DE2636769B1 - Vorrichtung zur messung der geschwindigkeit und/oder der bewegungsrichtung einer bildstruktur - Google Patents

Description

Verschiebegeschwindigkeit der dort entstehenden Linienstrukturen proportionales Signal erzeugt.

Eine Zylinderlinse fokussiert 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 photoelektrische 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 κ vernachlässigbar klein ist. In diesem Fall ist die Vorrichtung so anzuordnen, daß die Zylinderachse des Zylinderlinsensystems genau 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 κ zu bestimmen.

Die neue Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung einer Bildstruktur zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens zwei Zylinderlinsensysteme so angeordnet sind, daß ihre wirksamen Zylinderachsen, einen die Bewegungsrichtung einschließenden Winkel bilden, daß in der Bildebene jedes Zylinderlinsensystems eine Anordnung vorgesehen ist, welche ein Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse erfolgenden Verschiebung der dort entstehenden Linienstrukturen proportional ist und daß diese Signale einer Auswerteschaltung zugeführt sind.

Besonders vorteilhaft ist es, ein drittes Zylinderlinsensystem so anzuordnen, daß seine wirksame Zylinderachse mit den Zylinderachsen der beiden anderen Systeme gleiche Winkel bildet und daß auch diesem Zylindersystem eine Anordnung zugeordnet ist, welche ein Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse erfolgenden Verschiebung der Linienstrukturen proportional ist.

Ordnet man eine solche aus drei Zylinderlinsen bestehende Vorrichtung so an, daß die Senkrechte auf die Zylinderachse des mittleren Linsensystems mit der Bewegungsrichtung, beispielsweise mit der Längsachse eines Flugzeuges, übereinstimmt, so wird aus den Signalen dieses Systems die Bewegungsgeschwindigkeit, beispielsweise die Größe v/h, bestimmt, während aus den Signalen der beiden äußeren Zylindersysteme die Bewegungsrichtung, also beispielsweise der Abdriftwinkel κ, bestimmt wird.

Es ist auch möglich, mit einer Vorrichtung, die aus zwei Zylinderlinsen besteht, weiche die Bewegungsrichtung einschließen, sowohl die Geschwindigkeit als auch die Bewegungsrichtung der Bildstruktur zu bestimmen.

In diesem Fall sind die den beiden Zylinderlinsensystemen zugeordneten Signale elektronisch entsprechend umzurechnen.

Eine Vorrichtung mit zwei Zylindersystemen kann auch auf einer motorisch drehbaren Platte angeordnet sein. In diesem Fall ist der Ausgang der Auswerteschaltung mit dem Drehmotor verbunden, welcher die Platte so lange dreht, bis das Signal von beiden Zylinderlinsensystemen genau gleich groß ist. Die Bewegungsrichtung

ίο stimmt dann mit der Winkelhalbierenden zwischen den beiden Zylindersystemen überein und aus deren Signalen läßt sich in einfacher Weise die Bewegungsgeschwindigkeit errechnen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der F i g. 1

i) bis 8 der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein mit einem Zylinderlinsensystem ausgestattetes Ausführungsbeispiel, das zur Messung der Bewegungsgeschwindigkeit einer Bildstruktur dient,

F i g. 2 die Vorrichtung nach F i g. 1 in der zu dieser Darstellung senkrechten Ebene gezeichnet,
F i g. 3 eine Zylinderlinse,

F i g. 4 eine zur Messung der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstruktur dienende Differenzdiode,

Fig.5a bis 5e Spannungs-Impulsdiagramme zur Darstellung der Wirkungsweise der einer Differenzdiode nach F ι g. 4 nachgeordneten Schaltung nach F i g. 1, F i g. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit zwei Zylinderlinsensystemen,

F i g. 7 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit drei Zylinderlinsensystemen,
F i g. 8 die Vorrichtung nach F i g. 7 in Seitenansicht.
In F i g. 1 ist schematisch eine Vorrichtung dargestellt, wie sie zur Steuerung einer Luftbildkamera bei einem schnellfliegenden Flugzeug Verwendung finden kann. Dieses Flugzeug bewegt sich in einer Höhe h mit der Geschwindigkeit rüber dem Gelände 1. Im Flugzeug ist die neue Vorrichtung montiert, die aus einer Zylinderlinse 2 und einem in deren Bildebene angeordneten Empfänger 3 sowie der nachfolgenden elektrischen Schaltung besteht.

Die in F i g. 3 gesondert dargestellte Zylinderlinse 3 wirkt in ihrem in F i g. 1 gezeigten Schnitt als Sammellinse, während sie in dem in F i g. 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 2 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 vb = -jr · f,

wobei /die Brennweite der Zylinderlinse 2 ist. Das Bild bewegt sich also mit der Geschwindigkeit vb 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 Wechselstromverstärker 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 t/2, sie sind jedoch um die Zeit t— s/vßgegeneinander verschoben.

In den beiden Triggern 9 und 10 werden die Signale U\ und £/2 in Rechteckimpulse umgeformt, wie dies die F i g. 5b und 5c zeigen.

Diese Signale werden dann im Vergleicher 11 in das Signal t/3 der F i g. 5d umgeformt, dessen Impulse eine Länge haben, die der Zeitverschiebung t zwischen den Signalen U\ und t/2 entspricht. Im Integrator 12 werden diese Impulse integriert, so daß jeweils am Ende eines Impulses eine Spannung t/4 entsteht, deren Amplitude dem Zeitwert t entspricht (F i g. 5e).

