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TW201504658A - 光源位置偵測系統 - Google Patents

光源位置偵測系統 Download PDF

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TW201504658A
TW201504658A TW103109970A TW103109970A TW201504658A TW 201504658 A TW201504658 A TW 201504658A TW 103109970 A TW103109970 A TW 103109970A TW 103109970 A TW103109970 A TW 103109970A TW 201504658 A TW201504658 A TW 201504658A
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TW
Taiwan
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light
sensor
light source
relative
processor
Prior art date
Application number
TW103109970A
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English (en)
Inventor
Robert B Atac
Eric Foxlin
Original Assignee
Thales Visionix Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Thales Visionix Inc filed Critical Thales Visionix Inc
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Abstract

本發明之各面向與追踪一第一物體定位之系統、方法及電腦程式產品有關。該系統包含一發光裝置，其位在相對於一第二物體之一固定預定位置；一感測器，其具有被組構成接收來自該發光裝置所發出入射光之一光偵測器陣列，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及被耦合至該光偵測器陣列之一處理器，該處理器被組構成根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之入射光之一角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。

Description

光源位置偵測系統
本專利申請案為非臨時專利申請案第13/559,332號之部分連續案(Continuation-in-Part)，其係於2012年7月26日提出，名稱為「感測方向及距離(Sensing Direction and Distance)」，該非臨時專利申請案主張2011年7月26日所提出之臨時申請案第61/511,811號之優先權，本專利申請案亦主張臨時申請案第61/798,733號之優先權，其係於2013年3月15日提出，名稱為「光源位置偵測系統(System for Light Source Location Detection)」；上開各申請案已讓與本專利申請案之受讓人，且上開各申請案之全部內容茲以此參照方式納入本說明書。
本發明之各面向一般而言與光源位置偵測有關，詳細而言，本發明之各面向與砲火偵測系統及頭盔定位偵測系統有關。
依照本發明之一面向，一偵測一光源之系統可包含：一外殼，其設有一正面及一背面，該背面與該正面相對且與該正面隔開；一光 偵測器陣列，其有至少兩個光點(pixels)位於該外殼內部之該背面側壁；一開孔，其延伸穿過該外殼之正面，該開孔與該光偵測器陣列相隔之距離相當於該開孔之尺寸，且被組構成使該光偵測器陣列曝露於來自該發光裝置之入射光下；以及一處理器，其被耦合至該複數個光電管並被組構成偵測該光源。
依照本發明之另一面向，一追踪一第一物體定位之系統可包含：一發光裝置，其位在相對於一第二物體之一固定預定位置；一感測器，其具有接收從該發光裝置所發出入射光之一光偵測器陣列，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及一處理器，其被耦合至該光偵測器陣列，該處理器被組構成根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之入射光之角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。
依照本發明之又一面向，一偵測從一物體到一第一光源之方向之系統可包含：一光感測器，其以一預定定向(predetermined orientation)安裝在該物體上，該光感測器被組構成偵測該第一光源，以及測量該第一光源相對於該光感測器之方向；以及一處理器，其被組構成利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向。
依照本發明之又一面向，一種追踪一第一物體定位之方法可包含：經由一發光裝置發出一光線，該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置；經由具有一光偵測器陣列之一感測器偵測從該發光裝置發出之光線，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及經由耦合至該光偵測器陣列之一處理器，根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置 之光線之角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。
