DE3432892A1

DE3432892A1 - Elektrooptisches zielgeraet

Info

Publication number: DE3432892A1
Application number: DE19843432892
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl.-Ing. 2806 Oyten Filipczyk; Christa 2804 Lilienthal Glienke; Willi Dipl.-Phys. 2803 Weyhe Hornfeld; Jürgen Dipl.-Ing. 2800 Bremen Hug; Rolf Dipl.-Ing. 2870 Delmenhorst Rüther
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Priority date: 1984-09-07
Filing date: 1984-09-07
Publication date: 1986-03-20
Also published as: FR2570195B1; DE3432892C2; FR2570195A1; GB8522130D0; GB2165714B; GB2165714A

Description

84-03 M

Elektrooptisches Zielgerät

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrooptisches Zielgerät zum automatisierten Suchen, Erfassen und Vermessen von Zielen mit einem auf einer schwenkbaren Stabilisierungsplattform angeordneten Bildsensor und einer davon angesteuerten Bildauswerte- und Bilddarstellungseinrichtung, in welcher Korrelatoren die Sensorbilddaten mit gespeicherten, statistischen Bilddaten verarbeiten.

Bei der Überwachung von Einsatzräumen und zur Erfassung von Zielobjekten ist es bekannt, die betreffenden Räume zum Beispiel mit Luftfahrzeugen zu überfliegen und mit Bildsensoren abzutasten. Die bei einem solchen Einsatz gewinnbaren Bilddaten können dann zum Beispiel zu einem Bodenleitstand übertragen und dort nach entsprechender Aufbereitung auf Monitoren wiedergegeben werden. Es ist durch Beobachtung der Monitore mit einer Kontrollperson möglich, die Bilddaten der erfaßten Einsatzräume auszuwerten und Objektbestimmungen, wie zum Beispiel in der DE-OS 25 19 241 beschrieben, vorzunehmen.

Die zuvor beschriebene Maßnahme zur Zielerfassung und Objektbestimmung ist jedoch unbefriedigend, und zwar, weil der Einsatz einer Kontrollperson im Leitstand als Unsicherheitsfaktor gilt. Außerdem ist ein solches Überwachungssystem zur automatischen Überwachung und Zielerfassung in großen Entfernungen, zum Beispiel jenseits der Augenreichweite und in großen Winkelbereichen, nicht geeignet.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrooptisches Zielgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine automatisierte Zielerfassung und Objektbestimmung an Bord von Trägerfahrzeugen ermöglicht. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, automatisierte Zielerfassungen und Objektbestimmungen in großen Entfernungen und großen Winkelbereichen zu ermöglichen. Diese Aufgabe ist durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße elektrooptisch© Zielgerät kann mit einem passiven Bildsensor, zum Beispiel einem Infrarot-Bildsensor oder einem Mikrowellenradiometer betrieben werden. Es ist aber ebenso möglich, hierfür einen aktiven Sensor, zum Beispiel einen Radarsensor einzusetzen. Die Stabilisierungsplattform bietet hierbei die Möglichkeit, innerhalb des Überwachungsraumes einen großen Winkelbereich durch Schwenken der Plattform abzutasten. Für die Schwenkbewegungen können, je nach Anforderung, dreiecks-, sinus-, sägezahn- oder spiralförmige Bewegungen eingesetzt werden, wobei die Geschwindigkeit der Schwenkbewegung als Funktion der Blickrichtung und der Fluggeschwindigkeit des Trägerfahrzeugs, zum Beispiel eines Kampfflugzeugs, zweckmäßigerweise so zu wählen sind, daß hinreichende Bildüberlappungen innerhalb einer Schwenkperiode entstehen, welche hohe Wahrscheinlichkeiten für eine Objekterfassung und -verteilung gewährleisten. Außerdem ist es beim Einsatz eines Infrarot-Bildsensors zweckmäßig, diesen Sensor von der üblichen CCIR-Norm entweder auf kontinuierliche oder Halbbild-Abtastung umzustellen. Die mit einem solchen Sensor erfaßten Bilder bzw. Bildausschnitte des überwachten Einsatzraumes werden dann auf die im weiteren Verlauf näher beschriebene Weise zur Zielerfassung und Objektbestimmung ausgewertet .

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Blockschaltbild des gesamten elektrooptischen Zielgerätes,
Fig. 2 ein Blockschaltbild der Schaltstufen für die automatische Zielerfassung,
Fig. 3a die Referenzstruktur einer abstrakten Objektschablone und

Fig. 3b die Aufteilung einer Referenzschablone in Suchmuster.

