DE2238104A1

DE2238104A1 - Elektrooptisches ortungssystem

Info

Publication number: DE2238104A1
Application number: DE2238104A
Authority: DE
Inventors: Thomas Vincent Murphy; Robert Carman Perry
Original assignee: North American Rockwell Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1971-08-02
Filing date: 1972-08-02
Publication date: 1973-02-15
Also published as: GB1346145A; IL39986A; JPS4825437A; IL39986A0; FR2149813A5

Description

NORTH AMERICAN ROCKWELL CORPORATION
Fifth Avenue and Wood Street
Pittsburgh, Pennsylvania 15222/V.St.A.

Elektrooptisches Ortungssystem

Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Ortungssystem mit einem Fernsehkamerasensor und einer automatischen
Ortungsbetriebsart, die typischerweise anfangs so angeordnet ist, dass die Sensorsichtachse wesentlich verschieden von der Richtung der Visierlinie der Bedienungsperson auf ein ausgewähltes Ziel ist. Der Kamerasensor ist auf einer gyroskoptisch stabilisierten Plattform zur Nachführung in einen Einrast-Zustand montiert und die Nachführung wird
durch Steuersignale erreicht, die im wesentlichen die Richtungsdifferenz der Bedienungsperson-Visierlinie relativ zu der Sensorsichtlinie messen. Durch Kombination und Überlagerung des Sichtfeldes des Kamerasensors mit und auf das Sichtfeld der Bedienungsperson längs der Visierlinie können wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der erforderlichen Zeit

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erreicht werden, um eine Zieleinrastung zu erhalten. Durch die Erfindung werden neue Vorrichtungen und Verfahren geschaffen, um solche Sichtfelder zu kombinieren und die nötigen Nachführungssteuersignale zu erzeugen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis 11' beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 bis 3 Seitenansichten und eine Aufsicht einer Anordnung von an einem Helm montierten Bauelementen für ein Bezugs- und Anzeigesystem, das in der elektrooptischen- Suchersystemvorrichtung der Erfindung enthalten ist,

Fig. h eine schematische Darstellung einer typischen Beziehung in Aufsicht zwischen einer elektrooptischen Ortungssystem-Fernsehkamerasensor-Sichtachse und einer Visierlinie einer Bedienungsperson, die den an dem Helm montierten Bauelementen der Figuren 1 bis 3> zugeordnet ist,

Fig. 5 bis 8 verschiedene Anzeigen, die man an dem optischen Sammelelement der erfindungsgemässen Anordnung der Figuren 1 bis 3 erhält,

Fig. 9 ein schematisches Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der elektrooptischen Suchersystemvorrichtung gemäss der Erfindung, und

Fig.10 und 11 quantitative Daten zum Vergleich der Funktionskennlinien der Erfindung mit den Funktionskennlinien bekannter elektrooptischer Ortungssysteme.

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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrooptisch.es Ortungsgerät des Typs, wie er z.B. in der US-PS 3 518 beschrieben ist und verwendet vor allem ein Visierlinienorientierungsmeßsystem des Typs, wie er in der US-PS 3 375 375 beschrieben ist. Aus der ersten Veröffentlichung sind Vorrichtungen und Verfahren zur automatischen Ortung eines beobachteten Ziels bekannt, die einen Fernsehkamerasensor verwenden, der auf einer schnell nachführbaren, gyroskopisch stabilisierten Plattform montiert ist. Bei auf dem gewählten Ziel "eingerasteter" Sensorsichtächse werden festgestellte Verschiebungen des gewählten Ziels relativ zu der Sensorsichtachse in elektrische Signale umgewandelt, die durch elektronische logische Kreise verarbeitet werden, um Ortungsfehler-Plattformkorrektursignale zu erzeugen. Aus der zweiten Veröffentlichung ist es bekannt, paarweise Photodetektoren, die an dem Helm der Bedienungsperson montiert sind und die mit einem oder mehreren, sich drehenden Bezugslichtquellen zusammenarbeiten und eine geeignete Diskrxminatorschaltung ist vorgesehen, um Spannungssignale zu erzeugen, die die Richtungsdifferenz einer Bedienungsperson-Visierlinie relativ zu der Systembezugslinie messen, die im wesentlichen von der Grundstellung des Photodetektorpaares und Drehlichtquellen gebildet wird. Wesentliche Verbesserungen hinsichtlich der für die Zieleinrastung erforderlichen Zeit und der Wahrscheinlichkeit der Erzielung einer Zieleinrastung werden bei Anwendung der Erfindung erreicht, indem allgemein die bekannten Vorrichtungen kombiniert und besondere Ausbildungen vorgesehen werden.

