DE2651839A1

DE2651839A1 - Zielverfolgungs- und fernsteuerungseinrichtung

Info

Publication number: DE2651839A1
Application number: DE19762651839
Authority: DE
Inventors: Roger Voles
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1975-11-21
Filing date: 1976-11-13
Publication date: 1977-06-08
Also published as: US4162775A; DE2651839C2; GB1568058A

Description

DIPL.-CHEM. W. RÜCKER DIPl_.-IN3. S. LEINE PATENTANWÄLTE

3 HANNOVER. BURCKHARDTSTR. 1

U TELEFON tOS Π) 62 BA 73

Unser Zeichen 1OO/ 4 4 4

EMI LIMITED Datum ii. November 1976

Zielverfolgungs- und Fernsteuerungseinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zielverfolgung und,/oder Fernsteuerung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Einrichtungen, die als automatische Zielfesthalte- und Verfolgungssysteme (kurz A.L.F.-Systeme) bekannt sind, die beispielsweise dazu verwendet werden, ein Geschoß in ein Ziel zu lenken.

Bei einem bekannten A.L.F.-System ist das Geschoß mit einer Sensoreinrichtung versehen, z.B. mit einer Fernsehkamera, die mit einer vorbestimmten Bildgeschwindigkeit Bilder des Gebietes liefert, auf das sich das Geschoß zubewegt. Die Erfassung eines Zieles erfolgt durch übertragung der Bilder zu einer entfernt liegenden Lenkungsstelle, an der ein Bild des Bereiches rekonstruiert und von einer Bedienungsperson beobachtet wird, die die Position eines Zieles (wenn vorhanden) in dem Bereich bestimmt und das Bild so verschiebt, daß das Ziel in bezug zu einer festen Fadenkreuzmarke zentralisiert ist. Die Zentralisierung des Zieles wird bewirkt, um ein Kurskorrektursicial zu erzeugen, das dem Ge choß zugeführt

709823/0279

wird, um den Kurs des Geschosses zwecks Zentralisierung des Geschosses im Blickfeld der Sensoreinrichtung zu ändern. Wenn dies einmal erfolgt ist, ist die Zweikanalübertragungsverbindung zwischen dem Geschoß und der Lenkungsstelle nicht langer erforderlich und kann,, falls gewünscht, unterbrochen werden.

Das Geschoß ist mit einer Einrichtung versehen, die dieses Geschoß befähigt, wenn ein Ziel einmal im Blickfeld seiner Sensoranordnung zentriert worden ist, das Ziel zu verfolgen und auf das Ziel automatisch zuzusteuern. Dies entspricht der wahren A.L.F.Betriebsweise und bezieht die Korrelation eines Referenz-"Bildes" ein, das eine Darstellung des Zieles und seiner unmittelbaren Umgebung enthält, das aus dem Zentralbereich eines Bildes abgeleitet ist, welches von der Sensoranordnung gewonnen wird, nachdem die oben erwähnte Zielerfassung erfolgt ist, bevor jedes Bild bzw. jede Darstellung von der Sensoranordnung gewonnen wird. In jedem Korrelationsprozeß wird das Referenzbild mit der relevanten Darstellung bzw. dem relevanten Bild in jeder Anordnung oder Lage mehrerer dazu relativer Anordnungen verglichen; ein "Trefferergebnis" , das den Grad der Übereinstimmung zwischen den Inhalten des Referenzbildes und der Darstellung anzeigt, wird für jede Lage oder Anordnung ermittelt, und die Koordinaten, relativ zu denen des Zentrums der Darstellung bzw. des Bildes, des Zentrums des Referenzbildes in der Anordnung oder Lage, die das beste Trefferergebnis ergibt, werden ausgewertet und dazu verwendet . das Geschoß auf einem Kurs zu halten oder den Sensor zu steuern, der in iiner kardanischen Anordnung u':geh<^:.ngt ist, so da' . ~ι Z e¹

