DE3704848A1 - Modulares beobachtungsgeraet mit entfernungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Beobachtungsgerät mit Entfernungsmesser, gemäss dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung ein modulares multifunktionales Beobachtungsgerät, welches Funktionen als monokulares Fernrohr bzw. binokularer Feldstecher, als inte­ grierter Entfernungsmesser und gegebenenfalls weiteren Zu­ sätzen aufweist.

Bekannt sind einerseits verschiedene Geräte in einer Kombi­ nation aus Feldstecher oder Fernrohr mit ein- oder angebau­ tem Entfernungsmesser, oder aber mit einem Kompass. Beide Gerätearten sind für verschiedene Spezialzwecke vorgesehen. Keines von ihnen kann eine vollständige Information über die absolute Position eines anvisierten Objektes liefern, bei­ spielsweise als mathematischer Vektor, beschrieben durch eine direkte Distanzangabe bezüglich eines Referenzpunktes und zweier Winkelwerte (Azimut und Elevation).

Es sind ferner geodätische Präzisions-Entfernungsmesser unter Verwendung einer Laser-Lichtquelle bekannt. Solche Geräte wurden in erster Linie im Hinblick auf ihre Verwend­ barkeit als Zusatz zu bestehenden geodätischen Geräten ent­ wickelt. Ihr Einsatz setzt die Verwendung eines Zielreflek­ tors voraus, welcher die vom Gerät ausgesendeten Laserpulse reflektiert. Zielbeobachtung bzw. dessen Identifizierung und der eigentliche Messvorgang laufen nacheinander ab.

Für einen allgemeinen mobilen Einsatz sind ferner feld­ stecher-ähnliche Geräte mit eingebautem Entfernungsmesser bekannt. In der Regel ist dabei der Strahlengang des Entfer­ nungsmessers von demjenigen für die visuelle Beobachtung des Objektes getrennt. Für jeden Teil, also für das sichtbare Licht einerseits und das Beobachtungslicht, im allgemeinen Infrarotlicht (IR) andererseits, werden getrennte aufwendige Spezial-Optiken verwendet, welche das relativ hohe Gewicht solcher Geräte wesentlich bestimmen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein modulares Beobachtungsgerät mit Entfernungsmesser dahingehend zu ver­ bessern, dass es auch die Ortung eines Objektes erlaubt und eine wesentliche bauliche Vereinfachung beinhaltet, mit dem Ziel, die für das System erforderlichen Gläser möglichst rationell zu nutzen, um auf diese Weise Gewicht einzusparen und ein wesentlich leichteres Gerät zu schaffen. Ferner soll eine möglichst ungestörte kontinuierliche visuelle Beobach­ tung eines Objektes sichergestellt sein und unabhängig davon zu jedem beliebigen Zeitpunkt eine möglichst präzise Or­ tungsmessung möglich sein, deren wahres und gegebenenfalls korrigiertes Ergebnis einfach und sicher abzulesen ist, ohne dass die visuelle Beobachtung unterbrochen werden muss.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das in Patentanspruch 1 definierte Gerät gelöst.

Ein entscheidender Vorteil dieses Gerätes liegt in der ge­ meinsamen Optik für die visuelle Beobachtung und die Dis­ tanzmessung. Dadurch wird das System einfach und von über­ flüssigem Glasgewicht freigehalten. Für die Entfernungs­ messung mit gepulstem IR-Licht wird die gleiche Optik ver­ wendet wie für die visuelle Beobachtung. Ein weiterer ent­ scheidender Vorteil des Gerätes liegt darin, dass seine Mehrfachfunktion, insbesondere die drei Funktionen visuelle Beobachtung, Entfernungsmessung und Richtungsbestimmung, exakt im gleichen Zeitpunkt aktivierbar sind und nicht etwa alternativ und nacheinander ablaufen. Dadurch ergeben sich entscheidende Vorteile, insbesondere für die genaue Ortung von bewegten Zielen. Das Ortungsergebnis kann in absoluten Koordinatenwerten angegeben werden, wenn der eigene Standort bekannt ist. Insgesamt resultiert durch die Kombination der Einzelmassnahmen ein äusserst handliches und übersichtlich zu bedienendes Gerät, welches einen wesentlich höheren Ge­ brauchswert aufweist als bisher bekannte Geräte. Die voll­ ständige Kombination der genannten drei Funktionen quali­ fiziert dieses Gerät bei entsprechender Auslegung unter an­ derem als hochpräzises Ortungsgerät.

