DE4019995C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das optische Überwachen und Visieren. Sie betrifft speziell Geräte mit wenigstens
einem Strahlenweg, der ein mit einem Abstandsmesser zum Messen der Koordinaten von mehreren im Blickfeld des Beobachtungsgeräts liegenden Punkten in bezug auf einen Referenzpunkt ausgestatte­ tes Beobachtungsgerät aufweist,
einem Strahlenweg, der ein Visiergerät und eine Ablenkvorrichtung aufweist, die eine Winkelablenkung der optischen Achse des Visiergeräts gegenüber einer mit dem Zentrum des Feldes des Beobachtungsgeräts abgestimmten Referenzrichtung ermöglicht
und einem Richtspiegel, der in einen den beiden Strahlenwegen (und ggf. noch weiteren Strahlenwegen) gemeinsamen Abschnitt eingefügt ist und die Änderung der Orientierung dieser Strahlen­ wege in bezug auf eine beobachtete Szene ermöglicht.

Die Erfindung betrifft ferner Visierverfahren, bei denen solche Geräte verwendet werden. Das Beobachtungsgerät ist häufig eine im sichtbaren Bereich arbeitende Kamera, eine Infrarot-Kamera oder ein Fernrohr.

Es sind Geräte dieser Art bekannt, die einen Mehrwege-Kollimator besitzen, der in Anpassung an die Szene austauschbar ist. Der Richtspiegel kann so angeordnet sein, daß er die Orientierung der optischen Achse des Kollimators relativ zu der Gesamtheit der Strahlenwege ändern kann.

Durch die EP 02 51 920 ist ferner ein optisches Überwachungs- und Visiergerät nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 2 bekannt, das nach dem Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 arbeitet. Dieses Gerät hat jedoch weder die beanspruchten Vorrichtungsmerkmale noch arbeitet es nach den beanspruchten Verfahrensschritten.

Die in der Praxis verwendeten Ablenkvorrichtungen, beispielsweise Drehkeilpaare oder Spiegelsätze, sind in ihrer Kennlinie durch­ aus nicht vollkommen linear. Die Beobachtungsgeräte besitzen ihrerseits geometrische Abweichungen. Es ist deshalb schwierig, den Visier-Strahlenweg präzise auf einen Punkt der Szene auszu­ richten, die außerhalb des Gesichtsfeldzentrums liegt und deren Position relativ zu letzterem auf dem Beobachtungsgerät markiert ist. Nun ist es in vielen Fällen wünschenswert, die Ablenkvorrichtung durch ein Signal steuern zu können, das ohne Probieren den Visier-Strahlenweg auf den Markierungspunkt in dem Gesichtsfeld richtet. Dieses Problem tritt insbesondere bei Geräten auf, bei denen der Visier-Strahlenweg einen Laser-Entfernungsmesser enthält, der augenblicklich auf ein sekundäres Zielobjekt gerichtet werden können muß, das außerhalb der optischen Achse des ersten Strah­ lenweges erscheint. Wegen der sehr geringen Divergenz des Laser­ strahles muß das Ausrichten genau sein. Oft sollte das Beobach­ tungsfeld vorzugsweise nicht verändert werden, beispielsweise um ein Haupt-Zielobjekt im Zentrum des Gesichtsfeldes zu halten.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Visierverfahren anzugeben, das mit Hilfe eines Gerätes der oben beschriebenen Art durchzuführen ist und den Anforderungen der Praxis besser ent­ spricht als bekannte Verfahren, insbesondere indem es in einem Bereich von wenigstens einigen Grad um die zentrale Richtung des Beobachtungsfelds ein präzises Ausrichten ohne Änderung des Beobachtungsfelds ermöglicht. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein optisches Gerät zur Verfügung zu stellen, das Mittel aufweist, die die Durchführung eines solchen Verfahrens ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß man eine Vorkalibrierung durchführt, in deren Verlauf man nach der Abstimmung der Strahlenwege für mehrere in dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts verteilte Punkte die Steuerung festlegt, die an der Ablenkvorrichtung vorzunehmen ist, um das Visiergerät auf einen Fleck in dem von dem Kollimator gelieferten Feld zu richten, dessen Lage durch Abstandsmessung in dem Gesichtsfeld bestimmt wird,
daß man eine Tabelle der Korrespondenz zwischen der Position jedes Flecks in dem Gesichtsfeld und der entsprechenden Steuerung der Ablenkvorrichtung erstellt,
daß man die Korrespondenz-Tabelle oder eine davon abgeleitete mathematische Tabelle speichert und
daß man zum Visieren in einer Richtung, die von einem von dem Zentrum beabstandeten Punkt in dem Gesichtsfeld repräsentiert wird, die an der Ablenkvorrichtung vorzunehmende Steuerung durch Interpo­ lation in der Tabelle bestimmt.