709823/0279 .₃_

im Zentrum (iss Blickfeldes der S ens or anordnung bleibt. Selbstverständlich ändert sich der Maßstab der Darstellungen bzw. Bilder, wenn sich das Geschoß dem Ziel nähert, relativ zum Referenzbild, und dieser Umstand wird den Pegel des Korrelationsprozesses erniedrigen. Diesem wird durch Überwachung des besten für jede Korrelation erhaltenen Trefferergebnisses Rechnung getragen und ferner dadurch, daß das Referenzbild auf den neuesten Stand gebracht (berichtigt) wird, wenn das erhaltene beste Trefferergebnis unter einen vorbestimmten Referenzpegel fällt. Dieser Vorgang des Aufden-neuesten-Stand-Bringens erfolgt jedoch sozusagen blind, weil der Korrelationsfehler nicht aufgrund relativer Änderungen des Maßstabes zwischen der Darstellung und dem Referenzbild hervorgerufen wird, jedoch beispielsweise dadurch verursacht sein kann, daß das Geschoß im Flug rollt, wodurch bewirkt wird, daß die Darstellungen oder Bilder in Rotationsrichtung mit dem Referenzbild fehl ausgerichtet sind. In diesem Falle bewirkt die Berichtigung lediglich eine zeit- und teilweise Abhilfe für den Korrelationsfehler bzw. die Korrelationsunscharfe, und es kann die Notwendigkeit bestehen, diese Berichtigung häufiger vorzunehmen, um einen vernünftigen Öbereinstimmungsgrad (Korrelationsgrad) zu erhalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Zielverfolgungs- und Fernsteuerungseinrichtung für ein Fahrzeug oder Geschoß zu schaffen, das sowohl dem Rollen oder Drehen und den relativen Maßstabsänderungen zwischen den von der Sensoranordnung abgeleiteten oder gewonnenen Darstellungen oder Bildern und dem Referenzbild Rechnung trägt.

709823/0279 - "4-

Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeuges oder Geschosses, das mit einer Sensoreinrichtung zum Erzeugen von Darstellungen oder Bildern mit einer bestimmten Bildgeschwindigkeit eines Gebietes versehen ist, auf das sich das Fahrzeug oder Geschoß zubewegt, gelöst durch

eine Einrichtung zur Ableitung oder Gewinnung eines Referenzbildes aus einem vorselektierten Darstellungs- oder Bildbereich, durch eine Einrichtung zum Aufteilen des Bildes in Bildteile, durch eine Einrichtung zum Korrelieren sämtlicher dieser Teile in jeder einer Vielzahl verschiedener relativer Anordnungen mit einem weiteren Bild bzw. einer weiteren Darstellung, das nachfolgend von der Sensoreinrichtung gewonnen wurde zur Ermittlung der Positionskoordinaten jedes der Teile relativ zu einem Bezugspunkt, in dem die Inhalte der entsprechenden Teile am besten mit den Inhalten der weiteren Bilder oder Darstellungen korrelieren, um Rotationsfehlausrichtung und/oder Maßstabsänderungen zwischen den Inhalten des Bezugsbildes und den Inhalten der weiteren Bilder oder Darstellungen zu kompensieren bzw. zu korrigieren.

Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, in der beispielhaft Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Beispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung in Form eines Blockdiagramms und

709823/0279

-5-

Fig. 2 schematisch die Gewinnung bzw. Ableitung

von Signalen/ die die relative Drehbewegung und Maßstabsänderungen zwischen verschiedenen Darstellungen .,der Bildern eines Bereiches anzeigen.

