DE3204364C1 - Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung und Lokalisierung von ruhenden oder gleichförmig bewegten Objekten - Google Patents

Description

• Eine derartige starre Kopplung des Lasersendespiegels auf einer Achse mit dem rotierenden Umlenkspiegell ist jedoch wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit bei hohen Spiegeldrehzahlen nur in einem begrenzten Entfernungsbereich durch Phasenverschiebung von Empfängerspiegel und Sendespiegel zu erreichen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist die allen mechanischen Zeilenabtastern anhaftende kurze Integrationszeit für das Licht von einem Fixelement. Bei Weitwinkelaufnahmen ist dies wegen der verfügbaren empfindlichen Detektoren noch nicht störend. Will man jedoch bestimmte Ausschnitte aus dem Weitwinkelgesichtsfeld mit sehr hoher Auflösung abtasten, so gelangt man schnell an die Grenze der Detektorempfindlichkeit. Auch mit Mehrfachdetektoren an einem mechanischen Zeilenabtaster ist noch keine befriedigende Detailauflösung zu erreichen.
• Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern und auch in ihrem Anwendungsbereich wesentlich zu erweitern. Als vielseitig verwendbare Einrichtung zur Lokalisierung dreidimensionaler ruhender und gleichförmig bewegter Gegenstände vermeidet sie die oben erwähnten Nachteile von speziellen Stereoabtastern.
• Mit diesem Gerät kann sowohl die Weitwinkelerfassung und Lokalisierung ausgedehnter Gebiete als auch die dreidimensionale Ausschnittsbetrachtung und Vermessung ausgewählter Teilgebiete mit höchster Auflösung sowie deren Entfernungsvermessung im gesamten Gesichtsfeld durchgeführt werden.
• Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Mit einer derartigen Vorrichtung können deshalb die erwähnten Nachteile durch Entkopplung der Abtastempfangseinrichtung von der Laserempfangseinrichtung vermieden werden. Durch Verwendung von Detektorzeilen in beiden Empfangseinrichtungen kann ferner auf verschiedene Weise die dreidimensionale Lokalisierung eines begrenzten Bildausschnittes mit wesentlich erhöhter Auflösung neben der bisher betrachteten Weitwinkelerfassung erzielt werden. Da für die Laserentfernungsmessung ein gemeinsamer Lasersende- und Laserempfangsspiegel vorgesehen ist, der vorzugsweise in einem großen Gesichtsfeld ausrichtbar ist, können durch den Einsatz von Reaktionsschungsmassen, die um jede Spiegeldrehachse gegenläufig zu diesen drehbar sind, ruckartige Bewegungen der Einrichtung und damit Aufnahmestörungen vermieden werden.
• Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine schematische Darstellung eines eingangs beschriebenen bekannten Stereo-Zeilenabtasters, F i g. 2 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, F i g. 3 eine zur Erläuterung der Funktionsweise des Ausführungsbeispiels in F i g. 2 dienende Darstellung, in der eine zugeordnete Steuerelektronik und ein Bordrechner enthalten ist, und F i g. 4 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, die eine besonders kompakte Ausführung ermöglicht.
• Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind wie bei dem bekannten Stereo-Zeilenabtaster in F i g. 1 ein rotierender Abtast-Umlenkspiegel 1, ein Festspiegel 3 und ein Empfängerspiegel 4 vorgesehen.
• Zeitlich aufeinanderfolgend erfolgen zwei Abtastungen T1, T2 desselben Objekts 2.
• Die Lasersende- und -empfangseinrichtung enthält einen Laser 5, einen Lasersende- und Laserempfangs- spiegel 7, dem Reaktionsschwungmassen 8 zugeordnet sind, sowie einen Empfängerspiegel 6 und eine Detektorzeile 10'. Der Abtast-Umlenkspiegel 1 wird ebenfalls mit Reaktionsschwungmassen 9 um die Drehachse drallkompensiert und kann so wie der Lasersende- und Laserempfangsspiegel 7 über eine in F i g. 3 schematisch dargestellte Steuerelektronik 11 in Verbindung mit geeigneten Aktivatoren kurzfristig in jeder Winkelstellung abgestoppt und arretiert werden.
