DE7625628U1 - Vorrichtung zur messung der geschwindigkeit und/oder der bewegungsrichtung einer bildstruktur - Google Patents

Description

*' FIRMA CARL ZEISS, 7920 HEIDENHEIM (BRENZ)

Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung einer Bildstruktur

Die vorliegende Erfindung bebrifft eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsrichtung einer Bildstruktur. .

Eine solche Aufgabe tritt beispielsweise bei der Steuerung einer Luftbildkamera auf. Hier ist die Winkelgeschwindigkeit des tib.erflogenen Geländes und der Abdriftwinkel des Flugzeugs zu messen und daraus sind Steuergrößen für die Orientierung der Kamera und für die Zeitfolge der Aufnahmen abzuleiten.

Diese Messung wird üblicherweise mit einem sogenannten Überdeckungsregler vorgenommen. In diesem wird das überflogene Gelände auf eine Mattscheibe abgebildet, über die eine endlose Sprossenkette in gleicher Richtung wie der abgebildete Geländeausschnitt bewegt wird. Der Beobachter hat die Geschwindigkeit der Sprossenkette so einzustellen, daß sich die Sprossen mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen, wie das auf der Mattscheibe vorbeiziehende Geländebild. Zugleich hat er den Überdeckungsregler so zu drehen, daß die Sprossenkette parallel zur Bewegungsrichtung des Geländebildes ist.

Aus der Geschwindigkeit der Sprossenkette und dem Drehwinkel des Überdeckungsreglers werden die Größen v/h und \ gebildet, ν ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges über Grund, h die Höhe des Flugzeuges und '^ der Winkel zwischen Flugrichtung und Längsachse des Flugzeugs. Die Größen v/h und J( steuern dann die eigentliche Bildkamera.

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Es ist offensichtlich, daß ein solcher Oberdeckungsregler nicht automatisch arbeiten kann, sondern die ständige überwachung durch einen Beobachter benötigt.

Zur Entlastung des Beobachters ist es jedoch erwünscht, die Größen v/h und ^i automatisch zu messen.

Eine bekannte Lösung sieht zwischen dem Objektiv des Reglers und einem Photosensor einen Ortsfrequenzfilter vor. Aus der Modulationsfrequenz des Photostromes läßt sich dann bei bekanntem Filter der Wert v/h, nicht jedoch der Wert ή/L ableiten. Dies führt bei großen "}(-Werten zu Meßfehlern.

Bei einer anderen Lösung wird auf der Photokathode eines Photomultipliers ein bestimmtes Linienmuster abgetastet und die entsprechende Videoinformation gespeichert. Wandert nun dieses Muster, so werden das neue und das gespeicherte Video-Signal auf einen Korrelator gegeben, dessen Ausgangssignal das abzutastende Linienmuster über Ablenkspul an nachführt. Aus dem Nachführsignal werden die gesuchten Größen v/h und ^f. bestimmt.

Ein Gerät, das eine Messung nach dem beschriebenen Verfahren ermöglicht, benötigt einen sehr hohen konstruktiven und elektronischen Aufwand und findet allein schon wegen seines hohen Preises keine allgemeine Verwendung.

Es ist nun die Aufgabe der vorl i fi"n<.l--»n Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwind L<jk.,-i L und/oder Bewegungsrichtung einer Bildstruktur zu schaffen, die einfach aufgebaut ist, automatisch arbeitet und die in der Lage ist, auch bei sehr schnell bewegten Bildstrukturen die Werte v/h und J( mit hinreichender Genauigkeit zu liefern.

Bezüglich der Messung der Geschwindigkeit wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Zylinderlinsensystem so angeordnet ist, daß

seine wirksame Zylinderachse senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildstruktur liegt und daß in der Bildebene des Zylinderlinsen- | systems eine Anordnung vorgesehen ist, die ein der Verschiebege- jtj schwindigkeit der dort entstehenden Linienstrukturen proportionales Sional erzeugt.

Eine Zylinderlinse fokuösiert das von einem leuchtenden Punkt ausgehende Licht längs einer Linie, welche parallel zur Zylinderachse liegt. Bildet man deshalb eine Bildstruktur mittels einer Zylinderlinse ab, so ergibt sich in der Bildebene eine Linienstruktur. Der Helligkeitswert jeder Linie stellt das Integral über alle Einzelhelligkeiten längs dieser Linie dar. Bewegt sich nun die Zylinderlinse relativ zur abgebildeten Bildstruktur, so bewegen sich in der Bildebene verschieden helle Linien senkrecht zur Zylinderachse. Werden in der Bildebene zwei photooloktrische Empfänger senkrecht zur Zylinderachse versetzt angeordnet, so ergibt sich ein Signal, das der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstruktur proportional ist. Als Empfänger kann beispielsweise eine Differenzdiode verwendet werden. Diese besteht aus zwei voneinander getrennten lichtempfindlichen Bereichen und ist so angeordnet, daß die Bewegungsrichtung der Linienstruktur senkrecht zur Trennlinie zwischen den beiden lichtempfindlichen Bereichen verläuft.

