JP4202142B2 - ジンバルに支持された走査システムおよび方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査システムおよび方法、特にジンバルに支持された反射表面を一定の速度で走査する走査システムおよび方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査センサは監視および偵察のために現在、軍用として使用されている。特に走査センサは通常（視界内の空全体等の）広い視界（以後“ＦＯＲ”と略す）内の（空の一部等の）所望の視界（以後“ＦＯＶ”と略す）を調査するために使用される。走査センサは例えば光偵察ビークルまたは船等の静止構造に取り付けられてもよい。
【０００３】
走査センサは利用可能なＦＯＲを最大にするために高い位置、例えばマスト上等に取付けられてもよい。走査方向の変更はマスト上にねじれモーメントを誘起させ、それはその結果としてねじれモーメントを打消すための反動質量を必要とし、エネルギの要求が必要であり、最大の走査速度を減少させる。走査方向の変更により発生されるねじれモーメントはまた、故障の危険性を減少するためさらに強力で重量のある高価なマストを必要とする。
【０００４】
走査センサが一定速度またはＦＯＶ外の加速された速度で完全に３６０度回転するならば、実質的な時間はＦＯＶ外に延長される。ＦＯＶ内での走査に必要とする時間を最少にするために、ＦＯＶのエッジで走査方向を反対にするスキャナが開発されている。走査方向の反転はシステムが迅速に減速し、停止し、方向を反転し、走査速度まで加速されることを必要とする。しかしながら方向の変更は減速および加速期間中に移動する距離により走査されることができる最大のＦＯＶを減少させる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は走査方向を反転せずに一定の速度で所望のＦＯＲの走査を可能にする走査システムおよび方法を提供する。本発明を使用する走査システムはジンバルに支持され間接連結された反射表面を使用して一定の走査速度で所望のＦＯＲを走査することができる。反射表面の間接連結はＦＯＲの損失を最小にしまたはなくし、マスト上の過剰なねじれモーメントを打消すための反動質量の必要性を最小にしまたはなくし、パワー消費を減少させる。それは走査中に減速、方向の反転、加速の必要性がないからである。走査方向を反転するのではなく反射表面を間接連結することによって、システムは簡単にされ、システムの耐久性の増加にもつながることが予測される。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の１特徴にしたがって、観察しようとする視界を走査するシステムは、イメージを感知する手段と、イメージを視界から感知する手段へ導く手段とを含んでいる。この導く手段は２つのほぼ平行な軸を中心に回転可能な反射表面を含んでいる。
【０００７】
本発明の１以上の実施形態によれば、平行な軸は中心軸と、この中心軸から間隔を隔てられ中心軸を中心に回転可能な調節軸を含んでおり、感知する手段は、センサパッケージを含み、反射表面はミラーであり、反射表面は調節軸に直交する高低角軸を中心に回転可能であり、この高低角軸は調節軸に対して垂直であり、反射表面は中心軸に垂直なフリップ軸を中心に回転可能であり、または中心軸は垂直である。
【０００８】
本発明の１実施形態によれば、システムはさらに中心軸を中心に回転可能なタレット部分と、タレット部分に取付けられタレット部分に関して回転可能なサイト部分とを有するハウジングをさらに含んでいてもよく、反射表面はサイト部分内のジンバルに取付けられ、ジンバルは高低角軸と調節軸を中心に独立して回転可能な部分を含んでおり、および、またはサイト部分はタレット部分に関してフリップ軸を中心に回転可能である。
【０００９】
本発明の別の特徴によれば、マストを有するビークルと、センサパッケージを有する走査システムとの組合わせは、イメージを観察しようとする視界からセンサパッケージへ導くためにほぼ平行な軸を中心に回転可能なミラーを含んでいる。
【００１０】
