CH616508A5

CH616508A5 -

Info

Publication number: CH616508A5
Application number: CH613277A
Authority: CH
Inventors: Reinhard Prinz; Karl Felle
Original assignee: Zeiss Carl Fa
Priority date: 1976-08-14
Filing date: 1977-05-18
Publication date: 1980-03-31
Also published as: US4309104A; DE2636769B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer Bild-struktur.

15 Eine solche Aufgabe tritt beispielsweise bei der Steuerung einer Luftbildkamera auf. Hier ist die Winkelgeschwindigkeit des überflogenen Geländes zu messen und daraus ist eine Steu-ergrösse für die Zeitfolge der Aufnahme abzuleiten. Da die Bewegungsrichtung des Geländebildes bei Auftreten von Sei-20 tenwind nicht mit der Längsachse des Flugzeugs übereinstimmt, ist zur Orientierung der Kamera zusätzlich der Abdriftwinkel des Flugzeugs, d.h. der Winkel zwischen dessen Längsachse und der tatsächlichen Flugrichtung zu messen.

Die erforderlichen Messungen werden üblicherweise mit 25 einem sogenannten Überdeckungsregler vorgenommen. In diesem wird das überflogene Gelände auf eine Mattscheibe abgebildet, über die eine endlose Sprossenkette in gleicher Richtung wie der abgebildete Geländeausschnitt bewegt wird. Der Beobachter hat die Geschwindigkeit der Sprossenkette so einzustel-Ki len, dass sich die Sprossen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, wie auf das auf der Mattscheibe vorbeiziehende Geländebild. Zugleich hat er den Überdeckungsregler so zu drehen, dass die Sprossenkette parallel zur Bewegungsrichtung des Geländebildes ist.

35 Aus der Geschwindigkeit der Sprossenkette und dem Drehwinkel des Überdeckungsreglers werden die Grössen v/h und x gebildet, v ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges über Grund, h ist die Höhe des Flugzeuges und x der Winkel zwischen Flugrichtung und Längsachse des Flugzeugs. Die Grössen v/h 40 und x steuern dann die eigentliche Bildkamera.

Es ist offensichtlich, dass ein solcher Überdeckungsregler nicht automatisch arbeiten kann, sondern die ständige Überwachung durch einen Beobachter benötigt.

Zur Entlastung des Beobachters ist es jedoch erwünscht, die 45 Grössen v/h und x automatisch zu messen.

Eine bekannte Lösung sieht zwischen dem Objektiv des Reglers und einem Photosensor einen Ortsfrequenzfilter vor. Aus der Modulationsfrequenz des Photostromes lässt sich dann bei bekanntem Filter der Wert v/h, nicht jedoch der Wert x so ableiten. Dies führt bei grossen x-Werten zu Messfehlern.

Bei einer anderen Lösung wird auf der Photokathode eines Photomultipliers ein bestimmtes Linienmuster abgetastet und die entsprechende Videoinformation gespeichert. Wandert nun dieses Muster, so werden das neue und das gespeicherte Video-55 Signal auf einen Korrelator gegeben, dessen Ausgangssignal das abzutastende Linienmuster über Ablenkspulen nachführt. Aus dem Nachführsignal werden die gesuchten Grössen v/h und x bestimmt.

Ein Gerät, das eine Messung nach dem beschriebenen Ver-60 fahren ermöglicht, benötigt einen sehr hohen konstruktiven und elektronischen Aufwand und findet allein schon wegen seines hohen Preises keine allgemeine Verwendung.

Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit einer Bildstruktur os zu schaffen, das automatisch arbeitet und das in der Lage ist, auch bei sehr schnell bewegten Bildstrukturen den Wert v/h mit hinreichender Genauigkeit zu liefern, wobei sich die Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens durch einen einfachen Auf

bau auszeichnet. Dieses Verfahren soll in einfacher Weise auch auf die Messung der Bewegungsrichtung der Bildstruktur, d.h. des Wertes x erweiterbar sein.

■ Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Bildstruktur diese mit Hilfe mindestens eines Zylinderlinsensystems in eine Linienstruktur aufgelöst wird, und dass die Verschiebegeschwindigkeit dieser Linienstrukturen senkrecht zur wirksamen Zylinderachse gemessen und daraus ein der gesuchten Geschwindigkeit proportionales Signal gebildet wird.