Das Signal der Fig.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 κ zu berücksichtigen ist, so findet eine Vorrichtung Verwendung, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist. Diese Vorrichtung enthält zwei ZylinderlinseBsysteme 15 und 16, die auf einer drehbaren Platte 17 angeordnet sind. Die Senkrechten 18 und 19 auf den 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 dieser Vorrichtung also in die Komponenten 18 und 19 zerlegt.

In den Bildebenen der Zylinderlinsen 15 und 16 sind Empfänger 21 und 22 angeordnet, die ebenso wie in F i g. 1 als Differenzdioden (F i g. 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.

Aus den Ausgangsspannungen der Schaltungen 23 und 24 läßt sich nun elektronisch direkt die Bewegungsgeschwindigkeit und der Abdriftwinkel κ 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 κ.

ίο Bei dem in den Fig.7 und 8 dargestellten 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 F i g. 6 die Systeme 15 und 16, zur Komponentenzerlegung der Bewegung der Bildstruktur in Richtung der Komponenten 32 und 33. Die dritte Zylinderlinse 31 ist so angeordnet, 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 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 Differenzdiode ausgebildet. Das von den Empfängern gelieferte Signal wird einer hier schematisch mit 41 bezeichneten Schaltung zugeführt, 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 34 mit der Längsachse des Flugzeuges übereinstimmt. Bei schnellfliegenden Flugzeugen, bei denen der Abdriftwinkel κ keine großen Werte (κ<4°) einnimmt, kann aus dem vom Zylinderlinsensystem 31 erzeugten Signal direkt der Wert v/h gewonnen, während aus den Signalen der Systeme 29 und 30 der Abdriftwinkel κ 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 Überdekkungsregler zur Steuerung nachgeordneter Luftbildkameras. Sie arbeitet vollautomatisch und so schnell, daß sie auch in schnellen, tieffliegenden Flugzeugen Anwendung findet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten Bildstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zylinderlinsensystem (2) so angeordnet ist, daß seine wirksame Zylinderachse (4) senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildstruktur liegt und daß in der Bildebene des Zylinderlinsensystems (2) eine Anordnung (3) vorgesehen ist, die ein der Verschiebegeschwindigkeit (vb) der dort entstehenden Linienstrukturen proportionales Signal erzeugt.

2. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung einer Bildstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zylinderlinsensysteme (15, 16) so angeordnet sind, daß ihre wirksamen Zylinderachsen einen die Bewegungsrichtung (20) einschließenden Winkel bilden, daß in der Bildebene jedes Zylinderlinsensystems eine Anordnung (21,22) vorgesehen ist, welche ein Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse erfolgenden Verschiebung der dort entstehenden Linienstrukturen proportional ist, und daß diese Signale einer Auswerteschaltung (23, 24, 25) zugeführt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Zylinderlinsensystem (31) so angeordnet ist, daß seine wirksame Zylinderachse mit den Zylinderachsen der beiden anderen Systeme (29, 30) gleiche Winkel bildet und daß auch diesem Zylindersystem eine Anordnung (36) zugeordnet ist, welche ein Signal erzeugt, das der Geschwindigkeit der senkrecht zur Zylinderachse erfolgenden Verschiebung der Linienstrukturen proportional ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen (15, 16) auf einer motorisch drehbaren Platte (17) angeordnet sind und daß der Ausgang der Auswerteschaltung (25) mit einem Drehmotor (26) verbunden ist, der die Platte (17) so lange dreht, bis die Signale der die Bewegungsrichtung der Bildstruktur einschließenden Zylinderlinsensysteme (15,16) gleich groß sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Anordnung zur Erzeugung eines der Verschiebegeschwindigkeit der Linienstrukturen proportionalen Signals zwei senkrecht zur Zylinderachse wegversetzte photoelektrische Empfänger (z. B. Differenzdiode) (3) enthält, über deren voneinander getrennte lichtelektrisch empfindliche Bereiche (5,6) sich die Linienstruktur bewegt und deren Ausgang über Verstärker (7,8) mit der Auswerteschaltung (9, 10,11,12,13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Messung der Größe v/h und des Abdriftwinkels κ eines sich mit der Geschwindigkeit ν in der Höhe h bewegenden Flugzeuges.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Zylinderlinsensystem (31) fest so angeordnet ist, daß die Senkrechte (34) auf seine Zylinderachse die Bewegungsrichtung des Flugzeugs ist und daß aus den Signalen dieses Systems die Größe v/h und aus den Signalen der beiden äußeren Zylinderlinsensysteme (29, 30) der Abdriftwinkel κ bestimmt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft 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 überflogenen Geländes und der Abdriftwinkel des Flugzeugs zu messen und daraus sind Steuergrößen für die Orientierung der Kamera und für die Zeitfolge der Aufnahmen abzuleiten.

ίο 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 κ gebildet, ν ist die Geschwindigkeit des Flugzeuges über Grund, h die Höhe des Flugzeuges und κ der Winkel zwischen Flugrichtung und Längsachse des Flugzeugs. Die Größen v/h und κ steuern dann die eigentliche Bildkamera.

Es ist offensichtlich, daß ein solcher Überdeckungsregler 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 κ 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 κ ableiten. Dies führt bei großen κ-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 Ablenkspulen nachführt. Aus dem Nachführsignal werden die gesuchten Größen v/h

so und κ 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 vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit 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 κ mit hinreichender Genauigkeit zu liefern.

Bezüglich der Messung der Geschwindigkeit wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Zylinderlinsensystern so angeordnet ist, daß seine wirksame Zylinderachse senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildstruktur liegt und daß in der Bildebene des Zylinderlinsensystems eine Anordnung vorgesehen ist, die ein der