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand bevor­ zugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Strahlengang eines binokularen Beobachtungs­ gerätes, mit der Darstellung der wichtigsten optischen Bauteile,

Fig. 2 den Empfängerkanal gemäss Fig. 1, in Seitenansicht,

Fig. 3 das Blockschaltbild für den elektronischen Teil des Gerätes gemäss den Fig. 1 und 2.

Das Prinzip der Erfindung beruht im wesentlichen auf der Möglichkeit, mehrere Funktionen in einem Gerät zu integrie­ ren, wobei das Gerät die Handlichkeit eines Feldstechers aufweist, so dass es zur ständigen persönlichen Ausrüstung von daran interessierten Benutzern gehören kann. Vorzugs­ weise sind mindestens drei Funktionen im Gerät integriert, nämlich die tradionelle Feldstecher- bzw. Fernrohrfunktion, welche eine direkte Beobachtung eines Objektes erlaubt, ferner die in den Beobachtungsstrahlengang integrierte hochpräzise Entfernungsmessung sowie als dritte Funktion eine ebenfalls im Gerät integrierte Richtungsanzeige, deren Ergebnis zusätzlich in den Beobachtungsstrahlengang proji­ ziert wird. Distanz- und Richtungsmessung können auch an andere Geräte übertragen werden oder - für Drittpersonen sichtbar - aussen am Gerät angezeigt werden.

Modularer Aufbau des Gerätes bedeutet im vorliegenden Fall, dass die Konzeption des Gerätes eine Auslegung als monoku­ lares oder binokulares Gerät erlaubt und dass der Richtungs­ messer wahlweise im Gerät integrierbar ist. Das Gerätekon­ zept erlaubt eine Anpassung des jeweiligen Ausrüstungsgrades entsprechend dem gewünschten Verwendungszweck.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel zu Erläuterung der Er­ findung wird im folgenden ein binokulares Beobachtungsgerät beschrieben. Es besteht nach Fig. 1 aus einem konventionel­ len Feldstecher-Teil mit einem Objektiv 1, einem Umkehr­ prisma 2 zur seitenrichtigen Abbildung und einem Okular 3. Der im gewählten Ausführungsbeispiel ebenfalls dargestellte zweite Strahlengang enthält entsprechend ein zweites Objek­ tiv 11, ein zweites Umkehrprisma 12 und ein zweites Okular 13. In beiden Strahlengängen ist der Verlauf des sichtbaren Lichts durch Doppelpfeile S 1 bzw. S 2 angedeutet. Wo erfor­ derlich, sind die beteiligten optischen Flächen für den sichtbaren Bereich und für den Bereich der verwendeten Mess­ strahlung, also z.B. im Infrarotbereich, vergütet.

Als zusätzliche Elemente sind im ersten Strahlengang ein mit dem ersten Umkehrprisma 2 verbundener Strahlteiler 4 und ein IR-Empfänger 5 vorgesehen. Der Strahlteiler blendet die für die Entfernungsmessung verwendete Mess-Strahlung aus dem kombinierten Strahlengang aus, so dass dieser Teil der Strahlung bis auf einen für das Auge unschädlichen Restan­ teil nicht in das erste Okular 3 gelangt. Die Anordnung des Strahlteilers 4 ist in Fig. 2 in Seitenansicht dargestellt. Die Grenzfläche zwischen dem Strahlteiler 4 und dem Umkehr­ prisma 2 ist mit einer Filterschicht versehen, welche für das verwendete IR-Licht tranparent ist, sichtbares Licht jedoch reflektiert, so dass die traditionelle Wirkung des Umkehrprismas für das sichtbare Licht unverändert bleibt. Der Strahlteiler 4 dient somit nicht nur der Trennung von sichtbarem und IR-Licht, sondern auch dem Schutz des mensch­ lichen Auges vor Laserstrahlung.

Im zweiten Strahlengang sind zusätzlich zu den konventionel­ len Bauteilen ein Sender 15 zur Aussendung von Infrarot- Messimpulsen sowie ein mit dem zweiten Umkehrprisma 12 kom­ binierter zweiter Strahlteiler 14 vorgesehen. Dabei ent­ spricht die Anordnung des zweiten Strahlteilers 14 derje­ nigen des ersten Strahlteiler 4 am ersten Umkehrprisma 2.

