DE2710738C2 - Anordnung zur Kompensation der Bewegung eines Bildes - Google Patents
Anordnung zur Kompensation der Bewegung eines BildesInfo
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- G01S3/782—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
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- G02B27/644—Imaging systems using optical elements for stabilisation of the lateral and angular position of the image compensating for large deviations, e.g. maintaining a fixed line of sight while a vehicle on which the system is mounted changes course
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kompensation der Bewegung eines Bildes (IMC-System) für ein
mit Abtastung arbeitendes Abbildungssystem, beispielsweise eine Fernsehkamera, die auf einem beweglichen
Fahrzeug, z. B. an einem Fli'gzeugkörper angebracht ist
Bei bekannten Bildbewegungs-Kompensationssystemen werden Winkelbeschleunigungsmesser verwendet,
um die Bewegung einer Fernsehkameraeinheit zu messen und analoge Spannungen abzuleiten, die dazu
verwendet werden können, um die Bewegung der Blickrichtung bzw. der Visierlinie der Kamera mit Hilfe
von optischen, mechanischen oder elektromagnetischen Vorrichtungen zu kompensieren.
Die Verwendung von Winkelbeschleunigungsmessern für die Messung der Bewegung der Kameraeinheit
weist Nachteile auf. Zunächst sind Winkelbeschleunigungsmesser außerordentlich kostspielige Ausrüstungsgegenstände.
Zweitens neigen Winkelbeschleunigungsmesser zu Drifterscheinungeii. Drittens wird bei
bestimmten Anwendungsfällen, wie z.B. bei mit aufrechter Kopfhaltung wahrnehmbaren Anzeigen in
Flugzeugen die Fernsehanzeige bezüglich des örtlichen Bezugsrahmens, d.h. bezüglich der Flugzeugzelle
dargeboten. Winkelbeschleunigungsmesser stabilisieren die Visierlinie der Kamera in wirksamer Weise
bezüglich der Raumkoordinaten und wenn eine mit aufrechter Kopfhaltung wahrnehmbare Anzeige erforderlich
ist so muß eine kompensierende Filterung vorgenommen werden, um Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser
zurückzuweisen bzw. zu unterdrücken, die repräsentativ für Manöver bzw. Bewegung
des Flugzeuges sind, d. h. also Winkelgeschwindigkeiten mit niederer Frequenz, während gleichzeitig die
Verwendung von Winkelgeschwindigkeiten mit hoher Frequenz für die Kompensation der Visierlinie ermöglicht
wird. Eine einwandfreie Filterung ist äußerst schwierig durchzuführen.
Schließlich ist das Hochfrequenzverhalten eines Winkelbeschleunigungsmessers aufgrund eines relativ
schlechten Signal-Rausch-Verhaltens sehr stark eingeschränkt,
so daß es üblicherweise nicht möglich ist, ein zufriedenstellendes Verhalten oberhalb einer Frequenz
von ungefähr 50 Hz zu erzielen
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildbewegungs-Kompensationssystem zu schaffen, bei
dem die Verwendung von Winkelbeschleunigungsmessern nicht erforderlich ist
Hierzu ist erfindungsgemäß eine Bildbewegungs-Kompensationsanordnung
vorgesehen, die dazu dient, die Visierlinie eines auf einem Fahrzeug montierbaren,
mit Abtastung arbeitenden Abbildungssystem zu stabilisieren, und die folgende Teile umfaßt: eine Fühlvorrichtung
zum Feststellen bzw. Erfassen der Winkelkomponenten der Bewegung des Systems bezüglich des
Fahrzeugs und eine Detektorvorrichtung, die auf die Fühlvorrichtung in der Weise anspricht, daß sie
elektrische Signale erzeugt die für die Winkelkomponenten repräsentativ sind.
In günstiger Weise ist das mit Abtastung arbeitende Abbildungssystem eine Fernsehkameraeinheit
Der Ausdruck »Fernsehkameraeinheit« soll alle die Teile einer Fernsehkamera umfassen, deren Winkelbev.egung
relativ zum Fahrzeug eine Bewegung des
das Joch.
gemeinsam mit der Kameraeinheit beweglichen Reflektor und eine zusammen mit dem Fahrzeug bewegliche
Lichtquelle, die so angeordnet ist daß sie den Reflektor zur Erzeugung eines reflektierten Bildes der Lichtquelle
beleuchtet, wodurch die relative Winkelbewegung
ω zwischen dem Fahrzeug und der Kameraeinheit eine
Bewegung des reflektierten Bildes erzeugt
Vorteilhafterweise ist der Reflektor ein ebener Reflektor.
