Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtastung eines Gesichtsfeldes mittels
auf elektromagnetische Strahlung ansprechender Sensoren, insbesondere zur Beobachtung
eines Geländes mittels eines unbemannten Flugkörpers (Bilddrohne).
Zugrundeliegender Stand der Technik
[0002] Es ist bekannt, vorgegebene Bereiche bzw. Gesichtsfelder durch Sensoren abzutasten.
Die US-PS-5 332 176 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen von einem Objekt. Zu
diesem Zweck wird eine Detektoranordnung durch einen Motor so hinund herbewegt, daß
ein bestimmtes Gesichtsfeld erfaßt wird. In dieser Weise wird die Position des Objekts
festgestellt.
[0003] US-PS-3 822 098 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen und Identifizieren von Objekte.
Ein Laserstrahl wird mittels eines Abtastspiegels auf ein zu erfassendes Objekt gerichtet
und die von dem Objekt reflektierte Strahlung wird von einem Multispektralsensor erfaßt.
Der Multispektralsensor besteht aus einem optischen System und eine Mehrzahl hinter
dem optischen System angeordneten Detektoren. Das optische System enthält Linsen und
ein Nicolsches Prisma. Den Detektoren sind Filter vorgeschaltet, wodurch die Detektoren
auf Licht unterschiedlicher Frequenz ansprechen. Mit dieser Multispektral-Vorrichtung
ist es möglich, nicht nur das an der Oberfläche des Objekts gestreute Licht, sondern
auch im Volumen des Objekts gestreutes Licht zu erfassen und so weitere Informationen
wie Materialzusammensetzung, Farbe, Dichte etc. über das Objekt zu erhalten.
[0004] Durch die DE-A1-4 433 705 ist ein optisches Abrastersystem zur Verwendung in einem
Laserdrucker bekannt. Das Licht eines Lasers durchläft ein optisches System und fällt
auf einen Polygonspiegel, welcher den Laserstrahl auf eine Abrasterfläche reflektiert.
Durch Rotations des Polygonspiegels wird die Abrasterfläche zeilenweise abgerastet.
Die Abrasterfläche wird mit vorgegebener Geschwindigkeit rechtwinklig zu der Abrastbewegung
des Laserstrahls bewegt. Durch ein dem Laser zugeführtes, elektrisches Signal kann
die Form und Größe des Laserstrahlsflecks verändert werden.
[0005] Durch die DE-C-3 615 374 ist eine Einrichtung zum verschwenkbaren Abstrahlen von
Laserenergie bekannt. Ein Laserstrahl von einem feststehenden Laser wird durch einen
drehbaren Umlenkspiegel in verschiedenen Richtungen ausgestrahlt. Der Umlenkspiegel
wird von mehreren Stellmotoren verstellt. Die Stellmotoren und der Umlenkspiegel sind
in einem aus strahlungsdurchlässigem Material bestehenden Hohlkörper gelagert, so
daß der Laserstrahl in beliebiger Richtung gelenkt werden kann. Dadurch werden konstruktiv
bedingte Abschattungen des Laserstrahls in einzelnen Richtungen vermieden.
[0006] Es ist weiterhin bekannt, zur Luftaufklärung unbemannte Luftfahrzeuge als "Bilddrohnen"
einzusetzen. Solche Bilddrohnen sind häufig mit einem auf infrarote Strahlung ansprechenden,
bildauflösenden Sensor und einem Bildverarbeitungs-System versehen, um Ziele auch
bei Nacht oder schlechten Sichtverhältnissen erkennen zu können.
Offenbarung der Erfindung
[0007] Die Aufgabenstellungen an abtastenden Sensoreinheiten werden immer komplexer. Es
besteht oft der Wunsch, möglichst viele Informationen über Objekte oder Geländestrukturen
gleichzeitig zu erfassen. Dies gilt insbesondere für Sensoreinheiten in autonom fliegenden
Luftfahrzeuge zur Luftaufklärung, wobei in zunehmendem Maße eine hochauflösende, abbildende
Mulitmode-Sensorik benötigt wird. Unter hochauflösend versteht man hierbei eine räumliche
Auflösung von von 1 bis 10 cm.