Eine Zylinderlinse fokussiert das von einem leuchtenden Punkt ausgehende Licht längs einer Linie, welche parallel zur Zylinderachse liegt. Bildet man deshalb eine Bildstruktur mittels einer Zylinderlinse ab, so ergibt sich in der Bildebene eine Linienstruktur. Der Helligkeitswert jeder Linie stellt das Integral über alle Einzelhelligkeiten längs dieser Linie dar.

Bewegt sich nun die Zylinderlinse relativ zur abgebildeten Bildstruktur, so bewegen sich in der Bildebene verschieden helle Linien senkrecht zur Zylinderachse. Werden in der Bildebene beispielsweise zwei photoelektrische Empfänger senkrecht zur Zylinderachse versetzt angeordnet, so ergibt sich ein Signal, das der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstruktur proportional ist und aus dem ein der gesuchten Geschwindigkeit proportionales Signal gebildet werden kann.

Nach dem geschilderten Verfahren ist es ohne weiteres möglich, bei schnell fliegenden Flugzeugen die Luftbildkamera zu steuern, da hier der Abdriftwinkel x vernachlässigbar klein ist. In diesem Fall ist das Zylinderlinsensystem so anzuordnen, dass seine Zylinderachse genau senkrecht zur Längsachse des Flugzeugs steht. Das von der nachgeordneten Schaltung gelieferte Signal ist dann dem Wert v/h proportional, der zur Steuerung der Zeitfolge der Aufnahmen benötigt wird.

Bei Luftbildaufnahmen aus relativ langsam fliegenden Flugzeugen ist es notwendig, neben dem Wert v/h auch den Abdriftwinkel x zu bestimmen.

Das Verfahren nach der Erfindung wird zur Lösung dieser Aufgabe so ausgebildet, dass mit Hilfe von zwei Zylinderlinsensystemen die Bewegung der Bildstruktur in zwei Komponenten zerlegt wird, dass die Verschiebegeschwindigkeit der sich ergebenden Linienstrukturen in beiden Komponentenrichtungen gemessen und daraus ein der Geschwindigkeit proportionales und ein die Bewegungsrichtung bestimmendes Signal gebildet wird.

Besonders vorteilhaft ist es, die Bewegungsgeschwindigkeit der Bildstruktur in einer vorgegebenen Richtung mit Hilfe eines ersten Zylinderlinsensystems und der nachgeordneten Schaltung zu messen und zur Messung der Bewegungsrichtung die Bewegung der Bildstruktur in der geschilderten Weise mit Hilfe von zwei weiteren Zylinderlinsensystemen in zwei Komponenten zu zerlegen und daraus ein der Abweichung der tatsächlichen Bewegungsrichtung von der durch das dritte Zylinderlinsensystem vorgegebenen Richtung proportionales Signal zu erzeugen.

Zur Erzeugung eines Signales, das der Verschiebegeschwindigkeit der von einem Zylinderlinsensystem erzeugten Linienstruktur proportional ist, sind in der Bildebene dieses Zylinderlinsensystem zwei, in der senkrecht zur wirksamen Zylinderachse verlaufenden Richtung voneinander getrennte photoelektrische Empfänger angeordnet, über deren lichtelektrisch empfindliche Bereiche sich die Linienstruktur bewegt und deren Ausgang über Verstärker mit einer Auswerteschaltung verbunden ist, die das gesuchte Signal bildet.

Bei einer Vorrichtung zur Bildung eines der Geschwindigkeit und eines der Bewegungsrichtung der Bildstruktur proportionalen Signales sind zwei oder drei Zylinderlinsensysteme zur Komponentenzerlegung vorgesehen, in deren Bildebene jeweils zwei, in der senkrecht zur wirksamen Zylinderachse verlaufenden Richtung voneinander getrennte photoelektrische Empfän616 508

ger vorgesehen sind. Diese Empfänger sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, welche die gesuchten Signale bildet.

Ordnet man zwei Zylinderlinsensysteme so an, dass ihre wirksamen Zylinderachsen einen die Bewegungsrichtung der Bildstruktur einschliessenden Winkel bilden, so kann die nachgeordnete Auswerteschaltung so ausgebildet sein, dass sie Signale zur Messung der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung erzeugt.

Eine solche Vorrichtung kann auch auf einer motorisch drehbaren Platte angeordnet sein. In diesem Fall ist der Ausgang der Auswerteschaltung mit einem Drehmotor verbunden, der die Platte solange dreht, bis die von den Empfängern gelieferten Signale genau gleich gross sind. Die Bewegungsrichtung stimmt dann mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Zylinderachsen überein und aus den Signalen der beiden Empfänger lässt sich in einfacher Weise die Bewegungsgeschwindigkeit errechnen.