Die beschriebene neue Vorrichtung reicht ohne weiteres aus, um bei schnell fliegenden Flugzeugen die Luftbildkamera zu steuern, da hier der Abdriftwinkel % vernachlässigbar klein ist. In diesem Fall ist die Vorrichtung so anzuordnen, daß die Zylinderachse des Zylinderlinsensystems gonau senkrecht zur Längsachse des Flugzeugs steht. Das von der Vorrichtung gelieferte Signal ist dann dem Wert v/h proportional, der zur Steuerung der Zeitfolge der Aufnahmen benötigt wird.

Bei Luftbildaufnahmen aus relativ langsam fliegenden Flugzeugen ist es notwendig, neben dem Wert v/h auch den Abdriftwinkel % zu bestimmen.

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neue Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und der Bengsrichtung einer Bildstruktur zeichnet sich dadurch aus, daß estens zwei Zylinderlinsensysteme so angeordnet sind, daß ihre ;samen Zylinderachsen, einen die Bewegungsrichtung einschlielen Winkel bilden, daß in der Bildebene jades Zylinderlinsen- :ems eine Anordnung vorgesehen ist, welche ein Signal erzeugt, der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse erfolgen-Verschiebung der dort entstehenden Linienstrukturen proportional und daß diese Signale einer Auswerteschaltung zugeführt sind.

>nders vorteilhaft ist es, ein drittes Zylinderlinsensystem so lordnen, daß seine wirksame Zylinderachse mit den Zylinderachsen beiden anderen Systeme gleiche Winkel bildet und daß auch die-Zylindersystem eine Anordnunq zugeordnet ist, welche ein Signal 2ugt, das der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse Dlgenden Verschiebung der Linienstrukturen proportional ist.

net man eine solche aus drei Zylinderlinsen bestehende Vortitung so an, daß die Senkrechte auf die Zylinderachse des tieren Linsensystems mit eier I3owe<iungsrichtung, beispielsweise der Längsachse eines Flugzeuges übereinstimmt, so wird aus Siqnalen dieses Systems die Bewegungsgeschwindigkeit, beielsweise die Größe v/h bestimmt, während aus den Signalen

beiden äußeren Zylindersysteme die Bewegungsrichtung, also spielsweise der Abdriftwinkel Ή bestimmt wird.

ist auch möglich, mit einer Vorrichtung, die aus zwei Zylinderisen besteht, welche die Bewo<|iiii<fr;i irhtung einschließen, soil die Geschwindigkeit als auch clic Bewegungsrichtung der BiId- :uktur zu bestimmen. In diesem Fall sind die den beiden Zylinderisensystemen zugeordneten Signale elektronisch entsprechend umrechnen .

ie Vorrichtung mit zwei Zylindersystemen kann auch auf einer torisch drehbaren Platte angeordnet sein. In diesem Fall ist c Ausgang der Auswerteschaltung mit dem Drehmotor verbunden.

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welcher fie Platte so lange dreht, bis das Signal von beiden Zylinderlinsensystemen genau gleich groß ist. Die Bewegungsrichtung stimmt dann mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Zylindersystemen überoin und aus deren Signalen läßt sich in einfacher Weise die Bewegungsgeschwindigkeit errrechnen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1-8 der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein mit einem ZyItnclerlinsensystem ausgestattetes Ausführungsbeispiel, das zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit einer Bildstruktur dient;

Fig. 2 die Vorrichtung nach Fig. 1 in der zu dieser Darstellung senkrechten Ebene gezeichnet;

Fig. 3 eine Zylinderlinse;

Fig. 4 eine zur Messung der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstruktur dienende Differenzdiode;

Fig. 5a - 5e Spannungs-Impulsdiaijramme zur Darstellung der Wirkungsweise der einer Differenzdiode nach Fig. 4

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Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit zwei Zylinderlinsensystemen;

Fig. 7 ein Ausführungsbeisp.Lul. t>lu·.". Vorrichtung mit drei Zylinderlinsensyatemen ;

Fig. 8 die Vorrichtung nach Fiq. 7 in Seitenansicht.

