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Verfahren und Vorrichtung zur Höhenmessung von den
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Meßplatz überfliegenden Objekten.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Höhenmessung von
den Meßplatz überfliegenden Objekten, auf die meßplatzseitig eine Fernsehkamera
und ein nach dem Impulslaufzeitverfahren arbeitender Laserentfernungsmesser ausrichtbar
angeordnet sind, sowie unter Verwendung einer von einer Auswerteelektronik gesteuerten
Nachführeinheit und einer Bedien- und Auswerteeinheit.
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Die Aufgabe der Erfindung wird in der Entwicklung einer Möglichkeit
gesehen, die Flugbahnen von Flugobjekten vermessen sowie gleichzeitig die in ihnen
eingebauten barometrischen Höhemeßgeräte von einem bodenseitigen Meßplatz überwachen
zu können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Fernsehkamera
und Laserentfernungsmesser auf einer beweglichen Plattform der Nachführeinheit starr
befestigt werden, die in beliebigem Abstand von der Bedien- und Auswerteeinheit
aufgestellt und im interessierenden Objekt kardanisch nachgeführt wird. Ein solches
Verfahren besitzt den Vorteil, daß man bezüglich der Sensoren - Fernsehkamera und
Laserentfernungsmesser - auf handelsübliche Geräte zurückgreifen kann,
wobei
der Laserentfernungsmesser unverändert und die Fernsehkamera mit einer dem Anwendungszweck
angepaßten Optik zur Anwendung gelangen. Diese Baugruppen tragen neben den anderen
Baugruppen, aus denen sich ein derartiges Kontrollsystem zusammensetzt, auch zu
einer erheblichen Beweglichkeit bei, da sie sich mit relativ wenigen Handgriffen
montieren und auch wieder demontieren lassen. Dank der zweigeteilten Ausführungsform
können Nachführeinheit sowie Bedien-und Auswerteeinheit auch an verschiedenen Orten
Aufstellung finden, so daß sich die Nachführeinheit aus einer sicheren gedeckten
Stellung heraus betätigen läßt. Darüberhinaus ist eine sichere Kontrolle auch von
in sehr großen Höhen den Meßplatz überfliegenden Flugobjekten möglich.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird darin gesehen,
daß die Plattform von einer mit ihr fest verbundenen Symmetrieachse, der sogenannten
ç -Achse durchlaufen wird, die mit ihren beiden Enden in einem die Plattform mit
Abstand umfassenden Rahmen symmetrisch gelagert ist, der seinerseits über die beiden
Enden einer zur f -Achse senkrecht verlaufenden Symmetrieachse, der sogenannten
9-Achse, in einem der Nachführeinheit zugehörigen Nachführtisch gelagert ist. In
diesem Zusammenhang ist es bezüglich des Antriebs einer solchen kardanisch aufgehängten
Baueinheit zweckmäßig, wenn die Q- und die y -Achse jeweils die verlängerte Welle
eines am Nachführtisch bzw. am Rahmen gehalterten Servomotors darstellen.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß die Bedien-und Auswerteeinheit
ein Bedienpult enthält, das einmal direkt und zum anderen über eine Gesamtsteuerung
und eine Auswerteelektronik auf die Nachführelektronik einwirkt, daß ferner
die
Gesamtsteuerung mit einer die Entfernungsdaten und die Winkel daten von der Nachführeinheit
eingespeist erhaltenden Auswertung zusainmenarbeitet, die die Werte in eine sie
direkt oder in gespeicherter Form anzeigende Ausgabe einspeist,; und daß auf die
Auswerteelektronik sowie auf einen parallel zu ihr angeordneten Monitor das Videosignal
der Fernsehkamera gelangt. Zweckmäßig ist es hierbei, wenn die Laserbedien- und
Anzeigeeinheit als geschlossene Einschubeinheit ausgebildet ist, weil sie sich dann
in jedem hierfür vorgesehenen Arbeitsplatz schnell ein- und ausbauen lassen. Dies
wiederum sichert eine leichte Wartung und optimale Ausnutzung dieser Baueinheit.
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Im folgenden wird an Hand einer Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher erläutert, wobei die in den beiden Figuren einander entsprechenden
Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild der
kompletten Vorrichtung, d. h. von Nachführ-, Bedien- sowie Auswerteeinheit und Fig.
2 die kardanische Aufhängung der die Sensoren, die Nachführmechanik und-elektronik
tragenden Plattform sowie ihre Funktion.
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Wenn ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Flugobjekt die in Fig.