依照本發明之又一面向，一種偵測從一物體到一第一光源之方向之方法可包含：經由以一預定定向安裝在該物體上之一光感測器偵測該第一光源；經由該光感測器測量該第一光源相對於該光感測器之方向；以及經由一處理器利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向。
依照本發明之又一面向，一用於追踪一第一物體之定位之系統可包含：發出一光線之裝置，其中該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置；偵測該發光裝置所發出光線之裝置，該偵測裝置係安裝在該第一物體上；以及根據該偵測裝置所偵測到之光線之角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位之裝置。
依照本發明之又一面向，一用於偵測從一物體到一第一光源之方向之系統可包含：偵測該第一光源之裝置，該偵測裝置係以一預定定向安裝在該物體上；測量該第一光源相對於該偵測裝置之方向之裝置；以及利用該偵測裝置在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該偵測裝置之方向轉變為相對於該物體之一方向之裝置。
依照本發明之又一面向，一電腦程式產品可包含：一非暫態電腦可讀取媒介，該非暫態電腦可讀取媒介中儲存有使一電腦追踪一第一物體定位之控制邏輯，該控制邏輯包括經由一發光裝置發出一光線之程式碼，該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置；經由具有一光偵測器陣列之一感測器偵測從該發光裝置所發出光線之程式碼，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及經由耦合至該光偵測器陣列之一處理 器，根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之光線之角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位之程式碼。
依照本發明之又一面向，一電腦程式產品可包含：一非暫態電腦可讀取媒介，該非暫態電腦可讀取媒介中儲存有使一電腦偵測從一物體到一第一光源之方向之控制邏輯，該控制邏輯包括經由以一預定定向安裝在該物體上之一光感測器偵測該第一光源之程式碼；經由該光感測器測量該第一光源相對於該光感測器之方向之程式碼；以及經由一處理器利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向之程式碼。
應了解的是，對熟習本發明所屬技術領域者而言，本發明之其他面向會因以下詳細說明而變得顯而易見，其中本發明許多不同面向僅以舉例說明方式展示與描述。亦應了解的是，本發明能夠有其他變化及不同變化，且本發明之若干細節在各個其他方面可有所更動，這些都不會偏離本發明之範圍。因此，本說明書之圖式及詳細說明，其本質應視為示例性而非限制性。
10‧‧‧感測器
12‧‧‧外殼
14‧‧‧正面
16‧‧‧背面
18‧‧‧光偵測器陣列
18a~18d‧‧‧光偵測器
20‧‧‧開孔
24‧‧‧間隙
26‧‧‧開孔蓋
28‧‧‧頭盔
30‧‧‧觀察者
32‧‧‧頭盔追踪器
34‧‧‧外殼
38‧‧‧光源
40‧‧‧座艙罩
42‧‧‧線路
100‧‧‧光源方位偵測系統
102‧‧‧處理器
104‧‧‧資料庫
726‧‧‧通訊路徑
本發明上開面向及其他示例性面向，將闡述於以下之詳細說明及後附申請專利範圍中，以及描繪於本說明書所附圖式中，其中：圖1為與本發明一示例性面向相符之一光源位置系統之示意圖；圖2為與本發明一示例性面向相符之圖1系統中一感測器之 透視剖面圖；圖3為與本發明一示例性面向相符之圖2感測器沿線段A-A所繪之剖視圖；圖4為與本發明一示例性面向相符之圖2所示感測器之光偵測器陣列被耦合至一處理器之透視圖；圖5為與本發明一示例性面向相符之圖1感測器之概要側面剖視圖；圖6為與本發明一示例性面向相符之圖1感測器之概要側面剖視圖，其呈現不同入射角之光線進入該感測器；圖7呈現與本發明一示例性面向相符，具有複數個感測器之圖1系統被耦合至一頭盔；圖8A至8N呈現與本發明一示例性面向相符之圖1感測器之光偵測器陣列曝露在各種不同入射角之光線下之狀態之俯視圖；圖9呈現在一交通工具中，與本發明一示例性面向相符，具有複數個感測器之圖1系統被耦合至一頭盔供頭盔定位偵測；圖10描繪與本發明各面向相符之一種追踪一第一物體定位之方法之一示例流程圖；圖11描繪與本發明各面向相符之一種偵測從一物體到一第一光源之方向之方法之一示例流程圖；以及圖12描繪用於實施本發明不同面向之一電腦系統。
依照慣例，為簡潔起見，本說明書之圖式所描繪之各種不同特點可加以簡化。因此，本說明書之圖式可以不繪出一給定裝置或方法之 全部構件。此外，在整份說明書及全部圖式中，相同圖式參考編號可用於標示相同特徵。
茲將本發明之各個不同面向說明如下。顯而易見的是，本說明書之教示可以各種各樣之形式實施，而且，本說明書揭露之任何特定結構、功能，或結構加上功能，僅係示範性質。基於本說明書之教示，熟習本發明所屬技術領域者應理解，本說明書所揭露之某一面向可獨立於任何其他面向而實施，而且，該些面向當中二者或更多者可以各種不同方式結合。舉例而言，一裝置之實施或一方法之實踐，可應用本說明書中任何數目之所述面向而達成。此外，此種裝置之實施或此種方法之實踐，除應用本說明書所述面向當中一者或多者外，亦可應用其他結構、功能特性，或結構加上功能特性而達成。任何面向均可包含一請求項之一個或多個元件。
參考詳細附圖，其中相同圖式編號可用於標示相同元件，圖1~9呈現與本發明各個示例性方面相符之一光源位置偵測系統，該光源位置偵測系統在本說明書圖式中之元件編號為100。
能夠辨識砲火空間位置及/或仰角之砲火偵測系統，在交戰情況中是有用的，舉例而言，其可用於辨識狙擊手等用槍者之方位角及/或仰角。因此，最好能有設計簡單、堅固耐用、其功能在各種條件下(包括混亂的戰爭條件及/或惡劣的天氣條件)皆能可靠運作之砲火偵測系統。
為使砲火偵測系統在戰場上之效用最大化，例如將故障可能性降到最低，砲火偵測系統最好能不需仰賴複雜之任何硬體及軟體套裝便 能有效操作。因此，設計簡單、經濟實惠且實體尺寸小之砲火偵測系統有其必要。相較於需要使用昂貴透鏡系統(放大/縮小)、相機、及/或電腦執行之複雜影像處理部件及運算法之砲火偵測系統，此種簡單的砲火偵測系統在各種環境條件下，包括惡劣天氣及戰場條件，更能可靠地發揮作用。