Dieses Verfahren ermöglicht ein augenblickliches und präzises Visieren trotz des Linearitätsfehlers der Ablenkvorrichtung und/oder des Beobachtungsgeräts. Da das Verfahren einen in das Gerät integrierten Kollimator verwendet, kann die Kalibrierung selbständig und automatisch durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine Neueichung des Geräts ohne Schwierigkeit, falls das Beobachtungsgerät oder die Ablenkvorrichtung ausgetauscht werden.

Die Erfindung schlägt ferner ein optisches Gerät der oben beschriebenen Art vor, das die Durchführung des beschriebenen Verfahrens ermöglicht.

Im folgenden sei die Erfindung anhand einer speziellen Reali­ sierungsform näher erläutert. Die Beschreibung bezieht sich auf die einzige Figur, die ein Prinzipschema eines Geräts gemäß der Erfindung zeigt.

Das in der Zeichnungsfigur dargestellte Gerät besitzt einen insgesamt herkömmlichen Aufbau. Es umfaßt einen Richtspiegel 10, dessen Eigenschaften und dessen Steuerungsart von der Art des Geräts abhängen. Der Spiegel 10 kann insbesondere ein Stabili­ sierungsspiegel sein, der mit Motoren ausgestattet ist, die es ermöglichen, ihn um zwei orthogonale Achsen auszurichten, wobei diesem Motor eine Servoschaltung zugeordnet ist, die es ermög­ licht, die Richtung des Raums zu ändern, der dem Zentrum des Gesichts­ feldes eines Beobachtungsgeräts 12 entspricht. Dieses besteht beispielsweise aus einer Fernsehkamera oder aus einer im nahen oder fernen Infrarotbereich arbeitenden Kamera. Zur Durchführung der Erfindung müssen dem Beobachtungsgerät Mittel 14 zur Abstandsmessung zugeordnet sein, die es ermöglichen, die Position eines auf dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts 12 erscheinenden Flecks, im allgemeinen in bezug auf das Zentrum des Gesichtsfeldes zu bestimmen und durch Signale darzustellen, die seine polaren oder kartesischen Koordinaten angeben.

Das Gerät besitzt ferner einen multispektralen Kollimator 16, der den in EP-A-02 51 920 beschriebenen Aufbau hat. Für eine Nenn­ position des Richtspiegels 10 liefert der multispektrale Kolli­ mator einen Fleck im Zentrum des Gesichtsfeldes des Beobachtungsgeräts 12.

Das dargestellte Gerät besitzt ferner zusätzlich zu dem Beobachtungs- Strahlenweg, in dem sich das Beobachtungsgerät 12 befindet, einen zweiten Strahlenweg, der in einem anderen Wellen­ längenbereich arbeitet. Eine dichroitische Trennvorrichtung 20 ermöglicht die Teilung des von der Szene oder dem Kollimator 20 kommenden Strahlenbündels. Die Strahlung in dem Empfindlichkeits­ bereich des Beobachtungsgeräts 12 (z. B. 8 bis 10 µm im Fall einer Wärmekamera) wird von der Trennvorrichtung 20 durchge­ lassen, während die Strahlung im Arbeitsbereich des zweiten Strahlenweges reflektiert wird.