[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die
Abtastung eines Gesichtsfeldes, insbesondere eines Geländes, durch verschiedene voneinander
unabhängige Abtaststrahlengänge bei eindeutiger räumlicher Zuordnung der durch jeden
Abtaststrahlengang erfaßten Bereiche des Gesichtsfeldes oder Geländes gestattet.
[0009] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
(a) das Gesichtsfeld mittels einer Mehrzahl von Abtaststrahlengängen mit je einem
eigenen optischen System abtastbar ist,
(b) die Abtaststrahlengänge zur Erzeugung einer Abtastbewegung durch ein gemeinsames
Ablenksystem in gleicher Weise ablenkbar sind.
[0010] Nach der Erfindung werden somit mehrere voneinander unabhängige Abtaststraglengänge
durch je ein optisches System erzeugt. Diese Abtaststrahlengänge werden durch ein
gemeinsames Ablenksystem in gleicher Weise abgelenkt. Dadurch wird sichergestellt,
daß die den verschiedenen Abtaststrahlengängen zugeordneten Bereiche des Gesichtsfeldes
bzw. Geländes eine definierte Lage zueinander besitzen, üblicherweise im wesentlichen
zusammenfallen. Es kann dann durch verschiedene, in unterschiedlichen Spektralbereichen
empfindliche Sensoren jeweils ein und dieselbe Stelle des Gesichtsfeldes bzw. Geländes
beobachtet werden. Aus den Informationen, die von den verschiedenen Sensoren geliefert
werden, können Schlüsse auf die Natur eines an dieser Stelle befindlichen Objektes
gezogen werden. Es ist auch möglich, in einem Abtaststrahlengang ein Gelände mittels
eines Lasers zu beleuchten, wobei der Laser jeweils nur einen über das Gelände streichenden
Lichtfleck erzeugt. Der jeweils beleuchtete Lichtfleck wird in einem anderen Abtaststrahlengang
durch einen auf die Wellenlänge des Lasers ansprechenden Sensor beobachtet. Das gemeinsame
Ablenksystem gewährleistet eine eindeutige Zuordnung der beobachteten Stellen zueinander
und stellt auch sicher, daß der Sensor stets genau den von dem Laser erzeugten Lichtfleck
beobachtet. Die Sendeleistung des Lasers kann dabei gering gehalten werden.
[0011] Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0012] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen
Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013]
- Fig.1
- ist eine schematische Darstellung und zeigt ein ersten Ausführungsbeispiels einer
in eine Bilddrohne eingebauten Vorrichtung zum Abtasten eines Gesichtsfeldes durch
mehrere Abtaststrahlengänge, und zwar in Flugrichtung der Bilddrohne gesehen.
- Fig.2
- zeigt die erfindungswesentlichen Teile der Vorrichtung von Fig.1 quer zur Flugrichtung
gesehen.
- Fig.3
- ist eine schematische Darstellung ähnlich Fig.1 und zeigt die erfindungswesentlichen
Teile eines zweiten Ausführungsbeispiels einer solchen Abtastvorrichtung.
- Fig.4
- ist eine schematische Darstellung und zeigt eine in Flugrichtung der Bilddrohne gesehen
die Möglichkeit des Abtastens eines Geländes mittels einer in die Bilddrohne eingebauten
Abtastvorrichtung.
- Fig.5
- zeigt schematisch die Abtastung des Geländes durch die Abtastvorrichtung quer zur
Flugrichtung der Bilddrohne gesehen.
- Fig.6
- ist eine Draufsicht auf die Bilddrohne und veranschaulicht die Lage der durch die
Abtastvorrichtung abgetasteten Geländestreifen.
- Fig.7
- veranschaulicht die Abtastung eines Geländestreifens mittels eines als Zeilendetektor
ausgebildeten Sensors.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
[0014] In Fig.1 und 2 ist eine Ausführung einer Abtastvorrichtung, zum Einsatz in einer
Bilddrohne dargestellt.