Das verwendete IR-Licht hat im bevorzugten Beispiel eine Wellenlänge von ca. 900 oder 1′500 nm, je nach verwendetem Lasertyp. Der IR-Sender besteht z.B aus einem gepulsten oder modulierten Kristall- oder Halbleiterlaser, dessen Sende­ leistung so gewählt ist, dass sie mit Sicherheit im augen­ schonenden Bereich bleibt, andererseits aber die gewünschte Reichweite überbrückt. Erreicht wird dies gegebenenfalls durch eine besondere Methode der Signalauswertung, welche nicht Gegenstand dieser Erfindung ist. Der Strahlengang des Senders kann in Sonderfällen, z.B bei Auslegung des Gerätes als monokulares Beobachtungsgerät, auch durch eine getrennte Optik nach aussen geführt sein. In diesem Fall ist der Em­ pfangskanal für die IR-Strahlung mit demjenigen des be­ schriebenen Gerätes identisch. Zum Pumpen des Kristall- Lasers können Halbleiterlaser oder Blitzlampen eingesetzt werden.

Der zweite Strahlteiler 14 sorgt für die direkte Einblendung der Infrarotstrahlung in das konventionelle Umkehrprisma 12 in Richtung auf das zweite Objektiv 11, unter gleichzeitiger Ausblendung dieser Strahlung aus dem zum zweiten Okular 13 führenden sichtbaren Zweig S 2 des Strahlengangs. Ueber das zweite Objektiv 11 wird die IR-Strahlung in Richtung auf das auszumessende Objekt gesendet. Die vom Objekt reflektierte Strahlung erreicht das Gerät über das erste Objektiv 1. Von dort wird sie auf das erste Umkehrprisma 2 geleitet und vom ersten Strahlteiler 4 aus dem kombinierten Strahlengang aus­ geblendet und dem IR-Empfänger 5 zugeleitet.

Der IR-Empfänger 5 kann im einfachsten Fall aus einer Foto­ diode bestehen. Sie kann mit einem Verstärker zusammen zu einem Hybrid integriert sein. Auch ist eine weitere Inte­ gration zu einem erweiterten Hybrid mit dem Analog/Digital- Wandler möglich.

Zusätzlich zum konventionellen Gerät ist ferner eine Anzeige 20 sowie ein teildurchlässiger Spiegel 21 zur Einspiegelung dieser Anzeigewerte des Entfernungsmessers in den Strahlen­ gang zum Okular vorgesehen. Zusätzlich kann eine Hilfsan­ zeige 22 aussen am Gerät vorgesehen sein.

Schliesslich ist eine Baueinheit 30 zur Bestimmung der Richtung des auszumessenden Objektes vorgesehen, welche im folgenden anhand von Fig. 3 näher erläutert wird.

Alle genannten Teile sind in einem gemeinsamen Gehäuse ent­ halten, welches beispielsweise ähnlich wie ein konventionel­ les Feldstechergehäuse ausgebildet ist. Das Beobachtungs­ gerät ist damit trotz der zusätzlichen Funktionen ausserge­ wöhnlich handlich.

Fig. 3 zeigt den elektronischen Teil sowie den funktionalen Aufbau des Gerätes, und zwar im oberen Teil das Entfernungs­ messgerät und im unteren Teil die noch näher zu beschrei­ bende Baugruppe zur Bestimmung der Richtung des anvisierten Objektes. Entfernungsmesser und Richtungsmesser sind prinzi­ piell autonom und mit eigenen Rechnern ausgestattet. Die Ausgänge beider Baugruppen sind auf die gemeinsame Anzeige 20 geführt, welche gemäss Fig. 1 in den Strahlengang vor­ zugsweise nur eines Beobachtungskanals eingeblendet ist. Die Anzeige der Messergebnisse erfolgt im Gesichtsfeld des Beo­ bachters, wobei durch die Ablesung des Messergebnisses der visuelle Beobachtungsvorgang des Objektes nicht unterbrochen werden muss. Zusätzlich können die Messergebnisse aussen am Gerät angezeigt werden. Schaltmittel zur Erzeugung der ver­ schiedenen Speisespannungen sowie die Batterien sind in der Figur nicht zusätzlich eingezeichnet.

Ferner ist eine beiden Geräteteilen gemeinsame Tastatur 40 vorgesehen, welche an einer gut zugänglichen Stelle aussen am Gerät angebracht ist. Sie dient zum Auslösen der ver­ schiedenen Funktionen des Gerätes sowie zur Eingabe von Daten. Sie ist so angeordnet, dass der Beobachtungsvorgang bei der Bedienung nicht gestört wird. Schliesslich kann das Gerät mit einem Schnittstellenanschluss 50 versehen sein, welcher gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit den Ausgängen der beiden Geräteteile verbunden ist. Die Schnittstelle kann beispielsweise genormt sein und den Anschluss des Gerätes an Datenübertragungsmittel oder direkt an einen Rechner oder Massenspeicher ermöglichen. Sie kann ferner für eine Fernauslösung der Gerätefunktionen verwendet werden.