Vorzugsweise ist eine Fokussiervorrichtung vorgese-
Vorzugsweise ist eine Fokussiervorrichtung vorgese-
M hen, um das von der Lichtquelle stammende Licht auf
den Reflektor zu fokussieren, und die Lichtquelle ist in einer Brennebene der Fokussiervorrichtung angeordnet.
Vorzugsweise arbeitet die Fokussiervorrichtung so, daß sie das reflektierte Bild empfängt und ein
fokussiertes Bild der Lichtquelle in dieser Brennebene
erzeugt.
Vorteilhafterweise ist die Fokussiervorrichtung eine Autokollimationslinse.
Bevorzugterweise umfaßt die Detektor- bzw. Meßvnrrichtung
einen Quadrant-Detektor, der so arbeitet, daß er die Winkelkomponenten der Bewegung längs
zweier aufeinander orthogonaler Achsen auflöst
Vorzugsweise ist der Quadrant-Detektor eine Si.izium-Quadrafit-Zelle.
Vorzugsweise sind elastische Mittel zur Befestigung der Kameraeinheit an dem Fahrzeug vorgesehen, um
die Einheit vor unerwünschten Stoßen und Vibrationen
zu schützen.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine stark schematisierte, perspektivische Ansicht einer Bildbewegungs-Kompensationsanordnung
gemäß der Erfindung,
F i g. 2 eine mehr ins Einzelne gehende Ansicht der Fühlanordnung und des Detektors der Anordnung aus
Fig. 1,
F i g. 3 ein erläuterndes Diagramm zur Erklärung der
Wirkungsweise des Detektors aus F i g. 1 und
F i g. 4 die Detektor-Beschaltung, die zur Gewinnung
der erforderlichen Kompensationssignale von dem Quadrant-Detektor aus F i g. 3 dient
Gemäß F i g. 1 ist eine Kameraeinheit 1 mit Hilfe von elastischen Elementen 2 auf einer Bezugsebene 3
befestigt, die einen Teil eines beweglichen Fahrzeugs bildet Ein ebener Spiegel 4 wird von der Einheit 1
getragen und durch eine von einer Leuchtdiode gebildeten Lichtquelle 5 mit einem parallelen Lichtbündel
beleuchtet, das von einer Autokollimationslinse 6 erzeugt wird, die die Fokussiervorrichtung bildet Das
von der Diode 5 stammende Licht wird von dem ebenen Spiegel 4 zurück durch die Linse 6 reflektiert und wird
auf einem Detektor 7 fokussiert, der weiter unten im einzelnen beschrieben wird. Die Lichtquelle 5, die Linse
6 und der Spiegel 4 bilden die Fühl- bzw. Erfassungsvorrichtung.
Die Kameraeinheit 1 besitzt eine Visierlinie, die durch die strichpunktierte Linie 8 wiedergegeben ist. Während
der Bewegung des Fahrzeugs tritt eine komplexe Bewegung der Kameraeinheit auf, doch besitzt diese
Bewegung Winkelkomponenten, die bewirken, daß die Einheit 1 winkelmäßig um die Befestigung 2 relativ zur
Bezugsebene 3 rotiert bzw. sich dreht Diese Winkelbewegung kann in zwei aufeinander senkrechte Komponenten
aufgelöst werden, die durch die Pfeile 9 gekennzeichnet sind, und hat einen Winkelfehler der
Kameravisierlinie zur Folge, die sich in eine durch die strichpunktierte Linie 10 wiedergegebene neue Stellung
bewegt.
Erfindungsgemäß werden diese Winkelkomponenten der Bewegung der Kameraeinheit bezüglich der
Bezugsebene 3 des Fahrzeugs direkt abgetastet bzw. gemessen, und es wird in Verbindung mit dem Detektor
7 durch die Erfindung möglich, daß diese Komponenten in zwei aufeinander senkrechte Komponenten aufgelöst
werden, so daß zwei elektrische Signale zur Korrektur der durch die Rotation der Visierlinie bewirkten
Bildbewegung erhalten werden können.
