DE2431216A1 - Entfernungsmessvorrichtung fuer numerische fernmessung der entfernung eines gegenstandes - Google Patents

Description

SOOIETE DE I¹ABRIOATIOIi D· INSTRUMENTS DE MESURE S.I¹.1.M. 13, Avenue Ramolf-Garnier, 91301 Massy, Frankreich

Entfernungsmeßvorrichtung für numerische Fernmessung der Entfernung eines Gegenstandes

Die Erfindung betrifft eine Entfernungsmeßvorrichtung für numerische Fernmessung der Entfernung eines Gegenstandes.

Aus der FR-PS 1 494 110 ist bereits eine Vorrichtung zur numerischen Fernmessung bekannt, die einen Elektronikteil aufweist, der einen Abstand in Form einer Anzahl von Abtastlinien analysierte

Diese Vorrichtung basiert auf der Beobachtung zweier Strahlerund zielt darauf, daß die Entfernung der beiden Strahler mit einer Genauigkeit beka.nnt ist, die mit der für telemetrische Messungen erwünschten Genauigkeit verträglich ist. Desweiteren ist notwendig, daß die Gerade, die die beiden Strahler miteinander verbindet, genau senkrecht zur Sichtlinie ist.

Es ist offensichtlich, daß diese Bedingungen nicht erfüllt werden können, wenn man beispielsweise die Entfernung irgendeines sich am Himmel als Punkt abzeichnenden Drehflügelflugzeugs oder einer durch die Strahlung ihres Triebwerks ge-

409883/1089

/2

kennzeichneten Rakete messen will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Entfernungsmeßvorrichtung für eine numerische Fernmessung der Entfernung eines Gegenstandes zu schaffen, der eine einzige Lichtquelle darstellt.

Dieser Gegenstand kann einen positiven oder negativen Kontrast zur Umgebung bilden, beispielsweise in Form einer leuchtenden Spur auf dunklem Grund (positiver Kontrast) oder eines Drehflügelflugzeugs am Himmel (negativer Kontrast).

Diese Aufgabe ist mit einer Entfernungsmeßvorrichtung der eingangs beschriebenen Gattung gelöst, in der erfindungsgemäß ein Optiksystem, das mittels Spiegeln zwei getrennte Bilder des Gegenstandes, der einen einzigaapunktförmigenoder quasi punktförmigen, sichtbaren oder unsichtbaren optischen Strahler darstellt, entwirft, die einen der Entfernung des Gegenstandes entsprechenden Abstand voneinander haben, ein photo- oder thermoempfindlicher Empfänger, der diesen Abstand auf einem Bildschirm aufnimmt, und ein Elektronikteil, das die auf dem Bildschirm in Form einer Anzahl von Abtastzeilen dargestellte Strecke analysiert, wobei die Anzahl das Maß der Entfernung des Gegenstandes ist, miteinander kombiniert sind.

Das Wort Spiegel bezeichnet jedes Optikbauteil, das die Funktion eines Spiegels hat; eß kann sich dabei beispielsweise auch um ein Prisma handeln.

Das Optiksystem zum Entwerfen des Bildes ist beispielsweise ein System, das die optischen Bausteine eines optischen Entfernungsmessers beinhaltet.

In einer Ausführungsform weist das Optiksystem ein erstes Paar Spiegel, die ortsfest an den Enden einer Optikbasis a.nge-

/3 409883/ 1 089

ordnet und symmetrisch, zur mittelsenkrechten Ebene dieser Optikbasis geneigt sind, so daß sie die Bilder des Gegenstandes zu dieser inittelsenkrechten Ebene hinwerfen, und ein zweites Paar Spiegel auf, die ortsfest symmetrisch, zur Optikbasis relativ zur mittelsenkrechten Ebene derart angebracht sind, daß sie die von den Spiegeln des ersten Paares reflektierten Strahlen aufnehmen und sie im wesentlichen parallel zur mittelsenkrechten Ebene auf den Empfänger werfen.

Bei· der klassischen optischen Entfernungsmessung überlagert man im allgemeinen zwei Bilder des Objektes, dessen Entfernung gemessen werden soll, wobei die Bilder von zwei an den Enden einer Basis angeordneten Optikeinrichtungen herrühren, indem man optische Bauteile, wie Spiegel oder Prismen verschiebt oder dreht. Die Messung dieser Verschiebung und/oder Drehungen liefert ein Maß für die Entfernung; tatsächlich ha.ndelt es sich also um eine mechanische Winkelmessung der Parallaxe.Diese Verschiebungen und/oder Drehungen sind im allgemeinen keine lineare Funktion der Entfernung. Um die Meßergebnisse numerisch verschlüsselt zu erhalten, ist es nötig an die Vorrichtungen zum Messen der Verschiebungen oder Drehungen der beweglichen Optikbauteile des Entfernungsmessers nach mechanischer Linearisierung digitale Kodierer zu verbinden. Die so für einen optischen Entfernungsmesser mit numerischem Ausgang gebildete Meßkette ist kompliziert und teuer; zusätzlich müssen die oben erläuterten Verschiebungen und/oder Drehungen sehr genau sein.