In Fig. 1 ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, wie sie zur Steuerung einer Luftbildkamera bei einem schnell-fliegenden

Flugzeug Verwendung finden kann. Dieses Flugzeug bewegt sich in einer Höhe h mit der Geschwindigkeit ν über dem Gelände 1. Im Flugzeug ist die neue Vorrichtung montiert, die aus einer Zylinderlinse 2 und Einern in deren Bildebene angeordneten Empfänger 3 sowie der nachfolgenden elektrischen Schaltung besteht.

Die in Fig. 3 gesondert dargestellte Zylinderlinse 3 wirkt in ihrem in Fig. 1 gezeigten Schnitt als Sammellinse, während sie in dem in Fig. 2 gezeigten Schnitt als Planplatte ohne Abbildungseigenschaften wirkt. Dadurch erzeugt die Zylinderlinse 2, die in Wirklichkeit aus Gründen der besseren Lichtausbeute als Zylinderlinsensystem ausgebildet ist, in der Bildebene Linienstrukturen, die parallel zur Zylinderachse 4 liegen. Diese Linienstrukturen entsprechen der Bildstruktur 1, wobei der Helligkeitswert jeder Linie das Integral über alle Einzelhelligkeiten der Bildstruktur längs dieser Linie darstellt. Wie ohne weiteres einzusehen ist, besteht das Bild in der Bildebene der Zylinderlinse also aus Linien unterschiedlicher HeLLigkeit.

Bewegt sich das Flugzeug mit der Geschwindigkeit v, so wandert in der Bildebene der Linse 2 die Linienstruktur mit der Geschwindigkeit V„ = γ- . f, wobei f die Brennweite der Zylinderlinse 2 ist. Das Bild bewegt sich also mit der Geschwindigkeit v_ über den Empfänger 3. Dieser ist, wie Fig. 4 zeigt, als Differenzdiode ausgebildet, die zwei um die Strecke s voneinander getrennte lichtempfindliche Bereiche 5 und 6 enthält.

Den Bereichen 5 und 6 sind die Wechse I '; hromverstärker 7 bzw. 8 nachgeordnet. Das von diesen Verstärkern erzeugte Signal ist in Fig. 5a in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Wie man erkennt, entsprechen sich die Spannungen U- und U~, sie sind jedoch um die Zeit t = s/v_ gegeneinander verschoben.

In den beiden Triggern 9 und 10 werden die Signale U₁ und U_ in Rechteckimpulse umgeformt, wie dies die Figuren 5b und 5c zeigen.

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Diese Signale werden dann im Vergleicher 11 in das Signal U₃ der Fig. 5d umgeformt, dessen Impulse eine Länge haben, die der Zeitverschiebung t zwischen den Signalen U₁ und U_ entspricht. Im Integrator 12 werden diese Impulse integriert, so daß jeweils am Ende eines Impulses eine Spannung U₄ entsteht, deren Amplitude dem Zeitwert t entspricht (Fig. 5e).

Das Signal der Figur 5e wird dann einer Auswerteschaltung 13 zugeführt, die mehrere Einzelsignale speichert und daraus den Mittelwert bildet. Dieser wird dann in ein Ausgangssignal umgeformt, das direkt dem gesuchten Wert v/h proportional ist und das demnach zur Steuerung einer nachgeordneten Luftbildkamera dienen kann.

Bewegt sich das Flugzeug so, daß auch der Abdriftwinkel '%■ zu berücksichtigen ist, so findet eine Vorrichtung Verwendung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Vorrichtung enthält zwei Zylinderlinsensysteme 15 und 16, d Le auf einer drehbaren Platte angeordnet sind. Die Senkrechten 18 und 19 auf die Zylinderachsen der beiden Zylinderlinsen 15 und 16 .schließen die Bewegungsrichtung 20 ein.

Bei der Bewegung der auszuwertenden Bildstruktur entstehen in den Bildebenen der Linsen 15 und 16 Liniensysteme, welche im dargestellten Beispiel aufeinander senkrecht stehen und die sich entlang der Richtungen 18 und 19 bewegen. Die Bewegung der Bildstruktur wird mittels dLeser Vorrichtung also in die Komponenten 18 und 19 zerlegt.

In den Bildebenen der Zylinderlinaen 15 und 16 sind Empfänger 21 und 22 angeordnet, die ebenso wie in Fig. 1 als Differenzdioden (Fiq. 4) ausgebildet sind. Die schematisch dargestellten Schaltungen 23 und 24 liefern also jeweils ein Signal, das der Bewegungsgeschwindigkeit der Linienstrukturen über die Empfänger 21 und 22 und damit den Geschwindigkeitsvektoren in Richtung der beiden Komponenten 18 und 19 proportional ist.