In Fig.2, die das Fühl- bzw. Abtastsystem und den
Detektor in vergrößertem Maßstab zeigt, sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in
der Linse 6 dar, und die Leuchtdiode 5 und der Detektor 7 sind auf der Bezugsebene 3 des Fahrzeugs jeweils auf
einer Seite der Achse 11 in einer Brennebene der Linse 6 angeordnet
In iinem stabilen Zustand, bei dem keine Winkelbewegung
zwischen der Kameraeinheit 1 und der Bezugsebene 3 des Fahrzeugs auftritt wird ein Bild der
ι ο Diode 5 auf dem detektor 7 mit demselben Abstand von
der Achse 11 erzeugt wie ihn die Diode 5 aufweist Wenn eine Fahrzeugbewegung eine Winkeldrehung der
Einheit 1 bezüglich der Bezugsebene 3 bewirkt so hat das eine entsprechende Drehung des Spiegels 4 um die
Achse 11 zur Folge.
Die Drehung des Spiegels 4 bewirkt eine Verschiebung des Bildes der Diode 5 am Detektor 7. Daher
bewegt sich das Bild über den Detektor in der Ebene 3,
und diese Bewegung wird, kurz gesagt von dem Detektor so erfaßt daß es möglich wird, elektrische
Signale zu erhalten, die dazu dienen, die Bildbewegung zu korrigieren und die der Winkeldrehung folgende
Visierlinie der Kamera zu stabilisieren.
Dreht sich der Spiegel 4 um die Achse 11 um einen Winkel dB, und hat die Kollimationslinse 6 eine
Brennweite f, dann wird die Verschiebung D des Bildes über den Detektor 7 gegeben durch D=2 fdd.
Das beschriebene Fühl- bzw. Abtastsystem spricht lediglich auf Winkeldrehungen des Spiegels 4 um sein
Zentrum, d. h. die Achse 11 relativ zu der im rechten
Winkel zur Achse 11 stehenden Ebene an. Es spricht weder auf eine seitliche Bewegung des Spiegels in seiner
eigenen Ebene oder längs der Achse 11, noch auf die Drehung des Spiegels 4 um die Achse 11 in der zur
Achse 11 senkrechten Ebene an. Folglich werden nur die Winkelkomponenten der Drehung der Einheit 1
bezüglich der Ebene 3 gemessen und nicht die seitlichen Komponenten.
Der Detektor 7 erkennt die Bewegung des Bildes in der Ebene 3 und löst diese Bewegung in zwei
orthogonale Komponenten auf, so daß elektrische Signale erzeugt werden, aus denen Kompensationssignale
für die Bildbewegung gewonnen werden können. Um diese Funktion zu erzielen, wird nach einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der in F i g. 3 dargestellte Quadrant-Detektor verwendet.
In F i g. 3 wird der Quadrant-Detektor 7 von einer an sich bekannten Silizium-Quadrant-Zelle gebildet, die
vier Detektor-Quadranten A, B, C und D besitzt, von denen jeder eine Ausgangsspannung in Abhängigkeit
von der Stellung eines Lichtbildes 12 erzeugt, das auf den Detektor fällt
die Stellung dieses Bildes ändert sich, wie oben erklärt, mit der Winkelbewegung der Kameraeinheit 1. Der
orthogonalen Komponenten auf, und durch geeignete
bo nen Quadranten können zwei analoge Spannungen Vx
und Vy erhalten werden, die repräsentativ für die
aufgelösten Komponenten sind.
Wenn die Ausgangsspannungen der Quadranten A, B, C und D die Spannungen VA, Vb, Vc und Vo sind, dann
<r> gilt
Vxx(VB+ Vd)-(Va + Vc)
Vy (X (VA
Vd)
Die Detektorbeschaltung für die Gewinnung von Vx
und Vy ist in F i g. 4 dargestellt.
Gemäß F i g. 4 werden die Ausgangssignale von den Detektor-Quadranten A und B den jeweiligen Eingängen
eines Addierers 13 zugeführt, um ein Signal 5 (Va. + VB)zu erzeugen. Das Ausgangssignal (VA + VB)
des Addierers 13 wird über einen Pufferverstärker 14 dem positiven Eingang bzw. dem Plus-Eingang einer
Subtrahierschaltung 15 zugeführt.