此外，採用容易取得及/或不需特別訂製之簡單部件之砲火偵測系統，即使故障也較容易維修及更換。因此，該砲火偵測系統不但可被設計成耐磨損及/或可安裝在個人附屬物(appendage)或帽盔(例如頭盔)上，還可被設計成易於在故障時修理及/或更換。
擁有尺寸易於穿戴及/或安裝在個人附屬物、服裝或帽盔(例如頭盔)上之砲火偵測系統之另一優點為，可將多個感測器分配給多人穿戴，以彼此獨立偵測砲火。亦可將多個砲火偵測感測器安裝在單一個人之帽盔、服裝或附屬物上，其中每一感測器被組構成監控一特定範圍之方位角，這樣，該些砲火偵測感測器便可監控整個範圍之方位角：從0°(北)經90°(東)、180°(南)、270°(西)，直到360°(回到北)，以及地平線以上整個範圍之仰角：從0°(地平線)往上到90°(天頂)再往下到0°(反方向之地平線)，及地平線以下(朝下)整個範圍之仰角：從0°(地平線)到-90°(天底)，再從天底往上到0°(回到地平線)。
與本發明相符之一光源位置(例如砲火)偵測系統，在某些面向中包括一感測器，該感測器包含一外殼；一光偵測器陣列，其被組構成感測穿過位於該外殼一側之一開孔而進入該外殼之光線。在一面向中，該開孔被組構成使該光偵測器陣列曝露在一光源之光線下；而且一處理器被耦合至該光偵測器陣列，並被組構成偵測該光源之位置、方向及/或方位。
參考圖1及圖2，與本發明一示例性方面相符之一光源位置偵測系統100包含一感測器10；感測器10設有一外殼12；外殼12設有一正面14及一背面16，其中背面16相反於正面14且與正面14隔開。外殼12可作為保護罩，保護感測器10之部件不受某些物理衝擊、惡劣天氣或任何其他不利環境條件之影響。在一面向中，外殼12為不透明。
在一面向中，感測器10包含一光偵測器陣列18，其位於外殼12內部，在外殼12之背面16上。在一面向中，光偵測器陣列18包括兩個或更多個光偵測器18a~18d。在一面向中，每一光偵測器18a~18d包括一個光點。在一面向中，每一光偵測器18a~18d包括複數個光點。在某些面向中，每一光偵測器18a~18d包括複數個光電管(photocells)及/或光敏電阻(photoresistors)。在一面向中，光偵測器陣列18包括至少兩個光點。在另一面向中，光偵測器陣列18被組構成接收穿過外殼12之正面14之開孔20而進入感測器10之外殼12之光線。在一面向中，光偵測器陣列會18輸出一信號，以表示其偵測到來自撞擊在一個或多個光偵測器18a~18d上之入射光之光線。在光偵測器陣列18之一面向中，該些光偵測器18a~18d，如圖2至圖6所示，彼此以間隙24隔開。
一面向中，如圖2及圖4所示，感測器10包含光偵測器陣列18，其包含光偵測器18a~18d之一2×2陣列。在另一面向中，如圖4所示，處理器102被耦合至光偵測器陣列18。在一面向中，光偵測器陣列18可為任何合適形狀，包含方形及矩形。在另一面向中，光偵測器陣列18可具有適當之任何實體尺寸。在另一面向中，光偵測器陣列18被組構成產生一電信號以作為入射電磁輻射之存在或不存在之回應。在另一面向中，光偵測器陣 列18被組構成感測紫外線、可見光或紅外線頻率範圍內或鄰近前揭頻率範圍之入射電磁輻射。在一面向中，光偵測器陣列18被組構成取決於入射電磁輻射之頻率而產生一系列之回應。在另一面向中，光偵測器陣列18被組構成對某一頻率範圍內(例如400THz至790THz，或波長從大約900nm至大約1100nm者)之輻射較敏感，但在受到鄰近或遠離前揭頻率範圍之光線之輻射照射時不會產生相應之電信號。
在一面向中，外殼12之正面14設有穿過外殼12之正面14之一小窗或一開孔20，其被組構成從感測器10之環境接收光線，並使外殼12內部之至少一部分曝露在所接收之光線下。如圖2所示，背面16定義出可使光偵測器陣列18位於外殼12內部之一壁。在另一面向中，處理器102可分析光偵測器陣列18之輸出信號並計算空間參數，以偵測諸如砲火之一光源。在一面向中，處理器102可進一步耦合至一頭戴式顯示器(head-mounted display，HMD)、一電腦，及/或一資料庫104。在某些面向中，處理器102係經由一個或多個線路耦合至頭戴式顯示器(HMD)、電腦，及/或資料庫104。在其他面向中，處理器102係以無線方式耦合至頭戴式顯示器(HMD)、電腦，及/或資料庫104。
參考圖1及圖2，在一面向中，感測器10之外殼12被組構成允許外殼12內部之至少一部分只曝露在穿過開孔20而進入外殼12之光線下，開孔20係穿透外殼12之正面14。在一面向中，如圖3所示，外殼12具有一厚度T。在另一面向中，外殼12具有之厚度T被組構成充分小於開孔20之長度或寬度D，以允許光偵測器陣列18被曝露在較多穿過開孔20而進入外殼12之光線下。在一面向中，開孔20之長度或寬度D所具有之值，實質上等於至 少一個光偵測器18a~18d之一方形或矩形之高度或寬度W。在一面向中，開孔20被組構成使位於外殼12內部之背面16之背側壁上之光偵測器陣列18曝露在來自諸如砲火之入射光下。如圖1及圖2所示，雖然開孔20之形狀為方形，但任何合適形狀及/或尺寸之開孔20皆可採用。在一面向中，開孔20具有一長度或寬度D。在另一面向中，開孔20為矩形、狹長形、圓形或其他較佳形狀。
在一面向中，如圖2及圖3之面向所示，開孔20之中央以對稱方式對齊位於外殼12內部之光偵測器陣列18之中央。在某些面向中，開孔20之對稱安排之優點為，其簡化了為揭示光源之空間定位(例如方位角、方向)及/或仰角而可能進行之任何計算。在一面向中，例如圖5所示者，感測器10包含覆蓋住開孔20之一開孔蓋26。在另一面向中，開孔蓋26與開孔20完全平行。在另一面向中，開孔蓋26被安置在外殼12內部。在另一面向中，開孔蓋26被安置在開孔20中。在另一面向中，開孔蓋26橫跨正面14及開孔20。在一面向中，開孔20為外殼12之透明部分。
在一面向中，開孔蓋26被組構成允許來自一光源之光線穿過開孔20而不會實質上使該光線變形(例如彎曲、放大或縮小)。在另一面向中，開孔蓋26被組構成允許光線以最小程度之變形(放大或縮小)穿過開孔20。在另一面向中，開孔蓋26為感測器10之部件提供進一步保護，以抵禦包含惡劣天氣及粉塵粒子在內之不利環境條件。