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Ein Teil der bevorzugten Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung ist in den Figuren 1 bis k gezeigt. Die Erfindung verwendet eine Helmanordnung 10 mit einem üblichen Helm 11 mit paarweisen Photoleiter-Untergruppen 12 und 13» die daran montiert sind. Der Helm 10 weist ausserdem eine Kathodenstrahlröhre i4, eine optische Projektoruntergruppe 15 und eine Sammellinse 16 auf, die an der Untergruppe 15 durch eine drahtähnliche Halterung 17 befestigt ist. Die für die Bedienungsperson, die die Helmanordnung 10 (19» Fig. k) benutzt, gebildete Visierlinie verläuft im wesentlichen durch die Mitte der Sammellinse 16. Leitungsanordnungen 20 bis ZJ sind vorgesehen, um die Funktionsbauteile der Helmanordnung 10 mit den restlichen Teilen der Vorrichtung der Erfindung elektrisch zu verbinden.

Wie Fig. k zeigt, weist die Visierlinienvorrichtung, die in Verbindung mit der Erfindung verwendet wird, auch Drehlichtquellen 2k und 25 (vgl. US-PS 3 375 375) auf, die eine feste Stellung relativ zu der Grundbezugslinie 26 haben und die mit den Helmanordnungsphotodetektorpaaren 12, 13 zusammenwirken. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquellen 2k und 25 hinter der Helmanordnung und mit Winkeln von etwa 52-1/2 in Aufsicht von der Bezugslinie 26 und der Querachse 27 aus angeordnet. Die Grundbczugsstellung der Helmanordnung ist die, in der die Visierlinie 18 parallel zu der Bezugslinie 26 verlauft. Die Bezußslinie 26 verläuft vorzugsweise parallel zu der Sichtachse 28 des Fernsehkanierasensors 2¹J, der an einer schnell nachführbaren Plattform "}0 in seiner Bezugsstollung montiert ist. Hei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Plattform 30 eine schnei J nnchführbare, gyroskopisch stabilisierte

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Plattform (s. US-PS 3 518 372), die von einer Waffe 31 getragen wird, wobei die Sichtachse 28 der Fernsehkamera-·' der Ortungsvorrichtung normalerweise parallel zu der Längsachse der Waffe wahrend des geraden Flugs orientiert ist. Eine bevorzugte Anordnung zur Funktionsverbindung der Helmanordnung 10 mit einem Fernsehkamerasensor 29 ist schematisch in Fig. 9 gezeigt*

Der Zweck der Erfindung ist am besten anhand der Figuren 5 bis 8 verständlich. Wie Fig. 5 zeigt, weist z.B. das normale Sichtfeld der Bedienungsperson 19 im wesentlichen die transparente Sammellinse 16 und ein mögliches Ziel auf, dessen tatsächliches Bild T. zum Einrasten auf die elektrooptisch^ Ortungsvorrichtung ausgewählt werden muss. Die Visierlinie 18 wird durch einen Punkt wiedergegeben, der in der Mitte des überlagerten, üblichen Visierlinienorientierungssensorsystem-Fadenkreuzbildes 32 erscheint. Fig. 6 zeigt die Anordnung der Fig. 5» wobei das tatsächliche Zielbild T. von der Visierlinie 18 geschnitten wird.

Bei der Erfindung ist es erforderlich, anstatt der Sammellinse 16 das übliche Fadenkreuzbild 32 zu überlagern, das von dem Fernsehkamerasensor 29 ermittelte Sichtfeld entweder mit oder ohne Fadenkreuzbild 32 der Sammellinse 16 zu überlagern, wie Fig. 7 und 8 zeigen. Bei der Anordnung der Fig. 7 ist die Visierlinie .18 so angeordnet, dass sie im wesentlichen mit der Mitte der Ortungsfenster der elektrooptischen Ortungsvorrichtung übereinstimmt, die durch die Linienpaare 33 und "}k wiedergegeben werden und in der elektrooptischen Ortungsvorrichtung der Fig. 9 durch Bildung von Visiervorrichtungs-Fadenkreuzen erzeugt

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werden. Fig. 8 zeigt das Bild auf der Sammellinse 16 zum Zeitpunkt der Zieleinrastung, wobei die Mitte der Fadenkreuzpaare 33 und 3^ der elektrooptischen Vorrichtung mit dem virtuellen Bild T„ des Ziels übereinstimmt, das durch den Fernsehkamerasensor 29 erzeugt wird. Ein erzeugtes "Einrasf'-Signal kann auf der Linse 16 in Form der Darstellung 35 angezeigt werden.