本発明の１以上の実施形態によれば、１つの回転軸は実質上マストの縦軸に整列され、および、または他の回転軸はマストの縦軸からオフセットされている。
【００１１】
本発明のさらに別の特徴によれば、視界の走査方法ではイメージを感知するためのセンサパッケージへ視界からイメージを導くために２つのほぼ平行な軸を中心に反射表面を回転する。
【００１２】
本発明の１以上の実施形態によれば、回転は垂直軸を中心とする回転を含み、回転は中心軸と、それにほぼ平行な調節軸を中心にする回転とを含んでおり、中心軸を中心とする回転は実質上連続的な回転を含み、中心軸を中心とする回転は実質上一定の速度の回転を含んでいる。回転は調節軸を中心とする回転を含み、１８０度の視界からのイメージをセンサパッケージへ導くために中心軸を中心とする回転に関する速度で回転させる。回転はさらに高さの調節を行うために調節軸に垂直な高低角軸を中心とする回転を含み、回転は視界全体が走査されるまで高低角軸を中心にミラーを段階的に回転することによりミラーをインデックスする。回転は毎秒６０度の速度で中心軸を中心に回転し、回転は中心軸を中心とする各回転の少なくとも一部を１秒当たり約６度の速度による調節軸を中心とする回転を含み、回転は約１５度の範囲の調節軸を中心とする回転を含み、および、または回転は毎秒約３０度の速度の調節軸を中心とする回転を含んでいる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の前述およびその他の特徴を以後詳細に説明し、特に特許請求の範囲で指摘する。以下の説明および添付図面は本発明のある例示的な実施形態について詳細に説明するが、この実施形態は本発明の原理が使用されることのできる種々の方法の１つを示したものである。
本発明は走査方向を反転せずに一定の速度でＦＯＲを走査することを可能にする走査システムおよび方法を提供する。本発明により与えられる走査システムは主軸を中心とする回転方向を反転せずにＦＯＲを走査するために一定の速度で主軸を中心に回転するジンバルで設置された反射表面を使用する。ジンバルにより支持された反射表面は主軸を中心とするそれぞれの回転期間中に最大量の時間でＦＯＲ方向へ反射表面を向けるように主軸に平行な軸を中心に間接連結されることができる。
【００１４】
図面について、最初に図１、２を詳細に参照すると、走査システム10の例示的な実施形態が、高い位置にシステムが取付けられているマスト14を有するビークル12と組合わせて示されている。ビークルは船、航空機、ヘリコプター、およびタワーまたはビルディング等の静止構造であってもよい。高い位置に走査システムを位置付けることは通常、走査される区域の範囲を拡大する。
【００１５】
システム10は以後ミラーと呼ぶ反射性の表面20を含んでいるが、（プリズム等の）反射性表面または反射面を有する他の装置が使用されてもよい。ミラーは調節軸24および高低角軸26を中心に独立に回転するためにジンバル22に取付けられている。高低角軸は調節軸に直交し、調節軸にほぼ垂直である。視線28に沿って位置するイメージから、ミラーは反射されたイメージを反射線31に沿ってセンサパッケージ30方向に導く。
【００１６】
センサパッケージ30は反射されたイメージを感知するための少なくとも１つのセンサ（図示せず）を含んでおり、反射されたイメージを解析するためのプロセッサ（図示せず）を含んでもよい。イメージ解析のためのプロセッサはよく知られている。センサパッケージはまた反射線31から反射イメージをさらに誘導するために付加的な反射表面20を含んでもよい。
【００１７】