Desweiteren sind bekannte optische Entfernungsmesser langsam zu bedienen, weil sie Bauteile verwenden, deren !Trägheit niemals vernachlässigbar ist.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Optikbauteile des Entfernungsmessers, die die Vorrichtung zur Bilderzeugung bilden, ortsfest, was ein grundsätzlicher Vorteil

/4 409883/1080

gegenüber herkömmlichen optischen Entfernungsmessern ist.

Desweiteren können die mit dem Optiksystem zusammenwirkenden Mittel, die das Meßergebnis in numerischer Form liefern, wesentlich einfacher und billjger sein als die Mittel, die mit einem herkömmlichen optischen Entfernungsmesser zusammenwirken müssen, um ein solches Meßergebnis zu liefern.

Damit die auf dem Bildschirm d?s photoempfindlichen Empfängers dargestellte Strecke eine lineare Punktion der Entfernung des Gegenstandes ist, ist an der Eingangsseite de3 Optiksystems ein optisches Korrekturglied anzubringen.

In einer abgeänderten Ausführungsform kann eine elektronische Korrektureinrichtung verwendet werden, die am Ausgang des photoempfindlichen Empfängers angeordnet ist.

In der erfindungsgemäßen "Vorrichtung wird die Winkelmessung der Parallaxe, auf der die Entfernungsmessung beruht, durch Kombination eines optischen oder elektronischen Linearisierungssystems mit einem opto-elektronischen Mikrometer durchgeführt, die direkt ein numerisches Maß für die zu messende Entfernung liefert.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung im folgenden anhand schematischer Darstellungen beispielsweise und mit vorteilhaften Einzelheiten erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Optiksystem, wie es in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann,

Fig. 2 im oberen Teil eine Aufsicht auf den Bildschirm des photoempfindlichen Empfängers der Vorrichtung und

im unteien Teil die Darstellung des Ausgangssignals der photoempfindlichen Eöhre,

409883/1089

Fig. 3 ein Schema, wie es zur Berechnung der Beziehung zwischen der zu messenden Entfernung D und dem Abstand d der auf dem photoempfindlichen Bildschirm erhaltenen Bilder verwendet wird,

Pig. 4 in ihrem linken Teil die Kurve, die die Entfernung D als Funktion des Abstandes d darstellt und

•im rechten Teil den prinzipiellen Fehler 2^D zu D als Funktion von D und

Fig. 5 ein Blockschältbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Gemäß Fig. 1 besteht das Optiksystem aus einer starren Optikba.sis 01 02 mit wohl bestimmter und bekannter Länge L. An den Enden dieser Optikbasis sind zwei Planspiegel M1 und M2 derart angeordnet, daß die Normalen N1 und N2 auf den Spiegeln M1^Vund M2 in 01 und 02 sich in der mitteisenkrechten Ebene zO'z» der Optikbasis 01 02 schneiden, wobei O¹ in der Mitte zwischen 01 und 02 liegt. Symmetrisch zu 01 02 und zO'z¹ sind zwei weitere Spiegel M3 und M4 derart angeordnet, daß die vom in zz¹ befindlichen Objekt-Punkt M ausgehenden Lichtstrahlen im wesentlichen parallel zur Achse zO'z¹ zurückgeworfen werden, nachdem sie von den Spiegeln M1 und M3 sowie M2 und M4 reflektiert wurden.

Bevor die Lichtstrahlen die Spiegel M1 und M2 erreichen, durchqueren sie Optikbauteile P1 und P2, deren Rolle im weiteren erläutert.werden wird.

Die Lichtstrahlen treffen daraufhin auf ein Linsensystem 2, dessen Achse mit zz¹ zusammenfällt und das a.uf der empfindlichen Fläche 3 eines photoempfindlichen Empfängers ein Bild des Punktes M erzeugt. Die Spur des photoempfindlichen Empfängers ist in der Figur durch den Bereich Io I^fo der zu zz¹ senkrechten Achse xx« dargestellt, wobei 0 der Schnitt

/6 409883/1089

der Achsen zz« und xx¹ und die Mitte von Iol'o ist.