Das von dem Fernsehkamerasensor 29 erzeugte und auf der Vorderseite der Kathodenstrahlröhre 14 wiedergegebene Videosignal ist die Lichtquelle fflr das virtuelle Zielbild. Dieses wird vorzugsweise auf einer trichroraatischen Sammellinse 16 mit unendlicher Brennweite dargestellt. Die Helligkeit des Bildes der Kathodenstrahlröhre ist ausreichend, um ein virtuelles Bild T_v zu erzeugen, das zii dem durch die Sammellinse 16" gesehenen Untergrund kontrastiert. Die Sammellinse 16 ist im wesentlichen ein optisches Bandpassfilter, das auf ein spektrales Spitzenausgangssignal von z.B. 530 nm auf der Basis der Phosphoraktivität der Kathodenstrahlröhre 14 abgestimmt ist. Die Linse 16 schafft dadurch vorzugsweise eine unbehinderte Vorwärtssicht, d. h. minus grün, und das wiedergegebene virtuelle Bild, das auf negierter Farbe beruht, wird leicht festgestellt und von der Bedienungsperson vorstellungsmässig von dem gesehenen Hintergrund getrennt.

Fig. 9 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines elektrooptischen Ortungssystems mit den wesentlichen Merkmalen der Erfindung. Wie bei dieser Anordnung gezeigt ist, ist ein Steuerknüppelschalter in typischer Weise vorgesehen, um durch Benutzung durch die Systembedienungsperson eine verbesserte Steuerung der Einstellung des

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Fernsehkamerasensors 29 zu erreichen. Bei einer Ausführungsform erzeugt der Steuerknüppelschalter 4O ein elektrisches Nachführung-Ermöglichen-Signal 41, wenn er von Hand gedrückt wird, und ein elektrisches Ziel-Einrast-Signal 42, das üblicherweise von wesentlich unterschiedlicher Spannung ist, wenn es ausgelöst wird. Das Signal 4i betätigt die Plattformelektronik 43 und als Folge hiervon wird die Bewegung der Plattform 30 in Azimut und Höhe der Bewegung der Helmanordnung 11 nachgeführt. Wenn die Bedienungsperson visuell das gewählte Ziel wahrgenommen und die Anordnung so eingestellt hat, dass die Sucherfensterlinien 33 »34 dem. Ziel richtig überlagert sind, wie Fig. 8 zeigt, kann der gedruckte Steuerknüppelschalter 4o freigegeben werden, um ein Ziel-Einrast-Signal 42 auszulösen» Das Signal 42 ist ein Eingangssignal für die Ortungselektronik 44 und bewirkt, dass die Ortungsvorrichtung in ihrer automatischen bzw. Einrast-Betriebsart arbeitet.

Wie auch Fig. 9 zeigt, ist das elektrooptische Ortungssystem der Erfindung mit einer Orientierungsmeßsystemelektronik 45 versehen, die Visierlinien-Azimut- und Höhenmeßsignale 46 in Abhängigkeit von der Visierlinienorientierung erzeugt, die von den Helmanordnungskomponenten festgestellt werden, die anhand der Figuren 1'bis 4 erläutert wurden (vgl. US-PS 3 375 375). Die' Signale .46 sind EingangesignaIe für die Plattformeiektronik 43 und messen die Richtungsdifferenz der Visierlinie 18 relativ zu der .Systembezugslinie 26. Wie zuvor festgestellt wurde, verläuft die Grundbezugsstellung der Sichtachse des Fernsehkamerasensors 29 normalerweise anfänglich parallel zu der Bezugalinie 26.

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Die bevorzugte Ausführungsform der elektrooptischen übungsvorrichtung weist eine übliche Kamerasensorelektronik 47 auf, die ein übliches Eingangsvideosignal 48 erzeugt, das der Ortungselektronik 44 für Ortungszwecke zugeführt wird. Das Ausgangsvideosignal 49» das in der Ortungselektronik 44 erzeugt wird, weist vorzugsweise das Sichtlinieneingangs· Videosignal 48 und zusätzlich die Systemfadenkreuzsignale wie die Sucherfenster 33» 3^ auf, die in einer Form in Fig. 8 gezeigt sind. Das Ausgangsvideosignal 49 ist ein Einganssignal für die Elektronik 50 der Kathodenstrahlröhre 14 der Helmanordnung 11. Zusätzlich wird, obwohl unkritisch, ein elektrisches Einrast-Signal 51, das in der Ortungselektronik 44 auf der Basis der Zeitkoinzidenz von festgestellten Kontraständerungen, die dem Ziel T in den Systemsucherfenstern 33» 34 zugeordnet sind, vorteilhafterweise in die Elektronik 50 der Kathodenstrahlröhre und ebenso in die Plattformelektronik 43 eingegeben. Die kombinierten Eingangssignale der Kathodenstrahlröhrenelektronik 50 werden dann als Kathodenstrahl-Bildsignal 52 auf die Kathodenstrahlröhre 14 gegeben und erzeugen das virtuelle Bild, das Fig. 8 zeigt.