在一面向中，開孔蓋26由一種透明材料組成。在一面向中，開孔蓋26由塑膠、玻璃、石英、其他透明材料，或上列各者之組合物組成。然而，能夠允許光線以最小程度之變形(放大或縮小)穿過之任何合適材 料皆可使用。在某些面向中，感測器10在開孔20或外殼12之內部並未設有透鏡。在一面向中，開孔蓋26減少了感測器10之花費及重量。在其他面向中，開孔蓋26包含一透鏡以放大或縮小進入開孔20之入射光。在一面向中，開孔蓋26係用於放大或縮小進入開孔20之入射光，以變更光源偵測之範圍。
參考圖2及圖4，在一面向中，感測器10包含光偵測器陣列18。在一面向中，感測器10包含具有一2×2陣列之光偵測器18a~18d之光偵測器陣列18。在另一面向中，光偵測器18a~18d當中至少一者被安排成由穿過開孔20進入感測器10之入射光所照亮/啟動。在一面向中，每一光偵測器18a~18d包含至少一個光電管及/或光敏電阻，其被組構成由入射光之一部分所照亮/啟動並產生一輸出信號/讀數，該輸出信號/讀數可與光偵測器陣列18內受到啟動之其他光電管及/或光敏電阻之輸出信號做比較，以提供該入射光之來源(例如砲火)之空間定位相關資訊(例如方位角及/或方向)。
在一面向中，開孔20與光偵測器陣列18之距離為L。在一面向中，距離L等於一光偵測器18a、18b,、18c或18d之側向寬度或長度W。
在一面向中，每一光偵測器18a~18d會偵測自己是否已曝露在光線下或無光線下。在一面向中，每一光偵測器18a~18d包括一二元光電管(binary photocell)或一光敏電阻。在一面向中，使每一光偵測器18a~18d包括一二元光電管或一光敏電阻之優點為，光偵測器陣列18之對稱性簡化了為比較該些組成部分光電管及/或光敏電阻之輸出信號(光強度讀數)而需進行之任何計算。因此，如圖6及圖8所示，穿過開孔20而進入感測器10之相異進入(入射)角度之光線，每一角度在圖6中分別以三條平行線表示，會啟動(activate)該光偵測器陣列18之受光表面之不同區域。因此， 圖中所示之光偵測器陣列18雖僅包含排列成2×2陣列之四個光偵測器18a~18d，但隨著受入射光所啟動之光偵測器18a~18d之數目可為0、1、2、3或4組不等，該光偵測器陣列18至少有14種可能之可區別狀態，如圖8A至8N所示。舉例而言，在一2×2陣列之光偵測器18a~18d中，當沒有任何光偵測器18a~18d曝露在光線下時，光偵測器陣列18之狀態便如圖8A所示。當四個光偵測器18a~18d全部曝露在光線下時，如圖8B所示，該入射光會以大致垂直於光電管及/或光偵測器陣列18之平面之入射仰角，或沿著感測器之中心光軸(central optical axis)，撞擊所有光偵測器18a~18d，表示該光源在感測器10正上方。在另一示例中，若光偵測器18a~18d當中只有一個曝露在光線下，如圖8C至8F所示，則入射光係以相對於光偵測器陣列18之平面而言大約45°之入射仰角撞擊該光偵測器陣列18之表面，且該入射光源自其方向係與曝露在該光線下之一光偵測器18a~18d呈對角之光偵測器18a~18d之方向大致相同之一光源。換言之，該光源相對於光偵測器陣列18之平面而言呈大約45°之入射仰角，如圖8G所示，且該光源可位在相對於圖8C之感測器10之頂緣中心而言135°方位角之位置，相對於圖8D之感測器10之頂緣中心而言315°方位角之位置，相對於圖8E之感測器10之頂緣中心而言225°方位角之位置，或相對於圖8F之感測器10之頂緣中心而言45°方位角之位置。
在另一示例中，若鄰近之兩個光電管及/或光敏電阻18a~18d曝露在光線下，如圖8H至8K所示，則入射光相對於該光偵測器陣列18之平面之入射仰角為大約67.5°，如圖8L所示，且該光源係與對側之光偵測器18a~18d位於相同方向。換言之，該光源相對於該光偵測器陣列18之平 面而言呈大約67.5°之入射仰角，且該光源可位在相對於圖8H之感測器10之平面而言180°方位角之位置，相對於圖8I之感測器10之平面而言90°方位角之位置，相對於圖8J之感測器10之平面而言270°方位角之位置，或相對於圖8K之感測器10之平面而言0°方位角之位置。在另一示例中，若鄰近之三個光電管18曝露在光線下，如圖8M至8P所示，則該光線係以相對於光偵測器陣列18之平面而言大於67.5°但小於90°之入射仰角撞擊該光偵測器陣列18，且該光源係與未曝露在光線下之其他光偵測器18a~18d位於相同方向。換言之，該光源相對於該光偵測器陣列18之平面之入射仰角介於45°與90°間，且該光源可位在相對於圖8M之感測器10之平面而言135°方位角之位置，相對於圖8N之感測器10之平面而言45°方位角之位置，相對於圖8O之感測器10之平面而言315°方位角之位置，或相對於圖8P之感測器10之平面而言225°方位角之位置。
在本發明之某些面向中，圖8A至8P之該些光偵測器可為類比式光偵測器(analog photodetector)，且可在四個光電管全都在接收一些光線時使用，這樣便可計算出其比率，以判定其與該光源所夾之精確角度。舉例而言，在本發明之一面向中，該感測器主要作為一類比式方向感測器使用。此一操作模式對應於四個象限全都接收到該光點(light spot)之至少一部分之情況，如圖8B、8M、8N、8O及8P所示。在一面向中，適於依照本發明使用之光偵測器之示例，在美國專利申請案第13/559,332號中有說明，該申請案於2012年7月26日提出，名稱為「感測方向及距離(Sensing Direction and Distance)」，其全部內容茲以此參照方式納入本說明書。
光偵測器陣列18之額外狀態，可根據受入射光所啟動之光偵 測器陣列18之不同區域之百分比而明確指出。因此，具有一2×2陣列之光偵測器18a~18d之光偵測器陣列18，可能有超過14種之狀態可被明確指出，並用於精細地表示光源之空間位置/方向/定位。在本說明書中，感測器10雖然被描繪成具有包含一2×2陣列之光偵測器18a~18d之光偵測器陣列18，但感測器10可具有包含任何數目之光偵測器18a~18d之光偵測器陣列18。