Der dargestellte zweite Strahlenweg enthält eine afokale Ver­ größerungsoptik 22, auf die eine Ablenkvorrichtung folgt, die in Form zweier Prismen 24 und 26 eines Drehkeilpaares dargestellt ist. Auf die Ablenkvorrichtung folgen ein Entfernungsmesser 28 mit einem Laser, der monochromatische Impulse liefert, und ein Empfänger. Eine dichroitische Trennscheibe 30 ermöglicht die Trennung des von dem Spiegel 20 reflektierten Strahles in ein Strahlenbündel, das zu dem Entfernungsmesser 28 durchgelassen wird, und ein Strahlenbündel, das zu einem Nulldetektor reflek­ tiert wird, der in Form einer Fotozelle 32 mit vier Quadranten dargestellt ist. Der Laser liefert vorzugsweise Impulse mit einer Wellenlänge von 1,06 oder 1,45 µm. Die Scheibe 30 dient dazu, auf dem Nulldetektor 32 über eine Linse 34 das Bild einer Punktquelle abzubilden, die von dem multispektralen Kollimator geliefert wird und beispielsweise eine Wellenlänge von 0,93 µm besitzt, wenn der Entfernungsmesser einen Laser mit einer Wellenlänge von 1,54 µm verwendet.

Der Nulldetektor 32, der Entfernungsmesser 28 und der Spiegel 30 sind so angeordnet, daß dann, wenn das von dem multispektralen Kollimator 18 kommende Strahlenbündel mit dem Zentrum des Detek­ tors 32 zusammenfällt, das kollimierte Strahlenbündel auf dem Laser des Entfernungsmessers zentriert wird. Man gelangt zu dem gleichen Ergebnis, wenn der multispektrale Kollimator nicht eine mit der Wellenlänge des Lasers des Entfernungsmessers 28 emit­ tierende Punktquelle verwendet, sondern die Reflexion dieses Strahlenbündels, wie dies in der nach veröffentlichten FP-PS 89 05 887 erläutert ist.

Wenn das Verfahren gemäß der Erfindung zum Visieren eines Ziel­ objektes eingesetzt werden soll, dessen Position in dem Feld vom Zentrum des Beobachtungsgeräts 12 beabstandet ist, setzt dies eine Vorkalibrierung des Geräts voraus. Diese Kalibrierung umfaßt die Wiederholung einer Folge von Operationen und die Akkumulie­ rung der Ergebnisse aller dieser Folgen.

Vor der Durchführung der Kalibrierung bestimmt man die beiden Strahlenwege nach einem herkömmlichen Verfahren aufeinander ab, wobei der Richtspiegel 10 sich in seiner Nennposition befindet. Diese Abstimmung kann unter Verwendung des Drehkeilpaares 24, 26 durchgeführt werden. Die Winkelpositionen der Prismen 24 und 26, für die die Abstimmung durchgeführt wird, werden beispielsweise von Winkelkodierern 40 und 42 an eine Elektronik 38 geliefert, die mit einem Speicher 36 verbunden ist.

Wenn der Kollimator an die Stelle der Szene gesetzt wird, wieder­ holt man folgende Sequenzen:

