DE3215897A1

DE3215897A1 - Verfahren fuer die objektvermessung und objekterkennung von weit entfernten objekten und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3215897A1
Application number: DE19823215897
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. Dr. 8035 Gauting Dietrich
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Dietrich Klaus Prof Dipl-Phys Drrernat 87
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1982-04-29
Publication date: 1983-11-10
Also published as: JPS58223079A; DE3215897C2

Description

Verfahren für die Objektvermessung und Objekterkennung
von weit entfernten Objekten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Objektvermessung und Objekterkennung von weit entfernten Objekten, wie zum Beispiel Raumfiugkörpen bzw. solchen Objekten, deren Bildgröße kleiner als der kleinste darstellbare Bildpunkt (Pixel) ist, wobei das Objekt von einem elektromagnetischem Impuls, vorzugsweise einem Lichtimpuls, angestrahlt wird und der reflektierte Impuls von einem Strahlungsdetektor empfangen und ausgewertet wird.
Bei den bisher bekannten Objektvermessungs- und Objekterkennungssystemen werden abbildende Systeme verwendet.
Von dem beobachteten Objekt wird mittels einer Optik auf einem Detektorarray oder einer Filmschicht, ein Bild entworfen und dieses Bild wird bei der Objekterkennung ausgewertet. Die Auflösung ist dabei durch die Qualität der Optik, die Beugungserscheinungen, die Pixelgröße oder die Korngröße beim Film begrenzt, so daß bei abbildenden Systemen Objekte die kleiner sind als die Auflösung des optischen Systems sicht mehr erkannt werden können. Das Ziel war es, ein Verfahren zu finden, um derartige kleine Objekte trotzdem zu erkennen.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß das Objekt durch einen sehr kurzen Strahlungsimpuls beleuchtet wird, und daß der von verschiedenen Teilflächen des Objektes zu unterschiedlichen Zeiten reflektierte Impuls in Abhängigkeit von der auf Grund der Geometrie des Objektes entstehenden Laufzeitdifferenz als Laufzeitsignatur (Laufzeitspektrim der ici t 1 i (I gegene nander verschobenen Einzelimpulse ermittelt wird, daí3 zur Objekterkennung eine Korrelation zwischen der gemessenen Laufzeitsignatur und einer gespeicherten Laufzeitsignatur vorgenommen wird und daß die Objektvermessung anhand der Lufzeitdifferenz erfolgt.
Eine Vorrichtung zur Gewinnung der Laufzeitsignatur nach dem in Anspruch 1 dargestellten Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte Laufzeitspektrum von einer zirkularen Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) detektiert wird, daß ein Ablenksystem de-r Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) mit Signalen aus einem Zeitbasisgenerator permanent so betrieben wird, daß sich der aus einer Fotokathode durch das reflektierte Laufzeitspektrum ausgelöste Elektronenstrahl am Ausgang der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) auf einer Kreisbahn bewegt, daß ein Verstärker den Elektronenstrahl verstärkt und daß der auftretende Lichtblitz über eine Fiberoptik auf ein zirkulares Fotodetektorarray gekoppelt wird.
Eine weitere Vorrichtung zur Durchführung der Korrelation nach dem Verfahren des Anspruchs 1 findet sich in dem weiteren Nebenanspruch.
Das Verfahren und die dazu vorgesehenen Vorrichtungen bieten eine außergewöhnlich breite und vielfältige Einsatzmöglichkeit. Hierin und in der Tatsache, daß bisher nicht auflösbare Bilder von Objekten erkannt werden können, liegen die großen Vorteile der Erfindung. So können von unbekannten Objekten, wie z.B. Satelliten, deren Geometrie mit abbildenden optischen herkömmlichen Systemen nicht auf lösbar ist, mit dem Verfahren von der Erde aus Laufzeitspektren aufgenommen werden, die für die Geometrie des Satelliten typisch sind. Durch Vergleich dieser Spektren mehrerer unbekannter Satelliten ist es möglich, die Satelliten nach Klassen gleichen Bautyps zu unterscheiden.
Neben dieser Klassifizierung unbekannter Objekte kommt die Vermessung unbekannter Objekte in Frage.
Dies geschieht durch die Aufnahme vieler Laufzeitspektren von einem Objekt aus verschiedenen Betrachtungsrichtungen. Daraus sind Rückschlüsse auf die Geometrie des Objektes möglich.