Die Baugruppe des Entfernungsmessers mit dem IR-Sender 15 und dem IR-Empfänger 5 ist mit einem Rechnermodul 6, insbe­ sondere einem Mikroprozessor, verbunden. Es handelt sich dabei vorzugsweise um einen autonomen Kleinrechner, welcher mit einem ROM 7 zur Speicherung der Programme für die Steu­ erung der zum Entfernungsmesser gehörenden Baugruppen sowie zum Ablauf der einzelnen Rechenoperationen versehen ist. Ferner ist ein Speicherbereich 8 vorgesehen, welcher zur Speicherung von Daten dient, wobei es sich einerseits um vorgegebene Konstanten oder Bezugsdaten, z.B. Bezugskoor­ dinaten, handelt und anderseits um Speicherplatz zur Ab­ speicherung der Messergebnisse, bis diese beispielsweise von der Schnittstelle 50 abgerufen werden. Der IR-Empfänger ist an den Rechner 6 über einen Analog/Digital-Wandler 9 ange­ schlossen. Die Entfernung wird aus der Signallaufzeit be­ rechnet. Je nach der Stärke des Signals werden Einzelimpulse oder Pulsfolgen ausgewertet. Durch wiederholte Entfernungs­ messung in kurzen Zeitabständen kann die Geschwindigkeit, insbesondere die Radialgeschwindigkeit des Zielobjektes gemessen werden.

Bei der zweiten Baugruppe, die in Fig. 3 im unteren Teil dargestellt ist, handelt es sich um eine Einrichtung zur Richtungsbestimmung, wie sie z.B aus EP-8 59 02 429.1 bekannt ist. Diese auch als elektronischer Kompass bezeichnete Ein­ richtung enthält Magnetsensoren 31, Neigungssensoren 32 und einen Temperaturfühler 33. Alle drei letztgenannten Bauele­ mente sind über einen Multiplexer 34 und einen Analog/Digi­ tal-Wandler 35 an einen zweiten Rechner 36, insbesondere einen Mikroprozessor, angeschlossen. Auch dieser Rechner ist mit einem ROM 37 und einem RAM-Speicher 38 ausgerüstet. Am Rechner 36 sind die oben erwähnten Anschlüsse an die Anzeige 20, an die Tastatur 40 und gegebenenfalls an die Schnitt­ stelle 50 zu erkennen. Im Rechner 36 werden die Messdaten anhand von gespeicherten Korrekturtabellen sowie durch Ein­ beziehung von komplementären und/oder redundanten Sensor­ informationen korrigiert. Systematische Missweisungen und Störungen aufgrund von Temperatureinflüssen, Deklination, Einbauumgebung der Sensoren, Schräglage, Bewegung etc. werden damit ausgeschaltet. Zur Anzeige gelangen nur wahre Grössen. Im Rechnersystem sind ferner für alle Messwerte Plausibilitätskriterien programmiert, die zufällige oder vorübergehende Störungen ausfiltern. Der Rechner 36 des Richtungsmessers kann zusätzlich übergeordnete Steuerungs­ funktionen übernehmen. Als Rechner 6 für den Entfernungs­ messer ist ein Digital-Signal-Prozessor (DSP) besonders vorteilhaft.

Grundsätzlich beruht das Messprinzip des Richtungsmessers darauf, über einen Magnetsensor 31 das Erdmagnetfeld zu er­ fassen und das Messergebnis mit Hilfe von Neigungssensoren 32 zu korrigieren. Schliesslich findet mit Hilfe des Tempe­ raturfühlers 33 eine Kompensation von Messfehlern statt, die durch Temperaturänderungen bedingt sind. Als Magnetfeldsen­ sor können Elemente vorgesehen sein, welche auf dem Hallef­ fekt beruhen, welche das Prinzip einer Feldplatte beinhal­ ten, oder eine Widerstandänderung hervorrufen, die dann mit Hilfe einer Brückenschaltung erfasst wird.

Es ist auch die Messung mit Hilfe eines dynamischen Signals möglich, das dem Sensor z.B. in Form eines weiteren Magnet­ feldes kurzzeitig und wechselweise zugeführt wird, wobei die Differenz der so erzielten Magnetisierung oder die Zeit, die benötigt wird, um die ursprüngliche Lage einzunehmen, er­ fasst wird. Das Ergebnis ist ein Mass für die Lage des Sen­ sors im Erdmagnetfeld. Es werden also die Komponenten des Erdmagnetfeldes und des Schwerefeldes gemessen und daraus im Rechner 36 unter Berücksichtigung gespeicherter Korrektur­ werte das Azimut und die Elevation der optischen Achse des Gerätes berechnet.