Die Plattformelektronik 43 kombiniert die üblichen Plattform-Azimut- und Höhenstellungssignale 53 der Plattform JO mit den Bedienungsperson-Visierlinien-Azimut- und Höhensignalen 46 in der Art einer offenen Servoschleife. Als Ergebnis der festgestellten Differenzen erzeugt die Plattformelektronik 43 jeweils übliche Plattform-Azimut- und Höhenantriebssignale 54, die Drehmomenterzeuger 30 in einen Zustand neu einstellen bzw. bewegen, in der die Fernsehkaiiierasensor-Sichtachse 28 parallel zu der Bedienungsperson-Visierlinie 18 angeordnet ist.

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Nach durchgeführter Neueinstellung der Plattform 30 und der Sichtachse 28 fluchtend mit dem ausgewählten Ziel und nach Freigabe des Steuerknüppelschalters 4o werden Ortungsfehler-Azimut- und Höhenkorrektursignale 55, die in der Ortungselektronik kk erzeugt werden, in die Plattformelektronik 43 eingegeben, um den Einrast-Zustand des Fernsehkamerasensors 29 relativ zu dem ausgewählten Ziel nach Art einer geschlossenen Servoschleife zu steuern. Obwohl in der Anordnung der Fig. 9 nicht gezeigt, können Antriebssignale 54, die von der Plattformelektronik 43 · erzeugt werden, in eine Plattform eingegeben werden, die die gyroskopische Plattform 30 in der automatischen Ortungsbetriebsart trägt, und dadurch kann ein Einrast-Zustand wie zwischen der Sichtachse 28 und dem ausgewählten Ziel T aufrechterhalten werden.

Die Verwendung der erfindungsgemässen Ortungssystemvorrichtung hat in wenigstens einem Anwendungsfall gezeigt, dass die Zeit, die für die visuelle Wahrnehmung und Einrastung auf ein ausgewähltes Ziel in den Systemsucherfenstern erforderlich ist, auf etwa 50 $ bei einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 vermindert werden kann, und dass die Wahrscheinlichkeit der Erzielung einer richtigen Einrastung auf das Ziel gegenüber der ausschliesslichen Verwendung eines Systemfadenkreuzes wie bei 32 sogar weit mehr verbessert wird. Fig. 10 und 11 dienen hierfür als Erläuterung.

In Fig. 10 zeigen die Kurven 60 und 61 die Funktionskennlinien der bekannten elektrooptischen Ortungssysteme und vergleichbarer Ortungssysteme mit den Merkmalen der Erfindung. Die gestrichelte Kurve 6O ist eine mittlere Funktionskurve, die mit einer elektrooptischen Ortungs-

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vorrichtung erzeugt wurde, die von einigen verschiedenen Bedienungspersonen gesteuert wurde, die eine übliche Realbildzielanzeige auf dem in dem Gesamtsystem eingebauten Helmorientierungsraessuntersystemsystem verwendeten. Die Kurve 61 zeigt ähnliche Funktionsdaten, die von den gleichen Bedienungspersonen und dem gleichen elektrooptischen Grundortungssystem, jedoch mit dem virtuellen Zielbild T.. erzielt wurden,das in der erfindungsgemässen Weise angezeigt wurde* Es ist zu beachten, dass bei einer Wahrscheinlichkeit von 0,5 für die Erreichung einer Einrastung, die für die Betätigung des Steuerknüppelschalters 4o erforderliche Zeit, um ein Nachführung-Ermöglichen-Signal zur Erzielung der Einrastung zu erzeugen, von etwa k s auf weniger als 2 s vermindert wird. Ähnliche Funktionskennlinieninformationen, die sich jedoch auf die Wahrscheinlichkeit einer erzielten sichergestellten bzw. richtigen Einrastung beziehen, sind· in Fig. 11 gezeigt, wobei die Funktionskurve 62 für eine übliche elektrooptisch^ Systemvorrichtung und die Funktionskurve 63 für die gleiche Vorrichtung mit den Merkmalen gemäss der Erfindung gilt. Es ist zu beachten, dass für eine Wahrscheinlichkeit einer sichergestellten Einrastung von 0,3 die erforderliche Zeit von der Aktivierung des Nachführung-Ermbglichen-Signals bis zur durchgeführten Nachführung von etwa 10 s auf etwa 3 s·- vermindert und damit eine wesentliche Verbesserung in der Systemfunktion erreicht wird.