因此，在一面向中，感測器10可包含光偵測器陣列18，該光偵測器陣列18包含被排成至少兩排之複數個光偵測器18a~18d。在另一面向中，光偵測器18a~18d之每一排可被排列在一單一平面上。在進一步之面向中，光偵測器18a~18d之每一排可包含至少兩個光偵測器。在另一面向中，光偵測器18a~18d之每一排可包含數目相同之光偵測器。在另一面向中，光偵測器陣列18可包含一陣列，在該陣列中，光電管及/或光敏電阻18a~18d之每一排皆包含兩個光電管及/或光敏電阻18a~18d。在另一面向中，光偵測器陣列18可包含數目為偶數之光偵測器18a~18d。
在一面向中，如圖2至圖6所示，光偵測器陣列18包含一陣列，在該陣列中，光偵測器18a~18d被排列成平行之兩排。在另一面向中，光偵測器陣列18包含一陣列，在該陣列中，光偵測器18a~18d彼此以間隙24隔開。在另一面向中，光偵測器陣列18包含一陣列，在該陣列中，光偵測器18a~18d以互相平行之方式排列，以形成多個平行行及多個平行列之光偵測器18a~18d。在另一面向中，光偵測器陣列18包含至少一排或多排之光偵測器18a~18d，其具有數目相異之光偵測器18a~18d。在另一面向中，光偵測器陣列18包含至少一個光偵測器18a~18d係以間隙24與鄰近之一個或多個其他光偵測器18a~18d隔開。在另一面向中，光偵測器陣列18 包含一個或多個光偵測器18a~18d，其與鄰近之一個或多個光偵測器18a~18d相連。
在一面向中，光偵測器陣列18對穿過開孔20而進入感測器10之光線之接收有反應，以提供一電輸出，該電輸出代表一入射光相對於光偵測器陣列18之平面之空間位置及/或定位。
在光偵測器陣列18之一面向中，一個或多個光電管及/或光敏電阻18a~18d之輸出信號(光強度讀數)可被觀察到與該一個或多個光電管及/或光敏電阻18a~18d在光偵測器陣列18內之相對位置有關聯。在光偵測器陣列18之另一面向中，一個或多個光偵測器18a~18d之輸出信號(光強度讀數)可被觀察到與該一個或多個光偵測器18a~18d在光偵測器陣列18內之相對定向有關聯。在光偵測器陣列18之又一面向中，一個或多個光偵測器18a~18d之輸出信號(光強度讀數)可被觀察到與該一個或多個光偵測器18a~18d之相對位置及該一個或多個光偵測器18a~18d在光偵測器陣列18內之空間定位有關聯。
如圖1及圖4所示，在一面向中，系統100包含耦合至光偵測器陣列18之一處理器102。在一面向中，處理器102之作用為運用自光偵測器陣列18所收到之資訊進行必要之計算，以提供代表入射光相對於感測器10之平面之方位角及/或仰角之一輸出信號。在一面向中，處理器102被組構成根據在光偵測器陣列18之一個或多個區域所偵測到之光強度讀數之變化來偵測光源，而該一個或多個區域係由穿過開孔20進入感測器10之光線所照亮/啟動。在另一面向中，信號處理器102被組構成對來自光偵測器陣列18之輸出信號有反應，以估算來自光偵測器陣列18之輸出信號並計算入射光 相對於感測器10之平面之方位角及/或仰角。在一面向中，光偵測器陣列18之輸出信號包括光強度讀數。在另一面向中，處理器102會估算光偵測器陣列18之光強度讀數，並從光偵測器陣列18之光強度讀數之比率，計算入射光之方位角方向及/或仰角。
參考圖6及圖7，方位角及仰角一般而言定義出一物體在天空中相對於一特定觀察點(在本例中為感測器10)之視位置(apparent position)。在圖7中，穿戴著感測器10之觀察者30通常(但不必是)位在地球表面上。方位角通常為在一觀察物體(例如砲火)正下方之地平線上之一點相對於真北(地理北)之羅盤方位。地平線通常被定義成以觀察者30(或感測器10)為中心之一假想圓周(imaginary circle)，與天頂(頭頂正上空)及天底(完全相反於天頂之一點)之距離相等。羅盤方位通常以度為單位，從北方以順時針方向測量。因此，方位角之範圍從0度(北)，經90度(東)、180度(南)、270度(西)，直到360度(回到北)。
在某些面向中，如本發明所屬技術領域中具有通常技能者所了解，一觀察物體(例如砲火)之仰角或海拔，可經由找出相對於真北(地理北)之地平線上之羅盤方位，然後從觀察者之參考框架(砲火偵測系統10)測量該點與該物體間之角度而加以判定。物體(例如砲火)在地平線之上之仰角範圍係從0度(地平線)直到90度(天頂)。有時，該仰角座標之範圍會從地平線往下延伸至-90度(天底)。這一點在觀察者30(或感測器10)之位置高於地表某段距離時(例如在航行中之飛行器中)是有用的。
光源(例如砲火)之方位角方向及仰角，可基於光偵測器陣列18之光強度讀數而計算之，如下文所說明。
如圖7所示，複數個感測器10可安裝至一步兵頭盔28之一側，或任何其他帽盔。使感測器10可安裝至步兵頭盔28之一側是非常有利的，因為這樣每個士兵都能夠有自己的可穿戴式感測器10。再者，當感測器10耦合至步兵頭盔28時，感測器10可用於辨識相對於該頭盔參考框架而言360°方位角與仰角範圍內一單一光源之來源並顯示資訊，將穿戴者之注意力吸引至該光源之源頭。該頭盔參考框架可透過地面頭盔追踪器(ground helmet tracker)之使用而與地球參考框架(earth reference frame)有所連結。
如圖7所示，在一面向中，感測器10可耦合至頭盔追踪器32，以使頭盔追踪器32之能力範圍不限於估計及預測頭盔28之位置及定位。在另一面向中，複數個感測器10可耦合至頭盔追踪器32，以拓寬視野範圍及幫助精確定位出光源(例如敵方火力)之方向及地點。在一面向中，頭盔追踪器32包含一處理器及一全球定位系统(GPS)。在一面向中，兩個或更多個感測器10被安置在頭盔28上之不同半徑位置(radial position)。在一面向中，感測器10及處理器102及/或電腦或資料庫104，係被安裝至頭盔28。在另一面向中，處理器102及/或電腦或資料庫104係位於遠端。在一面向中，適於依照本發明使用之頭盔追踪器32之示例，在美國專利第5,645,077號及第7,301,648號中有說明，上開各專利之全部內容茲以此參照方式納入本說明書。