Es soll nun Bezug genommen werden auf die Zeichnungen; von einer Sensoranordnung, die eine Fernsehkamera und zugeordnete Schaltkreise umfaßt, gezeigt als Block 1, abgeleitete bzw. gewonnene Videosignale werden digitalisiert und einem geeigneten Speicher 2 unter dem Einfluß bzw. der Steuerung einer Zeitstufe zugeführt, die außerdem für das Triggern der Zeilenablenk- und Feldablenk-Wellenformen für die im Block 1 enthaltenen Kan£ra zuständig ist. Die im Speicher 2 gespeicherten Signale werden einem Gatter 4 in der gleichen Ordnung, wie sie aufgenommen wurden, zugeführt, jedoch möglicherweise mit einer anderen Frequenz, und werden entweder einem Referenzbild-Selektorschaltkreis 5 oder einem Korrelator 6 zugeleitet. In eier nachfolgenden Beschreibung sei angenommen, daß die hier beschriebene Zielerfassung bereits erfolgt ist, und daß das Geschoß, das in diesem Fall eine Rakete mit einem Sprengkopf ist, beginnt, in der richtigen A.L.F.-Weise zu arbeiten. Es ist eine übertragungseinrichtung 7 gezeigt, mit der von der Kameraanordnung 1 erzeugte Videoinformation zu einer Steuer- oder Lenkstelle übertragen werden kann, während die Rakete in ihrer Zielerfassungsbetriebsweise arbeitet und, falls gewünscht, kann diese übertragungseinrichtung für den gesamten Raketenflug betriebsbereit bleiben. Diese Einrichtung kann alternativ jedoch auch außer Betrieb gesetzt werden, wenn die Zielerfassung einmal erfolgt ist. 709823/0279 -

Das erste Bildinformations-Vollbild, das nach erfolgter Erfassung vom Speicher 2 abgeleitet ist, wird vom Gatter 4 zum Referenzbild-Selektorschaltkreis 5 weitergeleitet, der in bekannter Art und Weise dazu bestimmt ist, aus der zugeführten Information lediglich die auszuwählen, die einem schmalen zentral angeord-

neten Bereich in dem Videobild zugeordnet ist. Sobald die Zielerfassung erfolgt ist, sollte dieser schmale Bereich das Ziel umfassen, und das Referenzbild kann dann mit für die Korrelation in der Einheit 6 mit nachfolgend abgeleiteten bzw. gewonnenen Vollbildern von Videoinformationen verwendet werden.

Wenn das Referenzbild einmal selektiert worden ist, wird das Gatter so geschaltet, daß es nachfolgend gewonnene Vollbilder der Videoinformationen dem Korrelator 6 zuführt. Der Referenzbild-Selektor 5 spaltet die Information im Referenzbild in η Teile von im wesentlichen gleicher Fläche. In diesem Beispiel, wie man der Fig. 2 entnehmen kann, nimmt die Zahl η den Wert vier ein, und die vier Teile sind relativ zum Bezugsbild symmetrisch angeordnet; die Teile sind dabei mit ihren Zentren um fz χ d vom Zentrum des Referenzbildes entfernt angeordnet. Wie man der Fig.2 entnehmen kann, sind die Zentren P₁, P_, P-. und P. der vier Teile des Referenzvollbildes, wenn angenommen wird, daß der Ursprung 0 eines kartesischen Koordinatensysteme3 X und Y mit dem Zentrum des Referenzbildes übereinstimmt, anfangs so angeordnet, daß eine Li.iienverbindang P. bis P₃ die Linienverbindung P₂ bis F. ukrecht nalbiert ; die Liniem treffen dabei im Ursprmc 0 ,asammen. In der Fig. 2 sind die vier Teile so dargestellt, Jaj ^..e vr-n-

709823/0279

7-

-r-

einander im Abstand angeordnet sind, jedoch braucht dies nicht notwendigerweise der Fall zu sein, und das Abrücken der Teile von einander in der dargestellten Art und Weise oder auf andere Art und Weise hängt zu einem beträchtlichen Teil von der Natur des zu verfolgenden Zieles ab.