Das in Fig. 1 abgebildete elektrooptisch Zielgerät besteht aus einer Infrarotbildkamera 10, die auf einer schwenkbaren Stabilisierungsplattform 11 angeordnet ist. Auf dieser Plattform 11 sitzt weiterhin ein Laserentfernungsmeßgerät 12, das - ebenso wie die Infrarotkamera 10 - mit einem Datenbus 13 in gegenseitiger Funktionsverbindung steht. Hierdurch kann die Entfernung erfaßter Objekte ermittelt und das Ge sichtsfeld der Kamera eingestellt werden. Die Ausgangsdaten der Infrarotkamera 10 werden zunächst auf einen Analog-Digital-Wandler 14 gegeben, welcher digitale Bilddaten an die Schaltstufen 15 zur automatischen Zielerfassung und eine Schaltstufe 16 zur Bildverbesserung ausgibt. Der Analog-Digital-Wandler 14 und die Schaltstufe 16 zur Bildverbesserung werden ebenfalls durch Daten vom Datenbus 13 gesteuert. Hierzu steht der Datenbus 13 mit einem Zentralrechner 17 und einem Speieher 18 in entsprechender gegenseitiger Funktionsverbindung. Außerdem gibt ein Taktgeber 19 seine Taktsignale auf den Datenbus 13, und die Daten des Trägerfahrzeugs, zum Beispiel eines Kampfflugzeugs, wie Fluggeschwindigkeit, Flughöhe etc. sind dem Datenbus von einem symbolisch angedeuteten Block eingegeben.

Von der Schaltstufe 16 zur Bildverbesserung gelangen die digitalen Bilddaten auf einen vom Datenbus 13 beeinflußten Digital-Analog-Wandler 21, der die zugrückgewandelten Bilddaten über einen Bildmischer 22 auf ein Touch-Input-Bilddarstellungsgerät 23 weiterleitet. Dieses Bilddarstellungsgerät 23 steht darüber hinaus mit einem mit dem Datenbus 13 in entsprechender Funktionsverbindung stehenden Gesichtsfeldumschalter 24 in Verbindung, so daß mit Hilfe einfacher Touch-Inputs

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bestimmte Objekte vergrößert dargestellt -werden können. Mit einem dem
Bildmischer 22 zugeordneten und durch Daten des Datenbusses 13 steuerbaren Symbolgenerators 25 ist es möglich, bestimmte Symbole in die Bilddaten einzumischen und auf dem Bilddarstellungsgerät 23 einzublenden. Diese Bildsymbole können darüber hinaus auf einem Spotprojektor 26 wiedergegeben werden, wodurch die Richtung der Objektlage innerhalb der Pilotenkanzel markiert wird.

Ein zweites Bilddarstellungsgerät 27, das über einen mit dem Datenbus 13 in gegenseitiger Funktionsverbindung stehenden Computer-Symbolgenerator 28, zum Beispiel Fadenkreuzgenerierung, angesteuert wird, bietet hierbei die Möglichkeit, die Flugzeuglängsachse auf das ausgewählte Objekt auszurichten.

Fig. 2 zeigt die Einzelheiten der Schaltstufen 15 zur automatischen Zielerfassung innerhalb des gesamten elektrooptischen Zielgerätes. Diese in dem Blockschaltbild näher bezeichneten und untereinander verschalteten Schaltstufen haben die Aufgabe, praktisch in Echtzeit spezielle Objekte im aufgenommenen Bild der Infrarotkamera 10 automatisch zu suchen, deren Bildposition zu bestimmen und den Schwenkvorgang der Stabilisierungsplattform 11 nach erfolgreicher Objektsuche zu unterbrechen. Außerdem muß die Infrarotbildkamera 10 danach so ausgerichtet werden, daß eine visuelle Objektidentifizierung mit Hilfe einer Bildvergrößerung durch Gesichtsfeldumschaltung möglich wird. Grundlage für die automatische Zielerkennung ist eine Korrelation der aufgenommenen und dualisierten Bilddaten mit einer abstrahierten Objektschablone. Die Dualisierung eines jeden Bildes der Infrarotbildkamera 10 erfolgt in dem Komparator mit einer Amplitudenschwelle, welche als Funktion der zu erwartenden Zielklasse durch geeignete Verknüpfung bildstatistischer Parameter (Histogrammauswertung) für jedes Bild individuell ermittelt wird. Dabei wird zur Vermeidung zu großer Falschauslösungen, zum Beispiel bei ungünstiger Statistik des aufgenommenen Bildes, auf eine Auswertung verzichtet.