[0015] Ein auf infrarotes Licht ansprechender, erster Sensor ist mit 10 bezeichnet. Dem
ersten Sensor 10 ist ein erstes optisch abbildendes System 12 zugeordnet. Quer zur
Flugrichtung gesehen ist neben dem ersten Sensor 10 ein auf sichtbares Licht ansprechender,
zweiter Sensor 14 angeordnet. Dem zweiten Sensor 14 ist ein zweites optisch abbildendes
System 16 zugeordnet. Sowohl der im Infrarot-Bereich arbeitende Sensor 10 als auch
der im sichtbaren Bereich arbeitende Sensor 14 sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen
als Zeilendetektoren ausgebildet, wobei der Sensor 14 ein RGB-Zeilendetektor (Rot-Grün-Blau)
sein kann.
[0016] Neben den Sensoren 10 und 14 ist ein Laser 18 als Lichtquelle angeordnet. Dem Laser
18 ist ein drittes optisches System 20 zugeordnet. In den Ausführungsbeispielen ist
der Laser 18 ein Laserdiodenarray und das dem Laser zugeordnete, optische System 20
enthält eine Zylinderlinse zur Aufweitung des Strahlengangs.
[0017] In Fig.1 ist ein Polygonspiegel mit 22 bezeichnet. Der Polygonspiegel 22 ist um eine
Längsachse 24 drehbar und auf einer Welle 26 gelagert. Der Polygonspiegel 22 besitzt
12 Seiten, von welchen eine mit 28 bezeichnet ist. Die Anzahl der Seiten des Polygonspiegels
kann jedoch beliebig sein, allgemein N. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel stellen
die Seiten 28 plane Spiegelflächen dar.
[0018] In Fig.1 liegen die Sensoren 12 und 16 und der Laser 18 sowie die optisch abbildenden
Systeme 12, 16 und 20 hintereinander, so daß sie in der Darstellung teilweise verdeckt
sind. Die optisch abbildende Systeme 12, 16 der Sensoren 10 bzw. 14 sind in Fig.1
durch eine Konvexlinse 30, eine Konkavlinse 32, einen feststehenden Umlenkspiegel
34 und eine Konvexlinse 36 representativ dargestellt, wobei der Umlenkspiegel 34 zur
Reduzierung der Baulänge dient.
[0019] In Fig.3 ist ein auf einer Welle 38 gelagerter, schwenkbarer Abtastspiegel mit 40
bezeichnet. Wie später noch beschrieben wird, entspricht die Funktion des Abtastspiegels
40 der Funktion des Polygonspiegels 22 in Fig.1.
[0020] Ein um eine Achse 42 schwenkbaren Umlenkspiegel ist mit 44 bezeichnet. Die Ausdehnung
des Polygonspiegels 22, des Abtastspiegels 40 und des Umlenkspiegels 44 in Richtung
der Längsachse 24 bzw. in Richtung quer zur Flugrichtung ist so gewählt, daß die den
vorgesehenen Sensoren und den vorgesehenen Lasern zugeordnete Strahlung erfaßt wird.
[0021] Die Sensoren 10 und 14 sprechen auf elektromagnetische Strahlung an, welche von dem
unter der Bilddrohne befindlichen Gelände stammt. Der Strahlengang dieser elektromagnetischen
Strahlung ist in Fig.1 und 3 durch Pfeile dargestellt. Die Strahlung fällt zunächst
auf dem schwenkbaren Umlenkspiegel 44. Der Umlenkspiegel 44 lenkt die Strahlung auf
den Polygonspiegel 22 (Fig.1) bzw. auf den schwenkbaren Spiegel 40 (Fig.3). Von dort
gelangt die Strahlung durch die optisch abbildenden Systeme 12 und 16 zu den Sensoren
10 und 14.
[0022] Das von dem Laser 18 ausgestrahlte Laserlicht verläuft in umgekerter Richtung zunächst
durch das optisch abbildenden System 20, trifft dann auf den Polygonspiegel 22 (Fig.1)
bzw. auf den Abtastspiegel 40 (Fig.3) und wird über den Umlenkspiegel 44 zum Gelände
geleitet. Dabei dient das Laserlicht zur Beleuchtung des Geländes. Hierfür ist es
notwendig, daß die beleuchtete Fläche und die Gesichtsfelder der Sensoren 10 und 14
sich zumindest teilweise überlappen und im Idealfall identisch sind. Die Bildausschnitte
der einzelnen Sensoren 10 und 14 und des Lasers 18 differieren zunächst um den räumlichen
Abstand der Sensoren 10 und 14 und des Lasers 18. Diese räumlichen Abstände sowie
mögliche Einbau- und Justagefehler bleiben nach dem Bau einer solchen Abtastvorrichtung
jedoch konstant, und können daher korrigiert werden.