在一面向中，處理器102及/或電腦或資料庫104包含一個或多個電腦，其具有一個或多個處理器及記憶體(例如一個或多個不變性儲存裝置)。在某些面向中，一記憶體或一電腦可讀記憶儲存媒介，係用於儲存一處理器之程序指令、模組及資料結構，或前述各者之子集，以控制及 執行本說明書所揭露之各種不同系統及方法。在一面向中，其中儲存有電腦可執行指令之一非暫態(non-transitory)電腦可讀取媒介，當其由一處理器執行時，將實施本說明書所揭露之方法其中一者或多者。
參考圖9，在一面向中，感測器10可耦合至頭盔28並用於偵測該頭盔28相對於一物體之定位。在一面向中，該物體為一交通工具。在一面向中，該物體為一飛機之座艙。在一面向中，感測器10可耦合至一外殼34，該外殼34經由線路42而容納有一處理器102(如圖1所示)及一資料庫104(如圖1所示)。在一面向中，一個或多個光源38(例如發光二極體)被安裝在一交通工具或一飛行器(圖中概要呈現)之座艙罩40中固定且預定之位置。
在一面向中，光源38為一發光二極體。在一面向中，光源38具有一波長，其範圍從大約950nm至大約1100nm。在一面向中，光源38為被組構成向感測器10傳遞一光束之一發光二極體。在一面向中，感測器10會測量該光束，並將一方位角/仰角信號輸出至處理器102。在一面向中，感測器10會根據在感測器10中包含複數個光偵測器18a~18d之光偵測器陣列18之光強度讀數之比率，產生方位角/仰角信號。在另一面向中，每一光偵測器18a~18d會產生與射入其表面上之光強度有相互關聯之一電壓。在進一步之面向中，一處理器會將每一電壓轉換為一數位數字，然後從該數字計算出光強度比率。在一面向中，複數個感測器10可被安裝至頭盔28，並被組構成輸出複數個方位角/仰角信號至處理器102。在一面向中，處理器102會接收來自該感測器10之方位角/仰角信號，並根據感測器10所測量來自光源38(例如發光二極體)之入射光角度，計算該頭盔28相對於該發光二極 體38之定位。
在一面向中，處理器102計算頭盔28相對於其上安裝有光源38之物體之定位之方式為，根據從感測器10收到之方位角/仰角信號，先計算光源38(例如一發光二極體)之方位角及仰角。在一面向中，處理器102接著會將該測量方位角及該測量仰角與資料庫104所儲存之一預定方位角及一預定仰角進行比較。在一面向中，該預定方位角及預定仰角係對應於頭盔28在座艙罩40中指向前方時，光源38(例如一發光二極體)之位置。根據比較該測量方位角及測量仰角與該儲存方位角及仰角所得之差，處理器102會計算出頭盔28相對於光源38(例如一發光二極體)之新定位。在一面向中，適於依照本發明示例性面向使用之運動追蹤系統及使用運動追蹤系統方法之示例，在美國專利第6,409,687號及第7,000,469號中有所說明，上開各專利之全部內容茲以此參照方式納入本說明書。
與本發明相符之一光源偵測系統可被有利地組構成用於戰場或任何敵方火力之情況中。在軍事應用中，該光源偵測系統可有利地為步兵所使用，以偵測敵方火力(例如敵方砲火)之存在及/或下落，並利用所偵測到之敵方火力位置資訊，對敵方火力所構成之危險加以回擊。能夠被該光源偵測系統偵測到之光源包含槍口閃光(muzzle flash)。該光源偵測系統是多用途的，因其可被設計成尺寸相當小且可穿戴在使用者(例如士兵)之帽盔上或身體上任何合適部位。此外，該光源偵測系統可耦合至一步兵頭盔及用於辨識相對於該頭盔參考框架而言360°方位角與仰角範圍內一單一光源之來源。重要的是，該光源之方位角及仰角，可以一可用格式加以顯示，以提醒步兵頭盔配戴者注意該光源之源頭。此外，該頭盔參考 框架可透過地面頭盔追踪器之使用而與地球參考框架有所連結。
圖10描繪與本發明各面向相符之一種追踪一第一物體定位之方法1000之一示例流程圖。如圖10所示，方框1002之內容為，經由一發光裝置發出一光線，該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置。
方框1004之內容為，經由具有一光偵測器陣列之一感測器偵測從該發光裝置發出之光線，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上。
方框1006之內容為，經由耦合至該光偵測器陣列之一處理器，根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之光線之角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。
圖11描繪與本發明各面向相符之一種偵測從一物體到一第一光源之方向之方法1100之一示例流程圖。如圖11所示，方框1102之內容為，經由以一預定定向安裝在該物體上之一光感測器偵測該第一光源。
框1104之內容為，經由該光感測器測量該第一光源相對於該光感測器之方向。
方框1106之內容為，經由一處理器利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向。
本發明之各面向可應用硬體、軟體，或軟硬體之組合而實施，且可在一個或多個電腦系統或其他處理系統中實施。在一變化中，本發明之各面向係針對能夠實施本說明書所述功能性之一個或多個電腦系統。此種電腦系統700之一示例如圖12所示。
電腦系統700包含一個或多個處理器，例如處理器704。該處 理器704係連接至一通訊基礎設施706(例如一通訊匯流排、一交越條(cross-over bar)，或一網路)。茲將軟體之各種不同面向說明於此示例性電腦系統中。對於熟習本發明所屬技術領域者而言，在閱讀以下說明後，如何使用其他電腦系統及/或架構實施本發明之各面向將變得顯而易見。
電腦系統700可包含一顯示介面702，其會從該通訊基礎設施706(或一視框緩衝器(frame buffer)，圖中未顯示)發送圖檔、文字及其他資料供顯示於一顯示單元730上。電腦系統700亦包含一主記憶體708，例如隨機存取記憶體(RAM)，電腦系統700亦可包含一輔助記憶體710。該輔助記憶體710可包含，舉例而言，一硬碟機712及/或一可移除式儲存硬碟714，該可移除式儲存硬碟714可代表一軟碟機、一磁帶機、一光碟機等等。該可移除式儲存硬碟714可以眾所周知之方式讀取及/或寫入一可移除式儲存單元718。可移除式儲存單元718可代表一軟碟、一磁帶、一隨身碟、一光碟等等，其被可移除式儲存硬碟714讀取及寫入。亦應理解的是，該可移除式儲存單元718包含其中儲有電腦軟體及/或資料之一電腦可使用儲存媒介。