Zum Zwecke einer schnellen und einfachen Korrelation werden neben der Bilddualisierung (1 bit-Grauwertauflösung) zielrotationsinvariante Objektschablonen eingesetzt, welche bei schräger Ausrichtung der Infrarotbildkamera 10 vom oberen zum unteren Bildrand größenrichtig angepaßt werden. Durch Übernahme der Systemdaten des Trägerfahrzeuges und der Kamera, wie durch den Block 20 in Fig. 1 angedeutet, lassen sich mit Hilfe der Flughöhe, der Sensorauflösung und -blickrichtung sowie der zu bestinmenden Objektart die Referenzschablonen errechnen. Rotationsinvariante Objektschablonen zeichnen sich hierbei durch eine 100 !-ige Übereinstimmung innerhalb der kleinsten Zieldimension und einer gewissen Obereinstimmung, zum Beispiel 66 %, innerhalb der größten Zieldimension aus. Eine einwandfreie Objektbestimmung verlangt darüber hinaus, daß in einem äußeren Bereich die Übereinstimmung 0 % sein muß (Hintergrundseparation).

In Fig. 3a ist eine typische Struktur einer abstrakten Objektschablone für senkrechte und schräge Sensorausrichtung dargestellt, wobei die Dimensionen der einzelnen Schablonenteile in Abhängigkeit der Zielabmessungen sowie der Flug- und Sensorparameter zu wählen sind. Die Buchstaben L und H deuten hier auf "low" = tief bzw. "high" = hoch hin. Zur einfachen und schnellen Realisierung der Korrelation wird diese abstrakte Referenzschablone in drei Teilmuster zerlegt, welche unabhängig voneinander jeweils in einem der drei Korrelatoren korreliert werden. Fig. 3b zeigt die gewählte Aufteilung mit den drei sich ergebenden Korrelationsmustern und drei verschiedenen Maskenmustern, die, zusammen mit der Objekthöheninformation, als Speichertiefeninformation in den Objektreferenzspeicher eingegeben werden. Die Korrelationsmusterbreite verhält sich proportional zu der Objektbreite x_max und kann Werte zwischen 10 und 64 Bildpunkte einnehmen. Die nicht benutzten Bildpunkte sind mit der Maskeninformation abzudecken.

Zur Durchführung der Korrelation werden die Daten des dualisierten und zwischengespeicherten Infrarotbildes zeilenweise in die parallelen Schieberegister der Korrelatoren für die Muster 1 bis 3 eingegeben. 5 Oberschreiten die Korrelatoren für die Muster 2 und 3 einen vorgebbaren Korrelationsgrad, so werden von diesem Bildpunkt die Spaltenadressen abgespeichert. Es können 16 Adressen auf diese Weise in den Adreßspeicher eingegeben werden. Beim Durchlauf der nächsten Zeile werden beim Erreichen des vorgegebenen Korrelationsgrades wiederum Adressen gewonnen und mit den abgespeicherten Adressen verglichen. Wenn die Abweichung der beiden Adressen nicht größer als +/- 1 Bildpunkt (schräge Objektlage im Bild) ist, dann wird die verglichene Adresse zusammen mit einer Zahl η abgespeichert. Diese Zahl η drückt die Anzahl der verglichenen Zeilen aus. Bei größerer Abweichung wird die letzte Adresse als erste abgespeichert.

Das Ergebnis des Korrelators für das Muster 2 wird außerdem in einen Summenspeicher eines Summenvergleichers eingeschrieben. Dieser Summenspeicher wird ebenfalls überprüft, wobei dann, wenn zum Beispiel 66 % der gesamten Bildpunkte dieses Rahmens "high" sind, die Auswertung nicht weitergeführt wird. Die Auswertung des Summenspeichers wird danach in einer Toleranzzeile M vorgenommen, welche dann auftritt, wenn die Zahl η die zu erwartende und vorgegebene Zeilenzahl M erreicht hat. Außerdem wird in dieser Toleranzzeile M ein Adressenfenster errechnet und in der nachfolgenden Zeile mit dem Korrelator für das Muster 1 die "low"-Bedingung innerhalb dieses Adreßfensters überprüft. Tritt auch hier ein vorgegebener Korrelationsgrad auf, so wird das Objekt als erkannt definiert. Es werden dann von diesem Bildpunkt die Spalten- und Zeilenadressen zwischengespeichert und über eine Adressentransformationsschaltung, welche dann die Objektmittenadresse errechnet, in einen Symbolikspeicher eingegeben.

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Die Darstellung nach Fig. 2, welche - wie bereits erwähnt - einen Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise der Schaltstufen zur automatischen Zielerfassung zeigt, ist mit einigen ihrer Schaltstufen dreifach parallel ausgelegt und kann die Bildauswertung quasi in Echtzeitverarbeitung im Takt von 40 ms vornehmen. Für den Fall, daß die Bildauswertezeit 120 ms betragen kann, ist es möglich, auf eine Parallelverarbeitung zu verzichten.