Der Korrelator 6 korreliert jedes Teil des Referenzbildes einzeln mit der Videoinformation, die von der Kameraanordnung 1 nach der Information, von der das Referenzbild gewonnen wurde, abgeleitet oder gewonnen wird. Die Koordinaten der Zentralpunkte P bis P₄ der vier Teile werden in ihren entsprechenden Stellungen oder Lagen der besten Übereinstimmung mit der Videoinformation einem Roll- bzw. Dreh- und/oder zoom (Brennweiten-) -Kompensationsschaltkreis 8 zugeführt, welcher durch Einführen der zuvor erwähnten Koordinaten in mathematische Formeln, die weiter unten offenbart werden sollen, das Rollen bzw. Drehen und/odr-r die Brennweite errechnet, welches oder welche im Intervall zwischen der Gewinnung des Referenzbildes uncj|der Gewinnung der Videoinformation, mit der das Referenzbild korreliert wird, aufgetreten ist. Der Schaltkreis 3 erzeugt Roll- bzw. Dreh- und/oder Brennweiten-FehlersigmLle, die zum Referenzbild-Selektor 5 zurückgeführt werden und dazu verwendet werden, das Referenzbild durch Drehen und/oder Dehnen so zu modifizieren, daß solche Fehlersignale verkleinert werden. Dt.roh diese Mittel wird das Referenzbild modifiziert, um Änderungen der Kameraanordnung 1 relativ zum Ziel hinsichtlich des Rollens bz\ . D -ehens und/oder der relativen Entfernung zu gestatten.

Es versteht sich, daß jedf: derartige Modifikation c . .^f -rta. bildes in einem Sinne durchgeführt wird, c'ie geeignet is ., daß die

709823/0279

-8-

-a*

Korrelation^mit der Videoinformation, mit der es gerade korreliert worden ist, besser wird, so daß im allgemeinen die Korrelation des modifizierten Referenzbildes mit dem nächsten einlaufenden Vollbild der Bildinformation nicht ideal sein wird und eine weitere Modifikation des Referenzbildes erforderlich wird. Jedoch zeigt das Referenzbild stets die Neigung, der bestehenden bzw. vorherrschenden Drehung und/oder Brennweite zu folgen, so daß die Korrelation die Tendenz zeigt, auf einem vernünftigen guten Niveau zu bleiben. Wenn zusätzliche Kompliziertheit in dem System toleriert werden kann, unter Beachtung, daß die ganze Rakete und ihr Inhalt, der sämtliche Schaltungsteile aufweist, die in bezug auf Fig. 1 beschrieben worden sind, notwendigerweise Verbrauchsmaterial darstellt, wäre es möglich, einen Extrapolationsschaltkreis in den Leitungsweg der Zählersignale vom Schaltkreis 8 zum Selektor 5 zu legen, so daß der wahrscheinliche Pegel der Fehlersignale für das nächste einlaufende Vollbild der Videoinformation auf der Basis einer linearen Extrapolation der aus dem laufenden Bild der Videoinformation erhaltenen Fehlersignale vorausberechnet werden könnte, um so das Referenzbild um ein Ausmaß zu modifizieren, das die Wahrscheinlichkeit einer besseren Korrelation mit dem nächsten einlaufenden Vollbild erhöhen würde.

Trotz der durch die Erfindung bewirkten Verbesserung hines
sichtlich der Korrelation ist"jedoch,auch wenn eine Extrapolation, wie oben erwähnt, verwendet wird oder nicht, immer noch notwendig, einen Schaltkreis 9 vorzusehen, der den Korrelationspegel in dem besten übereinstimmungszustand überwacht für jeden Teil des Referenzbildes und der das Gatter 4 steuert, um die Auswahl eines neuen Referenzbildes durch den Selektor 5 zu bewirken, wenn die

709823/0279

-9-

Korrelation unter einen vorbestimmten Schwellwert-Pegel fällt. Zweckmäßig berechnet der Schaltkreis 9 den mittleren Korrelationspegel für alle vier Abschnitte bzw. Teile und vergleicht diese mit dem Schwellwert.