Die Neigung der Spiegel M1 M2, M3 und M4 wird derart eingestellt, daß die Bilder des Punktes M, wenn sich der Punkt M in 0" befindet, wobei O¹O" die festliegende, kleinste, meßbare Entfernung ist, an den Enden Iol'o des Bildschirms des photoempfindlichen Empfängers entstehen und daß, wenn M praktisch im Unendlichen liegt, d.h_o jenseits einer Strecke, ausgehend von der die Entfernung nicht langer einer auf dem Bildschirm des photoempfindlichen Empfängers unterscheidbaren Verschiebung entspricht, die beiden Bilder von M in 0 entstehen.

Zwischen dem Abstand d zwischen zwei Bildern von M: 11 und 12 und der zu messenden Entfernung D = O¹M besteht eine monotone und eindeutige Beziehung, die von 01 02, von den

Winkeln, die die Spiegel M1 M2 und M3 M4 zwischen sich bilden, und der Brennweite^des Objektivlinsensystems 2 abhängt.

In Abwesenheit der Optikbauteile (Prismen) P1 und P2 ist diese Beziehung D = f (d) nicht linear, sondern weist eine wachsende Ableitung a.uf; mit anderen V/orten einer kleinen Zunahme von d entspricht eine Zunahme von D, die umso größer ist, je größer D ist.,

Der Entfernungsmesser hätte somit den Nachteil, daß er unterschiedlich empfindlich und nicht linear wäre.

Um diesen Nachteil zu beheben,werden vor den Spiegeln M1 und M2 Optikbauteile P1 und P2 angeordnet, die Lichtstrahlen eine vom Einfallswinkel nicht linear abhängige Ablenkung erteilen. Diese Optikbauteile können beispielsweise einfache Prismen sein. In diesem !"alle ermöglicht eine kluge Wahl des Prismawinkels und des Brechungsindex des Glases, aus dem das Prisma, besteht, die Nichtlinearität der Beziehung D = f (d), die oben erwähnt ist, auszugleichen. Wenn nötig können die Prismen durch Optikbauteile ergänzt oder ersetzt werden, die

409883/1089

vor allem unter dem Gesichtspunkt ihres Anastigmatismus und ihres Achromatismus weiterentwickelt sind, wobei dies völlig im Bereich bekannter Technik "bleibt.

Die mathematische Beziehung, die den Einfallswinkel i und den Ausfallswinkel i¹ der die Optikbauteile durchquerenden Lichtstrahlen in Beziehung zueinander setzt, ist die folgende;

tg ii = JS , d = kD

4f tg.i .

wobei k der Proportionalitätsfaktor zwischen der Entfernung D und der entsprechenden, auf dem Bildschirm des photoempfindlichen Empfängers gemessene Absta.nd d, wie im weiteren beschrieben wird, ist.

Der photoempfindliche Empfänger ist beispielsweise eine auch Farnsworthröhre genannte Sondenbildröhre oder einfacher eine photoempfindliche Fernsehröhre in Art eines Vidicons, Resistrons, Tivicons, Plumbicons oder andere Bildröhren mit elektronischer Abtastung. Im folgenden sei abgenommen, daß es sich um eine solche Röhre handelt.

In jedem Fall wird die Entfernungsmessung mittels elektronischer Abtastung des photoempfindlichen Bildschirms 3 senkrecht zur Achse xx¹ durchgeführt, wobei diese Abtastung Zeile für Zeile, wie beim Fernsehen bekannt (Fig. 2) geschieht und mit einer "Bildfrequenz" genannten Frequenz abläuft, die in Abhängigkeit der notwendigen Informationsfolge gewählt ist und im allgemeinen zwischen einigen Hertz und 100 Herth liegt,

Wenn der Bildpunkt 11 des Punktes M von der Abtastung berührt wird und wenn sein Kontrast gegenüber der Umgebung ausreicht, liefert das Videosignal einen genauen Impuls TJ1 an einen Abtastlinienzähler, der zu zählen beginnt. Die Zäh-

/8 409883/1089

lung wird durch einen Impuls U2 unterbrochen, der abgegeben wird, wenn die Abtastung das Bild 12 passiert. Die Abtastfolge kann beispielsweise 100 Hertz erreichen, die Feinheit der Abtastung kann 1000 Zeilen oder mehr über den photoempfindlichen Bildschirm betragen. Kies bedeutet, daß bei einem Entfernungsmeßbereich über 5000 Meter und bei Linearisierung der Beziehung D = f (d) jeder Zeile ein Schritt von wenigstens 5 Metern entspricht. Um solche großen Meßbereiche zu erhalten, muß die Länge der Optikbasis und die Brennweite des Linsensystems 2 an die Qualität der verwendeten Optikbauteile und die Abmessung des Vidicons derart angepaßt werden, daß die Abmessungen der Bilder des Punktes M kleiner sind als der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastlinien.