システム10はミラー20を制御可能に動かすコンポーネントを含んでいる制御アセンブリ（図示せず）をさらに含んでいる。図示されたシステムでは、ミラー20、センサパッケージ30、制御アセンブリはハウジング32内に取付けられている。ハウジングはジンバルに取付けられたミラー20と、主軸または中心軸38を回転可能なタレット部分またはタレット36を含むサイト部分34（ここでは“サイト”とも呼ばれる）を含んでいる。ミラーは調節軸24がタレットの中心軸に実質上平行およびそこから隔てられるようにサイトに取付けられている。サイトは中心軸にほぼ垂直なフリップ軸40を中心として回転するためにタレットに取付けられている。サイトは視線28に沿ってＦＯＲ中のイメージからミラー20へアクセスを与えるためのウィンドウ42も有する。図示された実施形態では、センサパッケージはフリップ軸40と中心軸38との交差点近くのタレットに位置されている。しかしながらセンサパッケージの１以上のコンポーネントはサイト内に位置されてもよい。さらに、制御アセンブリの１以上のコンポーネントおよび／またはセンサパッケージは遠隔的に位置されてもよい。例えば制御アセンブリおよび／またはセンサパッケージのコンポーネントはビークル12内に位置されてもよい。
【００１８】
種々の軸の相対的な方向付けが図２で概略して示されている。図示された実施形態では、中心軸38はほぼ垂直であり、調節軸24からオフセットされ、それに平行である。フリップ軸40は中心軸38に垂直であり、したがってほぼ水平である。高低角軸26は調節軸24に垂直であり、したがってほぼ水平である。回転の種々の軸の相対位置が維持されるべきであるが、システム10の方向付けは所望の使用に応じて変更されてもよい。ジンバル22とミラー20がハウジング32のサイト部分34（図１）内に取付けられているので、ジンバルとミラーの両者はサイト34の回転によりフリップ軸を中心に回転する。さらに、サイトと、ジンバルに支持されたミラーはタレット36（図１）の回転により中心軸を中心に回転する。システムは視線28に沿ってＦＯＲからのイメージを反射するようにミラーの方位を定める。ミラーは反射線31に沿って反射されたイメージをセンサパッケージ30の方向へ誘導する。反射線は通常フリップ軸40に整列されまたはそれに平行である。システム10の動作を図３のＡ、Ｂ、Ｃを補助に図４を参照して説明する。本発明は一定の速度で所望のＦＯＲを走査する能力を与える。換言すると、タレット36とサイト34、したがってジンバルに支持されたミラー20は中心軸38を中心とする回転方向を反転せずにシステム10の動作中に一定の角速度で中心軸38を中心に回転する。図示された実施形態では、この方向は反時計回りであるが、時計回りでもよい。
【００１９】
本発明にしたがって、サイト34に関するミラー20の方位は中心軸38を中心とする回転と独立して制御可能である。特に図４を参照すると、ミラーの動作は２つの相に分解され、各相はさらに走査期間とフリップ期間に分割される。第１の走査期間50中に、ミラーは一定の速度で調節軸24を中心に中心軸の回転と同一方向（即ち図示の実施形態では反時計回り）に回転して、ＦＯＲ内の所望のＦＯＶを走査する。フリップ期間中、サイト、したがってジンバルで支持されたミラー20はフリップ軸40を中心に１８０度回転する。
【００２０】
サイト34がフリップオーバーしている時間中に、サイトは中心軸38を中心に回転し続ける。この時間中に調節軸24を中心とするミラー20の方位に対する調節が行われないならば、ミラーはＦＯＶの端部エッジを向かず、ＦＯＶの一部はサイトがフリップを完了するまで視線28外を通過し続ける。例えば、サイトが約１／２秒でフリップインし、中心軸を中心とする回転が一定して１秒当たり６０度であるならば、フリップ中に３０度が最大のＦＯＲから失われる。
【００２１】
ＦＯＲを最大にするため、ミラー20はフリップ期間中に加速され、それによってフリップ期間の最後にＦＯＶの端部エッジ方向へミラーを向けるように計算された調節角度によってミラーを間接連結または調節軸24を中心として回転する。調節角度によるミラーの間接連結はフリップ期間と、中心軸38を中心とする回転速度および方向の関数である。第１のフリップ期間52中、調節角度は正、即ち反時計回り方向である。ミラー20はまた次にＦＯＶを通過する前のフリップ期間に高低角軸26を中心として回転可能にインデックス54される（通常は段階的な方法で上げられたまたは下げられる）。ミラーは同時に間接連結され、インデックスされ、フリップされることができる。代わりに、これらのステップは逐次的に行われ、それによってこれらのステップの結末では、ミラーはＦＯＶ全体を走査するように方向付けされる。さらに、ミラーを１８０度プラス／マイナス高低角度だけフリップし、それによって高低角軸を中心とするインデックスされた回転の必要性を無くすことが実際的である。