• Detektorzeilen 10 bzw. 10' sind jeweils hinter den mit Strahlteilern versehenen Empfangseinrichtungen vorgesehen und ermöglichen die Stereoabtastung eines begrenzten Gebietsstreifens 13 in F i g. 3, wenn die beiden Spiegel 1 und 7 jeweils nach vorn und nach rückwärts blickend auf diesen Gebietsstreifen auf der Erdoberfläche ausgerichtet werden.
• Über die Steuerelektronik 11 ist auch ein kurzfristiger Wechsel des Aufnahmegebietes von dem Gebietsstreifen 13 zu einem anderen, zur Bodenspur parallelen Streifen möglich, wenn mit Hilfe der Reaktionsschwungmassen 8, 9 die Spiegel 1 und 7 in eine andere Winkelposition gebracht werden.
• Wenn Weitwinkelstereoaufnahmen bei rotierendem Abtast-Umlenkspiegel 1 erforderlich sind, dann kann über die Steuerelektronik 11 der Lasersende- und Laserempfangsspiegel 7 mittels der Reaktionsschwungmassen 8 störungsfrei um zwei orthogonale Drehachsen so in diese gewünschte Richtung gedreht und dort arretiert werden, daß nach dieser Ausrichtung ein Streifenabschnitt 14 zunächst vorausblickend mit der Detektorzeile 10' der Laserempfangseinrichtung elektronisch mit höchster Auflösung ein Detailausschnitt abgetastet wird. Nach Überflug der Streifenmitte wird der Spiegel 7 zurückgedreht und der gleiche Streifenabschnitt 14 rückblickend über die Detektorzeile 10' zur Erzeugung des zweiten Stereohalbbildes abgetastet.
• Somit ist eine gleichzeitige dreidimensionale Weitwinkelabtastung und damit Lokalisierung eines ausgedehnten überflogenen Gebietes und eine hochaufgelöste dreidimensionale Abtastung begrenzter Streifenabschnitte des Gebietes möglich, die wiederum durch Laserentfernungsmessung noch genauer lokalisiert werden können.
• Gegenüber dem eingangs erwähnten bekannten Stereo-Zeilenabtaster weist eine derartige Lokalisierungsvorrichtung noch den Vorteil auf, daß bei Weitwinkelstereoabtastung mit einem rotierenden Abtast-Umlenkspiegel 1 und Laserentfernungsmessung zu vom Lasersende- und Laserempfangsspiegel 7 erfaßten Laserobjekten die Umgebung dieser Objekte mittels der Detektorzeile 10' der Laserempfangseinrichtung mit erhöhter Auflösung zur Gewinnung eines Monobildstreifens einfach abgetastet werden kann.
• Die Vorrichtung läßt sich auch zur Eigenvermessung der augenblicklichen Flugbahn und der Ausrichtung bezüglich bekannter Objekte verwenden. So lassen sich mit Hilfe eines Bordrechners 12 und dort abgespeicherten Positionsdaten bekannter Laserobjekte diese über die Steuerelektronik 11 und die Reaktionsschwungmassen 8 durch Ausrichtung des Spiegels 7 in kurzer Folge hinsichtlich der Entfernung vermessen, noch bevor undeterminierte Störungen die Flugbahn verfälscht haben. Aus den Entfernungsdaten und den bekannten Objektpositionen sowie bekannten Modelldaten läßt sich die genaue Position der Lokalisierungsvorrichtung zurückrechnen, was hier als Selftrackingverfahren bezeichnet wird.