Eine Objektbestimmung kann vorteilhaft dadurch erfolgen, daß unter der Annahme, der Bekanntheit der möglichen Betrachtungswinkel einer großen Zahl von verschiedenen Gegenstände in den Korrelator die Laufzeitspektren vieler verschiedener Objekte vorgegeben werden. Das System bestimmt dann, welcher der Gegenstände gerade beobachtet wird.
Auch die Orientierung bekannter Objekte kann auf effiziente und zuverlässige Art und Weise durchgeführt werden. Werden die Laufzeitspektren für verschiedene Betrachtungsrichtungen eines bekannten Objektes in den Korrelator eingegeben, dann kann mit diesem System durch das gemessene Laufzeitspektrum der Betrachtungswinkel und damit die Lage des Objektes relativ zum Beobachter bestimmt werden.
Letztendlich soll aus den vielen denkbaren vorteilhaften Anwendungsfällen die Möglichkeit des rasterförmigen Objektsuchverfahren näher betrachtet werden.
Soll ein vorgegebenes Bildfeld nach einem oder mehreren verschiedenen Objekten abgesucht werden, so kann das Bildfeld mit einem Laserstrahl punktweise flächendeckend abgetastet werden. Von jedem Bildpunkt wird dabei eiln Laufzeitspektrum erzeugt, daß mit dem gespeicherten Laufze t pt'ktren der gesuchten Objekte im Korrelator verglichen wird.
Dieses Signaturverfahren gewährt den aul3erordentlichen Vorteil, daß Objektsignaturen in einem ()bjektentfernungsbereich von wenigen Zentimetern bis zu hunderttausenden von Kilometern aufgenommen werden können. Das Verfahren ist in der Lage so lange zu arbeiten, als mindestens etwa hundert vom Objekt reflektierte Photonen empfangen werden können.
Die Erfindung ist anhand der Figuren näher erläutert.
Diese zeigen Fig. la ein Zeitspektrum eines emittierten Lichtimpulses, Fig. lb ein Zeitspektrum des empfangenen Lichtimpulses der von einem Flugzeug herkömmlicher Bauart reflektiert worden ist, Fig. 2 eine Grundanordnung für eine Vorrichtung zur Objekterkennung, Fig. 3 ein Blockschaltbild dazu, Fig. 4 ein Beispiel für den Aufbau einer zirkularen Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube), Fig. 5 ein Beispiel für eine eindimensionale Korrelar tion, Fig. 6 ein Beispiel für ein n-fach paralleles eindimensionales Korrelationssystem.
Aus den Fig. la, Ib ist das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip entnehmbar.
Ein zu identifizierendes oder zu vermessendes Objekt wie z.B. das in Fig. 2 dargestellte Flugzeug 10 wird von einem sehr kurzen Impuls 1 über den Strahlteiler 4 angestrahlt. Je nach Lage der den Lichtimpuls 1 reflektierenden Teilflächen des Flugzeuges 10 trifft der Licht impuls zu unterschiedlichen Zeiten auf diese Teilflächen, wie z.B. Leitwerk, Trageflächen, Triebwerk, Treibstofftank, Flugzeugnase, siehe Fig. 1b. Dadurch entstehen zwischen den von den verschiedenen Teilflächen des Flugzeuges 10 reflektierten Impulsen Laufzeitdifferenzen, abhängig von der Geometrie des Flugzeuges 10. Der gesamte reflektierte Lichtimpuls entsteht durch Überlagerung der zeitlich gegeneinander verschobenen Einzelimpulse, dabei entsteht ein Laufzeitspektrum (Laufzeitsignatur), das nur abhängig ist von der Geometrie, dem Betrachtungswinkel und dem Reflexionsgrad des Objektes. Diese Laufzeitsignatur ist unabhängig von der Entfernung des Objektes. Die Entfernung ts der einzelnen reflektierenden Teilflächen zueinander läßt sich aus' der Laufzeitdifferenz Tzwischen den Impulsen dieser Teilflächen leicht bestimmen.
As = c 2 ; c = Lichtgeschwindigkeit 2 In Fig. 1b ist die Länge 1 des Flugzeugs etwa gegeben durch c # #max 1 = 2 Die Auflösung des Systems wird bestimmt durch die Länge des Impulses und die Auflösung des Zeitmeßgerätes, das die laufzeitsignatur autzeichrlet.
Für diesen Anwendungsfall können Zeitmeßgeräte mit einer Zeitauflösung bis zu 2psec hergestellt werden, das entspricht einer Ortsauflösung von ca. 0,3 mm. Laserimpulse mit Impuislängen im Bereich von einigen psec bis einigen hundert psec stehen zur Verfügung, damit sind Ortsauflösungen im Bereich von mm bis einigen Zentimetern möglich.