• - Der Richtspiegel 10 wird gegenüber seiner Referenzposition so verschoben, daß er in dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts 12 einen kollimierten Fleck erzeugt;
• - der Abstandsmesser 14 wird dazu verwendet, die Koordinaten (Si, Gi) des Flecks relativ zu einer Referenz zu bestimmen, die normalerweise das Zentrum des Gesichtsfeldes des Beobachtungsgerätes 12 ist;
• - die Koordinaten (Si, Gi) werden in dem Speicher 36 gespeichert;
• - die Ablenkvorrichtung 24, 26 des Laser-Entfernungsmessers 28 wird bewegt, bis das von dem Kollimator 18 kommende Strahlen­ bündel mit dem Zentrum des Nulldetektors 32 fluchtet, d. h. bis die Visierachse des Laser-Entfernungsmessers 28 mit dem Koor­ dinatenpunkt (Si, Gi) in dem Gesichtsfeld des Visiergeräts abgestimmt ist; wenn der Visierdetektor 32 eine Anzeige über die Richtung des Abstands liefert, wie dies beispielsweise bei einem Detektor mit vier Quadranten der Fall ist, kann die Ermittlung der den Prismen 24 und 26 der Ablenkvorrichtung zu gebenden Orientierung unter dem Steuereinfluß der Elektronik 38 durch Betätigung der den Prismen 24 und 26 zugeordneten Motoren auto­ matisch erfolgen;
• - die von den Winkelkodierern 40 und 42 gelieferten Winkelposi­ tionen der Prismen 24 und 26 werden den Koordinaten des be­ trachteten Punktes in dem Speicher 36 zugeordnet.

Diese Sequenz muß in der Praxis zumindest etwa 100 mal wiederholt werden. Man erhält so schließlich eine Tabelle der Korrespondenz zwischen der Position eines Zielobjektes in dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts 12 und den korrespondierenden gesteuerten Posi­ tionen der Prismen 24 und 26 der Ablenkvorrichtung. Diese Tabelle kann so wie sie ist, aufbewahrt werden. Im allgemeinen wird sie jedoch verarbeitet, um mit Hilfe klassischer mathematischer Modellverfahren eine Transkodierungsmatrix zu erstellen, die die Koordinaten (Si, Gi) von gleichmäßig in dem Gesichtsfeld verteilten Punkten mit den entsprechenden Steuerungen der Ablenkvorrichtung korrespondieren läßt, die von den Winkelpositionen gebildet wer­ den, die den Prismen 24 und 26 zu geben sind.

Die Kalibrierungstabelle kann in einem programmierbaren Nurlese­ speicher gespeichert werden. Wenn man weiterhin die Entfernung eines einem bestimmten Punkt entsprechenden Zielobjekts auf der Grundlage der von dem Abstandsmesser 14 gelieferten Koordinaten eines bestimmten Punktes auf dem Beobachtungsgerät messen will, können die an die Prismen 24 und 26 anzulegenden Steuer­ befehle automatisch von der Elektronik 38 in einem Interpola­ tionsverfahren berechnet werden. Es kann sich um eines der klassischen Verfahren handeln, die beispielsweise auf der Grund­ lage einer Konstellation von den bestimmten Punkt umgebenden Punkten der Tabelle arbeiten. Man kann insbesondere bekannte biquadratische, sinusodiale oder ähnliche Interpolationsverfahren verwenden.