Die neue Vorrichtung mit mindestens zwei Zylinderlinsensystemen findet besonders vorteilhafte Anwendung zur Messung der Grösse v/h und des Abdriftwinkels x eines sich mit der Geschwindigkeit v in der Höhe h bewegenden Flugzeuges.

Verwendet man dazu eine Vorrichtung mit drei Zylinderlin-sensystemem, so wird diese Vorrichtung fest so mit dem Flugzeug verbunden, dass die vom dritten Zylindersystem definierte Komponentenrichtung mit der Längsachse des Flugzeuges zusammenfällt und mit den Komponentenrichtungen der anderen beiden Zylindersysteme gleiche Winkel bildet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1-8 der beigefügten Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein mit einem Zylinderlinsensystem ausgestattetes Ausführungsbeispiel, das zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit einer Bildstruktur dient ;

Fig. 2 Die Vorrichtung nach Fig. 1 in der zu dieser Darstellung senkrechten Ebene gezeichnet;

Fig. 3 eine Zylinderlinse ;

Fig. 4 eine zur Messung der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstruktur dienende Differenzdiode;

Fig. 5a-5e Spannungs-Impulsdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der einer Differenzdiode nach Fig. 4 nachgeordneten Schaltung nach Fig. 1 ;

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit zwei Zylinderlinsensystem ;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit drei Zylinderlinsensystemen ;

Fig. 8 die Vorrichtung nach Fig. in Seitenansicht.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, wie sie zur Steuerung einer Luftbildkamera bei einem schnell-fliegenden Flugzeug Verwendung finden kann. Dieses Flugzeug bewegt sich in einer Höhe h mit der Geschwindigkeit v über dem Gelände 1. Im Flugzeug ist die neue Vorrichtung montiert, die aus einer Zylinderlinse 2 und einem in deren Bildebene angeordneten Empfänger 3 sowie die nachfolgenden elektrischen Schaltungen besteht.

Die in Fig. 3 gesondert dargestellte Zylinderlinse 2 wirkt in ihrem in Fig. 1 gezeigten Schnitt als Sammellinse, während sie in dem in Fig. 2 gezeigten Schnitt als Planplatte ohne Abbildungseigenschaften wirkt. Dadurch erzeugt die Zylinderlinse 2, die in Wirklichkeit aus Gründen der besseren Lichtausbeute als Zylinderlinsensystem ausgebildet ist, in der Bildebene Linienstrukturen, die parallel zur Zylinderachse 4 liegen. Diese Linienstrukturen entsprechen die Bildstruktur 1, wobei der Helligkeitswert jeder Linie das Integral über alle Einzelhelligkeiten der Bildstruktur längs dieser Linie darstellt. Wie ohne weiteres einzusehen ist, besteht das Bild in der Bildebene der Zylinderlinse 2 also aus Linien unterschiedlicher Helligkeit.

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Bewegt sich das Flugzeug mit der Geschwindigkeit, v so wandert in der Bildebene der Linse 2 die Linienstruktur mit der =v-

Geschwindigkeit v2 —-— f, wobei f die Brennweite der h

Zylinderlinse 2 ist. Das Bild bewegt sich also mit der Geschwindigkeit vB über den Empfänger 3. Dieser ist, wie Fig. 4 zeigt, als Differenzdiode ausgebildet, die zwei um die Strecke s voneinander getrennte lichtempfindlichen Bereiche 5 und 6 enthält.

Den Bereichen 5 und 6 sind die Wechselstromverstärker 7 bzw. 8 nachgeordnet. Das von diesen Verstärkern erzeugte Signal ist in Fig. 5a in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Wie man erkennt, entsprechen sich die Spannungen U[ und U2, sie sind jedoch um die Zeit = s/vB gegeneinander verschoben.

In den beiden Triggern 9 und 10 werden die Signale Uj und U2 in Rechteckimpulse umgeformt, wie dies die Figuren 5 b und 5c zeigen. Diese Signale werden dann im Vergleicher 11 in das Signal U3 der Fig. 5d umgeformt, dessen Impulse eine Länge haben, die der Zeitverschiebung t zwischen den Signalen U! und U2 entspricht. Im Integrator 12 werden diese Impulse integriert, so dass jeweils am Ende eines Impulses eine Spannung U4 entsteht, deren Amplitude dem Zeitwert t entspricht (Fig. 5e).