Außerdem wird die Koordinateninformation, die dem Kompensationsschaltkreis 8 für die Kompensation des Rollens oder Drehens und/oder der Brennweise zugeführt wird, einem Steuersignalgenerator Io zugeführt, der die X- und Y-Richtungs-Steuersignale errechnet aus zwei mathematischen Gleichungen, auf die nachfolgend Bezug genommen werden soll, zur Steuerung der Steuer- bzw.Leitflächen bzw. des Leitwerkes 11 auf der Rakete, um den Flug der Rakete in das Ziel zu steuern, oder zur Steuerung der Kardanaufhängung ues Sensors.

Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, lauten die Gleichungen, die im Generator Io verwendet werden, um die Steuersignale & X und 6Y für die normale X- und Y-Richtung-Zielverfolgung zu erzeugen

4Sx =Sx₁ +Sx₂ +Sx₃ +Sx₄

wobei <S X₁ die Bewegung von P, in der X-Richtung nach der Korrelation ist, verglichen mit der Anfangsposition, wie in der Fig. 2 gezeigt, und£x₂,£x₃ und S X₄ haben ähnliche Bedeutungen in Bezug zu P₂, P₃ bzw. P₄, und

4&Y -Sy₁ +$y₂ t$y₃ +£y₄

wobei Sy₁/O Y₂ usw. ähnliche Bedeutungen haben wie £ X₁^x₃ usw., jedoch zu den Bewegungen in der Y-Richtung in Beziehung stehen.

Die Gleichungen, die verwendet werden, um das Rollen bzw. Drehen (S©) und die Brennweite (S Z) im Schaltkreis 8 zu berechnen

709823/0279 ~^lo~

("Brennweite" ist definiert als die Bildausdehnung in Bruchteilen)

ί
sind folgende :

=Sx₁ -Sx₂ -Sx₃ +5x₄ -Sy₁ -δγ₂ +Oy₃ +Sy₄ _und =5x₁ ⁺5x₂ -όχ₃ -δχ₄ +δχ_χ -Oy₂ ~£y₃ ⁺6y₄

¹ Beide Gleichungen können leicht dadurch bestimmt werden, daß getrennt eine Rotation der Punkte P, bis P₄ in einer gemeinsamen Richtung um den Ursprung 0 und die Bewegung der Punkte P, bis P. entlang den Diagonalen der Fig. 2 in eine Auswärtsrichtung vom Ursprung 0 aus betrachtet werden.

Bei einem schrägen Blick auf einen Bereich, derart, als wenn sich der Sensor unter einem Winkel in seiner kardanischen Aufhängung zur Bewegungsbahn des Geschosses befindet, erscheint ein rechteckiger Bereich trapezförmig. Daher kann die Brennweite oder die Ausdehnung, wie oben definiert, quer über das Bild variieren und man kann Gleichungen zur Ermittlung der Brennweite oder der Ausdehnung für verschiedene X- und Y-Werte aus den oben ermittelten Bewegungen (S x,,... usw. undoy,..« usw. erhalten.

Diese Gleichungen sind :

4dSz_x ^Ox₁ +6x₂ -Ox₃ -Ox_{4 und}

4d5z_y =oy_x -Oy₂ -Oy₃ +Oy₄

In einigen Fällen bzw. unter einigen Bedingungen kann es vorteilhaft sein, um die Wirkungen von Rauschsignalen im Referenzbild auf den Korrelationsprozeß zu reduzieren, solches Raascnen durch Integrieren von Referenzbildern zu unterdrücken, die aus mehreren verschiedenen Videoinformationsbildern abgeleitet sind.

709823/0279 -¹¹"

-JA-

Wenn dies erfolgt ist, ist es wünschenswert, die Kompensation für das Rollen und/oder die Ausdehnung zu bewirken, bevor die Referenzbilder integriert sind, so daß die Roll- und Brennweitenbzw. Ausdehnungswirkungen das Referenzbild nicht beeinträchtigen, wenn die Integration über eine geeignet lange Zeitperiode durchgeführt wird.

