ko-(lichtstärkeren) Sterne dabei erfaßt wurden, erfolgte härcnte Licht.

am Boden in Korrdntinn mit Daten aus der Boden- Andersartige photochrome Schichten haben die

Radarverfolgung. Der Zweck ..üY;tte hauptsächlich Eigenschaft, daß sie an den Sternbildpunkten dunkel,