Die Messwerte des Magnetfeldsensors werden verstärkt und digitalisiert und im Rechner 36 verarbeitet. Einzelheiten dieser Einrichtung sind in der oben erwähnten EP-OL ausführ­ lich beschrieben und werden hier nicht nochmals dargestellt. Wie dort beschrieben, ist eine mit dieser Baueinheit vorge­ nommene Azimutmessung durch die Einbeziehung von Neigungs­ sensoren lage- und auch neigungsunabhängig. Damit die Messung auch beschleunigungsunabhängig erfolgt, wird zur Neigungsmessung ab einem bestimmten Drehwinkel automatisch auf die Magnetfeldsensoren umgeschaltet. Die Neigungsände­ rung im Raum kann durch den Rechner 36 berechnet werden, und zwar aufgrund der Identifikation unterschiedlicher und/oder gleichförmiger Signaländerungen der Magnetfeldsensoren 31 und mittels Vergleichs mit einer zuvor abgespeicherten Soll­ wertkurve.

Claims (9)

1. Modulares Beobachtungsgerät mit einem Feldstecher und einem in dessen Gehäuse integrierten Entfernungsmesser mit einem Infrarot-Sender (15) und einem Infrarot-Empfänger (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarot-Strahlengang des Entfernungsmesser über die gleichen optischen Glieder (1, 2; 11, 12) geführt ist, welche den Strahlengang des Feld­ stechers bestimmen, dass im Gerätegehäuse zusätzlich mindes­ tens ein Richtungsmesser (30) und mindestens ein Rechenmodul (6, 36) zur Funktionssteuerung der Messvorgänge integriert sind, und dass Mittel (40, 6, 36) zum gleichzeitigen Aus­ lösen des Entfernungsmessers und des Richtungsmessers vor­ gesehen sind, wobei der Strahlengang des sichtbaren Lichtes (S 1, S 2) während dieses Messvorganges für die Feldstecher­ funktion ungestört erhalten bleibt, so dass die visuelle Darstellung des Messobjektes auch während der Messphase unbeeinträchtigt ist.

2. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, mit mindestens einem dem Feldstecher zugehörigen Umkehrprisma, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Umkehrprisma (2, 12) mit selektiv reflek­ tierenden Mitteln (4, 14) zur Aufspaltung des kombinierten Strahlenganges in sichtbares und infrarotes Licht unmittel­ bar vor dem Infrarot-Sender (15) bzw. dem Infrarot-Empfänger (5) versehen ist.

3. Beobachtungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, dass an der vom Objektiv (1) aus gesehen ersten Re­ flexionsfläche des Umkehrprismas (2) ein Strahlteiler (4) angesetzt ist, so dass die Grenzschicht zwischen beiden Bau­ teilen für das verwendete Infrarotlicht transparent ist, während das sichtbare Licht ungestört reflektiert wird.

4. Beobachtungsgerät nach Anspruch 2, mit einem binokularen Feldstecher, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Fernrohroptiken als Infrarot-Sendekanal und die zweite Fern­ rohroptik als Infrarot-Empfangskanal eingerichtet sind, wobei am zweiten Umkehrprisma (12) des Feldstechers, welches im Infrarot-Sendekanal liegt, ein zweiter Strahlteiler (14) angesetzt ist, über welchen die direkte Einblendung der Infrarot-Sendestrahlung in den kombinierten Strahlengang in Richtung auf das zweite Objektiv (11), unter gleichzeitiger Ausblendung der Infrarotstrahlung aus dem zum zweiten Fern­ rohrokular (13) führenden Strahlengang erfolgt.

5. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Entfernungsmesser und der Richtungsmesser autonome Rechnermodule (6, 36) aufweisen, deren Ausgänge in gemeinsamen Anzeigeeinrichtungen (20, 22) zusammengefasst sind.

6. Beobachtungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass eine in den Strahlengang eingespiegelte kombinier­ te Anzeigevorrichtung (20, 21) vorgesehen ist.

7. Beobachtungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, dass die Ausgänge der Rechnermodule (6, 36) mit einer Schnittstelle (50) zu externen Signalverarbeitungsmitteln verbunden sind.

8. Beobachtungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, dass die Schnittstelle zusätzlich mit Anschlüssen zur Fernauslösung von Gerätefunktionen belegt ist.

9. Beobachtunggerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass Mittel (40, 6, 36) zur Wiederholung des Messvor­ ganges in vorgegebenen Intervallen und zur Errechnung der Objektgeschwindigkeit aus den so erhaltenen Messergebnissen vorgesehen sind.