709823/0279 ' -12-

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1.1 Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeugs oder Geschosses, das mit einer Sensoreinrichtung zum Erzeugen von Darstellungen oder Bildern eines Gebietes mit bestimmter Bildgeschwindigkeit versehen ist, auf das sich das Fahrzeug oder das Geschoß zubewegt, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Gewinnung eines Referenzbildes aus einem vorselektierten Bildbereich, durch eine Einrichtung zur Teilung des Bildes in Bildteile, durch eine Einrichtung zum Korrelieren sämtlicher dieser Teile in jeder einer Vielzahl von verschiedenen relativen Anordnungen mit einem weiteren Bild bzw. einer weiteren Darstellung, das bzw. die nachfolgend von der Sensoreinrichtung gewonnen wurde zur Ermittlung der Positionskoordinaten jedes der Teile relativ zu einem Bezugspunkt, irdaem die Inhalte der entsprechei.len Teile am besten mit den Inhalten der weiteren Bilder korrelieren, und durch eine Einrichtung, die die ermittelten Positionskoordinaten benutzt, um Rotationsfehlausrichtung und/oder Maßstabsänderungan zwischen den Inhalten des Referenzbildes und des v/eiteren Bildes bzw. der weiteren Darstellung zu kompensieren bzw. zu korrigieren.

-13-

709823/0279

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet ferner durch eine Einrichtung zur Reduzierung der Wirkung von Rauschsignalan in einem Referenzbild durch Verwendung mehrerer hinsichtlich Rotationsfehlausrichtung und/oder Maßstabsänderung korrigierter Referenzbilder und durch Integrieren dieser Referenzbilder, um ein weiteres Referenzbild zu erzeugen, das in der Korrelationseinrichtung verwendet wird.

3. Einrichtung zur Zielverfolgung und/oder Fernsteuerung eines Fahrzeugs oder Geschosses, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung zur Erzeugung von Bildern oder Darstellungen eines Gebietes, auf das sich das Fahrzeug oder Geschoß zubewegt, durch Speichereinrichtungen zur Speicherung der Bilder bzw. Darstellungen der Sensoreinrichtung, durch einen Referenzbild-Selektor zum Aufteilen der, Darstellung bzw. eines Bildes in eine Vielzahl von Teilen, durch einen Korrelator, durch einen Gatterschaltkreis zum Zuführen der Bilder aus der Speichereinrichtung zu entweder der Referenzbildeinrichtung oder dem Korrelator, wobei der Ko :relator Ausgangssignale erzeugt, die die Korrelation zwischen jedem Teil eines Bildes, abgetrennt durch den Bildselektor, und nac -folgend abgeleiteten bzw. gewonnenen Bildern oder Darstellungen, anzeigen, die vom Gatterschaltkreis zugeführt werden, durch exne Rechenschaltung, durch eine Überwachungseinrichtung zur Überwachung der besten Übereinstimmung, durch einen Steuersiqnalgenerator, durch eine Einrichtung zum Zuführen der Ausgang:;signale vom Korrelator zum Rechenschaltkreis, zur überwachungseinrichtung

709823/0279

-14-

und aunt Steuersignalgenerator, wobei Ausgangssignale des Rechenschal tkreises,die Fehlersignale anzeigen, zum Referenzbild-Selektor zurückgeführt werden, um das in dem Selektor enthaltene Bild so zu modifizieren, daß die Fenlersignale reduziert werden, und wobei die Ausgangssignale der Überwachungseinrichtung zum Gatterschaltkreis zurückgeführt werden, um das Bild bzw. die Darstellung in dem Referenzbild-Selektor zu berichtigen, wenn die Korrelation un-

durch

zulässig niedrig sein sollte/Steuerflächen- bzw. Leitwerkeinrichtungen, denen Ausgangssignale des Steuersignalgenerators zugeführt werden, um das Fahrzeug oder Geschoß zu lenken, Ui₁I durch eine Zeitschaltung zur Steuerung der Arbeitsweise des Systems.

4. Rakete unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3.

709823/0279