Die auf die zuvor beschriebene Weise errechneten Zielkoordinaten eines erfaßten Zielobjektes dienen zum Ausrichten der Infrarotbildkamera 10 (nächstliegende Koordinate bezogen auf die augenblickliche Stellung der Stabilisierungsplattform) und zur Zielmarkierung. Sobald Objekte in einem Bild festgestellt worden sind, kann dieses Bild auf dem Bilddarstellungsgerät 23 einschließlich eingeblendeter Markierungen dargestellt werden, wobei über eine akustische Meldung die Aufmerksamkeit einer Kontrollperson erregt werden kann. Da die optische Sensorachse auf das nächstgelegene Objekt ausgerichtet ist, erfolgt die visuelle Zielerkennung durch einfache Gesichtsfeldumschaltung. Auch in diesem Falle ist eine Zielmarkierung mit Hilfe des Symbolgenerators 25 möglich.

Um die Anzeige der Zielposition in bezug auf die Position des Trägerfahrzeuges zu erhalten, kann entweder ein Winkelmaß in das dargestellte Bild eingeblendet werden, oder die Zielmarkierung wird über den Spotprojektor an entsprechender Stelle in der Pilotenkanzel abgebildet. Für die auf diese Weise erfaßten Zielobjekte stehen zur Weiterverarbeitung in einem Kampfflugzeug weitere Bordrechner zur Verfügung.

Das Laserentfernungsmeßgerät 12 dient hierbei zur exakten Berechnung der Referenzbildmaße bzw. der Objektpositionen.

Zeichnungen - 12 35

Claims

Bremen, den 05.09.1984 84-03 M Sm/bw Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH 15 PATENTANSPRÜCHE

1. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät zum

automatisierten Suchen, Erfassen und Vermessen von Zielen, mit einem auf einer schwenkbaren Stabilisierungsplattform angeordneten Bildsensor und einer davon angesteuerten Bildauswerte- und Bilddarstellungseinrichtung, in welcher Korrelatoren die Sensorbilddaten mit gespeicherten statistischen Bilddaten verarbeiten, dadurch gekeimzeichnet, daß die Sensorbilddaten zur Erzeugung dualisierter Bilddaten über eine einstellbare Amplitudenschwelle geleitet und anschließend Korrelatoren zur Verarbeitung mit auswählbaren, aus den statistischen Bilddaten gebildeten Objektschablonen zugeleitet werden.

2. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Amplitudenschwelle in einem Komparator als Funktion zu erwartender Zielklassen durch Verknüpfung statistischer Bildparameter (Histogrammauswertung) für jedes Bild ermittelt wird.

3. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Objektschablonen zielrotationsinvariante Schablonen eingesetzt werden, welche bei schräg nach vorn weisender Sensorausrichtung vom oberen zum unteren Bildrand größenmäßig angepaßt sind.

4. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Beispiel in einem Kampfflugzeug eingesetzte Gerät Systemdaten, wie Flughöhe, Sensorauflösung und Sensorblickrichtung sowie die zu erfassende Objektart erhält und daraus Referenzschablonen für die Objektschablonen errechnet.

5. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelation der dualisierten Bilddaten mit Daten zielrotationsinvarianter Objektschablonen erfolgt.

6. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abstrakten Objektschablonen in drei Teilmuster zerlegt werden, deren Daten jeweils in einem von drei parallelen Korrelatoren mit den dualisierten Bilddaten korreliert werden.

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7. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bildsensor ein passiver Bildsensor, zum Beispiel eine Infrarotbildkamera (10) oder ein Mikrowellenradiometer eingesetzt ist.

8. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bildsensor ein aktiver Bildsensor, zum Beispiel ein Radarsensor, eingesetzt ist.

9. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenken der Stabilisierungsplattform (11) mit einer dreiecksförmigen Bewegung erfolgt.

10. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenken der Stabilisierungsplattform (11) mit einer sinusförmigen Bewegung erfolgt.

11. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenken der Stabilisierungsplattform (11) mit einer sägezahnförmigen Bewegung erfolgt.

3Α32Θ92

12. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach

einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwenken der Stabilisierungsplattform (11) spiralförmig erfolgt.

13. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Stabilisierungsplattform (11) ein Laserentfernungsmeßgerät (12) zugeordnet ist.

14. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwenkvorgang der Stabilisierungsplattform (11) nach erfolgreicher Objektsuehe (10) auf das erfaßte Objekt mit Hilfe der Stabilisierungsplattform (11) ausgerichtet wird.

15. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten

der aufgenommenen Originalbilder einer Bildverbesserungseinheit (16) zugeführt werden, welche durch Histogrammauswertung eine bildinhaltsadaptive Übertragungskennlinie (Polygonzug) erzeugt und damit eine optimale Bilddarstellungsqualität sicherstellt.
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16. Elektrooptisches Zielerfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lage eines entdeckten Objekts durch Spotprojektion innerhalb der Pilotenkanzel sichtbar gemacht wird.

Beschreibung - 5 35