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Claims

Ansprüche

( 1 . Erlektrooptisch.es Ortungssystem mit einer von einer Be- ^v—-^dienungsperson gesteuerten Vorrichtung zur Positionierung der Sichtachse eines optischen Sensors zur Zielerfassung, Einrastung und automatischen Ortung, gekennzeichnet durch

a) eine Bedienungsperson-Helmanordnung mit einem trans- -parenten Visier mit einer reflektierenden Oberfläche und einer Bedienungsperson-Visierlinie, die durch die reflektierende Visieroberfläche verläuft,

b) einen Ortungssystem-Fernsehkamerasensor, der eine

, , Realbildszene sieht und eine Sichtachse hat, die von der Bedienungsperson-Visierlinie verschieden ist und die durch eine Servoeinrichtung mit geschlossener Schleife in der Orientierung der der Bedienungsperson-Helmanordnung-Visierlinie zur Zielerfassung nachgeführt wird,

c) optische Einrichtungen, die eine;Realbildszene, die von dem Fernsehkamerasensor längs der Sichtachse der reflektierenden Visieroberfläche der Bedienungsperson-Helmanordnung erfasst wird, anzeigen, und.

d) von der Bedienungsperson betätigte Steuereinrichtungen, um die Fernsehkamerasensor-Sichtachse von einer in der Orientierung nachgeführten Beziehung relativ zu der Bedienungsperson-Helmanordnung-Visierlinie zur Zieleinrastung und automatischen Ortung zu lösen,

wobei die Fernsehkamerasensor-Sichtachse von dem Ortungssystem zur automatischen Ortung bei Lösungs-Betätigung der Steuereinrichtungen gesteuert beweglich ist.

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2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Bedienungsperson-Helmanordnung-Visier mit einem überlagerten Fadenkreuzbild versehen ist, das bezüglich der Bedienungsperson-Visierlinie zentriert ist, und dass die optischen Einrichtungen die Realbildszene, die von dem Fernsehkamerasensor längs der Sichtachse festgestellt werden, zentriert bezüglich des überlagerten Fadenkreuzbildes anzeigen.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernsehkamerasensor-Sichtachse bezüglich der Bedienungsperson-Visierlinie versetzt ist, und dass die Fernsehkamerasensor-Visierlinie in der Richtung durch die Servoeinrichtungen mit geschlossener Schleife parallel zu der Bedienungsperson-Visierlinie zur Zielerfassung nachgeführt wird.
*l. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Einrichtungen aus einer Kathodenstrahlröhre bestehen, die zusammenwirkend mit einer Bildprojektionsanordnung an der Bedienungsperson-Helmanordnung montiert ist.
5. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernsehkamerasensor-Sichtachse in der Orientierung durch die Servoeinrichtungen mit geschlossener Schleife, die paarweise Photodetektoren aufweisen, die an der Bedienungsperson-Helnianordnung befestigt sind, zur Messung der Orientierung der Redienunßsperson-Visierlinie bezüglich einer relativ festen Plattform nachgefülii't wird.

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6. Von einer Bedienungsperson gesteuertes Verfahren zur Positionierung der Sichtachse eines elektrooptischen Ortungssystem-Fernsehkamerasensors in eingerasteter Beziehung zu einem ausgewählten Ziel zur automatischen Ortung von einer Visierlinie aus, die gegenüber der Sichtlinie versetzt ist, gekennzeichnet durch

a) Beobachtung eines ausgewählten Zielbildes, das gegenüber einer Bedienungsperson-Visierlinie versetzt ist,

b) gleichzeitige Bewegung der Bedienungsperson-Visierlinie und einer Pernsehkamera-Sichtachse, die parallel zu der Visierlinie nachgeführt wird, in eine Stellung näherungsweiser Fluchtung mit dem ausgewählten Ziel, und

c.) Beobachtung eines virtuellen Bildes des Ziels längs der Bedienungsperson-Visierlinie, um die Sichtachse in Fluchtung mit dem Ziel zu bringen,

wobei das virtuelle Bild des Zieles von dem Fernsehkamerasensor erhalten und längs der Visierlinie zur Beobachtung durch die Bedienungsperson projiziert wird.

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