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Aus den Ausgangsspannungen der Schaltungen 23 und 24 läßt sich nun elektronisch direkt die Bewegungsgeschwindigkeit und der Abdriftwinkel % errechnen. Kommt es jedoch auf eine außerordentlich schnelle Steuerung der nachgeordneten Luftbildkamera nicht so sehr an, so werden die bei 23 und 24 gebildeten Komponenten-Signale einer Auswerteschaltung 25 zugeführt, die diese so umformt, daß sie zur Steuerung des Drehmotors 26 dient. Dieser dreht die Platte 17 in Richtung des Doppelpfeils 27 so lange, bis das Signal am Ausgang von 23 und 24 gleich groß ist. Aus den Signalen 23 und 24 wird der v/h-Wert errechnet; aus dem Drehwinkel der Platte ergibt sich % .

Bei dem in den Fig. 7 und 8 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung sind auf einer Platte 28 drei Zylinderlinsensysteme 29, 30 und 31 angeordnet. Die beiden Systeme 29 und 30 dienen wiederum, wie in Fig. 6 die Systeme und 16 zur Komponentenzerlegung der Bewegung der Bildstruktur in Richtung der Komponenten 32 und 33. Die dritte Zylinderlinse 31 ist so engeordnet, daß die Senkrechte 34 auf ihrer Zylinderachse mit den beiden Komponentenrichtungen 32 und 33 gleiche ' Winkel bildet.

■- Das durch die Zylinderlinsen 29, 30, 31 tretende Licht wird

ι mittels der Rohre 38, 39, 40 voneinander getrennt und fällt auf

die in der Bildebene angeordneten Empfänger 35, 36, 37. Auch diese

' Empfänger sind jeweils wieder als DifCerenzdiode ausgebildet. Das

von den Empfängern gelieferte Signal wird einer hier schematisch

^: mit 41 bezeichneten Schaltung ζιι<ι·'ί Hin I , welche das geforderte

Ausgangssignal erzeugt.

; Beim Einsatz der in Fig. 7 und 8 dargestellten Vorrichtung zur ; Steuerung einer nachgeordneten Luftbildkamera wird die Vorrichtung so an das Flugzeug montiert, daß die Bewegungsrichtung mit der Längsachse des Föugzeuges übereinstimmt. Bei schnellfliegenden Flugzeugen, bei denen der Abdriftwinkel Ii keine großen _;1 Werte ( %. < 4°) einnimmt, kann aus dem vom Zylinderlinsensystem erzeugten Signal direkt der Wert v/h gewonnen, während aus den If Signalen der Systeme 29 und 30 der Abdriftwinkel % errechnet wird.

Mit Hilfe der neuen Vorrichtung gelingt es erstmals, die Bewegungsgeschwindigkeit einer Bildstruktur mit einfachen Mitteln in vorgegebene Komponenten zu zerlegen. Die neue Vorrichtung findet damit besonders vorteilhafte Anwendung als automatischer Überdeckungsregler zur Steuerung nachgeordneter Luftbildkameras. Sie arbeitet vollautomatisch und so schnell, daß sie auch in schnellen, tieffliegenden Flugzeugen Anwendung findet.

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Claims (4)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Bildstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderlinsensystem (2) mit seiner wirksamen Zylinderachse (4) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildstruktur angeordnet ist, und daß in der Bildebene dieses Zylinderlinsensystems (2) zwei senkrecht zur Zylinderachse weg-versetzte photoelektrische Empfänger (5,6) angeordnet und über Verstärker (7,8) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

2. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung einer Rildstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zylindersysteme (15,16) so angeordnet sind, daß ihre wirksamen Zylinderachsen einen die Bewegungsrichtung (20) einschließenden Winkel bilden, daß in der Bildebene jedes Zylinderlinsensystem zwei senkrecht zur Zylinderachse weg-versetzte photoelektrische Empfänger angeordnet und über Verstärker mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Zylinderlinsensystem (11) so angeordnet ist, daß seine wirksame Zylinderachse mit den Zylinderachsen der beiden anderen Systeme (29,30) gleiche Winkel bilden und daß in der Bildebene dieses Zylindersystems zwei senkrecht zur Zylinderachse weg-versetzte photoelektrische Empfänger angeordnet und über Verstärker mit der den beiden anderen Zylinderlinsensysteme (29,30) zugeordneten Auswerteschaltung verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen (15,16) auf einer mittels eines Motors (26) drehbaren Platte (17) angeordnet sind und daß der Ausgang der Auswerteschaltung (25) mit diesem Drehmotor (26) verbunden ist.