在另一種變化例中，輔助記憶體710可包含允許電腦程式或其他指令被載入電腦系統700之其他類似裝置。此等裝置可包含，舉例而言，一可移除式儲存單元722及一介面720。其示例可包含一程式匣(program cartridge)及一匣介面(cartridge interface)(例如存在於視訊遊戲裝置中者)、一可移除記憶晶片(例如可抹除可程式化唯讀記憶體(EPROM)或可程式化唯讀記憶體(PROM))及相關插槽，以及其他可移除式儲存單元722及介面720，其允許軟體及資料從該可移除式儲存單元722移轉至電腦系統700。
電腦系統700亦可包含一通訊介面724。通訊介面724允許軟體及資料在電腦系統700與外部裝置間轉移。通訊介面724之示例可包含數據機、網路介面(例如乙太網路卡)、通訊埠、PCMCIA插槽及PCMCIA卡等等。經由通訊介面724所移轉之軟體及資料為信號形式，其可為電子信號、電磁信號、光學信號，或其他可為通訊介面724所接收之信號。這些信號可經由一通訊路徑(例如通道)726提供至通訊介面724。該路徑726可運載信號，並可利用電線或電纜、光纖、電話線、蜂巢式連結、射頻(RF)連結，及/或其它通訊通道而實施。在本說明書中，「電腦程式媒介」、「電腦可使用媒介」及「電腦可讀取媒介」等用語係用於泛指諸如可移除式儲存硬碟714、安裝在硬碟機712內之硬碟，以及信號等媒介。這些電腦程式產品係用於向電腦系統700提供軟體。本發明之各面向係針對此等電腦程式產品。
電腦程式(亦稱電腦控制邏輯)係儲存在主記憶體708及/或輔助記憶體710中。電腦程式亦可透過通訊介面724來接收。此等電腦程式執行時，會使該電腦系統700得以實施與本發明各面向相符之特點，如本說明書所討論者。詳細而言，該些電腦程式執行時，會使該處理器704得以實施此等特點。因此，此等電腦程式代表該電腦系統700之控制器。
在一變化中，當本發明該些面向係使用軟體而實施時，該軟體可儲存在一電腦程式產品中，並利用可移除式儲存硬碟714、硬碟機712或通訊介面720而載入電腦系統700。當該處理器704執行該控制邏輯(軟體)時，該控制邏輯會致使該處理器704執行本說明書所述該些功能。在另一變化中，本發明該些面向係運用，舉例而言，諸如特殊應用積體電路(ASIC)等硬體部件，而主要在硬體中實施。對於熟習本發明所屬技術領域者而言， 實現該硬體狀態機器(hardware state machine)以執行本說明書所述該些功能，乃是顯而易見。
在又一變化中，本發明該些面向係運用硬體及軟體之組合而實施。
雖然本發明各面向已參考較佳實施例而予以說明，但熟習本發明所屬技術領域者應了解，上述變化及修改並不會偏離本發明之範圍。對於熟習本發明所屬技術領域者而言，本發明之其他面向，將因閱讀本說明書內容或因實踐本說明書所揭露之本發明該些面向，而變得顯而易見。
熟習本發明所屬技術領域者應理解，上述該些示例性面向可予以更動而不會偏離其廣義發明概念。因此，本發明並不受限於本說明書所示及所述之該些示例性面向，而是涵蓋在本發明精神及範圍(如後附之申請專利範圍所界定)內之各種修改。舉例而言，該些示例性面向之具體特點，可以是或可以不是應了解的是，本發明之圖式及說明當中至少有某些已經過簡化，以將焦點集中在與清楚理解本發明相關之元件上，並為簡潔起見而排除了熟習本發明所屬技術領域者所知亦可包括本發明之一部分之其他元件。然而，因為此等元件已為本發明所屬技術領域所熟知，且因為此等元件並不必然有助於更加了解本發明，故此等元件之說明並未提供於本說明書中。
應了解的是，本發明之圖式及說明當中至少有某些已經過簡化，以將焦點集中在與清楚理解本發明相關之元件上，並為簡潔起見而排除了熟習本發明所屬技術領域者所知亦可包括本發明之一部分之其他元件。然而，因為此等元件已為本發明所屬技術領域所熟知，且因為此等元 件並不必然有助於更加了解本發明，故此等元件之說明並未提供於本說明書中。
此外，在本發明之方法不仰賴本說明書所述步驟之特定順序之範圍內，該些步驟之特定順序不應被解釋為對申請專利範圍之限制。針對本發明之方法之申請專利範圍，不應限於僅能以該些申請專利範圍中所列順序來實施其步驟，而且，熟習本發明所屬技術領域者可以很容易地理解，這些步驟可予以變化而仍落入本發明之精神及範圍內。
10‧‧‧感測器
12‧‧‧外殼
14‧‧‧正面
16‧‧‧背面
20‧‧‧開孔
26‧‧‧開孔蓋
34‧‧‧外殼
100‧‧‧光源方位偵測系統
102‧‧‧處理器
104‧‧‧資料庫

Claims (22)

  1. 一用於追踪一第一物體之定位之系統，該系統包括：一發光裝置，其位在相對於一第二物體之一固定預定位置；一感測器，其具有被組構成接收從該發光裝置所發出入射光之一光偵測器陣列，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及一處理器，其被耦合至該光偵測器陣列，該處理器被組構成根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之入射光之一角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。
  2. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該感測器包含：一外殼，其設有一正面及一背面，該背面與該正面相對且與該正面隔開，該光偵測器陣列位於該外殼內部之該背面側壁；以及一開孔，其延伸穿過該外殼之正面並被組構成使該光偵測器陣列曝露在該發光裝置之入射光下。
  3. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該處理器被組構成根據在被從遠處光源之入射光之至少一部分碰撞到之該光偵測器陣列之一受光表面之一個或多個區域所偵測到之光強度之變化，判定該物體之定位。
  4. 如申請專利範圍第3項之系統，其中該處理器被組構成以演算方式計算來自該發光裝置之入射光之一測量方位角方向(measured azimuth direction)及一測量仰角(measured elevation angle)至少其中一者，以判定該發光裝置之測量位置。