In Fig. 2, 3 ist eine Vorrichtung zur Objekterkennung im Blockschaltbild dargestellt.
Über eine Steuereinheit 12 werden von einer gepulsten Lichtquelle 2, z.B. Laser, sehr kurze Lichtimpulse, z.B. 10 - 100 psec in Richtung des zu erkennenden Objektes des Flugzeuges 10 ausgesendet. Das vom Objekt reflektierte Laufzeitspektrum wird über einen Strahlteiler 4 von einer zirkularen Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) detektiert. Ein Beispiel für den Aufbau einer zirkularen Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) zeigt Fig. 4. Das Ablenksystem X1...Y2 der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) wird mit Signalen aus einem Zeitbasisgenerator 3 permanent so betrieben, daß sich der aus einer Fotokathoue 5 durch die empfangenen Lichtsignale ausgelöste Elektronenstrahl 6 am Ausgang der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) auf einer Kreisbahn bewegt. Ein Verstärker 7 der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) dient dazu, den Elektronenstrahl 6 zu verstärken, bevor er den Leuchtschirm am Ausgang der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) trifft. Die Verstärkung ist so groß, daß einzelne Photonen aufgelöst werden können. Der dabei auftretende Lichtblitz wird mit einer Fiberoptik 8 an ein zirkulares Fotodetektorarray 9 angekoppelt, dort wird die dabei erzeugte Foto ladung in den Zellen des Fotodetektorarrays 9 integriert und nach Empfang des ganzen Echos ausgelesen. Um ein vollständiges Laufzeitspektrum (Laufzeitsignatur) vom Objekt herzustellen, sollte für die Zeit #rot für einen vollen Umlauf des Elektronenstrahls auf dem Ausgangsschirm der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) gelten: r 2-1 rot c mit 1: Länge des Objektes in Richtung des einfallenden Strahles c: Lichtgeschwindigkeit Mit Hilfe des Fotodetektorarrays 9 kann das vom Objekt aufgenommene Laufzeitspektrum in der Fig. 1b angegebenen Form ausgelesen werden.
Zur Objekterkennung wird nun eine Korrelation zwischen der gemessenen Laufzeitsignatur und gespeicherten Vergleichs-Laufzeitsignaturen notwendig, die z.B. verschiedene Objekte unter verschiedenen Betrachtungswinkeln zeigen.
Zur Durchführung der Korrelation dieser Laufzeitsignaturen kann ein inkohärentes, elektrooptisches Verfahren vorgesehen sein, wie es K. Bromberg et al veröffentlicht hat S, SPIE, Vol. 180, 1979 Seiten 107-113, dort ist ein Verfahren angegeben, mit dem zwei 2-dimensionale Bilder miteinander inkohärent optisch korreliert werden können. Dieses Verfahren arbeitet nach folgendem Prinzip: Vor einem Fotodetektorarray mit m x k Pixeln ist eine Grauwertfiltermaske angeordnet. Das Detektorarray wird durch diese inkohärent von einer Leuchtdiode beleuchtet. Die Maske enthält ein Grauwertmuster, das eines der beiden zu korrelierenden Bilder repräsentiert. Das andere Bild wird seriell pixelweise abgetastet, die Grauwerte der Pixel werden in geeignete Helligkeitswerte der Leuchtdiode umgesetzt. Beim Übergang der Leuchtdiode von einem Pipe wert zum anderen werden die in den Fotodetektorschieberegistern (CCD-Register ! bisher gespeicherten Fotoladungen 1- bzw. 2-dimensional um ein Pixel weitergeschaltet. Nach Abtasten des gesamten Bildes steht am Ausgang des Fotodetektor.schieberegisters die Korrelationsfunktion zur Verfügung.
Zur Korrelation der Laufzeitsignaturen ist folgendes paralleles, 1-dimensionale Verfahren vorgesehen: Die eindimensionale Korrelation k (x) zwischen den Funktionen g(x'), h(x') wird durchgeführt durch Lösen des bekannten Integrals Liegen die Funktionen g und h nicht kontinuierlich vor, sondern sind durch n Stützstellen vorgegeben, so gilt für die Korrelationsfunktion In Fig. 5, siehe auch Fig. 3 ist ein l-dimensionales Korrelationssystem analog zum 2-dimensionalen System von Bromberg angegeben. Die Funktion h (t) bestimmt die Intensität einer Leuchtdiode 13, die durch eine Maske 14 g (x) ein Fotodetektorschieberegister 15 mit m-Pixeln beleuchtet. Die Fotoladung im Schieberegister 15 wird jeweils um einen Platz weitergeschoben, wenn die Funktion h (t) von einem Pixel (Stützstelle) zum anderen übergeht. Nach m Schiebeoperationen steht im Schieberegister 15 die Korrelationsfunktion zur Verfügung.