• Für die genaue Ausrichtung der Spiegel 1 und 7 ist die Kenntnis der Lage der Lokalisierungsvorrichtung wichtig. Die Nadirrichtung läßt sich ermitteln, wenn über ein Steuerprogramm in der Steuerelektronik 11 der Lasersende- und Laserempfangsspiegel 7 in kurzer Folge auf ein bestimmtes Muster von Punkten auf dem Ozean um Nadir herum ausgerichtet und die Entfernung dorthin gemessen wird. Aus den unsymmetrischen Entfernungen zu einem symmetrischen Punktmuster läßt sich die Nadirablage zum zwei Achsen rückrechnen und korrigieren.
• Besonders vorteilhaft für die beschriebene Anwendung ist die in F i g. 4 gezeigte kompakte Anordnung der Komponenten der Lokalisierungsvorrichtung. Gegenüber Fig. 3 sind hier die beiden Teilgeräte für mechanische Abtastung und Laserentfernungsmessung jeweils spiegelsymmetrisch so dargestellt, daß die Detektoren beider Teilgeräte in der Gerätemitte 15 zusammengefaßt werden können, während die Anordnung von Abtast-Umlenkspiegel 1 und Lasersende- und Laserempfangsspiegel 7 jeweils am Rand der Vorrichtung für diese einen großen Schwenkbereich oder Sichtbereich ermöglicht. Die Empfängerspiegel 4 und 6 der beiden Empfangseinrichtungen sind hier besonders kompakt nebeneinander angeordnet.
• Die Lokalisierungsvorrichtung wird vorzugsweise derart ausgebildet, daß der Abtast-Umlenkspiegel 1 um die angegebene Drehrichtung von unten bis ca. +90° zur Seite freies Gesichtsfeld hat, um die Erdhorizonte damit vermessen zu können.
• Durch Verwendung flexibler Programme über den Bordrechner 12 und die Steuerelektronik 11 läßt sich die Lokalisierungsvorrichtung in mannigfaltiger Weise für die angegebenen Teilfunktionen einsetzen.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung und Lokalisierung von ruhenden oder gleichförmig bewegten Objekten von einem sie überfliegenden Träger der Vorrichtung aus, bestehend aus einer Abtasteinrichtung zur Weitwinkelstereoerfassung mit Hilfe eines rotierenden 45" -Abtastumlenkspiegels (1), eines Festspiegels (3) für die zweite Aufnahmerichtung und einer Abtastempfangseinrichtung mit einem drehachsparallelen Empfängerspiegel (4) sowie mit einer Laserentfernungsmeßeinrichtung, der ein rotierender Lasersendespiegel zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine von der Abtastempfangseinrichtung (4, 10) getrennte Laserempfangseinrichtung (6, 10') vorgesehen ist, die einen relativ zu dem Abtast-Umlenkspiegel (1) zweiachsig drehbaren bzw. arretierbaren Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) enthält, daß den beiden Spiegeln (1, 7) Reaktionsschwungmassen (8, 9) zugeordnet sind und daß in beiden Empfangseinrichtungen eine Detektorzeile (10 bzw.