Ein zweiter Addierer 16 empfängt die Eingangssigna- ι ο le Va und Vc von den Quadranten A und C und erzeugt
ein Ausgangssignal (Va + VcX das über einen Verstärker
17 dem negativen Eingang bzw. dem Minus-Eingang einer zweiten Subtrahierschaltung 18 zugeführt wird.
Ein dritter Addierer 19 empfängt die Eingangssignale Vc und Vd von den Quadranten Cbzw. D des Detektors
7 und erzeugt ein Ausgangssignal (Vc + Vd), das über einen Pufferverstärker 20 dem zweiten und negativen
Eingang der Subtrahierschaltung 15 zugeführt wird.
Ein vierter Addierer 21 empfängt in gleicher Weise die Eingangssignale Vb und Vs von den Quadranten B
bzw. D und erzeugt ein Ausgangssignal (Vb + Vd), das über einen Pufferverstärker 22 dem positiven Eingang
der Subtrahierschaltung 18 zugeführt wird.
Die Subtrahierschaltungen 15 und 18 erzeugen Ausgangssignale an den Anschlüssen 23 und 24, die Vy
und Vx entsprechen.
Diese Spannungen Vx und Vy können an geeignete,
der Kameraröhre zugeordnete Ablenkspulen angelegt werden, um das Bild um einen gewissen Betrag zu
versetzen, so daß die auf der abgetasteten Winkeldrehung beruhende Bildbewegung kompensiert wird.
In einem speziellen Anwendungsfall, in dem die Fernsehkamera bei nur geringen Lichtintensitäten
betrieben wird und bei dem ein Bildverstärker der Röhre vorausgeht, können die Spannungen Vx und Vy an
die Stromtreiber für zwei Ablenkspulen angelegt werden, die an dem mit der Schwachlicht-Fernsehröhre
gekoppelten Bildverstärker befestigt sind, um so die das Bild formenden Fotoelektronen längs eben dieser
Achsen abzulenken, um das Bild auf der Kameraröhre zu stabilisieren.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Bildbewegungs-Kompensationsanordnung für
die Stabilisierung der Visierlinie eines auf einem Fahrzeug zu befestigenden, mit Abtastung arbeitenden
Abbildlingssystems, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Fühlvorrichtung (4, 5, 6) vorgesehen ist, die dazu dient, die Winkeikomponenten
der Bewegung des Systems (1) bezüglich des Fahrzeugs zu erfassen und daß ein Detektor (7)
vorgesehen ist, der auf die Fühlvorrichtung in der Weise anspricht, daß er elektrische Signale erzeugt,
die repräsentativ für die Winkelkomponenien sind.
Z Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlvorrichtung (4,5,6) einen sich
mit dem Abbildungssystem (1) bewegenden Reflektor (4) und eine sich mit dem Fahrzeug bewegende
Lichtquelle '(5) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sie
den Reflektor (4) so beleuchtet, daß er ein reflektiertes Bild der Quelle (5) erzeugt, wobei eine
relative Winkelbewegung zwischen dem Fahrzeug und dem Abbildungssystem (1) eine Bewegung des
reflektierten Bildes bewirkt
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) ein ebener Reflektor
ist
4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fokussiervorrichtung (6)
für die Fokussierung des von der Lichtquelle (5) stammenden Lichtes auf den Reflektor (4) vorgesehen
ist und daß die Lichtquelle (5) in der Brennebene der Fokussiervorrichtung (6) angeordnet ist
5. Anordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet daß die Fokussiervorrichtung (6) so
angeordnet ist, daß sie das reflektierte Bild empfängt und ein fokussiertes Bild der Lichtquelle (5) in der
Brennebene erzeugt
6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiervorrichtung (6)
eine Autokollimationslinse (6) ist
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor
(7) ein Quadrant-Detektor ist der so arbeitet, daß er die Winkelkomponenten der Bewegung längs
zweier zueinander orthogonaler Achsen auflöst
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Quadrant-Detektor (7) eine
Silizium-Quadrant-Zelle ist
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das
Abbildungssystem eine elastische Montierung (2) vorgesehen ist
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