Man erkennt, daß die Erfindung es möglich macht, einen Entfer­ nungsmesser zur Bestimmung des Abstands eines Zielobjekts zu verwenden, das durch einen Punkt dargestellt wird, der von dem Zentrum des Gesichtsfeldes des Beobachtungsgeräts beabstandet ist, ohne daß dieses Beobachtungsgerät und die Ablenkvorrichtung große Linearität haben müssen. Außerdem kann die Kalibrierung autonom und automatisch durchgeführt werden, so daß das Gerät nach einer kurzen Zeitspanne nach dem Ersetzen einer Komponente wieder betriebsbereit ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Visieren mit Hilfe eines optischen Über­ wachungs- und Visiergeräts mit wenigstens
einem Strahlenweg, der ein mit einem Abstandsmesser (14) zum Messen der Koordinaten von mehreren, im Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts liegenden Punkten in bezug auf mit einem Referenzpunkt ausgestattetes Beobachtungsgerät (12) enthält,
einem Strahlenweg, der ein Visiergerät (28) und eine Ablenkvorrichtung (24, 26) enthält, die eine Winkelablenkung der optischen Achse des Visiergeräts gegenüber einer mit dem Zentrum des Gesichtsfeldes des Beobachtungsgeräts abgestimmten Referenzrichtung ermöglicht,
und einem Richtspiegel (10) der in einen den beiden Strahlenwegen gemeinsamen Abschnitt zwischen den Strahlenwegen und einem Mehrwege-Kollimator eingefügt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß man eine Vorkalibrierung durchführt, in deren Verlauf man nach der Abstimmung der Strahlenwege für mehrere, in dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts verteilte Punkte die Steuerung festlegt, die an der Ablenkvorrichtung vorzunehmen ist, um das Visiergerät auf einen Fleck in dem von dem Kollimator gelieferten Feld zu richten, dessen Lage durch Abstandsmessung in dem Feld bestimmt wird,
daß man eine Tabelle der Korrespondenz zwischen der Position jedes Flecks in dem Gesichtsfeld und der entsprechenden Steuerung der Ablenkvorrichtung erstellt,
daß man die Korrespondenz-Tabelle oder eine davon abgeleitete mathematische Tabelle speichert,
und daß man zum Visieren in einer Richtung, die von einem von dem Zentrum beabstandeten Punkt in dem Gesichtsfeld repräsentiert wird, die an der Ablenkvorrichtung vorzunehmende Steuerung durch Interpolation in der Tabelle bestimmt.

2. Optisches Überwachungs- und Visiergerät mit wenigstens
einem Strahlenweg, der ein mit einem Abstandsmesser (14) zum Messen der Koordinaten von mehreren, im Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts liegenden Punkten in bezug auf einen Referenzpunkt ausgestattetes Beobachtungsgerät (12) enthält,
einem Strahlenweg, der ein Visiergerät (28) und eine Ablenkvorrichtung (24, 26) enthält, die eine Winkelablenkung zur optischen Achse des Visiergeräts gegenüber einer mit dem Zentrum des Gesichtsfeldes des Beobachtungsgeräts abgestimmte Referenzrichtung ermöglicht,
und einem Richtspiegel (10), der in einen den beiden Strahlenwegen gemeinsamen Abschnitt zwischen den Strahlenwegen und einem Mehrwege-Kollimator eingefügt ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Visier-Strahlenweg ferner Trennmittel (30) enthält zum Trennen des von dem Mehrwege-Kollimator (18) kommenden Strahlenbündels in ein auf das Visiergerät erichtetes Strahlenbündel und ein auf einem mit dem Visiergerät abgestimmten Nulldetektor (32) gerichtetes Strahlenbündel,
und daß das Gerät ferner folgende Teile aufweist:

• - einen Speicher (36) zum Speichern einer Tabelle der Korrespondenz zwischen den Koordinaten (Si, Gi) von in dem Gesichtsfeld des Beobachtungsgeräts liegenden, durch Abstandsmessung gewonnenen Punkten und den Steuerungen, die der Ablenkvorrichtung (24, 26) zuzuführen sind, um das Visiergerät mit diesen Punkten zur Fluchtung zu bringen, und
• - eine elektronische Einrichtung (38) zur Bestimmung dieser Korrespondenz aus von dem Abstandsmesser (14) gelieferten Signalen, der Ablenkvorrichtung zugeordneten Kodiermitteln (40, 42) und einem Ausgangssignal des Nulldetektors (32).

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung von einem Drehkeilpaar gebildet ist, dessen Prismen (24, 26) mit Winkelkodierern (40, 42) ausgestattet sind, die die Detektormittel bilden.

4. Gerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Visiergerät von einem Laser-Entfernungsmesser (28) gebildet ist, der einen Impuls-Laser für monochromatische Impulse aufweist, deren Emissionswellenlänge außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Beobachtungsgeräts (12) liegt.