In Fig. 6 ist eine Anordnung angegeben, bei der n lineare Fotodetektorschieberegister 15 parallel nebeneinander angeordnet sind. Vor jedem dieser Schieberegister 15 ist eine unterschiedliche Maske mit der Funktion gi(x) (1<icn) angeordnet.
Alle n Schieberegister 15 werden gleichzeitig durch die Leuchtdiode 13 mit der Funktion h (t) beleuchtet, d.h.
es werden gleichzeitig die Korrelationen der Funktionen h (t) mit n verschiedenen Funktionen gi(x) durchgeführt. Bei Verwendung einer Schieberegisteranordnung mit 1000 x 1000 Pixeln können z.B. in der Zeit von etwa 80 rsec 1000 verschiedene Korrelationen durchgeführt werden, d.h. das empfangene Spektrum wird in dieser Zeit mit 1000 verschiedenen Spektren verglichen.

Claims

Verfahren für die Objektvermessung und Objekterkennung von weit entfernten Objekten und Vorrichtung zur Durchführung des Verf.lhrens P a t e n t a n 5 p r ii c h e 1. Verfahren für die Objektvermessung- und Objekterkennung von weit entfernten Objekten, wie z.B. Raumflugkörpern bzw. solchen Objekten deren Bildgröße kleiner als der kleinste darstellbare Bildpunkt (Pixel) ist, wobei das Objekt von einem elektromagnetischem Impuls, vorzugsweise Licht, angestrahlt wird und der reflektierte Impuls von einem Strahlungsdetektor empfangen und ausgewertet wird, dadurch g e k e n n z e i c h -ne t daß der von verschiedenen Teilflächen des Objektes (10) zu unterschiedlichen Zeiten reflektierte Impuls in Abhängigkeit von der aufgrund der Geometrie des Objektes (10) entstehenden Laufzeitdifferenzen (r max als Laufzeitsignatur (Laufzeitsprektrum) der zeitlich gegeneinander verschobenen Einzelimpulse ermittelt wird, daß zur Objekterkennung eine Korrelation zwischen der gemessenen Laufzeitsignatur und einer gespeicherten Laufzeitsignatur vorgenommen wird und daß die Objektvermessung anhand der Laufzeitdifferenzen (#max) erfolgt.
2. Vorrichtung zur Gewinnung der Laufzeitsignatur nach Anspruch 1., dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das reflektierte Laufzeitspektrum von einer zirkularen Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) detektiert wird, daß ein Ablenksystem (X1...Y2) der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) mit Signalen aus einem Zeitbasisgenerator (3) permanent so betrieben wird, daß sich der aus einer Fotokathode (5) durch das reflektierte Laufzeitspektrum, ausgelöste Elektronenstrahl (6) am Ausgang der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube 11) auf einer Kreisbahn bewegt, daß ein Verstärker (7) den Elektronenstrahl verstärkt und daß der auftretende Lichtblitz über eine Fiberoptik (8) auf ein zirkulares Fotodetektorarray (9) gekoppelt wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung der Korrelation nach Anspruch 1, mit einer ein Grauwertmuster des zu korrelierenden Spektrum enthaltenden Maske, wobei das andere Spektrum seriell pixelweise abgetastet wird, mit einem ladungsgekoppelten (CCD)-Fotodetektorschieberegister, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß mehrere lineare Fotodetektorschieberegister (15) parallel nebeneinander angeordnet sind, die gleichzeitig beleuchtet werden, wobei vor jedem Fotodetektorschieberegister (15) eine unterschiedliche Maske (14! für verchiedene Spektren vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die gepulste Strahlungsquelle 2 im zeitlichen Abstand (t ) mehrere Strahmax lungsimpulse unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt, so daß von der Fotokathodenstrahlröhre (Streaktube) ein Laufzeitspektrum aufgezeichnet wird, das durch Aneinanderreihung mehrerer einzelner Laufzeitspektren der jeweiligen Länge (t ) entstanden ist, aufgenommax men in unterschiedlichen Spektralbereichen (Multispektrale Laufzeitsignatur), und daß bei der Korrelation dieses multispektrale Laufzeitspektrum mit gleichartigen multispektralen Vergleichsspektren korreliert wird.