Ohne die Optikbauteile P1 und P2 ist die Beziehung zwischen der zu messenden Entfernung D und der Strecke d zwischen zwei Bildern 11 und 12 des Punktes M in einfacher Weise mit Hilfe der Pig. 5 zu vermitteln.

Die Ähnlichkeit der Dreiecke M0102 und 0" 11 12 liefert unmittelbar:

wobei f die Brennweite des Linsensystems 2 (Objektiv) und L die Länge der Optikbasis ist.

Mit L = 1 Meter und f = 1,5 Meter wird die minimale meßbare En.tfernung D min. erhalten, wenn d gleich der Breite des photoempfindlichen Bildschirms der Bildröhre, beispielsweise bei einem herkömmlichen, handelsüblichen Vidicon d = 12,5 mm:

= 120 m

/9 409883/1089

In der Praxis kann die Ausrichtung der Spiegel 01 und leicht abgewandelt werden, so daß das Bild des Punktes M in 0 "bei nicht unendlicher Entfernung D erhalten wird. Sei D1 diese Entfernung, die den maximalen Meßbereich der Vorrichtung festlegt: Jenseits dieses Wertes sind die Bilder 11 und 12 relativ zur Symmetrieachse zz¹ invertiert, was im Prinzip eine Mehrdeutigkeit bedingt, die a.ber in der Praxis unbedeutend ist, weil sie unterhalb des Auflösungsvermögens des Systems auftritt.

Mit diesen Bedingungen lautet die Beziehung 1:

4 f L D1 - L² d

4 (d D1 + f L)

Diese Anordnung ist vorteilhaft, weil der Meßbereich a.uf der Hyperbel D = f (d) in einen Bereich mit einer geringeren Krümmung verschoben wird.

Die Anordnung von Optikbauteilen P1 und P2, die wie oben erläutert berechnet sind, in den optischen Wegen M01 und M02 ermöglicht eine Gegennichtlinea.rität zu scha.ff en, die die aufgezeigte kompensiert oder wenigstens in Bezug auf eine genügende Gesamtgenauigkeit der Vorrichtung und ihrer optischen Bestimmung zu kompensieren.

Wie oben erläutert, können die nichtlinearen Optikba.u~ teile P1 und P2 beispielsweise und in keiner Weise einschränkend Prismen sein.

Die Fig. 4 zeigt links die Kurve D =

2
4fLD1 -Ld in Abhängigkeit von d

4 (d D1 + f L)
mit : f = 1,5 m, L = 1 m, D1 = 5000 m.

/10 409883/ 1089

Es ist interessant, den Fehler ^P in Abhängigkeit von P zu berechnen:

, _ (4 PP1 + L²)² _A

4 f L (ir + 4Dr) Da L relativ zu P und P1 klein ist, ka.nn man schreiben:

= —i- Λ d

f L

ist der prinzipielle Fehler von d. Mit einer Bildröhre, deren Bildschirm 12,5 mm breit ist, beträgt das Trennvermögen bei einer Abtastung mit 1000 Zeilen 12,5 x 10 mm; wenn man einen Fehler von zwei Zeilen (es muß erwähnt werden, daß dieser Fehler ein sehr selten auftretendes Maximum bildet, das durch die Integration der Messungen aufgrund der Wiederholung der Abtastung merklich vermindert wird) in der relativen Lage der Bilder zuläßt, beträgt der Fehler >Δ d zu d 25 x 10" Mit den gleichen numerischen Werten wie oben:AP = 16,6 χ 10"" P

In Fig. 4 rechts ist die Kurve Δρ = f (P) dargestellt.

Bei einer perfekten Linearisierung der Kurve P = f (d) der Fig. 4 durch eine Gerade, die durch die Enden A und B dieser Kurve A (12; 122 m); B (O; 5000 m) hindurchgeht, beträgt die Schrittweite der Zählung von P 5 m, eine Strecke, die einer Länge von 12,5 χ 10" m auf ^d entspricht.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der numerischen Vorrichtung. Es bezeichnen:

- 4 den Optikteil mit seinen Spiegeln M1 bis M4 und seinen Linearisatoren P1 und P2,

/11

409883/1089

ΛΑ

- 5 die Bildröhre in ihrer Halterung mit ihren Ablenkelementen ,

- 6 und 7 die Signalspa/nnungsgeneratoren für die Abtastung "Zeilen" und »Bilder",

- 8 die gemeinsame Zeitbasis,

- 9 eine-Schaltung zur Erzeugung der Impulse U1 und TJ2,

- 10 ein Zählersichtgerät für die Anzeige der gemessenen Entfernung mit kodierten Ausgängen 11 zur fernanzeige oder raecha.nisehen, optischen oder magnetischen Registrierung,

-■ der Zähler 10 empfängt ebenfalls die Rückstellsignale der Zeitbasis 8.