   10') vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Steuerelektronik (11) eine kurzfristige Ausrichtung und Arretierung der Spiegel (1, 7) auf bahnparallele Gebietsstreifen (13) außerhalb der Bodenspur durch Drehung der Reaktionsschwungmassen (8, 9) um die jeweiligen Drehachsen durchführbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Steuerelektronik (11) der Abtast-Umlenkspiegel (1) gleichförmig rotiert und der Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) auf bestimmte zu vermessende Laserobjekte arretiert ausrichtbar ist, so daß mittels der Detektorzeile (10) gleichzeitig mit der Vorwärtsbewegung die Umgebung des Laserobjekts mit erhöhter Genauigkeit abtastbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß über ein Steuerprogramm in der Steuerelektronik (11) bei rotierendem Abtast-Umlenkspiegel (1) der Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) derart auf einen kurzen bahnparallelen Streifenabschnitt (14) ausrichtbar ist, daß dieser erst unter festem Winkel nach vorn blickend abgetastet wird und nach Rückwärtsklappen des Lasersende- und Laserempfangsspiegels (7) der gleiche Streifenabschnitt (14) unter festem Winkel rückwärtsblickend für das zweite Stereohalbbild abgetastet werden kann.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Bordrechner (12) eingespeicherte bekannte Bodenobjekte über die Steuerelektronik (11) nach Ausrichtung des Lasersende- und Laserempfangsspiegels (7) in kurzer Folge mittels Laser hinsichtlich der Entfernung in einem Selftrackingmodus vermessen werden, bevor die Flugbahn undeterminiert verfälscht werden kann.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem in der Steuerelektronik (11) vorgesehenen Steuerprogramm der Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) auf ein bestimmtes Punktmuster im Nadir mit anschließender Entfernungsmessung über Ozeanflächen ausgerichtet werden kann, um bei einem Lagefehler der Lokalisie- rungseinrichtung und unsymmetrischen Entfernungen zu den Punkten über den Bordrechner (12) Lagekorrektursignale für das Stabilisierungssystem zu erzeugen.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch seitenverkehrte Anordnung der mechanischen Abtasteinrichtung mit dem Umlenkspiegel (1), dem Festspiegel (3) sowie dem Empfängerspiegel (4) und der Lasereinrichtung (5, 6, 7) die Detektorzeilen (10, 10') beider Einrichtungen in der Gerätemitte (15 in F i g. 4) konzentriert und der Umlenkspiegel (1), der Festspiegel (3) sowie der Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) am Rande des Gerätes zur Ermöglichung eines Eingangsgesichtsfeldes angeordnet sind.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtast-Umlenkspiegel (1) und der Lasersende- und Laserempfangsspiegel (7) seitwärts bis zum linken und rechten Horizont zu dessen Vermessung ausrichtbar angeordnet ist.

   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Erfassung und Lokalisierung von ruhenden oder gleichförmig bewegten Objekten von einem sie überfliegenden Träger der Vorrichtung aus, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

   Bei einem bekannten, in Fig. 1 schematisch dargestellten Stereozeilenabtaster dieser Art (DE-OS 28 33 808) läßt sich eine Zeile von einem überflogenen Objekt 2 zeitlich nacheinander aus verschiedenen Richtungen mit einem rotierenden Umlenkspiegel 1 und einem Festspiegel 3 abtasten. Im linken Teil in F i g. 1 wird das Licht vom Objekt durch den Umlenkspiegel 1 direkt in eine drehachsparallele Empfangseinrichtung mit einem Empfängerspiegel 4 gelenkt. Zeitlich später, entsprechend der durch einen Pfeil angegebenen Flugrichtung, wird die gleiche Objektzeile über den Festspiegel 3 von dem in dieser Phase nach oben gerichteten, rotierenden Umlenkspiegel 1 abgetastet und das Licht dem Empfängerspiegel 4 zugeführt. Auf diese Weise können von vielen Objektstreifen durch die Flugbewegung zwei endlose Bildteppiche gewonnen werden, deren Stereoauswertung eine Lokalisierung der Objekte zuläßt. Falls sich aber das Objekt zum Beispiel gegen oder in die Flugrichtung im Zeitintervall zwischen den beiden Abtastungen bewegt, ergibt sich eine höhere oder niedrigere scheinbare Position für das lokalisierte Objekt. Um sowohl diese Bewegung als auch den damit verursachten Höhenfehler zu erfassen, ist bei dem bekannten Stereo-Zeilenabtaster ein Laserhöhendurchmesser integriert, der eine direkte punktweise Entfernungsmessung ermöglicht. Der Lasersendespiegel ist starr mit dem Umlenkspiegel 1 verbunden. Das von dem Objekt rückgestreute Laserlicht wird dem Abtast-Empfangssystem über den Empfängerspiegel 4 zugeführt.