[0023] Durch Einsatz des Lasers 20 kann der im sichtbaren Bereich arbeitende Sensor 14 auch
bei Nacht verwendet werden, wobei in mindestens einem der drei RGB-Kanäle beleuchtet
wird. Vorteihafterweise kann die Beleuchtung im Rot-Kanal oberhalb von λ = 780 nm
erfolgen, da das Laserlicht in diesem Spektralbereich mit bloßem Auge nicht sichtbar
ist.
[0024] In dem in Fig.1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung des
Geländes durch Rotation des Polygonspiegels 22. Die Größe des Abtastwinkels quer zur
Flugrichtung hängt dabei von der Anzahl der Seiten 28 des Polygonspielgels 22 ab.
Mit einem Polygonspiegel mit N Seiten ist der Abtastwinkel dabei 720/N. Die Abtastung
erfolgt dabei immer nur in einer Richtung ("Vorwärtsabtastung"). Wenn nämlich eine
Fläche (z.B. 28) des Polygonspiegels 22 in dem Gesichtsfeld der Sensoren 10 und 14
bzw. in dem Strahlengang des Lasers 18 eintritt, fängt der Abtastvorgang erneut aus
einer Ausgangsposition an.
[0025] In dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Abtastung des Geländes
durch Verschwenkung des Abtastspiegels 40 in den durch einen Doppelpfeil 46 angegebenen
Richtungen. Die Größe des Abtastwinkels quer zur Flugrichtung hängt dabei von der
Schwenkamplitude des Abtastspiegels 40 ab und ist schließlich durch die Größe des
Abtastspiegels 40 begrenzt. Da der Ablenkspiegel 40 hin- und herverschwenkt weden
kann, ist es in diesem Ausführungsbeispiel möglich, die Abtastung in zwei Richtungen
vorzunehmen ("Vor- und Rückabtastung").
[0026] Durch Verschwenken des Umlenkspiegels 44 um die Achse 42 kann das Gesichtsfeld der
Abtastvorrichtung je nach Wunsch verändert werden. Der Umlenkspiegel 44 dient also
nicht der Abtastung des Geländes, sondern legt den Berich fest, welcher abgetastet
werden soll. Der Umlenkspiegel 44 kann auch mit einer (nicht dargestellten) Steuerung
versehen werden, durch welche der Umlenkspiegel 44 verschwnkt wird, um Änderungen
der Rollage der Bilddrohne (oder eines sonstigen bemannten oder unbemannten Luftfahrzeuges)
auszugleichen.
[0027] Durch die beschriebene Ablenksysteme erfolgt die Abtastung ausschließlich quer zur
Flugrichtung. Die Abtastung des Geländes in Flugrichtung erfolgt durch die Vorwärtsbewegung
der Bilddrohne selbst. Dies ist in den Figuren 4 bis 6 dargestellt. In der Bilddrohne
48 befindet sich eine Abtastvorrichtung der beschriebenen Art. In Fig.4 ist die Bilddrohne
einmal in Flugrichtung dargestellt. Fig.5 zeigt die Bilddrohne quer zur Flugrichtung.
Der Abtastwinkel α quer zur Flugrichtung hängt, wie oben erläutert, von den Gegebenheiten
des Polygonspiegels 22 (Fig. 1) bzw. des Abtastspiegels 40 (Fig.3) ab. Bei einer bestimmten
Flughöhe erhält man dann eine bestimmte Abtastlänge B quer zur Flugrichtung. Der Abtastwinkel
β in Flugrichtung hängt von der Größe des Gesichtsfeldes der Sensoren 10 und 14 bzw.
der Aufweitung des Strahls des Lasers 18 ab. Bei einer bestimmten Flughöhe erhält
man dann eine betimmte Abtasttiefe A in Flugrichtung.