Das Signal der Figur 5e wird dann einer Auswerteschaltung 13 zugeführt, die mehrere Einzelsignale speichert und daraus den Mittelwert bildet. Dieser wird dann in ein Ausgangssignal umgeformt, das direkt dem gesuchten Wert v/h proportional ist und das demnach zur Steuerung einer nachgeordneten Luftbildkamera dienen kann.

Bewegt sich das Flugzeug so, dass auch der Abdriftwinkel x zu berücksichtigen ist, so findet eine Vorrichtung Verwendung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Vorrichtung enthält zwei Zylinderlinsensysteme 15 und 16, die auf einer drehbaren Platte 17 angeordnet sind. Die Senkrechten 18 und 19 auf die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen 15 und 16 schliessen die Bewegungsrichtung 20 ein.

Bei der Bewegung der auszuwertenden Bildstruktur entstehen in den Bildebenen der Linsen 15 und 16 Linsensysteme, welche im dargestellten Beispiel aufeinander senkrecht stehen und die sich entlang der Richtungen 18 und 19 bewegen. Die Bewegung der Blidstruktur wird mittels dieser Vorrichtung also in die Komponenten 18 und 19 zerlegt.

In den Bildebenen der Zylinderlinsen 15 und 16 sind Empfänger 21 und 22 angeordnet, die ebenso wie in Fig. 1 als Differenzdioden (Fig. 4) ausgebildet sind. Die schematisch dargestellten Schaltungen 23 und 24 liefern also jeweils ein Signal, das der Bewegungsgeschwindigkeit der Linienstrukturen über die Empfänger 21 und 22 und damit den Geschwindigkeitsvektoren in Richtung der beiden Komponenten 18 und 19 proportional ist. Aus den Ausgangsspannungen der Schaltungen 23 und 24 lässt sich nun elektronisch direkt die Bewegungsgeschwindigkeit und der Abdriftwinkel x errechnen. Kommt es jedoch auf eine ausserordentlich schnelle Steuerung der nachgeordneten Luftbildkamera nicht so sehr an, so werden die bei 23 und 24 gelieferten Komponenten-Signale einer Auswerteschaltung 25 zugeführt, die diese so umformt, dass sie zur Steuerung des Drehmotors 26 dient. Dieser dreht die Platte 17 in Richtung des Doppelpfeils 27 so lange, bis das Signal am Ausgang von 23 und 24 gleich gross ist. Aus den Signalen 23 und 24 wird der v/h-Wert errechnet; aus dem Drehwinkel der Platte ergibt sich x.

Bei dem in Fig. 7 und 8 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung sind auf einer Platte 28 drei Zylinderlinsensysteme 29,30 und 31 angeordnet. Die beiden Systeme 29 und 30 dienen wiederum, wie in Fig. 6 die Systeme 15 und 16 zur Komponentenzerlegung der Bewegung der Bildstruktur in Richtung der Komponenten 32 und 33. Die dritte Zylinderlinse 31 ist so angeordnet, dass die Senkrechte 34 auf ihrer Zylinderachse mit den beiden Komponentenrichtungen 32 und 33 gleichc Winkel bildet.

Das durch die Zylinderlinsen 29,30,31 tretende Licht wird mittels der Rohre 38,39,40 voneinander getrennt und fällt auf die in der Bildebene angeordneten Empfänger 35,36,37. Auch diese Empfänger sind jeweils wieder als Differenzdiode ausgebildet. Das von den Empfängern gelieferte Signal wird einer hier schematisch mit 41 bezeichneten Schaltung zugeführt, welche das geforderte Ausgangssignal erzeugt.

Beim Einsatz der in Fig. 7 und 8 dargestellten Vorrichtung zur Steuerung einer nachgeordneten Luftbildkamera wird die Vorrichtung so an das Flugzeug montiert, dass die Bewegungsrichtung 34 mit der Längsachse des Flugzeuges übereinstimmt. Bei schnell-fliegenden Flugzeugen, bei denen der Abdriftwinkel x keine grossen Werte (x < 40) einnimmt, kann aus dem vom Zylinderlinsensystem 31 erzeugten Signal direkt der Wert v/h gewonnen, während aus den Signalen der Systeme 29 und 30 der Abdriftwinkel x errechnet wird.