【００２２】
第２の相では、第２の走査期間56は実質上第１の走査期間50と同一である、第１のフリップ期間52と同様に、第２のフリップ期間60の調節角度はフリップ期間と中心軸38を中心とする回転の速度および方向の関数である。しかしながら、第２のフリップ期間60では、ミラー20は負の調節角度により調節軸24を中心に回転される。ミラーを所望の負の調節角度へ回転するため、ミラーは調節角度よりも小さい３６０度の角度により加速される。代わりに、調節軸を中心とするミラーの回転は停止され、負の調節角度によりミラーを動かすように反転される。調節軸を中心とするミラーの回転方向を反転することは、中心軸38を中心に回転するハウジング32のより大きなマスとジンバルで支持されたミラー20を共に反転するよりも小さいモーメントを生成する。
【００２３】
第２の相の終了時に、ミラー20は第１の相を反復する前に、再度次の高低角度へ高低角軸26を中心として回転可能にインデックス62されてもよい。要約すると、本発明により与えられるシステム10は一定の速度で最大にされたＦＯＲ内で所望のＦＯＶを連続的に走査することができ、フリップ軸40を中心としてミラー20をフリップするために必要とされる時間にのみ中断される。
【００２４】
システム10の動作の特別な例を図３のＡ乃至Ｄを参照して説明する。図３のＡ乃至Ｄの参照で使用されている用語“垂直”は説明の目的でのみページの図面を参照するために使用されるものであり、実際の使用においてシステムの特別の方向付けを必要とするものではない。この例の目的では、タレット36は１秒当たり６０度の速度で反時計回りに中心軸38を中心に回転する。サイト34は１／２秒で１８０度フリップし、ミラー20とサイトはフリップ期間中に約３０度の角度範囲で中心軸を中心に回転する。走査中、ミラーは１秒に約６度で調節軸24を中心に回転する。ミラーは調節軸と中心軸を中心に同一方向で回転し、１秒当たり７２度の走査速度を与える。したがって、他の速度および視界が本発明にしたがって選択されてもよい。
【００２５】
ＦＯＲ内で選択されるＦＯＶのサイズに応じて、走査はＦＯＶによりスキャンまたはバーと呼ばれる約２から約８の間の水平掃引により完了されてもよい。ミラー20はバー間で高低角軸26を中心としてミラーをインデックスすることにより新しい高低角度まで上げられる。図３のＡ乃至Ｄはページの上部方向を中心とする１８０度のＦＯＶを走査するときのシステム10の種々の指向方向の平面図を表している。図３のＡでは、システムは第２の相の走査の終了に到達し、（垂直から）左方向（即ち視線28はミラー20から左へ延在する）へ９０度の方向を観察している。ミラーと垂線は約４５度のミラー角度72を形成する。次の（第１の相の）走査を開始するために右へ９０度の方向を観察するために、ミラーはフリップ期間に調節軸24を中心に負の１５度の調節角度で回転されなければならない。
【００２６】
図３のＢで示されているように、第１の走査期間が開始するとき、ミラー20から中心軸38までの反射線31と垂線は３０度のタレット角度74を形成する。ミラーと垂線との間のミラー角度72は６０度である。走査期間中、ミラーは１秒当たり６度の一定の速度で回転し、中心軸を中心とする回転と同一方向（反時計回り）で調節軸24を中心にして回転する。結果として、システムは１秒当たり７２度の速度でＦＯＶを走査する。
【００２７】
システム10が一度ＦＯＶ全体を走査すると、ミラー20は図３のＣで示されているように再度左へ９０度の方向を向いている。このとき、ミラー角度72は４５度であり、フリップ期間の終了時には右へ９０度の方向を向いているために、ミラー20は１５度の正の調節角度だけ回転されなければならない。図３のＤで示されているように第２の相の走査の開始時に、視線28はミラー20から右へ延在し、これは垂線に関して６０度のミラー角度72である。反射線31と垂線が垂線に関して３０度のタレット角度74を形成する。プロセスはＦＯＶ全体が走査されるまで反復される。全体的なプロセスはＦＯＶの連続的な走査に対して反復されてもよい。