  5. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該處理器被組構成根據該光偵測器陣列之光強度讀數，以演算方式計算來自該發光裝置之入射光之該測 量方位角方向及該測量仰角至少其中一者。
  6. 如申請專利範圍第4項之系統，其中該處理器被組構成將該發光裝置之預定位置儲存在記憶體中，該發光裝置之預定位置包含一預定方位角方向(predetermined azimuth direction)及一預定仰角(predetermined elevation angle)，該處理器被組構成判定來自該發光裝置之入射光之該測量方位角方向及該測量仰角當中至少一者，與該初始方位角方向(initial azimuth direction)及該初始仰角(initial elevation angle)當中一者之差，且該處理器係根據前述之差計算該物體之定位。
  7. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該外殼係安裝至該第一物體。
  8. 如申請專利範圍第2項之系統，其中該外殼包含複數個外殼，且其中該複數個外殼係安裝至該第一物體。
  9. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該發光裝置係安裝在一交通工具或座艙之內部。
  10. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該發光裝置為一發光二極體。
  11. 如申請專利範圍第1項之系統，其中該物體為一頭盔。
  12. 如申請專利範圍第1項之光源偵測系統，其中該光源為一砲火或一槍口閃光。
  13. 一用於偵測從一物體到一第一光源之方向之系統，該系統包括：一光感測器，其係以一預定定向安裝在該物體上，該光感測器被組構成偵測該第一光源，以及測量該第一光源相對於該光感測器之方向；以及一處理器，其被組構成利用該光感測器在該物體上之預定定向將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向。
  14. 如申請專利範圍第13項之系統，其中該第一光源為一砲火或一槍口閃光。
  15. 如申請專利範圍第13項之系統，其更包括：一慣性感測器，其安裝在該物體上，用於判定該物體相對於一外部參考框架之定位；且其中該處理器更被組構成將該第一光源相對於該物體之方向轉變為相對於該外部參考框架之一方向。
  16. 如申請專利範圍第15項之系統，其更包括：一第二光源，其在該物體之周圍環境中位於一預定位置，該第二光源在某些時候會因該物體之運動而進入該光感測器之視角；一判定模組(determining module)，其被組構成在該些時候判定從該光感測器到該第二光源之方向；且其中該處理器更被組構成利用從該光感測器到該第二光源之方向更新該慣性感測器之定位。
  17. 一種追踪一第一物體之定位之方法，該方法包括：經由一發光裝置發出一光線，該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置；經由具有一光偵測器陣列之一感測器偵測從該發光裝置發出之光線，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及經由耦合至該光偵測器陣列之一處理器，根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之光線之一角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位。
  18. 一種偵測從一物體到一第一光源之方向之方法，該方法包括：經由以一預定定向安裝在該物體上之一光感測器偵測該第一光源；經由該光感測器測量該第一光源相對於該光感測器之方向；以及經由一處理器利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向。
  19. 一用於追踪一第一物體之定位之系統，該系統包括：發出一光線之裝置，其中該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置；偵測該發光裝置所發出光線之裝置，該偵測裝置係安裝在該第一物體上；以及根據該偵測裝置所偵測到之光線之一角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位之裝置。
  20. 一用於偵測從一物體到一第一光源之方向之系統，該系統包括：偵測該第一光源之裝置，該偵測裝置係以一預定定向安裝在該物體上；測量該第一光源相對於該偵測裝置之方向之裝置；以及利用該偵測裝置在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該偵測裝置之方向轉變為相對於該物體之一方向之裝置。
  21. 一電腦程式產品，其包括一非暫態電腦可讀取媒介，該非暫態電腦可讀取媒介中儲存有使一電腦追踪一第一物體定位之控制邏輯，該控制邏輯包括：經由一發光裝置發出一光線之程式碼，該發光裝置位在相對於一第二物體之一固定預定位置； 經由具有一光偵測器陣列之一感測器偵測從該發光裝置所發出光線之程式碼，該光偵測器陣列係安裝在該第一物體上；以及經由耦合至該光偵測器陣列之一處理器，根據該光偵測器陣列所偵測到來自該發光裝置之光線之一角度，判定該第一物體相對於該第二物體之定位之程式碼。
  22. 一電腦程式產品，其包括一非暫態電腦可讀取媒介，該非暫態電腦可讀取媒介中儲存有使一電腦偵測從一物體到一第一光源之方向之控制邏輯，該控制邏輯包括：經由以一預定定向安裝在該物體上之一光感測器偵測該第一光源之程式碼；經由該光感測器測量該第一光源相對於該光感測器之方向之程式碼；以及經由一處理器利用該光感測器在該物體上之預定定向，將該第一光源相對於該光感測器之方向轉變為相對於該物體之一方向之程式碼。
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