[0028] In Fig.6 ist die Bilddrohne 48 von oben dargestllt. Man erkennt die durch die Abtastwinkel
α und β sowie die Flughöhe bestimmte Abtastmuster des Geländes. Um eine optimale Abtastung
eines Geländes zu erhalten, wird für das Abtastverfahren der Zusammenhang zwischen
den Flugparametern Höhe und Geschwindigkeit und den Sensorparametern Gesichtsfeld,
Auflösung, Brennweite und Bildrate ermittelt. Dies liegt im Rahmen des Könnens eines
Fachmanns und wird hier nicht näher beschrieben. Es ist dann möglich, daß Gelände
nahezu nahtlos abzutasten, wie es in Fig.6 angedeutet ist.
[0029] Wenn infolge einer Geschwindigkeitsänderung der Bilddrohne die Abtastgeschwindigkeit
verändert werden muß, ist durch die gemeinsame Ablenkung der den Sensoren und dem
Laser zugeordenten Strahlung sichergestellt, daß diese Änderung für alle Sensoren
und Laser in gleicher Weise erfolgt.
[0030] Die Abtastvorrichtung ist hier im Zusammenhang mit einer Bilddrohne beschrieben.
Es sei jedoch bemerkt, daß das Prinzip eines solchen Abtastsystems nicht nur in Bilddrohnen
oder sonstige Luftfahrzeuge Verwendung findet, sondern in allen sonstigen Vorrichtungen,
mit welchen eine Abtastung vorgenommen wird.
[0031] Weiterhin sei bemerkt, daß die Abtastvorrichtung mehr als zwei Sensoren und mehr
als einen Laser enthalten kann. Je nach Wunsch können Sensoren für die unterschiedlichsten
Spektralbereiche eingesetzt werden. Es können auch beispielsweise mehrere Laser vorgesehen
sein, welche Licht verschiedener Welenlänge aussendet. Weiterhin ist es möglich, Radarsysteme
in der gleichen Weise zu integrieren.
1. Vorrichtung zur Abtastung eines Gesichtsfeldes mittels auf elektromagnetische Strahlung
ansprechender Sensoren, insbesondere zur Beobachtung eines Geländes mittels eines
unbemannten Flugkörpers (Bilddrohne),
dadurch gekennzeichnet daß
(a) das Gesichtsfeld mittels einer Mehrzahl von Abtaststrahlengängen mit je einem
eigenen optischen System (12,16,20) abtastbar ist,
(b) die Abtaststrahlengänge zur Erzeugung einer Abtastbewegung durch ein gemeinsames
Ablenksystem (22;40) in gleicher Weise ablenkbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abtaststrahlengänge im Bereich des abzutastenden Gesichtsfeldes wenigstens
teilweise überlappen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) in mehreren Abtaststrahlengängen Bereiche des abzutastenden Gesichtsfeldes durch
die jeweiligen optischen Systeme (12,16) auf je einen Sensor (10,14) abbildbar sind
und
(b) die Sensoren (10,14) in unterschiedlichen Spektralbereichen empfindlich sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) in wenigstens einem der Abtaststrahlengänge ein Bereich des abzutastenden Gesichtsfeldes
mittels einer vorrichtungsseitigen Lichtquelle (18) beleuchtbar ist und
(b) in einem anderen Abtaststrahlengang durch das optische System (16) wenigstens
ein Teil des so beleuchteten Bereiches auf einen für die Strahlung der Lichtquelle
(18) empfindlichen Sensor (14) abbildbar ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem einen schwenkbaren Abtastspiegel (40) enthält.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ablenksystem einen rotierenden Polygonspiegel (22) enthält.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein der Sensoren (10) auf infrarote Strahlung anspricht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein der Sensoren (14) auf sichtbares Licht anspricht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß
(a) die Lichtquelle ein Laser (18) ist und
(b) der Sensor (10 bzw. 14) auf Licht des Wellenlängenbereichs des Laserslichts anspricht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (18) infrarotes Licht aussendet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Umlenkspiegel (44) zur Beeinflussung des durch das Ablenksystem (22;40) abzutastenden
Bereichs.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Vorrichtung in einem Luftfahrzeug (48) angeordnet ist und
(b) das Ablenksystem (22;40) die Abtaststrahlengänge nur in Richtungen senkrecht zur
Flugrichtung des Luftfahrzeugs (48) ablenkt.