【００２８】
前述の説明と添付図面から理解されることができるように、本発明は走査方向を反転せずに一定の速度で所望のＦＯＶを走査することを許容する走査システムと方法を提供する。反射表面の間接連結はフリップ軸を中心とするミラーのフリッピングに費やす時間中のＦＯＲの損失を最少にしまたは無くし、さらに大きい最大のＦＯＲを許容する。走査方向の反転ではなく反射表面の回転はシステムを簡単にし、したがって恐らくシステムの耐久性を強化する。
【００２９】
ある図示された実施形態に関して本発明を示し説明したが、明細書と添付図面を読み理解することによって、これに等価の変形および変更が当業者によって行われよう。特に先に説明した完全体（コンポーネント、アセンブリ、装置、コンポジション等）により行われる種々の機能に関して、このような完全体の説明に使用される用語（“手段”を含む）は、本発明のここで示した実施形態の機能を実行する説明した構造に構造的に等価でなくても、特別な機能を実行する任意の完全体に対応すること（即ち機能的に同等）を意図するかあるいは別の方法で示されることを説明するために使用される。さらに、本発明の特別な特徴を幾つかの図示された実施形態のただ１つに関して前述したが、任意の所定または特定の応用で所望されるかまたは有効であるように、このような特徴を他の実施形態の１以上の特徴と結合されることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にしたがったビークル上のマストに取付けられた例示的な走査システムの側面図。
【図２】 図１で示されている走査システムにおける間接連結およびジンバルが設けられている反射表面の概略斜視図。
【図３】 １８０°視界を走査しながら種々の点における反射表面の方位を示した走査システムの概略平面図。
【図４】 本発明にしたがった間接連結およびジンバルに支持されている反射表面を使用する例示的な方法を示したフローチャート。

Claims (7)

1. 視界を走査するシステムにおいて、
   イメージを感知する手段（30）と、イメージを観察しようとする視界から感知する手段へ導く手段とを含んでおり、
   前記導く手段は、前記イメージを感知する手段（30）の中心軸（38）に平行な調節軸（24）と、調節軸に直交し調節軸に垂直な高低角軸（26）と、中心軸に垂直なフリップする軸（40）とを有し、これらの調節軸、高低角軸、フリップする軸を中心に回転可能に構成された反射表面（20）を具備し、前記反射表面（20）は、前記イメージを感知する手段（30）の中心軸（38）を中心に回転可能に構成され、さらに前記反射表面はフリップする軸を中心に１８０度回転されるように構成されていることを特徴とするシステム。
2. 中心軸（38）を中心に回転可能なタレット部分（36）と、タレット部分に取付けられタレット部分に関して回転可能なサイト部分（34）とを有するハウジング（32）をさらに備えている請求項１記載のシステム。
3. サイト部分（34）はタレット部分（36）に関してフリップする軸（40）を中心に回転可能である請求項２記載のシステム。
4. ビークル（14）とビークルに取付けられた請求項１乃至３のいずれか１項記載の走査システム（10）との組合わせ。
5. イメージを感知するためのセンサパッケージ（30）へ観察しようとする視界からイメージを導くための反射表面（20）を備え、
   この反射表面（20）を、前記センサパッケージ（30）の中心軸（ 38 ）に平行な調節軸（24）と、調節軸に直交し調節軸に垂直な高低角軸(26)とを中心に回転させ、さらに前記反射表面（20）を前記センサパッケージ（30）の中心軸（38）を中心に回転させ、さらに反射表面を中心軸に垂直なフリップする軸（ 40 ）を中心に１８０度回転させて視界を走査する方法。
6. 中心軸（38）を中心とする回転は実質上連続的な回転を含んでいる請求項５記載の方法。
7. 中心軸（38）を中心とする回転は実質上一定の速度の回転であることを含んでいる請求項５記載の方法。

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