1 als Blockschaltbild gezeichnete Vorrichtung überfliegt - was in sehr großen Höhen
erfolgen kann - so wird dieses Flugobjekt bereits bei seinem Anflug von der Fernsehkamera
3 erfaßt, die zusammen mit dem Laserentfernungsmesser 4 die Sensoren der im folgenden
noch näher zu besprechenden Nachführeinheit 1 bildet. Mit Hilfe des Steuerhebels
25 werden die Zielmarken in dem Monitor 16 so geführt, daß sie das Ziel wie ein
Tor umfassen. Danach sorgt die Auswerteelektronik 13 für eine automatische Bestimmung
der Ablagekoordinaten bezogen auf die Monitormitte (= opt. Achse der Fernsehkamera
3), wobei der Nachführtisch 7 automatisch und kontinuierlich nachsteuert wird,siodaß
die Ablagekoordinaten bezogen auf die opt. Achse der Fernsehkamera 3 immer auf Null
zurückgeführt werden.
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Der Laserentfernungsmesser enthält in bekannter Weise eine Sende-
und Empfangseinheit mit zugehörigem Impulsformer...
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z.B.
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Der eigentliche Laser besteht/aus einem Neodym-Yag-Stab, -einer Blitzlampe,
einem Reflektor und einem Lithium-Niobat-Kristall als Pockelzelle. Er arbeitet im
Impulslaufzeitverfahren bei einer Wellenlänge von 1,06/um. Dabei verläßt der Laserimpuls
den Sender durch die Sendeoptik und trifft auf das anvisierte Ziel. Der von letzterem
reflektierte Anteil der Laserimpulse gelangt über die Optik eines Doppelperiskops
in den Empfänger, wo ihn das Empfangs objektiv auf eine Silizium-Avalanche-Diode
fokussiert, die die Laserimpulse in elektrische Impulse umwandelt. Die Zielentfernung
ergibt sich aus der Laufzeit der Laserimpulse vom Verlassen des Senders bis zum
Eintritt des Echoimpulses in den Empfänger.
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Es sollte immer ein schnellpuls.Laser von etwa 1Hz od. schneller sein.
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Die vorstehend beschriebenen beiden Sensoren 3 und 4 können nun zusammen
mit der Nachführelektronik 5 auf der in Fig. 2 gezeichneten Plattform 6 befestigt
werden, die an dem Nachführtisch 7 kardanisch aufgehängt ist. Für diesen Zweck ist
die Plattform 6 z. B. als rechteckförmige Trägerplatte ausgebildet, die in ihrer
Längsrichtung von der Symmetrieachse 8, der sogenannten ç -Achse, durchlaufen wird.
Die Plattform ist mit dieser Achse fest verbunden und die Achse selbst über ihre
Enden in dem die Plattform mit Abstand umgebenden Rahmen 10 symmetrisch gelagert.
An der Rahmenaußenseite sind senkrecht und mittelpunktsymmetrisch zur T -Achse zwei
Achsenstümpfe 9 befestigt, die zusammen die sogenannte 9-Achse ergeben. Letztere
ist über ihre außenseitigen Enden in den zum Bodenteil rechtwinkelig abgebogenen
Seitenwänden des blockförmig ausgebildeten Nachführtisches 7 gelagert. Jeweils im
Bereich des einen Endes der f -Achse und der 9-Achse ist ein Servomotor 18 bzw.
19 am Rahmen 10 bzw. am Nachführtisch 7 befestigt. Die beiden Achsen 8 und 9 fallen
insofern mit den beiden Motorwellen zusammen.
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An einem geeigneten Ort, jedoch von der Nachführeinheit 1 örtlich
unabhängig, findet die z. B. als geschlossene Einschubeinheit ausgebildete Bedien-
und Auswerteeinheit 2 -(Fig. 1) Aufstellung, so daß nunmehr die Bedienungsperson
die Messungen ausführen kann: Über die Bedien- und Auswerteeinheit erfolgt mit Hilfe
des Bedienpultes 11 die Steuerung der gesamten Anlage. Das Bedienpult 11 steht über
den wechselseitigen Kanal 23 mit der Gesamtsteuerung 12 und diese wiederum über
den Kanal 26 mit der Auswerteelektronik 13 in Verbindung; zum anderen steht sie
über den Kanal 24 aber auch direkt mit der Nachführelektronik 5 in Verbindung, so
daß von dieser Kontrollstelle aus sowohl die Gesamtsteuerung 12 beeinflußt werden
kann als auch die Sensoren 3 und 4 auf das zu vermessenden Flugobjekt gerichtet
bzw. ihm nachgeführt werden können.
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Dies geschieht manuell mit Hilfe des auf dem Bedienpult 11 vorgesehenen
Steuerhebels 25. Ist das Flugobjekt erst einmal erfaßt, kann auch auf automatische
Nachführung umgeschaltet werden. Die Bedien- und Auswerteeinheit 2 enthält ferner
den Monitor 16, auf dem die von der Fernsehkamera 3 aufgezeichneten Bilder dargestellt
werden, die dem Auffassen des zu vermessenden Flugobjekts dienen. Parallel zum Monitor
16 wird das Videosignal 17 von der Auswerteelektronik 13, dem sogenannten Tracker,
für die Zielverfolgung verarbeitet.