Mit Hilfe der neuen Vorrichtung gelingt es erstmals, die Bewegungsgeschwindigkeit einer Bildstruktur mit einfachen Mitteln in vorgegebene Komponenten zu zerlegen. Die neue Vorrichtung findet damit besonders vorteilhafte Anwendung als automatischer Überdeckungsregler zur Steuerung nachgeordneter Luftbildkameras. Sie arbeitet vollautomatisch und so schnell, dass sie auch in schnellen, tieffliegenden Flugzeugen Anwendung finden kann.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

616 508 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Bildstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildstruktur mit Hilfe mindestens eines Zylinderlinsensystems in Linienstrukturen aufgelöst wird und dass die Verschiebegeschwindigkeit dieser Linienstrukturen senkrecht zur wirksamen Zylinderachse gemessen und daraus ein der gesuchten Geschwindigkeit proportionales Signal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wirksame Achse des Zylinderlinsensystems senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildstruktur angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von zwei Zylinderlinsensystemen die Bewegung der Bildstruktur in zwei Komponenten zerlegt wird, dass die Verschiebegeschwindigkeit der sich ergebenden Linienstrukturen in beiden Komponentenrichtungen gemessen und daraus ein der Geschwindigkeit proportionales und ein die Bewegungsrichtung bestimmendes Signal gebildet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsgeschwindigkeit der Bildstruktur mit einem ersten System in einer vorgegebenen Richtung gemessen wird, und dass zusätzlich mit Hilfe von zwei weiteren Zylinderlinsensystem die Bewegung in zwei Komponenten zerlegt wird, dass die Verschiebegeschwindigkeit der Linienstrukturen in beiden Komponentenrichtungen gemessen und daraus ein der Abweichung der Bewegungsrichtung von der vorgegebenen Richtung proportionales Signal gebildet wird.

5. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bildebene des Zylinderlinsensystems (2) zwei, in der senkrecht zur wirksamen Zylinderachse (4) verlaufenden Richtung voneinander getrennte photoelektrische Empfänger (3) vorgesehen sind, über deren lichtelektrisch empfindliche Bereiche (5,6) sich die von der Zylinderlinse (2) erzeugte Linienstruktur bewegt und deren Ausgang über Verstärker (7,8) mit der Auswerteschaltung (9,10,11,12,13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Zylinderlinsensysteme (15,16) so angeordnet sind, dass ihre wirksamen Zylinderachsen einen die Bewegungsrichtung (20) der Bildstruktur einschliessenden Winkel bilden, dass in der Bildebene jedes Zylinderlinsensystems (15,16) zwei, in der senkrecht zur wirksamen Zylinderachse verlaufenden Richtung voneinander getrennte photoelektrische Empfänger (21 bzw. 22) angeordnet sind, über die sich die der jeweiligen Komponentenrichtung (18 bzw. 19) entsprechende Linienstruktur bewegt und deren Ausgang mit einer Schaltung (23 bzw. 24) verbunden ist, die ein Signal erzeugt, das dem Geschwindigkeitsvektor in der jeweiligen Komponentenrichtung proportional ist, und dass die Schaltungen (23,24) mit einer Auswerteeinheit (25) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlinsensysteme (15,16) auf einer motorisch drehbaren Platte (17) angeordnet sind und dass der Ausgang der Auswerteeinheit (25) mit einem Drehmotor verbunden ist, der die Platte (17) so lange dreht, bis die von den beiden Schaltungen (23,24) gelieferten Signale gleich gross sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Zylinderlinsensystem (31) vorgesehen und so angeordnet ist, dass seine wirksame Zylinderachse mit den Zylinderachsen der beiden anderen Systeme (29,30) gleiche Winkel bildet, und dass diesem dritten Zylinderlinsensystem (31) eine Anordnung (35,41) zugeordnet ist, welches ein Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der Bildverschiebung in der durch dieses Zylinderlinsensystem (31) festgelegten Komponentenrichtung (34) proportional ist.

9. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 3 zur Messung der Grösse v/h und des Abdriftwinkels % eines sich mit der

Geschwindigkeit v in der Höhe h bewegenden Flugzeuges.

10. Anwendung nach Anspruch 9 des Verfahrens nach Anspruch 4 zur Messung der Grösse v/h und des Abdriftwinkels v. eines sich mit der Geschwindigkeit v in der Höhe h bewegen-; den Flugzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung am Flugzeug fest so angeordnet wird, dass die vom dritten Zylinderlinsensystem (31) definierte Komponentenrichtung (34) mit der Längsachse des Flugzeuges zusammenfällt.