Sämtliche elektronische Mittel sind an sich bekannt und brauchen deshalb nicht näher beschrieben zu werden.

In einer abgeänderten Ausführungsform, die einen kleinen Rechner enthält, der verdrahtet ist oder Zugriff zu einem allgemein gebräuchlichem Rechner hat, geschieht die Linearisierung der Kurve der Fig. 4 mittels dieses Rechners, so daß die Optikbauteile P1 und P2 überflüssig werden.

Ein solcher Rechner muß die bereits erwähnte Punktion ^{D =} ■ ~ lösen, nachdem die registrierte Anzahl + fL).

der Abtastzeilen in eine arithmetische Zahl eines geeigneten Zahlensystems, beispielsweise in einen binären Dezimalcode, transformiert ist.

67V Ansprüche:

409883/1089

Claims (6)

Ansprüche

1.) Entfernungsmeßvorrichtung für numerische Fernmessung der Entfernung eines Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet , daß in der Entfernungsmeßvorrichtung ein Optiksystem, das mittels Spiegeln M1, M2, M3, M4 oder Prismen zwei getrennte Bilder des Gegenstandes (M), der einen punktförmigen, sichtbaren oder unsichtbaren optische^ Strahler da.rstellt, entwirft, die einen der Entfernung des Gegenstandes (M) entsprechenden Abstand voneinander haben, ein photo- oder thermoempfindlicher Empfänger, der diesen Abstand auf seinem Bildschirm (empfindliche Oberfläche 3) aufnimmt, und ein Elektronikteil (5,6,7,8,9,10), der die auf dem Bildschirm in Form einer Anzahl von Abtast zeilen dargestellte Strecke analysiert, wobei die Anzahl das Maß für die Entfernung des Gegenstandes ist, miteinander kombiniert sind.

2. Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Optiksystem ein erstes Paar ortsfeste Spiegel M1 , M2, die an den Enden einer Optikbaäs (01 02) angebracht und symmetrisch zur mittelsenkrechten Ebene dieser Optikbasis 01 02 derart geneigt sind, daß sie die Bilder des Gegenstandes in Richtung auf diese mittelsenkrechte Ebene werfen, und ein' zweites Paar ortsfeste Spiegel M

3, M4 aufweist, die symmetrisch zur mittelsenkrechten Ebene an der Optikbasis 01 02 derart angebracht sind, daß sie die von den Spiegeln M1 M2 des ersten Paars reflektjirten Strahlen empfangen und im wesentlichen parallel zur mittelsenkrechten Ebene in Richtung auf den Empfänger lenken.

409883/1089

3t Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Optiksystem vor dem ersten Paar Spiegel M1, M2 in der Bahn der Strahlen angeordnete Optikbauteile P1, P2 aufweist, die a.n ihrem Austritt eine Ablenkung in Form einer nichtlinearen Punktion des Einfallswinkels erzeugen, um die Nichtlinearität der Beziehung zu kompensieren, die den Wert D der Entfernung in Abhängigkeit von dem Abstand d auf dem Bildschirm liefert.

4. Entfernungsmeßvorrichtung nach Anspruch 3, daß die Optikbauteile P1, P2 zur Kompensation Prismen sind.

5. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Elektronikteil Mittel zum Erzeugen eines den Bildschirm abtastenden Strahls aufweist, der Zeile für Zeile voranschreitet, Mittel zum Erzeugen eines Impulses, wenn der Abtaststrahl auf ein Bild des Gegenstandes auf dem Bildschirm trifft, und einen Zähler für die Abtast zeilen a/ufweist, der durch den Impuls derart betätigt wird, daß die Zählung beginnt, wenn der Abtaststrahl a.uf eines der Bilder trifft, und a.ufhört, wenn der Abtaststrahl auf das andere der Bilder trifft.

6. Entfernungsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 und 5, gekennzeichnet durch einen Rechner, der den Wert der Entfernung entsprechend der Strecke auf dem Bildschirm berechnete

409883/1089

Leerseite