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Zu diesem Zweck berechnet die Auswerteelektronik aus der (Ziel gegen
Hintergrund) Kontrastinformatioaufeinanderfolgender Bilder fortlaufend die Zielablage
von einem vorgegebenen Koordinatenkreuz.
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Entsprechend wirkt sie sodann über den Kanal 21 auf die Nachführelektronik
5 ein, so daß letztlich dadurch die automatische Nachführung zustande kommt. Das
kontrastabhängige Nachführen kann dabei auf zwei verschiedene Bildinformationen
angewandt werden. Einmal kann die Auswerteelektronik wahlweise des Ziels die obere,
die rechte, die linke oder die untere Kante/als Zielpunkt auffassen, d. h. die Abweichungssignale
zur Visierlinie werden bezüglich der jeweils gewählten Kante berechnet;
dabei
kann dasrausgewertete Bildfenster auch kleiner als der Zielbereich gewählt werden1
um auf diese Weise unerwünschte Hintergrundsignale zu unterdrücken. Bei einer anderen
Betriebsart wird der Schwerpunkt der oberhalb einer wählbaren Helligkeitsschwelle
liegenden Bildpunkte berechnet und als Zielpunkt - bezüglich dessen die Abweichungssignale
ausgegeben werden - angesehen. Hierbei ist es möglich, eine automatische Fenstergrößensteuerung
einzuschalten, bei der die Fenstergröße als Zielgröße,zuzüglich eines festen Prozentsatzes
Hintergrund, berechnet wird. Außerdem wird die Auswerteelektronik 13 als Generator
für ein auf dem Monitor 16 einzublendendes Fadenkreuz zur Markierung der Visierlinie
und für ein Fenster (Gate) verwendet, durch das Lage und Größe des Bildausschnittes
gekennzeichnet werden, in welchem die Track-Automatik wirksam ist. Vor ihrer Auslösung
wird das Ziel durch manuelle Steuerung am Bedienpult 11 in den Bereich des Fensters
gebracht.
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Die Höhe des Flugzeuges wird aus den Ablagewerten der Meßsensoren
3 und 4 in Bezug auf die beiden Achsen 8 und 9 sowie aus der Entfernungsangabe ermittelt.
Diese beiden Achsen sind auch die Nachfuhrkoordination. Zweckmäßigerweise wählt
man räumliche Polarkoordinaten (r, e, r ) in der in Fig. 2 dargestellten Weise:
man arbeitet in diesem Fall nicht mit Azimuth und Elevation bzw. einer vertikalen
und einer horizontalen Achse, sondern mit den beiden Achsen Q und f , die in einem
Winkel von 900 aufeinanderstehen und ihren O-Punkt im Zenit haben. Dies zeitigt
den Vorteil, daß man im Zenit ein quasikarthesisches Netz und nicht die Singularität
der konventionellen Polarkoordinaten erhält. Der Laserentfernungsmesser 4 liefert
über den mit "r" bezeichneten Kanal (Fig.l) die Entfernungsinformation in codierter
Form. Die Auswerteelektronik 13 verfolgt das Flugobjekt und errechnet die
differentiellen
Ablagewerte Q und tf , die von der Nachführelektronik 5 für die Zielverfolgung ausgewertet
werden. Die Auswerteelektronik 13 hat also lediglich die Aufgabe, die'-'! Visierlinie
des Sensorkopfes 3, 4 stets auf das Flugobjekt zu richten; die momentane Blickrichtung
des Sensorkopfes wird dann direkt über einen hochauflösenden Winkelgeber an der
Plattform 6 abgenommen. Damit stehen die Werte r, Q, für die Auswertung 14 zur Verfügung.
Da diese Werte mit einer Frequenz<lHz anfallen, kann die Auswertung 14 einschließlich
der mit ihr über den Kanal 22 wechselseitig zusammenarbeitenden Gesamtsteuerung
12 z. B. von einem Mikroprozessor übernommen werden, zumal die Flughöhe durch einfache
Rechenschritte aus den Bahnkoordinaten gewonnen wird. Von der Auswertung 14 gelangen
die gemessenen Höhenwerte über den Kanal 27 in die Ausgabe 15, wo sie entweder direkt
angezeigt oder aber mittels Lochstreifen oder Blattschreiber gespeichert werden.
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Die Meßwerte am Boden und die im Flugzeug können über Funk direkt
oder bei gleichzeitiger Aufzeichnung der Höhenwerte im Flugzeug auch nachträglich
ausgewertet werden.